JP6687805B2 - ヘッドマウントディスプレイ用光学システム - Google Patents

Description

本出願は、２０１６年８月２日に出願された米国仮特許出願第６２／３７０，１７０号、２０１６年９月６日に出願された米国仮特許出願第６２／３８３，９１１号、及び２０１７年２月１６日に出願された米国特許出願第１５／４３４，６２３号の優先権を主張するものであり、これらは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、光学システムに関し、より具体的には、ヘッドマウントディスプレイ用の光学システムに関する。

バーチャルリアリティ眼鏡などのヘッドマウントディスプレイは、ユーザに画像を表示するためにレンズを使用する。マイクロディスプレイがユーザの目の各々に対して画像を生成することができる。ユーザの目の各々とマイクロディスプレイの部分との各間にレンズを設けることができ、ユーザはバーチャルリアリティコンテンツを視認することができる。

注意を払わないと、ヘッドマウントディスプレイは装着するのに面倒で、疲れることがある。ヘッドマウントディスプレイ用の光学システムは、大きくて重いレンズの配置を使用することがある。このタイプの光学システムを用いたヘッドマウントディスプレイの長時間の使用は不快な場合がある。

したがって、改良されたヘッドマウントを提供できることが望ましい。

ヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイシステム及び光学システムを含むことができる。ディスプレイシステム及び光学システムは、ユーザの頭部に装着される筐体によって支持することができる。ヘッドマウントディスプレイは、筐体がユーザの頭部に装着されている間にディスプレイシステム及び光学システムを使用して画像をユーザに提示することができる。

ディスプレイシステムは、画像に関連付けられた画像光を生成する画素アレイを有することができる。ディスプレイシステムは、画素アレイからの画像光が通過する直線偏光子、及び光が直線偏光子を通過した後に通過する１／４波長板を有することができる。

光学システムは、ガラス又はプラスチックなどの透明材料から形成され、反射構造を有する１つ以上のレンズ素子を有する反射屈折光学システムであることができる。レンズ素子は、平凸レンズ素子及び平凹レンズ素子を含むことができる。平凸レンズ素子は、凸面及び反対側の平面を有することができる。平凹レンズ素子は、凹面及び凸レンズ素子の平面に対向する反対側の平面を有することができる。

平凸レンズ素子の凸面に、部分反射ミラーを形成することができる。平凸レンズの平面又は平凹レンズの凹面に反射偏光子を形成することができる。追加の１／４波長板を反射偏光子と部分反射ミラーとの間に配置することができる。

一実施形態に係る、例示的なヘッドマウントディスプレイの図である。

一実施形態に係る、ヘッドマウントディスプレイ内の例示的な光学システムの構成要素を示す例示的なヘッドマウントディスプレイの図である。

一実施形態に係る、別の例示的な光学システムを有するヘッドマウントディスプレイの図である。

一実施形態に係る、ヘッドマウントディスプレイ光学システムに組み込むことができるタイプの例示的なレンズ素子の断面側面図である。 一実施形態に係る、ヘッドマウントディスプレイ光学システムに組み込むことができるタイプの例示的なレンズ素子の断面側面図である。

一実施形態に係る、追加の例示的なヘッドマウントディスプレイの図である。 一実施形態に係る、追加の例示的なヘッドマウントディスプレイの図である。

それぞれ、一実施形態に係る、円柱面を有するレンズ素子の上面図及び側面図である。 それぞれ、一実施形態に係る、円柱面を有するレンズ素子の上面図及び側面図である。

一実施形態に係る、金型内での成形作業中の例示的なレンズ素子及び反射偏光子の図である。

ヘッドマウントディスプレイは、バーチャルリアリティ及び拡張リアリティシステムに使用することができる。例えば、ユーザの頭部に装着された一対のバーチャルリアリティ眼鏡を使用して、バーチャルリアリティコンテンツをユーザに提供することができる。

仮想現実コンテンツをユーザに提供する際に一対のバーチャルリアリティ眼鏡などのヘッドマウントディスプレイが使用される例示的システムを、図１に示す。図１に示すように、バーチャルリアリティ眼鏡（ヘッドマウントディスプレイ）１０は、画像を生成するディスプレイシステム４０などのディスプレイシステムを含むことができ、ユーザ（例えばユーザの目４６を参照）が方向４８を見ることによって表示システム４０によって生成された画像を視認することができる光学システム２０などの光学システムを有することができる。

ディスプレイシステム４０は、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、結晶半導体発光ダイオードダイのアレイを有する発光ディスプレイ、及び／又は他のディスプレイ技術に基づくディスプレイに基づくことができる。システム４０にはユーザの左右の目に対して別々の左右のディスプレイが含まれてもよく、又は単一のディスプレイが両目にわたってもよい。

