JP2019505853A - 頭部装着型仮想現実表示装置 - Google Patents

Abstract

ユーザの頭部に装着するのに適した広大な視野の仮想現実体験のための頭部装着型表示装置であって、少なくとも１つの画像表示装置と、ユーザの各々の眼に関連付けられ、かつ画像表示装置とユーザの１つの眼の位置との間に配置された少なくとも２つの接眼レンズとを含み、各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は平面状であり、かつ軸上フィールドの視線方向に対して、７０°未満の角度、好ましくは４５°と７０°の間の角度、特に５０°と６７．５°の間の角度で配置されており、少なくとも１つのフレネル面の面光学中心は、軸上フィールドの視線方向に対して偏心している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、概して仮想現実技術、特に、改善された没入効果をユーザに提供する頭部装着型表示装置に関する。

仮想現実において、完全な没入効果を得るためには、広い視野と高画質を提供する装置を用いることが必須である。理想的には、視野は、眼球の回転範囲を考慮に入れて、両眼立体視的及び周辺視野を含む人間の視野全体をカバーすべきである。

しかしながら、いくつかの既知の或いは理論的な解決策を非現実的なものにする複数の制約が存在する。実際に、頭部装着型表示装置は、ユーザに出来るだけ大きな快適性を提供すべきであり、そのことは、それがあまりにも大きく、重く、或いはアンバランスなものであってはならないことを意味する。大きな表示装置及び／又は複雑なレンズシステムは、先験的には広い視野と高画質を可能にするとしても、このような頭部装着型表示装置によって生成される不快感のために没入効果は損なわれる。実際に、構成要素の重量は、主に頭部装着型表示装置の前部に位置するだけではなく、ユーザの眼から離れたところに押し遣られており、それが組立体（assembly）の慣性と不快感を増大している。

さらに、このような構造は、必要とされる高価な構成要素により、このような頭部装着型表示装置が一般の消費市場に不適切なものになっている点で、経済的な欠点をも有している。

したがって、本発明の目的は、比較的軽量でかつ被り心地が良い状態を維持しつつ、広大な視野と高画質を確実に提供する頭部装着型表示装置を提供することである。なお、頭部装着型表示装置は、ユーザに良好な視覚的没入効果を提供しつつ、経済的な製造と組立を可能にする部品を使用するのがよい。

この目的を達成するために、本発明は、ユーザの頭部に装着するのに適した広大な視野の仮想現実体験のための頭部装着型表示装置であって、
少なくとも１つの画像表示装置、好ましくは少なくとも２つ、最も好ましくは２つの画像表示装置、即ちユーザの各々の眼用の１つの画像表示装置と、
ユーザの各々の眼に関連付けられ、かつ画像表示装置とユーザの１つの眼の位置との間に配置された少なくとも２つの接眼レンズであって、各接眼レンズが少なくとも１つの光学要素であって、光学要素のうちの１つが少なくとも１つのフレネル面を含む、接眼レンズと、を含み、
各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は平面状であり、かつ軸上フィールド（on-axis field）の視線方向に対して、７０°未満の角度、好ましくは４５°と７０°の間の角度、特に５０°と６７．５°の間の角度で配置されており、この方向はユーザの両眼の中心を含む直線に対して垂直又は直角であり、かつ
少なくとも１つのフレネル面の面光学中心（surface optical center）は、上述の軸上フィールドの視線方向に対して偏心している（decentered）、頭部装着型表示装置を提案する。
各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、その外側又は側頭側がユーザの両眼の中心を含む直線により近づく即ち直線を二等分するよう方向付けられている。個々人の目のおおよその視野（凝視点、即ち視線が向かう点から測定される）は、上方（上へ）６０°、鼻側（鼻に向かって）６０°、下方（下へ）７０−７５°、そして側頭側（鼻から離れ、側頭に向かって）１００−１１０°である。両眼についての統合視野は垂直方向１３０−１３５°、水平方向２００°である。したがって、各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、ユーザの対応する眼の視野の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％をカバーするように、側頭側（外側）及び鼻側（内側）へ横方向に拡張することが好ましい。さらに、各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、ユーザの対応する眼の視野の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％をカバーするように、上側及び下側へ垂直方向に拡張することが好ましい。各フレネル面の横方向及び／又は垂直方向への拡張は好ましくはユーザの対応する眼の視野のたとえ１００％以上であってもよい。

