JP2018520373A - シースルーヘッドウェアラブルディスプレイのための効率的な薄い湾曲したアイピース - Google Patents

Abstract

ヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースは、湾曲した光導波路要素と、入力カプラと、出力カプラとを備える。湾曲した光導波路要素は、表示領域から離れて位置する入力領域において受光されたディスプレイ光を案内し、表示領域において目方向に沿ってディスプレイ光を放出する。湾曲した光導波路要素は、凹状の目方向接面と、凸状の世界接面とを含む。入力カプラは、ディスプレイ光を湾曲した光導波路要素に結合するように入力領域に配設されている。出力カプラは、ディスプレイ光の方向を目方向に向けて変えてディスプレイ光を湾曲した光導波路要素から出力するように、表示領域において配設される。出力カプラは、世界接面を通って入射する周囲光に対して部分的に透過性を有する。ディスプレイ光は、全体的に内部全反射によって入力カプラと出力カプラとの間で案内される。

Description

本開示は、一般に光学分野に関し、特にヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースに関するが、それらに限定されるわけではない。

背景情報
ヘッドマウントディスプレイ（head mounted display: ＨＭＤ）、すなわちヘッドウェアラブルディスプレイは、頭またはその周りに装着されるディスプレイ装置である。通常、ＨＭＤは何らかの種類のニアアイ（near-to-eye）光学システムを組み入れて、ユーザの数メートル前方に配置される、拡大仮想画像を生成する。単眼用ディスプレイは単眼ＨＭＤと呼ばれ、両眼用ディスプレイは両眼ＨＭＤと呼ばれる。ＨＭＤのなかには、コンピュータ生成画像（computer generated image: ＣＧＩ）のみを表示するものもあれば、ＣＧＩを実世界ビューに重ねることが可能な種類のものもある。後者のタイプのＨＭＤは、何らかの形のシースルーアイピースを含んでいることが典型的であり、拡張現実を実現するためのハードウェアプラットフォームとして機能し得る。拡張現実では、視聴者の世界の画像がその上に重なるＣＧＩで拡張され、ヘッドアップディスプレイ（heads-up display: ＨＵＤ）とも呼ばれる。

ＨＭＤは、実用的なアプリケーションおよびレジャーアプリケーションに応用されることが多い。航空宇宙産業への応用により、パイロットは、自身の目を飛行経路からそらすことなく、重要な飛行制御情報を見ることができる。公衆安全への応用としては、地図の計算された表示およびサーマルイメージングが含まれる。他の応用分野としては、ビデオゲーム、交通、および電気通信が含まれる。技術が進化するにつれて、新しく実用的なアプリケーションおよびレジャーアプリケーションが発見されるのは疑いがない。しかしながら、これらの応用のうちの多くは、既存のＨＭＤを実現するために使用される従来の光学システムのコスト、サイズ、重さ、視野、および効率によって制約を受ける。

以下の図面を参照して説明される本発明の実施形態は限定的でも網羅的でもなく、特に指定されない限り、同様の参照符号はさまざまな図面を通して同様の部分を示す。図面は必ずしも同縮尺率ではなく、説明されている原理を説明することが強調されている。

本開示のある実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースを示す図である。 本開示のある実施形態に係る、アイピースのアイボックスを拡張するように、アイピースが１つのディスプレイ画素から出力される光線束を一つにまとめる様子を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える、単眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える、単眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える、両眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、アイピースの湾曲した光導波路要素に取付けるためのシースルーアドオン要素の例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。 本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。

詳細な説明
入力カプラと出力カプラとの間の内部全反射を利用するヘッドウェアラブルディスプレイのアイピースのためのシステムおよび装置の実施形態について、以下で説明する。以下の説明では、実施形態を完全に理解できるように、数多くの特定の詳細が説明される。しかしながら、当業者であれば、以下で説明される技術は、詳細なものの１つ以上がなくても、または、他の方法、構成要素、材料などと共に実施可能であると理解するであろう。他の場合では、周知の構造、材料、または動作は、特定の態様を不明瞭にするのを避けるために、詳細に図示または説明されない。

本明細書を通じて、「１つの実施形態」または「ある実施形態」という言及は、実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書内のさまざまな場所における「一実施形態において」または「ある実施形態において」というフレーズは、必ずしも同じ実施形態に関するわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は１つ以上の実施形態において任意の好適な態様で組み合わせることが可能である。

