JP2020527737A - 拡張現実のためのコンパクトなニアアイディスプレイ光学系 - Google Patents

Abstract

光学系は、ディスプレイから受光した光を第１の円偏光に変換するように構成されている第１のフィルタスタックと、外部の源から受光した光を第２の円偏光に変換するように構成されている第２のフィルタスタックと、第１の円偏光を有する光を反射し、第２の円偏光を有する光を透過させるように構成されている第３のフィルタスタックとを備える。また、光学系は、第２のフィルタスタックから受光した光を第３のフィルタスタックに透過させるように構成されている屈折ビームスプリッタレンズを備える。第２のフィルタスタックは、第１のフィルタスタックから受光した光を屈折ビームスプリッタレンズへ反射させるように配向されている。光学系は、ヘッドマウントデバイス（ＨＭＤｓ）などの拡張現実デバイスで実現されて、ディスプレイによって生成された画像を、外部の源から受光した光と合成する。

Description

背景
拡張現実（augmented reality: ＡＲ）システムは一般に、周囲から受光した光線とディスプレイによって生成された光線とをユーザの目に集めるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスを利用する。したがって、ＨＭＤデバイスを着用しているユーザは、虚像で「拡張された」現実世界のシーンを眺める。たとえば、ＨＭＤデバイスは、歩行方向を含む虚像のオーバーレイによって、ユーザの見慣れない道路の眺めを拡張することができる。ＡＲ機能を支援するＨＭＤにおいて実現される光学系は、典型的には、外部からの光をユーザの目に透過させ、ディスプレイからの光を外部からの光の経路内に反射するビームスプリッタ要素に加えて、光をユーザの目に集める光学要素を含む。現在、ＡＲ機能を提供する複数のデザインのＨＭＤデバイスが利用可能である。これらのＨＭＤデバイスで実現される光学系は、バードバス（birdbath）光学系（虚像をシースルー画像と合成するビームスプリッタによって分離された凹面鏡及びディスプレイ）と、コリメーションレンズによって（幾何学的または回折的な）導波路に結合されたディスプレイと、複数の自由形状反射器に結合されたディスプレイと、自由形状プリズムに結合されたディスプレイとを備える。

これらの光学系には、共通する欠陥がある。すなわち、光学パワーを提供する（たとえば、光線を集める）要素は、ユーザの目から比較的離れて位置しているため、虚像の視野が狭くなる。たとえば、従来のＡＲシステムの一般的な視野は、約２５°である。ＡＲシステムのサイズを大きくすることによって視野を広くすることができるが、これは、ウェアラブルＨＭＤデバイスでは望ましくない。さらに、光学系のなかには、シースルー画像を歪めるものもある。たとえば、全内部反射を用いて虚像をユーザの目に案内する幾何学的な導波路が、シースルー画像において分割された影を生成することがある。他の例では、回折を利用して虚像をユーザの目に案内する回折導波路が、不要な回折次数からゴースト像を生成することがある。さらに他の例では、自由形状プリズムが、眼精疲労の原因となる不均一のシースルー歪みを作り出すことがある。

当業者であれば、添付の図面を参照することによって、本開示をよりよく理解することができ、本開示の多くの特徴および利点を分かるであろう。異なる図面で使用される同一の参照符号は、類似するまたは同一の項目を表す。

いくつかの実施形態に係る、ディスプレイから受光した光を外部からの光と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目に提供する光学系の第１の例を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ディスプレイによって生成された光線の光路の折返し、および、光線の外部からの光との合成を示す、光学系の第２の例を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ディスプレイから受光した光を外部からの光と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目に提供する光学系の第３の例を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ディスプレイから受光した光を外部からの光と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目に提供する光学系の第４の例を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ディスプレイから受光した光を外部からの光と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目に提供する光学系の第５の例を示す図である。 従来のバードバスレンズ系と、いくつかの実施形態に係る、屈折ビームスプリッタレンズ系を含むレンズ系との比較を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ディスプレイを介して拡張現実機能を提供するように構成されている電子デバイスを含むディスプレイシステムを示す図である。

詳細な説明
拡張現実（ＡＲ）などの用途のためにより広い視野（たとえば、約８０°）を提供する光学系は、従来の拡張現実光学系と比較してはるかに小さな体積を含む一方で、ディスプレイから受光した光を第１の円偏光に変換するように構成されている第１のフィルタスタックと、外部の源から受光した光を第２の円偏光に変換するように構成されている第２のフィルタスタックと、第１の円偏光を有する光を反射し、第２の円偏光を有する光を透過させるように構成されている第３のフィルタスタックとを備える。また、光学系は、第２のフィルタスタックから受光した光を第３のフィルタスタックに透過させるように構成されている屈折ビームスプリッタ凸レンズを備える。第２のフィルタスタックは、第１のフィルタスタックから受光した光を屈折ビームスプリッタ凸レンズへ反射するように配向されている。第１の円偏光は、第２の円偏光と反対の方向である。

