JP6462696B2 - 視標追跡機能を備えるヘッドマウント式ディスプレイ - Google Patents

Description

ウェアラブルコンピューティングデバイスのサブセットとしてのヘッドマウント式ディスプレイは、着用者の視野内に映像を表示するために投影された光を用いることが多い。視標追跡システムは、着用者の瞳孔に中心を置かれたカメラを用いるか、又は着用者の眼球から反射された光を観察して視線方向を検知することができる。

一態様では、本開示は、ヘッドマウント式光学装置に関する。ヘッドマウント式光学装置は、１つ若しくは複数の投影光源、１つ若しくは複数の視標追跡光源、偏光ビームスプリッタ、及び、第２の偏光ビームスプリッタを含む。光学装置は、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の両方が偏光ビームスプリッタによって少なくとも部分的に反射されるように、また１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光のうちの少なくとも１つに関する偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとの間の光路が空気中を通過するように構成されている。

別の態様では、本開示は、１つ若しくは複数の投影光源、１つ若しくは複数の視標追跡光源、偏光ビームスプリッタ、及び、第２の偏光ビームスプリッタを含む、ヘッドマウント式光学装置に関する。光学装置は、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の両方が偏光ビームスプリッタによって少なくとも部分的に反射されるように構成されている。約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４０度〜５０度の間で測定されるとき、偏光ビームスプリッタは約９５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの右帯域端を有する。いくつかの実施形態では、約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４０度〜５０度で測定されるとき、前記第２の偏光ビームスプリッタが約８００ｎｍ〜約７００ｎｍの右帯域端を有する。

偏光ビームスプリッタ及び第２の偏光ビームスプリッタのうちの少なくとも１つは、多層光学フィルムを含み得る。１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光は、赤外光を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光は７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を有するかなりの部分の光を含む。いくつかの実施形態では、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の視標追跡波長範囲と、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光の投影波長範囲とが重複しない。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタは、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光の少なくとも５０％を反射するが、第２の直交する偏光状態の視標追跡光の５０％未満しか反射しない。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタは、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光及び第２の直交する偏光状態の視標追跡光の両方の少なくとも５０％を反射する。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタは、１つ若しくは複数の投影光源からの第１の偏光状態の投影光の少なくとも５０％を反射するが、第２の直交する偏光状態の投影光の５０％未満しか反射しない。いくつかの実施形態では、第２の偏光ビームスプリッタは、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光及び第２の偏光状態の視標追跡光の両方の少なくとも５０％を透過する。偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとは、異なる右帯域端を有し得る。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとは、実質的に等しい左帯域端を有する。いくつかの実施形態では、約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４５度で測定されるとき、偏光ビームスプリッタは約９００ｎｍの右帯域端を有する。約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４５度で測定されるとき、第２の偏光ビームスプリッタは約７５０ｎｍの右帯域端を有し得る。いくつかの実施形態では、ヘッドマウント式光学装置は１／４波長板を含む。いくつかの実施形態では、ヘッドマウント式光学装置はイメージセンサを含む。イメージセンサはＣＣＤイメージャを含んでもよいし、ＣＭＯＳイメージャを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ヘッドマウント式光学装置はフレームを含み、イメージセンサがフレーム内に配置される。偏光ビームスプリッタはレンズ内に埋め込まれていてもよい。

ヘッドマウント式光学装置の概略的上面斜視図である。 視標追跡システムを含む図１のヘッドマウント式光学装置の概略的上面斜視図である。 いくつかの偏光ビームスプリッタの入射角の関数として右反射帯域端を図示したグラフである。 視標追跡システムを含む別のヘッドマウント式光学装置の概略的上面斜視図である。

ウェアラブルコンピューティングデバイスのサブセットとして、ヘッドマウント式ディスプレイは、公の場で着用される眼鏡などのアクセサリ類に外観上相当し得る。したがって、ヘッドマウント式ディスプレイにシステムを組み込むときに最小限の容積及び顕著性を加えることが望ましい可能性がある。同様に、ヘッドマウント式ディスプレイとの相互作用及びその制御は、これもまたその公共の場で使用する可能性があるため、社会環境下で可能な限り目立たず、かつできるだけ自然に見えるように設計され得る。あるいは、ウェアラブルデバイスが職業安全性などのその他の目的を有するとき、工業環境下でヘッドマウント式ディスプレイが望ましい場合がある。この場合、敏感な電子機器を産業環境に曝露しないようにシステムを構成することが有利となり得る。視標追跡システムは、比較的知覚しにくい眼球運動を検知し解釈することを可能にするために、ヘッドマウント式ディスプレイに組み込まれ得る。例えば、ヘッドマウント式ディスプレイは、着用者の視線がディスプレイの特定の部分に焦点を合わせているときに検知するように構成され得る。