図１は、本開示のある実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイと共に使用されるアイピース１００を示す図である。アイピース１００の例示された実施形態は、湾曲した光導波路要素１０５と、シースルーアドオン要素１１０と、入力領域１２０に配設された入力カプラ１１５と、表示領域１３０に配設された出力カプラ１２５とを備える。湾曲した光導波路要素１０５の図示された実施形態は、目方向接面１３５および世界接面１４０を含む。

アイピース１００は、ヘッドウェアラブルディスプレイ（ＨＭＤ）との使用にきわめて適している。ＨＭＤと一体化されると、アイピース１００は、表示領域１３０から離れて位置する入力領域１２０においてディスプレイソース１５０によって生成されたディスプレイ光１４５を受光し、表示領域１３０において目方向に沿って、ユーザの目１５５に向けてディスプレイ光１４５を放出する。入力カプラ１１５と出力カプラ１２５との間で、ディスプレイ光は目方向接面１３５と世界曲線１４０との間の内部全反射（ＴＩＲ）によって、全体的に案内される。

図示された実施形態では、光結合器１６０が、ＨＭＤと一体化されて、アイピース１００を通る共通経路に沿って、ディスプレイ光１４５を赤外（ＩＲ）光１６５と結合し得る。たとえば、アイピース１００から受光された赤外光１６５は光結合器によってカメラ１７０に向けられる。カメラ１７０は、ＩＲ光１６５を捉えて目１５５の動きを監視するように構成され得る。それに応じて、光結合器１６０は、ディスプレイソース１５０から受光されたディスプレイ光１４５をアイピース１００の方に向けて、入力領域１２０において湾曲した光導波路要素１０５にインカップリング（in-coupling）させる。光結合器１６０の図示された実施形態は、ミラー１７５および波長選択反射器１８０を含む。ミラー１７５は、可視スペクトルディスプレイ光１４５を反射するための従来の１００％反射面として実現可能であり、波長選択反射器１８０は、「コールドミラー」として実現可能である。コールドミラーは、可視スペクトルディスプレイ光１４５を実質的に反射しつつ、ＩＲスペクトル光１６５を実質的に透過させる。一実施形態では、波長選択反射器１８０は、多層ダイクロイックコーティングを用いて実現可能である。他の光結合器の構成は、ＩＲ光１６５およびディスプレイ光１４５を多重化するように実現可能である。図示されていないが、目１５５をＩＲ光１６５で照射するように、赤外線エミッタが設けられていてもよい。

図示された実施形態では、ディスプレイ光１５０は、入力領域１２０において目方向接面１３５を通って入射し、湾曲した光導波路要素１０５内に入る。入力カプラ１１５は、入力領域１２０に配設され、湾曲した光導波路要素１０５内の軌道に沿ってディスプレイ光１４５の方向を変えるように機能する。この軌道によって、ＴＩＲ伝播は、表示領域１３０および出力カプラ１２５に向けて湾曲した光導波路要素１０５の下流に向かう。一実施形態では、入力カプラ１１５は、自由形状面を有するミラー（たとえば、シルバーコーティングまたは他の反射コーティング）である。ディスプレイ光１４５は、ＴＩＲを介して入力カプラ１１５から出力カプラ１２５に、全体的に案内され、ディスプレイ光１４５は、表示領域１３０において出力カプラ１２５からの最終的な反射を介して、湾曲した光導波路要素１０５から向きを変えられる。

出力カプラ１２５は、自由形状面を有する部分反射器またはビームスプリッタ（たとえば、薄いシルバーコーティング）である。一実施形態では、出力カプラ１２５は、可視光に対して反射性よりも透過性を有している。たとえば、出力カプラ１２５は、１５％反射性、８５％透過性を有するように実現可能である。当然のことながら、他の反射性／透過性比も実現可能である。したがって、表示領域１３０は、表示領域１３０がシースルーになるように、世界接面１４０を通って入射する周囲光１８５に対して部分的に透過性を有する。シースルーアドオン要素１１０は、世界接面１４０に沿って相補的な曲率を与えるよう表示領域１３０にわたって配設され、周囲光１８５に生じる目方向接面１３５の曲率の光パワーを相殺する。一実施形態では、シースルーアドオン要素１１０および湾曲した光導波路要素１０５は、同じ透明材料または実質的に同じ屈折率を有する透明材料から製造される。したがって、アイピース１００は光結合器として作動する。光結合器は、周囲光１８５を、表示領域１３０から発せらて目方向に沿って目１５５に入るディスプレイ光１４５と結合する。このように、アイピース１００は、拡張現実を目１５５に対して表示可能である。

