JP7377773B2 - 人間工学的ヘッドマウントディスプレイデバイスおよび光学システム - Google Patents

Description

（他所参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／４７２，１６２号（２０１０年１２月２４日出願）に基づく優先権を主張し、その明細書は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

（発明の背景）
本発明は、概して、光学シースルーヘッドマウントディスプレイ（ＯＳＴ－ＨＭＤ）デバイスに関連し、より具体的には、眼鏡形状の外見および広いシースルー視野（ＦＯＶ）を有する光学シースルーＨＭＤにおける光学ビューイングデバイスとしての使用のための人間工学的に設計された自由形状光学システムに関連する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、科学的な可視化、医学および軍事訓練、工学設計および原型製作、遠隔操作およびテレプレゼンス、ならびに個人の娯楽システムの分野にわたっている多くの用途にとって、非常に貴重であると、長い間、はっきり示されてきた。複合および拡張現実感システムにおいて、光学シースルーＨＭＤは、コンピュータ生成の仮想シーンを、現実世界のシーンの眺めと結合させることへの基本的なアプローチの１つである。典型的に、光学結合器を通して、ＯＳＴ－ＨＭＤは、現実世界の直接の品質低下が最小の眺めを維持しながら、コンピュータ生成の画像を現実世界の眺めに光学的にかぶせる。ＯＳＴ－ＨＭＤは、他の世間一般のモバイルプラットフォーム（たとえば、スマートフォンおよびＰＤＡ）に比べて、はるかに魅力的な画像品質およびスクリーンサイズを提供するモバイルディスプレイ解決策を生成する大きな可能性を有する。

他方では、過去数十年にわたるＨＭＤ設計における非常に有意な進歩にもかかわらず、技術が、多くの要求の厳しい用途および日々の使用に広く受け入れられることを妨げる多くの技術的および有用性の障壁が存在する。ＨＭＤについての主要な障壁の１つは、多くの要求の厳しいかつ新興の用途への技術の受け入れを妨げる、扱いにくいヘルメットのような形状因子である。実用的な存在する光学設計方法のほとんどは、本当に持ち運び可能であり、コンパクトであり、軽量であり、邪魔なものではなく、かつ眼鏡スタイルの目の近くのディスプレイであるとみなされ得るＨＭＤ設計を生成することが可能ではない。重い重量は、疲労および不快の一因となり、かつＨＭＤに基づいた用途の主要な障害であるとみなされる。そのうえ、広い、妨害または品質低下が最小のシースルーＦＯＶは、日々のタスクを実行することに不可欠である。近年、自由形状表面は、システム重量を減らすことおよび軽量ＨＭＤを生成することを目指すＨＭＤシステム設計［特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１］に、導入されてきた。しかし、人間工学的ニーズと性能のニーズとの両方を満たす、今日の市場において利用可能な解決策はまだない。発明者らの研究は、優れた性能を維持しながら、眼鏡形状因子および広いシースルーＦＯＶを有する解決策を開発することを目指す。

米国特許第５，６９９，１９４号明細書 米国特許第５，７０１，２０２号明細書 米国特許第５，７０６，１３６号明細書

Ｄ．Ｃｈｅｎｇら、"Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｗｉｔｈ ａ ｌｏｗ ｆ－ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｕｓｉｎｇ ａ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｐｒｉｓｍ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，４８（１４），２００９．

（発明の概要）
本発明は、眼鏡形状の外見を有する人間工学的光学シースルーヘッドマウントディスプレイ（ＯＳＴ－ＨＭＤ）デバイスと、そのようなディスプレイデバイスにおける光学ビューイングデバイスとしての使用のための自由形状光学システムとに関係する。ＯＳＴ－ＨＭＤにおける光学ビューイングデバイスは、概して、表示された仮想画像を眺めるための光学経路と、現実世界のシーンを直接眺めるためのシースルー経路とから成る。本発明において、仮想画像経路は、ディスプレイ内容を供給するための小型の画像ディスプレイユニットと、人間工学的に成形されたディスプレイビューイングオプティクスとを含み、そのディスプレイビューイングオプティクスを通してユーザーは、表示された内容の拡大された画像を眺める。ディスプレイビューイングオプティクスは、複数の自由形状屈折および反射表面を含む、光を導くデバイス（これ以後自由形状導波路プリズムと呼ばれる）を含む。ディスプレイビューイングオプティクスは、画像ディスプレイデバイスからの光を導波路プリズム内に適切に注入するために、追加の連結オプティクスも含み得る。自由形状表面および連結オプティクスの位置および形は、眺める人が、表示された内容の澄んだ拡大された画像を見ることができるように設計される。ヘッドマウントディスプレイデバイスのシースルー経路は、導波路プリズムと、プリズムの外側表面に取り付けられた自由形状シースルー補償レンズとから成る。複数の自由形状屈折表面を含むシースルー補償レンズは、非常に広いシースルー視野にわたった周囲の環境の適切な眺めを可能にする。導波路プリズムおよびシースルー補償レンズは、ヒトの頭の人間工学的因子に人間工学的に適合するように適切に設計され、軽量、コンパクト、かつシースルーのディスプレイシステムのラップアラウンド型の設計を可能にし、そのディスプレイシステムは、眼鏡形状の外見、広いシースルー視野、および優れた光学性能を有する。

