JP6670840B2 - ヒトの目の解像度に適合されるイメージング光学系 - Google Patents
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Description
この出願は、共通して譲渡された各々「没入型小型ディスプレイグラス」についての2015年1月21日に出願された米国仮出願No.62/105,905と2015年8月21日に出願された米国仮出願No.62/208,235に基づく優先権を主張する。これらの出願の両方が、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
“Dual-lens by Sensics” http:/ /www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/ and http:/ /sensics.com/sample-quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase/
を、各々、仮想スクリーンの球座標の極及び方位角(azimuthal angles)とする。
の方向が水平ラインを規定し、θ=0が前方向と呼ばれる。関数
が写像関数と呼ばれる。逆写像関数が、
により与えられる。
のラジアル焦点距離(radial focal length)fradが
と記載される。サジタル焦点距離が
である。ラジアル又はサジタルとは異なる他の方向について、焦点距離が、
により与えられ、ここで、αは、ラジアル方向と焦点距離が計算される方向により形成される角度である。焦点距離は、特定の方向における写像の膨張(expansion)又は収縮(shrinking)を意味する。物体とイメージの間の写像が等角(conformal)である時、
がαから独立し、これは、写像の膨張又は収縮が等方性(isotropic)であると言うに等しい。対応のオピクセルが仮想イメージ上で光学系を通じて見られる時の方向α沿いのアイピクセルの角度範囲は、焦点距離上の物理的なオピクセルの直径であり、すなわち、
である。従って、方向αにおけるアイピクセルのサイズは、焦点距離
に逆比例する(簡潔さのため、円形のオピクセルが本明細書で検討されるが、この理由は、通常の正方形のオピクセルに簡単に拡張可能である)。ヒトの目の解像度が、周辺角度(peripheral angle)に依存するが、より良好な近似において(in good approximation)等方性であり、解像度が評価される方向αに依存しない。アイピクセルの角度範囲がαとは無関係であることが望ましい(さもなければ、解像度が、最大角直径(the greatest angular diameter)により与えられる)。オピクセルの直径が、一般的に、非常にαと一定であり、従って、αとは独立した
が、一般的に望まれる。
である。ラジアル焦点距離は、
であり、サジタル焦点距離は、
である。
に一致し、θの増加関数である。周辺においてより大きいアイピクセルに代えて直線系(rectilinear)写像が用いられるならば、視野の周辺に向けてアイピクセルを次第に小さくする。仮想スクリーンの注視領域(θ=20°)のエッジで、アイピクセルは、θ=0よりも6%だけ小さく、100°の視野(θ=50°)のエッジで、θ=0よりも35%だけ小さい。先に述べたように、実際に目がこれらのエッジピクセルを注視しないため、これは有用ではない。
この写像において、アイピクセルが、直線系(rectilinear)写像よりも小さく増大するが、θ=45°で、θ=0のアイピクセルのラジアル方向に等しく、θ=0のアイピクセルよりもサジタル方向において11%小さい。従って、まだ、光学系は、我々の視覚が増加を検知することなくθ>20°からアイピクセルが漸増できる事実を上手く利用していない。
(図4では不図示)は、この回転対称設計においてラジアル焦点距離ほど低減されない。特には、仮想スクリーンのエッジfsag=ρend/cosθend=41mmで、周辺領域におけるアイピクセルが、この適合設計においてラジアル方向に大きく長尺にされる。セクション7で開示のように、両方の焦点距離がより近い値を取ることができるため、回転対称性を打破することだけが、適合された解像度の全利益を享受できる。
ここで、a0は、(ディスプレイから測定される)光軸に沿う頂点位置(vertex position)であり、kは、円錐定数、δ=1/R、R頂点での半径、g2i+4は、フォーブスQ−con多項式Qi conの係数である(Forbes, Shape specification for axially symmetric optical surfaces, Optics Express, Vol. 15, Issue 8, pp. 5218-5226 (2007))。例えば、図6Aのレンズに対するこのフィッティングパラメータの具体的な値について、k次元とmm-1におけるδを除く全てが、mmにおいて、次の表3に示されており、ここで、表面は、ディスプレイから目への光線の伝播におけるそこへの入射順においてS1〜S4として順序付けられる。目が前方向を注視しているときのディスプレイから瞳までの距離は64.94mmである。座標のz軸は、目からディスプレイに向いており、原点は、z軸とディスプレイの交点にある。レンズ材料は、レンズ604ではポリメチルメタクリレート(PMMA)、レンズ603ではポリスチレン(PS)である。
Claims (21)
- リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び
各小型レンズが前記ディスプレイから目位置に光を投射することにより、前記ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備え、
前記仮想サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成し、
前記光学系のラジアル及びサジタル焦点距離の両方は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、ディスプレイ装置。 - 前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項1に記載のディスプレイ装置。
