JP2020510869A - 透過型軸方向高次プリズム - Google Patents
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Abstract
標準的な数式で記述することができる光学面を有する頭部装着ディスプレイ用の光学器具を提供する。プリズム素子は、3つの光学面を有して使用され、3つの光学面の基準面は光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない。プリズムは、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次多項式面を含む、第1面を有する。プリズムのすべての面が、光軸に一致するz軸を有するデカルト座標において定義される拡張多項式によって記述される。【選択図】図2
Description
[関連出願]
本願は、2017年3月2日に出願した米国仮特許出願第62/466,054号の優先権を主張し、そのすべての内容が言及によって本明細書に援用される。
本願は、2017年3月2日に出願した米国仮特許出願第62/466,054号の優先権を主張し、そのすべての内容が言及によって本明細書に援用される。
[技術分野]
この開示は、バーチャルリアリティやミクストリアリティの用途におけるイメージ表示を可能にする頭部装着光学デバイスのための光学デバイス、特に光学器具に関する。
この開示は、バーチャルリアリティやミクストリアリティの用途におけるイメージ表示を可能にする頭部装着光学デバイスのための光学デバイス、特に光学器具に関する。
頭部装着ディスプレイ(head mounted display、HMD)は、バーチャルリアリティやミクストリアリティの用途においてユーザにイメージを提示するために使用可能である。バーチャルリアリティでは、ユーザはフラットパネルディスプレイに投影されるイメージのみを観察することができる一方、ミクストリアリティでは、ユーザはフラットパネルディスプレイデバイスに投影されるイメージと実際の周囲物とをともに観察することができる。ミクストリアリティの用途には、例えばユーザが実際の周囲物を観察している際にユーザに関連データを提供すること、又は実際の周囲物ビューにナイトビジョンイメージ又はサーマルビジョンイメージを重ねることを含む。周知のミクストリアリティ用頭部装着ディスプレイは、2013年に最初に発売されたグーグルグラスである。
頭部装着ディスプレイはユーザが装着するものであるので、小型で軽量である必要がある。つまり、HMD内に搭載されたフラットパネルディスプレイもまた非常に小型である。しかしながら、ユーザは、表示されるイメージが判読可能であるために、イメージをより大きいものであるかのように知覚する必要がある。ゆえに、光学器具は、周囲物を観察するために広視野角も有しながら、フラットパネルディスプレイのイメージを拡大する必要がある。したがって、光学器具は、好ましくは低コストの単一光学素子を使用して高性能を示す必要がある。
これらの厳しい条件により、開発者らは、バーチャルリアリティやミクストリアリティのための、そうした頭部装着ディスプレイ用の光学器具としてのプリズムの使用にたどり着いた。例えば、Yamazakiによる特許文献1は、複合面、特に負のパワーの領域同士の間に正のパワーを有する上面を有する透過プリズムを公開している。補正プリズム面は偏心している。同様に、Chengによる特許文献2は3つの自由曲面を有するプリズムを公開している。そうしたプリズムは、イメージの拡大や投影に有効であり得るが、複合面や自由曲面を有するプリズムの作製はその製造を複雑なものにして、光学器具の価格を上昇させる。
以下は、自由曲面を使用するプリズム及び任意の関連光学素子の設計を製造することを複雑にし得る問題の一部である。第1に、面が通常の回転対称球の数式を使用して記述できず、ゆえに、例えば数値点の収集などの面を記述するその他の方法を必要とする。面が通常の回転対称球の数式によって記述できない場合、面を研磨するためにCNCツール用の経路を生成することがより難しくなる。つまり、そうした面はまた、アライメント又はチェックのための基準面を有しないことがある。最後に、複合の自由曲面は通常、標準的な干渉法技術によって測定できない。
ゆえに、小型、軽量で、製造が容易な頭部装着ディスプレイ用の光学器具が求められている。
以下の発明の概要は、本発明におけるいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を得るために含まれる。この発明の概要は本発明の広範囲の概略ではなく、それ自体特に本発明の不可欠な若しくは重要な要素を特定すること、又は本発明の範囲を詳述することを意図するものではない。その唯一の目的は、以下に記載されるより詳細な説明の前置きとして簡易な形態で本発明のいくつかの概念を提示することにある。
