JP6348953B2 - 自由空間反射光学表面を生成する方法及びシステム - Google Patents
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本出願は、2011年8月17日に出願された米国出願第13/211,389号及び米国仮出願第61/405,440号(2010年10月21日に出願されたHEAD−MOUNTED DISPLAYと題する)、米国仮出願第61/417,325号(2010年11月26日に出願されCURVED−STACKED FRESNEL ARCHITECTUREと題する)、米国仮出願第61/417,326号(2010年11月26日に出願されたCURVED−BEAM SPLITTER ARCHITECTUREと題する)、米国仮出願第61/417,327号(2010年11月26日に出願されたCOMBINED ARCHITECHURE OF FRESNEL LENSE AND FLAT BEAM SPLITTERと題する)、米国仮出願第61/417,328号(2010年11月26日に出願されCOMBINED ARCHITECTURE OF FRESNEL LENSE AND CURVED BEAM SPLITTERと題する)、及び米国仮出願第61/427,530号(2010年12月28日に出願されたCURVED MIRROR FOR HEAD MOUNTED DISPLAYと題する)に対する優先権を主張し、その開示内容全体は参考として本明細書で援用される。
本開示は、頭取付けディスプレイでの使用のための自由空間反射光学表面を作成する(即ち、設計する又は設計し且つ製造する)方法及びシステムに関する。より具体的には、本開示は、ユーザの目に近接保持された発光ディスプレイデバイスからの画像の表示のために自由空間光学表面を作成するための方法及びシステムに関する。
ヘルメット取付けディスプレイやメガネ取付けディスプレイのような頭取付けディスプレイ(ここでは、“HMD”と略す)は、ユーザの片目、より一般的には、両目近くに位置する一つ以上の小さなディスプレイデバイスを有する個人の頭に装着されるディスプレイデバイスである。図1は、ディスプレイ11、反射光学表面13、及び回転中心17を有する目15を含む一タイプのHMDの基本要素を示す。この図に示すように、ディスプレイ11からの光19は、表面13によって反射され、ユーザの目15に入射する。
定義
(1)フレーズ“反射光学表面”(ここでは、“反射表面”とも呼ばれる)は、反射性のみを備える表面並びに反射性と透過性の両方を備える表面を含む。いずれの場合においても、反射性は部分的でよく、即ち、入射光の一部がその表面を通して透過され得る。同様に、その表面が反射性と透過性の両方を備える場合、反射性及び/又は透過性は部分的であってもよい。
(2)フレーズ“視野”及びその略記FOVは、オブジェクト(即ち、ディスプレイ)空間における“実”視野とは対照的な画像(目)空間における“見掛けの”視野を指す。
(a)複数のディスプレイオブジェクト(25)によってディスプレイ表面(11)を表すステップと、
(b)複数の表面要素(23)によって自由空間反射光学表面(13)を表すステップであって、各表面要素(23)が(i)ディスプレイ表面(11)に対する空間ロケーション、名目上のユーザの目(15)及び仮想画像の事前に選択された空間ロケーション、(ii)法線、及び(iii)曲率半径によって特徴付けられるステップと、
(c)各ディスプレイオブジェクト(25)を、頭取付けディスプレイの使用中に、前記事前選択された空間ロケーションにおけるディスプレイオブジェクト(25)の仮想画像が名目上のユーザの目(15)へ表示される方向で、少なくとも一つの表面要素(23)と関連付けるステップであって、各表面要素(23)が一つ且つ一つのみのディスプレイオブジェクト(25)に関連付けられるステップと、
(d)各表面要素(23)に対して、
(i)前記表面要素の初期の空間ロケーションを定義し、
(ii)前記表面要素の初期空間ロケーション、前記表面要素が関連付けられるディスプレイオブジェクト(25)のロケーション、及び名目上のユーザの目(15)の回転中心のロケーションを使用して、前記表面要素から反射するディスプレイオブジェクト(25)からの光が前記回転中心(17)を通過するように、前記表面要素の法線の初期方向を計算し、
(iii)ディスプレイオブジェクト(25)の仮想画像が事前選択された空間ロケーションにあるように前記表面要素の初期の曲率半径を計算するステップと、
(e)誤差関数が所定の基準を満足するまで前記要素の空間ロケーションを反復して調節することによって、各表面要素(23)に対して、前記表面要素の最終空間ロケーション、前記表面要素の法線の最終方向、及び前記表面要素に対する最終曲率半径、並びに一セットの周辺要素を計算するステップと、
を実行することを含む。
(a)複数のディスプレイオブジェクト(25)によってディスプレイ表面(11)を表すステップと、
(b)複数の表面要素(23)によって自由空間反射光学表面(13)を表すステップと、
(c)複数の表面要素(23)の各々に対して少なくとも一つの空間ロケーションと少なくとも一つの法線を反復して計算して、各ディスプレイオブジェクト(25)の仮想画像を名目上のユーザの目(15)にそのディスプレイオブジェクトに対する目(15)の凝視の望ましい方向で表示させるステップと、
を実行することを含む。
式(1)
式(2)
式(3)
P=凹面反射器のパワー[D]
W=仮想画像までの望ましい距離[m]
l=オブジェクトまでの距離[m]、この場合、そのオブジェクトはディスプレイオブジェクトである
SP=l=図1のライン区分Pによって示されるディスプレイからの距離[m](なお、ミラーによる光路の光学的変換と反射に因りSPは負である)
SR=図1におけるライン区分Rによって示される反射器から目までの距離[m]
l’=反射器の表面から画像21、この場合は仮想画像である、までの距離[m]
である。
式(4)
式(5)
式(6)
