JP6792622B2 - 回転するディスプレイを有するヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、電子ディスプレイに関し、特に、結像光ガイドを用いて画像担持光を見る者に伝送するヘッドマウントディスプレイ（ニアアイディスプレイ）に関する。

単眼型または双眼型のニアアイディスプレイを含むヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、軍事、商業、工業、消防、および娯楽分野への適用を含め、様々な用途に向けて開発されている。一般的なＨＭＤでは、現実世界が隠れるものと透過されるものの両方において、バーチャル像が形成される。このバーチャル像はユーザーの眼に対して位置決めされなければならない。さらに、バーチャル像がユーザーの視野を妨げないように位置付けできることが求められている。

見る者にとって意図された位置にバーチャル像を形成するためには、光学装置が様々な幾何学的および位置的要件を満たなければならない。これらの要求は、見る者の位置や見る者の目に対する光学システムの配置などの設計および使用可能性のファクタとしばしば衝突する。光学システムは、例えば、見る者の間の解剖学的相違のために、特定の見る者または目的にとって最も有用な位置に、バーチャル像を正確に位置決めすることができない場合がある。見る者は、視界内で利用可能なバーチャル像コンテンツを有することを望むかもしれないが、視野内の現実世界の対象に画像コンテンツを直接重ね合わせたり、部分的に隠すことを望まないかもしれない。あるいは、部分的に閉塞されたシステムでは、見る者は視野の上部にバーチャル像を位置させて、視野の下部に手が見えるようにすることを望むかもしれない。多くの従来のＨＭＤ光学設計での硬直した制約は、ＨＭＤを実用的な機能として用いるのに不便なものにしている可能性がある。

さらに、画像の適切な位置決めは、横方向の位置決めと角度的な位置決めを含み、これらは一方の調整が他方の調整に影響を与えるように、相互に関連し得る。観察者の頭部においてＨＭＤをより高くするだけでは、形成された画像を再配置するのに十分でなく、ＨＭＤから出射した光線が観察者の瞳孔全体に至らないことさえある。同様に、横方向の動きを伴わずにＨＭＤを傾けると、バーチャル像を見ることができなくなる可能性がある。

既存のＨＭＤシステムに提供される機械的調節は、ある程度の調節を可能にするが、見る者が補助なしに調節することはしばしば不便かつ困難である。

したがって、バーチャル像のために用いられる光学的構成要素の配置に、ある程度の柔軟性を提供し、バーチャル像自体の相対的な位置の調節を可能にする方法および装置は、実用的であることが理解されよう。３つの角度的な次元は勿論のこと３つの直交する直線的な次元に関して柔軟な配置を可能にし、この能力をコンパクトな形態内で提供することは、有利であろう。

本開示の目的は、コンパクトなヘッドマウントディスプレイ（ニアアイディスプレイ）内に像を表示する技術を進歩させることにある。さらに、本開示の実施形態は、見る者がウエアラブルディスプレイを取り外すことなく、バーチャル像コンテンツの視認性を妨害することなく、バーチャル像コンテンツの相対位置を手動で調整することを可能にする設計を提供することは有利であろう。

本発明の態様、目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を検討し、添付の図面を参照することにより、より明確に理解され、認識されるであろう。

本開示の一態様によれば、調節可能な結像装置が提供される。この結像装置は、ディスプレイ装置を見る者の頭部に装着するサポートを含む。ボールジョイントが、上記サポート内に嵌合され、上記サポートから突出したクランプに結合されている。スライドが、上記クランプ内で第１方向に移動可能であり、ディスプレイ像を形成するためのディスプレイモジュールを保持している。ディスプレイがディスプレイモジュールに結合され、上記第１方向と直交する第２方向に延びる垂直軸を中心に第１円弧を描いて回転可能であり、さらに、上記垂直軸と実質的に直交する水平軸を中心に第２円弧を描いて回転可能である。

本明細書は、本発明の主題を特に指摘し明確に主張する特許請求の範囲で結論づけているが、本発明は、添付の図面と以下の説明からより良く理解できるであろう。

見る人が、３つの直交軸に沿うバーチャル像位置の調節と、３つの直交軸を中心とする回転をできるようにした調節可能な結像装置を示す斜視図である。

結像ディスプレイを可動な構成で支持する、調節可能な結像装置の要部を示す斜視図である。

互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。 互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。 互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。