本発明の態様では、イメージを形成するために3つの異なる面を用いる単一の光学素子が提供される。さらに、システムを透過用途において使用可能にするために、一次素子と併せて二次素子を使用することができる。ゆえに、光学器具は、ミクストリアリティの用途に使用可能であり、周囲物とディスプレイデバイスからの重ねたイメージとをともに観察することができる。
開示の光学素子の用途は、ニアアイディスプレイシステム用であるが、設計形態は他の用途にも使用され得る。
本発明の態様により、標準的な数式で記述することができる光学面を有する頭部装着ディスプレイ用の光学器具が提供される。開示の実施形態において、プリズム素子は3つの光学面を有して使用され、3つの光学面の面形態の基準平面は光軸を中心とするとともに光軸に対して座標傾斜を有しない。すなわち、3つの面について、基準平面は、z軸である光軸に直交して光軸を中心とする、すなわち光軸に原点を有する、x−y平面である。開示の一実施形態では、プリズムは、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次多項式面を含む、第1面を有する。一実施形態では、プリズムのすべての面が、z軸としての光軸を有するデカルト座標において定義される拡張多項式によって記述される。
本発明の態様では、光学装置のためのプリズムが提供され、該光学装置は、観察瞳を有するとともに観察瞳を通る光軸を定義するものであり、プリズムは3つの光学面を含み、3つの光学面の面形態は、プリズムが光学装置に設置される際、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有するように形成され、プリズムが光学装置に設置される際、3つの光学面の第1面は、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式面を含む。
開示の態様は、光軸を定義する光学透過型頭部装着ディスプレイに使用される光学器具を含み、該光学器具は、マイクロディスプレイから光を受け取るように構成されるとともに受け取った光をプリズムの本体に透過させるように構成された第1面と、第1面からプリズムの本体に透過された光を受け取るように構成されるとともに受け取った光を第2面において内部全反射させるように構成された第2面と、第2面によって反射された光を受け取るように構成されるとともに光をプリズムから頭部装着ディスプレイの瞳に向かって反射させるように構成された第3面とを有するプリズムを含み、第1光学面、第2光学面、及び第3光学面のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有する高次拡張多項式として形成される。任意的に、プリズムの面は、第1面に入って第2面から出るイメージに光学的拡大をもたらすように形成することができる。
本発明の実施形態における頭部装着ディスプレイ(HMD)用の光学素子を形成する方法を提供するさらなる態様は、以下のとおりである。方法は、HMDの瞳からHMDのアパーチャへの直線として光軸を定義することによって開始される。この文脈において、HMDの瞳は、HMDのイメージを観察するユーザの眼の位置であるイメージ点である一方、アパーチャは、周囲物からの光がHMDの内部に入射することでユーザがHMDを通して周囲物を観察することができる開口部(必ずしも開口絞りではない)である。そして、1次プリズムは、HMDの内部に設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第1面を形成すること、瞳に向くように構成された第2面を形成すること、及びアパーチャに向くように構成された第3面を形成することによって製造され、第1面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第1面の面形態を定義することで行われ、第2面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第2面の面形態を定義することで行われ、第3面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第3面の面形態を定義することで行われる。方法には、瞳から離れる方向に且つ光軸に沿うプリズムの外側の位置に基準平面第1面の原点をオフセットすることをさらに含むことができる。方法には、プリズムの第3面に向くように構成された第1面とアパーチャに向くように構成された第2面とを有する補正レンズを形成することをさらに含むことができ、補正レンズの第1面及び第2面は、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第1面及び第2面の面形態を定義することで形成される。補正レンズは、光軸に沿う1次プリズムと補正レンズとの組合せによって透過パワー及びひずみを最小化するように構成される。つまり、HMDを通して観察される周囲物イメージは拡大されず、周囲物のイメージは歪んで見えることはない。方法において、1次プリズムは、補正レンズに接着・接合することができる。あるいは、1次プリズム及び補正レンズは機械的にともに保持することができる。
