JP3587454B2 - 表示装置用光学系ヘッドマウント仮想画像表示ユニットおよび携帯用コンピュータ・システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にはコンパクトな光学系に関し、より詳細には、たとえばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ・システム、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置表示装置で使用するコンパクトな光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】
仮想画像表示装置は、拡大光学装置を小型の画像パネルと組み合わせて、見る人に大量の情報を表示することができる仮想画像を表示する。このような表示装置は、いわゆるヘッドマウント表示装置に応用され、様々な用途のコンピュータ・ベースの装置と共に使用されている。周知のように、コンピュータ・ベースの装置には、光学系と画像パネルを介して表示される画像信号を発生する処理/表示ドライバ回路が含まれている。
【0003】
しかし、このような従来の仮想画像表示装置には、多くの欠点があることが知られている。たとえば、このような表示装置は、重過ぎて快適には使用できず、大き過ぎて邪魔になり、集中できず、見当識を失わせることさえある。これらの欠点は、主として、マウンティング構造体に比較的大型の光学系が内蔵されていることと、大きさ、形状、重量などの重要なヒューマン・ファクタが十分に考慮されていない物理設計による。
【0004】
従来のヘッドマウント仮想表示ユニットの例を、図1および図2に示す。図1には、眼鏡のようにユーザの頭部と顔に掛けるヘッドマウント仮想表示ユニット10が示されている。ユーザは、表示部分12を介して仮想画像を見る。ノーズ・ブリッジ14と側面支持部16が、ユーザの頭部と顔に装着したときに表示装置を支持する機能を果たす。このユニット10は、コネクタ18を介してコンピュータに接続することができる。このようなユニットは、かさばって扱いにくく、装着者は表示画面以外には実質的に何も見ることができないことが知られている。すなわち、ユーザは眼前の周囲状況を見ることができない。このようなヘッドマウント仮想表示装置は、国際特許出願第WO95/11473号で開示されている。
【0005】
図2に、ヘッドマウント単眼仮想表示ユニット20を示す。指示構造体12がユーザの頭の上に配置され、表示部14がユーザの視界に下りる。この設計も、かさばって扱いにくく、ユーザの周囲の視界を妨げることが知られている。このようなヘッドマウント単眼仮想表示装置も、国際特許出願第WO95/11473号で開示されている。
【0006】
従来のコンパクト表示システムおよびヘッドマウント表示装置の他の例が、米国特許第5771124号、第5757339号、および第5844656号で開示されている。さらに、ソニー・コーポレーションも、「グラストロン」と呼ばれるヘッドマウント仮想表示装置を製作していることが知られている。
【0007】
しかし、これらの例はすべて、上記のような1つまたは複数の設計上の欠点がある。その結果、このような欠点がこの種の装置の普及の大きな妨げになっている。
【0008】
従来技術に改良を加えたコンパクトな光学系が、米国特許出願第09/437972号および第09/437793号に記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
それにもかかわらず、上記の欠点および上記で明記しなかった従来技術のその他の欠点を大幅に軽減または完全に解消し、または上記の米国特許出願第09/437972号および第09/437793号に記載のコンパクト光学系設計に改良を加え、あるいはその両方を実現する、表示装置、たとえば、ウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置で使用するコンパクトな光学系が必要である。
【0010】
本発明の1つの目的は、たとえば法外な大きさと重量、視界の遮りなど、従来の設計の欠点を解消する、たとえばヘッドマウント仮想画像表示装置などの表示装置で使用する光学系設計を提供することである。このような新規な設計により、たとえば、より使い勝手がよく、広範囲なユーザに受け入れられるウエアラブル・コンピュータ・システムが可能になる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
超小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける本発明のコンパクト光学系の一実施形態によると、この光学系は、前記超小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記超小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記超小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、前記超小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、(a)前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、(b)前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面をほぼ通過し、(c)前記四分の一波長板を通過して円偏光され、(d)前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして90度回転した偏光方向で直線偏光され、(e)前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面でほぼ反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置されている。
【0012】
