JP6960936B2 - 像面湾曲補正ディスプレイ - Google Patents

Description

本開示は、一般的には、光学収差に対する補正に関し、特に瞳の泳ぎ（pupil swim）に対する補正に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（head-mounted display : ＨＭＤ）内で、ユーザの眼は、一般的にアイボックス（eyebox）と称される空間領域を占有する（典型的には、ユーザの左右の眼に対してそれぞれのアイボックスが存在する）。ＨＭＤは、コンテンツを表示し、アイボックスに向ける。しかし、ユーザがアイボックス内で眼を動かすとともにＨＭＤの位置がユーザの頭の位置に対して変わるか、または、ユーザがアイボックス内で眼を動かすかもしくはＨＭＤの位置がユーザの頭の位置に対して変わると、アイボックス内でのユーザの眼の位置が変わる。アイボックス内での眼の位置の変化は、ユーザに提示されているコンテンツ内に歪みを生じさせる。この影響は瞳の泳ぎとして知られており、例えば、より困難な較正や、垂直ずれを伴う問題に起因する動揺病などの様々な理由でＨＭＤに対する問題となる可能性がある。瞳の泳ぎを抑制するための従来の方法は、ＨＭＤをより複雑にする。例えば、１つの解決策は、瞳の位置に対してＨＭＤを連続的に再較正するアイトラッキングユニットを含む。

本発明による実施形態は、システムを対象とする添付の請求項で特に開示され、ある請求項のカテゴリ、例えばシステムで述べられた任意の特徴は、別の請求項のカテゴリ、例えば方法、記憶媒体またはコンピュータプログラム製品でも同様に請求されることができる。添付の請求項の従属性または後方参照は、形式上の理由でのみ選択されている。しかし、任意の先行請求項への意図的な後方参照から生じる任意の主題（特に多項従属）は同様に請求されることができるので、添付の請求項で選ばれた従属性に関係なく、請求項およびその特徴の任意の組合せが開示され、請求されることができる。請求することのできる主題は、添付の請求項に記載される特徴の組合せだけでなく、請求項の特徴の任意の他の組合せも含み、請求項で述べられる各特徴は請求項の任意の他の特徴または他の特徴の組合せと組み合わせることができる。さらに、本明細書で記述または示される実施形態および特徴のいずれも、個別の請求項で、および／または、本明細書で記述もしくは示される任意の実施形態もしくは特徴または添付の請求項の特徴のいずれかとの任意の組合せで請求することができる。

本発明による実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、
ＨＭＤのユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲に対する補正を行うように構成された像面湾曲補正（FC : field curvature corrected）ディスプレイを含み、
ＦＣディスプレイは、
画像光を出力するように構成された表示ブロックと、
ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、像面湾曲に対する補正を行った画像光を、ＨＭＤの射出瞳に光学的に向けるように構成された光学ブロックと、を含み、
表示ブロックおよび光学ブロックのうちの少なくとも１つが像面湾曲に対して画像光を光学的に補正する。

表示ブロックは電子表示パネルをさらに含み、ＦＣディスプレイは、
取付面および表示面を含むファイバテーパをさらに含み、
取付面は、電子表示パネルからの画像光を受光するように、電子表示パネルの表面に形成され、かつ取り付けられ、
表示面は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。

ファイバテーパの表示面は球面凹状であり得る。
ファイバテーパの取付面は平坦であり得る。
ファイバテーパの取付面は円筒曲げ形状であり得る。

電子表示パネルのカバーガラスは光ファイバフェースプレートであり得る。
電子表示パネルのカバーガラスは、光学ブロックによって生成された像面湾曲を補う形状を有する光ファイバフェースプレートであり得る。

表示ブロックは、プロジェクタとディフューザとを含み、ディフューザは、プロジェクタからの画像光を受光するように構成され、ディフューザは、像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。

表示ブロックは、
反射面と、反射面に結合された１／４波長板とを含む電子表示パネルをさらに含み得、ＦＣディスプレイは、
電子表示パネルから放射された１つの偏光の画像光を反射し、電子表示パネルの反射面から反射され、１／４波長板を通過する別の偏光の画像光を透過させるように構成された反射偏光子をさらに含み、反射偏光子は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。

電子表示パネルの反射面は、電子表示パネルの、光を放射しない領域上の反射器であり得る。
表示ブロックは、
電子表示パネルと、
電子表示パネルの表面上の電子表示パネルの反射面と、をさらに含み、
ＦＣディスプレイは、
第１の１／４波長板と、
第２の１／４波長板と、
反射偏光子と、をさらに含み、反射偏光子は、
電子表示パネルから放射され、第１の１／４波長板を１度通過し、第２の１／４波長板を１度通過する１つの偏光の画像光を反射し、
第１の１／４波長板を１度通過し、第２の１／４波長板を１度通過した後に、表示パネルの表面上の電子表示パネルの反射面から反射した別の偏光の画像光を透過させ、反射された光は、第２の１／４波長板によって透過させられ、
電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有するように構成されている。

電子表示パネルの反射面は、電子表示パネルの、光を放射しない領域上の反射器であり得る。
表示ブロックは、透明電子表示パネルと、１／４波長板と、反射器と、をさらに含み、ＦＣディスプレイは、反射偏光子をさらに含み、
反射偏光子は、
透明電子表示パネルから放射された１つの偏光の画像光を反射し、
反射器から反射され、かつ１／４波長板を２度通過した別の偏光の画像光を透過させ、
透明電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有するように構成され得る。

本発明による実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、
ＨＭＤのユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲に対する補正を行うように構成された像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイを含み得、ＦＣディスプレイは、
画像光を出力する電子表示パネルと、画像光を直線偏光するように構成された直線偏光子と、
パンケーキ状レンズアセンブリと、を含み、パンケーキ状レンズアセンブリは、
第１の波長板面と第１の鏡面とを含む第１の光学要素であって、第１の波長板面は、直線偏光子からの光を受光して画像光の偏光を偏移するように構成された１／４波長板であり、第１の鏡面は、画像光の一部を透過させるように構成された部分反射鏡である、第１の光学要素と、
第２の波長板面と第２の鏡面とを含む第２の光学要素であって、第２の波長板面は、第１の光学要素からの画像光を受光して第２の波長板面によって透過された画像光の偏光を偏移するように構成された１／４波長板であり、第２の鏡面は偏光反射器であり、第２の鏡面は第１の偏光の画像光を第２の波長板面に向かって反射して、ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、像面湾曲に対する補正を行った第２の偏光の画像光を、ＨＭＤの射出瞳に透過させるように構成された、第２の光学要素と、
を含む。

第１の光学要素および第２の光学要素のうちの１つ以上の表面は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対する補正を行った画像光を出力するように構成された形状を有し得る。

形状は球面凹状であり得る。
第１の鏡面は第１の曲率半径を有し得、第２の鏡面は、第１の曲率半径の閾値範囲内である第２の曲率半径を有している。

本発明による実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、
ＨＭＤのユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲に対する補正を行うように構成された像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイを含み得、ＦＣディスプレイは、
画像光を出力するように構成された表示ブロックと、
ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、像面湾曲に対する補正を行った画像光を、ＨＭＤの射出瞳に光学的に向けるように構成された光学ブロックと、を含み、光学ブロックは第１および第２のレンズを含み、第１のレンズは表示ブロックからの画像光を受光するように構成され、第２のレンズは、第１のレンズから出力された画像光を、ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、ＨＭＤの射出瞳に光学的に向けるように構成されている。

表示ブロックはさらに電子表示パネルを含むように構成され得、第１のレンズは、２つの部分を含むダブレットであり、２つの部分のうちの１つは負要素である。
表示ブロックはさらに電子表示パネルを含むように構成され得、光学ブロックは、２つの異なるタイプのプラスチックで作成されている。

本発明のさらなる実施形態において、コンピュータ実装方法は、本発明または上述の実施形態のいずれかによるシステムを使用する。
本発明による実施形態において、１つ以上のコンピュータ可読非一時的記憶媒体は、本発明または上述の実施形態のいずれかによる方法を実施するように実行されたときに動作可能なソフトウェアを具現化し得る。

本発明による実施形態において、システムは、１つ以上のプロセッサと、プロセッサに結合されてプロセッサによって実行可能な命令を含む少なくとも１つのメモリと、を含み得、プロセッサは、本発明または上述の実施形態のいずれかによる方法を実施するための命令を実行するときに動作可能である。

