JP7155267B2 - ウェアラブルデバイス - Google Patents

Description

本開示は、ウェアラブルヘッドアップディスプレイに関する。

ヘッドアップディスプレイは、現実世界の画像と投影画像の両方を知覚するように、人の現実世界の視界上に投影画像をオーバーレイする。ヘッドアップディスプレイは、ユーザがそれを通して見る、および、ユーザの視野に現れるように画像を投影する透明部品を利用する。

透明部品は、航空機のクリアスクリーンのような固定の部品であり得るか、またはユーザによって装着され得る。ウェアラブルヘッドアップディスプレイの軍事用途は、ヘルメットのバイザを透明部品として利用してきたが、これは、非軍事用途には不便であり、特定の軍事用途にすらも不便である。眼鏡のように装着される、はるかに小さい透明部品を有するデバイスが提供されてきたが、依然として、光源および光学部品のような光学投影部品がデバイスの折畳みを妨げるのに十分な大きさのデバイスである。

したがって、装着しているときも折畳んだときもコンパクトなウェアラブルヘッドアップディスプレイが必要である。

本発明の態様および実施形態は、添付の特許請求の範囲に記載のディスプレイを提供する。

本発明のある態様によれば、画像投影手段を支持するアームと、コンバイナアセンブリを支持するフレームとを備えるウェアラブルヘッドアップディスプレイが提供される。フレームは、ヒンジが展開位置にあるときコンバイナアセンブリが画像投影手段によって出力された光を受けるように配置されるように、アームにヒンジ式に取り付けられ得る。

随意に、画像投影手段は、光源およびマイクロディスプレイを備える。マイクロディスプレイは、画像担持光（IMAGE-BEARING LIGHT）を出力するために光源によって照明され得る。

随意に、フレームは、コリメーション光学部品とコンバイナアセンブリとの間の位置でアームにヒンジ式に取り付けられ得る。有利に、これは、ディスプレイの便利な折畳み、したがって容易な収納および携帯性を可能にする。

随意に、コンバイナアセンブリは、出力導波路を備え得る。有利に、これは、画像担持光の方向付けを可能にする。

随意に、コンバイナアセンブリはプリズムを備え得る。有利に、これは、画像担持光の方向付けを可能にする。

随意に、コンバイナアセンブリは、回折格子を備え得る。有利に、これは、画像担持光の方向付けを可能にする。

随意に、コンバイナアセンブリは、ミラーアレイを備え得る。有利に、これは、画像担持光の方向付けを可能にする。

随意に、コンバイナアセンブリは、受けた光をユーザの目に向けるように配置される。有利に、これは、ユーザの現実世界の視界の上に画像をオーバーレイすることを可能にする。

随意に、ウェアラブルヘッドアップディスプレイを展開位置に保持するための係止機構がさらに設けられている。係止機構は、磁気または抵抗ベースのクリップを備え得る。有利に、これは、例えばディスプレイの装着中、ディスプレイが展開位置を保持することを可能にする。

随意に、画像投影手段は、ヒンジが展開位置にないとき光の出力を停止するように配置され得る。有利に、これは、ディスプレイが展開位置にあるとき有害な光が出力されるのを防ぐといった目の安全プロトコルが観察されることを可能にする。さらに、これは、ディスプレイが折畳まれており使用されていないときの省電力を可能にし得る。

随意に、画像投影手段は、ヒンジが折畳み位置にあるとき画像担持光を表面上に出力するように配置され得る。有利に、これは、画像を見る代替方法を可能にする。

随意に、アームは、画像投影手段の光軸を通る平面において折畳めるように配置され得る。有利に、これは、ディスプレイの便利な折畳み、したがって容易な収納および携帯性を可能にする。

随意に、画像投影手段は、画像担持光によって生成された画像を示すデータを受信して処理するための処理デバイスを備え得る。有利に、これは、コンピュータ駆動画像（COMPUTER DRIVEN IMAGERY）の表示を可能にする。

図１は、ヘッドアップディスプレイの部品のブロック図を示す。 図２は、ヘッドアップディスプレイの概略図を示す。 図３は、近軸光学構成を示す。 図４は、動作の例となるフローチャートを示す。