この明細書に含まれるともにこの明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、詳細な説明とともに本発明の原理を記載して示す役割を担う。図面は、概略的に例示の実施形態の主な特徴を示すことが意図される。図面は、実際の実施形態のすべての特徴や示される要素の相対的寸法を示すことが意図されるものではなく、正確な縮尺で描かれていない。
本発明の種々の態様により、頭部装着ディスプレイ用の光学器具が提供される。開示の実施形態は、プリズムの面形態の数式、面形態の基準平面の配向、補正レンズの使用などの種々の特徴を例示する。例示の実施形態の一部は、1を超える特徴を用いるが、特徴は独立して、又は種々のシステムとの様々な組み合わせで適用することができるということを理解する必要がある。
本明細書に開示の実施形態は、瞳位置でイメージを投影するための開口部を有する筐体と、筐体内部に搭載されるマイクロディスプレイと、筐体内部に搭載されるとともに、マイクロディスプレイに向く第1面、単一開口部に向く第2面、及び第3面の3つの面を有するプリズムとを含む、頭部装着ディスプレイ(HMD)を含み、第1面、第2面、及び第3面はそれぞれ、第1高次拡張多項式、第2高次拡張多項式、及び第3高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有し、光軸は単一開口部と瞳位置とを通過する。高次拡張多項式のそれぞれは、最小で4次項までを含み、20次項までを含むことができるが、典型的には10次項までを含む。HMDが透過性能を備えないバーチャルリアリティ用に構成されるとき、第3面はミラーコートを含む。HMDが透過性能を備えて構成されるとき、筐体は開口部と反対の位置にアパーチャを備え、HMDは、プリズムの第3面に当接する第1面及びアパーチャに向く第2面を有する補正レンズをさらに含み、補正レンズの第1面及び第2面は高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有する。すべての基準面について、z軸は光軸に一致する。
図1は、ここでは3つの面を有するプリズム200である1次光学素子と、視点600から観察するための瞳500と、例えばフラットパネルディスプレイ100などのディスプレイとからなる本発明の実施形態を示す。ディスプレイ100は、1次素子200に対して特定の位置に搭載される。ディスプレイからの光が、第1面201を通って1次素子200に屈折して入る。第1面は、ディスプレイ100に向く面として定義される。この面は、光軸300に直交して光軸に対して軸方向である基準平面を含む高次拡張多項式によってユニークに記述される。1次プリズム200の3つの光学面すべての基準平面は、光軸300に対する偏心及び/又は傾斜なく記述される。すなわち、1次プリズム200の3つの光学面の高次拡張多項式によって形成される面形態は、光軸300を中心とするとともに光軸300に対して傾斜を有しない基準平面を有し、各面を記述、製造、及び検査しやすくする。この実施形態において、3つの面の面形態は、YZ平面に関して対称であり、Z軸は光軸に一致する。プリズムの面は、ディスプレイ100から第1面に入って第2面から瞳500に向かって出るイメージに光学的拡大をもたらすように形成することができる。
開示の実施形態では、プリズムのすべての面が、光軸と一致するz軸と、x−y平面に平行な基準面とを有するデカルト座標において導出される高次拡張多項式によって記述される。拡張多項式の全関数形式は以下のように記述することができ、
式中、Nは、級数における多項式係数の数であり、Aiは、第iの拡張多項式項Ei(x,y)における係数である。多項式はx及びyのベキ級数であり、1次項x及びyから、続いて2次項x2、xy、y2など順次配置される。開示の実施形態において、従来のサグ関数の部分は無視することができるので、各面のサグは多項式部分のみで定義可能である。