本発明による実施形態において、好ましくはコンピュータ可読非一時的記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品は、本発明または上述の実施形態のいずれかによる方法を実施するためのデータ処理システム上で実行されるときに動作可能であり得る。

ＨＭＤは、ユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲を軽減する像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイを含む。ＦＣディスプレイは、画像光を生成する要素および画像光から像面湾曲を軽減する要素を含む。

一実施形態において、ＦＣディスプレイは、表示ブロックと、像面湾曲に対する補正を行った画像光をＨＭＤの射出瞳に光学的に向けるように構成された光学ブロックとを含み、表示ブロックおよび光学ブロックのうちの少なくとも１つは像面湾曲に対して画像光を光学的に補正する。

いくつかの実施形態において、表示ブロックは電子表示パネルを含み、ＦＣディスプレイは、取付面および表示面を含むファイバテーパをさらに含む。取付面は、電子表示パネルからの画像光を受光するように、電子表示パネルの表面に形成され、かつ取り付けられている。表示面は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。

いくつかの実施形態において、表示ブロックは、プロジェクタと、プロジェクタからの画像光を受光するように構成されたディフューザとを含み、ディフューザは、像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。

いくつかの実施形態において、表示ブロックは、電子表示パネルと、電子表示パネルの反射面と、電子表示パネルの表面上の１／４波長板とを含み、ＦＣディスプレイは反射偏光子をさらに含み、反射偏光子は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。反射偏光子は、電子表示パネルから放射された１つの偏光の画像光を反射し、電子表示パネルの反射面から反射され、電子表示パネルの表面上の１／４波長板を通過する別の偏光の画像光を透過させるように構成され得る。

いくつかの実施形態において、表示ブロックは、電子表示パネルおよび電子表示パネルの反射面を含み、ＦＣディスプレイは、１／４波長板および反射偏光子をさらに含み、反射偏光子は、電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。反射偏光子は、電子表示パネルから放射され、１／４波長板を通過する１つの偏光の画像光を反射し、電子表示パネルの表面上の電子表示パネルの反射面から反射され、１／４波長板を通過する別の偏光の画像光を透過させるように構成されている。

いくつかの実施形態において、表示ブロックは、透明電子表示パネル、１／４波長板、および反射器を含み、ＦＣディスプレイは反射偏光子をさらに含み、反射偏光子は、透明電子表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対して補正された画像光を出力するように構成された形状を有している。反射偏光子は、透明電子表示パネルから放射された１つの偏光の画像光を反射し、反射器から反射され、１／４波長板を通過する別の偏光の画像光を透過させるように構成されている。

いくつかの実施形態において、ＨＭＤは、画像光を出力する電子表示パネル、画像光を直線偏光するように構成された直線偏光子、およびパンケーキ状レンズアセンブリを含むＦＣディスプレイを含む。パンケーキ状レンズアセンブリは、第１の光学要素と第２の光学要素とを含む。第１の光学要素は、第１の波長板面と第１の鏡面とを含む。第１の波長板面は、直線偏光子からの光を受光して画像光の偏光を偏移するように構成された１／４波長板である。第１の鏡面は、画像光の一部を透過させるように構成された部分反射鏡である。第２の光学要素は、第２の波長板面と第２の鏡面とを含む。第２の波長板面は、第１の光学要素からの画像光を受光して第２の波長板面によって透過された画像光の偏光を偏移するように構成された１／４波長板である。第２の鏡面は偏光反射器であり、第１の偏光の画像光を第２の波長板面に向かって反射して、ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、像面湾曲に対する補正を行った第２の偏光の画像光を、ＨＭＤの射出瞳に透過させるように構成されている。第１の光学要素および第２の光学要素のうちの１つ以上の表面は、表示パネルから受光した画像光内の像面湾曲に対する補正を行った画像光を出力するように構成された形状を有し得る。この形状は球面凹状であり得る。第１の鏡面は第１の曲率半径を有し得、第２の鏡面は、第１の曲率半径の閾値範囲内である第２の曲率半径を有している。

いくつかの実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、画像光を出力するように構成された表示ブロックと、ＨＭＤのユーザの眼の位置に対応して、像面湾曲に対する補正を行った画像光を、ＨＭＤの射出瞳に光学的に向けるように構成された光学ブロックとを含む像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイを含む。表示ブロックは電子表示パネルを含み、ＦＣディスプレイは第１のレンズおよび第２のレンズをさらに含む。第１のレンズは、２つの部分を含むダブレットであり得、２つの部分のうちの１つは負要素である。光学ブロックは、２つの異なるタイプのプラスチックで作成され得る。

一実施形態による、バーチャルリアリティシステムを含むシステム環境のブロック図である。 一実施形態による、バーチャルリアリティヘッドセットの図である。 一実施形態による、図２ＡのＶＲヘッドセットの前方剛体の断面図である。 一実施形態による、ファイバテーパを含む像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイの断面図である。 一実施形態による、ファイバテーパを含む２つのＦＣディスプレイのディスプレイアセンブリである。 一実施形態による、プロジェクタとディフューザとを含むＦＣディスプレイの断面図である。 一実施形態による、湾曲した反射偏光子を含むＦＣディスプレイの断面図である。 一実施形態による、図５Ａの表示ブロックの断面図である。 一実施形態による、第２の１／４波長板を含む図５Ａの表示ブロックの断面図である。 一実施形態による、透明電子表示パネルを含む図５Ａの表示ブロックの断面図である。 一実施形態による、パンケーキ状レンズアセンブリを含む、ＦＣディスプレイの断面図である。 一実施形態による、３つのレンズを含むＦＣディスプレイの断面図である。 一実施形態による、２つのレンズを含むＦＣディスプレイの断面図である。

図面は、例示のみの目的のために、本開示の実施形態を示す。当業者は、本明細書に例示の構造および方法の代替実施形態が、本明細書に記載の開示の原理または利点から逸脱することなく採用され得ることを、以下の説明から容易に認識するであろう。

像面湾曲は、平坦な物を、フレーム全体にわたり均一に鮮明である代わりに、フレームの特定の部分においてのみ鮮明に見えるようにする光学収差である。より一般的には、像面湾曲は、光学系の焦点距離が焦点面上のすべての点に完全には整列しないことの結果である。このことは、平坦な電子表示パネルから放射された光を透過させる光学素子が像面湾曲誤差を透過光に引き起こすため、平坦なパネルディスプレイにとって特に問題である。

瞳の泳ぎは、アイボックス内でのユーザの眼の位置の変化がユーザに提示されているコンテンツ内に歪みをもたらす場合の影響である。像面湾曲の補正は、瞳の泳ぎを軽減する。像面湾曲補正ディスプレイは、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の一部である。ＨＭＤは、例えば、バーチャルリアリティ（「ＶＲ」）および拡張現実（「AR : augmented reality」）システム環境の一部、またはＶＲもしくはＡＲシステム環境の一部であり得る。像面湾曲補正（FC : field curvature corrected）ディスプレイは、ユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲を軽減して瞳の泳ぎを低減する。ＦＣディスプレイは一般的に、画像光を生成する要素および画像光からの像面湾曲を軽減する要素を含む。例えば、ＦＣディスプレイは、レンズを有する電子表示パネル、ファイバテーパを有する電子ディスプレイ、湾曲したディフューザ（diffuser）を有するプロジェクタ、反射偏光子および反射面を有する電子表示パネル、または像面湾曲を軽減するように構成された他の光学要素を含み得る。いくつかの実施形態において、ＦＣディスプレイは、１／４波長板、反射鏡、および偏光反射鏡を有する偏光ディスプレイを含むパンケーキ状レンズ構成を有し得る。

システムの概観
図１は、バーチャルリアリティ（VR : virtual reality）コンソール１１０が動作するＶＲシステム環境１００のブロック図である。図１に示すシステム環境１００は、それぞれＶＲコンソール１１０に結合される、ＶＲヘッドセット１０５、撮像デバイス１３５、およびＶＲ入力インタフェース１４０を含む。図１は、１つのＶＲヘッドセット１０５、１つの撮像デバイス１３５、および１つのＶＲ入力インタフェース１４０を含む例示的なシステム１００を示すが、他の実施形態では、システム１００に任意の数のこれらの構成要素が含まれ得る。例えば、それぞれが関連するＶＲ入力インタフェース１４０を有し、１つ以上の撮像デバイス１３５によって監視される複数のＶＲヘッドセット１０５が存在し、各ＶＲヘッドセット１０５、ＶＲ入力インタフェース１４０、および撮像デバイス１３５は、ＶＲコンソール１１０と通信する。代替的な構成では、異なる構成要素およびさらなる構成要素の両方または一方がシステム環境１００に含まれ得る。さらに、いくつかの実施形態では、ＶＲシステム１００は、ＡＲシステム環境などの他のシステム環境を含むように修正され得る。