第１のフィルタスタックのいくつかの実施形態は、光を第１の直線偏光に変換する直線偏光子と、光を第１の直線偏光から第１の円偏光に変換する４分の１波長板とを含む。第２のフィルタスタックのいくつかの実施形態は、第１の円偏光を第１の直線偏光に変換する４分の１波長板と、第２の直線偏光を有する光を透過させる一方で第１の直線偏光を有する光を反射させる偏光依存ビームスプリッタとを含む。第３のフィルタスタックのいくつかの実施形態は、４分の１波長板と、第１の直線偏光を有する光を反射し、第２の直線偏光を有する光を透過させるように構成されている偏光依存ビームスプリッタとを含む。いくつかの実施形態では、屈折ビームスプリッタ凸レンズは平凸であり、光学系は平凹レンズを含む。平凹レンズの凹面曲率は、平凸レンズの凸面曲率に適合する。平凸レンズの凸面は、平凹レンズの凹面に接合可能である、または、第３のフィルタスタックは、平凸レンズおよび平凹レンズの平面間に配置され得る。

図１は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイ１０２から受光した光１０１を外部からの光１０３と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目１０５に提供する光学系１００の第１の例を示す図である。光学系１００は、ディスプレイ１０２から光を受光する第１のフィルタスタック１１０を備える。フィルタスタック１１０のいくつかの実施形態は、受光した光１０１を第１の直線偏光に変換する直線偏光子１１２を含む。たとえば、図１に示すように、直線偏光子１１２は、偏光されていない（または部分的に偏光された）光を、直線偏光子１１２のより大きな寸法に平行な方向に偏光された光に変換可能である。この方向は、ｙ方向と呼ばれる。また、フィルタスタック１１０は、直線偏光された光を第１の円偏光に変換する４分の１波長板１１４を含む。たとえば、４分の１波長板１１４は、ｙ方向に偏光された光を、右円偏光された光に変換可能である。フィルタスタック１１０のいくつかの実施形態は、ディスプレイ１０２と一体化される。たとえば、直線偏光子１１２は、ディスプレイ１０２の表面に積層可能である。しかしながら、他の実施形態では、第１のフィルタスタック１１０は、空隙によってディスプレイ１０２から離されている。

光学系１００は、第１の偏光を有する光を透過させ、第１の偏光に直交する第２の偏光を有する光を反射する第２のフィルタスタック１２０を備える。たとえば、第２のフィルタスタック１２０は、左円偏光を有する光を透過させ、右円偏光を有する光を反射するように構成可能である。第２のフィルタスタック１２０は、円偏光された光を直線偏光された光に変換する４分の１波長板１２２を含む。たとえば、４分の１波長板１２２は、右円偏光された光をｙ方向に偏光された光に変換可能であり、４分の１波長板１２２は、左円偏光された光を、図の平面に対して直角方向に偏光された光に変換可能である。この方向は、ここではｘ方向と呼ばれ、ｙ方向に直交する、またはこれを横断する。また、第２のフィルタスタック１２０は、第１の方向に偏光された光を透過させ、第１の方向に直交するまたはこれを横断する第２の方向に偏光された光を反射する偏光依存ビームスプリッタ１２３を含む。たとえば、偏光依存ビームスプリッタ１２３は、ｙ方向に偏光された光を反射させることができるとともに、ｘ方向に偏光された光を透過させることができる。また、第２のフィルタスタック１２０のいくつかの実施形態は、直線偏光された光を透過させる直線偏光子１２４を含む。たとえば、直線偏光子１２４は、ｙ方向に偏光された光を除去しつつ、ｘ方向に偏光された光を透過させることができる。

また、光学系１００は、屈折ビームスプリッタレンズ系１２５を備える。屈折ビームスプリッタレンズ系１２５の例は、米国仮出願連続番号第６２／５３１，２２５号に記載されており、この全体が引用により本明細書に援用される。屈折ビームスプリッタレンズ系１２５のいくつかの実施形態は、屈折平凸レンズ１２７と屈折平凹レンズ１２８とを含む。屈折平凸レンズ１２７は、凸面１３２に対向する平面１３１を含む。屈折平凸レンズ１２７は、第１の屈折率を有する材料で形成されており、ビームスプリッタコーティングが凸面１３２に施されている。たとえば、屈折平凸レンズ１２７は、ガラスまたはプラスチックで形成可能であり、凸面１３２は、半透過面であり得る。屈折平凹レンズ１２８は、凹面１３４に対向する平面１３３を含む。屈折平凹レンズ１２８は、第１の屈折率と同じまたはこれと異なる第２の屈折率を有するガラスまたはプラスチックで形成可能である。凹面１３４の曲率は、凸面１３２の曲率に相補的である、たとえば、曲率が適合し得る。屈折平凸レンズ１２７と屈折平凹レンズ１２８との間には小さな離隔距離が示されているが、光学系１００のいくつかの実施形態では、これら２つのレンズは互いに接触している。屈折ビームスプリッタレンズ系１２５のいくつかの実施形態は、１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の焦点距離を有する。たとえば、屈折ビームスプリッタレンズ系１２５の焦点距離は、１８０ｍｍ〜２８０ｍｍの範囲であり得る。