ボールジョイントでの回転による結像ディスプレイのための仰角調節を示す。

一実施形態に係るディスプレイマウントの構成要素を示す斜視図である。

一実施形態に係るディスプレイ用のヘッドマウントの一部を示す斜視図である。

クランプとボールジョイントの断面を示す拡大斜視図である。

クランプがディスプレイモジュールにどのように結合され得るかを後側から見た拡大斜視図である。 クランプがディスプレイモジュールにどのように結合され得るかを後側から見た拡大斜視図である。

眼鏡フレームを用いた構造でのクランプの他の構成を示す拡大斜視図である。 眼鏡フレームを用いた構造でのクランプの他の構成を示す拡大斜視図である。

結像装置をヘルメットに取り付けた他の実施形態を示す拡大斜視図である。

導波路をベースにしたＨＭＤを示す別の実施形態である。

発明の詳細な説明

本開示は特に、本発明に係る装置の一部を構成する要素、または本発明に係る装置と直接的に協働する要素に向けられている。具体的に記載されていない要素は、当業者に周知の様々な形態を取ることができることを理解すべきである。

本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」等の用語は必ずしも順番や優先順位を示すものではなく、特に明記しない限り、単に1つの要素または要素の集合を他と区別するために用いられる。用語「頂」および「底」は、必ずしも空間的位置を示すのではなく、平坦な導波路の対向面を区別するなど、構造に関する相対的な情報を提供する。

本明細書の文脈において、「見る人」、「操作者」、「観察者」、および「利用者」という用語は均等とみなされ、ＨＭＤ装置を装着する人を指す。

本明細書で使用される場合、用語「励起可能（energizable）」は、電力を受け取ったとき、およびオプションで許可信号を受け取った時に指示された機能を実行する装置または構成要素のセットに関する。

用語「作動可能」は、通常の意味を有し、刺激への応答、例えば電気信号に応答として作動することができる装置または構成要素に関する。

ここで使われる「集合（set）」という用語は非空集合を指し、集合の要素の集まりという概念として初等数学で広く理解されている。「部分集合（subset）」という用語は、特に明記されない限り、非空の真部分集合、すなわち、１以上の要素を持つ、より大きな集合の部分集合を指す。集合Ｓの部分集合が集合Ｓの全体集合であってもよい。しかし、集合Ｓの「真部分集合（proper subset）」は、集合Ｓに完全に含まれ、しかも集合Ｓの１つ以上の要素を含まない。

本開示の文脈において、「斜(oblique)」という用語は、９０°の整数倍でない角度を
意味する。例えば、２つの線、線形構造、あるいは平面は、約５°以上平行から離れた角度、あるいは約５°以上垂直から離れる角度で、互いに広がったり収束したりする時、互いに「斜」であると見なされる。

本開示の文脈において、「波長帯域(wavelength band)」及び「波長範囲(wavelength range)」の用語は均等であり、カラーイメージングの技術分野の当業者によって使用されるような標準的な意味合いを有し、多色画像の１つまたはそれ以上の色を形成するために使用される光の波長の範囲を指す。異なる波長帯域は、従来のカラーイメージング用途において赤色、緑色および青色の原色を提供するような、異なる色チャンネルを介して方向付けされる。

光学システムは、実像投射の代わりに、バーチャル像を表示することができる。実像を結ぶ方法とは対照的に、バーチャル像がディスプレイ面に結ばれることはない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル像を知覚する位置にあるとしたら、ディスプレイ面に像は結ばれない。拡張現実表示において、バーチャル像表示には固有の利点が数多くある。例えば、バーチャル像の見かけの大きさはディスプレイ面の寸法や位置によって制限されない。しかも、バーチャル像のソースオブジェクト（source object）は小さくてもよい。簡単な例として、拡大鏡はそのオブジェクトのバーチャル像を提供する。実像を投影するシステムに比べて、ある程度離れたところにあるように見えるバーチャル像を結ぶことによって、より現実的な視覚体験を提供することができる。また、バーチャル像を提供すれば、実像投影の場合には必要となるスクリーンを補う必要が無くなる。