ヘッドアップディスプレイは、光学投影デバイスを利用して、画像コンテンツを含む光を透明部品の中または上に投影し、次いで、それは、この光を、必要とされる位置においてユーザの目に向ける。典型的に、投影デバイスは、ＬＥＤまたはレーザダイオードのような光源と、ＤＭＤ、ＬＣＤ、ＬＣＯＳまたはＯＬＥＤパネルのようなイメージングデバイスと、透明部品の中または上に光を投影するコリメーション光学部品とを備える。必要とされる輝度および光学的品質を達成するために、これらの部品はかなりのサイズである。ウェアラブルヘッドアップディスプレイの例では、これらの部品は、ユーザによって装着されることが意図されたアセンブリに統合される。

光源（OPTICAL SOURCE）およびコリメーション光学部品の適切な位置決めおよび安定性を提供するために、これらの部品は、従来、ユーザの顔および頭部に配向された透明部品を有する剛性構造で形成されてきた。これは、快適な取付けを確実にし、正確な光学的位置合わせを、それゆえに画像品質を確実にするための剛性を提供する。光源は、正しい光学配置を通してではなく直接見た場合、目に損傷を引き起こすのに十分な強度である可能性があるため、このような配置は安全性についての懸念にも対処する。しかしながら、結果として得られるデバイスは、剛性で、かさばり、そして、従来の眼鏡のように便利に折畳むことができない。

図１は、収納のために手頃なサイズに折畳むことができるウェアラブルヘッドアップディスプレイ１００の部品のブロック図を示す。画像投影手段１１０は、画像担持光を出力するためのマイクロディスプレイ１１２および光源１１１を備える。光源１１１は、マイクロディスプレイ１１２を照明するように配置される。画像投影手段１１０は、出力された画像担持光を方向付けるためのコリメーション光学部品１１３をさらに備え得る。コリメーション光学部品１１３は、１つまたは複数のレンズを備え得る。コリメーション光学部品１１３は、マイクロディスプレイから、実質的にコリメートされた画像担持光を生成するように配置される。適宜、他の画像投影手段が利用され得る。

画像投影手段１１０は、コンバイナアセンブリ１２０に光を出力するように構成される。コンバイナアセンブリ１２０は、ユーザの目１２３の前に配置されるように、および、画像が現実世界のユーザの視野上にオーバーレイされるよう光を方向付けるように構成される。コンバイナアセンブリ１２０は、光を出力導波路１２２に結合するように構成されたプリズム１２１を備え得る。プリズム１２１は、ヒンジ面１３０の後に位置し、画像投影手段１１０は、それを中心として、ヒンジ機構の使用を通じて回転し得る。プリズム１２１を使用することは、投影された光を直接出力導波路１２２に効率的にルーティングすることを有利に可能にする。これは、複数の利点を有することができる。第１に、投影された光が、先のコリメーション光学部品１１３の光軸に対して軸外である方向にルーティングされることができ、そのため、ヘッドアップディスプレイシステムが、ユーザ１２４の頭部の円弧の形状により共形であり、したがって、より快適かつ審美的により好ましい空間容積へと設計されることを可能にする。第２に、プリズム１２１は、回転ヒンジ機構がヒンジ面１３０付近に導入される場合に、画像投影手段１１０とコンバイナアセンブリ１２０との間の光路長が最小にされることを確実にし、ゆえに、ウェアラブルヘッドアップディスプレイ１００をよりコンパクトにする。第３に、プリズムの表面は、屈折力を含み得、したがって、プリズム１２１は、コリメーション光学部品１１３の一部を形成し、ゆえに、コリメーション光学部品１１３に必要とされる素子の数を減らし、ウェアラブルヘッドアップディスプレイ１００をよりコンパクトにするであろう。

コンバイナアセンブリ１２０は、必要に応じて画像投影手段１１０からユーザの目に光を向ける機能性を提供する任意の部品を備え得る。例えば、ミラーおよび／または回折格子が導波路素子と併せて利用され得る。

図２は、図１の光学部品を組み込んだヘッドアップディスプレイデバイス２００の概略図を示す。デバイス２００は、従来の眼鏡のように構成されたフロントフレーム２０１および２つのアーム２０２、２０３を備える。フレーム２０１は、コンバイナアセンブリ１２０を支持するように配置され、アーム２０２は、画像投影手段１１０を支持するように配置される。フレーム２０１は、画像担持光がユーザの目に向けられ得るようにユーザの視線の前の位置でコンバイナアセンブリ１２０の少なくとも一部を支持するようにさらに配置され得る。アーム２０２は、従来の方法でフレーム２０１にヒンジ式に取り付けられ、すなわち、アーム２０２は、アームがジョイント２０４を中心として９０度回転した状態でデバイス２００が従来の眼鏡と同様に折畳まれることができるように、取付け点またはジョイント２０４を中心としてフレーム２０１の周りを回転するように配置される。折畳み位置にあるとき、デバイス２００のフレーム２０１およびアーム２０２は、容易な収納および携帯性を可能にするためにジョイント２０４を中心として折畳まれている。同様に、展開位置にあるとき、デバイスのフレーム２０１およびアーム２０２は、ユーザによるデバイスの装着に適した位置を達成するためにジョイント２０４を中心として開いている（OPENED）であろう。アーム２０２は、画像投影手段１１０とコンバイナアセンブリ１２０との間の位置でフレーム２０１にヒンジ式に取り付けられ得る。破線１３０で示されるように、アーム２０２の折畳みは、画像をコンバイナアセンブリ１２０に投影するために画像投影手段１１０の光軸を通る平面内で生じる。