米国特許公開第２０１３／０１０６６７４ Ａ１号（Ｗｈｅｅｌｅｒら）に記載されるように、視標追跡を含む従来型のヘッドマウント式ディスプレイでは、多くがヘッドマウント式ディスプレイの投影光学系から反対側に配置されたカメラを用いている。これによって、視標追跡カメラ及び投影光学系の両方がフレーム内に隠れ着用者の視野の一部を覆い隠すおそれのある顕著な被写体が作り出されることを防ぐ。

図１は、ヘッドマウント式ディスプレイの上面斜視図である。ヘッドマウント式ディスプレイ１００は、フレーム領域１０２及び観察領域１０４を含む。フレーム領域１０２は、照明器１１０、媒体１２２内の偏光ビームスプリッタ１２０、及び空間光変調器１３０を含む。観察領域１０４は、第２の媒体１４２内の第２の偏光ビームスプリッタ１４０、１／４波長板１５０、及び反射器１６０を含む。眼球１７０は、照明器１１０からの投影光の光路を図示するために示される。本願の目的のために、「第２の偏光ビームスプリッタ」における標識「第２」は、単に２つの偏光ビームスプリッタをそれらの記載順序によって区別するために用いられ、換言すると、標識は任意であって、説明の容易化のみを目的とする。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書で第２の偏光ビームスプリッタとして記載されるものは偏光ビームスプリッタとして等しく記載されることができ、逆もまた同様である。

照明器１１０は、光を発生又は放射するための任意の好適な構成要素又は構成要素の一式であってよい。照明器は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）、又は白熱電球を含む１つ又は複数の光源を含み得る。照明器１１０は、電池を含む任意の好適な機構を原動力としてもよい。照明器１１０は、様々な波長範囲の光源を含む光源の任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、照明器１１０の光源は、白色又は実質的に白色の光を発生させてもよい。いくつかの実施形態では、照明器１１０は偏光若しくは部分的な偏光を発生させてもよく、又は特定の分布の偏光状態を発生させてもよい。照明器１１０の構成及び構造は、輝度、電池寿命、及び動作温度などの所望の性能特性に応じて変化する場合がある。いくつかの実施形態では、照明器１１０の輝度及び波長出力は、着用者によって直接的に、又は時刻、環境光、所望の電池寿命性能、若しくは温度といった環境条件に応じて自動的に、のいずれかで構成可能であってよい。

照明器１１０によって放射される光が、投影された光１１２によって図１に示される。投影された光１１２は図示を容易にするために光線として描写されているが、当業者には、投影された光１１２が、コリメート又はランバーシアン分布、光円錐などを含む任意の好適な配光を表すことが明白であろう。好適な視準光学系は、照明器１１０と共に含まれて、投影された光１１２の所望の配光を提供してもよい。

投影された光１１２は、媒体１２２から偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。媒体１２２は任意の好適な光媒体であり得る。いくつかの実施形態では、媒体１２２は光学的損失を最小化するために実質的に透明である。いくつかの実施形態では、媒体１２２は、ヘッドマウント式ディスプレイ１００の構成要素に剛性、反り、又は耐衝撃性を提供するために、耐久性又は保護特性によって選択される。媒体１２２は、その射出成形可能性を含む製造可能性のためにも選択され得る。媒体１２２は任意の屈折率を有してよく、照明器１１０と光学的に連結して、照明器と媒体との間の接触面におけるフレネル反射による損失を最小化することができる。更に、偏光ビームスプリッタ１２０は、例えば少なくとも部分的に偏光ビームスプリッタ１２０が中に配置される媒体の屈折率の関数としての様々な反射帯域端などの様々な光学的特性を示す。したがって、媒体／偏光ビームスプリッタシステムの所望の光学的特性に基づいて、媒体１２２を慎重に選択することが望ましい場合がある。

偏光ビームスプリッタ１２０は任意の好適な材料から形成することができ、任意の好適な形状又は大きさであってよい。いくつかの実施形態では、図１に示すように、偏光ビームスプリッタ１２０は実質的に平面的であってよい。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２０は、投影された光１１２が４５度で入射するように配向されてよい。他の方向がヘッドマウント式ディスプレイ１００の光学的形状に基づいて望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタは、１つの偏光を実質的に反射する一方で、直交する偏光状態を有する光を実質的に透過する。特定の用途に応じて、多種多様な比率又は反射率及び透過率が適切であり得る。いくつかの実施形態では、１つの偏光を反射することは、特定の偏光状態を有する光の５０％以上を反射することを意味し得る。いくつかの構成では、１つの偏光を反射することは、１つの偏光の６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は更には９９％を反射することを意味し得る。同様に、直交する偏光を透過することは、直交する偏光状態を有する光の５０％超を透過することを意味し得る。いくつかの実施形態では、直交する偏光を有する光の６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は更には９９％が透過され得る。偏光ビームスプリッタ１２０は通過軸及び遮断軸を有するものとして記載され得、このとき通過軸と遮断軸とは実質的に互いに９０度の角度に配向される。