本発明によるヘッドマウント仮想画像表示ユニットの一実施形態によると、表示ユニットは大きさと重量がコンパクトであり、上記の光学系など、鮮明なシースルー機能を備えた高性能光学系が組み込まれている。シースルー機能が望ましくない場合のために、スライド式遮光機構を組み込むことができる。焦点調整機能を組み込んで、画像がたとえば約18インチ(46cm)から無限大までの距離で焦点を結ぶことができるようにすることが可能である。ユーザの頭に合うように適応化する調整可能ヘッドバンドを組み込むこともできる。可撓性ブーム構造を組み込んで、光学アセンブリの位置の微調整を容易にすることができる。スライダ/ボール・ジョイント機構も組み込んで、光学アセンブリの位置調整を容易にすることができる。ユーザによる音声入力を可能にするために、内蔵マイクロフォンを組み込むことができる。
【0013】
ヘッドマウント仮想画像表示ユニットは、眼鏡や保護眼鏡と共に快適に使用することができ、周囲環境の視界を遮ることなくユーザに有用な画像を提示できることを理解されたい。このユニットは、ユーザが格段に受け入れやすくなるように、好ましい外観を備えた設計となっている。
【0014】
また、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットをコンピュータ・ベースの装置と組み合わせることができることを理解されたい。コンピュータ・ベース装置は、ユーザが見る画像信号を発生する際に使用する電気信号を発生し、表示ユニットに付随する超小型表示装置に供給することができる。この組み合わせにより、携帯用コンピュータ・システムを構成することができるので有利である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットおよびウエアラブル・コンピュータの環境における本発明の光学系の設計について説明する。しかし、本発明はこの特定の表示用途または他のいかなる表示用途にも限定されないことを理解されたい。本発明は、より一般的に、画像表示のためにコンパクトな光学系を使用することが望ましいいかなる適合する表示用途にも適用可能であり、当該用途で使用される装置に組み込むことが可能である。このような装置としては、たとえばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置がある。
【0016】
まず図3および図4を参照すると、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニット10およびコンピュータ・ベース装置20が図示されている。コンピュータ・ベース装置20とヘッドマウント仮想表示ユニット10とを電気的に結合するケーブル30を備える。図3および図4は、同じヘッドマウント仮想画像表示ユニット10を相反する方向から見た図である。コンピュータ・ベース装置20は、たとえばポケット・サイズなどの小型のフォーム・ファクタを有し、軽量であることが好ましいことを理解されたい。また、コンピュータ・ベース装置20は、ユーザのベルトまたはポケットに装着するためのクリップも有することが好ましい。このようなコンピュータ・ベース装置を、「ウエアラブル・コンピュータ」と呼ぶ。ウエアラブル・コンピュータは、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、携帯型情報端末などで使用可能な、たとえばプロセッサ(たとえばCPU)、固定メモリ、取外し可能メモリ、ディスプレイ・ドライバ回路、外部ネットワーク(たとえばインターネット)接続装置、アプリケーション・ソフトウェアなどの、一般的な構成要素の全部またはほとんどを備えることができる。
【0017】
ヘッドマウント仮想表示ユニット10は、光学モジュール100と、可撓性ブーム200と、調整ポッド300と、イヤフォン400と、ヘッドバンド500とを含む。本発明の好ましい実施形態によると、光学モジュール100は、光学系と焦点機構とスライド式遮光機構と内蔵マイクロフォンを含む。可撓性ブーム200は、ユーザの眼前にある光学モジュール100の位置の微調節を可能にする。たとえば、金属またはプラスチック製の螺旋巻き曲管を、可撓性ブームとして使用することができる。このような管は公知であり、市販されている。調整ポッド300は、ブームの位置および角度を制御する組合せのスライディングおよびボールのジョイント機構を含むことが好ましい。以下に、本実施形態について図3に関して詳述する。当然ながら、光学モジュールの位置調節を行うために他の機構を採用してもよい。イヤフォン400は、接続ワイヤを使用してポッド300に取り付けられている様子が図示されている。別法として、イヤフォン400はその出力部をユーザの耳に向けてポッド300に取り付けることもでき、ポッド300からのスィング・ダウン・レバー上に取り付けることもできる。ヘッドバンド500は、調整タブ502およびヘッド・グリップ504が付いている様子が図示されている。ヘッドバンドは通常、後頭部に装着されるが、他の配置構成も可能である。たとえば、バンドを頭頂部に掛けることもでき、あるいは、ポッド300をヘルメット(図示せず)に取り付けることもできる。
【0018】
可撓性ブーム200と調整ポッド300によって、ユーザは使用中に光学モジュール100を右目の視界内や視界外に移動することができることを理解されたい。当然ながら、ユニット10は、光学モジュール100を装着者の左目で見るように構成することも可能である。その場合、ユニット10は左目で使用するように逆転させることができる。また、ユニット10は2つの別々の表示部、すなわち、右目用に1つと左目用に1つの表示部を含むように構成することもできる。当業者ならその他の構成も見出すであろう。
【0019】
このように、表示ユニット10とコンピュータ・ベース装置20との組み合わせによって、ユーザは、たとえばアプリケーション・ソフトウェア、ウェブ・ブラウザなどから、装置20に応じて生成された仮想データを見ることができる。仮想情報は、ケーブル30を介して表示装置に送られる。ユーザは、装置20に応じて生成された音声データをイヤフォン400によって聴くことができる。光学モジュール100内の(図11に示す)マイクロフォンによって、ユーザはコンピュータに音声コマンドを入力することができる。