図示された実施形態では、シースルーアドオン要素１１０は、シースルーアドオン要素１１０と湾曲した光導波路要素１０５との間に出力カプラ１２５を有する界面に沿って湾曲した光導波路要素１０５に接合される。上述のように、世界接面１４０および目方向接面１３５は、透過する周囲光１８５に対して互いの光パワーを実質的に相殺する相補的な曲率を有する。言い換えると、世界接面１４０に入射する周囲光の入射角は、目方向接面１３５から出射する周囲光の出力角と実質的に等しい。したがって、アイピース１００は、実質的にレンズ効果なしで周囲光１８５の少なくとも一部に表示領域１３０を透過させ、これによって、ユーザは、アイピース１００の前方で実質的に歪んでいない周囲環境の眺めを見ることができる。他の実施形態では、世界接面１４０および目方向接面１３５は、透過する周囲光に修正レンズパワーを集合的に与える、非相補的な曲率を有する表面である。さらに、湾曲した光導波路要素１０５の屈折率とシースルーアドオン要素１１０の屈折率とを一致させることにより、透過する周囲光１８５について出力カプラ１２５の湾曲した界面において光パワーは存在しない。しかしながら、出力カプラ１２５の曲率は、反射レンズパワーを内部ディスプレイ光１４５に与えはする。

アイピース１００は、４ｍｍ未満の厚さを有する、薄い湾曲したアイピースとして実現可能である。一実施形態では、湾曲した光導波路要素１０５は、１．６４の屈折率を有する透明の材料（たとえば、ＯＫＰ４ＨＴ−Ｌ、ＥＰ５０００、ポリカーボネートなど）で製造された場合に、約３．５ｍｍの厚さを有する。屈折率が高いほど、アイピースは薄くなる。目方向接面１３５および世界接面１４０双方の曲率は、球面として実現可能である。集合的に、アイピース１００の曲率と薄いという性質とによって、望ましい工業デザインが可能になる。アイピース１００は望ましい工業デザインを有しているだけでなく、効率的でもある。なぜなら、入力領域１２０から表示領域１３０に進むディスプレイ光１４５に関する損失の大きい跳ね返りのみが、出力カプラ１２５によるただ１つの方向転換だからである。これにより、出力カプラ１２５は実質的に反射性よりも透過性を有するようになり、表示領域１３０におけるアイピース１００のシースルー特性が改良される。

一実施形態では、湾曲した光導波路要素１０５が１．６４の屈折率を有する透明材料で製造されている場合、入力カプラ１１５および出力カプラ１２５のための自由形状面と共に目方向接面１３５および世界接面１４０の球面曲率によって、１５度の視野（ＦＯＶ）および４．６ｍｍの直径の歪んでいないひとみを可能にするアイピース１００が実現される。この実施形態の例では、目方向接面１３５および世界接面１４０はそれぞれ、９０ｍｍおよび９３．５ｍｍの球面半径を有する。この例では、入力カプラ１１５および出力カプラ１２５の自由形状面は、次の式で定義される。

一実施形態では、入力カプラ１１５は式１および式２で定義される自由形状を有しており、係数値ｘ^２＝−３．０５９８Ｅ−０３、ｙ^２＝４．６１０７Ｅ−０４、ｘ^３＝３．３３７８Ｅ−０５、ｘ^２ｙ＝４．８２２０Ｅ−０６、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（−２８．５，０，−３）、および、相対的な傾斜は４８．８度である。一実施形態では、出力カプラ１２５は式１および式２で定義される自由形状を有しており、係数値ｘ^２＝４．６４８２Ｅ−０３、ｙ^２＝５．６５２６Ｅ−０３、および、相対的な傾斜は２６度である。当然のことながら、他の係数項ならびに／または値および寸法も実現可能である。

アイピース１００は、他のさまざまなアイウェアの特徴と組み合わせることができる。たとえば、世界接面１４０は規定のレンズ効果を周囲光に導入するよう、目方向接面１３５に対して非相補的な曲率を有し得る。さらに他の実施形態では、明るい光を遮光する特徴（たとえば、サングラス）を発揮するよう、フォトクロミックおよび／またはエレクトロクロミックコーティングを世界接面１４０に塗布してもよい。