視覚コンテンツ（例えば、静止画及び／又は動画用の画像データ）は、眼鏡（ヘッドマウントディスプレイ）１０に取り付けられた制御回路４２及び／又は眼鏡４２の外部に取り付けられた制御回路（例えば、関連付けられたポータブル電子デバイス、ラップトップコンピュータ、又は他のコンピューティング機器内の）を使用して、ディスプレイシステム（ディスプレイ）４０に提供することができる。制御回路４２は、ハードディスク記憶デバイス、揮発性及び不揮発性メモリ、ソリッドステートドライブを形成するための電気的にプログラム可能な記憶デバイス、及び他のメモリなどの記憶デバイスを含むことができる。制御回路４２は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、グラフィックプロセッサ、ベースバンドプロセッサ、特定用途向け集積回路、及び他の処理回路も含むことができる。回路４２内の通信回路は、（例えば、無線で及び／又は有線経路を介して）データを送受信するために使用することができる。制御回路４２は、ディスプレイシステム４０を使用して、バーチャルリアリティコンテンツ（例えば、バーチャル世界に関連付けられたコンピュータ生成コンテンツ）、映画若しくは他の媒体の事前記録ビデオ、又は他の画像などの視覚コンテンツを表示することができる。制御回路４２がディスプレイシステム４０を用いてバーチャルリアリティコンテンツをユーザに提供する例示的な構成は、本明細書では一例として記載されることがある。しかしながら、一般に、眼鏡１０のディスプレイシステム４０及び光学システム２０を使用して、制御回路４２によって任意の適切なコンテンツをユーザに提示することができる。

入出力デバイス４４は制御回路４２に結合することができる。入出力デバイス４４は、ユーザからユーザ入力を集めるために使用することができ、眼鏡１０を囲む環境について測定するために使用することができ、ユーザに出力を供給するために使用することができ、及び／又は外部電子機器に出力を供給するために使用することができる。入出力デバイス４４は、ボタン、ジョイスティック、キーパッド、キーボードキー、タッチセンサ、トラックパッド、ディスプレイ、タッチスクリーンディスプレイ、マイクロフォン、スピーカ、視覚出力をユーザに提供するための発光ダイオード、センサ（例えば力センサ、温度センサ、磁気センサ、加速度計、ジャイロスコープ、並びに／又は眼鏡１０の向き、位置、及び／若しくは移動を測定するための他のセンサ、近接センサ、静電容量式タッチセンサ、歪みゲージ、ガスセンサ、圧力センサ、周囲光センサ、並びに／又は他のセンサ）を含むことができる。所望により、入出力デバイス４４は、１つ以上のカメラ（例えば、ユーザの周囲の画像をキャプチャするためのカメラ、目４６を視認することによって注視検出動作を実行するためのカメラ、及び／又は他のカメラ）を含むことができる。

図２は、眼鏡１０の筐体１２などのヘッドマウント支持構造によって光学システム２０及びディスプレイシステム４０をどのように支持できるかを示す眼鏡１０の断面側面図である。筐体１２は、一対の眼鏡用のフレームの形状を有してもよく（例えば、眼鏡１０は眼鏡に似てもよい）、ヘルメットの形状を有してもよく（例えば、眼鏡１０はヘルメットマウントディスプレイを形成してもよい）、ゴーグルの形状を有してもよく、筐体１２がユーザの頭部に装着されることを可能にする任意の他の適切な筐体形状を有してもよい。ユーザがシステム２０及び表示システム４０を方向４８に視認しているときに、筐体１２がユーザの目（例えば、目４６）の前に光学システム２０及び表示システム４０を支持する構成は、一例として本明細書に記載される場合がある。所望により、筐体１２は、他の適切な構成を有することができる。

筐体１２は、プラスチック、金属、炭素繊維材料などの繊維複合材料、木材及び他の天然材料、ガラス、他の材料、及び／又はこれらの材料の２つ以上の組み合わせから形成することができる。

入出力デバイス４４及び制御回路４２は、光学システム２０及びディスプレイシステム４０と共に筐体１２に取り付けることができ、並びに／又は入出力デバイス４４及び制御回路４２の一部は、ケーブル、無線接続、若しくは他の信号経路を用いて眼鏡１０に結合することができる。

ディスプレイシステム４０及び眼鏡１０の光学部品は、軽量でコンパクトな構成を使用してユーザ４６に画像を表示するように構成することができる。光学システム１０は、例えば、反射屈折レンズに基づくことができる。

ディスプレイシステム４０は、画素アレイ１４などの画像のソースを含むことができる。画素アレイ１４は、画像光を放出する画素Ｐの二次元アレイ（例えば、有機発光ダイオード画素、半導体ダイから形成された発光ダイオード画素、バックライトを有する液晶表示画素、フロントライト付きのシリコン上液晶画素、など）を含むことができる。直線偏光子１６などの偏光子は、画素アレイ１４の前に配置されてもよく、及び／又は偏光画像光を提供するために画素アレイ１４に積層されてもよい。直線偏光子１６は、（例として）図２のＸ軸と整列された通過軸を有することができる。ディスプレイシステム４０は、１／４波長板１８などの波長板も含んでおり、円偏光画像光を提供することができる。１／４波長板１８の高速軸は、直線偏光子１６の通過軸に対して４５度で整列させることができる。１／４波長板１８は、偏光子１６の前方（偏光子１６と光学システム２０との間）に装着することができる。所望であれば、１／４波長板１８を偏光子１６（及びディスプレイ１４）に取り付けることができる。

光学システム２０は、レンズ素子２６及び３２などのレンズ素子を含むことができる。レンズ素子２６は、ディスプレイシステム４０に面する凸面を有する平凸レンズ（レンズ素子）であることができる。任意選択のレンズ素子３２は、凹面Ｓ３がユーザ（目４６）に面する平凹レンズ（レンズ素子）であることができる。