【0020】
したがって、図3および図4には、ポケット・サイズのウエアラブル・コンピュータと共に使用するコンパクトな光学系を備えた軽量ヘッドマウント表示ユニットを含む軽量のウエアラブル・コンピュータ・システムが図示されている。光学系は、図示されているような軽量のブームまたはバンド構造を使用してユーザの頭部に装着されるため、総重量約60グラム以下のヘッドマウント表示装置を実現することができる。
【0021】
図5に、ユーザが装着する本発明によるヘッドマウント仮想表示ユニット10を図示する。図のように、光学モジュール100は、ユーザの右目または左目の視界に移動させることができるので有利である。光学モジュール100は、目障りにならないように小型であり、光学系を介して外界を歪みなしに見ることができる。表示装置をオンにすると、表示装置を周囲を背景にして明瞭に見ることができる十分な照明が得られる。
【0022】
次に、光学モジュール100において使用する本発明による好ましい光学系について説明する。しかし、本発明の光学系の設計は、図3および図4に示すウエアラブル・コンピュータ・システム以外の装置に従って使用することもできることを理解されたい。コンパクトなフォーム・ファクタと高品質の光学画像の表示能力を備えるため、本発明の光学系はきわめて多くの用途に適合する。当業者なら、本発明の光学系と共に使用することができる様々な実施態様および応用分野がわかるであろう。
【0023】
さらに、以下の実施態様に関して詳述するように、本発明の光学系は、「自由形態」の光学構成要素ではなく「軸上」の光学構成要素である折り返し光路を有する光学構成要素を備える。このようにしたため、光学系は、本明細書に記載の利点および特徴を備えると共に、当業者なら本明細書に記載の本発明の教示があればわかるその他の利点および特徴を備えることができる。本明細書では、「軸上」および「自由形態」という用語は以下のような意味を持つことを理解されたい。典型的な球面レンズを、レンズに対して垂直にレンズの中心を通って通過する光線によって、光軸が規定される。光線束は、この軸を中心にしてレンズ群を通過し、レンズによってうまく結像させることができる。光学系の例としては、カメラ、顕微鏡、双眼鏡などがある。より複雑な光学系では、光線束はレンズを基準にして傾斜した線を中心に集束することもできる。これが「軸外」結像となる。典型的な球面レンズは光軸を中心にして対称であることに留意されたい。他の光学系は、半径方向に対称ではなく、上記で定義したような明瞭な光軸を持たないが、それにもかかわらず結像機能を果たすことができる。本明細書では、これらを「自由形態」光学構成要素と呼ぶ。
【0024】
次に図6を参照すると、本発明の一実施形態による仮想表示光学系が図示されている。前述のように、この光学系は光学モジュール100で使用される光学系であることが好ましい。典型的には赤色、緑色、および青色発光ダイオード(LED)の集合である光源1000からの光によって、超小型表示装置1100が照明される。本実施形態では、超小型表示装置は、透過型の超小型表示装置である。本発明により使用可能な透過型超小型表示装置は、たとえば米国マサチューセッツ州ターントンのKopin社から販売されている。透過型超小型表示装置は、光源が超小型標示装置の内部にある発光型超小型表示装置に置き換えることができることを理解されたい。本明細書により使用可能な発光型超小型表示装置は、たとえば米国オレゴン州ビーバートンのPlaner社から販売されている。また、超小型表示装置は、反射型超小型表示装置とすることもできる。本発明により使用可能な反射型超小型表示装置は、たとえば米国コロラド州ボールダーのColorado Microdisplay社から販売されている。
【0025】
いずれの場合も、周知のように、超小型表示装置は、表示装置に加えられた電気信号に応答して画像を生成する。電気信号は、たとえば、コンピュータ・ベース装置20(図3および図4)から超小型表示装置に供給することができる。この画像を、視野レンズ1200、発散レンズ1300、ビーム・スプリット・プリズム1400、四分の一波長板1600、反射レンズ1500を使用して見る。周知のように、1つまたは複数の凸面形の外面を持つ収斂レンズに対して、発散レンズは凹面形の1つまたは複数の外面を持つ。表示装置からの光は直線偏光され、レンズ1200および1300を通過してプリズム1400に入射する。光は、光がおおむねプリズム1400の偏光面1410を透過するように偏光される。次に、光は四分の一波長板1600を通過し、円偏光される。反射レンズ1500は、その曲面が(たとえば金属または誘電体反射材料で)反射コーティングされ、光を四分の一波長板1600に向けて反射する。光はもう一度四分の一波長板1600を通過すると、再び直線偏光されるが、その偏光方向は今度は90度回転されている。光はプリズム1400に再入射し、今度は偏光面1410によっておおむね反射される。光はプリズム1400から出て、光学系の射出瞳1700に進入する。光学系の射出瞳1700は、超小型表示装置1100の仮想画像を見るために、ユーザの目が通常位置する位置である。
【0026】
この設計の特徴は、光学系を通して外界を見る際に目に歪んだ光景が見えないことである。これは、プリズム1400の入射面1420と射出面1430がこの目的のためにほぼ同じ形状になるように設計されている、本発明の設計上の特徴によって実現される。
【0027】
また、この光学系の特徴は、超小型表示装置1100からの光が射出瞳1700において仮想画像を形成することと、画像が高品質で実質的に収差がないことである。すなわち、仮想画像は、本質的に非点収差がなく、本質的に横歪みがなく、本質的に横色収差(lateral color aberration)がない。
【0028】
この高性能は、視野レンズ1200と発散レンズ1300とプリズム1400と四分の一波長板1600と反射レンズ1500とを図のような配置で組み合わせたことと、これらの要素の材料の適切な選択とによって実現される。具体的には、発散レンズ1300の材料は、視野レンズ1200と反射レンズ1500と共に横色収差を本質的になくすように選定する。これらのレンズに付随する好ましい設計パラメータと、光学モジュールのその他の要素は、図10に関連して後述する。