ＶＲヘッドセット１０５は、ユーザにメディアを提示するヘッドマウントディスプレイである。ＶＲヘッドセットによって提示されるメディアの例としては、１つ以上の画像、映像、音声またはそれらの何らかの組合せが含まれる。いくつかの実施形態では、音声は、ＶＲヘッドセット１０５、ＶＲコンソール１１０、またはその両方からの音声情報を受信して、音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよびヘッドフォンの両方または一方）を介して提供される。ＶＲヘッドセット１０５の実施形態は、図２Ａおよび図２Ｂと併せて以下にさらに説明する。ＶＲヘッドセット１０５は、互いに対して堅固にまたは非堅固に結合される１つ以上の剛体を含み得る。剛体を堅固に結合することにより、結合された剛体は単一の剛性体として機能する。これに対して、剛体を非堅固に結合することにより、剛体は互いに対して可動となる。いくつかの実施形態では、ＶＲヘッドセット１０５は、ＡＲヘッドセットとしても機能し得る。これらの実施形態では、ＶＲヘッドセット１０５は、コンピュータ生成の要素（例えば、画像、映像、音声など）で、物理的実世界環境の視界を増強させる。

ＶＲヘッドセット１０５は、像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイ１１５、１つ以上のロケータ（locator）１２０、１つ以上の位置センサ１２５、および慣性計測ユニット（IMU : inertial measurement unit）１３０を含む。

ＦＣディスプレイ１１５は、ＶＲコンソール１１０から受信したデータに従ってユーザに画像を表示する。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ１１５は、表示ブロックと光学ブロックとを含む。表示ブロックは電子ディスプレイ（例えば、ＯＬＥＤ）を含み、光学ブロックは、表示ブロックからユーザの眼に画像を送る１つ以上の光学要素を含む。いくつかの実施形態では、表示ブロックのいくつかまたはすべての機能は光学ブロックの一部であり、またはその逆も同様である。図２Ｂ〜図７に関して以下に詳しく説明するように、ＦＣディスプレイ１１５のブロックは像面湾曲を軽減するように構成されている。例えば、ＦＣディスプレイ１１５は、電子ディスプレイに結合されたファイバテーパ（fiber taper）を含み、その形状は、ファイバテーパから出力された画像光が像面湾曲に対して補正されるようになっている。別の実施形態では、ＦＣディスプレイ１１５は、ディフューザを有するプロジェクタであり、ディフューザは、出力された光が像面湾曲に対して補正されるような形状（例えば、湾曲形状）を有している。ＦＣディスプレイ１１５は、異なる構成によって瞳の泳ぎのための補正を行い得る。可能なＦＣディスプレイの詳細な構成については、図３〜図７に関して以下に説明する。

ロケータ１２０は、互いに対して、およびＶＲヘッドセット１０５上の特定の基準点に対して、ＶＲヘッドセット１０５上の特定の位置に配置された物体である。ロケータ１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、コーナーキューブリフレクタ（corner cube reflector）、反射マーカー、ＶＲヘッドセット１０５が動作する環境に対してコントラストをもたらすタイプの光源、またはそれらの何らかの組合せであり得る。ロケータ１２０が能動的（すなわち、ＬＥＤまたは他のタイプの発光デバイス）である実施形態では、ロケータ１２０は、可視光域内（約３８０ｎｍから７５０ｎｍ）、赤外（ＩＲ）域内（約７５０ｎｍから１ｍｍ）、紫外域内（１０ｎｍから３８０ｎｍ）、電磁スペクトルの他の部分、またはそれらの何らかの組合せの光を放射し得る。

いくつかの実施形態では、ロケータ１２０は、ＶＲヘッドセット１０５の外面の下方に配置され、外面は、ロケータ１２０が放射もしくは反射した光の波長に対して透過性を有するか（transparent）、またはロケータ１２０が放射もしくは反射した光の波長を実質的に減衰しないのに十分な薄さである。さらに、いくつかの実施形態では、ＶＲヘッドセット１０５の外面または他の部分は、光の波長の可視光域内で不透過性を有する（opaque）。したがって、ロケータ１２０は、ＩＲ域内では透過性を有するが可視光域内では不透過性を有する外面下方にＩＲ光域内の光を放射し得る。

ＩＭＵ１３０は、１つ以上の位置センサ１２５から受信した測定信号に基づいて高速較正データを生成する電子デバイスである。位置センサ１２５は、ＶＲヘッドセット１０５の動きに応答して１つ以上の測定信号を生成する。位置センサ１２５の例としては、１つ以上の加速度計、１つ以上のジャイロスコープ、１つ以上の磁力計、動きを検出する他の適切なタイプのセンサ、ＩＭＵ１３０の誤差補正に使用されるタイプのセンサ、またはそれらの何らかの組合せが含まれる。位置センサ１２５は、ＩＭＵ１３０の外側、ＩＭＵ１３０の内側、またはそれらの何らかの組合せに配置され得る。

１つ以上の位置センサ１２５からの１つ以上の測定信号に基づいて、ＩＭＵ１３０は、ＶＲヘッドセット１０５の初期位置に対するＶＲヘッドセット１０５の推定位置を示す高速較正データを生成する。例えば、位置センサ１２５は、並進運動（前方／後方、上方／下方、左方／右方）を測定するための複数の加速度計および回転運動（例えば、ピッチ、ヨー、ロール）を測定するための複数のジャイロスコープを含む。いくつかの実施形態では、ＩＭＵ１３０は、測定信号を迅速にサンプリングし、サンプリングしたデータからＶＲヘッドセット１０５の推定位置を計算する。例えば、ＩＭＵ１３０は、速度ベクトルを推定するために一定期間、加速度計から受信した測定信号を積分し、ＶＲヘッドセット１０５上の基準点の推定位置を判定するために一定期間、速度ベクトルを積分する。あるいは、ＩＭＵ１３０は、サンプリングした測定信号をＶＲコンソール１１０に提供し、それにより高速較正データを判定する。基準点は、ＶＲヘッドセット１０５の位置を示すために使用される点である。基準点は、一般的に空間内の点として画定されるが、実際には、基準点はＶＲヘッドセット１０５内の点（例えば、ＩＭＵ１３０の中心）として画定される。

ＩＭＵ１３０は、ＶＲコンソール１１０から１つ以上の較正パラメータを受信する。以下にさらに説明するように、１つ以上の較正パラメータは、ＶＲヘッドセット１０５のトラッキングを維持するために使用される。受信した較正パラメータに基づいて、ＩＭＵ１３０は、１つ以上のＩＭＵパラメータ（例えば、サンプルレート）を調整し得る。いくつかの実施形態において、特定の較正パラメータは、ＩＭＵ１３０に、基準点の次の較正点に対応するように、基準点の初期位置を更新させる。基準点の次の較正点として基準点の初期位置を更新することは、判定された推定位置に関連する蓄積された誤差の削減に役立つ。ドリフト誤差とも称される蓄積された誤差は、基準点の推定位置を、基準点の実際の位置から経時的に「ドリフト」させる。

撮像デバイス１３５は、ＶＲコンソール１１０から受信した較正パラメータに従って低速較正データを生成する。低速較正データは、撮像デバイス１３５によって検出可能なロケータ１２０の観測位置を示す１つ以上の画像を含む。撮像デバイス１３５は、１つ以上のカメラ、１つ以上のビデオカメラ、１つ以上のロケータ１２０を含む画像を取り込み可能な任意の他のデバイス、またはそれらの何らかの組合せを含み得る。さらに、撮像デバイス１３５は、（例えば、信号対雑音比を増加させるために使用される）１つ以上のフィルタを含み得る。撮像デバイス１３５は、撮像デバイス１３５の視野内のロケータ１２０から放射または反射された光を検出するように構成されている。ロケータ１２０が受動要素（例えば、再帰反射器）を含む実施形態では、撮像デバイス１３５は、いくつかのまたはすべてのロケータ１２０を照らす光源を含み、それにより光を撮像デバイス１３５内の光源に向けて再帰反射する。低速較正データは、撮像デバイス１３５からＶＲコンソール１１０へ通信され、撮像デバイス１３５は、ＶＲコンソール１１０から１つ以上の較正パラメータを受信して、１つ以上の撮像パラメータ（例えば、焦点距離、焦点、フレームレート、ＩＳＯ、センサ温度、シャッター速度、アパーチャなど）を調整する。