光学系１００は、第１の偏光を有する光を透過させ、第１の偏光に直交する第２の偏光を有する光を反射する第３のフィルタスタック１３５を備える。たとえば、第３のフィルタスタック１３５は、左円偏光を有する光を透過させ、右円偏光を有する光を反射するように構成可能である。第３のフィルタスタック１３５のいくつかの実施形態は、円偏光された光を直線偏光された光に変換する４分の１波長板１３７を含む。たとえば、４分の１波長板１３７は、右円偏光された光をｙ方向に偏光された光に変換することができ、４分の１波長板１３７は、左円偏光された光をｘ方向に偏光された光に変換することができる。また、第３のフィルタスタック１３５は、第１の方向に偏光された光を透過させ、第１の方向に対して直交するまたはこれを横断する第２の方向に偏光された光を反射する偏光依存ビームスプリッタ１３８を含む。たとえば、偏光依存ビームスプリッタ１３８は、ｙ方向に偏光された光を反射し、ｘ方向に偏光された光を透過させることができる。また、第３のフィルタスタック１３５のいくつかの実施形態は、直線偏光された光を透過させる直線偏光子１３９を含む。たとえば、直線偏光子１３９は、ｘ方向に偏光された光を透過させることができる。

第３のフィルタスタック１３５のいくつかの実施形態は、屈折ビームスプリッタレンズ系１２５に接合されている。たとえば、４分の１波長板１３７は、屈折凸レンズ１２７の平面１３１に積層可能である。第３のフィルタスタック１３５の屈折ビームスプリッタレンズ系１２５に対する接合には、光学系１００のサイズの低減、視野の拡大、光学系１００の光学面において生じるフレネル反射（またはゴースト像）の回数の減少など、多くの利点がある。他の実施形態では、第３のフィルタスタック１３５は、空隙によって屈折ビームスプリッタレンズ系１２５から離されている。さらに、本明細書で説明するように、第３のフィルタスタック１３５のいくつかの実施形態は、屈折平面凸レンズ１２７と屈折平面凹レンズ１２８との間に配設される。

図２は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイ２０１によって生成された光線の光路の折返し、および、光線の外部からの光との合成を示す、光学系２００の第２の例を示す図である。光学系２００は、図１に示す光学系１００のいくつかの実施形態を表す。ディスプレイ２０１からの光線２０２は最初は、非偏光である、または部分的に偏光されている。光線２０２は、直線偏光子２０６を含む第１のフィルタスタック２０４に向けられ、直線偏光子２０６は、光線２０２を直線偏光された光線２０８に変換する。たとえば、光線２０８は、ｙ方向に偏光可能である。４分の１波長板２１０は、直線偏光された光線２０８を、第１の円偏光を有する光線２１２に変換する。たとえば、４分の１波長板２１０は、ｙ方向の直線偏光からの光線２０８を、右円偏光された光線２１２に変換可能である。

第２のフィルタスタック２１４は、光線２１２を受光する。第２のフィルタスタック２１４は、円偏光された光線２１２を直線偏光された光線２１８に変換する４分の１波長板２１６を含む。たとえば、４分の１波長板２１６は、右円偏光された光線２１２を、ｙ方向に偏光された、直線偏光された光線２１８に変換可能である。第２のフィルタスタック２１４の偏光依存ビームスプリッタ２２０は、１つの直線偏光の光を反射し、直交直線偏光の光を透過させる。たとえば、偏光依存ビームスプリッタ２２０は、直線偏光された光線２１８を反射し、光線２１８はその後、４分の１波長板２１６を通過して、円偏光された光線２２２に変換される。たとえば、４分の１波長板２１６は、反射された直線偏光された光線２１８を、ｙ方向の偏光から右円偏光に変換可能である。第２のフィルタスタック２１４は、ディスプレイ２０１から受光しれた反射光を屈折ビームスプリッタレンズ系２２４に向けるように、ディスプレイ２０１に対して角度を付けられており、屈折ビームスプリッタレンズ系２２４は、図１に示す屈折ビームスプリッタレンズ系１２５のいくつかの実施形態を用いて実現される。

