JP6412916B2 - 非瞳孔形成光路を用いるヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

ヘッドマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ）は、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示して見るために用いる。ＨＭＤ装置は利用者の頭部に装着するように構成される。ＨＭＤ装置は、一般に（１）利用者の両目の１つの前に単一の小さな表示光学系を置いている（単眼用ＨＭＤ）、あるいは（２）単一の利用者による広範囲な視覚表示コンテンツを見るための２つの小さな表示用光学系を利用者の２つの眼（両眼用ＨＭＤ）の各々の前に置いている。利用者が３Ｄで視覚コンテンツを見られるという実現性を両眼用ＨＭＤは可能にする。今日の軍事、商用、消費者市場で目下見られるＨＭＤ装置は、一対のゴーグルあるいはメガネを装着する仕方で装着する主にゴーグル／メガネ型の装置であるか、あるいは利用者の頭部に装着するヘルメットに取り付けるヘルメット搭載装置である。さらに、今日の市場で目下見られるＨＭＤ装置は主に３つの異なる技術に頼っており、従って屈折式、回折式、レーザ書き込み式の３つの異なる範疇に分けられる。

目下市場で見られるＨＭＤの第１の範疇は、屈折式ＨＭＤである。視覚ディスプレイソースから利用者の眼まで視覚コンテンツの投影像を伝達するために、屈折式ＨＭＤは屈折の光学原理を用いる。利用者の眼に対して究極のコヒーレントで多くの場合に拡大された映像を生成するために、光伝達媒体、一般にアクリルなどの透明なプラスチックを通して表示ソースからの視覚コンテンツの投影像を伝達することによって屈折式ＨＭＤは動作する。光伝達媒体は、基本的にはレンズあるいは一連のレンズであり、それらは光波が伝達媒体に入射し出射する際に、拡大鏡の作用に類似の拡大凝集像を形成するように、視覚ソースからの光波を曲げ、且つ拡大する。これは、今日の市場で大部分のＨＭＤに用いられる大勢を占める手法である。

ＵＳ Ｐａｔ．Ｎｏ．５６９９１９４ ＵＳ Ｐａｔ．Ｎｏ．５７０１２０２ ＵＳ Ｐａｔ．Ｎｏ．５７０６１３６ ＵＳ Ｐａｔ．Ｎｏ．６１４７８０７

Ｈ．Ｈｏｓｈｉ他、「回転対称なしの非球面の表面からなる軸外しＨＭＤ光学システム」ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２６５３，２３４、１９９６年 Ｓ．Ｙａｍａｓａｋｉ他、「自由形式表面プリズムを備えた薄手の広い視野角のＨＭＤおよび応用例」Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．３６３９，４５３、１９９９年 Ｄ．Ｃｈｅｎｇ他、「自由形状面プリズムを備えた軽量および広い視野角のＨＭＤシステムの設計」Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３６，３、２００７年） Ｃａｋｍａｋｃｉ他、「回転非対称光学面設計および解析の最適局部形状の説明」Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １６，１５８３−１５８９、２００８年

屈折式ＨＭＤはＨＭＤ市場で使用される主要な手法であるが、欠点がいくつかある。このような屈折式ＨＭＤの問題は、伝達媒体は通常ＨＭＤの光路に置かれた重いプラスチックの大きな塊であり、この種のＨＭＤは非常に重く、嵩張り、また利用者が頭部あるいは顔面のどちらかに装着するのが面倒なことである。このことで、このようなＨＭＤを装着する利用者に対する全体的な快適さが制限される。さらに、利用者にそのような嵩張る装着をすると、このような装置に適用できるスタイリングを大幅に限定してしまう。さらに、屈折式ＨＭＤの屈折レンズは多くの場合に利用者の直接視界に置かれるため、利用者に十分な「シースルー視野」、すなわち投影視覚コンテンツを見ると同時に、投影コンテンツを透過して外の周囲環境の実世界を鮮明に見る、複合現実感のある眺めを一斉に見せる機能を利用者に提供する屈折式ＨＭＤを考え出すのは非常に複雑になる。屈折式ＨＭＤの別の欠点は、多くの場合、投影された視覚コンテンツ以外は利用者に何も見させない、あるいは利用者の周辺視界を厳しく制限することがあり、最終的には利用者に閉所恐怖症感を残すことがあることである。さらに屈折ＨＭＤの欠点は、消費あるいは商業市場で通常見られるものは視野角（ＦＯＶ）が非常に制限されていることであり、一般のＦＯＶで約２５°、ハイエンドのＦＯＶで約４０°である。消費あるいは商業市場で通常見られる屈折式ＨＭＤのＦＯＶを一般の約２５°のＦＯＶより上に大きくしようとすると、装置の値段および重量が劇的に増えて、既に競合ある２つの市場で、購入をやめさせる大きな要因になり得る。この状況は軍事用市場で明らかになっており、ここでは４０°と１２０°の間のＦＯＶの屈折式ＨＭＤが一層ありふれたものとなっているが、前に述べたとおり、極めて重く、且つ非常に高価である。

目下市場で見られる第２の範疇のＨＭＤ装置は、回折式ＨＭＤ、あるいはより正確には混成型屈折式／回折式ＨＭＤである。回折式ＨＭＤは視覚ディスプレイソースから利用者の眼に視覚コンテンツの投影像を伝達するために、屈折と共に回折光学原理と回折格子を用いる。この種のＨＭＤがあれば、究極のコヒーレントで多くの場合拡大された映像を利用者の眼に対して生成するために、視覚コンテンツの投影像は屈折伝達媒体要素の１つの中に含まれる伝達媒体および回折格子の両方を通過する。伝達媒体を通過している投影された視覚コンテンツからの光波は、最終的に回折格子を通過するかあるいは反射し、利用者に単一のコヒーレントな像を提示するよう機能する。そのような混成型ＨＭＤシステムの色々な欠点として、嵩張ること、高出力光源が必要なこと、および視野角に限度があることがある。これらは全て消費者用途へのアピールとともに、軍事および産業用途の有用性を制限する。

市場で目下見られる第３範疇のＨＭＤ装置はレーザ書き込み式ＨＭＤである。このレーザ書き込み式ＨＭＤは遠隔操作のレーザ光エンジンを用い、このエンジンは多くの場合、赤緑青三原色レーザおよび入力視覚表示信号にしたがってレーザ光を発して曲げてコヒーレントな視覚画像にするレーザライター一式を含んでいる。レーザとレーザライターは、ヘッドマウント装置に画像を伝達するために、このヘッドマウント表示装置にコヒーレント光ファイバーケーブルで接続する。次にコヒーレント光ファイバーケーブルから、利用者が見るための最終的な鑑賞スクリーン、一般的にはＨＭＤ装置の透明レンズにこの画像を投影する。この種のＨＭＤに関連する１つの欠点は、このようなシステムに用いるコヒーレント光ファイバーケーブルは非常に高価なことである。このようなＨＭＤに対する別のマイナス面は、画像が光ファイバーケーブルから出てくるので、画像を拡大するためにある種の屈折式光学系がこのヘッド装置には更に必要となり、そして今度はこの光学系がヘッド装置のＦＯＶを制限し重量を増加する状態に変えることである。さらに、レーザ書き込み式ＨＭＤに関する別のマイナス面は、３Ｄの視覚コンテンツを見るためにこのようなシステムを用いる際に明らかになる。コンテンツを見るために、ＨＭＤシステムは、一般に、単一の光ファイバーケーブル上で同時に２つの異なる画像をヘッド装置に送出し、そのためヘッド装置はビームスプリッターを組み込み、それぞれの眼のために２つの画像を分離することになるか、あるいは３Ｄ視覚コンテンツを伝達するために用いる第２の画像を生成するためにＨＭＤシステムは第１のレーザシステムと同時に動作する第２のレーザシステムを用いることになる。いずれのケースも、これは高価になる可能性がある。レーザ書き込み式ＨＭＤのさらに別のマイナス面は、装置を動かす電力消費が極めて大きいことである。最後に、光ファイバーケーブルを介してヘッドマウント装置に画像を伝達することは、光ファイバーケーブルの最小曲がり半径の監視に留意しないと、潜在的に問題となりうることである。もし光ケーブルが急すぎる半径で曲げられておれば、大きな信号損失につながることになる。

今日入手できる上記の３つの範疇のＨＭＤシステムでは、同時に廉価、軽量、快適であって、且つ接眼型ＨＭＤ装置とみなすことのできる単体システムから、利用者が見るための拡大したコヒーレントな視覚コンテンツの提供は不可能である。したがって、目下入手できる３種類のシステムに関する短所および問題点が原因で、かなり廉価で軽量コンパクトで快適であって且つ接眼型装置である新型のＨＭＤ装置への産業ニーズがある。

光路
上述のように、今日入手できるＨＭＤ装置では、光路には、一般に、効果の無い、重い、および／または嵩張る屈折光学系が伴う。拡張現実システムにおいては、光学透過式ヘッドマウントディスプレイ（ＯＳＴ−ＨＭＤ）が実世界シーンの視野とコンピュータ生成仮想シーンを合成するための基本手段の一つとなっている。一般的に、光学合成装置を用いることで、ＯＳＴ−ＨＭＤは、現実世界の直接視野を維持して、コンピュータ生成画像を実シーンに光学的に重ね合わせる。実世界の視野をカメラで取り込むビデオシースルー手法と比べて、このＯＳＴ−ＨＭＤは、実世界シーンに対する劣化を最小限にし、さらに正確な視野を提供することで利点がある。したがって、ＯＳＴ−ＨＭＤは、実世界の妨げのない視野が重要な場合の用途で一般に好まれる。

広いＦＯＶ、低いＦ値（これは光学では焦点比とも称され、焦点距離対入射瞳直径の比である）であり、コンパクトで邪魔にならないＯＳＴ−ＨＭＤを設計することは大きな課題となっている。眼に入射する画像からの光線は基本的に平行であり、そのため光線で形成された画像を見るために、特定の位置に眼を置く必要のない非瞳形成システムで、このようなＯＳＴ−ＨＭＤの設計を実現するのは特に困難であった。このような非瞳形成システムは、光線が空間の定点に集束しそして眼がこの定点の前後に位置する場合は、画像が目に見えなくなる瞳形成システムと対照的である。今日入手できるＨＭＤの一般的な接眼部構造では、小さいＦ値、大きな瞳距離、および広いＦＯＶを達成する能力が限定されている回転対称部品を用いる。上記の非常に望ましい特性を満たすＨＭＤ光学システムを実現するために、多くの方法が調査されてきている。これらの方法には、反射屈折技術（屈折式および反射光学系の両方を有する技術）を適用することと、非球面の表面、ホログラフィック光学部品、および回折光学系などの新規要素を取り入れることと、従来のＨＭＤ設計での接眼レンズあるいは顕微鏡型レンズに代えて投影光学系を用いるなど新規設計理念を調査することと、傾斜および偏心、あるいは更に自由形式の面（ＦＦＳ）を取り入れることとがある。（例えば、非特許文献１、および非特許文献２を参照）

上述の別々の方法の中では、コンパクトなＨＭＤシステムを設計する際に自由形状面が、大きな見込みを示す。しかしながら、広いＦＯＶ、小さいＦ値、十分な射出瞳距離を提供する、自由形状面に拠るＯＳＴ−ＨＭＤを設計することは難題である。ＦＦＳを用いるＨＭＤを設計するための、特にくさび形状プリズムに基づく設計において、多くの試みがなされている（特許文献１、特許文献２、特許文献３および非特許文献３）。例えば、Ｈｏｓｈｉ他は、３４°のＦＯＶおよび１５ｍｍの厚みを提供するＦＦＳプリズムを発表した。Ｙａｍａｚａｋｉ他は、ＦＦＳプリズムおよびこのＦＦＳプリズムに取り付けた補助レンズからなる５１°ＯＳＴ−ＨＭＤ設計について記述した。つい最近、Ｃａｋｍａｋｃｉ他は、合理的な放射基底関数に基づいた１つの自由形状反射面および回折レンズを備えた２０°ＨＭＤシステムを設計した（非特許文献４）。ＦＦＳプリズム概念に基づく市販のＨＭＤ製品も、いくつかある。例えば、オリンパス社は、自由形状プリズムに基づいたＥｙｅ−ＴｒｅｋシリーズのＨＭＤを発表した。Ｅｍａｇｉｎ社は、光学モジュールＷＦＯ５を備えたＺ８００を生み出した。Ｄａｅｙａｎｇ社は、ｉ−ＶｉｓｏｒＦｘシリーズ（ＧＥＯＭＣモジュール、Ａ３プリズム）製品を生み出した。ＲｏｃｋｗｅｌｌＣｏｌｌｉｎｓ社は、ＯＥＭ表示光学系のプリズム技術を用いたＰｒｏＶｉｅｗ ＳＬ４０を発表した。

既存のＦＦＳベースの設計には、ＦＯＶを一般に約４０°以下にして、一般に４ｍｍ〜８ｍｍの範囲にある射出瞳の直径がある。つい最近の設計では、一般に０．６インチ程度の更に小さなマイクロディスプレイが採用された。これには４０°のＦＯＶを実現するために２１ｍｍ程度の焦点距離を用いている。焦点距離が減少することで、大きな射出瞳あるいは光学系での仮想開口部を備えたシステムの設計が非常に難しくなる。その結果、大部分の設計で射出瞳の直径に支障をきたす。したがって、市販製品は４を超えるＦ値を維持するために、射出瞳の直径を約３ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内に平均して削減する。別の自由形状要素あるいは回折式光学要素を取り入れることで、より大きな射出瞳を実現する設計がいくつかある。例えば、ＤｒｏｅｓｓｌｅｒおよびＦｒｉｔｚは、２つの余分な非共軸レンズを用いて、また１つの回折面を適用することによって、１．７程の小さなＦ値を備えた高輝度ＯＳＴ−ＨＭＤの設計について記述した（特許文献４）。光学およびＨＭＤの分野での既存の製作物から、（大きな拡大比を示す）小さなＦ値および広いＦＯＶの両方を有するＨＭＤを設計することは極めて困難であることが分かる。