部分反射コーティング、波長板、反射偏光子、直線偏光子、反射防止コーティング、及び／又は他の光学部品などの光学構造を眼鏡１０（例えば、システム２０など）に組み込むことができる。これらの光学構造は、ディスプレイシステム４０からの光線が面Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３などの光学システム２０内の面を通過及び／又は反射することを可能にし、それによって光学システム２０に所望のレンズパワーを提供する。

一例として、画像光線Ｒ１を考える。画像光線Ｒ１がディスプレイ１４を出て直線偏光子１６を通過すると、光線Ｒ１は直線偏光子１６の通過軸と整列して直線偏光になる。直線偏光子１６の通過軸は、例えば、図２のＸ軸と整列することができる。偏光子１６を通過した後、光線Ｒ１は１／４波長板であり得る波長板１８を通過する。光線Ｒ１が１／４波長板１８を通過すると、光線Ｒ１は円偏光になる。

部分反射ミラー２２などの部分反射ミラー（例えば、５０％透過及び５０％反射を有する誘電体多層コーティングなどの金属ミラーコーティング又は他のミラーコーティング）は、レンズ素子２６の凸面上に形成することができる。円偏光光線Ｒ１が部分反射ミラー２２に当たると、光線Ｒ１の一部は部分反射ミラー２２を通過して強度が減少した光線Ｒ２となる。光線Ｒ２は、レンズ素子２６の凸面Ｓ１の形状によって屈折する（部分的に集束する）。

光線Ｒ２は円偏光している。１／４波長板２８などの第２の１／４波長板を光学システム２０に含めて、光線Ｒ２の円偏光を直線偏光に変換することができる。１／４波長板２８は、例えば、円偏光光線Ｒ２を図２のＹ軸と整列した直線偏光を有する光線Ｒ３に変換することができる。

反射偏光子３０は、１／４波長板２８に隣接して形成することができる。一つの例示的な構成では、反射偏光子３０及び１／４波長板２８は平面層であり、レンズ素子２６の平面上に形成することができる。反射偏光子３０は、直交反射軸及び通過軸を有することができる。反射偏光子３０の反射軸と平行に偏光した光は、反射偏光子３０によって反射される。反射軸に垂直に、したがって反射偏光子３０の通過軸に平行に偏光された光は、反射偏光子３０を通過する。図２の例示的な配置では、反射偏光子３０はＹ軸と整列した反射軸を有するので、光線Ｒ３は面Ｓ２で反射偏光子３０から反射光線Ｒ４として反射する。

反射光線Ｒ４は、Ｙ軸と整列した直線偏光を有する。１／４波長板２８を通過した後、光線Ｒ４の直線偏光は円偏光に変換される（すなわち、光線Ｒ４は円偏光光線Ｒ５になる）。

円偏光光線Ｒ５はレンズ素子２６を通過し、光線Ｒ５の一部は反射光線Ｒ６としてレンズ素子２６の凸面Ｓ１上の部分反射ミラー２２によってＺ方向に反射される。面Ｓ１の湾曲形状からの反射は、光学システム２０に追加の光パワーを提供する。同時に、部分反射ミラー２２を透過した光線Ｒ５の一部は、１／４波長板１８によって円偏光から直線偏光に変換される。この直線偏光はＹ軸と整列した偏光を有し、直線偏光子１６に吸収される。その結果、光線Ｒ５の透過部分からのコントラスト劣化及び迷光アーチファクトは、ユーザによって視認される画像において防止される。

光線Ｒ６は円偏光している。レンズ素子２６及び１／４波長板２８を通過した後、光線Ｒ６は直線偏光（光線Ｒ７）になり、この光線Ｒ７の直線偏光は図２のＸ軸と整列しており、反射偏光子３０の通過軸と平行である。したがって、光線Ｒ７は反射偏光子３０を通過してユーザに視認可能な画像を提供する。

所望であれば、眼鏡１０は、クリーンアップ直線偏光子３４などの追加の直線偏光子を含むことができる。クリーンアップ直線偏光子３４は、反射偏光子３０の通過軸と整列された（すなわち、この例でのＸ軸に平行な）通過軸を有し、したがって、光線Ｒ７がビューアの目４６に届く前に光線Ｒ７からあらゆる残留非Ｘ軸偏光を除去する。

所望であれば、追加のレンズ素子面（面Ｓ３）を有する素子３２などの追加のレンズ素子を光学システム２０に組み込むことができる。面Ｓ３は、凹状及び／又は凸状であることができ、更なる集束、歪み補正などに使用することができる。要素３２は、レンズ素子２６に面する平面及びビューア４６に面する湾曲面（Ｓ３）を有することができる。面Ｓ３は、凹状、凸状、非球面状、自由形状、部分的に凹状、及び部分的に凸状であることができるか、又は他の適切な形状を有することができる。面Ｓ１及び／又はＳ３などのシステム２０内の湾曲面は、鮮明さを向上させるため、又はユーザに提示される画像の歪みを低減するために非球面であることができる。レンズ素子３２は、例えば、その平面を反射偏光子３０、１／４波長板２８、及び素子２６の平面に隣接して配置することができる（すなわち、反射偏光子３０及び１／４波長板２８レンズ素子３２と２６の平面の間にエアギャップなしで挟むことができる）。

要素３２は追加の集束力を提供するが、所望であれば、要素３２を省略することによって光学システムの複雑さ及び重量を低減することができる。更に、１／４波長板２８は、要素２６の平面上に配置される必要はなく、むしろ部分反射ミラー２２と反射偏光子３０との間の任意の位置に配置することができる。例えば、１／４波長板２８は、湾曲部分反射ミラー２２と素子２６の凸面との間の位置２４に移動されてもよい。