【0029】
図7ないし図9に、図6に示す光学構成要素の光学系性能の3つの各グラフを示す。図7は、非点収差と視野位置との関係を示すグラフである。イメージ・フィールドは0.016ミリメートル(mm)以内で平坦であることと、サジタル(sagital)方向とタンジェンシャル(tangential)方向との間の収差が0.005mm未満であることがわかる。これは、画像が本質的に完全に平坦であり、本質的に収差がないことを意味する。図8は、ひずみと視野位置との関係を示すグラフである。このグラフから、この光学系は視野の両端間の歪みが0.2パーセント未満であることがわかる。当業者にとって、これは画像が本質的にひずみがないことを意味する。図9は、横色と視野位置との関係を示すグラフである。最大視野位置において、赤色と緑色と青色との間の位置の差が0.003mm未満であることがわかる。好ましい実施形態の超小型表示装置のピクセル・ピッチは約0.012mmである。したがって、この光学系は本質的に横色ひずみがない。
【0030】
図10に、本発明の好ましい実施形態による光学系の設計パラメータの表を示す。この表には、光学系における各光学要素の面番号(A列)、面半径または曲率(B列)、面の中央厚さ(C列)、面のアパーチャ半径(D列)、および材料(E列)が示されている。この表で、SRFは「面」を指し、OBJは「物体位置」、BK7およびSF1は業界標準ガラスのタイプである。また、要素間の間隔も示されている。表に(A列の面番号で)示す各面は、図6に示す光学系の構成要素(たとえばビーム・スプリット・プリズム、視野レンズなど)の面であることを理解されたい。図6の各構成要素と各面との対応は、図10の左側に、ブラケットと図6の構成要素の対応する参照番号とで示されている。この設計データによって、当業者なら光学系の前記性能を実現し、検証することができるであろう。
【0031】
図11を参照すると、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置の内蔵焦点機構と、内蔵マイクロフォンの配置が図示されている。前述のように、これらの構成要素は、図3および図4に示す光学モジュール100に内蔵されている。図11は、光学モジュール100の外部ケーシング(筐体)を取り外して焦点機構とマイクロフォンを図示していることを理解されたい。内蔵焦点機構については、コンパクトなキャリッジ機構によって、約18インチ(46cm)から無限大までの距離に仮想画像を結ぶように、図6に示す視野レンズ1200、超小型表示装置1100、およびLEDバックライト1000を移動させる。視野レンズ1200、超小型表示装置1100、およびバックライト1000は、可動キャリッジ2200に取り付けられている。キャリッジ2200は、ねじ2500とノブ2600を使用して光軸に沿って移動される。他の従来の移動アクチュエータ機構も使用することができる。キャリッジ2200をビーム・スプリット・プリズム1400を基準にして±1mm移動させれば、所期の範囲にわたって画像焦点を調整するのに十分である。(モジュール筐体のエンドキャップの下にあり、したがって図11では見えない)発散レンズ1300、ビーム・スプリット・プリズム1400、四分の一波長板1600、および反射レンズ1500は、光学モジュールの筐体内部に固定されたままであることを理解されたい。
【0032】
また、図11にはコンパクト・マイクロフォン2700の配置も図示されている。マイクロフォンは、指向性タイプとすることができる。マイクロフォンは、ユーザの顔面に向けられ、ユーザの声をピックアップするように周囲環境から離れている。マイクロフォンの配線と光学系の配線は、可撓性ブーム200を通して行われることを理解されたい。前述のように、光学モジュール内の構成要素と、イヤフォン400は、ケーブル30を介してコンピュータ・ベース装置20に結合することができる(図3および図4)。
【0033】
図12および図13に、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想画像表示装置上の、それぞれ開位置と閉位置にあるスライド式遮光機構を示す。具体的には、図12および図13には、光学モジュールの筐体に組み込まれた遮光機構を有する光学モジュール100の詳細図が示されている。図12には、開位置(光を通す位置)にある遮光機構3200が示されている。したがって、光学モジュール100を通して画像を見るユーザは、光学モジュール100の背後から発する光を見ることができる。図のように、図12では遮光機構3200が開位置にある状態で、ビーム・スプリット・プリズム1400が見える。図13では、遮光機構3200が閉位置にあり、したがって背景光が完全にまたはほぼ遮られる。遮光機構3200は、背景光を低減またはなくすことが望ましい場合、ユーザが矢印Aで示す方向にスライドさせることができる。この外部光調節遮光機構は、仮想表示システムに応じて実施される用途の要求に合わせて、不透明、部分不透明、着色、または偏光とすることができることを理解されたい。
【0034】
図14に、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド/ブーム調整機構を示す。具体的には、図14には、ポッド/ブーム調整機構の詳細が図示されている。図のように、調整ポッド300は、中に溝4110がある支持体部4100を含む。溝4110内には、方向矢印4400で示すように溝の長さ全長にわたって前後にスライドすることができるスライダ機構4200がはめ合わされている。小さい円形のくぼみ302(図4に見える)が、スライダ機構の内側にある1つまたは複数の対応する凸部(図示せず)と対合して、スライダ機構、したがって光学モジュール100を、所望の位置に保持することができる。
【0035】