ＶＲ入力インタフェース１４０は、ユーザがアクション要求をＶＲコンソール１１０に送信することを可能にするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求である。例えば、アクション要求は、アプリケーションの開始または終了を行うこと、またはアプリケーション内の特定のアクションを実施することであり得る。ＶＲ入力インタフェース１４０は、１つ以上の入力デバイスを含み得る。入力デバイスの例としては、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、またはアクション要求を受信して受信したアクション要求をＶＲコンソール１１０に通信するのに適した任意の他のデバイスが含まれ得る。ＶＲ入力インタフェース１４０によって受信されたアクション要求は、ＶＲコンソール１１０に通信され、それによりアクション要求に対応するアクションを実施する。いくつかの実施形態において、ＶＲ入力インタフェース１４０は、ＶＲコンソール１１０から受信された命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、触覚フィードバックは、アクション要求を受信したときに提供されるか、あるいはＶＲコンソール１１０は、ＶＲコンソール１１０がアクションを実施するときに、ＶＲ入力インタフェース１４０に触覚フィードバックを生成させる命令をＶＲ入力インタフェース１４０に通信する。

ＶＲコンソール１１０は、ＶＲヘッドセット１０５に、撮像デバイス１３５、ＶＲヘッドセット１０５、およびＶＲ入力インタフェース１４０のうちの１つ以上から受信した情報に従ってユーザに提示するためのメディアを提供する。図１に示す例では、ＶＲコンソール１１０は、アプリケーションストア１４５、トラッキングモジュール１５０、およびバーチャルリアリティ（ＶＲ）エンジン１５５を含む。ＶＲコンソール１１０のいくつかの実施形態は、図１に関連して説明するものとは異なるモジュールを有している。同様に、以下にさらに説明する機能は、ＶＲコンソール１１０の複数の構成要素の間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散され得る。

アプリケーションストア１４５は、ＶＲコンソール１１０によって実行される１つ以上のアプリケーションを記憶している。アプリケーションは、プロセッサによって実行されたときにユーザに提示するためのコンテンツを生成する命令群である。アプリケーションによって生成されたコンテンツは、ＨＲヘッドセット１０５またはＶＲ入力インタフェース１４０の動きを介してユーザから受信した入力に応答する。アプリケーションの例としては、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の適切なアプリケーションが含まれる。

トラッキングモジュール１５０は、１つ以上の較正パラメータを使用してＶＲシステム１００を較正し、ＶＲヘッドセット１０５の位置の判定の誤差を削減するために１つ以上の較正パラメータを調整し得る。例えば、トラッキングモジュール１５０は、撮像デバイス１３５の焦点を調節して、ＶＲヘッドセット１０５上の観測されたロケータのより正確な位置を取得する。さらに、トラッキングモジュール１５０によって実施される較正は、ＩＭＵ１３０から受信した情報も考慮に入れる。また、ＶＲヘッドセット１０５のトラッキングが失われた場合は（例えば、撮像デバイス１３５がロケータ１２０の少なくとも閾値数の視線を失う場合）、トラッキングモジュール１４０は、システム環境１００の一部または全部を再較正する。

トラッキングモジュール１５０は、撮像デバイス１３５からの低速較正情報を使用してＶＲヘッドセット１０５の動きをトラッキングする。トラッキングモジュール１５０は、低速較正情報からの観測されたロケータおよびＶＲヘッドセット１０５のモデルを使用して、ＶＲヘッドセット１０５の基準点の位置を判定する。トラッキングモジュール１５０はまた、高速較正情報からの位置情報を使用してＶＲヘッドセット１０５の基準点の位置を判定する。さらに、いくつかの実施形態では、トラッキングモジュール１５０は、ヘッドセット１０５の将来の位置を予測するために、高速較正情報、低速較正情報、またはそれらの何らかの組合せの一部を使用し得る。トラッキングモジュール１５０は、ＶＲヘッドセット１０５の推定または予測された将来の位置をＶＲエンジン１５５に提供する。

ＶＲエンジン１５５は、システム環境１００内でアプリケーションを実行し、トラッキングモジュール１５０から、ＶＲヘッドセット１０５の位置情報、加速度情報、速度情報、予測された将来の位置、またはそれらの何らかの組合せを受信する。受信した情報に基づいて、ＶＲエンジン１５５は、ユーザへの提示用にＶＲヘッドセット１０５に提供するコンテンツを判定する。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、ＶＲエンジン１５５は、仮想環境でユーザの動きをミラーリングする、ＶＲヘッドセット１０５のためのコンテンツを生成する。また、ＶＲエンジン１５５は、ＶＲ入力インタフェース１４０から受信したアクション要求に応答してＶＲコンソール１１０上で実行するアプリケーション内でアクションを実施し、アクションが実施されたというフィードバックをユーザに提供する。提供されるフィードバックは、ＶＲヘッドセット１０５を介した視覚的もしくは聴覚的フィードバック、またはＶＲ入力インタフェース１４０を介した触覚フィードバックであり得る。

図２Ａは、一実施形態による、バーチャルリアリティ（ＶＲ）ヘッドセット２００の図である。ＶＲヘッドセット２００は、ＶＲヘッドセット１０５の一実施形態であり、前方剛体２０５およびバンド２１０を含む。前方剛体２０５は、像面湾曲補正ディスプレイ１１５の１つ以上の電子表示要素（図２Ａには図示せず）、ＩＭＵ１３０、１つ以上の位置センサ１２５、およびロケータ１２０を含む。図２Ａに示す実施形態では、位置センサ１２５は、ＩＭＵ１３０内に配置され、ＩＭＵ１３０も位置センサ１２５もユーザには見えない。

１つ以上のロケータ１２０は、互いに対しておよび基準点２１５に対して前方剛体２０５上の固定位置に配置されている。図２Ａの例では、基準点２１５は、ＩＭＵ１３０の中心に配置されている。１つ以上のロケータ１２０はそれぞれ、撮像デバイス１３５によって検出可能な光を放射する。１つ以上のロケータ１２０、または１つ以上のロケータ１２０の一部は、図２Ａの例の前方剛体２０５の前方側２２０Ａ、上面側２２０Ｂ、底面側２２０Ｃ、右側２２０Ｄ、および左側２２０Ｅに配置されている。ＶＲヘッドセット２００は、ＡＲヘッドセットとして機能するように修正され得ることに留意されたい。

図２Ｂは、図２Ａに示すＶＲヘッドセット２００の実施形態の前方剛体２０５の断面図２２５である。図２Ｂに示すように、前方剛体２０５は、変更された画像光を射出瞳２５０に提供するＦＣディスプレイ１１５を含む。ＦＣディスプレイ１１５は、表示ブロック２２８および光学ブロック２１８を含む。射出瞳２５０は、ユーザの眼２４５が配置された前方剛体２０５の位置である。説明の目的のために、図２Ｂは、片方の眼２４５に関する断面図２２５を示しているが、ＦＣディスプレイ１１５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。

表示ブロック２２８は、画像光を生成する。いくつかの実施形態では、光が、像面湾曲および他の収差の両方または一方に対して補正される。ＦＣディスプレイ１１５は、ＶＲコンソール１１０から受信したデータに従ってユーザに画像を表示する。様々な実施形態において、ＦＣディスプレイ１１５は、単一の電子ディスプレイまたは複数の電子ディスプレイ（例えば、ユーザのそれぞれの眼に対して１つのディスプレイ）を含み得る。電子ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、アクティブマトリクス有機発光ダイオードディスプレイ（ＡＭＯＬＥＤ）、透明有機発光ダイオードディスプレイ（ＴＯＬＥＤ）、他の何らかのディスプレイ、プロジェクタ、またはそれらの何らかの組合せが含まれる。ＦＣディスプレイ１１５はまた、瞳の泳ぎを最小化するために表示ブロックの光学要素も含み得る。表示ブロックの光学要素は、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、偏光子、ディフューザ、ファイバテーパ、または電子ディスプレイから放射された画像光に影響を与える他の任意の適切な光学要素であり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の表示ブロックの光学要素は、反射防止コーティングなどの１つ以上のコーティングを有し得る。