偏光ビームスプリッタ１２０は反射偏光子を含み得る。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２０は、ワイヤーグリッド偏光子又はコレステリック反射偏光子を含む。反射型偏光子は、広帯域反射偏光子であってもよい。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２０は、例えば、米国特許第７，４６８，２０４号（Ｈｅｂｒｉｎｋら）に記載されるものを含む多層光学フィルム反射偏光子を含む場合がある。

偏光ビームスプリッタ１２０の構成、配向、及び構造、並びに入射角を含むその周囲媒体に応じて、偏光ビームスプリッタ１２０は、入射光の波長に基づく様々な透過又は反射特性を示し得る。いくつかの実施形態では、偏光子が偏光ビームスプリッタとしての挙動を止める、つまり、例えば、これが２つの直交する状態の入射光を透過し得る場所で、所定の入射角に対する波長が存在し得る。所定の入射角に対するこの波長は帯域端と説明されることができる。一般的な偏光ビームスプリッタの場合、左（又は低波長）及び右（又は高波長）の２つの帯域端が存在する。帯域端は、図３と関連しても説明される。

投影された光１１２の少なくとも一部分は、偏光ビームスプリッタ１２０を通って透過される。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態を有する投影された光１１２の第１の部分は透過され、一方で、いくつかの場合では第２の直交する偏光状態を有する別の部分は、排除された光１１４として反射される。排除された光１１４は、いくつかの場合では光吸収材に向けられてもよい。投影された光１１２が偏光ビームスプリッタの通過軸と整列するように少なくとも部分的に偏光される本開示の実施形態では、投影された光１１２のより高い割合が偏光ビームスプリッタ１２０を通過し得る。

偏光ビームスプリッタ１２０を透過した投影された光１１２の部分は、続いて空間光変調器１３０に入射する。空間光変調器は、任意の好適な構成要素又は装置であり得、任意の好適な大きさを有してよい。いくつかの実施形態では、空間光変調器はデジタルマイクロミラー装置若しくは反射型液晶（liquid crystal on silicon）構造であるか、又はそれを含み得る。空間光変調器１３０は、投影された光１１２を変調された光１１６として反射し得る。場合によっては、空間光変調器１３０は、グレースケール情報を有する光を生成する。他の実施形態では、空間光変調器は、色情報を有する光を更に生成する。変調された光１１６はこのとき、空間依存性の輝度値及び色値を有することができ、換言すると、空間光変調器は、変調された光１１６に画像情報を提供することができる。いくつかの実施形態では、空間光変調器１３０は一度に１色のみの画像を生成可能であり、その代わりに高速で連続的に中継される様々な色彩の画像の融合を人間の知覚に依存し得る。空間光変調器１３０は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロチップ、又はその他のマイクロ装置など、任意の好適な構成要素によって、動力供給、駆動、及び／又は構成され得る。いくつかの実施形態では、空間光変調器１３０は、投影された光１１２の少なくとも一部分の偏光を回転させ、そのため場合によっては、変調された光１１６の少なくとの一部分が偏光ビームスプリッタ１２０によって、透過される代わりに反射される。

変調された光１１６は、ヘッドマウント式ディスプレイ１００のフレーム領域１０２からヘッドマウント式ディスプレイの観察領域１０４及び第２の媒体１４２に移動する。フレーム領域１０２及び観察領域１０４は説明の容易化を目的として区別されているが、必ずしも、いかなる識別可能な境界を有さなくともよいし、媒体、形状、若しくは大きさに実質的な差を示さなくともよい。領域は、フレームにより近接して配置され得る領域を説明することによってヘッドマウント式ディスプレイ１００を配向させるように標識が付けられている同様に、例えば、場合によっては、フレーム領域１０２は、観察者がその領域が透明であると観察しないように配置された構成要素を包含し得るために、フレーム領域１０２は観察領域１０４と区別される。