各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、一般に、画像表示装置によって出射された光をユーザの対応する眼に向け直すように配置される。少なくとも１つのフレネル面は、単独で、あるいは１以上の別のフレネル面と結合して（以下も参照）、さらに画像表示装置の画素からユーザの対応する眼に向けて平行光線を生成するよう配置されてもよい。

各接眼レンズにおけるフレネル面の個々のタイプは、選択される全体構成に依存する；好ましくは、それらは球形、非球形又は非回転対称である。

少なくとも１つのフレネル面は、任意の適切な材料、好ましくはガラス又はプラスチックでできているが、光学組立体をより軽くすることができるので後者が特に好ましい。フレネル面は、成形及び／又は切削、好ましくは圧縮成形、射出成形、ダイヤモンド切削、又はそれらの組み合わせにより製造することができる。圧縮成形は、生成されるフレネル面がより良好な表面品質を呈し、したがって迷光を減らし、全体的に画質を高めるので特に好ましい。

したがって、本発明に係る頭部装着型表示装置は、各々が１つ又は２つのフレネル面を含む１つの単一光学要素であり得る２つの接眼レンズを含んでいる。代替的には、各接眼レンズは１から４つの間のフレネル面を含む２つの光学要素であってもよい。しかしながら望ましいか又は必要ならば、非フレネル面光学部品（element）との別の配置又は組み合わせであってもよい。

本発明に係る頭部装着型表示装置においては、フレネル面の平面と（対応する）画像表示装置の平面は平行でよい。しかしながら、ある特定の好ましい実施形態では、接眼レンズと画像平面は平行ではなく、むしろ互いにある角度傾いている。このような傾斜は、軸上と軸外の光学収差を視野全体で平均化するのにむしろ有用であろう。この角度は、通常は０．１°と１５°との間、好ましくは０．５°と１０°との間、より好ましくは１°と５°との間で選択されよう。

従来の平凸（plano-convex）レンズと比較して、フレネル面は（大体直立した）稜線又は溝によって互いに限定された個々の小面（又は小眼；facet）−各小面はレンズの全体形状の一部を含んでいる−を用いて、従来のレンズの形状を模擬する。本発明に関連して、フレネル面の表現は、このような１つの小面が刻まれた表面を有するレンズである。同じ接眼レンズに対して、このような２つのフレネル面を考慮するのであれば、それらは単一のフレネルレンズ又は２つのフレネルレンズのいずれかの側に位置していてもよい。後者の場合、他面は小面が刻まれておらず、かつ通常は全体的に滑らかであるか又は非フレネルの光学面である。好ましい実施形態においては、フレネル面の溝は画像表示装置から眼の回転中心に進む主光線に平行である。さらに、フレネル面に関連して、「平面状」という用語は、そのような小面が刻まれた表面ではなく、勿論光学部品の全体形状を意味する。本発明に関連して、平面状という用語はフレネル面を含むレンズが（巨視的に）平坦であるか、あるいは略平坦であることを意味する。即ち、それはユーザの頭部の形状により良く適合し、それによって、頭部装着型表示装置のサイズをさらに小さくできるように、少しアーチ形にしてよい。

光学要素の表面は、フレネル、屈折、回折又は屈折−回折ハイブリッド面、又は少なくとも１つのフレネル面とそれらの任意の組み合わせのいずれかであり得る。

光学要素の非フレネルの光学面は、色収差を低減するための特定の回折面にすることができる。

結論として、ユーザの眼と軸上フィールドの視線方向に対して偏心した光学中心に対する、フレネル面の特定の位置決めによって、本発明に係る頭部装着型表示装置は、高レベルの画質を維持した状態で、１８０°以上の広い視野を実現する。実際、既存の頭部装着型表示装置の光学系は、通常限定された視野、即ち、従来のレンズ又はフレネルレンズのいずれかを用いて９０°から１１０°の良好な画質、又は従来のレンズ又はフレネルレンズのいずれかを用いて広い（１５０°までの）視野の低画質を提供できるに過ぎない。

画像表示装置は任意の適切なタイプ、それはＬＣＤ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＡＭＯＬＥＤ等であってよい。画像表示装置は好ましくは平坦（平面状）であるが、それは必須ではない。さらに、解像度は、適切な仮想現実体験のために必要な現実的な画像を提供するために十分に高くなければならないことは明らかである。画像表示装置のサイズが（もし眼毎に別個の表示装置からの画像が提供されるなら、１つの眼の）視野全体をカバーする必要がないことに留意することが重要である。実際、少なくともフレネル面は、好ましくは（殆ど全ての）視野をカバーするサイズであるので、その小面はユーザの眼に光線を向け直すために適合されている。