それ故に、広いＦＯＶおよび小さなＦ値を有する一方、コンパクト、軽量で煩わしくない形状要素を与えてくれるヘッドマウントディスプレイを提供することは、光学シースルーヘッドマウントディスプレイ分野での進歩であると言えよう。
光学部品の構造支持体

ＨＭＤの光路は、精密な位置合わせ状態に保たれる様々な光学要素により範囲を定められる。過度の重量および大きさを伴わないで光路の精密な位置合わせ状態を維持する方法が問題である。光学面の全てをまとめて単一のモノリシック素子にすることによって光学位置合わせを達成しようと試みる光学システムがあり、これはシステムの屈折および反射光学系の両方を合わせて単一の光学要素にする。これは、内面反射損失が少ないプリズム光学系と合わせたレンズ表面を用いて通常は行われる。これらのシステムは重くて嵩張り、製作および組み立てで別な面倒な問題を抱えている。他の光学手法では、放射状におよび長手方向の両方に正確な位置合わせを必要とする個々の光学要素を利用する。別な手法では、例えば光ファイバーあるいは矩形導波管などの光導波管を利用して位置合わせエラーを制御しようと試みる。この方法で非常に狭いＦＯＶが最終的に得られる。

実用的なＨＭＤは利用者の快適さを求めて１対のメガネのように小さくて軽いものである必要がある。大部分のメガネフレームは曲げやすく、ＨＭＤ向きの精密位置合わせは行えない。必要なのは、光路に対して精密に位置合わせすることが可能な軽量のメガネ形状であり、また光学要素の支持あるいは位置合わせに影響しないで多数の工業デザインに対応することである。
マイクロディスプレイの機構

ＨＭＤには、ディスプレイと利用者の両眼の間に光路がある。眼の快適さと使いやすさは全てのＨＭＤの最重要の懸案事項である。光路とその様々な設計パラメータは、眼の快適さを実現する１つの態様である。しかしながら、光学要素自体以外の眼の快適さに影響する要因が多くある。人的要因は適正なＨＭＤ設計において大きな懸案事項である。人々の眼は、一人の人物と隣の人物で、そして同一人物でさえも両眼で大幅に変わる。このため、眼の快適さを最大にしやすくするために、ＨＭＤに別の調整装置を組み入れることが望ましいことになる。２つの懸案事項は、焦点あるいは眼の焦点調整を変える、および瞳孔間距離あるいは利用者の２つの眼の瞳孔の中心をかえる場合の別々の利用者に適応することである。そのため、前後および横方向の両方で光学調整が行える機能に対する要望がＨＭＤシステムにあり、個々の眼の焦点距離および瞳孔間距離が利用者の中で異なっていることの理由である。既存の一般的な調整装置は、かなり嵩張る傾向にある。必要なのは、軽量ＨＭＤに組み込むことが可能な非常にコンパクトで軽量の焦点合せ機構である。
ＨＭＤ構造および組み立て工程

他の機能の中で、ＨＭＤはマイクロディスプレイと利用者の眼の間に光路を定める。利用者に満足できる画像を提供するために、光学部品は互いに精細な位置合わせ状態になっているべきである。同時に、結果として得えられたＨＭＤは、利用者に受け入れられるようにコンパクトで軽いものであるべきである。また、当該設計は光学部品の位置合わせに悪影響を与えないで物理的衝撃に耐えることが可能であるべきである。

主に反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置両眼型の実施の形態を着用している利用者の斜視図である。 主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の実施の形態の側面図である。 ５つの反射光学面を利用する、主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の両眼型の実施の形態の斜視断面図である。 ５つの反射板系統で発光視覚ソースから利用者の眼までの反射通路の実施の形態を図示する、主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の両眼型の実施の形態の斜視断面図である。 主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の両眼型の実施の形態の後面斜視図である。 ３つの反射光学面を利用する、主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の両眼型の別の実施の形態の斜視図である。 ３つの反射板方式で発光視覚ソースから利用者の眼までの反射光路の実施の形態を図示する、主として反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の両眼型の実施の形態の斜視断面図である。 発光視覚ソースから利用者の眼までの反射光路の実施の形態を図示する、５つの反射板式ヘッドマウントディスプレイ装置における反射光学面の実施の形態の側面概略図である。 発光視覚ソースから利用者の眼までの反射光路の実施の形態を図示する、３つの反射板式ヘッドマウントディスプレイ装置における反射光学面の実施の形態の側面概略図である。 〜 図９Ａから９Ｃの各々で暗がりが増え又は不透明度が増している、調整可能な透過損失層の実施の形態と連通している最終反射光学面の実施の形態の斜視分解図の推移である。 １つの実施の形態による例示的なヘッドマウントディスプレイの前面等角図である。 １つの実施の形態による例示的なヘッドマウントディスプレイの後面図である。 １つの実施の形態による例示的なヘッドマウントディスプレイの平面または上面図である。 １つの実施の形態による例示的なヘッドマウントディスプレイの側面図である。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイにおける例示的な光線トレース図の概略表示である。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイで利用された例示的な光路の概略表示である。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイで利用された例示的な枠組み構造の後面等角図である。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイで利用された例示的な２つの複合レンズ要素の後面等角図である。 １つの実施の形態による、キャリッジに組み付けられているマイクロディスプレイ保持器の分解等角図である。 １つの実施の形態による、マイクロディスプレイ機構の組立体の分解等角図である。 １つの実施の形態による、マイクロディスプレイ運動機構の等角図である。 １つの実施の形態による、マイクロディスプレイ保持部へのＸギアの動作を図示するマイクロディスプレイ機構の後面図である。 １つの実施の形態による、内部の機械的制約を図示するマイクロディスプレイ機構の等角図である。 １つの実施の形態による、マイクロディスプレイ保持部へのＺギアの動作を図示するマイクロディスプレイの側面図である。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイを組み立てる例示的な工程をフローチャートで図示したものである。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイ用の外枠を組み立てる例示的な工程を等角図示したものである。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイの構造フレームに光学系部品を組み付けるための例示的な工程を等角図示したものである。 １つの実施の形態によるヘッドマウントディスプレイを組み立てるための例示的な工程を等角図示したものである。 １つの実施の形態による、枠組み構造のマウントの位置決めをする切り欠け基準線内に配置された光学要素からのタブを示す枠組み構造の第１の底部図である。 １つの実施の形態による、枠組み構造のマウントの位置決めをする切り欠け基準線内に配置された光学要素からのタブを示す枠組み構造の第２の底部図である。

本発明は様々な形で具現化できるが、本開示は本発明を例示するものとして判断され、且つここに説明した特定の実施の形態に本発明を限定することを意図しないとの了解のもとに、一つ以上の実施の形態を図示し以後で説明するものである。表題は便宜上示すだけであり、決して本発明を限定するように解釈してはならない。どんな表題で説明された実施の形態も他のどんな表題の実施の形態との組み合わせができる。

実施の形態の部分を形成し、図示により具体的な実施の形態を示す付帯図面を参照して、様々な実施の形態を今からさらに十分に以降で説明する。しかしながら、本発明は多くの異なった形で実施できるものであり、ここに規定している実施の形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施の形態は、本開示は徹底且つ完全であって当業者に本発明の範囲を十分に伝えるようにしている。以下の詳細説明は、限定的な意味に受け取ってはならない。

本明細書および請求項を通じて、次の用語は、当該文脈で他に明確に述べていない限り、ここで明示的に関連した意味に解釈するものである。「１つの実施の形態で」の句は同一の実施の形態に言及する場合があるが、必ずしも同一の実施の形態のことをいうのではない。さらに、「別の実施の形態で」の句は、異なる実施の形態のことをいう場合があるが、必ずしも異なる実施の形態のことをいうのではない。したがって、以下に説明するように、色々な実施の形態は、本開示の範囲と主旨から逸脱することなく容易に組み合わすことができるものである。

さらに、ここに用いている如く、用語「あるいは（ｏｒ）」は、当該文脈で他に明示していない限り、包括的「あるいは」の機能語であり、用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」と等価である。用語「基づいて（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」は、当該文脈で他に明示していない限り、限定的でなく、且つ記載のない別の要素に基づくことを考慮している。さらに、本明細書を通して、不定冠詞および定冠詞表現には複数の意味が含まれる。「の中に（ｉｎ）」の意味には、「の中に（ｉｎ）」および「の上に（ｏｎ）」が含まれる。

ここで説明しているのは、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示し視聴するための、主に反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置である。

本開示によれば、反射式ヘッドマウントディスプレイ装置は、フレームおよびこのフレームに接続した少なくとも１つの接眼型光学系ハウジングを含む。光学系ハウジングが少なくとも部分的に利用者の眼の前に位置するように、光学ハウジングとフレームを構成する。光学系ハウジングは、視覚コンテンツを投影するための光学系ハウジング内に置かれた発光視覚ソースを含む。また、光学系ハウジングは、視覚ソースからの視覚コンテンツの投影像を反射して利用者の眼に入れるよう構成される光学系ハウジング内に配置された複数の反射式光学面を含む。

したがって、本開示は主として屈折式、回折式あるいはレーザ書き込み式ヘッドマウントディスプレイ装置に対立するものとしての、主に且つ実質的に反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置である。このように、任意に本開示は全く屈折体のない反射ヘッドマウントディスプレイ装置としてもよい。視覚コンテンツを利用者の眼に伝達するために複数の反射式光学面を主に用いることで、本装置は、反射光が通過する伝達媒体として、重い透明なプラスチックに対立するものとしての空気を使用してもよい。本開示のこの態様には、当該装置を入手できる他のどの装置よりも大幅に軽量化する利点がある。また、この態様には今までに開発され最初に動作する接眼型の主に反射利用のヘッドマウントディスプレイ装置の利点と特色もある。というのは、このような反射利用の装置を開発する以前の業界努力は失敗に終わっているからである。本開示の別の利点は、本装置は主に反射利用のものであるので、視覚ディスプレイソースから利用者の眼まで視覚コンテンツを投影するのに用いられた全ての反射器は、接眼状態を保つ比較的小さな光学系ハウジング内に当該反射器を収納できるように寸法を決め、配置できることである。このようなコンパクト装置ではレーザ書き込み式の装置に必要とされるような、どっしりして高価な遠隔操作システムの必要性がなくなる。

本開示の別な態様では、フレームは装着可能なフレームであり、視覚コンテンツの投影元である視覚ソースの実寸法より視覚コンテンツが大きく見えるように、ヘッドマウントフレームと光学面は視覚コンテンツの投影像を協同して拡大するように構成される。さらに、当該装置は、利用者の第１の眼の前に配置するように構成されるフレームに接続した第１の接眼型光学系ハウジングと第２の眼の前に配置するよう構成されるフレームに接続した第２の接眼型光学系ハウジングを含めることができる。このようにして、両眼用ヘッドマウントディスプレイが実現する。

本開示の別な態様では、光学系ハウジングは略透明なニ次視野ハウジングに接続する略不透明な一次伝達ハウジングをさらに含む。略透明なニ次視野ハウジングは利用者の眼の前に配置し、ハウジングを通して利用者が見ることができるように意図されている。当該ハウジングは、透明な前面ダストカバーおよび透明な外側ダストカバーを備えている。ニ次視野ハウジングには外側ダストカバーと連通している可変調整可能な伝達損失層がある。この伝達損失層は、そこを通過するどんな光の伝達損失量も選択可能に調整できる。したがって、この層を通過するすべての光を見ることができるようにするために完全に透明であるように、又はそこを通過する光を見えないようにするために完全に暗いか又は半透明であるように、又はそこを通過する光を部分的に見ることを可能にするために暗さレベルを変更できるように利用者はこの層を調整できる。

本開示の別な態様では、複数の反射式光学面は、第１の反射光学面を含めて一連の反射光学面と、少なくとも１つの中間光学面と、最終反射光学面とからなる。この最終反射光学面は外側ダストカバーの内面であってもよい。視覚コンテンツは視覚ソースから第１の反射光学面に投影される。その後、視覚コンテンツは少なくとも１つの中間光学面で反射され、次に外側ダストカバーの内面である最終反射光学面で反射され、最後に反射されて利用者の眼に入る。利用者は、最終反射光学面の後ろにある調整可能な伝達損失層を完全に暗くすることで、視覚コンテンツだけを見るよう選択可能に選ぶことができ、そのため第２の視野ハウジングの外側ダストカバー越しの外部周囲状況の利用者の視界を遮ることができる。調整可能な伝達損失層が部分的に暗くなるかあるいは半透明になるように設定することによって、利用者は「シースルー視野」を得ることを、且つ同時に視覚コンテンツおよび実世界の外部周辺環境の両方を、すなわち「複合現実感」の視界を見ることを、別案として選択可能に選んでもよい。このようにして、利用者は外部周辺環境の実世界の視界に重ねられた視覚コンテンツの反射光を次に見ることになる。

本開示のさらに別な態様では、非常に軽量でコンパクトな反射システムで、ヘッドマウントディスプレイが広い視野角を実現することが可能である。１つの実施の形態では、視野角（ＦＯＶ）は、完全重複モード（左右の画像の視野角が同じである）で４０°を超える、あるいは零重複モード（左右の視野が、それぞれ左右の眼に対して唯一無二である）で８０°を超えることも可能である。本開示の別な態様では、視野角は完全重複モードで５０°を超える、あるいは零重複モードで１００°を超えることが可能である。本開示のさらに別な態様では、視野角は完全重複モードで最大で６０°にすることが、あるいは零重複モードで１２０°にすることが可能である。本開示のさらに別な態様では、視野角は完全重複モードで６０°を超える、あるいは零重複モードで１２０°を超えることが可能である。軽量でコンパクトなフレームで大きい視野角値の実現可能な度合いは、本開示に特有なものである。