いくつかの場合では、フレーム領域１０２及び観察領域１０４は、間隙によって分離されるか、又は間隙を含み、つまり、２つの媒体を分離する（すなわち２つの媒体内に）空気又は別の低屈折率の材料が存在する場合がある。換言すると、偏光ビームスプリッタ１２０と第２の偏光ビームスプリッタ１４０との間に間隙が存在し得る。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２０と第２の偏光ビームスプリッタ１４０との間の光路は空気中を通過する。間隙を使用することは、より低い総重量並びにより良い快適性及び審美性などの、特定の物理的な利点を有し得る。本システムは米国特許公開第２０１３／０２０７８８７ Ａ１に記載されるものなどのモノリシックな射出成形片の直線的光学系に限定されていないため、より高い設計の融通性も更に可能である。かかる構造もまた、投影される（すなわち表示）光のより望ましいレベルの倍率などの望ましい光学的特性を提供し得る。更に、間隙を含むいくつかの実施形態では、光は少なくとも部分的にコリメートされる。つまり、より低い間隙の屈折率からより高い屈折率に入射する光線は、法線に向かって湾曲される場合があり、これはいくつかの用途においては望ましい場合がある。

ヘッドマウント式ディスプレイ１００の観察領域１０４に入った後、変調された光１１６は、第２の媒体１４２から第２の偏光ビームスプリッタ１４０に入射する。いくつかの実施形態では、第２の媒体１４２は媒体１２２と同じ材料（更には一体構造）であってもよいし、又は媒体１２２と同じ屈折率を有する。第２の偏光ビームスプリッタ１４０は、変調された光１１６が４５度で入射するように配向されてよい。第２の偏光ビームスプリッタ１４０は、偏光ビームスプリッタ１２０に関して上述したものと同じ考察のうちのいくつか又は全てを用いて構成又は調整され得る。いくつかの実施形態では、第２の偏光ビームスプリッタ１４０の１つ又は複数の帯域端は、偏光ビームスプリッタ１２０の場合と同じものであり得る。第２の偏光ビームスプリッタ１４０は、変調された光１１６の大部分又は全部を透過、つまり、偏光ビームスプリッタ１２０によって反射された光を透過させるように構成され得る。これは、偏光ビームスプリッタ１２０の通過軸及び第２の偏光ビームスプリッタ１４０の通過軸が互いに実質的に直交するように配向されていることを意味し得る。換言すると、偏光ビームスプリッタ１２０及び第２の偏光ビームスプリッタ１４０は交差してよい。

変調された光１１６は、第２の偏光ビームスプリッタ１４０を少なくとも部分的に透過した後、反射器１６０上に配置された１／４波長板１５０に入射する。１／４波長板１５０を通過した変調された光１１６は、反射器１６０によって反射され、１／４波長板１５０を通って戻る。１／４波長板１５０は、好適な複屈折材料又は液晶層を含む任意の好適な１／４波長位相差板であってよい。１／４波長板１５０の厚さは、波長又は一連の波長に対する許容可能な偏光回転性能を提供するように選択され得る。一般に１／４波長板は、直線偏光から円偏光に、又はその逆に偏光状態を変えるように構成される。１／４波長板を２回通過することは、光の偏光状態に１／２波長板を通過することと同じ効果を与えることができ、つまり、偏光状態は９０度回転されることができる。反射器１６０は、標準的な鏡又はＥｎｈａｎｃｅｄ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＥＳＲ）（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能）などの多層光学フィルム反射器などの任意の好適な反射器であってよい。

変調された光１１６は、１／４波長板１５０を２回通過した後、その偏光状態を回転させて回転された光１１８となることができる。いくつかの実施形態では、これによって、回転された光１１８が（第２の偏光ビームスプリッタ１４０によって直交する偏光状態を有する変調された光１１６として）透過される代わりに実質的に又は少なくとも部分的に反射されるようになり得る。回転された光１１８は、第２の偏光ビームスプリッタ１４０によって反射された後、第２の媒体１４２を通過して出て周囲空気中に入り、最終的に眼球１７０を介して観察者によって観察される。いくつかの実施形態では、第２の媒体１４２と空気との間の界面の形状及び設計は、光がより高屈折率の領域からより低屈折率の領域に移動する際に屈折を補正するように設計又は構成され得る。

図２は、視標追跡システムを含む図１のヘッドマウント式光学装置の上面斜視図を概略的に示す。ヘッドマウント式ディスプレイ２００は、図１に示すヘッドマウント式ディスプレイ１００に類似している。図１に対応して、ヘッドマウント式ディスプレイ２００は、フレーム領域２０２と観察領域２０４とに分離されて、照明器２１０、媒体２２２内の偏光ビームスプリッタ２２０、空間光変調器２３０、媒体２４２内の第２の偏光ビームスプリッタ２４０、１／４波長板２５０、及び反射器２６０を含む。眼球２７０に光を投影するためのこれらの構成要素の説明及び操作は、図の容易化及び明瞭化のため図２に示されていない。ヘッドマウント式ディスプレイ２００は、レンズ２８２及び視標追跡光源２９０を含むイメージセンサ２８０を更に含む。