図３は、光学システムが平凸レンズ素子２６及び平凸レンズ素子３２（例えば平凹面、平非球面など）を含む例示的な構成における眼鏡１０の断面側面図であり、反射偏光子３０は、レンズ素子３２の湾曲面Ｓ３上に形成されている。面Ｓ３は湾曲しているので、反射偏光子３０が面Ｓ３の形状に湾曲しているときに、画像光が反射偏光子３０から反射できるようにすることで、追加の光学パワー及び／又は歪み補正能力又はより大きな表示視野を提供することができる。所望であれば、１／４波長板２８は、図３に示す位置から図３の反射偏光子３０に隣接する位置（例えば場所５０）に移動させることができ、又は、図２の位置２４に移動させることができる。図３の構成は単なる例示である。

図４は、レンズ素子３２及び２６が、所望であれば、システム２０内でエアギャップによってどのように分離され得るかを示す。所望であれば、反射防止コーティングを素子３２及び／又は２６の平面上に設けて、反射を低減することができる。

図５の例示的な構成では、システム２０は追加の湾曲面を有するレンズ素子から形成される。この構成では、素子３２及び２６はメニスカスレンズであり、湾曲した嵌めあい面５２で接する。図４及び図５の光学システムは、図２及び図３の反射屈折レンズ系（レンズ）２０に関連して説明したように、１／４波長板、部分反射ミラー、及び反射偏光子を含んで、反射屈折レンズを形成することができる。

図６の例示的な構成では、反射偏光子３０が追加のレンズ素子５４の面に形成されている。（一例として）反射偏光子３０及びレンズ素子５４は、光学的に透明な接着剤を使用してレンズ素子３２の隣接曲面に取り付けてもよい。所望であれば、使用者４６に面するレンズ素子５４の面は曲面を有してもよい。レンズ素子５４の厚さは、所望により一定であってもよい（例えば、素子５４の厚さは、その直径にわたって１０％未満、もしくは５％未満、又は他の適切な量だけ変動することができる）。更に、直線偏光子３４は、ユーザ４６に面するレンズ素子５４の湾曲面上に形成されて、漂游光の周囲光の反射を抑制するのに役立つことができる。直線偏光子３４が向けられることによって、直線偏光子３４の通過軸はＸ軸と整列し、図２の光線Ｒ７などの画像光の光線が視認のためにユーザ４６に渡されてもよく、一方、（−Ｚ方向に）偏光子３４を通過する周囲光線は、直線偏光子３４のＸ軸通過軸の向きのためにＸ偏光になり、したがって（Ｙ軸を向いた反射軸を有する）反射偏光子３０によって反射されない。斜めに向いた周囲光線は、システム２０内のレンズ素子の湾曲面のために、ユーザ４６から離れるように反射される傾向もある。したがって、直線偏光子３４の存在は、システム２０の内側に面する側面からユーザ４６に向かう迷光の反射を低減するのにも役立つ。

レンズ素子５４の外側に面する面Ｓ４は（例えば凸状に）湾曲していてもよく、レンズ素子３２の対向する嵌めあう内側に面する面Ｓ５は対応して（例えば凹面に）湾曲していてもよい。１つの例示的な構成では、面Ｓ４及びＳ５は、図６のＺ軸の周りに回転対称であってもよい（例えば、レンズ素子５４及び３２はドームレンズであってもよく、面Ｓ４及びＳ５はドームレンズ面であってもよい）。これにより、レンズ素子５４をレンズ素子３２に対して回転させることができる（例えば、反射偏光子３０を１／４波長板２８に整列させるなど）。

図６の例では、面Ｓ６及びＳ７は平面である。これは、１／４波長板２８に望ましくない応力（一例として、複屈折延伸フィルムから形成され得る）がかかるのを回避するのに役立つ。１／４波長板の応力を最小にするための別の例示的な構成を図７に示す。図７の例では、面Ｓ６及びＳ７はシリンドリカル湾曲形状を有する（Ｓ６は凸状であり、Ｓ７は凹状であるため、これらのシリンドリカル形状は嵌めあう）。図７の１／４波長板２８は湾曲しているが、１／４波長板２８は、単一の軸（Ｙ軸）に対して曲がっている（湾曲している）だけであり、Ｘ軸に対しては曲がっていない。その結果、１／４波長板２８は、１／４波長板２８に望ましくない応力を加える可能性がある複合曲率を有さない。比較のために、図８及び図９は、図７のレンズ素子３２及び２６の断面側面図を示す。図８は、Ｙ軸に沿って見た側面断面図である。１／４波長板２８は、レンズ素子３２のシリンドリカル面Ｓ６とレンズ素子２６のシリンドリカル面Ｓ７との間に配置され、図８に示すようにＹ軸に平行な軸に対して曲げられる。図９は、Ｘ軸に沿って見た図７のレンズ素子３２及び２６の断面側面図であり、面Ｓ６及びＳ７がＸ軸に対してどのように曲がらないかを示す。面Ｓ６及びＳ７はこのシリンドリカル形状を有するので、１／４波長板２８は複合曲率を示さず、望ましくない量の応力にさらされることはないため、レンズアセンブリにわたって１／４波長板２８によって比較的均一な位相差が提供される。