本発明以前には、このような広い視野（１８０°以上）と高い忠実度の画質を提供するフレネルベースの光学系は存在していなかった。

したがって、本発明により実現可能な頭部装着型表示装置の利点は、ここで説明する平坦なフレネル面レンズによる小型で軽量なデザインに加えて、１８０°以上の、即ち２１０°の極めて広い視野を持ち、より高画質であること、即ちより良好なコントラスト及びより迷光が少ないことである。

本発明の好ましい実施形態を、添付図面とともに例によって説明する：
既知の先行技術の解決策を示す概略図である； 本発明の好ましい実施形態を示す概略図である（上から見た左眼と装置の左部分だけが示されている）； 異なる光学特性のフレネル面を通る２つの断面を示す概略図である； より具体的に、フレネル面の幾つかの小面と溝を示している本発明のもう１つの好ましい実施形態を示す概略図である（再度上から見た左眼と装置の左部分だけが示されている）（縮尺は一定の比率になっていない）； 画像表示装置と対応するフレネル面が互いに平行でない本発明のさらにもう１つの好ましい実施形態を示す概略図である； 光学中心から偏心している本発明の好ましい実施形態を示す概略図である（上から見た右眼と装置の右の接眼レンズだけが示されている）；そして ４つの光学面を含む２つの光学要素を示している本発明の好ましい実施形態を示す概略図である（上から見た右眼と装置の右の接眼レンズだけが示されている）。

本発明のさらなる細部と利点は、添付図面についての幾つかの非限定的な実施形態についての以下の詳細な説明から明らかとなろう。

図１は、頭部装着型表示装置のための既知の解決策を示す。ユーザの眼１０１はその回転中心１０２の周りである角度回転可能である。接眼レンズ１０４は眼の周りで湾曲した表面１０４を含む。軸上フィールドの視線方向１０３は、湾曲した表面１０４、接眼レンズ１０７の中心を通過し、表示装置１０８に到達する。湾曲した表面１０４は広大な視野を実現する。頭の側頭側の視野１０５は鼻側の視野１０６より広い。

図２は、本発明による第１の実施形態を記述したものである。上述したように、眼２０１は、その回転中心２０２の周りで回転する。接眼レンズ２０７は、軸上フィールドの視線方向に対して最大７０°の角度２０９で傾いた平坦或いは略平坦なフレネル面２０４を含む。軸上フィールドの視線方向２０３は平坦な表面２０４を通過する。接眼レンズの光学中心は軸上フィールドの視線方向に対して偏心している。視線方向２０３は、偏向されて（deviated）２１０、表示装置２０８に到達する。傾斜角２０９は極めて広い視野を実現する。頭の側頭側の視野２０５は鼻側の視野２０６より広い。

図３は、成形により製造されたフレネル面の断面を表す。表面３０１は、射出成形により製造された表面の断面である。表面３０２は、圧縮成形より製造された断面である。圧縮成形により表面品質をより良好にすることで、画質がより高くなり、迷光を少なくすることができる。

図４は、フレネル面の溝の平坦な表面４１０が主光線に平行に方向付けられた本発明の構成を示す。図４は、２つのフィールド画角（field angles of view）に対応する２つの主光線４０３と４０９を示す。このルールはフレネル面の位置がどこであっても適用可能である。

図５は、接眼レンズ５０５の湾曲領域、非点収差、及び他の光学収差を調整するために、接眼レンズ５０５及び表示装置５０４の各傾斜角５０１及び５０２が異なっている本発明の構成を示す。結果的に、視野の鼻側範囲のフォーカスの改善と、それによる全体的により良好な画質が得られる。加えて、左の接眼レンズ５０５と右の接眼レンズ５０６の構成が１８０°を越える極めて広い視野５０３を実現する。

図６は、接眼レンズの光学中心６０２が軸上フィールドの視線方向６０１に対して偏心している本発明の構成を示す。先行技術における他の仮想現実ヘッドセットについては、光軸６０３を軸上フィールドの視線方向６０１に厳密に整列させているのに対し、我々の構成では、傾斜を付したにもかかわらず、眼の回転中心６０４が光軸６０３上に留まるように、光学中心６０２は外側に向けて偏心している。この構成は本発明に特有であり、瞳孔の回転範囲全体において光学的画質の均一性を実現する。他のいかなる構成でもこのレベルの品質に到達し得ないであろう。