視標追跡光源２９０は、任意の数の発光構成要素であってよい。いくつかの実施形態では、視標追跡光源２９０は、１つ又は複数のＬＥＤを含み得る。いくつかの実施形態では、視標追跡光源２９０は、少なくとも部分的に可視スペクトルの外部に光を放射し得る。視標追跡光源２９０は赤外光を放射し得る。いくつかの実施形態では、視標追跡光源２９０は、複数の個別の波長、又は一定範囲の波長を有する光を放射し得る。場合によっては、視標追跡光源２９０は、少なくとも部分的に偏光した光を放射し得る。視標追跡光源２９０は、視標追跡光源が目立たず、かつ遮ることのないように、ヘッドマウント式ディスプレイ２００上で構成され得る。

視標追跡光源２９０は、視標追跡光２９２によって表される光を放射する。後に視標追跡光２９２は、眼球２７０の少なくとも一部分に入射する。視標追跡光源２９０は、眼球２７０上で視標追跡光２９２の入射角が低くなり、場合によっては他の設計条件を考慮しながら実質的に可能な限り低くなるように、構成又は配置され得る。

視標追跡光２９２は、眼球２７０の１つ又は複数の部分に入射し得る。眼球における及び眼球内でのいくつかの屈折率界面における反射は一般にプルキンエ像と称され、これは４つ存在する。例えば、眼球の角膜によって反射された光は第１のプルキンエ像と称され、一方で（眼球の）水晶体の後部によって反射された光は第４のプルキンエ像と称される。いくつかの実施形態では、視標追跡光２９２は、これらの界面のうち１つ又は複数で反射してプルキンエ光２９４をもたらすように構成され得る。プルキンエ光２９４は、別途説明するように、眼球の界面における光の反射によって生成された１つ又は複数のプルキンエ像を含み得る。

プルキンエ光２９４は、第２の媒体２４２に入り、第２の偏光ビームスプリッタ２４０に入射する。図１のヘッドマウント式ディスプレイ１００に関して説明したように、ヘッドマウント式ディスプレイ２００の外側形状は、空気と第２の媒体２４２との間の界面で媒体内の変化によって生じた屈折を補正するように構成され得る。第２の偏光ビームスプリッタ２４０は、特定の偏光状態を有するプルキンエ光２９４を少なくとも部分的に反射するように構成され得る。いくつかの実施形態では、第２の偏光ビームスプリッタ２４０は、プルキンエ光２９４の大部分又は全部を反射するように構成され得る。プルキンエ光２９４のうちの少なくともいくつかが第２の偏光ビームスプリッタ２４０を透過する実施形態では、光は続いて観察領域２０４の反対側を進む。いくつかの実施形態では、視標追跡光２９２の初期偏光（及びその結果プルキンエ光２９４）を制御することによってこれらの損失を最小化することが重要であり得る。

第２の偏光ビームスプリッタ２４０によって反射されるプルキンエ光は、１／４波長板２５０及び反射器２６０に入射する。図１に記載した投影された光（変調された光１１６）と同様に、１／４波長板２５０を２回通過することによってプルキンエ光２９４の偏光を９０度回転させることができ、これは回転されたプルキンエ光２９６によって表される。回転されたプルキンエ光２９６は、第２の偏光ビームスプリッタ２４０に入射し、少なくとも部分的に透過される。いくつかの実施形態では、回転されたプルキンエ光２９６の大部分又は全部が第２の偏光ビームスプリッタによって透過される。

次いで、回転されたプルキンエ光２９６は媒体２２２に入り、偏光ビームスプリッタ２２０に入射する。いくつかの実施形態では、回転されたプルキンエ光２９６は、更に偏光ビームスプリッタ２２０によって透過される。図１に記載したいくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２０（偏光ビームスプリッタ２２０に対応する）の通過軸と第２の偏光ビームスプリッタ１４０（第２の偏光ビームスプリッタ２４０に対応する）の通過軸とは直交することに留意されたい。したがって、両方の偏光ビームスプリッタが同じ偏光状態の回転されたプルキンエ光２９６を通過するために、いくつかの実施形態では偏光ビームスプリッタ２２０は両方の偏光状態の光を少なくとも部分的に透過してよい。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ２２０は、第１の偏光状態の光を実質的に通過させ、また、第１の波長又は波長範囲を有する光に対しては実質的に直交する偏光状態の光を実質的に反射し、第２の波長又は波長範囲を有する光に対しては両方の偏光状態の光を透過させることができ、ここで第１の波長又は波長範囲は第２の波長又は波長範囲とは異なる。いくつかの実施形態では、偏光ビームスプリッタ２２０と第２の偏光ビームスプリッタ２４０とは、異なる右帯域端を有し得る。これは、場合によっては、偏光ビームスプリッタによって実質的に透過されている直交する偏光状態の赤外光に対応し得、一方で、１つだけの偏光状態の可視光が実質的に透過される。その他の偏光ビームスプリッタは、１つだけの偏光状態の赤外光及び可視光の両方を実質的に透過させ得る。これらの帯域端プロファイルについては、以下で図３と併せて説明する。