画像がコンバイナアセンブリ１２０に正しく投影されることを保証するために、ジョイント２０４は、展開状態にあるとき十分に剛性でなければならない。ジョイント２０４には、展開された動作位置にアーム２０２を保持するための係止機構が配置され得、これは、ヒンジにおける動作または折畳みを防ぐ。例えば、磁気または抵抗ベースのクリップが利用され得る。

図３は、図１および図２の配置を容易にする近軸光学設計３００を示す。ヒンジ面１３０は、コリメーション光学部品１０３の最終レンズ３１０とプリズム１０４との間に位置する。透明カバー３２０、３３０、例えばガラス、が、コリメーション光学部品およびプリズム入力にわたって配置され、これらの領域を封止し、適切な環境封止を提供する。ヒンジ面１３０はまた、必要とされる折畳み状態および展開状態を提供するために、光学システム３００内の他の位置に配置され得る。

図１～３のデバイスが折畳まれているとき、画像投影手段１１０によって投影される光は、ヘッドアップディスプレイから放出され得る。安全システムを提供するために、画像投影手段１１０は、ジョイント２０４が完全な展開状態にないときまたはデバイスが収容されているときに、自動的にオフになり、光の投影を停止するように配置され得る。例えば、図４に示すように、眼鏡が折畳まれているか収容されているかを示す検出手段、例えばスイッチ、が、ヒンジ配置に関連して設けられ得る。アーム２０２が係止位置または展開位置から離れると、画像投影手段１１０は非アクティブ化される。

光学デバイス２００は、折畳み状態にあるとき、壁またはスクリーンのような表面上に画像を投影するために、さらなる光学部品とともに使用され得る。さらなる光学部品は、（例えば、ヒンジに接続されたスイッチと係合することによって）画像の投影を可能にすることを求めて、画像投影手段１１０に信号を送ることができる。

本明細書で説明したデバイスには、投影されることとなる画像を示すデータを受信するために電子システムが設けられ得る。例えば、ワイヤードまたはワイヤレス接続を介してデータを受信し、そのデータを画像投影装置のために処理する処理デバイスが設けられ得る。

本発明は、いくつかの実施形態に関連して説明されてきたが、それは、本明細書に記載される特定の形態に限定されるように意図されない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。追加的に、特徴は、特定の実施形態に関連して説明されるように見うけられ得るが、当業者であれば、説明される実施形態の種々の特徴が、本発明にしたがって組み合わせられ得ることを認識するであろう。特許請求の範囲では、「備える（COMPRISING）」という用語は、他の要素またはステップの存在を除外しない。