他の実施の形態、目的、特徴、および有利な点は、以下に続く実施の形態の詳細な説明で記載される。また本特許請求の発明についての説明から部分的に明らかになる、あるいは、本発明の実施により知ることができるものである。これらの目的および有利な点は、記述説明およびその請求項で具体的に指摘した手順および構成によって実現および達成されるものである。前述の発明の概要は、ここに開示した実施の形態のいくつかの簡潔で且つ概略の大要とみなすべきものであり、且つ読者への便益と便宜のみを考慮して提供するものであり、且つ付加された請求項は法的に権利が与えられる等価の範囲をいかなる方法によっても制限するものではないとの了解のもとに書かれたものである。
ＨＭＤ装置構造

図１、２および５を参照して、表示ソースからの視覚コンテンツを表示して見るための主に反射利用のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）装置５を開示する。ＨＭＤ装置５はフレーム１０およびフレーム１０に接続された少なくとも１つの接眼型光学系ハウジング１５を含む。

１つの実施の形態において、フレーム１０はメガネのフレームなどの装着可能なヘッドマウントフレームである。しかしながら、本実施の形態の開示がフレーム１０の形状を制限するように解釈してはならない。したがって、別の実施の形態において、フレーム１０はヘルメットに搭載するように、あるいはヘッドバンドあるいは調整可能なヘッドストラップなどの頭部装着可能な装置の他のどんな類似タイプにも搭載するように構成することが可能なものであれば、どのようなタイプであってもよい。フレーム１０は、接眼型光学系ハウジング１５に接続され、接眼型光学系ハウジング１５の重量を支えるように構成される。また、フレーム１０は、光学系ハウジング１５が少なくとも部分的に利用者の眼の前に、および適切に装着した際のＨＭＤ利用者の視線上に配置するように構成される。

１つの実施の形態において、第１の光学系ハウジング１５を少なくとも部分的に利用者の第１の眼の前に配置でき、且つ第２の光学系ハウジング１５を少なくとも部分的に利用者の第２の眼の前に配置できる２つの光学系ハウジング１５にフレーム１０は接続される。第１と第２の光学系ハウジング１５は、互いに物理的に同一のミラーイメージとすることができる、あるいは望ましいサイズと形状の他の組み合わせとすることができる。本実施の形態は、利用者の２つの眼の各々に別々の視覚コンテンツを与えるために２つの別々のチャネル（すなわち、２つの別々の光学系ハウジング１５）を利用する装置であるので、「両眼用」ＨＭＤ装置とみなせる。同時に利用者の両方の眼に両チャンネルを通じて正確に同じ視覚コンテンツを与える（例えば、テレビを視聴することと類似）、または利用者の第１の眼に第１のチャネルを通じて第１の視覚コンテンツを与え、且つ利用者の第２の眼に第２のチャネルを通じて完全に異なる第２の視覚コンテンツを与える（すなわち、それぞれのテレビに異なる番組を示して各々の眼に別のテレビを見させるように）、または、最後として、利用者の第１の眼のみに第１のチャネルを通じて視覚コンテンツを与えて利用者の第２の眼にはどんなコンテンツも与えない、のいずれかによって、両眼用ＨＭＤ装置で利用者は２Ｄの視覚コンテンツを見ることが可能となりうる。あるいは、同じ視覚コンテンツの僅かに異なったものを各々の眼に与えることによって、両眼用装置は利用者に３Ｄ立体視（すなわち、双眼鏡視野）を実現させることが可能である。しかしながら、本実施の形態の開示は、ＨＭＤ装置５を２つの光学系ハウジング１５を有する装置のみに限定するように解釈してはならない。したがって、別の実施の形態（表示なし）では、１つの光学系ハウジング１５のみにフレーム１０を接続でき、１つの光学系ハウジング１５が部分的に利用者の第１の眼の前に配置できるように、フレーム１０および光学系ハウジング１５がその結果構成される。この別の実施の形態の装置は、利用者の２つの眼のうち１つだけのための単一チャネル（すなわち、１つの光学系ハウジング１５）を利用する装置であるので、「単眼用の」ＨＭＤ装置とみなせる。

本開示のさらに別な実施の形態（表示なし）では、光学系ハウジング１５は選択可能にフレーム１０に取り付け可能、又はフレーム１０から取り外し可能であり、そのために、単眼用の１つの光学系ハウジング１５を有する単眼用ＨＭＤ装置か、または利用者の各々の眼に対して１つである２つの光学系ハウジング１５を有する両眼用ＨＭＤ装置を利用するか、を利用者が選択可能であるように、フレーム１０およびハウジング１５を構成できる。またさらに別の実施の形態（表示なし）において、光学系ハウジング１５は、選択可能にヒンジの周りを回転して、利用者の両目の前の位置から光学系ハウジング１５を取り外し、且つ利用者の視線から取り外しができるように、光学系ハウジング１５をフレーム１０にヒンジで連結できるように接続できる。

マグネシウム合金、アルミニウム合金、チタン、あるいは非常に軽量でしかも非常に耐久性のある物理的特性を有する他のあらゆる類似の軽量金属系材料などの少なくとも１つの耐久性のある軽量の材料で、フレーム１０を構成する。しかしながら、前述の材料の開示は、当該軽量材料を金属利用の材料のみに限定するように解釈してはならない。したがって、別の実施の形態では、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ポリエチレン、ナイロン、あるいは非常に軽量でしかも非常に耐久性のある物理的特性を有する他のあらゆるポリマー系材料などの耐久性のある軽量の材料で、フレーム１０を構成することができる。

図３Ａおよび図５を参照して、各々の接眼型光学系ハウジング１５は視覚コンテンツを投影するための発光視覚ソース２０，複数の反射光学面３０，一次伝達ハウジング４０，および二次視界ハウジング４５を含む。

発光視覚ソース２０は、視聴者が見ることが可能な視覚形式で情報を提示する電子装置である。１つの実施の形態で、発光視覚ソース２０は電源に接続されたマイクロディスプレイであり、このマイクロディスプレイは、外部ソースから、視覚形式で出力されることになる入力信号を受けるためのソース入力を含む。しかしながら、前述の実施の形態の開示は、ここに開示する内容の実施で利用できる発光視覚ソースの種類を制限するように解釈してはならない。したがって、別の実施の形態において、発光視覚ソース２０はレーザライター、マイクロプロジェクター、あるいは視覚コンテンツの表示が可能である他のすべての装置またはシステムとすることができる。さらに、発光視覚ソース２０は、従来のワイヤ類またはケーブル類、光ファイバー、無線信号伝送、あるいは信号およびデータ伝送の当業者に周知の信号伝送の他のすべての類似方法を介して外部ソースから入力信号を受信できる。

投影される視覚コンテンツは、静的および動的の両方の視覚コンテンツ、および視覚表示ができ且つ見ることが可能である別のどんなコンテンツも含む。静的視覚コンテンツは、表示されている間で経時変化しないコンテンツを含み、さらに写真、静止画像、静止テキスト、および新規情報に更新しない図形データ表示を含むが、これらに限定しない。動的視覚コンテンツは、表示されている間で必ず経時変化するコンテンツを含み、さらにビデオ再生あるいはリアルタイムビデオ、変化する画像、動的テキスト、および新規情報が得られると更新する図形データ表示を含むが、これらに限定しない。

複数の反射光学面３０は、例えば鏡、研磨した金属、あるいは滑らかなガラスの表面などの、高度研磨処理あるいは平滑面処理を施した表面であり、また反射光学面に入射している光波をはね返すために光物理学の反射原理を用いる。複数の反射光学面３０は、発光視覚ソース２０と光学連通しており、発光視覚ソース２０からの視覚コンテンツを鮮明に焦点合せした投影像を連携して反射し利用者の眼に入れるように構成される。

図３Ｂおよび図６を参照して、１つの実施の形態において、複数の反射光学面３０は、別々の凸凹面の組み合わせであり、少なくとも第１の反射光学面３１および最終反射光学面３６を含んでいる。第１の反射光学面３１は、視覚コンテンツが発光視覚ソース２０から最初に投影される反射光学面である。最終反射光学面３６は、視覚コンテンツが最後に反射されて利用者の眼に入る反射光学面である。１つの実施の形態において、複数の反射光学面３０は少なくとも１つの中間反射光学面（表示なし）もまた含む。これらの凸凹反射光学面３０は、視覚コンテンツの投影像が各々の反射光学面３０から反射する際に、連携してこの投影像を拡大するよう更に構成され、その結果投影された視覚コンテンツ５５（図９Ａ〜９Ｃ）は、ＨＭＤ装置の利用者の眼で見た時、拡大されピントが合って現れる。しかしながら、別々の凸凹面の組み合わせを利用する前述の実施の形態は、ここに開示しているようなＨＭＤ装置で用いることのある反射光学面の形状範囲を制限するように解釈してはならない。別の実施の形態において、ＨＭＤ装置５は単独で凸反射光学面、単独で凹反射光学面、あるいはここでの開示の範囲から逸脱することなしに他の唯一無二の形状を用いることができる。さらに、視覚ソース２０から投影された視覚コンテンツを利用者の眼に反射するために、前述の実施の形態の開示は、ここまで複数の反射光学面３０のみを用いるＨＭＤに向けられているが、別の実施の形態は、主に反射利用のＨＭＤの開示の範囲から逸脱することなく、光路に組み入れた別の光学要素を含むことができる。したがって、別の実施の形態では、複数の反射光学面３０を備えることに加えて、１つ以上の屈折要素（図示なし）を、光路を通過する光波を操作するために、発光視覚ソース２０と利用者の眼の間の光路に置くことができる。この点に関して、混成型反射式／屈折式ＨＭＤが作り出されている。

図２および図４を参照して、各々の接眼型光学系ハウジング１５は、発光視覚ソース２０と連通しているジオプトリー調整器２５を含んでいるか、あるいはハウジングにこの調整器を接続している。ジオプトリー調整器２５は、発光視覚ソース２０から広がる視覚コンテンツの投影画像の方向と略並行である方向で前方または後方に発光視覚ソース２０の位置を物理的に動かすように構成される。そのようにすると、発光視覚ソース２０は、第１の反射光学面３１の固定位置にさらに接近するか、この位置からさらに離れるようになる。この結果、利用者の眼の中で投影された視覚コンテンツの最終焦点に対応する調整がされることになる。したがって、ジオプトリー調整器２５は処方調整の焦点補正を施すこと、且つ一定の処方調整の範囲にわたって利用者の眼に投影する視覚コンテンツの焦点を調整することが可能である。

図１〜６を再度参照して、一次伝達ハウジング４０は、ＨＭＤ装置５の接眼型光学系ハウジング１５のチャンバーであり、ここで発光視覚ソース２０からの視覚コンテンツの投影像が発生し、且つ大部分の光学反射および投影された視覚コンテンツの拡大が行われる。１つの実施の形態において、一次伝達ハウジング４０は、発光視覚ソース２０、およびチャンバーの第１の端部４１に配置されたジオプトリー調整器２５を備える略半透明な空洞チャンバーである。さらに、一次伝達ハウジング４０は、最終反射光学面３６以外は、一次伝送ハウジング４０の内側の様々な位置に配置された各々の複数の反射光学面３０を含むことができる。より具体的には、複数の反射光学面３０は部分的に一次伝達ハウジング４０の前部および後部の内壁上に直接か、または一次伝達ハウジング４０の前部および後部の内壁上にある支持構造に配置される。１つの実施の形態において、一次伝達ハウジング４０はフレーム１０に接続され且つ支持される。しかしながら、前述の実施の形態の開示は、一次伝達ハウジング４０の構造を略半透明あるいは空洞チャンバーであることにのみに限定するように解釈してはならない。別の実施の形態において、一次伝達ハウジングは反射光学面３０、発光視覚ソース２０、およびジオプトリー調整器２５をそれらの適切な位置で支持するよう機能するが、しかし外部の入射光が反射光学面３０の反射路に入射することを妨害しない側面開放型構造あるいは骨格開放型フレーム構造とすることができる。

マグネシウム合金、アルミニウム合金、チタン、あるいは非常に軽量でしかも非常に耐久性のある物理的特性を有する他のいかなる類似の軽量金属系材料などの少なくとも１つの耐久性のある軽量の材料で、一次伝達ハウジング４０を構成する。しかしながら、前述の材料の開示は、軽量材料を金属利用の材料のみに限定するよう解釈してはならない。したがって、別の実施の形態では、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ポリエチレン、ナイロン、あるいは非常に軽量でしかも非常に耐久性のある物理的特性を有する他のいかなるポリマー系材料などの耐久性のある軽量の材料で、一次伝達ハウジング４０を構成することができる。さらに、一次伝達ハウジングの位置に関して１つの実施の形態では、フレーム１０および利用者の眼より下で、且つ利用者の顔面に隣接して一次伝達ハウジングを略配置するように構成される。しかしながら、別の実施の形態において、フレーム１０と関連したすべてのツルの長さに沿って、利用者顔面の側面に隣接して、フレーム１０より上に、利用者の眼より上に、利用者の額に隣接して、あるいはここに開示されたＨＭＤ装置がここに開示された教示にしたがって機能することができる必要に応じて他のどんな位置にも、一次伝達ハウジング４０を略配置するように構成される。