図１０は、レンズ素子５４などのレンズ素子が、プラスチック（ポリマー）又は他の材料の金型５６への射出成形によってどのように形成され得るかを示す。反射偏光子３０を型５６内に配置することで、レンズ素子５４を形成するためにプラスチックを型５６の内部キャビティに射出するときに反射偏光子３０の反射面が型面Ｓ５’を支えることができる。型面Ｓ５’は高精度で機械加工することができるので、成形作業中に反射偏光子３０を面Ｓ５’に押し付けることは、反射偏光子３０の反射面の滑らかさ及び精度を高めるのに役立つ。同様に、所望であれば、射出成形作業中に反射偏光子３０を対向面５８に対して成形することによって反射偏光子３０を形成することができる。

光学システム２０に使用されるレンズ素子は、比較的薄く、軽量の材料（例えばプラスチック）から形成されてもよく、及び／又はガラスなどの材料から形成されてもよい。重量の低減は、ユーザ４６に快適な視認体験を提供するのに役立ち得る。素子５４などのレンズ素子が一様な厚さを有する場合、低複屈折を含む一様な光学特性を有するレンズ素子を成形することはより容易であり得る。

図８及び図９に関連して説明したように、素子３２及び２６が互いに接合されるとき（例えば、１／４波長板２８の対向する側面に接着剤層を使用して）、１／４波長板２８をレンズ素子３２と２６の間に挿入することができる。図６に関連して説明したように、面Ｓ６及びＳ７は平面であることができ（例えば、素子３２は平凹素子で、素子２６は平凸素子であることができ）、又は面Ｓ６及びＳ７は湾曲していることができる（例えば、図７を参照）。図８及び図９に関連して説明したように、面Ｓ６及びＳ７はシリンドリカル面（１つの軸の周りに曲がった面）であることができる。このタイプの構成では、１／４波長板２８は１つの軸のみに沿って曲がることができ（例えば、１／４波長板２８はいかなる複合曲線も有さないことがある）、それによって１／４波長板２８の歪みを低減し、１／４波長板２８によって提供される位相差が均一であることを確実にするのに役立つ。

光学システム２０の組み立て中に、１／４波長フィルムのいずれかの側面に光学接着剤を用いて、１／４波長フィルムの平面状片を素子３２と２６の間に配置することができる。次いで、素子３２及び２６を互いに押し付けて接着剤を分配し、軸線Ｙ（軸線Ｙと平行な軸線）の周りに１／４波長フィルムを曲げることができる。面Ｓ６及びＳ７にシリンドリカル湾曲形状を設けることにより、レンズ素子３２及び２６の厚さを低減することを可能にすることができる。面Ｓ６及びＳ７にシリンドリカル湾曲形状を使用することは、レンズ素子にわたってより均一な厚さを作り出すのに役立ち、それによってレンズ素子の成形性を改善することができる。射出成形レンズ素子を形成するとき、金型キャビティ内の厚さの均一性は、溶融プラスチックが金型内に射出されて溶融前部が金型キャビティを横切って流れるときの溶融プラスチックのフローの均一性を改善するのに役立つことができる。成形中の均一なフローの存在は、特にレンズ素子が中央部よりも端部で厚い場合、成形レンズ内のフローラインを防ぐために重要であることができる。より均一なフローは、成形レンズ素子におけるより低い複屈折ももたらすことができる。システム２０などの反射屈折光学システムの場合、レンズ素子における低い複屈折は、画像光の偏光状態の制御を維持するのに役立ち、迷光及びゴーストが低減され、それによってユーザ４６には迷光アーチファクトのない高コントラスト画像が提供される。更に、図８及び図９に示すタイプの構成における波長板２８のシリンドリカル湾曲形状は、システム２０内の光線が、平面波長板構成よりも垂直入射に近い角度で１／４波長板２８を通過することを確実にするのに役立つことができる。結果として、１／４波長板２８によって提供される位相差は、レンズ素子にわたってより均一であることができ、結果として、ユーザ４６に提供される画像は、より少ないゴーストアーチファクトとは対照的に、より均一であることができる。

デバイス１０では、画像光を、非偏光から直線偏光に変換し、円偏光へと変換し、次いで直線偏光へ戻し、円偏光へ戻して、最後に直線偏光へと戻す。直線偏光から円偏光への変換を完全に行って偏光楕円率を低減するためには、１／４波長板２８及び１８が偏光子の偏光軸に対して正確に向けることが望ましい場合がある。例えば、１／４波長板１８の高速軸を直線偏光子１６の偏光軸（通過軸）に対して４５度に正確に向け、１／４波長板２８の高速軸を反射偏光子３０の偏光軸（通過軸）に対して４５度に正確に向けることが望ましい場合がある。１／４波長板の高速軸は、例えば、＋／−１．５度又は他の適切な整列公差内で、それぞれの偏光子の偏光軸に対して４５度に向けられてもよい。１／４波長板を偏光子の偏光軸に正確に整列させることは、光が混合偏光状態を有さない（楕円偏光されていない）ことを確実にするのに役立つ。したがって、正確な整列は、画像光の一部が意図しない経路をたどってゴースト画像を形成してコントラストを低下させ、迷光アーチファクトを存在させることを防止する。