回転されたプルキンエ光２９６はレンズ２８２を通過し、集束、集光、又は反転させられて、イメージセンサ２８０上にプルキンエ像２９８を生成することができる。いくつかの実施形態では、レンズ２８２は、赤外光だけを透過させるフィルタなどのフィルタを含み得る。別途説明したように、プルキンエ像２９８は、眼球２７０から反射された４つのプルキンエ像のうちの１つ又は複数を含み得る。イメージセンサ２８０は、電荷結合素子すなわちＣＣＤなどのパッシブピクセルセンサであるか、又はこれを含み得る。いくつかの実施形態では、イメージセンサ２８０は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）を含むセンサなどのアクティブピクセルセンサを含み得る。プルキンエ像２９８の位置及び特徴を解釈する１つ又は複数のプロセッサ（図示せず）などの任意の好適な電子機器が、イメージセンサ２８０を随伴してもよい。１つ又は複数のプロセッサが、プルキンエ像２９８に基づく情報を伝達又は修正することができる。例えば、１つ又は複数のプロセッサは、観察者の視線が焦点を合わせていることをプロセッサが検知した場所に基づいて、投影された光の一部分をより明るくすることができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のプロセッサは、更に又は代わりに、瞳孔の大きさ、瞳孔の大きさの変化、眼球の運動、又は眼球の水分を判定することができる。この情報は、特定の内容に対する観察者の興味又は反応を判定するのに用いられ得る。いくつかの実施形態では、プロセッサは入力指令を受信して、視線方向を用いた身振りに基づいてヘッドマウント式ディスプレイ２００と相互作用し得る。

図３は、屈折率１．５３の媒体内における（右）反射帯域端と２つの偏光ビームスプリッタに対する入射角との間の関係を示すグラフである。いくつかの用途では、光学系の形状を考慮すると、特に興味深いのは４５度における帯域端の位置であり得る。線３１０によって示される第１の偏光ビームスプリッタは、４５度で約９００ｎｍの右帯域端を有する。この偏光ビームスプリッタは、可視光及び近赤外スペクトル（例えば８２５ｎｍ）の少なくとも一部分の光の両方に関して、各直交する偏光状態のうちの１つを反射し得る。線３２０によって示される第２の偏光ビームスプリッタは、４５度の入射角で約７５０ｎｍの右帯域端を有する。この偏光ビームスプリッタは、可視光に関して、各直交する偏光状態のうちの１つを反射し得るが、近赤外スペクトル（例えば８２５ｎｍ）の両方の状態の光の少なくとも一部分を実質的に透過し得る。

いくつかの実施形態では、４５度の入射角は理想的な場合を表しているに過ぎない可能性があり、より現実的又はより広範囲な角度にわたる反射帯域端は、光の損失及び色彩の異常をもたらし得る。例えば、概してランバーシアン分布を有するＬＥＤによって生成された光は、多様な光学要素によって完璧な視準に近づくようにコリメートされ得るが、決して完璧な視準を達成することはない。更に、多くの場合、ランバーシアン光を完全にコリメートするための努力は、許容できない輝度及び効率の損失をもたらすことが多く、これは例えば電池寿命が減少する一因となり得る。言い換えれば、１つ又は複数の反射偏光子の実際の入射角は、実質的に直線的なヘッドマウント式ディスプレイの場合であっても、４０〜５０度又は３０〜６０度にわたる範囲でより現実的に特徴づけることができ、重要であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、反射帯域端が入射角と共に移動するため、角度範囲にわたる反射帯域端の変化に対する検討及び設計をしない場合は、多くの用途で許容できない光学性能をもたらし得る。例えば、入射角４５℃で両方の状態の赤外光を透過するように設計された偏光ビームスプリッタは、より現実的な角度範囲にわたって１つ又は複数の偏光状態の赤外光の反射を開始し得る。図３に示す性能のもの、又は例えば３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能なＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｆｉｌｍ（ＡＰＦ）などの特定の反射偏光子が、現実的な範囲の入射角に、より好適であり得る。