図２〜４および６を参照して、二次視野ハウジング４５は、発光視覚ソース２０が置かれている第１の端部４１の反対位置にある、一次伝達ハウジング４０の第２の開放端部４２の一次伝達ハウジング４０に接続される。二次視野ハウジング４５は、少なくとも部分的にＨＭＤ装置の利用者の眼の前に設置される光学系ハウジング１５の部分である。１つの実施の形態で、さらに二次視野ハウジング４５はフレーム１０および一次伝達ハウジング４０の両方に一体的に接続される。しかしながら、前述の実施の形態の開示は二次視野ハウジング４５がフレーム１０と一次伝達ハウジング４０のどちらか一方に一体的に接続されることであると限定するよう解釈してはならない。別の実施の形態において、二次視野ハウジング４５は脱着できるようにあるいはヒンジで固定できるように一次伝達ハウジング４０に接続され、且つハウジング４０により支持されることができる。

図３Ａ〜４および６を参照して、二次視野ハウジング４５は利用者の眼の前に直接および利用者の視線上に配置するように構成される透明な前面ダストカバー４６を含む。１つの実施の形態において、前面ダストカバー４６は伝統的な度付きレンズのように作用しないので、光学的にはニュートラルである。むしろ、前面ダストカバー４６は、利用者が見ているどんな視覚対象からの光波も、目立つ歪、変化、曲がりは無しにこのカバーを通過させることができる。さらに、１つの実施の形態において、前面ダストカバー４６はポリカーボネート、ガラス、アクリル、あるいは透明性および耐久性の双方がある他の類似の材料などの耐久性のある透明な材料からなる。

二次視野ハウジング４５は、外部ダストカバー４７もまた含む。このカバーは前面ダストカバー４６に隣接している略外郭構造である。外部ダストカバー４７は、前面ダストカバー４６の前に配置されるように、また前面ダストカバー４６と同じ利用者の視線上に配置されるように構成される。同時に、二次視野ハウジング４５の前面ダストカバー４６および外部ダストカバー４７は、一次伝達ハウジング４０の開放型第２の端部４２を閉鎖するように機能し、そのため埃あるいは他の環境汚染物質が光学系ハウジング１５に入り込むことを、また反射光学系を妨げるのを防止するように光学系ハウジング１５を略密閉する。

図９Ａ〜９Ｃを参照して、外部ダストカバー４７は、複数の反射光学面３０の中の最終反射光学面３６となるように構成される凹状内面４８を備える。前に開示しているように、この内面４８は反射光学面３６であり、投影された視覚コンテンツ５５がこの面で最後に反射して利用者の眼に入る。１つの実施の形態において、外部ダストカバー４７は、可変調整可能な伝達損失層５０と連通している略透明で湾曲した外郭構造である。本実施の形態において、外部ダストカバー４７はポリカーボネート、ガラス、アクリル、あるいは透明性および耐久性の両方がある、他の類似の材料などの耐久性のある透明な材料からなる。さらに、外部ダストカバー４７は、少なくとも光学装置に衝撃保護を施すための最低限の要件を実現するのに十分な材料の厚みを備えるように任意で設計できる。しかしながら、前述の実施の形態の開示は、外部ダストカバー４７が基本的に透明あるいは略透明なアクティブでない外郭構造であると限定するよう解釈してはならない。別の実施の形態（表示なし）では、外部ダストカバー４７は、切替え可能なミラー又は可逆的エレクトロクロミックミラーに、あるいは外部ダストカバー４７を選択的に反射させることあるいは反射率を調整することを可能にする他の類似技術によるものにすることができる。

さらに別の実施の形態において、略透明な外部ダストカバー４７は、他の場合では透明な外部ダストカバー４７が部分反射する内面４８、そしてそれ故に部分反射する最終反射光学面３６を備えているので、「部分ミラー」とすることもできる。この部分反射する内面４８には、この面に関連した一定の最小反射率値がある。この反射率値は、表面に最初に入射する放射物の総量に対して、表面で反射した光のような放射物の総量を百分率で表した比率である。部分ミラーは外部ダストカバー４７の内面４８にし、そしてそれ故に最終反射光学面３６にすることで、ＨＭＤ設計者は、未処理の透明外部ダストカバー４７のみを用いて他の状況であれば達成できることになる値を上回って、反射光学面の最小反射率の値を増やすことが可能である。このような実施の形態において、内面４８の反射率を改善し、最終反射光学面３６の一定の最小反射率の値を生み出すために、他の状況では透明な外部ダストカバー４７の内面４８を、上述のように、反射材料（すなわち、アルミニウム、銀、金など）の薄い皮膜で処理するかあるいは皮膜で覆うことによって、部分ミラーを作り出すことができる。最終反射光学面３６に蒸着する反射材料の適正な種類および厚みを選定することによって、望ましい最小反射率の値を備える部分ミラーを正確に実現できる。１つの実施の形態において、部分ミラーは、約１〜１０％、約１１〜２０％、約２１〜３０％、約３１〜４０％、約４１〜５０％、約５１〜６０％、約６１〜７０％、約７１〜８０％、約８１〜９０％、または約９１〜９９％の範囲での最小反射率を備えている。

１つの実施の形態の略透明な外部ダストカバー４７は、凹状の内面４８を有する湾曲した外郭構造であるので、外部ダストカバー４７を通して見た場合に、このカバーは周囲環境の利用者の視界を歪ませる屈折レンズとして作用する。したがって、外部ダストカバー４７の外面４９には別々の補正屈折レンズ形状（表示なし）が形成されており、このレンズ形状はこの歪を相殺し、そこを通過する光波に起こる顕著な歪作用がない光学的にニュートラルである外部ダストカバー４７となる。

図９Ａ〜９Ｃを再度参照して、１つの実施の形態で、外部ダストカバー４７と連通している可変調整可能な伝達損失層５０は、暗さレベルあるいは不透明度レベルを完全暗さあるいは完全半透明から完全透明まで選択的に変更させることが可能である。１つの実施の形態において、調整可能な伝達損失層５０は、少なくとも３つの異なる層５１、５２、５３からなり、この層では、可撓性のある、調整可能な液晶層５２は積層にするか、あるいは２つの保護層５１、５３（図９Ａ〜９Ｃを参照）の間に置く。３層のこのサンドイッチ状のものは、外部ダストカバー４７の外面４９あるいは内面４８のどちらか一方に取り外し可能に取り付けられており、また液晶層を通過する光の伝送損失を様々なレベルにできるように液晶層の暗さを調整できる。

しかしながら、外部ダストカバー４７に取り付け可能である別々の取り外し可能な層であると調整可能な伝達損失層５０を限定するように、前述の実施の形態の開示を解釈してはならない。別の実施の形態では、調整可能な伝達損失層５０は、外部ダストカバー４７と一体的に結合することができる。このような実施の形態では、外部ダストカバー４７は、少なくとも２つの別々の層で構成してもよく、この層では、調整可能な伝達損失層５０は、積層するかあるいは外部ダストカバー４７の２つの層の間に置く、可撓性があり調整可能な液晶層である。さらにまた別の実施の形態では、調整可能な伝達損失層５０は、外部ダストカバー４７の外面４９あるいは内面４８と一体的に結合することができる。さらに、前述の実施の形態の開示は、調整可能な伝達損失層５０を液晶技術を用いることのみに限定するように解釈してはならない。別の実施の形態では、調整可能な伝達損失層５０は、いかなる種類の技術も利用でき、あるいは切り替え可能なミラーまたは可逆エレクトロクロミックミラーなどの調整可能な伝達損失レベルを得ることが可能であるいかなる種類の層でもよい。

それに加えて、１つの実施の形態に関わる前面ダストカバー４６および外部ダストカバー４７は略透明であるために、利用者の実世界周辺環境、および実世界周辺環境の利用者の視界に重なった、投影された視覚コンテンツ５５を同時に見るように、利用者は前面ダストカバー４６および外部ダストカバー４７の両方を見通すことが可能である。これにより、使用者は「シースルー視野」を得て、視覚コンテンツ５５および周辺環境の両方からなる複合現実感の視界を同時に見ることになる。利用者がもっと明るい視界の投影された視覚コンテンツ５５を望む場合は、調整可能な伝達損失層５０と関連する暗さレベルあるいは不透明レベルを、末端スケールの暗さあるいは半透明な方向へさらに大きくすることが可能であり、そして次に、この層を通過して利用者の眼に届く外側の光の伝達損失を増やし、利用者が見ることが可能な周辺環境の視界を暗くすることになる。利用者が調整可能な伝達損失層５０を完全に暗くあるいは半透明にする場合は、投影された視覚コンテンツ５５しか見ることができなくなり、外側の周囲環境は完全に遮断されることになる。しかしながら、利用者が調整可能な伝達損失層５０を完全に透明になるように調節すれば、周辺環境の明るい視界が得られる一方で、視覚コンテンツのかすかな投影像を未だ見ることができる。外部ダストカバー４７が未処理の透明な外部ダストカバーであり、また調整可能な伝達損失層５０が完全に透明であるように調整される１つの実施の形態においては、利用者は完全輝度で周辺環境を見ることになる。しかしながら、外部ダストカバー４７が部分ミラーになっている実施の形態では、周囲環境からの全ての光が外部ダストカバー４７を通過して利用者の眼に届くのを妨げる部分ミラーによる伝達損失のために、周囲環境は実際のものより僅かに暗く見えることになる。利用者が見て投影された視覚コンテンツ５５の輝度を調整する１つの別の方法は、発光視覚ソース２０の出力を明るくするか、それとも暗くするかである。

別の実施の形態では、調整可能な伝達損失層５０は、単に全部取り外し、外部ダストカバー４９の外面に取り付けられる、サングラスに類似の伝達損失レベルを固定した１組の暗くしたフィルターと取り替える可能性がある。これらのフィルターであれば、一定の割合の入射光のみの通過が可能になるであろう。さらに他の別の実施の形態では、調整可能な伝達損失層５０は全く存在しなくて、外部ダストカバー４７自体は略透明な暗くしたフィルター１式とすることができる。この実施の形態では、複合現実感の視界における投影された視覚コンテンツ５５および周囲環境の両方の輝度は、透明外部ダストカバー４７が作られる透明材料の色および／または陰によって主に決定することができる。例えば、透明外部ダストカバーが炭色であるならば、このことにより、外部ダストカバー４７を通過する外部光の伝達損失がおこることになるであろう。この場合は、投影された視覚コンテンツは、より明るく見えるであろうし、一方、周囲環境の視界は、外部ダストカバー４７が色なしの透明材料であるとする場合より暗く見えるであろう。

さらに、前面ダストカバー４６および外部ダストカバー４７は両方共に透明であるか、あるいは、両カバーにより利用者が実世界周囲環境を見ることができる前述のどの実施の形態においても、二次視界ハウジング４５は、利用者に処方調整の焦点補正を施すための度付きレンズ（図示なし）を、もしそれを通して周辺環境を明瞭に見る必要があれば、取り付けることができるように構成される。別の実施の形態では、二次視界ハウジング４５の前面ダストカバー４６は、利用者がそれを通して周辺環境を見ている場合の、利用者からの処方調整の焦点補正の要求に特定した、常時度付きレンズとすることができる。

さらにまた別の実施の形態では、外部ダストカバー４７は、それを通して利用者が周辺環境を見ることを妨げる、常設で略不透明な外郭構造とすることが可能である。このように、利用者は、最終反射光学面３６でもある外部ダストカバー４７の内面４８から反射する投影された視覚コンテンツの反射光のみを見ることができる。さらに、この別の実施の形態では、外部ダストカバー４７を通して見ることが可能でないので、補正レンズ形状は外部ダストカバー４７の外面４９に形成する必要がない。

図３Ｂを参照して、前で開示したように、ＨＭＤ装置５は第１および最終反射光学面３１、３６を備えており、また１つの実施の形態では、少なくとも１つの中間反射光学面（表示なし）を備えている。１つの実施の形態では、ＨＭＤ装置５はトータルで５つの反射光学面を有する装置であり、少なくとも１つの中間反射光学面３２は第２、第３、第４の反射光学面３３、３４、３５を備えている。この実施の形態において、第１および第３の反射光学面３１、３４は凹面であり、第２、第４の反射光学面３３、３５は凸面であり、そして第１、第２、第３、第４の反射光学面３１、３３、３４、３５の各々は一次伝達ハウジング４０内にある略総鏡張りの面である。さらに、１つの実施の形態で前に開示したように、最終反射光学面３６はポリカーボネートなどの透明材料で構成される外部ダストカバー４７の凹状透明内面４８である。しかしながら、前述の５つの反射器ＨＭＤ装置の開示は、ＨＭＤ装置の範囲を５つの反射光学面を用いるそれらのＨＭＤ装置のみに限定するよう解釈してはならない。したがって、５つより少ないあるいは多い反射光学面を用いて、また継続して本開示の範囲内にある別の実施の形態は存在し得る。

図５および６を参照して、別の実施の形態において、ＨＭＤ装置５は反射光学面計３つを有する装置であり、少なくとも１つの中間反射面３２が第２の反射光学面３３を備えている。この別の実施の形態では、第１の反射光学面３１は凹面で、第２の反射光学面３３は凸面であり、第１および第２の反射光学面３１、３３の両方は、一次伝達ハウジング４０内にある略総鏡張りの面である。さらには、最終反射光学面３６はポリカーボネートなどの透明材料で構成される外部ダストカバー４７の凹状透明内面である。
反射光学面形状の決定

１つの実施の形態において、各々の反射光学面の幾何学形状は、ＨＭＤシステムの開発者により選択され、且つ入力値を設定した個別デザイン入力変数の広範なリストに基づいて反射光学面の形状を定めるために、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓで書かれたＣＯＤＥ−Ｖ、ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで書かれたＺＥＭＡＸ，あるいはＳｉｎｃｌａｉｒ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｉｎｃで書かれたＯＳＬＯなどのハイエンドの光学デザインソフトウェアを用いて決定される。これらの前述例の各々のハイエンドの光学デザインソフトウェアパッケージは光学システムデザインでの当業者にはよく知られているべきものである。

