JP7180873B2 - 動的集束ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
本出願は、2015年12月22日に出願された米国特許出願第62/270,896号の優先権を主張し、参照により、その全体を本明細書に組み込む。
図1は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)と共に使用される従来型の「バードバス」光学素子100を示す。光学素子100は、小型ディスプレイまたは他のディスプレイソース5、光学ブロック10、ビームスプリッタ25、及び、凹面鏡35を含む。小型ディスプレイまたは他のディスプレイソース5からの情報含有画像は、光学ブロック10(この場合、固体であるが、気体であってもよい)に入り、ビームスプリッタ25にぶつかる。ビームスプリッタ25は、光の一部を眼からそらせ、光の一部が鏡35に向かい続けるのを可能にする。この例において、鏡35は、ある角度をなして入射光線40を反射する湾曲した凹面鏡で、光線40を焦点に集束させる。光線40は、再度、ビームスプリッタ25にぶつかり、集束する光線45を眼50の方に反射する。
動的集束バードバスは、電気活性レンズまたは液体レンズ等、鏡と組み合わされ、バードバスシステムの内側に組み込まれた調節可能レンズを含む。調節可能な焦点距離を有するレンズをディスプレイとバードバスの凹面鏡との間に(例えば、図1の鏡35、または、図2の鏡65の上に)配置することによって、凹面鏡のパワーと仮想画像の焦点とを可動部無しに変えることを可能にする。これによって、システム全体を少なくとも以下のように改良する。
ここで、s0は、鏡から物体の距離、s1は、鏡から画像の距離、Rは、鏡の曲率半径、fは、鏡の焦点距離である。一般的に言えば、凹面反射層100と透明な凸面70との曲率半径は、物体の距離が、2mmから無限遠の間の距離、画像の距離が、2mmから無限遠の間の距離であるように、この式に従って選択されてよい。動的液晶レンズを湾曲した鏡に追加する時、湾曲した鏡の新しい調節された焦点距離は、結果として得られる焦点距離に、鏡に向かう、また、鏡から離れるように進む光線に対する液晶の効果の影響を追加または減じることによって計算できる。例えば、固定の鏡が、10ジオプターの屈折力(すなわち、焦点距離100mm)を生成し、液晶レンズが、2ジオプターのプラスの屈折力(すなわち、焦点距離500mm)を加える場合、新しい焦点距離は、12ジオプター(すなわち、焦点距離83.3mm)である。
図3Aに示すバードバス光学素子300は、従来型のバードバスディスプレイにはない他の素子、すなわち、コントローラ315とオプションのアンテナ320を有する電子機器アセンブリ325も含む。この電子機器アセンブリ325は、図3CのHMD302の一部として示されるハウジング335内に取り付けられてよく、ハウジング335は、ディスプレイソース5と、電源及び任意の他の電子機器も含み得る。例えば、ハウジング335は、センサ340も保持してよく、センサ340は、周囲光のレベル、動き、範囲、または、バードバス光学素子300及び/またはディスプレイソース5の作動に使用し得る任意の他のパラメータを検出する。
図4及び図5は、電極層95をより詳細に示す。図4は、層95を真横から見た図で、層95は、反射層100上に位置してよく、反射層100は、エンドキャップ105上に位置している。図4に示された視点は、凹面内にエンドキャップを見ている視点である。電極層95の一部を含んで、導電性で光透過性の材料からできた一連の同心円状電極110が、層100上にパターニングされる。電極110の上に、電気絶縁層(図示せず)があって、電極と、電極間の隙間とを覆っている。絶縁層内にパターニングされたホール115が、図5に示すように、電極110のそれぞれの小さい領域を露出させている。絶縁層は、典型的に240nmの厚さの二酸化ケイ素であってよく、または、電子リソグラフィを用いて処理できる任意の他の電気的に絶縁の実質的に透明な材料であってよい。
あるいは、反射面は、可撓膜上に形成されてよく、可撓膜は、バードバスの凸面と共に封止された空洞を画定する。封止された空洞内に屈折率整合流体を汲み入れることによって、膜を膨らませ、動的に調節可能な凹面鏡の焦点距離を変える。空洞から液体を引き出すことにより、膨らみを軽減して、焦点距離を元の値に戻す。可撓膜は、静電的に、圧電機械的に、熱的に、または、任意の他の適切な技術を用いて、作動させることもできる。
図8A~図8Cは、図3A、図7A、図7Bに示すような動的に調節可能な凹面鏡を含むバードバス光学素子を有するヘッドマウントディスプレイを通して、眼を調節する装着者が見る実像及び仮想画像を示す。図8Aは、装着者が、無限遠焦点にある、または、その近くにある物体805aをバードバス光学素子を通して見ている時、装着者に見える光景を示す。無限遠焦点にある物体805aは、はっきりと焦点が合って見えるが、左下にあるワインボトル801a等の近くの物体は、かすんで、または、不明瞭に見える。装着者の眼が、遠くの物体805aに焦点を合わせているので、動的に調節可能な凹面鏡は、無限遠焦点にある仮想画像803a(ここでは、物体のラベル)にもはっきりと焦点が合って見えるように設定される。
様々な発明の実施形態を本明細書に記載、示してきたが、機能を行うための、及び/または、結果、及び/または、本明細書に記載の利点の1つまたは複数を得るための様々な他の手段及び/または構造を、当業者は容易に構想されよう。また、このような変形及び/または修正のそれぞれは、本明細書に記載の発明の実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的にいうと、本明細書に記載の全てのパラメータ、寸法、材料、及び、構成は、例示的なものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、及び/または、構成は、発明の教示を使用する特定の用途(複数可)によって決まることを当業者は容易に理解されよう。当業者は、単に日常的な実験を用いて、本明細書に記載の特定の発明の実施形態の多くの均等物を認識、または、確認できよう。よって、上記実施形態は、例としてのみ提示したものであり、添付の請求項とその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、詳細に記載し、特許請求するのと別の方法で実践されてよいことを理解されたい。本開示の発明の実施形態は、本明細書に記載の各個々の特徴、システム、品物、材料、キット、及び/または、方法に関する。さらに、2つ以上のこのような特徴、システム、品物、材料、キット、及び/または、方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、品物、材料、キット、及び/または方法が互いに矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。