さらに、特許請求の範囲における特徴の順序は、特徴が実行されなければならない任意の特定の順序を意味せず、特に、方法の請求項における個々のステップの順序は、ステップがこの順序で実行されなければならないことを意味しない。むしろ、ステップは、任意の適切な順序で実行され得る。加えて、単数の参照は複数を除外しない。ゆえに、「A」、「AN」、「第１の」、「第２の」、等への参照は、複数を除外しない。特許請求の範囲では、「備える（COMPRISING）」または「含む（INCLUDING）」という用語は、他の要素の存在を除外しない。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
ウェアラブルヘッドアップディスプレイであって、
画像担持光を出力するための画像投影手段（１１０）を支持するアーム（２０２）と、 コンバイナアセンブリ（１２０）を支持するフレーム（２０１）、ここにおいて、前記フレームは、前記ヒンジが展開位置にあるとき前記コンバイナアセンブリ（１２０）が前記画像投影手段（１１０）によって出力された前記光を受けるように配置されるように、前記アーム（２０２）にヒンジ式に取り付けられている、と、
を備えるディスプレイ。
［Ｃ２］
前記画像投影手段（１１０）は、前記画像担持光を出力するためにマイクロディスプレイ（１１２）が光源（１１１）によって照明されるように配置された前記光源と前記マイクロディスプレイとを備える、Ｃ１に記載のディスプレイ。
［Ｃ３］
前記画像投影手段（１１０）は、前記出力された画像担持光を方向付けるための少なくとも１つのコリメーション光学部品（１１３）を備える、Ｃ１または２に記載のディスプレイ。
［Ｃ４］
前記フレーム（２０１）は、前記コリメーション光学部品（１１３）と前記コンバイナアセンブリ（１２０）との間の位置で前記アーム（２０２）にヒンジ式に取り付けられている、Ｃ３に記載のディスプレイ。
［Ｃ５］
前記コンバイナアセンブリ（１２０）は、前記受けた光を方向付けるための出力導波路（１２２）、プリズム（１２１）、回折格子、およびミラーアレイのうちの１つまたは複数を備える、Ｃ１～４のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ６］
前記コンバイナアセンブリ（１２０）は、前記受けた光をユーザの目に向けるように配置される、Ｃ１～５のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ７］
前記ウェアラブルヘッドアップディスプレイを前記展開位置に保持するための係止機構を備える、Ｃ１～６のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ８］
前記係止機構は、磁気または抵抗ベースのクリップを備える、Ｃ７に記載のディスプレイ。
［Ｃ９］
前記画像投影手段（１１０）は、前記ヒンジが前記展開位置にないときに光の出力を停止するように配置されている、Ｃ１～８のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ１０］
前記画像投影手段（１１０）は、前記ヒンジが折畳み位置にあるとき前記画像担持光を表面上に出力するように配置される、Ｃ１～８のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ１１］
前記アーム（２０２）は、前記画像投影手段（１１０）の前記光軸を通る平面において折畳めるように配置されている、Ｃ１～１０のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
［Ｃ１２］
前記画像投影手段（１１０）は、前記画像担持光によって生成された前記画像を示すデータを受信して処理するための処理デバイスを備える、Ｃ１～１１のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。

Claims (11)

1. ウェアラブルヘッドアップディスプレイであって、
   画像担持光を出力するための画像投影手段（１１０）を支持するアーム（２０２）と、
   コンバイナアセンブリ（１２０）を支持するフレーム（２０１）、ここにおいて、前記フレームは、ヒンジが展開位置にあるとき前記コンバイナアセンブリ（１２０）が前記画像投影手段（１１０）によって出力された前記光を受けるように配置され、前記ヒンジが折畳み位置にあるとき前記画像担持光を壁またはスクリーンの表面上に出力するように、前記アーム（２０２）にヒンジ式に取り付けられている、と、
   を備えるディスプレイ。
2. 前記画像投影手段（１１０）は、前記画像担持光を出力するためにマイクロディスプレイ（１１２）が光源（１１１）によって照明されるように配置された前記光源と前記マイクロディスプレイとを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記画像投影手段（１１０）は、前記出力された画像担持光を方向付けるための少なくとも１つのコリメーション光学部品（１１３）を備える、請求項１または２に記載のディスプレイ。
4. 前記フレーム（２０１）は、前記コリメーション光学部品（１１３）と前記コンバイナアセンブリ（１２０）との間の位置で前記アーム（２０２）にヒンジ式に取り付けられている、請求項３に記載のディスプレイ。
5. 前記コンバイナアセンブリ（１２０）は、前記受けた光を方向付けるための出力導波路（１２２）、プリズム（１２１）、回折格子、およびミラーアレイのうちの１つまたは複数を備える、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
6. 前記コンバイナアセンブリ（１２０）は、前記受けた光をユーザの目に向けるように配置される、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
7. 前記ウェアラブルヘッドアップディスプレイを前記展開位置に保持するための係止機構を備える、請求項１～６のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
8. 前記係止機構は、磁気または抵抗ベースのクリップを備える、請求項７に記載のディスプレイ。
9. 前記画像投影手段（１１０）は、前記ヒンジが前記展開位置にないときに光の出力を停止するように配置されている、請求項１～８のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
10. 前記アーム（２０２）は、前記画像投影手段（１１０）の光軸を通る平面において折畳めるように配置されている、請求項１～９のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。
11. 前記画像投影手段（１１０）は、前記画像担持光によって生成される画像を示すデータを受信して処理するための処理デバイスを備える、請求項１～１０のうちのいずれか一項に記載のディスプレイ。

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