直線偏光子１６及び１／４波長板１８は、積層中に整列させることができる。例えば、偏光子フィルムと１／４波長フィルムのロールは、巻き戻しプロセスにおいて互いに正確に整列させ、光学的に透明な接着剤で互いに積層することで、その整列が維持される。次いで、積層偏光子及び／又は１／４波長フィルムを、光学システムに取り付けるために基板に取り付けるか、又はカバーガラス又は画素アレイ１４に関連付けられた他の構造に直接取り付けることができる。有機発光ダイオードディスプレイ及び結晶性半導体発光ダイオードダイのアレイから形成された発光ダイオードディスプレイなどの発光ディスプレイは、非偏光画像光を提供することができ、積層偏光子及び／又は１／４波長フィルムを画素アレイに取り付けることにより、ディスプレイシステムが円偏光を放射することが可能になる。

１／４波長板２８も反射偏光子３０と正確に整列させることができる。反射偏光子３０は、レンズ素子３２の凹面に直接、又はレンズ素子３２の凹面に適合する金型（例えば、図１０の型５６）のいずれかで湾曲形状に（例えば、熱及び差圧又は加圧成形による熱成形によって）形成することができる。次いで、組み立てプロセス中に、１／４波長板２８又は反射偏光子３０のいずれかを整列させることができ、２つのレンズ素子３２及び５４は、反射偏光子３０及び湾曲１／４波長板２８と接合される。反射偏光子３０又は湾曲１／４波長板２８のいずれかは、例えば、レンズ素子３２又は５４のうちの１つに接合されてもよく、システム２０の残りの素子は所望の整列精度で配向されてもよい。偏光計を使用して、整列中に光学システム２０を測定して、どれだけの楕円率が存在するかを決定し、この情報を使用して組み立て中に整列を案内することができる。図６に示すタイプの構成では、レンズ素子３２と２６との間の界面は平面である。このタイプの構成では、１／４波長板２８を平凸レンズ素子２６の平面側に接着することができ、反射偏光子３０を平凹レンズ素子３２の凹面側に接着することができる。次いで、偏光楕円率を測定しながら、レンズ素子３２及び２６を互いに回転させることができる。１／４波長板２８が反射偏光子３０に対して十分に整列していると判定されると、整列を維持するために光学システム２０の構成要素を互いに接着することができる。

所望であれば、ドーム光学システム（ドーム形状の表面を有するレンズ素子）を使用して、偏光子３０と１／４波長板２８との整列を容易にすることができる。例えば、素子５４の凸面Ｓ４及び素子３２の凹面Ｓ５はドーム形状であってもよく、これらのドームレンズ素子を整列作業中に互いに対して回転させることができる。１／４波長板２８は、レンズ素子３２と２６との間に接合されてもよい。偏光子３０はレンズ素子５４の面に形成されてもよい。次いで、ドームレンズ素子５４は、偏光子３０と１／４波長板２８とを整列させながらレンズ素子３２の面Ｓ５に接合することができる。ドームレンズ素子５４は、レンズ素子３２に結合する前に必要に応じて回転させることができ、一方、偏光測定は整列精度を評価するために行われる。所望であれば、反射偏光子３０は、図１０に関連して説明したように（例えば、型５６へのインサートとして反射偏光子３０を使用して）、レンズ素子５４の面Ｓ４に成形することができる。成形中に要素５４のために光学プラスチックに圧力を加えると、成形中に反射偏光子３０を型５６の壁に押し付けるので、反射偏光板３０の反射面（例えば、反射偏光板３０の外側に面する面）の精度及び滑らかさは、光学仕様に合わせて形成され得る型５６の壁の精度及び滑らかさによって決定される。成形後、成形ドームレンズ５４の厚さ（例えば、１〜３ｍｍ）は、組み立て中の取り扱いを容易にするために反射偏光子３０の反射面の面精度を維持する。ドームレンズ５４をレンズ素子３２の嵌めあうドーム形状面Ｓ５に（例えば光学的に透明な液体接着剤を使用して）接合するプロセスは、次いで素子５４の面Ｓ４上の反射偏光子３０の反射面の成形時の面精度が劣化しないように十分に小さい力のものであることができる。

図６に示すように、直線偏光子３４は素子５４の目側（凹面Ｓ８）に形成されて、周囲からの光の誤った反射を防止するのに役立つことができる。直線偏光子３４は、光学システム２０とユーザの目４６との間に配置された、平面の又は湾曲したいずれかの別個の層であることができる。直線偏光子３４は、レンズ素子５４の面Ｓ８（例えば、内側ドームレンズ面）に取り付けることができ、又は偏光子３０がレンズ素子５４の面Ｓ４上に形成される前に、反射偏光子３０に積層することができる。直線偏光子３４は反射偏光子３０に対して整列され得るので、２つの偏光子の通過軸は整列される。このようにして、直線偏光子３４は、反射偏光子３０によって反射されるであろう偏光状態を有する環境からの光を吸収する。直線偏光子３４及び反射偏光子３０の両方によって透過される偏光状態を有する環境からの光は、直線偏光子１６によって吸収される直線偏光状態で終わる１／４波長板２８及び１／４波長板１８を通過する。反射偏光子３０はこの偏光状態の光を高い反射率で反射し、これは、ユーザ４６の後方からデバイス１０に又はユーザの側面４６に入る光を散らす反射を生成する可能性を有するので、これは迷光の反射を低減するのに役立つ。同時に、直線偏光子３４は、直線偏光子３４の透過軸が反射偏光子３０の透過軸と平行になるように整列され、それによって直線偏光子３４がクリーンアップ偏光子として機能するのを助けることができ、画素アレイ１４からの画像の品質を向上させるとともに、ユーザの目に提示される画像光の輝度を比較的少量だけ（例えば、直線偏光子３４が４０％の透過率を有する場合には＜２０％、直線偏光子３４が４５％の透過率を有する場合には＜１０％）低減する。直線偏光子３４は、非偏光と比較して少なくとも４０％、少なくとも４３％、又は少なくとも４５％の透過率を有する高透過率偏光子であることができる。