この開示では、高次多項式という用語は、少なくとも4次項にこの拡張多項式を使用することを指す。しかしながら、さらなる結果の向上は、10次項までを使用すること及び10次項を含むことで得られ得る。一部の実施形態において、拡張多項式は20次項までを有する。この意味で、4次は最小拡張であるとされ得、偶数増分で最大20次項まで拡張可能であり、典型的な拡張は10次項までであり得る。しかしながら、一部の項は多項式においてゼロであることに留意する必要がある。開示の実施形態では、系は一平面に関して対称であるので、一方向の奇数項はデフォルトでゼロである。
そして、第1面201から屈折した光は、第2面202から内部全反射(Totally Internally Reflected、TIR)される。第2面は、瞳500及び観察目600に向く面として定義される。そして、光は、第3面203に伝播し、この面に塗布した反射コート401を介して反射する。第3面は、瞳500及び観察目600から離れる方向で、周囲物に向く面として定義される。反射すると、光は、第2面202に向かって伝播し、ここで第2面を通って観察瞳又は射出瞳500に向かって屈折する。観察瞳又は射出瞳500は、ユーザの目600が配置されるところである。性能を最適化するために、第1の実施形態では、第1面201において反射防止コート402及び第2面202において反射防止コート403を使用することができる。
第3面203のコート401が部分ミラーである場合、ユーザは、第3面203及び第2面202によって形成される2つのプリズム面を透視することができるが、1次素子200のくさび形状により、ユーザは歪んだ像を見ることになる。透過経路に導入されたくさび形状を補償するために、第1の実施形態においてさらなる補正レンズ又はプリズム700を1次プリズム200に接合させる。補正レンズ700は2つの光学面からなる。第1面701は、1次プリズム200の第3面203と同じ又は同様の形状である。補正レンズ700の第2面702は、瞳500から離れる方向に向く。補正レンズ700の両面はまた、光軸300に直交する基準平面を有する軸方向高次多項式面によって記述される。また、これらの面の基準平面は、光軸に対する偏心及び傾斜なく記述される。補正レンズ700の第2面702は、プリズム対800を介して観察する際光路の補償を可能にし、組み合わせた1次素子及び補正素子によって光軸の光路に拡大がもたらされないように設計されている。自明のことであるが、拡大は、ディスプレイデバイスから瞳への光路において1次素子によってもたらされ得る。
図2は、本発明の実施形態における透過型軸方向高次プリズムを示す。図2に示すように、光軸は、観察目600及び瞳500から、光学器具を真っすぐに通って、観察者の前の周囲物へとアパーチャを出る、直線軸として定義される。言い換えると、光軸は、観察目600が、いずれの他の光学素子もなく瞳500を真っすぐに通って物体305を見ているというように定義される。したがって、光学素子200及び700は、観察目600から、瞳500を通って、周囲物における物体305への直線光学像のずれが最小化されるように設計される。そして、光学素子のすべて面を記述するために、この光軸はデカルト座標のz軸を規定する。
図2の図は、素子200及び700の各高次多項式面の原点を示す。図2に示すように、1次プリズム200及び補正プリズム700の各高次多項式面の原点は、光軸300を中心とする、又は光軸300に対して軸方向である。また、高次多項式面のそれぞれの基準平面(すなわち、x−y平面)は光軸に直交する、すなわち、基準平面のいずれも光軸に対して傾斜を有しない。両方のプリズムの各面のサグを記述する拡張多項式は、z軸が光軸に一致し、各面の各デカルト座標の原点が光軸と所定面の基準平面の対応するx−y平面との交点上にある、デカルト座標において定義される。
また図2には、この実施形態では1次プリズムの第2面の原点と一致する1次プリズムの全体の原点を示す。すべての他の基準面は、光軸に沿う全体の原点からのオフセットによって記述することができる(この実施形態では、面2のオフセットはゼロに等しい)。例として、第1面の基準平面1−200の原点は、瞳から離れる方向に光軸に沿って移動されている。図2に示す特定の実施形態において、目600から離れる方向のオフセットの順序は、1次プリズムにおける第2面202の基準平面の原点2−200と一致する全体の原点、そして、補正プリズム700における第1面701の原点1−700と一致する(しかしながら面同士の間の接着剤によりわずかにオフセットを有し得る)1次プリズム200における第3面203の原点のオフセット3−200、そして、補正プリズム700における第2面700の原点2−700、そして、1次プリズム200における第1面201の原点1−200である。特に、プリズム200における第1面201の原点1−200は、プリズムの外側の位置に光軸に沿って移動されている。すなわち、1次プリズムの第1面201は、プリズムをHMDに設置する際光軸が第1面201を通過しないように設計されている。つまり、原点1−200、定義では第1面201の基準平面は、プリズムの外側であり得る位置に光軸に沿って移動されている。しかし、光軸は他のすべての面を通過するので、この実施形態は、原点2−200、3−200、1−700、及び2−700がすべて光軸と各プリズムの各面との交点にあるように設計されている。