図７は、接眼レンズが２つの光学部品上に４つの光学面７０１、７０２、７０３及び７０４を含む本発明の構成を示す。それらの表面としては、フレネル、屈折、回折又は屈折−回折ハイブリッド面、又は少なくとも１つのフレネル面とそれらの任意の組み合わせのいずれかであればよい。

１０１：眼（左）
１０２：回転中心
１０３：軸上フィールドの視線方向
１０４：接眼レンズの湾曲した表面
１０５：頭の側頭側の視野
１０６：頭の鼻側の視野
１０７：接眼レンズ
１０８：画像表示装置
２０１：眼（左）
２０２：回転中心
２０３：軸上フィールドの視線方向
２０４：平面状のフレネル面
２０５：頭の側頭側の視野
２０６：頭の鼻側の視野
２０７：接眼レンズ
２０８：画像表示装置
２０９：傾斜角
２１０：偏向された軸上フィールドの視線方向
３０１：射出成形により製造された断面
３０２：圧縮成形により製造された断面
４０１：眼（左）
４０２：回転中心
４０３：主光線１
４０４：接眼レンズ
４０５：頭の側頭側の視野
４０６：頭の鼻側の視野
４０７：フレネル光学面
４０８：画像表示装置
４０９：主光線２
４１０：溝の平坦な表面
５０１：接眼レンズの傾斜角
５０２：画像表示装置の傾斜角
５０３：水平視野角
５０４：左の画像表示装置
５０５：左の接眼レンズ
５０６：右の接眼レンズ
６０１：軸上フィールドの視線方向
６０２：接眼レンズの光学中心
６０３：接眼レンズの光軸
６０４：回転中心
７０１：光学要素１の第１の光学面
７０２：光学要素１の第２の光学面
７０３：光学要素２の第１の光学面
７０４：光学要素２の第２の光学面

Claims (13)

1. ユーザの頭部に装着するのに適した広大な視野の仮想現実体験のための頭部装着型表示装置であって、
   少なくとも１つの画像表示装置と、
   ユーザの各１つの眼に関連付けられ、かつ画像表示装置とユーザの１つの眼の位置との間に配置された少なくとも２つの接眼レンズであって、各接眼レンズが少なくとも１つの光学要素であって、光学要素のうちの１つが少なくとも１つのフレネル面を含む、接眼レンズと、を含み、
   各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は平坦又は略平坦であり、各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は平面状であり、かつ軸上フィールドの視線方向に対して、７０°未満の角度、好ましくは４５°と７０°の間の角度、特に５０°と６７．５°の間の角度で配置されており、少なくとも１つのフレネル面の面光学中心は、軸上フィールドの視線方向に対して偏心している、頭部装着型表示装置。
2. 請求項１に記載された頭部装着型表示装置であって、
   各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、ユーザの対応する眼の視野の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％をカバーするように、側頭側から鼻側へ横方向に拡張した、頭部装着型表示装置。
3. 請求項１又は２に記載された頭部装着型表示装置であって、
   各接眼レンズの少なくとも１つのフレネル面は、ユーザの対応する眼の視野の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％をカバーするように、上側から下側へ垂直方向に拡張した、頭部装着型表示装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   フレネル面は球形、非球形又は非回転対称である、頭部装着型表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   少なくとも１つのフレネル面は、ガラス又はプラスチックでできている、頭部装着型表示装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   少なくとも１つのフレネル面は、成形及び／又は切削、好ましくは圧縮成形、射出成形、ダイヤモンド切削、又はそれらの組み合わせにより製造される、頭部装着型表示装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   各接眼レンズは、１つ又は２つのフレネル面を含む１つの単一光学要素である、頭部装着型表示装置。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   各接眼レンズは、１から４つの間のフレネル面を含む２つの光学要素である、頭部装着型表示装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
   フレネル面の溝は、画像表示装置から眼の回転中心に進む主光線に平行である、頭部装着型表示装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
    接眼レンズの平面と画像表示装置の平面とが平行である、頭部装着型表示装置。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
    接眼レンズの平面と画像表示装置の平面とが平行でない、頭部装着型表示装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
    光学要素の１つ以上の表面は、色収差を低減するための特定の回折面である、頭部装着型表示装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載された頭部装着型表示装置であって、
    光学要素の表面は、フレネル、屈折、回折又は屈折−回折ハイブリッド面、又は少なくとも１つのフレネル面とそれらの任意の組み合わせのいずれかである、頭部装着型表示装置。
    

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