図２は、本開示のある実施形態に係る、アイピース１００のアイボックスを拡張するように、アイピース１００が一つのディスプレイ画素から出力される光線束をまとめる様子を示す図である。１つのディスプレイ画素２１５から出力される光線束２０５および２１０は、目１５５がディスプレイ画素２１５を認識できるアイボックス２２０を拡張するように、表示領域で１つにまとめられている。光線束２０５および２１０が辿る異なる経路の利用によって、このようにまとめることができる。実際は、光線束２０５は、光線束２１０とは異なる数のＴＩＲ反射／跳ね返りを有する、湾曲した光導波路要素１０５内の経路を辿る。たとえば、図示された実施形態では、光線束２０５は７つの全反射（目方向接面１３５および世界接面１４０からの５つのＴＩＲ反射を含む）を受ける一方で、光線束２１０は、９つの全反射（目方向接面１３５および世界接面１４０からの７つのＴＩＲ反射を含む）を受ける。

光線束２０５は、目１５５がディスプレイ画素２１５を認識できるサブアイボックス２２０を提供する一方で、光線束２１０は、目１５５がディスプレイ画素２１５を認識できるサブアイボックス２２５を提供する。サブアイボックス２２０および２２５は、拡張されたアイボックス２１５を形成するように継ぎ目なく１つにまとめられる。入力カプラ１１５、出力カプラ１２５、目方向接面１３５、および世界接面１４０の曲率を設定することによって、アイボックス２２０を拡張するように光線束２０５および２１０をこのようにまとめることができる。

従来より、アイピースの光導波路内で異なる数の反射を受ける１つのディスプレイ画素からの光線束は、一次像とは関係のない、悪影響を及ぼすゴースト画像になることがある。そのため、従来から光学デザイナーらは、目１５５に到達する前にゴースト画像を防止、遮断、そうでなければ処分するように努力してきた。しかしながら、アイピース１００のデザインでは、これらの二重経路反射をアイピース１００の出力において継ぎ目なく１つにまとめることによってこれらを最大限に利用し、より大きな拡張されたアイボックス２１５を形成しようとしている。

図３Ａおよび図３Ｂは、本開示のある実施形態に係る、アイピース３０１を用いた単眼ヘッドウェアラブルディスプレイ３００を示す図である。図３Ａはヘッドウェアラブルディスプレイ３００の斜視図であり、図３Ｂはヘッドウェアラブルディスプレイ３００の上面図である。アイピース３０１は、上述のアイピース１００の実施形態、または、以下で説明されるアイピースの他の実施形態のいずれか（もしくは、それらの組合せ）によって実現することが可能である。アイピース３０１はフレームアセンブリに搭載され、このフレームアセンブリは、鼻梁３０５、左耳用アーム３１０、および右耳用アーム３１５を含む。筐体３２０および２２５は、マイクロプロセッサ、インターフェース、１つ以上のワイヤレストランシーバ、バッテリ、カメラ、スピーカ、ディスプレイソースなどを含むさまざまな電子機器を収容し得る。図３Ａおよび図３Ｂは単眼用の実施形態を示し、ヘッドウェアラブルディスプレイ３００は、ディスプレイ３００が装着されたときに各々がユーザのそれぞれの目と並ぶ２つのアイピース３０１を有する両眼ディスプレイとしても実施可能である。

シースルーアイピース３０１は眼鏡構成内に固定されているため、ヘッドウェアラブルディスプレイはユーザの頭に装着可能である。左耳用アーム３１０および右耳用アーム３１５は、鼻梁３０５がユーザの鼻の上に置かれた状態で、ユーザの耳の上に置かれている。フレームアセンブリは、表示領域１３０をユーザの目の前方に位置決めするような形状および大きさに形成されている。他の形状を有する他のフレームアセンブリも使用可能である（たとえば、従来の眼鏡フレーム、単一の連続したヘッドセット部材、ヘッドバンド、ゴーグルタイプのアイウェアなど）。

上述のように、図３Ａおよび図３Ｂは、ユーザの視野の一部のみをカバーするコンパクトなシースルーアイピースを有する単眼用の実施形態を示す図である。他の実施形態では、シースルーアイピースの目方向接面および世界接面は拡張されて両眼フレームにおける全体眼鏡レンズを形成可能である。図４は、フレームに一体化された２つのシースルーアイピース４０１を含む、両眼ヘッドウェアラブルディスプレイ４００を示す図であり、これらのアイピースは、ユーザの視野のかなりの部分にわたって延在している。各アイピース４０１のシースルーアドオン要素（たとえば、図１のシースルーアドオン要素１１０）は、アイピースの中間部に継ぎ目が形成されないように、アイピース全体にわたって延在するように設計可能である。上述のように、ディスプレイ光１４５を、周囲の眼鏡のつる領域でアイピース４０１内に放ち、ＴＩＲを介して出力カプラ１２５に向けて案内することができる。これらの全体眼鏡レンズは、外面の処方調製された曲率があってもなくても実施可能である。