このグラフに関連して記載する第１及び第２の偏光ビームスプリッタの標識は、２つを容易に識別するためのものであり、図１〜２に記載する偏光ビームスプリッタ及び第２の偏光ビームスプリッタに必ずしも対応していない。示された値及び曲線形状は例示的であり、偏光ビームスプリッタの所望の用途又は特定の構成に応じて変更されることができる。

図４は、視標追跡システムを含む別のヘッドマウント式光学装置の概略的上面斜視図である。ヘッドマウント式ディスプレイ４００は、フレーム４０２、投影光学系４１０、レンズ４２２に埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０、視標追跡光源４４０、及びレンズ４５２を含むイメージセンサ４５０を含む。

フレーム４０２は、任意の好適な形状及び大きさであってよく、又は任意の好適な材料から作られてよい。いくつかの実施形態では、フレーム４０２は標準のガラスフレームとして見えるように構成され得る。いくつかの実施形態では、フレーム４０２は、ヘッドマウント式ディスプレイ４００の構成要素のうちの少なくともいくつかを隠すように構成され得る。

投影光学系４１０は図４で詳細に示されていないが、例えばデジタルマイクロミラー投影システム又は反射型液晶システムを含む、任意の好適な構成又は構成要素の一式であり得る。ヘッドマウント式ディスプレイ４００の所望の用途に応じて、投影光学系４１０は、単一波長の投影光、又は複数の個別の波長若しくは一定範囲の波長を有する投影光を生成し得る。いくつかの実施形態では、投影光学系４１０は少なくとも部分的に偏光した光を生成し得る。投影光学系４１０は、偏光ビームスプリッタを更に含んでもよい。図４に示すヘッドマウント式ディスプレイでは、これらの場合に、投影光学系４１０に含まれる偏光ビームスプリッタと埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０との間の光路が空気中を通過することに留意されたい。

埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０は本開示の他の部分に記載された偏光ビームスプリッタのいずれかとして挙動し得、これは光の１偏光を実質的に反射しながら、直交する偏光を実質的に透過することができるか、又はその代わりに若しくは加えて、特定の波長範囲の光の両方の偏光を実質的に透過することができる。いくつかの実施形態では、これは更に特定の波長範囲の光の両方の偏光を実質的に反射することができる。所望の光学性能を提供するために、埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０は、投影光学系４１０からの放射光が正しい入射角を有するように構成されることができる。埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０はレンズ４２２と共に、投影光学系４１０から入射する光が眼球４３０で観察できるように反射されるように湾曲してもよいし、成形されてもよい。

視標追跡光源４４０は任意の適切な数であってよく、また、図２に関する視標追跡光源２９０に関して記載されるものを含む任意の好適な種類の光源であってよい。視標追跡光源４４０は、赤外スペクトルの光を放射し得る。いくつかの実施形態では、視標追跡光源４４０からの光は、形状によって視標追跡光源４４０から放射される光が、埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０によって少なくとも部分的に反射され眼球４３０内に向けられるように、埋め込まれた偏光ビームスプリッタ４２０及びレンズ４２２で構成され得、ここで、反射されたプルキンエ像は、レンズ４５２を通って戻るように向けられ、画像がイメージセンサ４５０上に集束又は集光され得る。その説明が本実施形態に適用される図２のイメージセンサ２８０と同様に、イメージセンサ４５０は、ＣＭＯＳ及びＣＣＤセンサをなどの好適な構成要素及び電子機器を含み得る。

本開示の実施形態は、多くのヘッドマウント式光学ディスプレイ、装置、又はその他の目に近い（near-to-eye）若しくはウェアラブルコンピュータに組み込むのに好適であり得る。いくつかの実施形態では、眼球の前に位置する偏光ビームスプリッタが、一方又は両方の直交する偏光状態の可視光を少なくとも部分的に透過するため、観察者はヘッドマウント式ディスプレイを介して現実世界の情景を観察できることに留意されたい。眼球の前に位置する偏光ビームスプリッタが偏光状態の光を少なくとも部分的に反射するいくつかの実施形態では、ヘッドマウント式ディスプレイは、反射光からのグレアを低減させる更なる効果を有し得る。

以下は、本開示の項目の一覧である。
項目１は、ヘッドマウント式光学装置であって、
１つ若しくは複数の投影光源、
１つ若しくは複数の視標追跡光源、
偏光ビームスプリッタ、及び、
第２の偏光ビームスプリッタを含み、
ここで光学装置が、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の両方が偏光ビームスプリッタによって少なくとも部分的に反射されるように構成され、
光学装置が、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光のうちの少なくとも１つに関する偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとの間の光路が空気中を通過するように構成されている、ヘッドマウント式光学装置である。