各ミラーの形状および各ミラーの形状を定める関連アルゴリズムは、ソフトウェアにより出力され、また、システム開発者により選択される、且つシステム開発者により設定された入力変数数値を有する、かなりの数の入力変数に基づいて決定される。これらの変数は、望ましい全体システムもしくは特定デザイン要件に基づいて選択される特定デザインパラメータである。１つの実施の形態では、幾何学形状を出力するコンピュータ解析を、および幾何学形状を定める関連アルゴリズムを動かす前に、ソフトウェア操作員は個別にデザイン入力変数とそれらに関連する値を選び、光学デザインソフトウェアに入力する。どのコンピュータ解析も走らせる前に、変数の値が決定されソフトウェアに入力されるデザイン変数の非常に長いリストには、別々の反射光学面の望ましい数、および／または主に反射利用総合的システムの屈折要素；各反射光学面は、凹状、凸状、平状、別の固有な形状、あるいはこれらの組み合わせになるのか；最終反射光学面に関する射出瞳距離の望ましい範囲；アイボックスの望ましい寸法；反射総合システムの望ましいＦＯＶ角；ＨＭＤ装置利用者が気づくことのできる糸巻き形歪あるいは樽形歪などの、満足のいくあるいは望ましい視覚コンテンツの歪の量；総合システムパッケージ（すなわちパッケージエンベロープ）の望ましい寸法；視界の望ましい出射角；複合現実感を見ることを望むか；投影光波が視覚ソース２０からシステムに入る方法、および光波が最終光学面３６からシステムを出射する望ましい方法；および全体システムが眼の上、眼の下、眼器官の横にあることを望むか、がある。このリストは、決して変数の完全なリストではなく、考えられるシステムデザインの選択入力変数の実例となるものとして提示している。ソフトウェア解析の出力に、および各反射光学面の形状を定める、結果として生じるどんな数学的アルゴリズムにも影響するデザイン変数が他に存在する。ソフトウェアに入力される変数は、望ましい全体システム、あるいはＨＭＤシステムの特定のデザイン要件によって決まる。

上で言及した前述のデザイン変数をさらに明らかにし且つ意味を明確にするために、以下に説明する。射出瞳距離は利用者の眼の瞳孔から最終反射光学面の中心点までの距離のことである。アイボックスは仮想領域のことであり、これを通して最終反射光学面から来る近接並行の光束が利用者の眼に入る。アイボックスは、利用者の眼の瞳孔より大幅に大きくない場合は、少なくとも瞳孔程度の大きさである直径で定められた円形領域であることが多い。例えば、平均照明の状況で一般的な利用者に直径２ｍｍの瞳孔がある場合は、直径１０ｍｍのアイボックス寸法を選ぶのが望ましい。これで、利用者は自分の眼の瞳孔を上、下、左、あるいは右の方向にアイボックス内で、動かすことができるであろうし、また最終反射光学面で反射される、且つ１０ｍｍより大きいアイボックスを通過している視覚コンテンツを見失うことはないであろう。前で論じたように、ＦＯＶは、利用者が最終反射光学面で反射した観察できるコンテンツを見ることが可能である掃引角度範囲（たいていは、斜め角度）のことを言う。全体のシステムパッケージの寸法、すなわち「パッケージ・エンベロープ」は、全光学系ハウジングを含めた全体のＨＭＤ装置の外形寸法のことを言う。最後に、視界の出射角は、複合現実感の視界で利用者がＨＭＤ装置を装着している間にＨＭＤ装置を通して外部世界を見ることが可能な全体許容視野角度のことを言う。

一旦、変数が選ばれ、それらの望ましい値がシステム設計者により決定されていれば、各反射光学面の全体の幾何学的形状、および相対する且つ利用者の眼を基準とするそれらの関連位置を決定するために、この設計者は光学デザインソフトソフトウェアの解析部分を開始しコンピュータデザイン解析を走らせる。解析が完了すると、ソフトウェアは各幾何学的な面の形状を定める複雑なアルゴリズムを出力する。入力変数の重要な数のたった１つでも変更される、あるいは僅かでも修正される場合は、各反射光学面の幾何学的形状、それらの相対的位置、および幾何学的面を定める、結果として生じる数学的アルゴリズムは完全に変化する。したがって、各面の形状を定めるのに使用する１つの特定一般式のみがあり、これは入力変数の選ばれたセットの特定値に基づく。したがって、入力変数についての非常に多くの選択肢およびこれらの変数の対応する非常に多くの値があるので、考えられる反射光学面形状の数は全く文字通り無限にあり、またそれらの形状を定めるための関連のアルゴリズムの数が無限にあり、全ての形状は、選ばれる個別の入力変数およびそれらの選択値の特定の組み合わせに基づいている。
ＨＭＤ装置の操作

図１を参照して、動作において、５つの反射器式ＨＭＤ装置５の１つの実施の形態は次の通り作動する。ＨＭＤ装置利用者は、１対のメガネを装着するが如く、ＨＭＤ装置５のフレーム１０および取り付けた光学系ハウジング１５を自分の頭に装着する。光学系ハウジング１５は、第二視界ハウジング４５が利用者の眼の前に置かれ前面ダストカバー４６および外部ダストカバー４７が利用者の直接視線上に置かれるように配置する。利用者は、まず透明前面ダストカバー４６を通して見て、次に周囲環境を見るために透明外部ダストカバー４７を通して見る。利用者が少なくとも２０／２０視力をもともと持っていなくて、２０／２０視力を実現するためにあるタイプの度付きレンズ補正を一般に用いる場合は、度付きレンズは利用者の眼と前面ダストカバー４６の間の二次視界ハウジング４５の前面ダストカバー４６に取り付けることができる。

電力は外部ダストカバー４７と連通している可変半透明層５０と共に発光視覚ソース２０の両方に供給される。視覚入力信号は発光視覚ソース２０のソース入力に送られる。発光視覚ソース２０はこの視覚入力信号を受けて、投影される視覚コンテンツに変換する。５つの反射器式ＨＭＤ装置（３つの反射器式ＨＭＤ装置は図６および８を参照）に対して図３Ｂおよび７を参照して、発光視覚ソース２０に表示された視覚コンテンツは、そこから凹状の第１の反射光学面３１に投影される。次に凹状の第１の反射光学面３１は投影された視覚コンテンツを凸状の第２の反射光学面３３に反射する。次に凸状の第２の反射光学面３３は投影された視覚コンテンツを凹状の第３の反射光学面３４に反射する。次に凹状の第３の反射光学面３４は投影された視覚コンテンツを凸状の第４の反射光学面３５に反射する。第１、第２、第３および第４の反射光学面３１、３３、３４および３５の各々は略総鏡張りの面である。次に凸状の第４の反射光学面３５は投影された視覚コンテンツを凹状の最終反射光学面３６に反射する。最終反射光学面は、１つの実施の形態では、透明な外部ダストカバー４７の内面４８でもある。透明な外部ダストカバー４７の内面４８と、それに応じて最終反射光学面３６は、前に説明したように、部分ミラーとすることができる。次に凹状の最終反射光学面３６は、前面ダストカバー４６およびそれに取り付けられたどんな度付きレンズも通して、投影された視覚コンテンツを反射して利用者の眼に入れる、より具体的には視覚コンテンツが拡大されピントが合って現れる仮想のアイボックスに届く。

しかしながら、本実施の形態の動作の開示は、投影された視覚コンテンツは複数の反射光学面３０の各々で反射される順番を限定するように解釈してはならない。言い換えれば、視覚コンテンツが反射光学面で反射される順番は、連続番号順に起こる反射のみに限定せず、各反射面は視覚コンテンツの１回の反射に利用されるだけである。

例えば、特定の望ましい倍率およびＦＯＶ角度を実現するために、他の状況では７つの光学面を用いることになるシステム（すなわち、視覚コンテンツが反射する順番は、反射器＃１、反射器＃２、反射器＃３、反射器＃４、反射器＃５、反射器＃６、反射器＃７である）では、３つの別々の反射光学面で他の状況では実現することになるものの反射（すなわち、投影された視覚コンテンツの反射順は、反射器＃１、反射器＃２、反射器＃３、反射器＃１、反射器＃４、反射器＃５、反射器＃１である）を行うために、５つの反射光学面の１つを用いることによって同じ倍率およびＦＯＶは５つの反射光学面のみで実現可能となることがある。

１つの実施の形態の動作の開示を続けるが、利用者の眼に投影された視覚コンテンツは、十分に明るくあるいは明瞭で、且つピントの合っている利用者が即座に見えない場合は、利用者のシースルー視野を改善し最良にして、且つさらにバランスの取れた複合現実感の視界を実現するために、利用者がＨＭＤ装置５に行うことの可能な調整がいくつかある。まず図９Ａ〜９Ｃを参照して、投影された視覚コンテンツの明るさについて、視覚コンテンツが十分に明るくないと利用者が感じる場合には、当該層５０をさらに暗くしてより半透明にするために、利用者は可変調整可能な伝達損失層５０の調整が可能であり、また視覚コンテンツ投影像がより明るく見えるようにするために、今度はこの層を通る外部光の伝達損失を増やすことが可能である。しかしながら、そうすることで、周囲環境から利用者の眼に入射する光の量を減らすことにもなり、そのため複合現実感の視界で投影された視覚コンテンツを通して見られる実世界の周囲環境の利用者の視界を暗くする。逆に、利用者の周囲環境の視界が暗すぎて見えない場合、あるいは単に利用者が望む輝度レベルではない場合は、利用者は調整可能な伝達損失層５０を調整し、当該層５０をより明るく、さらに透明に見えるようにできる。このことで、当該層を通る外部光の伝達損は減少し、周囲環境からの光はもっと多く当該層５０を通って利用者の眼に届くことが可能になる。しかしながら、このことは、複合現実感の視界では利用者に対して投影された視覚コンテンツをより明るくする、すなわち、あまり鮮明でないようにする作用がある。

次に、図４を参照して、利用者が見る投影された視覚コンテンツの明瞭度について、投影された視覚コンテンツが明確にピントが合っていない場合は、発光視覚ソース２０を一次伝達ハウジング４０の内側にある第１の反射光学面３１に接近したり、そこから離れるように動かして、利用者はジオプター調整器２５をマニュアル調整できる。このため、投影された視覚コンテンツの最終焦点の位置を利用者の眼の中にすなわちアイボックス内に対応調整することになり、したがって利用者は視覚コンテンツに明確に焦点を合せることができる。

ここで今開示しているように、主に反射利用のＨＭＤ装置５に関連する主要な利点の１つは、投影された視覚コンテンツの拡大および焦点合わせを実現するために、装置内に重いどんなメガネすなわちアクリル回折レンズおよびどんな取り付け器具も不要であるので、ＨＭＤ装置５は、利用者が装着するのに極めて軽量で快適であり、入手できる他のどんなＨＭＤ装置よりもそうである。さらに、反射型光学系は、別々になった高価な屈折レンズを必要としないため、ここに開示したＨＭＤ装置に関連する製造コストは、消費者、商業、軍用市場で現在入手できる他のＨＭＤよりかなり少ない。これは、言い換えると、最終ＨＭＤ装置の購買価格が著しく低いということにもなる。さらに、ここで開示している主に反射利用のＨＭＤ装置５は大きいテキスト可読ＦＯＶ角度が実現可能であり、ＨＭＤ装置５に大幅なコストまたは重量を加えないで、当該装置の１つの実施の形態から当該装置の別の実施の形態にＦＯＶ角度を拡大することが可能である。最後に、ここで開示しているＨＭＤ装置の別の利点は、主に反射利用のＨＭＤ装置５の光学系ハウジング１５は極めてコンパクトであるために、ＨＭＤ装置５が接眼型装置であることである。
ＨＭＤの実施の形態の物理的概略説明

１つの実施の形態によるＨＭＤは、利用者が装着する部品であり、電子的に生成した画像の立体画像を提供する。この画像は、一般にプロセッサー生成、あるいはコンピュータ生成のものであり、静止画像あるいは動画とすることができる。この画像は、写真、図形、文字、あるいは他の種類の視覚素材を含むことができる。いくつかの使用ケースでは、利用者が見る画像は利用者に完全な没入型体験をしてもらうように外光から遮ることができる。いくつかの使用ケースでは、利用者が見る画像は、利用者に「拡張」現実視界を提供することができる、すなわち画像を利用者の周りの実世界の外部視界に重ねることができる。

ＨＭＤ１０２についての有利な実施の形態の集合図は、図１０〜１３に示している。図１０はＨＭＤ１０２の等角の正面図を一般に示す。図１１は、利用者がＨＭＤ１０２を見通している斜視図による背面図を示している。図１２は、ＨＭＤ１０２の上面図を示し、図１３はＨＭＤ１０２の側面図を示している。

方向軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、図１０〜１３に定めている。一般にＸ軸はＨＭＤ１０２を装着する利用者に従って水平に左から右として定義する。Ｘ軸は概ねＨＭＤ１０２の外枠１０６の上部１０４を辿る。フレーム１０６を含むＨＭＤ１０２の構造は、以下で詳細に説明する。ＨＭＤ１０２が使用中で利用者は立った姿勢でいるかあるいは真っ直ぐ着席している場合に、Ｙ軸は重力基準にほぼ一直線に合っている垂直軸として定義する。最後に、利用者が前方向でＨＭＤ１０２を通して前方を見ている場合に、Ｚ軸はＨＭＤ１０２の利用者の「視線」とほぼ一直線に合わせることとして定義する。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸は互いに概ね直交している。