図５は、本開示のある実施形態に係る、アイピースの中央領域において表面の継ぎ目を避けるようにアイピース５００全体にわたって延在するシースルーアドオン要素５０１の例を示す図である。アイピース５００の図示された実施形態は、湾曲した光導波路要素５０５、シースルーアドオン要素５０１、入力カプラ５１０、および出力カプラ５１５を含む。湾曲した光導波路要素５０５の図示された実施形態は、厚肉部５２０および薄肉部５２５を含む。シースルーアドオン要素５０１の図示された実施形態は、厚肉部５３０および薄肉部５３５を含む。

アイピース５００は、シースルーアドオン要素５０１の薄肉部５３５が湾曲した光導波路要素５０５の厚肉部５２０の世界側に一致して接合し、かつ、それにわたって延在しているという点を除いて、アイピース１００に類似しており、同じように作動する。同様に、湾曲した光導波路要素５０５の薄肉部５２５は、シースルーアドオン要素５０１の厚肉部５３０の目方向側に一致して接合し、かつ、それにわたって延在している。出力カプラ５１５は、薄肉部と厚肉部との間の遷移部分に配設されている。薄肉部５２５および５３５は、継ぎ目なく連続した外面を有しており、それによって、工業的なデザインが改善される。

一実施形態では、界面境界でＴＩＲを維持するように、シースルーアドオン要素５０１は低屈折率の接着剤（湾曲した光導波路要素５０５およびシースルーアドオン要素５０１の屈折率よりも低い）を用いて湾曲した光導波路要素５０５に接合される。薄肉部５２５および５３５は、シースルーアドオン要素５０１および湾曲した光導波路要素５０５を接合した後に所望の厚さを得るように、それら２つの要素の表面の研削または研磨によって製造可能である。

ヘッドウェアラブルディスプレイ３００または４００の図示された実施形態は、拡張現実をユーザに対して表示可能である。アイピース３０１、４０１、または５０１によって、ユーザは、周囲光１８５を介して現実世界の画像を見ることができる。左および右のディスプレイ画像（図４に示す両眼用の実施形態）は、ユーザの中心視外の周辺角部に搭載されたディスプレイソース１５０によって生成可能である。ディスプレイ光１４５は、拡張現実として、周囲光１８５に重ねられた仮想画像としてユーザによって見られる。上述したように、いくつかの実施形態では、これらのアイピースの外面は、周囲光１８５に規定の修正を行なうように相補的な曲率を有していない場合がある。

図６Ａ〜図６Ｄは、本開示の実施形態に係る、上述のアイピースのデザイン（たとえば、アイピース１００、３０１、４０１、または５００）と関連して使用可能な入力カプラおよび出力カプラのさまざまな代替例を示す図である。

たとえば、図６Ａは、入力カプラ６１０が湾曲した光導波路要素６１５の端部内に成形された入力面として形成されている、アイピース６０５を示す図である。言い換えると、ディスプレイ光１４５は目方向接面を通して入力されているのではなく、ディスプレイソース１５０に隣接した端面を通して入力されている。

図６Ｂは、出力カプラが表示領域において世界接面６３０に沿って配設されたプリズム構造の配列６２５として形成されている、アイピース６２０を示す図である。プリズム構造６２５は、小さな、斜めに角度を設けられた部分反射面の配列として実現可能である。図６Ｂの図示された実施形態では、複数のシースルーアドオン要素６３５が各反射面の背後の湾曲した導波路要素６４０に接合されている。図示されていないが、いくつかの実施形態において、アイピース６２０は、入力領域において入力カプラとしてプリズム構造の配列をさらに備え得る。入力領域においてプリズム構造を用いることによって、出力プリズム構造６２５によって引き起こされた横方向の色収差を補償することができる。

図６Ｃは、出力カプラが表示領域において世界接面６６０に沿って配設されたホログラム６５５として形成されている、アイピース６５０を示す図である。本実施形態では、シースルーアドオン要素を省略してもよい。さらに、図６Ｃは、出力ホログラム６５５によって引き起こされた色収差について色修正を行なうために、入力カプラとして反射性ホログラム６５７を含む様子を示す図である。