さらに、ポッド・アセンブリは、スライダ機構4200と旋回可能にはめ合うボール・ジョイント4300を含む。旋回ボール・ジョイント4300は、ポッド・アセンブリ、したがって光学モジュール100が、方向矢印4500および4600で示すように回転することができるようにする。可撓性ブーム200も、光学モジュールが矢印4400、4500、および4600で示すいずれの方向にも動けるようにする。スライダ機構、ボール・ジョイント機構、および可撓性ブームを組み込むことにより、ユーザは光モジュール100を、自分の目を基準にして所望の特定の距離や位置になるように最適な仕方で調整することができる。
【0036】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【0037】
(1)小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付けるコンパクトな光学系であって、
前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、
前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、
前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、
前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、
前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、(a)前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、(b)前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、(c)前記四分の一波長板を通過して円偏光され、(d)前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして90度回転した偏光方向で直線偏光され、(e)前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された、光学系。
(2)前記ユーザが見るように方向付けられる前記画像信号に横色収差(lateral color aberration)がない、上記(1)に記載の光学系。
(3)前記反射レンズの面が反射コーティングを含む、上記(1)に記載の光学系。
(4)前記反射コーティングが反射金属コーティングと反射誘電体コーティングとのうちのいずれか1つである、上記(3)に記載の光学系。
(5)前記小型表示装置が、発光型小型表示装置と透過型小型表示装置と反射型小型表示装置とのうちのいずれか1つである、上記(1)に記載の光学系。
(6)前記システムが仮想画像表示ユニットに組み込まれた、上記(1)に記載の光学系。
(7)前記仮想画像表示ユニットがヘッドマウント式である、上記(6)に記載の光学系。
(8)小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に保持する光学系マウンティング構造とを含み、
前記光学系が、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、(a)前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、(b)前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、(c)前記四分の一波長板を通過して円偏光され、(d)前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして90度回転した偏光方向で直線偏光され、(e)前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(9)前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させることができるように構成された、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(10)前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の調整を可能にする焦点機構をさらに含む、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(11)前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズとが、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レンズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズとを支持する、上記(10)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(12)前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合され前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移動アクチュエータをさらに含む、上記(11)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(13)前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成を含む、上記(12)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(14)遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置された、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(15)前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