光学ブロック２１８は、表示ブロック２２８から受光した光を拡大し、画像光に関連する光学収差を補正し、補正された画像光が、ＶＲヘッドセット１０５のユーザに提示される。光学要素は、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、または表示ブロック２２８から放射された画像光に影響を与える他の任意の適切な光学要素であり得る。さらに、光学ブロック２１８は、異なる光学要素の組合せを含み得る。いくつかの実施形態において、光学ブロック２１８内の１つ以上の光学要素は、反射防止コーティングなどの１つ以上のコーティングを有し得る。光学ブロック２１８による画像光の拡大により、表示ブロック２２８の要素を物理的に小型化し、軽量化し、より大きなディスプレイよりも消費電力を削減することが可能となる。また、拡大により、表示メディアの視野が広がり得る。例えば、表示メディアの視野は、ユーザの視野のほぼすべて（例えば、斜め方向１１０度）、また、いくつかの場合にはすべてを使用して、表示メディアが提示されるというものである。いくつかの実施形態では、光学ブロック２１８は、その有効焦点距離が、表示ブロック２２８に対する間隔よりも大きくなるように構成されており、それにより表示ブロック２２８によって投影された画像光を拡大する。また、いくつかの実施形態では、拡大量は、光学要素を追加または削除することによって調整され得る。

表示ブロック２２８および光学ブロック２１８は、ＦＣディスプレイ１１５内で異なる構成を有し得る。異なる構成については、図３Ａ〜図７Ｂに関して以下に説明する。
図３Ａは、一実施形態による、ＦＣディスプレイ３１５の断面図３００である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ３１５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、ＦＣディスプレイ３１５は、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡などの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ３１５は、表示ブロック３２８および光学ブロック３１８を含む。ＦＣディスプレイ３１５は、例えば、光学系（例えば、光学ブロック３１８）の焦点面と一致する形状に画像光を放射することにより、像面湾曲に対する補正を行う（およびそれにより瞳の泳ぎを軽減する）。射出瞳３５０は、ユーザの眼３４５が配置される位置である。説明の目的のために、図３Ａは、片方の眼３４５に関するＦＣディスプレイ３１５の断面図を示しているが、ＦＣディスプレイ３１５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ３１５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。表示ブロック３２８は、電子表示パネル３３０およびファイバテーパ（fiber taper）３４０を含む。電子表示パネル３３０は、電子信号からの視覚的情報を提示する。電子ディスプレイパネル３３０の例としては、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、アクティブマトリクス有機発光ダイオードディスプレイ（ＡＭＯＬＥＤ）、何らかのタイプのフレキシブルディスプレイ、またはそれらの何らかの組合せが含まれる。

ファイバテーパ３４０は、テーパ形状の光ファイバプレートである。光ファイバプレートは光ファイバの束でできており、その入力面からその出力面へ光を直接的に示す。テーパ形状の光ファイバプレートは典型的に、光ファイバフェースプレート（fiber optic faceplate）上に熱処理を用いて作成され、出力面に対する入力面の大きさの比率を変更する。ファイバテーパは、電子表示パネル３３０の拡大を可能にするために使用され、ファイバテーパ３４０の表示面３４２は、光ファイバフェースプレートと同様の湾曲した表示面になるように研磨されることができる。

ファイバテーパ３４０の取付面３４４は、電子表示パネル３３０の表面に形成され、かつ取り付けられている。ファイバテーパ３４０は、取付面３４４を介して表示パネル３３０から光を受光し、受光した光を、出力された画像光が像面湾曲に対して補正されるような形状の表示面３４２を介して出力する複数の光ファイバを含む。本実施形態では、表示面３４２は、球面凹状（例えば、球形の一部）に形成される。しかし、他の実施形態では、表示面３４２は、球面凸状、回転対称球面、非球面、自由形状、または像面湾曲および他の光学収差を軽減する何らかの他の形状であり得る。いくつかの実施形態では、表示面３４２の形状は、例えば場依存収差などの他の形態の光学収差に対する補正をさらに行うように構成され得る。

本実施形態では、電子表示パネル３３０は平坦な表面を有しており、したがって、ファイバテーパ３４０の取付面３４４も平坦である。あるいは、図示しないが、電子表示パネル３３０は円筒状に湾曲しているか、または何らかの他の形状を有し得る。取付面３４４は、ファイバテーパ３４０の取付面３４４が電子表示パネル３３０の表面に固定されるように、電子表示パネル３３０の表面と一致するように形成されている。例えば、電子表示パネルの表面が平坦である場合、取付面３４４は平坦であり、電子表示パネルの表面が円筒状に凸状である場合は、取付面３４４は円筒状に凹状である。電子表示パネル３３０および取付面３４４は、ディスプレイからの光がファイバテーパ３４０に入る前に拡散して近傍画素と混合する（クロストーク（optical cross talk））ことを防止するために、取付面３４４と電子表示パネルのカバーガラスとの間にエアギャップまたは分離がないように結合され得る。一実施形態では、電子表示パネル３３０のカバーガラスは光ファイバフェースプレートであり、これは、表示パネル３３０から出た光の、ファイバテーパ３４０に入る前の光学的なクロストークを防止することを支援するためにファイバテーパ３４０と組み合わせて使用され得る。別の実施形態では、電子表示パネル３３０のカバーガラスは、表示パネル３３０から出た光の、ファイバテーパ３４０に入る前の光学的なクロストークを削減するための、画素ピッチよりも小さい厚みの一片の封止フィルムである。また、ファイバテーパ３４０のファイバの直径は、近傍画素からの光との混合を防止するために、電子表示パネル３３０の画素ピッチと同じか、またはそれよりも小さいサイズである。像面湾曲に対する補正を行うためにファイバテーパを使用する本実施形態の１つの利点は、この技術によって、平坦なパネルのディスプレイを使用できることである。平坦なパネルのディスプレイは、一般的に、湾曲したディスプレイよりも安価であり作成が容易である。

別の実施形態では、図３Ａには図示しないが、ファイバテーパ３４０は光ファイバフェースプレートであることができ、電子表示パネル３３０は湾曲したディスプレイであることができる。別の実施形態では、電子表示パネル３３０のカバーガラスは、ファイバテーパ３４０に代わる光ファイバフェースプレートであり得る。この光ファイバフェースプレートは、拡大または画像サイズの変更を提供する必要はないが、結像面の形状を変更し得る。この形状は、光学ブロック３１８から生成されたネットフィールド湾曲によって判定され得る。例えば、光学ブロック３１８が正屈折レンズ要素で構成されている場合、これらの要素からの像面湾曲は凹状結像面を生成し、光ファイバフェースプレートの表面は、光学ブロック３１８によって生成された像面湾曲を補うように凹状の結像面を作成する形状とすることができる。異なる例では、光学ブロック３１８が反射正レンズ要素で構成されている場合、これらの要素からの像面湾曲は凸状結像面を生成し、光ファイバフェースプレートの表面はそれに応じて補うような形状とすることができる。光ファイバフェースプレートの開口数は、光が空気と光ファイバフェースプレートとの間の境界面で屈折して光学ブロック３１８を通過した後にアイボックスが満たされるような大きさである。

光学ブロック３１８は、表示ブロックから受光した光を拡大し、画像光に関する光学収差を補正する。光学ブロック３１８は、光学ブロック２１８と同様の機能を有している。光学ブロック３１８は、レンズホルダ３２０によって結合されたレンズ３２１およびレンズ３２２で構成されている。光学ブロック３１８内のレンズは、反射防止コーティングなどの１つ以上のコーティングを有し得る。

図３Ｂは、一実施形態による、図３Ａに示すＦＣディスプレイ３１５を含むディスプレイアセンブリ３４０の斜視図である。本実施形態では、ＦＣディスプレイアセンブリ３４０は、各ディスプレイがユーザのそれぞれの眼に対応する、２つのＦＣディスプレイ要素３１５で構成されている。ＦＣディスプレイアセンブリ３４０は、２つの表示ブロック３２８ａおよび３２８ｂと、２つの対応する光学ブロック３１８ａおよび３１８ｂとを含み、それらは、図３Ａに示す表示ブロック３２８および光学ブロック３１８と同じである。