方向については、Ｘ軸に沿って左と右は、利用者の左眼および右眼に対応するものを意味する。Ｙ軸に対して上方向および下方向は、利用者が真っ直ぐに立っていてＨＭＤ１０２を装着している場合に、基準の重力フレームを意味する。Ｚ軸に対しての前方は、利用者の視線方向であって利用者から離れることを意味する。Ｚ軸に対しての後方は、Ｚ軸に対して前方向と反対であり、利用者に向かう。

図１０〜１３に図示されている他の特徴は、外枠１０６の上部１０４に沿って、且つ該上部より下に配置された２つのマイクロディスプレイ機構１０８である。各マイクロディスプレイ機構１０８のＸ位置は、利用者の各々の眼のＸ位置と略同じである。各マイクロディスプレイ機構１０８は、マイクロディスプレイの位置をＸおよびＺ軸に沿って調整するための位置決め機構に搭載の小さなマイクロディスプレイを含んでいる。位置決め機構には、Ｘ軸に沿ってマイクロディスプレイを動かすためのＸ軸位置調整器１１０があり、またＺ軸に沿ってマイクロディスプレイを動かすためのＺ軸位置調整器１１２がある。マイクロディスプレイ機構１０８について、構成部品、動作および組み立てを含めて、以下で詳細に述べる。
光路

１つの実施の形態によるＨＭＤ１０２の光路は、主としてマイクロディスプレイおよび一連の非回転対称の、自由形状の反射光学系で定められる。このことは、光学要素は光線束の焦点を通る光路に概ね沿っている軸に対して回転対称ではないことを意味する。実質的に光学要素は非球状要素（非球面自由形状）である。マイクロディスプレイは非常にコンパクトで、一般的に大きさは（対角線上で）０．３７インチから（対角線上で）０．９７インチである。ミラーあるいは反射器あるいは反射光学面は、利用者の視線（例えば、Ｚ軸）と概ね一致している軸に対して前後に光を反射するように一般に配置している。例示的な実施の形態において、本技術は光伝達媒体として空気のみを用いる。大部分のＨＭＤ光学システムでは、光路に回折指数が大きい材料を利用する。このため空気を用いる場合より重量とコストがかさむことになる。各々の反射器は（例えば、１つの実施の形態で３つの反射器）は概ね細長く、長軸は水平軸（例えばＸ軸）に沿っており、また短軸は垂直軸（例えばＹ軸）に沿っている。各々の反射鏡は、水平Ｘ軸に対して自由形状、あるいは非対称である一方、垂直Ｙ軸に対して対称である。反射鏡はそれぞれ凹状かあるいは凸状である。実施の形態において、ＨＭＤ１０２は、マイクロディスプレイで光が反射される順番でＭ１、Ｍ２、Ｍ３と称する３つの反射面すなわち鏡張り面を備えている。例示的な実施の形態では、Ｍ１が凹状、Ｍ２が凸状、およびＭ３が凹状になっている。

例示的な実施の形態において、
（１）マイクロディスプレイは概ね前方、すなわち利用者の視線に対して利用者から離れる方向を向く。
（２）Ｍ１ミラーは垂直Ｙ軸に対してマイクロディスプレイのちょうど下に配置し、概ね後方、利用者に向かって向いているミラーの反射面を備えている。
（３）Ｍ２ミラーは垂直Ｙ軸に対してＭ１ミラーのちょうど下に配置し、概ね前方、利用者から外側に向いているミラーの反射面を備えている。
（４）Ｍ３ミラーは垂直Ｙ軸に対してＭ２ミラーのちょうど下に配置し、概ね後方、利用者に向かって向いているミラーの反射面を備えている。

光路はマイクロディスプレイからの光および画像を、Ｚ軸に沿って利用者の視線に対して行ったり来たりする方法で、また重力基準およびＹ軸に対して垂直に下方へ通し、光が利用者の眼に届くまで、連続する各ミラーで光線束を反射させる。光路は（１）マイクロディスプレイからＭ１まで、（２）Ｍ１からＭ２まで、（３）Ｍ２からＭ３まで、および（４）Ｍ３から利用者の眼までである。

拡大画像を生成するこの方法は、非瞳孔形成システムを組み込んでおり、テレセントリック光路を瞳孔に組み入れる。言い換えれば、現在開示のシステムで利用者の眼に入射する光線は、利用者の瞳孔の位置に関係なく、画像が常に見えるように平行である。８ｍｍ程度の幾分大きな射出瞳が形成される。ＨＭＤ１０２のこれらの態様はビネットのない、眼の最大の快適さおよび見易さをもたらす。言い換えれば、画像輝度の低下がない、あるいは画像中心と比較して周辺部で彩度の低下がない。この小さな形状ファクターにおけるこの大きさの視野は、この光学解決策より前には可能になっていなかった。

ＨＭＤ１０２の光学部品によって定められた光路１１４の説明図を図１４および１５に示す。光路１１４は、マイクロディスプレイ１１６と利用者の眼１１８の間で単に反射的として図示される。マイクロディスプレイ１１６と利用者の眼１１８の間には、一連の自由形状の反射光学系、すなわちミラーがある。ミラーは非対称であるので、すなわち中央光路に対して対称的でないので自由形状のものと称される。ミラーは図１４および１５に関して図示された例示的な実施の形態において垂直Ｙ軸に対して対称的である。

光路１１４は画像を放射する概ね比較的小さなパネルである矩形のマイクロディスプレイ１１６から始まる。１つの実施の形態で、マイクロディスプレイ１１６は、０．２インチと１．０インチの間の対角長さがある。消費者向装置例の場合、対角長さは望ましくは０．３インチから０．６インチの範囲である。１つの実施の形態で、消費者版のマイクロディスプレイの対角長さは、約０．３７インチである。軍用の実施の形態の場合は、対角長さは約０．９７インチである。

マイクロディスプレイ１１６の画像放射技術の例として、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）ディスプレイ、ＬＣＯＳ（反射型液晶パネル）ディスプレイ、あるいはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）がある。図１４を参照して、マイクロディスプレイ１１６からの画像は第１の光路区分１２０に沿って通過しＭ１ミラー１２２に至る。第１の光路区分１２０は、マイクロディスプレイ１１６とＭ１ミラー１２２の間で概ね拡散する光線を含んでいる。第１の光路区分１２０の光線は平均的にＺ軸とほぼ平行であるが、Ｚ軸に対して鋭角を定める。第１の光路区分１２０は、概ねＺ軸に沿ってマイクロディスプレイ１１６から前方に、Ｙ軸に沿って下方に向けられる。

第１のＭ１ミラー１２２は長軸をＸ軸に沿って配置し短軸をＹ軸に沿って配置した細長い形状をしている。しかしながら、Ｍ１ミラーは平面状ではなく、むしろ凹状であるが、その程度は概ねＸ軸およびＹ軸に沿って小さなＺ軸成分があるというものである。

第２の光路区分１２４は、ＭＩミラー１２２とＭ２ミラー１２６の間に広がっている。第２の光路区分１２４は、Ｚ軸に対してＭ１ミラー１２２から後方に、またＹ軸に対して下方に概ね向けられる。Ｍ１ミラー１２２は凹状であるため、第２の光路区分１２４に沿った光線は概ね集束する。

Ｍ２ミラー１２６は、概ね凸状をしており、Ｘ軸に沿って長軸を配置し、Ｙ軸に沿って短軸を配置した細長い形状をしている。第３の光路区分１２８はＭ２ミラー１２６とＭ３ミラー１３０の間に広がっている。第３の光路区分１２８はＺ軸に沿ってＭ２ミラー１２６から前方に、Ｙ軸に沿って下方に概ね向けられる。Ｍ２ミラー１２６は凸状であるため、第３の光路区分１２８に沿った光線は概ね発散する。

Ｍ３ミラー１３０は凹状であり、Ｘ軸およびＹ軸に沿って概ね配置される。第４の光路区分１３２はＭ３ミラー１３０と利用者の眼１１８の間に広がっている。第４の光路区分１３２はＺ軸に沿ってＭ３ミラー１３０から後方に、Ｙ軸に沿って下方に概ね向けられる。Ｍ３ミラー１３０は凹状であるため、第４の光路区分１３２に沿った光線は利用者の眼１１８に向かって概ね集束する。

Ｍ１、Ｍ２およびＭ３ミラー１２２、１２６、１３０は主にＸおよびＹ軸に沿って一般に配置される。しかしながら、全体の光路１１４の定めるために、これらのミラーはＸ軸に対して全体的に傾斜していてもよい。したがって、これらのミラーを少しばかりＺ軸にも沿って置くことができる。また、これらのミラーは非平面状になっているので、この説明は完全に正確ということではない。

以上から分かるように、第１、第２、第３、第４の光路区分１２０、１２４、１２８、１３２を含めて全体光路１１４は、光線がマイクロディスプレイ１１６から利用者の眼１１８までの光路１１４を進行する際に、Ｚ軸に対して前方後方交互に向けられながら、Ｙ軸に対して下方に、累進的にあるいは単調に向けられる。光路１１４はマイクロディスプレイ１１６と利用者の眼１１８の間を交互に発散して集束している。この光路についての１つの興味ある態様は、レンズ絞りが無いということである。言い換えると、光線束が一点に集束し反転するという点がないことである。大部分の光学システムは光路にレンズ絞りを用いる。１つの実施の形態によるＨＭＤ１０２の光路は、利用者の瞳孔を当該システムのレンズ絞りとして活用する。この直接路光学拡大器は、非瞳孔形成の、テレセントリック射出瞳の光線束を生み出す。この種の光学システムでは自然でリラックスした鑑賞感が得られる。

図１４および１５に図示された光路で広い視野角（ＦＯＶ）を得ることが可能である。ＦＯＶは、完全重複、部分重複、あるいは零重複に関して説明可能である。完全重複は、左右の画像が同じ視野角に対処するように互いに完全に重なり合う場合である。零重複は、左右の画像が別の視野角を覆う場合である。部分重複は、左右の眼に固有な部分と重複する視野角を有する画像の中央部がある場合である。

図１４および１５に関して説明した光路で、完全重複のＦＯＶを４０°より上で、５０°より上で最高６０°、あるいは６０°より上にすることが可能である。 図１４および１５に関して説明した光路で、零重複のＦＯＶを８０°より上で、１００°より上で最高１２０°、あるいは１２０°より上にすることが可能である。部分重複の使用可能なＦＯＶ値は、完全重複のＦＯＶと零重複のＦＯＶの間で補間したものになろう。
光学系の構造支持体

別々の外部非光学支持部メガネフレームの内側に存在する別々の光学支持部サブシャーシを利用する実施の形態がいくつかある。光路の機構的支持部には、全光学部品を支持すること、および軽量なメガネセットに構成可能な形状ファクターを提供することを含むマルチ機能を施す枠組み構造がある。枠組み構造は熱膨張係数が小さく、弾性係数の大きい材料で作られる。例示的な実施の形態では、サブシャーシは、射出成形または鋳造マグネシウム合金で形成される。さらに例示的な実施の形態では、この合金は主にマグネシウムで、アルミニウム、マンガン、亜鉛および他の金属も含むマグネシウム合金成分のＡＭ６０Ｂである。ＡＭ６０Ｂの極限引張強度は２２０ＭＰａである。ＡＭ６０Ｂの引張降伏強度は１３０ＭＰａである。結果として生じる鋳型材料の密度は１．７９ｇ／ｃｍ^３である。

取り付けの光学部品を含む枠組み構造は、光学要素を受け入れるため、および組み立てを容易にするための正確で重要な基準線を設けるような方法で組み立てられる。枠組み構造には垂直Ｙ軸に対して上縁部および下縁部があり、両縁部間に基準線で２つの開口部の範囲を定めている。上縁部に形成しているのは、水平Ｘ軸で利用者の眼とおおまかに位置合わせをしている２つのポケットで、別の基準線を含んでいる。各ポケットはマイクロディスプレイを支持するマイクロディスプレイ機構を収容するように構成されており、このマイクロディスプレイ機構は枠組み構造基準線にある機構自身の位置合わせ用タブを含んでいる。ポケット内に設置すると、各マイクロディスプレイ機構は上縁部から下縁部に向かって下方に伸びる。例示的な実施の形態において、各ポケットは上縁部から下縁部に向かう距離の半分未満まで伸びる。例示的な実施の形態において、各マイクロディスプレイが利用者の視線に対して前方に、すなわち利用者の眼から離れて、面している。例示的な実施の形態において、各マイクロディスプレイ機構は、利用者が各マイクロディスプレイの焦点および水平位置を調整する仕組みを提供している。

ポケットの下方端部あるいは末端部には、１つの実施の形態ではＭ２ミラー１２６と称する光学要素の取付け台がある。Ｍ２ミラー１２６は、利用者の視線に対して前方に面する凸状ミラーである。

枠組み構造の２つの開口部の各々は、複合光学要素を収容するように構成される。複合光学要素は光学的に透明で低比重、高耐性の寸法的に安定した材料で形成される。例示的な実施の形態では、透明な材料はシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）族のポリマーである。

複合光学要素およびＭ２ミラー１２６に用いる材料例はＺＥＯＮＥＸ Ｆ５２Ｒである。この材料の特徴は、極度に少ない複屈折、および厳しい条件（高温および高湿）下での優れた安定性である。屈折係数は１．５３５である。複屈折比は０．５である。ガラス転移温度は１５６℃である。

各複合光学要素は、Ｍ１反射光学面すなわちミラー１２２、およびＭ３反射光学面すなわちミラー１３０を含む２つの光学要素を定め、これらは両方とも凹状ミラーで、利用者の視線に対して後方に、言い換えれば利用者の眼に向かって戻る方を向いている。これらの複合光学要素は、光学フレームの基準線に相互に関係するそれ自体の位置合わせタブを組み込んでおり、これで組み立て時の光学位置合わせが容易になる。