一実施形態では、システム２８内の１／４波長板は、互いに積層された複数層の位相差フィルムから形成されてもよい。位相差フィルムの層は、それらが一緒になって、色収差のない１／４波長としても知られる、より広いスペクトル帯域幅にわたる波で測定したときの位相差の変動の減少を伴う１／４波長板として作用するように、互いに角度を成して配向されてもよい。例えば、１／４波長板１８及び／又は２８の位相差は、４５０〜６５０ｎｍの波長範囲にわたって±１．５^ｏ以内であることができる。

ドームレンズ素子５４のインサート成形の前に、プライマ（例えば、接着促進ポリマー）を反射偏光子３０の１つ以上の面に適用することができる。これは、成形後に反射偏光子３０とドームレンズ素子５４との間の結合強度を高めるのに役立ち得る。

反射偏光子３０は、所望であれば、システム２０内のレンズ素子（例えば、アクリレート又は環状オレフィンレンズ素子）の熱膨張に適合するポリカーボネート又は環状オレフィンなどの材料から形成された基板を有することができ、それによって、光学システム２０が、ディスプレイシステム４０又は環境のいずれかからの熱にさらされたときに界面応力を低減する。

所望であれば、システム２０の他のレンズ素子とディスプレイシステム４０との間に挿入されているレンズ素子２６は、ガラス（プラスチックよりも低い熱膨張及びより高い耐熱性能を有し得る）から作製することができ、ディスプレイシステム２０からの熱の影響に耐えるのに役立つ。更に、軟らかい接着剤又は光学グリースを使用して、レンズ素子５４と３２との間に１／４波長板２８を接着することができ、２つのレンズ素子と１／４波長板２８との間の界面応力を低減しながら、いくらかの作動熱膨張を可能にする。

一実施形態によれば、ユーザが視認可能な画像を表示するように構成されたヘッドマウントディスプレイが提供され、これは画像を生成するように構成された画素のアレイと、画像に関連付けられた光が通過する直線偏光子と、直線偏光子から光を受信する第１の平面１／４波長板と、凸面及び反対側の平面を有する平凸レンズ素子と、凸面上の部分反射ミラーと、反射偏光子と、第２の平面１／４波長板であって、反射偏光子と部分反射ミラーとの間にある第２の平面１／４波長板と、を含む。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイは、反射偏光子を通過した後に光が通過する追加の直線偏光子を含む。

別の実施形態によれば、第２の平面１／４波長板は平凸レンズ素子の平面に形成される。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイは、凹面及び反対側の平面を有する平凹レンズ素子を含み、平凹レンズの平面は平凸レンズ素子の平面と平行である。

別の実施形態によれば、平凸レンズ素子の平面は平凹レンズ素子の平面に面している。

別の実施形態によれば、反射偏光子は、平凹レンズの凹面に形成される。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントは追加のレンズ素子を含み、反射偏光子は追加のレンズ素子と平凹レンズ素子との間に挿入されている。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイは追加のレンズ素子の面に追加の直線偏光子を含み、追加のレンズ素子は追加の直線偏光子と反射偏光子との間に挿入されている。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイは、画像データを画素アレイに供給するように構成された制御回路及び制御回路に結合された入出力デバイスを含む。

別の実施形態によれば、入出力デバイスはカメラを含む。

一実施形態によれば、ユーザが視認可能な画像を表示するように構成されたヘッドマウントディスプレイが提供され、これは画像を生成するように構成された画素のアレイと、画像に関連付けられた光が通過する直線偏光子と、直線偏光子からの光を受信する第１の１／４波長板と、第１の面及び反対側の第２の面を有する第１のレンズ素子と、第３の面及び反対側の第４の面を有し、第３の面は第２の面に面する、第２のレンズ素子と、第５の面及び反対側の第６の面を有し、第５の面は第４の面に面する、第３のレンズ素子と、第１の面上の部分反射ミラーと、第２の面と第３の面との間にある第２の１／４波長板と、第４の面と第５の面との間の反射偏光子と、を含む。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイは、反射偏光子を通過した後に光が通過する第６の面に追加の直線偏光子を含む。

他の実施形態によれば、第１の面は凸面であり、第２の面は平面である。

別の実施形態によれば、第３の面は平面であり、第４の面は凹面であり、第５の面は凸面であり、第６の面は凹面である。

他の実施形態によれば、第２の面は凹面であり、第３の面は凸面である。

別の実施形態によれば、第１の面は凸面であり、第２の面は凹面であり、第３の面は凸面であり、第２の面及び第３の面はシリンドリカル形状を有する。

別の実施形態によれば、第４の面及び第５の面はドーム形状面である。

一実施形態によれば、画像をユーザに提示するように構成されたヘッドマウントデバイスが提供され、これにはユーザの頭部に装着されるように構成された支持構造と、画像用の光を生成する支持構造によって支持されたディスプレイシステムと、光がディスプレイシステムからユーザへと通過するときに光を集束させる、筐体によって支持された反射屈折光学システムであって、凸状である第１の面を有し、反対側の第２の面を有する第１のレンズ素子と、第１の面上の部分反射ミラーと、第２の面の１／４波長板と、１／４波長板における第３の面及び凹状である反対側の第４の面を有する第２のレンズ素子と、反射軸を有し、反射軸に垂直な通過軸を有する第４の面における反射偏光子と、反射偏光子において凸状である第５の面及び凹状である反対側の第６の面を有する第３のレンズ素子と、を含む反射屈折光学システムと、を含む。