本開示において、「結合（coupled）」という用語は、２以上の構成要素間の物理的な
関連、接続、関係又は連結を指し、１つの構成要素の配置が、それと結合した構成要素の空間的配置に影響を及ぼすような状態を指す。機械的結合については、２つの構成要素が直接的に接触している必要はなく、１以上の中間構成要素を介して連結していてもよい。光学カップリング（optical coupling）の構成要素は、光エネルギーが光学装置に入力され、光学装置から出力されることを許容する。「ビーム拡大器(beam expander)」と「瞳拡大器(pupil expander)」という用語は同義であると見なされ、ここでは交換可能に用いられる。

図１Ａおよび図１Ｂの斜視図は調整可能な結像装置７０を示す。この調節装置７０では、３つの並進軸および３つの回転軸のすべてに関して、表示された像の位置を見る者が調整できる。サポートとしてのヘッドマウント７２の一部が図１Ｂに示されている。ヘッドマウント７２を見る者の頭部に適合させ、見る者の眼に対する画像ディスプレイ６０の位置を調整可能にするために用いられる様々な特徴が示されている。ディスプレイ６０は、ディスプレイモジュール６２の端部に設けられている。ボールジョイント８６によってマウント７２に結合されたスライド８０は、見る者の前方に延びる軸に沿ってディスプレイモジュール６２を移動させることができる。 プロジェクタ４０の光学素子および構成要素は、ディスプレイモジュール６２内に設けられている。ディスプレイマウント８４は、示されている数の軸を中心とする回転を提供する。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄは、互に直交するＸ、ＹおよびＺ座標軸に対してディスプレイ６０が様々な位置をとるために、結像装置７０がどのように調整されるのかを示すととともに、対応する軸回転を示す概略図である。ボールジョイント８６（後に詳しく示す）は、見る者の頭のサイズに合わせて仰角調節と水平変位を行なって結像光ガイドマウント８４の位置を変える（Ｘ軸およびＹ軸に沿った並進運動を伴う）ことができることは勿論のこと、ピッチ調節（pitch adjustment;ピッチ軸周りの回転によるピッチ角調節）が可能である。前述したように、ディスプレイモジュール６２のＺ軸移動（見る者に対して前方向）は、スライド８０によって提供される。ヘッドマウント７２は、ストラップ構造のような従来の方法を使用して見る者の頭部に沿って配置することができ、あるいはフレームの一部として、または他のヘッドギアの一部として、ヘルメットに取り付けることができる。垂直ヒンジ８８は、垂直軸Ｙを中心とする回転を可能にする。垂直軸Ｙは、スライド８０によって規定される前方方向と実質的に直交する。水平ヒンジ８２は、垂直軸Ｙと実質的に直交する水平軸Ｘを中心とする回転を可能にする。

図２Ｂは、ディスプレイ６０のＸ軸を中心とするロール調節（roll adjustment；ロール角調節）のために、水平ヒンジ８２を用いた回転を示す。水平ヒンジ８２回りの回転は、バーチャル像の相対的な位置を垂直方向にシフトさせる。実際の画像が形成される場合、水平ヒンジ８２は、図２Ａに示すように、実画像をロール方向に移動させることができる。

図２Ｃは、ヨー調節（yaw adjustment;ヨー角調節）のために、垂直ヒンジ８８を用いたＹ軸を中心とする回転を示す。したがって、動きは、Ｘ軸を中心とする動きに対して実質的に直交する軸を中心とする。垂直ヒンジ８８を中心とする回転は、バーチャル像の相対位置を水平方向にシフトさせる。

図２Ｄは、ボールジョイント８６で回転することによるディスプレイマウント８４のための仰角調節を示す。

図２Ａ〜図２Ｄに関連して説明した調節は、ディスプレイ６０上に形成された実際の画像の相対的な位置を変更するか、あるいは見る者のアイボックスに現れるバーチャル像の相対位置を変更することに留意すべきである。

図３は、一実施形態に係るディスプレイマウント８４の構成要素を示す拡大斜視図である。

図４Ａは、一実施形態に係る結像装置７０のためのヘッドマウント７２の一部を示す斜視図である。クランプ７４は、ディスプレイモジュール６２（クランプ７４のより良好な視認性のために図４Ａには図示せず）を保持するためのガイドとして設けられている。クランプ７４は、ボールジョイント８６によってヘッドマウント７２に結合されている。クランプ７４は、ディスプレイモジュール６２をヘッドマウント７２の構成から分離可能にする。