、上記(14)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(16)前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記(15)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(17)前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、上記(14)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(18)前記画像信号を見る前記ユーザによって発せられた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(19)前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれた、上記(18)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(20)前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド式に移動させるスライダ機構を含む、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(21)前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構を含む、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(22)前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された、上記(8)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(23)(a)小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、(a)前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、(b)前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、(c)前記四分の一波長板を通過して円偏光され、(d)前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして90度回転した偏光方向で直線偏光され、(e)前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された光学系と、
前記光学系と小型表示装置とを前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットと、
(b)前記ヘッドマウント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・システム。
(24)小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造と、
少なくとも前記光学系を実質的に収容する筐体と、
前記筐体と一体となり、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮られるように前記光学系を基準にして配置された遮光機構とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(25)前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記(24)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(26)前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、上記(24)に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
(27)小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造であって、前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザ目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された可撓性ブーム・アセンブリを含む光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の眼鏡型ヘッドマウント仮想表示装置を示す図である。
【図2】従来の単眼型ヘッドマウント仮想表示装置を示す図である。
【図3】本発明の一実施形態による、ヘッドマウント仮想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第1の図である。
【図4】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第2の図である。
【図5】ユーザが装着することができる本発明によるヘッドマウント仮想表示ユニットを示す図である。
【図6】本発明の一実施形態による仮想表示光学系を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態による光学系の性能を非点収差について示すグラフである。
【図8】本発明の一実施形態による光学系の性能を歪みについて示すグラフである。
【図9】本発明の一実施形態による光学系の性能を横色について示すグラフである。
【図10】本発明の一実施形態による光学系の成形パラメータを示す表である。
【図11】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置における内蔵焦点機構とマイクロフォンの配置を示す図である。
【図12】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上の、開位置にあるスライド式遮光機構を示す図である。