屈折ビームスプリッタレンズ系２２４は、円偏光された光線２２２の一部を透過させ、この光線の一部はその後、第３のフィルタスタック２２６に提供される前に屈折ビームスプリッタレンズ系２２４内で屈折される。第３のフィルタスタック２２６は、円偏光された光線２２２を直線偏光された光線２３０に変換する４分の１波長板２２８を含む。たとえば、４分の１波長板２２８は、右円偏光された光線２２２を、ｙ方向に直線偏光された光線２３０に変換可能である。光線２３０は、偏光依存ビームスプリッタ２３２によって反射され、４分の１波長板２２８によって、円偏光された光線２３４に変換される。たとえば、光線２３０を、ｙ方向の直線偏光から右円偏光を有する光線２３４に変換可能である。光線２３４は、屈折ビームスプリッタレンズ系２２４によって屈折され、光線２３４の一部は、屈折ビームスプリッタレンズ系２２４で反射する。反射によって、光線２３４の円偏光が逆になる、たとえば、反射によって、光線２３４が左円偏光された光線２３６に変換される。４分の１波長板２２８は、円偏光された光線２３６を直線偏光された光線２３８に変換する。たとえば、光線２３６の左円偏光は、ｘ方向の光線２３８の直線偏光に変換される。偏光依存ビームスプリッタ２３２および直線偏光子２４０は、直線偏光された光線２３８を透過させる。

光学系２００は、非偏光または部分偏光であり得る、外部からの光線２４２の一部を透過させる。図示された実施形態では、外部からの光線２４２は、偏光依存ビームスプリッタ２２０によって選別されて、直線偏光された光線２４４を生成する。たとえば、光線２４４は、ｘ方向に偏光可能である。４分の１波長板２１６は、光線２４４を円偏光された光線２４６に変換する。たとえば、光線２４４を、ｘ方向の直線偏光から左円偏光された光線２４６に変換可能である。屈折ビームスプリッタレンズ系２２４は、円偏光された光線２４６の一部を透過させる。この光線の一部はその後、第３のフィルタスタック２２６に提供される前に屈折ビームスプリッタレンズ系２２４内で屈折される。その後、円偏光された光線２４６は、４分の１波長板２２８によって、直線偏光された光線２４８に変換される。たとえば、左円偏光された光線２４６は、ｘ方向に偏光された光線２４８に変換可能である。偏光依存ビームスプリッタ２３２および直線偏光子２４０は、直線偏光された光線２４８を透過させる。

図３は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイ３０２から受光した光３０１を外部からの光３０３と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目３０５に提供する光学系３００の第３の例を示す図である。光学系３００は、直線偏光フィルタ３１２と４分の１波長板３１４とを含む第１のフィルタスタック３１０を備える。また、光学系３００は、偏光依存ビームスプリッタ３１７と直線偏光子３１９とを含む第２のフィルタスタック３１５を備える。屈折ビームスプリッタレンズ系３２０は、平凸屈折レンズ３２２と平凹屈折レンズ３２４とを備える。また、光学系３００は、４分の１波長板３２７と、偏光依存ビームスプリッタ３２９と、直線偏光子３３１とで形成された第３のフィルタスタック３２５を備える。

本明細書で説明するように、第２のフィルタスタック３１５は、第１のフィルタスタック３１０および屈折ビームスプリッタレンズ系３２０に対して角度を付けて配向されている。たとえば、第２のフィルタスタック３１５を、第１のフィルタスタック３１０および屈折ビームスプリッタレンズ系３２０に対して４５°の角度で配向させることができる。第２のフィルタスタック３１５を第１のフィルタスタック３１０および屈折ビームスプリッタレンズ系３２０に対して角度を有して配向させることによって、第２のフィルタスタック３１５は、第１のフィルタスタック３１０から受光した光を屈折ビームスプリッタレンズ系３２０に向けることが可能になる。光学系３００は、４分の１波長板３３５が第２のフィルタスタック３１５の一体化された部分として実現されるのではなく、平凹屈折レンズ３２４の平面に積層されているため、図１に示す光学系１００と異なる。

図４は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイ４０２から受光した光４０１を外部からの光４０３と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目４０５に提供する光学系４００の第４の例を示す図である。光学系４００は、直線偏光フィルタ４１２と４分の１波長板４１４とを含む第１のフィルタスタック４１０を備える。また、光学系４００は、４分の１波長板４１６と、偏光依存ビームスプリッタ４１７と、直線偏光子４１９とを含む第２のフィルタスタック４１５を備える。屈折ビームスプリッタレンズ系は、平凸屈折レンズ４２２と平凹屈折レンズ４２４とを含む。また、光学系４００は、４分の１波長板４２７と、偏光依存ビームスプリッタ４２９と、直線偏光子４３１とで形成される第３のフィルタスタック４２５を備える。