項目２は、
１つ又は複数の投影光源、
１つ又は複数の視標追跡光源、
偏光ビームスプリッタ、及び、
第２の偏光ビームスプリッタを含み、
ここで光学装置が、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の両方が偏光ビームスプリッタによって少なくとも部分的に反射されるように構成され、
約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４０度〜５０度の間で測定されるとき、偏光ビームスプリッタが約９５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの右帯域端を有する、ヘッドマウント式光学装置である。

項目３は、約１．５３の屈折率を伴う媒体内にて４０度〜５０度で測定されるとき、前記第２の偏光ビームスプリッタが約８００ｎｍ〜約７００ｎｍの右帯域端を有する、項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目４は、偏光ビームスプリッタ及び第２の偏光ビームスプリッタのうちの少なくとも１つが多層光学フィルムを含む、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目５は、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光が赤外光を含む、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目６は、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光が７００〜１０００ｎｍの波長を有するかなりの部分の光を含む、項目１若しくは項目２のいずれかに記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目７は、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の視標追跡波長範囲と、１つ若しくは複数の投影光源からの投影光の投影波長範囲とが重複しない、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目８は、偏光ビームスプリッタが、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光の少なくとも５０％を反射するが、第２の直交する偏光状態の視標追跡光の５０％未満しか反射しない、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目９は、偏光ビームスプリッタが、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光及び第２の直交する偏光状態の視標追跡光の両方の少なくとも５０％を反射する、項目１若しくは項目２のいずれかに記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１０は、偏光ビームスプリッタが、１つ若しくは複数の投影光源からの第１の偏光状態の投影光の少なくとも５０％を反射するが、第２の直交する偏光状態の投影光の５０％未満しか反射しない、項目９に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１１は、第２の偏光ビームスプリッタが、１つ若しくは複数の視標追跡光源からの第１の偏光状態の視標追跡光及び第２の直交する偏光状態の視標追跡光の両方の少なくとも５０％を透過する、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１２は、偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとが、異なる右帯域端を有する、項目１若しくは項目２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１３は、偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとが、実質的に等しい左帯域端を有する、項目１２に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１４は、１／４波長板を更に含む、項目１に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１５は、イメージセンサを更に含む、項目１に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１６は、イメージセンサがＣＣＤイメージャを含む、項目１５に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１７は、イメージセンサがＣＭＯＳイメージャを含む、項目１５に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１８は、フレームを更に含み、イメージセンサがフレーム内に配置される、項目１５〜１７のいずれか一項に記載のヘッドマウント式光学装置である。

項目１９は、偏光ビームスプリッタがレンズ内に埋め込まれている、項目１に記載のヘッドマウント式光学装置である。

本出願で引用された全ての米国特許及び米国特許公開は、完全に記載されたものとして、参照により本明細書に組み込まれる。本発明は、先に記載された特定の実施形態に限定されると考慮すべきではないが、それは、このような実施形態が、本発明の様々な態様の説明を容易にするために詳細に記載されているためである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって定義されるような本発明の範囲内に包含される様々な修正、等価プロセス、及び代替的装置を含む、本発明の全ての態様を網羅するものと理解すべきである。

Claims (4)

1. ヘッドマウント式光学装置であって、
   １つ若しくは複数の投影光源、
   １つ若しくは複数の視標追跡光源、
   偏光ビームスプリッタ、及び、
   第２の偏光ビームスプリッタを含み、
   前記光学装置が、前記１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び前記１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の両方が前記偏光ビームスプリッタによって少なくとも部分的に反射されるように構成され、
   前記光学装置が、前記１つ若しくは複数の投影光源からの投影光及び前記１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光のうちの少なくとも１つに関する前記偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間の光路が空気中を通過するように構成されており、
   前記偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタは異なる右帯域端を有し、実質的に等しい左帯域端を有する、ヘッドマウント式光学装置。
2. 前記１つ若しくは複数の視標追跡光源からの視標追跡光の視標追跡波長範囲と、前記１つ若しくは複数の投影光源からの投影光の投影波長範囲とが重複しない、請求項１に記載のヘッドマウント式光学装置。
3. 前記偏光ビームスプリッタが、前記１つ若しくは複数の投影光源からの第１の偏光状態の投影光の少なくとも５０％を反射するが、第２の直交する偏光状態の投影光の５０％未満しか反射しない、請求項１に記載のヘッドマウント式光学装置。
4. 前記偏光ビームスプリッタがレンズ内に埋め込まれている、請求項１に記載のヘッドマウント式光学装置。

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