式(7)
式(8)
fl:=35mm
fl=0.035m
半径:=2fl=0.07m
P:=f/fl=28.571m−1
W:=50m 仮想画像までの望ましい距離
sr:=30mm 目から反射器までの距離
elp:=W−sr=49.97m
Lp:=−1/elp=−0.0200120072m−1
L:=Lp−P=−28.591m−1
el:=1/L=−0.035m (なお、el=sp)
el:=−34.976mm
m:=L/Lp=1.42871429×103
式(9)
式(10)
式(11)
式(12)
式(13)
式(14)
式(15)
式(16)
式(17)
式(18)
式(19)
式(20)
式(21)
Claims (19)
- 頭取付けディスプレイで使用される自由空間反射光学表面を設計するためのコンピュータベースの方法であって、該方法は、一つ以上のコンピュータを使用して、
(a)複数のディスプレイオブジェクトによってディスプレイ表面を、該一つ以上のコンピュータによって表すステップと、
(b)複数の表面要素によって、特定の基板又は平面に縛られず、該自由空間反射光学表面を、該一つ以上のコンピュータによって表すステップであって、各表面要素が(i)該ディスプレイ表面に対する空間ロケーション、ユーザの目の所定のロケーション及び該複数のディスプレイオブジェクトの1つの仮想画像の事前に選択された空間ロケーション、(ii)法線、及び(iii)曲率半径によって特徴付けられるステップと、
(c)該一つ以上のコンピュータによって、各ディスプレイオブジェクトを、該事前選択された空間ロケーションにおける該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該ユーザの目へ表示される方向で、少なくとも一つの表面要素と関連付けるステップであって、各表面要素が単一のディスプレイオブジェクトに関連付けられるステップと、
(d)各表面要素に対して、
(i)該表面要素の初期の空間ロケーションを定義し、
(ii)該表面要素の初期空間ロケーション、該表面要素が関連付けられる該ディスプレイオブジェクトのロケーション、及び該ユーザの目の回転中心のロケーションを使用して、該表面要素で反射する該ディスプレイオブジェクトからの光が前記回転中心を通過するように、該表面要素の法線の初期方向を、該一つ以上のコンピュータによって計算し、
(iii)該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該事前選択された空間ロケーションにあるように該表面要素に対する初期の曲率半径を、該一つ以上のコンピュータによって計算するステップと、
(iv)誤差関数が所定の基準を満足するまで該表面要素の空間ロケーションを反復して調節することによって、該表面要素の最終空間ロケーション、該表面要素の法線の最終方向、及び該表面要素に対する最終曲率半径、並びに一セットの周辺表面要素を、該一つ以上のコンピュータによって計算するステップと、
(e)該複数の表面要素の該最終空間ロケーション、該法線の該最終方向、及び該最終曲率半径に基づいて平滑化自由空間反射光学表面を計算するステップと、
を実行することを含むことを特徴とする方法。 - ステップ(d)(iv)において、少なくとも第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、少なくとも部分的に、少なくとも一つの第2の表面要素の曲率半径と法線に基づき、該第1の表面要素は、該第2の表面要素の最近傍表面要素であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、半径が該第2の表面要素の曲率半径に等しく且つ中心が該第2の表面要素の法線に沿っている球形からの該要素の空間ロケーションの計算された偏差に基づくことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 該反復調節は、全体の計算された偏差未満であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 該第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、少なくとも部分的に、少なくとも一つの第2の表面要素の曲率半径と法線に基づく複数の第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節を包含し、該複数の第1の表面要素の各々は、該第2の表面要素の最近傍表面要素であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該複数の第1の表面要素は、該第2の表面要素の最近傍表面要素の全てを構成することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 該第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、半径が該第2の表面要素の曲率半径に等しく且つ中心が該第2の表面要素の法線に沿っている球形からの該要素の空間ロケーションの計算された偏差に基づくことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 該反復調節は、全体の計算された偏差未満であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 該誤差関数は、該計算された偏差に基づくことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 該誤差関数は、該計算された偏差の絶対値の合計に基づくことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 該所定の基準は、絶対値の合計に対する数値であることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 