本明細書で説明するように、第２のフィルタスタック４１５は、第１のフィルタスタック４１０および屈折ビームスプリッタレンズ系４２０に対して角度を付けて配向されている。たとえば、第２のフィルタスタック４１５を、第１のフィルタスタック４１０および屈折ビームスプリッタレンズ系に対して４５°の角度で配向させることができる。第２のフィルタスタック４１５を第１のフィルタスタック４１０および屈折ビームスプリッタレンズ系４２０に対して角度を付けて配向させることによって、第２のフィルタスタック４１５は、第１のフィルタスタック４１０から受光した光を屈折ビームスプリッタレンズ系４２０に向けることが可能になる。光学系４００は、平凸屈折レンズ４２２が平凹屈折レンズ４２４から離されているため、図１に示す光学系１００および図３に示す光学系３００と異なる。図示された実施形態では、第３のフィルタスタック４２５は、平凸屈折レンズ４２２と平凹屈折レンズ４２４との間に配設されている。たとえば、４分の１波長板４２７は、平凸屈折レンズ４２２の平面に積層可能であり、直線偏光子４３１は、平凹屈折レンズ４２４の平面に積層可能である。

図５は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイ５０２から受光した光５０１を外部からの光５０３と合成して、拡張現実画像を示す実質的に平行な光線をユーザの目５０５に提供する光学系５００の第５の例を示す図である。光学系５００は、直線偏光フィルタ５１２と４分の１波長板５１４とを含む第１のフィルタスタック５１０を備える。また、光学系５００は、偏光依存ビームスプリッタ５１７と直線偏光子５１９とを含む第２のフィルタスタック５１５を備える。屈折ビームスプリッタレンズ系は、平凸屈折レンズ５２２と平凹屈折レンズ５２４とを含む。また、光学系５００は、４分の１波長板５２７と、偏光依存ビームスプリッタ５２９と、直線偏光子５３１とで形成される第３のフィルタスタック５２５を備える。

本明細書で説明するように、第２のフィルタスタック５１５は、第１のフィルタスタック５１０および屈折ビームスプリッタレンズ系に対して角度を付けて配向されている。たとえば、第２のフィルタスタック５１５を、第１のフィルタスタック５１０および屈折ビームスプリッタレンズ系に対して４５°の角度で配向させることができる。第２のフィルタスタック５１５を第１のフィルタスタック５１０および屈折ビームスプリッタレンズ系５２０に対して角度を付けて配向させることによって、第２のフィルタスタック５１５は、第１のフィルタスタック５１０から受光した光を屈折ビームスプリッタレンズ系５２０に向けることが可能になる。光学系５００は、平凸屈折レンズ５２２が平凹屈折レンズ５２４から離されているため、図１に示す光学系１００および図３に示す光学系３００と異なる。図示された実施形態では、第３のフィルタスタック５２５は、平凸屈折レンズ５２２と平凹屈折レンズ５２４との間に配設されている。たとえば、４分の１波長板５２７は、平凸屈折レンズ５２２の平面に積層可能であり、直線偏光子５３１は、平凹屈折レンズ５２４の平面に積層可能である。また、光学系５００は、４分の１波長板５３５が第２のフィルタスタック５１５の一体化された部分として実現されるのではなく、平凹屈折レンズ５２４の凹面に積層されているため、図１に示す光学系１００および図４に示す光学系４００と異なる。

図６は、従来のバードバスレンズ系６０５と、いくつかの実施形態に係る、屈折ビームスプリッタレンズ系を備えるレンズ系６１０との比較６００を示す図である。図示された実施形態では、従来のバードバスレンズ系６０５およびレンズ系６１０は、これら系のユーザに対して同じ視野（２０°）を提供する。しかしながら、従来のバードバスレンズ系６０５は、ユーザから外部の光源への視線に対して垂直な軸に沿ってアライメントされたディスプレイ６１５と、反射凹レンズ６２０とを使用する。ビームスプリッタ６２５が、ディスプレイ６１５と反射凹レンズ６２０との間に配設されている。そのため、光学パワーを提供する要素、つまり反射凹レンズ６２０は、レンズ系６１０、すなわち屈折ビームスプリッタレンズ系６３０内で光学パワーを提供する要素と比較して、ユーザからはるかに離れて配設されている。その結果、従来のバードバスレンズ系６０５とレンズ系６１０とは同じ視野をユーザに提供するけれども、従来のバードバスレンズ系６０５の寸法は、レンズ系６１０の寸法の２倍よりも大きい。