図６Ｄは、出力カプラが湾曲した導波路要素６８５内に配設された部分反射ミラー部分６７５および６８０からなる対として形成されている、アイピース６７０を示す図である。部分反射ミラー部分６７５および６８０は、ディスプレイ光１４５をアイピース６７０から眺めることが可能なアイボックスをさらに拡大するように作動する。言い換えると、ミラー部分６７５および６８０は、１つの画素のみを眺めることが可能なアイボックスを拡張するように、各ミラー部分６７５および６８０によって反射された画像を表示領域において１つにまとめた態様で、該１つの画素から出力されるディスプレイ光を反射する。部分反射ミラー部分６８０は、ディスプレイ光１４５が部分反射ミラー部分６８０に到達する前にまず部分反射ミラー部分６７５を透過しなければならないように、部分反射ミラー部分６７５の背後に配設されている。図示された実施形態では、部分反射ミラー部分６７５および６８０は双方とも自由形状面である一方で、世界接面６９０および目方向接面６９５は球状面である。一実施形態では、世界接面６９０は９０ｍｍの半径を有する球体であり、目方向接面６９５は９２．５ｍｍの半径を有する球体である。一実施形態では、部分反射ミラー部分６７５は、式１および式２によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ^２＝０．００３５、ｙ^２＝０．００４５３、および、相対的な傾斜は２３．２５度である。部分反射ミラー部分６８０は、式１および式２によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ^２＝０．００４５７、ｙ^２＝０．００５２５、および、相対的な傾斜は２６度である。入力カプラ６９７は、式１および式２によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ^２＝−０．００５３、ｙ^２＝−０．００２７３、ｘ^３＝７．１４２Ｅ−００５、ｘ^２ｙ＝−６．０７６Ｅ−００６、ｘｙ^２＝５．２０７２Ｅ−００５、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（−２８．５，０，−３）、および、相対的な傾斜は４８．８度である。当然のことながら、他の係数値および寸法も実現可能である。

要約書の説明を含む、本発明の図示された実施形態の上述の説明は、網羅的なものを意図したものではなく、また、本発明を開示された形態に厳密に制限するように意図したものでもない。本発明の特定の実施形態およびその例は、ここでは例示の目的で説明されたものであり、当業者にとって理解されるように、本発明の範囲内でさまざまな修正形態が可能である。

上述の詳細な説明に鑑みて、これらの変更を本発明に対して行うことができる。特許請求の範囲において以下で使用される用語を、本発明を明細書で開示された特定の実施形態に限定するものと解釈するべきではない。そうではなく、本発明の範囲は、もっぱら以下の特許請求の範囲によって決定されるものであり、特許請求の範囲は、確立された特許請求の範囲の解釈の見解を用いて解釈されるものである。

アイピース１００は、ヘッドウェアラブルディスプレイ（ＨＭＤ）との使用にきわめて適している。ＨＭＤと一体化されると、アイピース１００は、表示領域１３０から離れて位置する入力領域１２０においてディスプレイソース１５０によって生成されたディスプレイ光１４５を受光し、表示領域１３０において目方向に沿って、ユーザの目１５５に向けてディスプレイ光１４５を放出する。入力カプラ１１５と出力カプラ１２５との間で、ディスプレイ光は目方向接面１３５と世界接面１４０との間の内部全反射（ＴＩＲ）によって、全体的に案内される。

図示された実施形態では、ディスプレイ光１４５は、入力領域１２０において目方向接面１３５を通って入射し、湾曲した光導波路要素１０５内に入る。入力カプラ１１５は、入力領域１２０に配設され、湾曲した光導波路要素１０５内の軌道に沿ってディスプレイ光１４５の方向を変えるように機能する。この軌道によって、ＴＩＲ伝播は、表示領域１３０および出力カプラ１２５に向けて湾曲した光導波路要素１０５の下流に向かう。一実施形態では、入力カプラ１１５は、自由形状面を有するミラー（たとえば、シルバーコーティングまたは他の反射コーティング）である。ディスプレイ光１４５は、ＴＩＲを介して入力カプラ１１５から出力カプラ１２５に、全体的に案内され、ディスプレイ光１４５は、表示領域１３０において出力カプラ１２５からの最終的な反射を介して、湾曲した光導波路要素１０５から向きを変えられる。