図2に示す実施形態では、1次プリズム200及び補正プリズム700のすべての基準面は、光軸に対して軸方向であり、光軸に対して傾斜を有していない。すべての面は、1次プリズムの全体の原点に位置して射出瞳500に最も近接する基準平面と、1次プリズムの第1面の原点に一致する平面との間の領域に存在する原点を有する高次拡張多項式によって記述される。すべての基準面は基準平面に平行であり、基準平面自体は光軸300に直交する。各レンズ面は、最小で4次拡張多項式項、及び10次又は20次拡張多項式項まで及び10次又は20次拡張多項式項を含むものによって定義され、すべての拡張多項式は、z軸を定義する光軸上の原点とともに光軸に直交するx−y平面を有するデカルト座標系において定義される。
図3は、筐体800内に設置したプリズム200及び補正レンズ700を示す、本発明の実施形態における透過型頭部装着ディスプレイを表す。光軸は、観察瞳500からアパーチャ805への直線として定義される。マイクロディスプレイ100は、プリズム200の第1面がマイクロディスプレイ100に向くように筐体800に搭載される。マイクロディスプレイは、例えばCCD、LED又はOLED、フラットスクリーン又は曲面スクリーンなどであり得る。
本発明の実施形態におけるHMDを製造する方法は、観察ポート及びアパーチャを有する筐体を製造するステップと、筐体にマイクロディスプレイを取り付けるステップと、筐体内部に1次プリズムと補正プリズムとを設置するステップとを含む。方法には、マイクロディスプレイから観察ポートに向かって投影されるイメージを拡大して見せながら光軸に沿うひずみ及び拡大を最小化するように、1次プリズム及び補正プリズムを設計するステップを含む。1次プリズム及び補正プリズムを作製する方法は、本明細書に記載の任意の実施形態にも従うことができる。1次プリズム及び補正プリズムは、1次プリズムの第1面がマイクロディスプレイに向くように筐体内部に設置される。一実施形態では、1次プリズムを補正プリズムに接着する一方、他の実施形態では、1次プリズム及び補正プリズムを筐体内に機械的にともに保持する。方法には、1次プリズムの第2面及び/又は第3面にハーフミラーコートを行うことを含むことができる。方法には、補正プリズムの一方又は双方の面にARコートを行うことをさらに含むことができる。
本発明の実施形態における頭部装着ディスプレイ(HMD)用の光学素子を形成する方法は以下のとおりである。方法は、HMDの瞳(又は観察ポート)からHMDのアパーチャ(光入射部)への直線として光軸を定義することによって開始される。そして、プリズムは、HMDに設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第1面を形成すること、瞳に向くように構成された第2面を形成すること、及びアパーチャに向くように構成された第3面を形成することによって製造され、第1面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第1面の面形態を定義することで行われ、第2面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第2面の面形態を定義することで行われ、第3面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第3面の面形態を定義することで行われる。方法には、瞳から離れる方向に且つ光軸に沿うプリズムの外側の位置に第1面の原点をオフセットすることをさらに含むことができる。方法には、プリズムの第3面に向くように構成された第1面とアパーチャに向くように構成された第2面とを有する補正レンズを形成することをさらに含むことができ、補正レンズの第1面及び第2面は、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第1面及び第2面の面形態を定義することで形成される。方法には、Y−Z平面に関して対称である1次プリズム及び補正レンズのすべての面を形成することをさらに含むことができ、Z軸は光軸に一致するとともにY軸は基準平面のいずれかに対応する。