図７は、いくつかの実施形態に係る、ディスプレイを介して拡張現実機能を提供するように構成されている電子デバイス７０５を備えるディスプレイシステム７００を示す図である。電子デバイス７０５の図示された実施形態は、ＨＭＤ、タブレットコンピュータ、コンピュータによって実現される携帯電話（たとえば、スマートフォン）、ノート型パソコン、パーソナルデジタルアシスタント、ゲーム機システムなどの携帯ユーザデバイスを含み得る。他の実施形態では、電子デバイス７０５は、医療画像機器、セキュリティ画像センサシステム、産業ロボット制御システム、ドローン制御システムなどの固定デバイスを含み得る。説明を容易にするために、電子デバイス７０５は、本明細書では一般にＨＭＤシステムの文脈の例で説明されるが、電子デバイス７０５はこれらの実現例に制限されない。

電子デバイス７０５は、図７において、ユーザの頭７１０に搭載されていると示されている。図示されるように、電子デバイス７０５は、ユーザに提示するために画像を生成するディスプレイ７２０、７２１を含む筐体７１５を備える。ディスプレイ７２０、７２１は、図１に示すディスプレイ１０２、図２に示すディスプレイ２０１、図３に示すディスプレイ３０２、図４に示すディスプレイ４０２、および図５に示すディスプレイ５０２のいくつかの実施形態を用いて実現可能である。図示された実施形態では、立体画像を対応する左目および右目に表示するために、ディスプレイ７２０、７２１が用いられる。

ディスプレイ７２０、７２１によって生成された光は、対応する第１のフィルタスタック７２５、７２６に提供される。これらの第１のフィルタスタックは、図１に示す第１のフィルタスタック１１０、図２に示す第１のフィルタスタック２０４、図３に示す第１のフィルタスタック３１０、図４に示す第１のフィルタスタック４１０、および図５に示す第１のフィルタスタック５１０のいくつかの実施形態を用いて実現可能である。

第２のフィルタスタック７３０、７３１は、第１のフィルタスタック７２５、７２６から受光した光を、対応する屈折ビームスプリッタレンズ系７３５、７３６へ反射させるように配向されている。また、第２のフィルタスタック７３０、７３１は、外部の源から受光した光を透過させるように構成されている。第２のフィルタスタック７３０、７３１は、図１に示す第２のフィルタスタック１２０、図２に示す第２のフィルタスタック２１４、図３に示す第２のフィルタスタック３１５、図４に示す第２のフィルタスタック４１５、および図５に示す第２のフィルタスタック５１５のいくつかの実施形態を用いて実現可能である。屈折ビームスプリッタレンズ系７３５、７３６は、図１に示す屈折ビームスプリッタレンズ系１２５、図２に示す屈折ビームスプリッタレンズ系２２４、図３に示す屈折ビームスプリッタレンズ系３２０、ならびに図４および図５に示す屈折ビームスプリッタレンズ系のいくつかの実施形態を用いて実現可能である。

屈折ビームスプリッタレンズ系７３５、７３６からの光は、対応する第３のフィルタスタック７４０、７４１に提供される。これらの第３のフィルタスタックは、図１に示す第３のフィルタスタック１３５、図２に示す３のフィルタスタック２２６、図３に示す第３のフィルタスタック３２５、図４に示す第３のフィルタスタック４２５、および図５に示す第３のフィルタスタック５２５のいくつかの実施形態を用いて実現可能である。本明細書で説明されたように、第３のフィルタスタック７４０、７４１のいくつかの実施形態は、屈折ビームスプリッタレンズ系７３５、７３６を実現するために使用される平凸屈折レンズと平凹反射レンズとの間に配設される。

本明細書で説明されたように、屈折ビームスプリッタレンズ系を用いて拡張現実を提供する光学系には、従来の光学系と比べて多くの利点がある。屈折ビームスプリッタレンズ系をユーザの目により近づけて設けることによって、可能視野が広くなり（最大で８０°）、光学系の全体的なサイズが小さくなる。たとえば、トータルトラック長と、屈折ビームスプリッタレンズ系を用いて拡張現実を実現するヘッドマウントデバイスとは、３０ｍｍよりも小さくなり得る。また、屈折ビームスプリッタレンズ系を実現する光学系は、光学シースルー歪みおよび表示歪みを抑制可能である。屈折ビームスプリッタレンズ系内の湾曲面が１つの反射光学パワーまたは１つの屈折パワーのいずれかを提供するため、光学収差を低減可能であり、これによって、ユーザはより小さな表示画素を分解できる。屈折ビームスプリッタレンズ系を実現する光学系のいくつかの実施形態は、より大きなアイボックスを提供可能であり、「瞳泳ぎ（pupil swimming）」を低減可能である。また、球面収差、色収差、非点収差、およびコマ収差は、本明細書で説明された屈折ビームスプリッタレンズ系を実現することによって低減可能である。さらに、屈折ビームスプリッタレンズ系の正屈折要素は、屈折ビームスプリッタレンズ系の反射要素の像面湾曲のバランスをとることが可能である。