該複数の第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、該複数の第1の表面要素のうちの少なくとも一つの空間ロケーションの反復調節が重み付けなしの場合よりも大きい又は小さいように重み付けされることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 該第2の表面要素は、エッジ表面要素又はコーナー表面要素であり、且つ、少なくとも第1の表面要素の空間的ロケーションの反復調節は、その反復調節が重み付けなしの場合よりも大きいように重み付けされることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 該ユーザの目の回転中心から測定される場合、該複数の表面要素のうち少なくとも二つの表面要素間の角度が、100°以上であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該ユーザの目の回転中心から測定される場合、該複数の表面要素のうち少なくとも二つの表面要素間の角度が、150°以上であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該ユーザの目の回転中心から測定される場合、該複数の表面要素のうち少なくとも二つの表面要素間の角度が、200°以上であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 該自由空間反射光学表面を生成するステップを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 頭取付けディスプレイで使用される自由空間反射光学表面を設計するための少なくとも一つのプロセッサによって操作可能な非一時的なコンピュータ可読媒体に具現化されたコンピュータプログラム製品であって、該コンピュータプログラム製品は、該少なくとも一つのプロセッサが、
複数のディスプレイオブジェクトによってディスプレイ表面を表し、
複数の表面要素によって、特定の基板又は平面に縛られず、該自由空間反射光学表面を表し、各表面要素が(i)該ディスプレイ表面に対する空間ロケーション、ユーザの目の所定のロケーション及び該複数のディスプレイオブジェクトの1つの仮想画像の該事前に選択された空間ロケーション、(ii)法線、及び(iii)曲率半径によって特徴付けられ、
各ディスプレイオブジェクトを、該事前選択された空間ロケーションにおける該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該ユーザの目へ表示される方向で、少なくとも一つの表面要素と関連付け、各表面要素が単一のディスプレイオブジェクトに関連付けられ、
各表面要素に対して、
該表面要素の初期の空間ロケーションを定義し、
該表面要素の初期空間ロケーション、該表面要素が関連付けられる該ディスプレイオブジェクトのロケーション、及び該ユーザの目の回転中心のロケーションを使用して、該表面要素で反射する該ディスプレイオブジェクトからの光が前記回転中心を通過するように、該表面要素の法線の初期方向を計算し、
該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該事前選択された空間ロケーションにあるように該表面要素に対する初期の曲率半径を計算し、
誤差関数が所定の基準を満足するまで該表面要素の空間ロケーションを反復して調節することによって、該表面要素の最終空間ロケーション、該表面要素の法線の最終方向、及び該表面要素に対する最終曲率半径、並びに一セットの周辺表面要素を計算し、
該複数の表面要素の該最終空間ロケーション、該法線の該最終方向、及び該最終曲率半径に基づいて平滑化自由空間反射光学表面を計算する
ように構成する命令を備えるコンピュータプログラム製品。 - 頭取付けディスプレイで使用される自由空間反射光学表面を設計するためのシステムであって、
プロセッサと、
該プロセッサに連結されたメモリユニットであって、
前記メモリユニットは、
複数のディスプレイオブジェクトによってディスプレイ表面を表し、
複数の表面要素によって、特定の基板又は平面に縛られず、該自由空間反射光学表面を表し、各表面要素が(i)該ディスプレイ表面に対する空間ロケーション、ユーザの目の所定のロケーション及び該複数のディスプレイオブジェクトの1つの仮想画像の該事前に選択された空間ロケーション、(ii)法線、及び(iii)曲率半径によって特徴付けられ、
各ディスプレイオブジェクトを、該事前選択された空間ロケーションにおける該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該ユーザの目へ表示される方向で、少なくとも一つの表面要素と関連付け、各表面要素が単一ディスプレイ オブジェクトに関連付けられ、
各表面要素に対して、
該表面要素の初期の空間ロケーションを定義し、
該表面要素の初期空間ロケーション、該表面要素が関連付けられる該ディスプレイオブジェクトのロケーション、及び該ユーザの目の回転中心のロケーションを使用して、該表面要素で反射する該ディスプレイオブジェクトからの光が前記回転中心を通過するように、該表面要素の法線の初期方向を計算し、
該ディスプレイオブジェクトの該仮想画像が該事前選択された空間ロケーションにあるように該表面要素に対する初期の曲率半径を計算し、
誤差関数が所定の基準を満足するまで該表面要素の空間ロケーションを反復して調節することによって、該表面要素の最終空間ロケーション、該表面要素の法線の最終方向、及び該表面要素に対する最終曲率半径、並びに一セットの周辺表面要素を計算し、
該複数の表面要素の該最終空間ロケーション、該法線の該最終方向、及び該最終曲率半径に基づいて平滑化自由空間反射光学表面を計算する方法を実行するためのプログラミング命令を含むコンピュータプログラムを格納するメモリユニットと、
を備えるシステム。
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