上述の実施形態のすべてにおいて、1次レンズ及び補正レンズは、筐体によって機械的に保持されることなどの機械的手段によって近接して保持する又は物理的に接触して保持することができ、あるいは、ともに接着することができる。プリズムが機械的に保持される場合、1次プリズムの第3面と補正プリズムの第1面との間に空隙が形成され得る。そうした空隙によって発生しうるひずみを最小にするため、1次プリズムの第3面と補正プリズムの第1面とに、反射防止コートを行う必要がある。1次レンズと補正レンズとをともに接着する実施形態においては、空隙は存在せず、接合面におけるARコートは必要とされない。
図4は、透過性能のない、バーチャルリアリティ用の実施形態を示す。特に、図4の実施形態における筐体800は、周囲物からの光を受け取るアパーチャを有しない。筐体800に設けられる唯一の開口部は、マイクロディスプレイ100から瞳500にイメージを投影するためのものである。透過性能を提供しないので、補正レンズは必要ない。つまり、1次プリズム200のみが筐体800内部に配置され、他の開示の実施形態のもののように、その第1面をマイクロディスプレイに向ける。また、1次プリズムでは透過性能を可能にする必要がないということから、第3面をフルミラーコート208でコーティングすることも有用である。反射防止コートは、図1の実施形態のもののように、第1面及び/又は第2面に設けることができる。
このように、図4の実施形態において、頭部装着ディスプレイは、イメージを投影するための単一開口部を有する筐体と、筐体内部に搭載されるマイクロディスプレイと、筐体内部に搭載されるとともに、マイクロディスプレイに向く第1面、単一開口部に向く第2面、及びミラーコートを有する第3面の3つの面を有するプリズムとを含んで提供され、第1面、第2面、及び第3面とはそれぞれ、第1高次拡張多項式、第2高次拡張多項式、及び第3高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有し、光軸は単一開口部を通過する。
本明細書に記載の処理や技術は本質的に任意の特定の装置に関するものではなく、任意の適切な構成要素の組合せによって実施することができる、ということが理解される必要がある。さらに、本明細書の記載に従って、種々のタイプの汎用デバイスを使用することができる。また、本明細書に記載の方法ステップを行うために特殊化した装置を構築することは有利になり得る。
本発明は、特定の実施形態に関して記載されているが、これらはあらゆる点で限定ではなく例示を目的としている。当業者は、本発明の実施にハードウエア、ソフトウエア、及びファームウエアの多様な組合せが適することになるということを理解するであろう。さらに、本発明の他の態様は、本明細書を考慮して本明細書に開示の本発明を実施することから、当業者には明らかになる。明細書及び実施例は例示のみとして考慮され、本発明の真の範囲及び趣旨は以下の特許請求の範囲によって示されるということが意図されている。
Claims (21)
- 光学装置のためのプリズムであって、該光学装置は観察瞳を有するとともに前記観察瞳を通る光軸を定義し、
前記プリズムは3つの光学面を含み、前記3つの光学面の面形態は、前記プリズムが前記光学装置に設置される際、前記光軸を中心とする原点を有するように形成され、
前記プリズムが前記光学装置に設置される際、前記3つの光学面の第1面はディスプレイデバイスに向くとともに、前記光軸に直交して前記光軸に対して傾斜を有する基準平面を有する高次拡張多項式面を含む、プリズム。 - 前記3つの光学面のぞれぞれは、軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項1に記載のプリズム。
- 前記高次拡張多項式のそれぞれは、前記光軸と一致するz軸を有するデカルト座標において導出される、請求項1に記載のプリズム。
- 前記第1面の原点は、前記観察瞳から離れる方向に前記光軸に沿って移動している、請求項1に記載のプリズム。
- 前記3つの面の第2面の原点は前記第2面と前記光軸との交点にあり、前記3つの面の第3面の原点は前記第3面と前記光軸との交点にある、請求項4に記載のプリズム。
- 前記3つの面の第3面はフルミラーコート又は部分ミラーコートを含む、請求項1に記載のプリズム。
- 前記3つの面はYZ平面に沿って対称であり、前記YZ平面のZ軸は前記光軸に一致し、前記YZ平面のY軸は前記光軸に直交する、請求項6に記載のプリズム。
- 前記3つの光学面のぞれぞれは、少なくとも4次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項3に記載のプリズム。