なお、全体の説明で上述した動作または要素の全てを要件とするわけではなく、具体的な動作または装置の一部を要件としないことがあり、説明したものに加えて、１つ以上のさらなる動作を行なってもよい、または１つ以上のさらなる要素を含んでもよい。またさらに、動作が列挙される順序は、必ずしもそれらが行なわれる順序とは限らない。また、具体的な実施形態を参照して概念を説明した。しかしながら、当業者は、以下の請求項に述べるような本開示の範囲から逸脱することなく、さまざまな修正および変更が可能であると理解する。これに応じて、明細書および図は、制限的な意味ではなく例示と見なされるべきであり、そのような修正は全て本開示の範囲内に含まれることが意図される。

利益、他の利点および問題の解決策は、特定の実施形態に関して上述されている。しかしながら、任意の利益、利点、または課題の解決策を生じ得るまたはより顕著にさせ得る利益、利点、課題の解決策、および任意の特徴が、任意の請求項またはすべての請求項の必要かつ重要な特徴、または不可欠な特徴として解釈されるべきではない。また、開示された主題を、本明細書の教示の利益を有する当業者にとって明らかな同等の異なる方法で変更または実施することができるため、開示された特定の実施形態は例示に過ぎない。以下の特許請求の範囲に記載されているもの以外、本明細書の構成または設計の詳細に制限を加えることを意図していない。したがって、明らかに、上記に開示された特定の実施形態を変更または修正することができ、これらの変形例は全て、開示された主題の範囲内にあると考えられる。したがって、本明細書で保護を求めている主題は、以下の特許請求の範囲に記載される。

Claims (23)