図４Ｂは、クランプ７４およびボールジョイント８６の断面を示す拡大斜視図である。

図５Ａおよび図５Ｂは、クランプ７４をディスプレイモジュール６２にどのように結合することができるかを、後側から示している。

また、図６Ａおよび図６Ｂは、サポートとして眼鏡フレーム７６を用いた構成におけるクランプ７４の異なる配置を示す拡大斜視図である。

図７は、結像装置７０をヘルメットに取り付けるためのブラケット７８（サポート）を備えた他の実施形態を示す拡大斜視図である。

図８は、プロジェクタ４０からのバーチャル像を形成するために光導波路２２を使用する結像装置７０を示す別の実施形態である。導波路は、バーチャル像の左右調節を提供する光学系に対してヒンジ結合される。垂直移動を可能にするヒンジは、入力プロジェクタの移動を可能にするために、ボールジョイントの近くに配置されている。

本発明は、現在の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲内で変形および修正が可能であることが理解されるであろう。したがって、ここに開示された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされる。 本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味および範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。

Claims (11)

1. 見る者の頭部に隣接するディスプレイモジュールを装着するように作用可能なサポートと、
   上記サポート内に少なくとも一部が配置されるとともに少なくとも一部が上記サポートから突出するボールジョイントと、
   上記ボールジョイントに結合され、上記ボールジョイントを介して上記サポートに対して回転するように作用可能なクランプと、
   上記ディスプレイモジュールに結合され、上記クランプ内で第１方向に移動可能であるスライドと、
   上記ディスプレイモジュールに結合されたディスプレイと、
   を備え、
   上記ディスプレイは、上記第１方向と直交する第２方向に延びる垂直軸Ｙを中心に第１円弧を描いて回転可能であり、上記垂直軸Ｙと実質的に直交する水平軸Ｘを中心に第２円弧を描いて回転可能であり、
   第１ヒンジが上記第１円弧での上記ディスプレイの回転を可能にし、第２ヒンジが上記第２円弧での上記ディスプレイの回転を可能にし、
   上記第１ヒンジが、上記第１方向に沿って上記ボールジョイントと上記ディスプレイとの間に配置され、上記第２ヒンジが水平軸Ｘに沿って配置されている、調節可能な結像装置。
2. 上記ディスプレイモジュールが、上記クランプを分解することなく上記クランプから分離可能である、請求項１に記載の結像装置。
3. 上記サポートがヘッドバンドに結合されている、請求項１に記載の結像装置。
4. 上記サポートが眼鏡フレームに結合されている、請求項１に記載の結像装置。
5. 上記クランプは、上記サポートから突出した位置に配置されている、請求項１に記載の結像装置。
6. 上記ディスプレイモジュールが上記クランプの外側の位置に配置されている、請求項１に記載の結像装置。
7. プロジェクタが上記ディスプレイモジュール内に配置されている、請求項１に記載の結像装置。
8. 見る者の頭部に隣接するディスプレイモジュールを装着するように作用可能なサポートと、
   上記サポート内に少なくとも一部が配置されるとともに少なくとも一部が上記サポートから突出するボールジョイントと、
   上記ボールジョイントに結合され、上記ボールジョイントを介して上記サポートに対して回転するように作用可能なクランプと、
   上記ディスプレイモジュールに結合され、上記クランプ内で第１方向に移動可能であるスライドと、
   上記ディスプレイモジュールに結合されたディスプレイであって、上記第１方向と直交する第２方向に延びる垂直軸Ｙを中心に第１円弧を描いて回転可能であり、さらに、上記垂直軸Ｙと実質的に直交する水平軸Ｘを中心に第２円弧を描いて回転可能なディスプレイと、
   上記第１円弧での上記ディスプレイの回転を可能にする第１ヒンジと、
   上記第２円弧での上記ディスプレイの回転を可能にする第２ヒンジと、
   を備え、
   上記第２ヒンジが、上記第１方向に沿って上記ボールジョイントと上記ディスプレイとの間に配置され、上記第１ヒンジが上記ディスプレイと上記第２ヒンジとの間に配置されている、調節可能な結像装置。
9. 上記第１ヒンジが上記水平軸Ｘに沿って上記ディスプレイと同一線上に配置されている、請求項８に記載の結像装置。
10. 上記ディスプレイがバーチャル像を形成するように作用可能な導波路を含む、請求項８に記載の結像装置。
11. 前記サポートがヘルメットに結合されている、請求項１に記載の結像装置。

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