別の実施形態によれば、ヘッドマウントデバイスは、第６の面上に直線偏光子を含む。

別の実施形態によれば、第２の面及び第３の面は平面であり、１／４波長板は平面である。

別の実施形態によれば、第２の面と第３の面は嵌めあいシリンドリカル形状を有する。

前述は単なる例示に過ぎず、記載された実施形態に対して様々な修正を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組み合わせで実装され得る。

Claims (16)

1. ユーザが視認可能な画像を表示するように構成されたヘッドマウントディスプレイであって、
   前記画像を生成するように構成された画素のアレイと、
   前記画像に関連付けられた光が通過する直線偏光子と、
   前記直線偏光子から前記光を受信する第１の１／４波長板と、
   互いに反対側の第１の面および第２の面を有する第１のレンズ素子であって、前記第１の面は前記第１の１／４波長板に面し且つ凸状であり、前記第２の面はシリンドリカルの凹状である、第１のレンズ素子と、
   前記第１の面上の部分反射ミラーと、
   反射偏光子と、
   前記第２の面の位置においてシリンドリカル面を有し、前記反射偏光子と前記部分反射ミラーとの間にある第２の１／４波長板と、
   前記第２の１／４波長板の位置においてシリンドリカルの凸状である第３の面と、凹状である反対側の第４の面とを有する第２のレンズ素子と、を備え、
   前記反射偏光子は、前記第４の面において形成されているヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記光が前記反射偏光子を通過した後に通過する追加の直線偏光子を更に備える、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 追加のレンズ素子を更に備え、前記反射偏光子は、前記追加のレンズ素子と前記第２のレンズ素子との間に挿入されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記追加のレンズ素子の面に追加の直線偏光子を更に備え、前記追加のレンズ素子は、前記追加の直線偏光子と前記反射偏光子との間に挿入されている、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記画素のアレイに画像データを供給するように構成された制御回路と、
   前記制御回路に結合された入出力デバイスと、を更に備え、
   前記入出力デバイスはカメラを含む、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. ユーザが視認可能な画像を表示するように構成されたヘッドマウントディスプレイであって、
   前記画像を生成するように構成された画素のアレイと、
   前記画像に関連付けられた光が通過する直線偏光子と、
   前記直線偏光子から前記光を受信する第１の１／４波長板と、
   前記第１の１／４波長板に面する第１の面と、前記第１の面と反対側の第２の面を有する第１のレンズ素子と、
   第３の面及び反対側の第４の面を有し、前記第３の面は前記第２の面に面する、第２のレンズ素子と、
   第５の面及び反対側の第６の面を有し、前記第５の面は前記第４の面に面する、第３のレンズ素子と、
   前記第１の面上の部分反射ミラーと、
   前記第２の面と前記第３の面との間にある第２の１／４波長板と、
   前記第４の面と前記第５の面との間の反射偏光子と、を備えるヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記光が前記反射偏光子を通過した後に通過する追加の直線偏光子を前記第６の面に更に備える、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記第１の面は凸面であり、前記第２の面は平面である、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 前記第３の面は平面であり、前記第４の面は凹面であり、前記第５の面は凸面であり、前記第６の面は凹面である、請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ。
10. 前記第２の面は凹面であり、前記第３の面は凸面である、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
11. 前記第１の面は凸面であり、前記第２の面は凹面であり、前記第３の面は凸面であり、前記第２の面及び前記第３の面はシリンドリカル形状である、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
12. 前記第４の面及び前記第５の面はドーム形状の面である、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
13. 画像をユーザに提示するように構成されたヘッドマウントデバイスであって、
    前記ユーザの頭部に装着されるように構成された支持構造と、
    前記画像用の光を生成する前記支持構造によって支持されたディスプレイシステムと、
    前記光が前記ディスプレイシステムから前記ユーザへと通過するときに前記光を集束させる、前記支持構造によって支持された反射屈折光学システムであって、前記ディスプレイシステムに面する凸状である第１の面及び反対側の第２の面を有する第１のレンズ素子と、前記第１の面上の部分反射ミラーと、前記第２の面の１／４波長板と、前記１／４波長板における第３の面及び凹状である反対側の第４の面を有する第２のレンズ素子と、反射軸を有し且つ前記反射軸に垂直な通過軸を有する前記第４の面における反射偏光子と、前記反射偏光子において凸状である第５の面及び凹状である反対側の第６の面を有する第３のレンズ素子と、を含む反射屈折光学システムと、を備えるヘッドマウントデバイス。
14. 前記第６の面に直線偏光子を更に備える、請求項１３に記載のヘッドマウントデバイス。
15. 前記第２の面及び前記第３の面は平面であり、前記１／４波長板は平面である、請求項１４に記載のヘッドマウントデバイス。
16. 前記第２の面及び前記第３の面は、嵌めあいシリンドリカル形状を有する、請求項１４に記載のヘッドマウントデバイス。

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