したがって単一の枠組み構造が、２つのマイクロディスプレイ組み立て品（利用者の２つの眼の各々に対して１つ）、２つの複合光学要素、および各々の眼の光路を一括して定める２つの凹ミラーを堅く支持する。各々の眼の光路はマイクロディスプレイで始まり、次に（１）Ｍ１ミラーまで前方に、（２）Ｍ１ミラーからＭ２ミラーまで後方に、（３）Ｍ２ミラーからＭ３ミラーまで前方に、（４）Ｍ３ミラーから眼まで後方に行ったり来たりする。

それゆえ、枠組み構造は、１対のメガネの主要構造部として機能すると同時に、一連の光学系を精密な位置合わせ状態で保持する。この方法で組み立ては容易になり、光学要素およびマイクロディスプレイ保持器／機構の位置合わせは非常に精密になる。従来のメガネフレームとは異なり、この枠組み構造は物理係数が非常に大きく、ＨＭＤの光学路に適した精密な光学位置合わせを行えるくらい寸法的に安定している。これらの特徴である独特の幾何学的配置により、非常に低い外形とコンパクトな光路が可能となる一方で、利用者は焦点および瞳孔間距離の調整が可能である。

図１６および１７は、光路１１４を定めるＨＭＤ１０２の構造的特徴を図示している。図１６は、実質的に光路１１４の機械的バックボーンである枠組み構造１３４の後方斜視図である。光学部品の方向配置あるいは位置合わせでの小さなエラーは利用者が見る画像に悪影響するので、実施の形態はミラー１２２、１２６、１３０およびマイクロディスプレイ１１６の正確で安定した位置合せ状態を保持する。光学構造の態様は、枠組み構造１３４である。枠組み構造１３４は非常に十分な強度を有し、同時に極めて軽量であるべきである。

したがって、１つの特性は枠組み構造１３４の比重である。１つの実施の形態では枠組み構造材料の比重は３未満である。別の実施の形態では比重が２未満である。例示的な実施の形態では、比重は１．５から２．０の範囲にある。メガネが過剰に重いと著しく使い心地が悪いために、比較的比重が小さい材料が利用者の快適さのために用いられる。

例示的な実施の形態では、枠組み構造１３４は、射出成形または鋳造マグネシウム合金で作られる。これにより、軽量な高性能フレームが非常に効率的且つ低コストの工程で形成することが可能である。一般的なマグネシウム合金は、マグネシウムに加えて、いくつかの要素例を挙げると、ある量のアルミニウム、マンガン、シリコン、銅、亜鉛およびニッケルを含むことが可能である。このような合金の例として、いくつかの例を挙げると、ＡＭ６０Ａ、ＡＭ６０Ｂ、ＡＺ７１Ｅ、ＡＺ９１Ａ、ＡＺ９１Ｂ、ＡＺ９１Ｃ、ＡＺ９１ＤおよびＡＺ９１Ｅの合金名で知られている材料がある。

ＡＭ６０ＡおよびＡＭ６０Ｂ合金は、約２２０ＭＰａ（百万パスカル）すなわち約３２ＫＳＩ（千ポンド／平方インチ）の引張力がある。降伏強度は約１３０Ｍｐａである。引張力での弾性係数は約４５Ｇｐａ（ギガパスカル）すなわち約６．５百万ＰＳＩ（ポンド／平方インチ）である。これらの材料で際立っていることは、約１．８（２０℃の測定で１，８ｇ／ｃｍ^３）の低比重であることである。したがって、これらの合金で、枠組み構造１３４用に並外れて軽量且つ強靭な材料が得られる。上記に掲げた他の鋳造マグネシウム合金には同様の特性がある。

枠組み構造１３４は上縁部１３６および下縁部１３８を備えており、この両縁部間で開口部１４０の範囲を定めている。上縁部１３６はＹ軸に対して枠組み構造１３４の上部を定める。下縁部１３８はＸ軸に対して枠組み構造１３４の下部を定める。

図１６を参照して、Ｙ軸に対して下方に伸びている２つのポケット１４２は上縁部１３６の部分で範囲を定められている。各ポケット１４２はマイクロディスプレイ機構１０８を収容するように構成される。Ｙ軸に対して各ポケット１４２の下方範囲あるいは末端範囲に、Ｍ２ミラー１２６を支持するように構成された取付け台１４４がある。

枠組み構造１３４の開口部１４０は各々、複合光学要素１４６を収容して支持するように構成される。

図１７に示すように、複合光学要素１４６は、光路１１４に対して両方とも凹形状をしているが、主にＸおよびＹ軸に沿って配置される。各々の複合光学要素１４６は、Ｍ１ミラー１２２およびＭ３ミラー１３０を含む、２つの別々の光学要素を備えるという意味で、「複合物」である。例示的な実施の形態では、複合光学要素１４６は光学的に透明で、軽量で、寸法的に非常に安定している、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）族のポリマーである。

複合光学要素１４６およびＭ２ミラーに使用する材料例はＺＥＯＮＥＸ Ｆ５２Ｒである。この材料の特徴は、極度に少ない複屈折、および厳しい状態（高温および高湿）の下での優れた安定性である。屈折係数は１．５３５である。複屈折比は０．５である。ガラス転移温度は１５６℃である。

Ｍ１ミラー１２２およびＭ２ミラー１２６は両方とも、光路１１４の光学効率を最大にするために、半透明であって且つできる限り１００％反射性に近いものである。一方で、Ｍ３ミラー１３０は、部分的に反射性があり、外部複合光学要素１４６からの外部光を通過させて利用者の眼に届ける。複合光学要素１４６に到達することがある環境光の量を利用者が変更可能なように、エレクトロクロミック被膜は複合光学要素１４６と一緒に用いる。

例示的な実施の形態で、複合光学要素１４６の透明な材料は、屈折力は零であり、利用者は「外部世界」に対してニュートラルで歪のない前方視野を得ることができる。総鏡張り面の周波数応答は、４００ｎｍから８００ｎｍまでの可視光学バンドにおいてできる限り平らである。

別の実施の形態で、Ｍ１およびＭ３ミラーは２つの異なる光学要素で形成することが可能である。こうすれば２つの光学要素の製造を分離することが可能であろうが、しかし全体の組立体に何らかの複雑さが加わることになる。分離する光学要素の機能および特性は、一体化した相当要素と実質的に同じになるであろう。

以上から分かるように、枠組み構造１３４は、マイクロディスプレイ１１６、複合光学要素１４６およびＭ２ミラー１２６を含む、光路の１１４の全ての光学部品を支持することおよび位置合せした状態に保持することを含む多くの機能を果たす。枠組み構造１３４および光学部品の組立体により、堅くて正確で、寸法的に安定した光路１１４を得る一方、非常に軽量で利用者には快適である。図１６および１７に関して説明しているようなこの光学組立体により、図１４および１５に関して説明した視野角（ＦＯＶ）値が可能になる一方、非常にコンパクトで軽量であることが可能となる。
マイクロディスプレイ機構

コンパクトで正確な光路位置合わせ機構がＨＭＤ１０２に設けられる。光路にはマイクロディスプレイ、および画像をマイクロディスプレイから利用者の眼に伝達する少なくとも１つの光学要素を含む。位置合わせ機構は、（１）光路の焦点距離に対応する、利用者の視線に概ね沿っているＺ軸、および（２）利用者の瞳孔間距離（ＩＰＤ）に対応する、視線に水平で横切るＸ軸、の２つの軸に沿って利用者の瞳孔の位置を対応させるように構成される。位置合わせ機構は、これら２つの軸に沿ってマイクロディスプレイを離散的に動かすことで、この対応を果たす。

ＩＰＤを変更するこの機械的な方法により、全体の光学組立体はメガネフレームで静止していることが可能である一方、焦点距離調整で前後の、およびＩＰＤ調整で左右の２軸調整ができる。マイクロディスプレイ保持機構は、Ｍ１ミラーに対してディスプレイを水平に（左側あるいは右側に）移動させる。主に両凹面の反射器であるＭ１ミラーの形状が原因で、ディスプレイの中心線が水平面上で左か右に移動する場合、ディスプレイからの光線がＭ１に偏って入射するので、出力の光線束は左か右に移動し、この光線束からディスプレイの中心線までの距離を変える。

例示的な実施の形態では、マイクロディスプレイ機構全体は、Ｘ方向（左から右）で３０ｍｍより少ない、Ｚ方向（利用者の視線に沿って）で１５ｍｍより少ない、およびＹ方向（ＸとＺに対して垂直に）で２０ｍｍより少ないエンベロープに取り付ける。さらに例示的な実施の形態で、ディスプレイ機構組立体のエンベロープの大きさは、Ｘで２９ｍｍ、Ｚで１３．８５ｍｍ、およびＹで１８ｍｍである。

図１８Ａ〜１８Ｆはマイクロディスプレイ機構１０８の様々な図を示す。図１８Ａおよび１８Ｂは、マイクロディスプレイ機構１０８の様々な要素および組み立て工程を図示するために分解形態のマイクロディスプレイ機構１０８を示す。マイクロディスプレイ機構１０８は、キャリッジ１４８、マイクロディスプレイ保持器１５０、Ｘギア１５２、およびＺギア１５４を含む。キャリッジ１４８は、マイクロディスプレイ保持器１５０の動きを抑止するためのスロット１５５、Ｘギア１５２のシャフト１６６を収容するための開口部１５７、およびＺギア１５４のシャフト１７２を収容するための開口部１５９、を定める。

マイクロディスプレイ保持器１５０は上部１５６および下部１５８を含む。下部１５８はキャリッジ１４８からＹ軸に対して下方に伸び、マイクロディスプレイ１１６を支持する。上部１５６は、上方向に伸びる歯１６０および下方向に伸びる歯１６２を含む。マイクロディスプレイ保持器１５０は、キャリッジ１４８のスロット１５５に収容される外側に伸びるタブ１６１も含む。

Ｘギア１５２は、軸１６６に取り付けられた利用者操作部１６４を含む。軸１６６は、マイクロディスプレイ保持器１５０の上方に伸びる歯１６０と係合するための放射状に伸びる歯１６８を含む。Ｚギア１５４は、軸１７２に取り付けられた利用者操作部１７０を含む。軸１７２は、マイクロディスプレイ保持器１５０の下方に伸びる歯１６２と係合するための放射状に伸びる歯１７４を含む。

図１８Ａ〜図１８Ｂは、マイクロディスプレイ機構１０８の組立体を図示している。図示の組み立て段階で、マイクロディスプレイ１１６は既にマイクロディスプレイ保持器１５０の下部１５８に取り付つけられている。残りの工程は以下からなる。
（１）マイクロディスプレイ保持器１５０の上部１５６は、キャリッジ１４８に組み付けられる。この工程は、タブ１６１がＺ軸に沿ってスロット１５５に収容されることを含む。一旦、タブ１６１がスロット１５５に完全に収容されると、キャリッジ１４８に対するマイクロディスプレイ保持器１５０（それ故にマイクロディスプレイ１１６）の動きは、Ｘ軸およびＹ軸に沿って利用者が操作した動きに抑止される一方、回転動作は抑制される。
（２）Ｚギア軸１７２は、Ｘ軸に沿ってキャリッジ１４８の開口部１５９に挿入される。この挿入の結果、軸１７２の放射状に伸びる歯１７４は、マイクロディスプレイ保持器１５０の下方に伸びる歯１６２と係合する。
（３）Ｘギア軸１６６は、Ｚ軸に沿ってキャリッジ１４８の開口部１５７に挿入される。この挿入の結果、軸１６６の放射状に伸びる歯１６８は、マイクロディスプレイ保持器１５０の上方に伸びる歯１６０と係合する。この係合により、Ｘギア１５２とマイクロディスプレイ保持器１５０の上部１５６の間にラックアンドピニオン動作が生まれる。

図１８Ｃは、Ｘ軸およびＺ軸に沿って、総組み立て形態でのマイクロディスプレイ１０８を図示している。Ｘギア１５２（図１８Ｂ）の利用者操作部１６４をひねると、瞳間距離（ＩＰＤ）を調整するためにＸ軸に沿ってディスプレイ１１６が動く。Ｚギア１５４（図１８Ｂ）の利用者操作部１７０を操作すると、光路１１４の焦点を調整するためにＺ軸に沿ってディスプレイ１１６が動く。

マイクロディスプレイ機構全体１０８は、Ｘ（左から右）で４０ｍｍより少ない、Ｚ（利用者の視線に沿って）で２０ｍｍより少ない、およびＹ（ＸとＺに対して垂直に）で３０ｍｍより少ないエンベロープ内に取り付ける。１つの実施の形態で、マイクロディスプレイは、Ｘで３５ｍｍより少ない、Ｚで１５ｍｍより少ない、Ｙで２０ｍｍより少ないエンベロープ内に取り付ける。さらに例示的な実施の形態で、ディスプレイ機構のエンベロープの大きさは、Ｘで２９ｍｍ、Ｚで１３．９ｍｍ、およびＹで１８ｍｍである。寸法を小さくすることは、嵩張ったヘッドマウントディスプレイを好ましくないと思う消費者である利用者には特に有益である。

図１８Ｄは、Ｘギア１５２の動作を図示するマイクロディスプレイ機構１０８の背面図である。マイクロディスプレイ保持器１５０の上部１５６およびＸギア１５２の軸１６６でラックアンドピニオンの動作が生まれる。このラックアンドピニオンの動作は、軸１６６の放射状に伸びる歯１６８と上部１５６の上方に伸びる歯１６０とが係合することを含んでいる。この係合により、軸１６６の回転運動はＸ軸で上部１５６の直線運動を起こすことが可能である。このラックアンドピニオン装置により、利用者操作部１６４をねじると、マイクロディスプレイ１１６をＸ軸に沿って前後に移動させることができ、マイクロディスプレイ１１６から発生する光線をＸ方向の利用者瞳孔と一列にすることが可能である。それによって、左右のマイクロディスプレイ機構共に加えたこの調整作業でＩＰＤ（瞳間距離）を調整する。