図４は、一実施形態による、投影型表示ブロック４２８を含むＦＣディスプレイ４１５の実施形態の断面図４００である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ４１５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、これは、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡など、何らかの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ４１５は、表示ブロック４２８および光学ブロック４１８を含む。ＦＣディスプレイ４１５は、表示ブロック４２８に、光学系（例えば、光学ブロック４１８）の湾曲した焦点面と一致する湾曲面に画像光を放射させることによって、像面湾曲に対する補正を行う。射出瞳４５０は、ユーザの眼４４５が配置される位置である。説明の目的のために、図４は、片方の眼４４５に関するＦＣディスプレイ４１５の断面図を示しているが、ＦＣディスプレイ４１５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ４１５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。

表示ブロック４２８は、プロジェクタ４３０およびディフューザ４４０を含む。プロジェクタ４３０は、レーザプロジェクタ、ピコプロジェクタ、またはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いたものなど他のタイプのプロジェクタであり得る。ディフューザ４４０は、プロジェクタ４３０から投影された光を放散する。ディフューザ４４０の形状は、出力された画像光が、光学ブロック４１８の焦点面に対応する湾曲した画像面に沿っており、それに応じて像面湾曲に対する補正が行われるようになっている。本実施形態では、ディフューザ４４０は、球面凹状（例えば、球形の一部）に形成されている。しかし、他の実施形態では、ディフューザ４４０は、球面凸状、回転対称球面、自由形状、または像面湾曲を軽減する何らかの他の形状であり得る。いくつかの実施形態では、ディフューザ４４０の形状は、他の形態の光学収差に対する補正をさらに行うように構成され得る。ディフューザ４４０の粒径（grain size）は、例えばＶＲヘッドセット１０５内で使用された場合など、視聴者が見たときに好ましくない画面の乱れ（スクリーンアーティファクト）を有することを避けるために、画素ピッチよりも桁違いに小さい粒径を有し得る。本実施形態では、プロジェクタ４３０は、ユーザの眼４４５に対してディフューザ４４０の背面側に配置される。代替的な実施形態では、図示しないが、プロジェクタ４３０は、ユーザの眼４４５に対してディフューザ４４０の正面側に配置される可能性があり、ディフューザ４４０は反射面である可能性がある。

光学ブロック４１８は、図３Ａの光学ブロック３１８と同様である。光学ブロック４１８は、レンズ４２１およびレンズ４２２の２つのレンズを収容している。これらのレンズは、図示しないが、レンズホルダで結合される可能性がある。光学ブロックは、表示ブロックから受光した光を拡大し、画像光に関する光学収差を補正する。

図５Ａは、一実施形態による、湾曲した反射偏光子を含むＦＣディスプレイ５０５の実施形態の断面図５００である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ５０５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、これは、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡など、何らかの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ５０５は、表示ブロック５１０および光学ブロック５１５を含む。射出瞳５１８は、ユーザの眼５２０が配置される位置である。説明の目的のために、図５Ａは、片方の眼５２０に関するＦＣディスプレイ５０５の断面図を示しているが、ＦＣディスプレイ５０５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ５０５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。

表示ブロック５１０は、像面湾曲に対する補正を行った光を放射する。表示ブロック５１０は、電子表示パネル、反射偏光子、１つ以上の１／４波長板、１つ以上の鏡面反射器、１つ以上の直線偏光子、またはそれらの何らかの組合せを含み得る。いくつかの実施形態では、電子表示パネルは部分的に反射し、例えばブラックマトリクスなどの画素領域の外側の領域内、または、ディスプレイの光を放射しない領域内で反射する。他の実施形態では、電子表示パネルは、透明電子表示パネルであることができる。透明電子表示パネルは、例えば、透明有機発光ダイオードディスプレイ（ＴＯＬＥＤ）、他の何らかの透明の電子ディスプレイ、またはそれらの何らかの組合せであり得る。

反射偏光子は、像面湾曲に対する補正を行い、かつ光を偏光するような形状の湾曲した光学要素である。反射偏光子は、ｘ方向に直線偏光された光を反射し、ｙ方向に直線偏光された光を透過させるよう構成され得る（またはその逆もあり得る）。反射偏光子は、負のペッツバル湾曲を提供するために球面凹状（例えば、球形の一部）に形成され得る。しかし、他の実施形態では、反射偏光子は、球面凸状、回転対称非球面、自由形状、または像面湾曲を軽減する何らかの他の形状であり得る。いくつかの実施形態では、反射偏光子の形状は、他の形態の光学収差に対する補正をさらに行うように構成され得る。反射偏光子要素の機能については、図５Ｂ〜図５Ｄに関して以下に詳細に説明する。

表示ブロック５１０には、１つ以上の１／４波長板要素が含まれる。１／４波長板は偏光軸を含む。偏光軸は、ｙ方向（垂直方向の直線偏光された光の方向）に対して４５度（または９０度）偏移されている。同様に、１／４波長板は、円偏光された光を直線偏光された光に変換する。直線偏光された入射光に対する１／４波長板軸の向きは、放射された、円偏光された光の巻き方（handedness）（時計回りまたは反時計回り）を制御する。１／４波長板要素の機能については、図５Ｂ〜図５Ｄに関して以下に詳細に説明する。

光学ブロック５１５は、図３Ａの光学ブロック３１８と同様である。光学ブロック５１５は、レンズ５２１およびレンズ５２２の２つのレンズを収容している。これらのレンズは、図示しないが、レンズホルダで結合される可能性がある。光学ブロックは、表示ブロック５１０から受光した光を拡大し、画像光に関する光学収差を補正する。光学ブロック内のレンズ要素の数およびレンズの設計（形状、屈折／反射、材料、屈折／回析）は、様々とすることができる。

図５Ｂは、一実施形態による、図５Ａの表示ブロック５１０の断面図５２５である。電子表示パネル５２６は、円偏光子を含まないＯＬＥＤディスプレイ（例えば、直線偏光子および１／４波長板はディスプレイの画素を覆って配置される）であり得る。いくつかの場合、ＯＬＥＤディスプレイは、ディスプレイ表面からの環境照明の削減およびディスプレイのコントラストの増大を支援するために円偏光子を収容している。しかし、いくつかの場合、ＯＬＥＤディスプレイがＨＭＤ内で使用される場合は、円偏光子は含まれなくともよく、これは、ＨＭＤの場合は環境照明がすでにユーザから遮蔽されているためである。電子表示パネル５２６は、複数の画素群５２８を含んでいる。各画素群５２８は、画素５３０、ブラックマトリクス５３２、直線偏光子５３４、鏡面反射器５３６、および１／４波長板５３８を含む。画素５３０は、基板５３９上に形成されている。ブラックマトリクス５３２は、画素５３０を、他の画素群５２８内の隣接する画素５３０から分離する。代替的な実施形態では、画素群は、異なるまたはさらなる要素（例えば、複数画素５３０）を含み得る。

直線偏光子５３４は、画素５３０を覆って配置されている。直線偏光子５３４は、画素５３０から放射された光を直線偏光する。偏光子は、直線偏光された光が第１の方向を指向する方向に向けられている。直線偏光子５３４は、例えば、吸収型偏光子、薄膜偏光子、または光を直線偏光する何らかの他のタイプの偏光子であり得る。

鏡面反射器５３６は、入射光を反射する。鏡面反射器５３６は、画素５３０によって放射された波長で光を反射する材料（例えば、アルミニウム、銀）である。鏡面反射器５３６は、電子表示パネル５２６のブラックマトリクス５３２を覆って配置されている。

湾曲した反射偏光子５４０は、図５Ａのものと同様であり、電子表示パネル５２６から放射された光を受光するように配置されている。同様に、１／４波長板５３８は、図５Ａに示すものと同様である。

所定の画素群５２８に対して、画素５３０から放射された光５４１は、直線偏光子５３４によって第１の方向に直線偏光される。この直線偏光された光５４２は、湾曲した反射偏光子５４０上に入射し、電子表示パネル５２６に向かって反射し戻される。これは、第１の方向が反射偏光子５４０の伝達軸に直交しているためである。反射された光５４３の一部は、１／４波長板５３８上に入射する。光５４４は、１／４波長板５３８を通過し、特定の巻き方（例えば、時計回り）の円偏光された光として出射する。円偏光された光は、鏡面反射器５３６で反射して、反対の巻き方（例えば、反時計回り）の円偏光された光５４５になる。反射された光は、１／４波長板５３８を通過し、直線偏光された光５４６として１／４波長板５３８から出射する。光５４６は、反射偏光子５４０の伝達軸と整合するように、第１の方向に直交する偏光を有する。光５４６は、反射偏光子５４０によって伝達される。図５Ｃは、一実施形態による、二次１／４波長板５５１を含む表示ブロック５１０の断面図５５０である。表示ブロック５１０は、電子表示パネル５５２と湾曲した反射偏光子５４０との間の二次１／４波長板５５１を含む。湾曲した反射偏光子５４０は、図５Ａのものと同様である。平坦であるように図示されているが、二次１／４波長板５５１は、湾曲していることができる。電子表示パネル５５２は、複数の画素群５５４を含む。画素群５５４は、画素５５６、ブラックマトリクス５５８、直線偏光子５６０、１／４波長板５６２、および鏡面反射器５６３を含む。画素５５６は、基板５６４上に形成されている。ブラックマトリクス５５８は、画素５５６を、他の画素群５５４内の隣接する画素５５６から分離する。代替的な実施形態では、画素群は、異なるまたはさらなる要素（例えば、複数画素５５６）を含み得る。