【図13】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上の、閉位置にあるスライド式遮光機構を示す図である。
【図14】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド/ブーム調整機構を示す図である。
【符号の説明】
10 ヘッドマウント仮想表示ユニット
20 コンピュータ・ベース装置
100 光学モジュール
200 可撓性ブーム
300 調整ポッド
400 イヤフォン
500 ヘッドバンド
1000 光源
1100 超小型表示装置
1200 視野レンズ
1300 発散レンズ
1400 ビーム・スプリット・プリズム
1500 反射レンズ1500
1600 四分の一波長板
1700 射出瞳
3200 遮光機構
4100 ポッド支持体
4110 溝
4300 ボール・ジョイント
Claims (19)
- 小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を、前記ユーザの目の視野内に保持する光学系マウンティング構造とを含み、
前記光学系が、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、(a)前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、(b)前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、(c)前記四分の一波長板を通過して円偏光され、(d)前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして90度回転した偏光方向で直線偏光され、(e)前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置されており、
前記発散レンズ、視野レンズ、及び反射レンズは、横色収差をなくすように選定されており、
前記マウンティング構造は、前記光学系を前記ユーザの目の長手方向と略平行な方向に支持する、
ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させることができるように構成された、請求項1に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の調整を可能にする焦点機構をさらに含む、請求項1または2に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズとが、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レンズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズとを支持する、請求項3に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合され前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移動アクチュエータをさらに含む、請求項4に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成を含む、請求項5に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記可動キャリッジを±1mm光軸方向に移動させることによって、画像焦点を調整できるように構成されている、請求項4〜6のいずれか1項記載のヘッドマウント仮想画像表 示ユニット。
- 遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置された、請求項1〜7のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、請求項8に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、請求項9に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記遮光機構が不透明遮光機構、部分不透明遮光機構、着色遮光機構、又は、偏光遮光機構のうちのいずれかである、請求項10に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記画像信号を見る前記ユーザによって発せられた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれている、請求項12に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド式に移動させるスライダ機構を含む、請求項1〜13のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構を含む、請求項14の記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された、請求項1〜15のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記小型表示装置が、発光型小型表示装置、透過型小型表示装置、又は反射型小型表示装置のいずれか1つである、請求項1〜16のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 前記横色収差が、最大視野位置において、前記超小型表示装置のピクセル・ピッチ未満である、請求項1〜17のいずれか1項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
- 請求項1〜18のいずれか1項記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・システム。
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