- 前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項1に記載のディスプレイ装置。
- 目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、前記仮想サブイメージの少なくとも一つが、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有する、前記仮想サブイメージを生成するように構成され、
各前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する、請求項1に記載のディスプレイ装置。 - 目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時に、目の網膜の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩仮想サブイメージを少なくとも一つの小型レンズから生成し、また、中心窩(fovea)外の網膜の部分上に目により投射される周辺仮想サブイメージを少なくとも一つの他の小型レンズから生成するように構成され、中心窩部仮想イメージが、周辺部仮想イメージよりも高い解像度を有する、請求項1に記載のディスプレイ装置。
- 前記光学系が、光学的に区別可能な第1サブエレメントの第1リングを有する第1光学素子と、光学的に区別可能な第2及び第3サブエレメントの第2及び第3リングを有する第2光学素子を備え、第1リングにおける第1セットの第1サブエレメントが、第2リングにおける隣接した第2サブエレメントと個別の小型レンズを形成し、第1リングの第2セットの第1サブエレメントが、第3リングにおける隣接した第3サブエレメントと個別の小型レンズを形成する、請求項1に記載のディスプレイ装置。
- 前記第1及び第2光学素子が、厚レンズの反対面である、請求項6に記載のディスプレイ装置。
- 請求項1に記載のディスプレイ装置を備え、前記ディスプレイ装置の目位置がヒトの目に一致するようにヒトの頭部に前記ディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを備えるヘッドギア。
- 第2ディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を備える、請求項8に記載のヘッドギア。
- 前記ディスプレイ装置と前記第2ディスプレイ装置が実質的に同一である、請求項9に記載のヘッドギア。
- 前記ディスプレイ装置のディスプレイと前記第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一のディスプレイの部分である、請求項9に記載のヘッドギア。
- リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び
各小型レンズが前記ディスプレイから目位置に光を投射することにより、前記ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備え、
前記仮想サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成し、
前記光学系は、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、前記仮想サブイメージの少なくとも一つが、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有する、前記仮想サブイメージを生成するように構成され、前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想イメージの周辺部よりも高い解像度を有し、
前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、ディスプレイ装置。 - 前記光学系は、個別の光線が眼球に入射する点で眼球のラジアル方向に2.5°未満の周辺角度で目位置の眼球の瞳孔範囲のいずれかの部分に光線が入射することにより形成される中心窩部を有する前記仮想サブイメージを生成するように構成され、前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。
- 前記光学系は、自由曲面の小型レンズの有効エリアに亘り変化する焦点距離を有する自由曲面の小型レンズを備えることにより前記仮想サブイメージを生成するように構成される、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。
- 前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。
- 前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項15に記載のデジタル・ディスプレイ装置。
- 前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。
- 請求項12に記載のディスプレイ装置を備え、前記ディスプレイ装置の目位置がヒトの目に一致するようにヒトの頭部に前記ディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを備えるヘッドギア。
- 第2ディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を更に備える、請求項18に記載のヘッドギア。
- 前記ディスプレイ装置と前記第2ディスプレイ装置が実質的に同一である、請求項19に記載のヘッドギア。
- 前記ディスプレイ装置のディスプレイと前記第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一のディスプレイの部分である、請求項19に記載のヘッドギア。
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