直線偏光子５６０および１／４波長板５６２は、画素５５６を覆って配置される円偏光子をともに形成し、鏡面反射器５６３は、ブラックマトリクス５５８を覆って配置される。電子表示パネル５５２の一部として図示されているが、円偏光子および鏡面反射器５６３は、電子表示パネル５５２から分離され得る。鏡面反射器５６３は、図５Ｃでは分離した層として図示されているが、ブラックマトリクス５５８は、鏡面反射器であり、同じ層であり得る。

所定の画素群５５４に対して、画素５５６から放射された光５６５は、直線偏光子５６０によって第１の方向に直線偏光され、１／４波長板５６２は、直線偏光された光５６６を円偏光された光５６７に変換する。円偏光された光５６７は、二次１／４波長板５５１を通過し、第１の方向に直線偏光された光５６８になる。光５６８は、第１の方向が反射偏光子の伝達軸に直交しているため、反射偏光子５４０によって反射される。二次１／４波長板５５１は、直線偏光された光５６９を、円偏光された光５７０に変換する。円偏光された光５７０は、特定の巻き方（例えば、時計回りまたは反時計回り）を有する。円偏光された光５７０の一部５７１は、鏡面反射器５５６によって反射される。反射された光５７１は円偏光されるが、巻き方は、５７０のそれと反対である。反射された光は、二次１／４波長板５５１を通過し、直線偏光された光５７２として二次１／４波長板５５１から出射する。光５７２は、反射偏光子５４０の伝達軸と整合するように、第１の方向に直交する偏光を有する。光５７２は、反射偏光子５４０によって伝達される。

図５Ｄは、一実施形態による、透明電子表示パネル５７６を含む図５Ａの表示ブロック５１０の断面図５７５である。本実施形態では、電子表示パネル５７６は、湾曲した反射偏光子５４０と１／４波長板５７７との間に配置された透明のディスプレイである。１／４波長板５７７は、鏡面反射器５７８を覆って配置されている。湾曲した反射偏光子５４０は、図５Ａのものと同様である。

電子表示パネル５７６は、複数の画素群５８０を含む。画素群は、画素５８１および直線偏光子５８２を含む。直線偏光子５８２は、画素５８１を覆って配置されているが、画素５８１の間の領域は覆っていない。画素５８１は、基板５８５上に形成されている。基板５８５、画素５８０、および直線偏光子５８２は、実質的に透明である。

所定の画素群５８０に対して、画素５８１から放射された光５９１は、直線偏光子５８２によって第１の方向に直線偏光される。この直線偏光された光５９２は、反射偏光子５４０上に入射し、光５９３として反射される。これは、第１の方向が反射偏光子５４０の伝達軸に直交しているためである。光５９３は、透明の基板５８５を通って伝播し、１／４波長板５７７上に入射する。光５９４は、１／４波長板５７７を通過し、特定の巻き方（例えば、時計回り）の円偏光された光として出射する。円偏光された光は、鏡面反射器５７８で反射して、反対の巻き方（例えば、反時計回り）の円偏光された光５９５になる。反射された光は、１／４波長板５７７を通過し、直線偏光された光５９６として１／４波長板５７７から出射する。光５９６は、反射偏光子５４０の伝達軸と整合するように、第１の方向に直交する偏光を有する。光５９６は、基板５８５を通って伝播し、反射偏光子５４０によって伝達される。

図５Ａ〜図５Ｄの実施形態の像面湾曲に対する補正のいくつかの利点は、以下に図６に示す実施形態と比較して、特に画素のフィルファクタが低い場合に、より多い光のスループットを有していることを含む。これは、光が表示パネルの複数の画素の間の領域で反射して、部分反射鏡などの構成要素を多数回通過する必要が無いためである。

図６は、一実施形態による、パンケーキ状レンズアセンブリ６２０を含むＦＣディスプレイ６１５の実施形態の断面図６００である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ６１５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、これは、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡など、何らかの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ６１５は、電子表示パネル６３０、偏光子６３２、およびパンケーキ状レンズアセンブリ６２０で構成されている。射出瞳６５０は、ユーザの眼６４５が配置される位置である。説明の目的のために、図６は、片方の眼６４５に関するＦＣディスプレイ６１５の断面図６００を示しているが、ＦＣディスプレイ６１５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ６１５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。

電子表示パネル６３０は、図３Ａの電子表示パネル３３０と同様である。図６では、電子表示パネル６３０とは別個として図示されているが、直線偏光子６３２は、電子表示パネル６３０の一部であり得る。電子表示パネル６３０から放射された光は、直線偏光子６３２を通ってディスプレイから出射し、それにより、１つの偏光の光をもたらす。

パンケーキ状レンズアセンブリ６２０は、部分反射鏡６３４および偏光反射鏡６３８を含む。図６において、部分反射鏡６３４は、電子表示パネル６３０の近傍に配置され、偏光反射鏡６３８は、ユーザの眼６４５の近傍に配置される。しかし、いくつかの実施形態では、部分反射鏡６３４は、ユーザの眼６４５の近傍に配置され、偏光反射鏡６３８は、電子表示パネル６３０の近傍に配置され得る。

部分反射鏡６３４および偏光反射鏡６３８の１つ以上の表面は、像面湾曲に対する補正を行うような形状にされている。部分反射鏡６３４の１つ以上の表面は、球面凹状（例えば、球形の一部）、球面凸状、回転対称非球面、自由形状、または像面湾曲を軽減する何らかの他の形状に形成され得る。いくつかの実施形態では、部分反射鏡６３４および偏光反射鏡６３８の１つ以上の表面の形状は、他の形態の光学収差に対する補正をさらに行うように構成され得る。いくつかの実施形態では、パンケーキ状レンズアセンブリ６２０内の１つ以上の光学要素は、ゴースト像を削減してコントラストを増強するために、反射防止コーティングなどの１つ以上のコーティングを有し得る。

部分反射鏡６３４は、波長板面（wave plate surface）６３３および鏡面６３５を含む。波長板面６３３は、受光した光の偏光を偏移する１／４波長板である。１／４波長板は、偏光軸を含む。偏光軸は、１／４波長板が、直線偏光された光を円偏光された光に変換するように、直線偏光された入射光に対して４５度偏移されている。同様に、１／４波長板は、円偏光された光を直線偏光された光に変換する。鏡面６３５は、受光した光の一部を反射するように構成された部分反射鏡である。いくつかの実施形態では、鏡面６３５は、入射光の５０％を透過させ、入射光の５０％を反射するように構成されている。

偏光反射鏡６３８は、波長板面６３７および反射偏光子面６３９を含む。波長板面６３７は、１／４波長板である。反射偏光子面６３９は、１つの偏光の光を反射し（偏光遮断）、受光した光の第２の偏光（直交する偏光）の光を透過させるように構成された部分反射鏡である。例えば、反射偏光子面６３９は、ｘ方向に直線偏光された光を反射し、ｙ方向に直線偏光された光を透過させるように構成され得る。

パンケーキ状レンズアセンブリ６２０は、像面湾曲を軽減して、それに従って瞳の泳ぎを低減するように機能する。また、パンケーキ状レンズアセンブリ６２０は、像面湾曲を取り除くように設計された他の光学システムと比べて、フォームファクタが小さく、比較的低重量である。