Claims (16)
- ヘッドマウントディスプレイ装置であって、
ディスプレイと、
前記ディスプレイと光通信して、前記ディスプレイが発した光を透過するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタと光通信して、前記ディスプレイが発し、前記ビームスプリッタが透過した前記光を受信し、且つ、前記ディスプレイの画像を前記ビームスプリッタを介して前記ヘッドマウントディスプレイ装置の装着者に反射する凹反射面と、
前記ビームスプリッタと前記凹反射面との間に配置され、且つ可変の屈折力を有して、前記装着者に反射される前記ディスプレイの前記画像の焦点を変える調節可能レンズとを含み、
前記調節可能レンズが、
第1の円筒形電気活性レンズ要素と、
前記第1の円筒形電気活性レンズ要素と光学的に直列である第2の円筒形電気活性レンズ要素とを含み、
前記第1の円筒形電気活性レンズ要素が第1の液晶層を備え、前記第2の円筒形電気活性レンズ要素が第2の液晶層を備え、前記第1の円筒形電気活性レンズ要素及び前記第2の円筒形電気活性レンズ要素が、前記第1の液晶層と前記第2の液晶層との間の共通のグラウンドプレーンを共有する、
前記ヘッドマウントディスプレイ装置。 - 前記第1の円筒形電気活性レンズ要素が、第1の方向に指向されている第1の線形電極を備え、前記第2の円筒形電気活性レンズ要素が、前記第1の方向に垂直な第2の方向に指向されている第2の線形電極を備える、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記ビームスプリッタが、前記凹面と向かい合う凸面を有し、前記第1の線形電極が、前記凸面上に配置されている、請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の液晶層及び前記第2の液晶層が、前記凸面と前記凹面との間に封止されている、請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の円筒形電気活性レンズ要素が、前記第2の円筒形電気活性レンズ要素によって提供される円筒形パワーから独立して変化し得る円筒形パワーを提供する、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の円筒形電気活性レンズ要素及び前記第2の円筒形電気活性レンズ要素が、非点収差を補償するように構成され得る、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイが、前記調節可能レンズの光軸に垂直な軸に沿って偏光された光を発するように構成される、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の液晶層が、ネマチック液晶材料を含む、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の液晶層が、双安定液晶材料を含む、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記ビームスプリッタが、周囲光を前記装着者に透過するように構成される、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記第1の線形電極が、電気活性材料の屈折率を変えるように、前記電気活性材料に電圧勾配を印加するように構成される、請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記調節可能レンズに動作可能に結合されて、前記装着者からの入力に応答して、前記調節可能レンズを作動させるコントローラをさらに含む、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記調節可能レンズと前記ディスプレイとに動作可能に結合されて、前記ディスプレイの画像に応答して、前記調節可能レンズを作動させるコントローラをさらに含む、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記凸面が、前記凹面の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する、請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- 前記凸面が、前記凹面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する、請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
- ヘッドマウントディスプレイ装置であって、
ディスプレイと、
前記ディスプレイと光通信して、前記ディスプレイが発した光を透過するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタと光通信して、前記ディスプレイが発し、前記ビームスプリッタが透過した前記光を受信し、且つ、前記ディスプレイの画像を前記ビームスプリッタを介して前記ヘッドマウントディスプレイ装置の装着者に反射する凹反射面と、前記ビームスプリッタと前記凹反射面との間に配置され、且つ可変の屈折力を有して、前記装着者に反射される前記ディスプレイの前記画像の焦点を変える調節可能レンズとを含み、
前記調節可能レンズが、
第1の円筒形電気活性レンズ要素と、
前記第1の円筒形電気活性レンズ要素と光学的に直列である第2の円筒形電気活性レンズ要素とを含み、
前記ビームスプリッタが、前記凹面と向かい合う凸面を有し、前記第1の円筒形電気活性レンズ要素が、第1の方向に指向され、且つ前記凸面上に配置されている第1の線形電極を備え、前記第2の円筒形電気活性レンズ要素が、前記第1の方向に垂直な第2の方向に指向されている第2の線形電極を備える、
前記ヘッドマウントディスプレイ装置。
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