- 前記3つの光学面のぞれぞれは、偶数増分で4次項から20次項まで拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項3に記載のプリズム。
- 前記第1面及び前記第2面の少なくとも1つに反射防止コートをさらに含む、請求項3に記載のプリズム。
- 光軸を定義する光学透過型頭部装着ディスプレイに設置されるように構成された光学器具であって、
プリズムを含み、
前記プリズムは、マイクロディスプレイから光を受け取るように構成されるとともに受け取った前記光を前記プリズムの本体に透過させるように構成された第1面と、前記第1面から前記プリズムの本体に透過された前記光を受け取るように構成されるとともに受け取った前記光を第2面において内部全反射させるように構成された第2面と、前記第2面によって反射された前記光を受け取るように構成されるとともに前記光を前記プリズムから前記頭部装着ディスプレイの瞳に向かって反射させるように構成された第3面とを有し、
前記第1光学面、前記第2光学面、及び前記第3光学面のそれぞれは、前記光軸を中心とするとともに前記光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有する高次拡張多項式として形成される、光学器具。 - 前記第1面の原点は、前記プリズムの外側の位置で観察瞳から離れる方向に前記光軸に沿って移動されている、請求項11に記載の光学器具。
- 前記第1光学面、前記第2光学面、及び前記第3光学面のそれぞれはYZ平面に沿って対称であり、前記YZ平面のZ軸は前記光軸に一致する、請求項11に記載の光学器具。
- 前記第1光学面、前記第2光学面、及び前記第3光学面のぞれぞれは、少なくとも4次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項11に記載の光学器具。
- 前記第1光学面、前記第2光学面、及び前記第3光学面のぞれぞれは、偶数増分で少なくとも4次項から20次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項11に記載の光学器具。
- 前記プリズムの前記第3面と係合する形状をなす第1面と、前記瞳から離れる方向に向く第2面とを有する補正レンズをさらに含む、請求項11に記載の光学器具。
- 前記補正レンズの前記第1面及び前記第2面は、前記光軸に直交する基準平面を有する軸方向高次多項式面によって定義される、請求項16に記載の光学器具。
- 前記プリズム及び前記補正レンズの面の少なくとも1つに反射防止コートをさらに含む、請求項17に記載の光学器具。
- 頭部装着ディスプレイ(HMD)用の光学素子を形成する方法であって、
前記HMDの瞳から前記HMDのアパーチャへの直線として光軸を定義するステップと、
前記HMDに設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第1面を形成すること、前記瞳に向くように構成された第2面を形成すること、及び前記アパーチャに向くように構成された第3面を形成することによってプリズムを製造するステップであって、前記第1面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するz軸とを有するとともに前記光軸に直交して前記光軸に対して傾斜を有する基準平面を有する高次拡張多項式によって前記第1面の面形態を定義することで行われ、前記第2面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と光軸に一致するz軸とを有する高次拡張多項式によって前記第2面の面形態を定義することで行われ、前記第3面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するz軸とを有する高次拡張多項式によって前記第3面の面形態を定義することで行われるステップとを含む、方法。 - 前記瞳から離れる方向に且つ前記光軸に沿う前記プリズムの外側の位置に前記第1面の前記原点をオフセットすることをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 前記プリズムの前記第3面に向くように構成された第1面と前記アパーチャに向くように構成された第2面とを有する補正レンズを形成することをさらに含み、前記補正レンズの前記第1面及び前記第2面は、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するz軸とを有する高次拡張多項式によって前記第1面及び前記第2面の面形態を定義することで形成される、請求項20に記載の方法。
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