図１８Ｅは、マイクロディスプレイ保持器１５０のタブ１６１と、マイクロディスプレイ保持器１５０の動作を抑止するキャリッジ１４８のスロット１５５との間の係合を図示している。この抑止は、ＸおよびＸに沿っての直線動作に対してである。この係合は、Ｚギア１５４の部分１７０の操作に応じて、マイクロディスプレイ保持器１５０の運動をＺ軸に対して抑止する。

図１８Ｆは、マイクロディスプレイ保持器１５０へのＺギア１５４の動作を図示する。部分１７０（図１８Ｅ）を操作すると、Ｚギア１５４の軸１７２の回転が起こる。軸１７２の回転でＺ軸に沿ってマイクロディスプレイ保持器１５０が移動するように、Ｚギア５４の放射状に伸びる歯１７４はマイクロディスプレイ保持器１５０の下方に伸びる歯１６２と係合する。マイクロディスプレイ保持器のＺに沿った運動で、マイクロディスプレイ１１６から利用者の眼に届く光線の焦点は調整される。
ＨＭＤ組み立て工程

効率的な設計および製造工程により非常にコンパクトで、寸法的に正確で、寸法的に安定した、且つ耐衝撃性のあるＨＭＤが得られる。この設計には、光学部品に対して安定した支持および位置合わせを確実に行える堅くて物理系数の大きい枠組み構造が含まれる。物理係数が比較的低いポリマー外枠は堅い内枠に組み付けられる。外枠は、ＨＭＤを利用者の頭に取り付けるためのメガネのつると一緒に枠組み構造に取り付けられた部品にダストカバーをもたらす。外枠は、物理係数がさらに大きい内枠と、物理係数が比較的低い外部フレームの組み合わせのおかげで衝撃に耐える複合構造をもたらす。

光学部品は、マイクロディスプレイおよび枠組み構造にしっかり固定される少なくとも１つの反射光学要素を含む。光路は、マイクロディスプレイ、少なくとも１つの光学要素、および利用者の眼の間で範囲が定められる。マイクロディスプレイおよび少なくとも１つの光学要素は、枠組み構造が外枠に収容され組み付けられる前に枠組み構造にしっかり固定される。

例示的な実施の形態では、光学要素は（１）光路の部分を形成する２つの反射光学要素を各々が供給する１対の複合レンズ、および（２）第２のミラー要素を含む。これらのレンズは、位置合せタブおよび枠組み構造の嵌合基準線を介して、枠組み構造に直接固定される。複合レンズおよびミラー要素は接着剤を用いて枠組み構造に固定できる。

例示的な実施の形態では、マイクロディスプレイは瞳孔間距離および焦点を利用者が調整可能とするマイクロディスプレイ機構に組み込まれる。マイクロディスプレイ機構を枠組み構造に形成される機械的ポケットに固定することによって、マイクロディスプレイ機構は枠組み構造に組み付けられる。マイクロディスプレイ機構は、枠組み構造の嵌合基準線にある位置合わせ用タブをその構造に一体化している。

この設計でＨＭＤを非常に効率的に組み立てることが可能になる。本設計により、軽量で、コンパクトで、精密で、寸法的に安定し、且つ耐衝撃性のある、従来のどの設計でも実現していないＨＭＤが得られることになる。

ＨＭＤ１０２の全体の組み立て工程は図１９に示される。ステップ１７６に従って、外枠１０６が組み立てられる。図２０は外枠組み立てのさらなる詳細を図示している。ステップ１７８に従って、マイクロディスプレイ機構１０８が図１８Ａおよび図１８Ｂに関して述べたように組み立てられる。ステップ１８０に従って、図２１に詳細内容がある枠組み構造に光学部品が組み付けられる。ステップ１８２に従って、ＨＭＤ１０２の最終組み立てが、図２２に図示するように行われる。

ステップ１７６および１７８は、特定の順で実行する必要がない。しかしながら、ステップ１７８はステップ１８０の前に実行する必要があり、ステップ１８０は１８２の前に実行する必要がある。

図１９のステップ１７６は、外枠１０６の組み立て工程の例示的な実施の形態を示す図２０に従ってさらに詳細に示す。例示的なこの工程は以下のステップからなる。
（１）電子透過型レンズ１８４を外枠１０６に取り付ける。レンズ１８４はダストカバリングとして、またＨＭＤ１０２に入射する可能性のある光を変調する方法として機能する。１つの実施の形態では、当該レンズは接着剤で固定される。
（２）ゴム小片１８５をメガネつる１８６に取り付ける。
（３）メガネつる１８６を外枠１０６に取り付ける。

ステップ１７８の例示的な実施の形態は、図１８Ａおよび１８Ｂに関して既に説明している。図１９のステップ１８０は、枠組み構造１３４に光学部品を組み付けるための例示的な工程である図２１に従って示す。この図示された工程は以下のステップからなる。
（１）左右のＭ２ミラー１２６を取付け台１４４に取り付ける。例示的な実施の形態では当該ミラーは接着剤で取り付けられる。
（２）左右の複合レンズ１４６を枠組み構造１３４に取り付ける。取り付け後、複合レンズ１４６は各々、１つの開口部１４０の部分を覆う。例示的な実施の形態では、複合レンズ１４６は接着剤を用いて枠組み構造１３４に固定する。
（３）左右のマイクロディスプレイ機構をＹ軸に沿って下げて左右のポケットにそれぞれ入れる。組み立て後、キャリッジ１４８（図１８Ａ）の上面は、各ポケット１４２の上に出され、また各マイクロディスプレイ機構１０８の下部１５８（図１８Ｂ）は下方に伸びてポケット１４２に入る。

図１９のステップ１８２は、ＨＭＤ１０２のための例示的な最終組み立て工程である図２２に従って示される。この図示された工程は以下のステップからなる。
（１）図２１に従った組み立ての、今組み立てた枠組み構造１３４は外枠１０６に収容する。図２２に従って枠組み構造１３４はＺ軸に沿って外枠１０６に収容する。例示的な実施の形態では枠組み構造は接着剤を用いて外枠に固定される。
（２）ダストカバー１８８は外枠１０６の後方側に固定する。例示的な実施の形態では、ダストカバー１８８は接着剤を用いて外枠１０６に固定される。複合レンズ１４６（図２１）は開口部１４０を完全には覆わないので、前面および裏面カバー１８８（表示なし）はそれぞれ、埃および他の異物から光路１１４部品を保護するために用いられる。
（３）鼻ブリッジ１９０を外枠１０６に取り付ける。
（４）鼻インサート１９２を鼻ブリッジ１９０に取り付ける。鼻ブリッジ１９０および鼻インサート１９２により、ＨＭＤ１０２は利用者の鼻形状に合せて幅広くカスタマイズすることが可能になる。

図２３は、１つの実施の形態による枠組み構造の切り欠けの基準線を配置する取付け台内に配置した光学要素からのタブを示す枠組み構造の第１の底面図である。

図２４は、１つの実施の形態による枠組み構造の切り欠けの基準線を配置する取付け台内に配置した光学要素からのタブを示す枠組み構造の第２の底面図である。

前の詳細説明から、また図および請求項から当業者が認めることであるが、開示内容および請求項の範囲を逸脱しないで、本発明の実施の形態に対して修正および変更し得るものである。

Claims (19)

1. Ｚ軸に沿って見るためにＸ軸およびＹ軸に概ね沿って配置された枠組み構造であって、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸は相互に垂直である枠組み構造と、
   前記枠組み構造に連結された、また前記Ｚ軸に沿って利用者から離れて略前方向に視覚コンテンツを投射するよう構成されたマイクロディスプレイと、
   利用者の瞳孔の位置変化に対して前記利用者に画像が見えるようにするために前記利用者の眼に入射する光線束の光線は実質的に並行であるように、前記マイクロディスプレイから前記利用者の眼までの非瞳孔形成光路で前記光線束を反射して導いて、前記画像を前記利用者の眼に供給するために、前記枠組み構造に連結され前記マイクロディスプレイの前面側にそれぞれ配置された反射光学面を備えた１つ以上の光学要素群と、
   を備え、
   前記光学要素群は、
   反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略後方向を向いている第１のミラーと、
   反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略前方向を向いている第２のミラーと、
   反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略後方向を向いている第３のミラーと、
   を備え、
   前記光路は、
   前記マイクロディスプレイから前記第１のミラーへ、前記Ｚ軸に沿って前方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第１の光路区分と、
   前記第１のミラーから前記第２のミラーへ、前記Ｚ軸に対して後方に、かつ前記Ｙ軸に対して下方に向かう第２の光路区分と、
   前記第２のミラーから前記第３のミラーへ、前記Ｚ軸に沿って前方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第３の光路区分と、
   前記第３のミラーから前記Ｚ軸に沿って後方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第４の光路区分と、
   を含むことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
2. 前記マイクロディスプレイから前記利用者の眼までの前記光路には、前記光線束の前記光線が集束し反転する場所が存在しないように、前記光路にはレンズ絞りがないことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
3. 前記光路は前記利用者の瞳孔をレンズ絞りとして活用することを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
4. 前記光路は、前記マイクロディスプレイと前記利用者の眼の間で、交互に発散し集束していることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
5. 前記光学要素群の前記反射光学面は交互に凹状および凸状であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
6. 前記第１および前記第３のミラーの前記反射光学面は凹状反射光学面であり、また前記第２のミラーの前記反射光学面は凸状反射光学面であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
7. 前記第１および前記第３のミラーは複合光学要素で形成されることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
8. 前記枠組み構造に連結され、前記Ｚ軸に沿って前記利用者から離れて略前方向に視覚コンテンツを投射するように構成された第２のマイクロディスプレイと、
   利用者の第２の瞳孔の位置変化に対して前記利用者に第２の画像が見えるようにするために第２の利用者の眼に入射する第２の光線束の光線は実質的に並行であるように前記第２のマイクロディスプレイから前記第２の利用者の眼までの第２の非瞳孔形成光路で前記第２の光線束を反射して導いて、前記第２の画像を前記第２の利用者の眼に供給するために、前記枠組み構造に連結され前記第２のマイクロディスプレイの前記前面側にそれぞれ配置された反射光学面を備えた１つ以上の光学要素の第２群と、
   をさらに備える請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
9. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記画像と前記第２の画像の完全重複で、４０°を超える視野角を与えるように、また前記画像と前記第２の画像の零重複で、８０°を超える視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
10. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記画像と前記第２の画像の完全重複で、５０°を超える視野角を与えるように、また前記画像と前記第２の画像の零重複で、１００°を超える視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
11. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記画像と前記第２の画像の完全重複で、最高６０°の視野角を与えるように、また前記画像と前記第２の画像の零重複で、最高１２０°の視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
12. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記画像と前記第２の画像の完全重複で、６０°を超える視野角を与えるように、また前記画像と前記第２の画像の零重複で、１２０°を超える視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
13. Ｚ軸に沿って見るためにＸ軸およびＹ軸に概ね沿って配置された枠組み構造であって、前記Ｚ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸は相互に垂直である枠組み構造と、
    前記枠組み構造に連結され、前記Ｚ軸に沿って利用者から離れて略前方向に視覚コンテンツを投射するよう構成された左右のマイクロディスプレイと、
    前記左右のマイクロディスプレイから利用者の左右の眼までの非瞳孔形成光路での光線束を反射して導き、前記利用者の左右の眼に左右の画像をそれぞれ与えるために、前記枠組み構造に連結され、前記左右のマイクロディスプレイの前面側にそれぞれ配置された、反射光学面を備えた１つ以上の光学要素の左右群と、
    を備えたヘッドマウントディスプレイ装置であって、
    前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記左画像と前記右画像の完全重複で、４０°を超える視野角を与えるように、また前記左画像と前記右画像の零重複で、８０°を超える視野角を与えるように構成され、
    前記光学要素の左右群の各々は、
    反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略後方向を向いている第１のミラーと、
    反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略前方向を向いている第２のミラーと、
    反射光学面が前記Ｚ軸に沿って略後方向を向いている第３のミラーと、
    を備え、
    前記光路の各々は、
    前記マイクロディスプレイから前記第１のミラーへ、前記Ｚ軸に沿って前方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第１の光路区分と、
    前記第１のミラーから前記第２のミラーへ、前記Ｚ軸に対して後方に、かつ前記Ｙ軸に対して下方に向かう第２の光路区分と、
    前記第２のミラーから前記第３のミラーへ、前記Ｚ軸に沿って前方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第３の光路区分と、
    前記第３のミラーから前記Ｚ軸に沿って後方に、かつ前記Ｙ軸に沿って下方に向かう第４の光路区分と、
    を備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
14. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記左画像と前記右画像の完全重複で、５０°を超える視野角を与えるように、また前記左画像と前記右画像の零重複で、１００°を超える視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
15. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記左画像と前記右画像の完全重複で、最高６０°の視野角を与えるように、また前記左画像と前記右画像の零重複で、最高１２０°の視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
16. 前記ヘッドマウントディスプレイ装置は、前記左画像と前記右画像の完全重複で、６０°を超える視野角を与えるように、また前記左画像と前記右画像の零重複で、１２０°を超える視野角を与えるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
17. 前記左右のマイクロディスプレイから前記利用者の左右の眼までの前記光路には、前記光線束の光線が集束し反転する場所が存在しないように、前記光路にはレンズ絞りがないことを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
18. 前記光路は、前記左右のマイクロディスプレイと前記利用者の左右の眼の間で交互に発散し集束していることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
19. 光学要素の前記左右群の前記反射光学面は、交互に凹状および凸状であることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。

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