1. ディスプレイから受光した光を第１の円偏光に変換するように構成されている第１のフィルタスタックと、
   外部の源から受光した光を第２の円偏光に変換するように構成されている第２のフィルタスタックと、
   前記第１の円偏光を有する光を反射し、前記第２の円偏光を有する光を透過させるように構成されている第３のフィルタスタックと、
   前記第２のフィルタスタックから受光した光を前記第３のフィルタスタックに透過させるように構成されている屈折ビームスプリッタレンズとを備え、前記第２のフィルタスタックは、前記第１のフィルタスタックから受光した光を前記屈折ビームスプリッタレンズへ反射させるように配向されている、光学系。
2. 前記第１のフィルタスタックは、
   光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子と、
   前記光を前記第１の直線偏光から前記第１の円偏光に変換する第１の４分の１波長板とを含む、請求項１に記載の光学系。
3. 前記第２のフィルタスタックは、
   前記第１の円偏光を前記第１の直線偏光に変換する第２の４分の１波長板と、
   前記第１の直線偏光を有する光を反射し、第２の直線偏光を有する光を透過させる第１の偏光依存ビームスプリッタとを含む、請求項１または請求項２に記載の光学系。
4. 前記第３のフィルタスタックは、
   第３の４分の１波長板と、
   前記第１の直線偏光を有する光を反射し、前記第２の直線偏光を有する光を透過させる第２の偏光依存ビームスプリッタとを含む、前述の請求項のいずれか一項に記載の光学系。
5. 前記屈折ビームスプリッタレンズは、
   第１の平面と反対側の凸状ビームスプリッタ面を有する屈折平凸レンズと、
   第２の平面と反対側の凹面を有する屈折平凹レンズとを含む、前述の請求項のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記屈折平凸レンズの前記凸状ビームスプリッタ面の第１の曲率は、前記屈折平凹レンズの前記凹面の第２の曲率に相補的である、請求項５に記載の光学系。
7. 前記第３の４分の１波長板は、前記第２の平面に積層されている、請求項５から請求項６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記第２のフィルタスタックは、前記屈折平凸レンズの前記第１の平面と前記屈折平凹レンズの前記第２の平面との間に配置されている、請求項５に記載の光学系。
9. 前記第３の４分の１波長板は、前記屈折平凸レンズの前記凸状ビームスプリッタ面に積層されている、請求項８に記載の光学系。
10. ユーザの第１の目に提示するために、第１の画像を生成する第１のディスプレイと、
    前記第１の目に提供するために、前記第１の画像を示す光を外部の源から受光した光と合成するように構成されている第１の光学系とを備え、前記第１の光学系は、
    前記第１のディスプレイから受光した光を第１の円偏光に変換するように構成されている第１のフィルタスタックと、
    前記外部の源から受光した光を第２の円偏光に変換するように構成されている第２のフィルタスタックと、
    前記第１の円偏光を有する光を反射し、前記第２の円偏光を有する光を透過させるように構成されている第３のフィルタスタックと、
    前記第２のフィルタスタックから受光した光を前記第３のフィルタスタックに透過させるように構成されている第１の屈折ビームスプリッタレンズとを備え、前記第２のフィルタスタックは、前記第１のフィルタスタックから受光した光を前記第１の屈折ビームスプリッタレンズへ反射させるように配向されている、光学系。
11. 前記第１のフィルタスタックは、
    光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子と、
    前記光を前記第１の直線偏光から前記第１の円偏光に変換する第１の４分の１波長板とを含む、請求項１０に記載の光学系。
12. 前記第２のフィルタスタックは、
    前記第１の円偏光を前記第１の直線偏光に変換する第２の４分の１波長板と、
    前記第１の直線偏光を有する光を反射し、第２の直線偏光を有する光を透過させる第１の偏光依存ビームスプリッタとを含む、請求項１０または請求項１１に記載の光学系。
13. 前記第３のフィルタスタックは、
    第３の４分の１波長板と、
    前記第１の直線偏光を有する光を反射し、前記第２の直線偏光を有する光を透過させる第２の偏光依存ビームスプリッタとを含む、請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の光学系。
14. 前記屈折ビームスプリッタレンズは、
    第１の平面と反対側の凸状ビームスプリッタ面を有する屈折平凸レンズと、
    第２の平面と反対側の凹面を有する屈折平凹レンズとを含む、請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の光学系。
15. 前記屈折平凸レンズの前記凸状ビームスプリッタ面の第１の曲率は、前記屈折平凹レンズの前記凹面の第２の曲率に相補的である、請求項１４に記載の光学系。
16. 前記第３の４分の１波長板は、前記第２の平面に積層されている、請求項１４または請求項１５に記載の光学系。
17. 前記第２のフィルタスタックは、前記屈折平凸レンズの前記第１の平面と前記屈折平凹レンズの前記第２の平面との間に配置されている、請求項１４に記載の光学系。
18. 前記第３の４分の１波長板は、前記屈折平凸レンズの前記凸状ビームスプリッタ面に積層されている、請求項１７に記載の光学系。
19. 前記ユーザの第２の目に提示するために、第２の画像を生成する第２のディスプレイと、
    前記第２の目に提供するために、前記第２の画像を示す光を前記外部の源から受光した光と合成するように構成されている第２の光学系とをさらに備え、前記第２の光学系は、
    前記第２のディスプレイから受光した光を前記第１の円偏光に変換するように構成されている第４のフィルタスタックと、
    前記外部の源から受光した光を前記第２の円偏光に変換するように構成されている第５のフィルタスタックと、
    前記第１の円偏光を有する光を反射し、前記第２の円偏光を有する光を透過させるように構成されている第６のフィルタスタックと、
    前記第５のフィルタスタックから受光した光を前記第６のフィルタスタックに透過させるように構成されている第２の屈折ビームスプリッタレンズとを備え、前記第５のフィルタスタックは、前記第４のフィルタスタックから受光した光を前記第２の屈折ビームスプリッタレンズへ反射させるように配向されている、請求項１０に記載の装置。
20. 前記第１の目は前記ユーザの左目であり、前記第２の目は前記ユーザの右目であり、前記第１の画像および前記第２の画像は立体画像である、請求項１９に記載の装置。
21. 前記ユーザの第２の目に提示するために、第２の画像を生成する第２のディスプレイと、
    前記第２の目に提供するために、前記第２の画像を示す光を前記外部の源から受光した光と合成するように構成されている第２の光学系とをさらに備え、前記第２の光学系は、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光学系を含む、請求項１０から請求項１８のいずれか一項に記載の装置。
22. 第１のフィルタスタックにおいて、ディスプレイから受光した光を第１の円偏光に変換することと、
    第２のフィルタスタックにおいて、前記第１の円偏光を有する光を屈折ビームスプリッタレンズへ反射させることと、
    前記屈折ビームスプリッタレンズにおいて、前記第１の円偏光の前記光を屈折させて、前記光を第３のフィルタスタックに提供することと、
    前記第３のフィルタスタックにおいて、前記第１の円偏光を有する光を前記屈折ビームスプリッタレンズへ反射させることと、
    反射された前記光が第２の円偏光を有するように、前記第１の円偏光を有する光を前記屈折ビームスプリッタレンズの凸面で反射させることと、
    前記第３のフィルタスタックを通じて、前記第２の円偏光を有する光と、外部の源から前記第２のフィルタスタックにおいて受光した前記第２の偏光を有する光とを透過させることとを備える、方法。
23. 前記光を屈折させることは、前記屈折ビームスプリッタレンズにおいて前記光を反射させることを含み、前記屈折ビームスプリッタレンズは、
    第１の平面と反対側の凸状ビームスプリッタ面を有する屈折平凸レンズと、
    第２の平面と反対側の凹面を有する屈折平凹レンズとを含む、請求項２２に記載の方法。

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