電子表示パネル６３０から出射する光は、固有的に偏光されているか、直線偏光子６３２を通過した後に第１の方向に直線偏光された光になるかのいずれかである。直線偏光された光は、波長板面６３３上に入射し、円偏光された光になる。円偏光された光の一部は、部分反射鏡６３４の鏡面６３５を通過する。この円偏光された光は、波長板面６３７を通過し、第１の方向に直線偏光される。反射偏光子面６３９は、第１の方向が反射偏光子面６３９の偏光軸に直交するため、この直線偏光された光を反射する。反射された光は、波長板面６３７を通して伝播して戻り、光は円偏光される。円偏光された光は、鏡面６３５上に入射する。円偏光された光の一部は、鏡面６３５によって反射され、反対の巻き方の円偏光された光になる。反射された円偏光された光は、波長板面６３７を通過して、第１の方向に直交する第２の方向に偏光された、直線偏光された光になる。第２の方向は、反射偏光子面６３９の偏光軸と整合する。反射偏光子面６３９は、直線偏光された光をユーザの眼６４５に透過させる。

像面湾曲に対する補正を行うためにパンケーキ状レンズアセンブリを使用するこの実施形態のいくつかの利点には、小さいフォームファクタ、低重量、および、この技術で平面ディスプレイを使用する能力、を有することが含まれる。

図７Ａは、一実施形態による、３つのレンズを含むＦＣディスプレイ７１５の別の実施形態の断面図７００である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ７１５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、これは、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡など、何らかの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ７１５は、表示ブロック７２８および光学ブロック７１８を含む。射出瞳７５０は、ユーザの眼７４５が配置される位置である。説明の目的のために、図７Ａは、片方の眼７４５に関するＦＣディスプレイ７１５の断面図を示しているが、ＦＣディスプレイ７１５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ７１５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。

表示ブロック７２８は、電子表示パネル７３０で構成されている。電子表示パネル７３０は、図３Ａの電子表示パネル３３０と同様である。
光学ブロック７１８は、図３Ａの光学ブロック３１８と同様である。光学ブロック７１８は、レンズ７２１、レンズ７２２、およびレンズ７２３の３つのレンズを収容している。本実施形態では、レンズ７２３は、球面凹状（例えば、球形の一部）に形成された複合レンズである。しかし、他の実施形態では、レンズ７２３は、球面凸状、回転対称球面、自由形状、または像面湾曲を軽減する何らかの他の形状であり得る。いくつかの実施形態では、レンズ７２３の形状は、他の形態の光学収差に対する補正をさらに行うように構成され得る。これらのレンズは、図示しないが、レンズホルダで結合される可能性がある。光学ブロックは、表示ブロック７２８から受光した光を拡大し、画像光に関する光学収差を補正する。

図７Ｂは、一実施形態による、２つのレンズを有するＦＣディスプレイ７５５の別の実施形態の断面図７５１である。いくつかの実施形態では、ＦＣディスプレイ７５５は、ＶＲヘッドセット１０５のＦＣディスプレイ１１５の一部である。他の実施形態では、これは、例えば、ＡＲディスプレイ、ＨＭＤ、ＶＲディスプレイ、デジタル顕微鏡など、何らかの他の電子ディスプレイの一部である。ＦＣディスプレイ７５５は、表示ブロック７２８および光学ブロック７５８を含む。射出瞳７５０は、ユーザの眼７４５が配置される位置である。説明の目的のために、図７Ｂは、片方の眼７４５に関するＦＣディスプレイ７５５の断面図を示しているが、ＦＣディスプレイ７５５とは別個のもう１つのＦＣディスプレイが、ユーザのもう片方の眼に、変更された画像光を提供する。ＦＣディスプレイ７５５のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するものとは異なる構成要素を有している。同様に、いくつかの場合、機能は、その構成要素間で、本明細書で説明するものとは異なる方法で分散されることができる。本実施形態では、光学ブロック７５８は、２つの異なる種類のプラスチックを用いた全プラスチック設計であり、「逆ケルナー（reversed Kellner）」アイピース設計（eyepiece design）の変形例である。光学ブロック７５８は、レンズ７６１およびレンズ７６２の２つのレンズを含み、レンズ７６２はダブレットである。この設計は、大きな視野（８０度以上の全視野）および適正なアイレリーフ（eye relief）を提供することができる。

図７Ａおよび図７Ｂに示す実施形態では、像面湾曲に対する補正を行うために少なくとも１つの負要素が使用されている。例えば、図７Ａでは、レンズ７２１とレンズ７２３の一部とが負要素である。図７Ｂでは、レンズ７６２の一部７６２ｂが負要素である。レンズは、ガラス、プラスチック、またはガラスとプラスチックとの組合せで設計され作成されることができる。プラスチックは、その軽量さ、および低コストの作成方法の可用性により、材料として好ましいものであり得る。異なる分散パラメータを有する異なる材料を使用することにより、軸上および横方向の色収差に対する補正が支援される。個々のレンズ面は、球面、非球面、または自由形状の表面とすることができる。

追加構成情報
本開示の実施形態の前述の説明は、例示の目的のために提示されており、網羅的であること、または、開示された正確な形態に本開示を限定することを意図するものではない。関連技術の当業者は、上記の開示に照らして多くの修正および変形が可能であることを理解することができる。

本明細書で使用される言語は、主として読みやすさおよび説明を目的として選択されており、本発明の主題を線引きまたは画定するように選択されていない可能性がある。したがって、本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ、これに基づいて本願について発行される任意の特許請求の範囲によって限定されるものである。したがって、開示された実施形態は、特許権の範囲を例示することを意図しているが、以下の特許請求の範囲に規定される開示の範囲を限定するものではない。

Claims (7)

1. ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）であって、
   前記ヘッドマウントディスプレイのユーザの眼に出力された画像内の像面湾曲に対する補正を行うように構成された像面湾曲補正（ＦＣ）ディスプレイを含み、
   前記像面湾曲補正ディスプレイは、表示ブロックと光学ブロックとを含み、前記表示ブロックは、
   画像光を出力するように構成された電子表示パネルと、
   前記電子表示パネルから前記画像光を受光するように構成された反射偏光子であって、修正された画像光を出力して像面湾曲に対する補正を行うための形状を有する反射偏光子と、を含み、
   前記光学ブロックは、前記修正された画像光を前記表示ブロックの前記反射偏光子から受光し、像面湾曲に対する補正を行った画像光を、前記ヘッドマウントディスプレイのユーザの眼の位置に対応する前記ヘッドマウントディスプレイの射出瞳に光学的に向けるように構成され、
   前記表示ブロックおよび前記光学ブロックのうちの少なくとも１つが、像面湾曲に対して前記画像光を光学的に補正する、ヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記表示ブロックは、
   前記電子表示パネルの反射面と、
   前記反射面に結合された１／４波長板とをさらに含み、
   前記反射偏光子は、前記電子表示パネルから放射された１つの偏光の前記画像光を反射し、前記電子表示パネルの前記反射面から反射され、前記電子表示パネルの前記反射面上の前記１／４波長板を通過する別の偏光の前記画像光を透過させるように構成されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記電子表示パネルの前記反射面は、前記電子表示パネルの、光を放射しない領域上の反射器である、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記表示ブロックは、前記電子表示パネルの表面上の前記電子表示パネルの反射面をさらに含み、
   前記像面湾曲補正ディスプレイは、第１の１／４波長板をさらに含み、
   前記反射偏光子は、
   前記電子表示パネルから放射され、前記第１の１／４波長板を通過する１つの偏光の前記画像光を反射し、
   前記第１の１／４波長板を通過した後に、前記電子表示パネルの前記表面上の前記電子表示パネルの前記反射面から反射した別の偏光の前記画像光を透過させる
   ように構成されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記像面湾曲補正ディスプレイは、第２の１／４波長板をさらに含み、
   前記反射偏光子は、
   前記電子表示パネルから放射され、前記第１の１／４波長板を１度通過し、前記第２の１／４波長板を１度通過する１つの偏光の前記画像光を反射し、
   前記第１の１／４波長板を１度通過し、前記第２の１／４波長板を１度通過した後に、前記電子表示パネルの前記表面上の前記電子表示パネルの前記反射面から反射した別の偏光の前記画像光を透過させ、反射された当該画像光は、前記第２の１／４波長板によって透過させられる
   ように構成されている、請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記電子表示パネルの前記反射面は、前記電子表示パネルの、光を放射しない領域上の反射器である、請求項４または５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記電子表示パネルは、透明電子表示パネルであり、前記表示ブロックは、１／４波長板と、反射器と、をさらに含み、
   前記反射偏光子は、
   前記透明電子表示パネルから放射された１つの偏光の前記画像光を反射し、
   前記反射器から反射され、前記１／４波長板を通過した別の偏光の前記画像光を透過させる
   ように構成されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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