図３Ａおよび図３Ｂは、本開示のある実施形態に係る、アイピース３０１を用いた単眼ヘッドウェアラブルディスプレイ３００を示す図である。図３Ａはヘッドウェアラブルディスプレイ３００の斜視図であり、図３Ｂはヘッドウェアラブルディスプレイ３００の上面図である。アイピース３０１は、上述のアイピース１００の実施形態、または、以下で説明されるアイピースの他の実施形態のいずれか（もしくは、それらの組合せ）によって実現することが可能である。アイピース３０１はフレームアセンブリに搭載され、このフレームアセンブリは、鼻梁３０５、左耳用アーム３１０、および右耳用アーム３１５を含む。筐体３２０および３２５は、マイクロプロセッサ、インターフェース、１つ以上のワイヤレストランシーバ、バッテリ、カメラ、スピーカ、ディスプレイソースなどを含むさまざまな電子機器を収容し得る。図３Ａおよび図３Ｂは単眼用の実施形態を示し、ヘッドウェアラブルディスプレイ３００は、ディスプレイ３００が装着されたときに各々がユーザのそれぞれの目と並ぶ２つのアイピース３０１を有する両眼ディスプレイとしても実施可能である。

Claims (24)

1. ヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースであって、
   表示領域から離れて位置する入力領域において受光されたディスプレイ光を案内し、前記表示領域において目方向に沿って前記ディスプレイ光を放出するための湾曲した光導波路要素を備え、前記湾曲した光導波路要素は、
   凹状の目方向接面と、
   前記目方向接面の反対側に位置する凸状の世界接面と、
   を含み、前記アイピースはさらに、
   前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素に結合するように前記入力領域に配設された入力カプラと、
   前記ディスプレイ光の方向を前記目方向に向けて変えて前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素から出力するように前記表示領域に配設され、前記表示領域がシースルーになるように前記世界接面を通って入射する周囲光に対して部分的に透過性を有する出力カプラと、
   を備え、
   前記ディスプレイ光は、全体的に内部全反射によって前記入力カプラと前記出力カプラとの間で案内される、アイピース。
2. 前記入力カプラおよび前記出力カプラは、前記湾曲した光導波路要素を通る２つの異なる経路のうちの１つに沿ってディスプレイソースの一つの画素から受光された前記ディスプレイ光の光線の方向を変えるように構成されており、それによって、前記光線の第１のグループは前記光線の第２のグループとは異なる数の内部全反射を受ける、請求項１に記載のアイピース。
3. 前記光線の前記第１のグループと前記光線の前記第２のグループとは、前記１つの画素が眺められ得るアイボックスを拡張するように前記表示領域においてまとめられる、請求項２に記載のアイピース。
4. 前記入力カプラは第１の自由形状面を有するミラーを含み、前記ディスプレイ光は、前記目方向接面を通って前記湾曲した光導波路要素に入射する、請求項１に記載のアイピース。
5. 前記出力カプラは第２の自由形状面を有するビームスプリッタを含み、前記ビームスプリッタは可視光に対して反射性よりも透過性を有する、請求項１に記載のアイピース。
6. 前記出力カプラがそれ自体と前記湾曲した光導波路要素との間の界面に沿って配設された状態で前記表示領域にわたって配設されたシースルーアドオン要素をさらに備え、前記シースルーアドオン要素および前記湾曲した光導波路要素は実質的に同じ屈折率を有する、請求項５に記載のアイピース。
7. 前記シースルーアドオン要素は薄肉部と厚肉部とを有し、前記湾曲した光導波路要素は薄肉部と厚肉部とを有し、前記シースルーアドオン要素の前記薄肉部は前記湾曲した導波路要素の前記厚肉部に一致して接合し、前記湾曲した導波路要素の前記薄肉部は前記シースルーアドオン要素の前記厚肉部に一致して接合し、前記出力カプラは、前記シースルーアドオン要素および前記湾曲した導波路要素の前記厚肉部から前記薄肉部への遷移部分に配設されている、請求項６に記載のアイピース。
8. 前記入力カプラは、前記目方向接面ではない前記湾曲した導波路要素の端面内に成形された入力面を含む、請求項1に記載のアイピース。
9. 前記出力カプラは、前記世界接面に沿って配設されたプリズム構造の配列を含む、請求項1に記載のアイピース。
10. 前記出力カプラは、前記世界接面に沿って配設されたホログラムを含む、請求項1に記載のアイピース。
11. 前記出力カプラは、前記ディスプレイ光のアイボックスを拡張するように前記湾曲した導波路要素内に配設された第１の部分反射ミラー部分および第２の部分反射ミラー部分を含み、前記第２の部分反射ミラー部分は、前記ディスプレイ光が前記第２の部分反射ミラー部分に到達する前に前記第１の部分反射ミラー部分を透過しなければならないように、前記第１の部分反射ミラー部分の背後に配設されている、請求項1に記載のアイピース。
12. 前記第１および前記第２の部分反射ミラー部分は、湾曲した自由形状面である、請求項１１に記載のアイピース。
13. 前記湾曲した光導波路要素の前記目方向接面および前記世界接面は、双方とも球面である、請求項１に記載のアイピース。
14. ヘッドウェアラブルディスプレイであって、
    周辺位置でディスプレイ光を生成するディスプレイソースと、
    前記周辺位置からずれた表示領域にディスプレイ光を案内し、前記表示領域において目方向に沿って前記ディスプレイ光を放出するための湾曲した光導波路要素とを備え、前記湾曲した光導波路要素は、
    凹状の目方向接面と、
    前記目方向接面の反対側に位置する凸状の世界接面と、
    を含み、前記ヘッドウェアラブルディスプレイはさらに、
    前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素に結合するように前記入力領域に配設された入力カプラと、
    前記ディスプレイ光の方向を前記目方向に向けて変えて前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素から出力するように前記表示領域に配設され、前記表示領域がシースルーになるように前記世界接面を通って入射する周囲光に対して部分的に透過性を有する、出力カプラと、を備え、前記ディスプレイ光は、全体的に内部全反射によって前記入力カプラと前記出力カプラとの間で案内され、前記ヘッドウェアラブルディスプレイはさらに、
    前記表示領域がユーザの目の前方に設けられた状態で前記ユーザの頭に装着するために、前記湾曲した光導波路要素および前記ディスプレイソースを支持するフレームアセンブリを備える、ヘッドウェアラブルディスプレイ。
15. 前記入力カプラおよび前記出力カプラは、前記湾曲した光導波路要素を通る２つの異なる経路のうちの１つに沿ってディスプレイソースの一つの画素から受光された前記ディスプレイ光の光線の方向を変えるように構成されており、それによって、前記光線の第１のグループは前記光線の第２のグループとは異なる数の内部全反射を受ける、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
16. 前記光線の前記第１のグループと前記光線の前記第２のグループとは、前記１つの画素が眺められ得るアイボックスを拡張するように前記表示領域においてまとめられる、請求項１５に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
17. 前記入力カプラは第１の自由形状面を有するミラーを含み、前記ディスプレイ光は前記目方向接面を通って前記湾曲した光導波路要素に入射する、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
18. 前記出力カプラは第２の自由形状面を有するビームスプリッタを含み、前記ビームスプリッタは可視光に対して反射性よりも透過性を有する、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
19. 前記出力カプラがそれ自体と前記湾曲した光導波路要素との間の界面に沿って配設された状態で前記表示領域にわたって配設されたシースルーアドオン要素をさらに備え、前記シースルーアドオン要素および前記湾曲した光導波路要素は実質的に同じ屈折率を有する、請求項１８に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
20. 前記入力カプラは、前記目方向接面ではない前記湾曲した導波路要素の端面内に成形された入力面を含む、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
21. 前記出力カプラは、前記世界接面に沿って配設されたプリズム構造の配列、または前記世界接面に沿って配設されたホログラムのうちのどちらか一方を含む、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
22. 前記出力カプラは、前記ディスプレイ光のアイボックスを拡張するように前記湾曲した導波路要素内に配設された第１の部分反射ミラー部分および第２の部分反射ミラー部分を含み、前記第２の部分反射ミラー部分は、前記ディスプレイ光が前記第２の部分反射ミラー部分に到達する前に前記第１の部分反射ミラー部分を透過しなければならないように、前記第１の部分反射ミラー部分の背後に配設されている、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
23. 前記第１および前記第２の部分反射ミラー部分は、湾曲した自由形状面である、請求項２２に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
24. 赤外光を用いて目の動きを監視する赤外線カメラと、
    前記入力領域に隣接して配設され、前記湾曲した光導波路要素を通る共通の経路に沿って伝播するために、前記ディスプレイ光と前記赤外光とを結合する光結合器と、
    をさらに備える、請求項１４に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。