本発明の局面の１つにおいて、本発明は、人間工学的ヘッドマウントディスプレイデバイスにおける光学ビューイングデバイスとしての使用のための自由形状光学システムの種々の実施形態を提供する。本発明における自由形状光学システムは、ヒトの頭の人間工学的因子に適合する人間工学的に成形されたビューイングオプティクスを提供するように最適化され、ビューイングオプティクスが、ヒトの顔を取り囲む形であること、および先行技術のＨＭＤデバイスにおけるヘルメットのような外見の代わりに、眼鏡のような外見を提示することを可能にする。本発明は、シースルー性能も提供し、ユーザーが、ビューイングオプティクスを通した周囲の環境および画像ディスプレイデバイスにおける表示された内容を眺めることを可能にする。本発明は、仮想の眺めのＦＯＶよりもかなり大きくあり得るシースルーＦＯＶを提供する。

本発明において、ＯＳＴ－ＨＭＤデバイスの仮想画像経路は、ディスプレイ内容を供給するための小型の画像ディスプレイユニットと、人間工学的に成形されたディスプレイビューイングオプティクスとを含み、そのディスプレイビューイングオプティクスを通してユーザーは、表示された内容の拡大された画像を眺める。ディスプレイビューイングオプティクスは、複数の自由形状屈折および反射表面を含む自由形状導波路プリズムを含み、追加の連結オプティクスも含み得る。導波路プリズムは、小型の画像ディスプレイデバイスにおける画像を拡大する、目の近くのビューイングオプティクスとして役立つ。画像ディスプレイユニットから放射される光線は、プリズムの第一の屈折表面を通って導波路プリズム内に注入される。光線は、ディスプレイデバイスから直接または連結レンズの一群を通してプリズム内へ注入され得る。注入された光線は、複数の反射（概して３つ以上）によって導波路プリズムを通って伝搬し、それから、プリズムの第二の屈折表面を通ってプリズムから外へつながれる。出て行く光線は、伝搬し続け、ユーザーが仮想内容を眺めるために自身の目を置くシステムの射出瞳に到達する。光が導波路プリズムを通って伝搬するとき、反射表面上の全反射（ＴＩＲ）条件が満足される場合、反射を通る光の損失は、最小である。したがって、反射のすべてがＴＩＲ条件を満足することが所望されるが、厳しく要求されるわけではない。しかし、反射表面のうちのいくつかにおいてＴＩＲ条件を妥協することによって導波路プリズムの薄い設計を達成することも非常に望ましい。デバイスの指定されたシースルーＦＯＶの内側に位置する反射表面について、ＴＩＲ条件が満足されない場合、半透明コーティングが、光学シースルー性能を促進しながら、小型のディスプレイユニットからの十分な光が、射出瞳に到達しかつ鮮明な画像を生成することを保証するために、それらの表面に塗布される。デバイスのシースルーＦＯＶの外側の反射表面について、ＴＩＲ条件が満足されない場合、高反射ミラーコーティングが、光損失を最小にするために表面に塗布され得る。本発明において、小型の画像ディスプレイユニットは、画像源として役立ち得る任意のタイプの自己放射または照明された画素アレイであり得、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、シリコン上強誘電性液晶（ＦＬＣｏＳ）デバイス、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはこれら前記または他のタイプのマイクロディスプレイデバイスを基礎としたマイクロプロジェクターを含むが、これらに制限されない。

本発明において、ヘッドマウントディスプレイデバイスのシースルー経路は、自由形状導波路プリズムと、自由形状シースルー補償レンズとから成る。補償レンズは、プリズムによって引き起こされる光線シフトおよびひずみを打ち消すため、および現実世界のシーンの澄んだシースルーの眺めを維持するために、導波路プリズムの物理的外側表面に取り付けられる。複数（概して２以上）の自由形状屈折表面を含む補償レンズは、非常に広い視野にわたった周囲の環境の適切な眺めを可能にする。補償レンズの表面は、レンズがプリズムと結合される場合に現実世界のシーンからの光線に導入されるシフトおよびひずみを最小にするように最適化される。導波路プリズムの取り付けられた表面上の反射が、仮想画像ディスプレイ経路においてＴＩＲ条件を満足する場合、導波路プリズムと補償レンズとの間の小さなエアギャップを維持することが必要である。

本発明において、複数の反射は、導波路プリズムの幅が平均のヒトの頭の幅とぴったりと合うように光路長を延長するために利用される。長い光路は、導波路プリズムの設計を人間工学的形にすることを容易にすること、および大きなシースルーＦＯＶを維持することを可能にする。プリズムの長い光路は、画像ディスプレイユニットをディスプレイフレームの側面に移動させることも可能にし、それは、ＨＭＤシステムの前方重量を減らし、かつシステムの人間工学的適合を向上させる。そのうえ、導波路プリズム（および光学ビューイングデバイス全体として）の形は、最適な人間工学的適合のために、ヒトの頭の普通のカーブとほぼ同じであるように設計され得る。たとえば、発明者らの実施形態のいくつかにおけるプリズムの形は、一対の８ベースカーブ眼鏡の曲率とほぼ同じであるように曲げられ、他のいくつかの実施形態におけるプリズムの形は、一対の４ベースカーブ眼鏡の形状因子にほぼ従う。そのうえ、導波路プリズムおよび補償レンズの全体の厚さは、薄いオプティクスプロファイル（概して３０ｍｍより小さい）を達成するように意図的に制御される。全体として、意図的に制御されたプリズムの形、長い光路、およびオプティクス厚さが、ヒトの頭との人間工学的適合および魅力的な眼鏡のような外見を提供する光学シースルーＨＭＤのラップアラウンド型の設計を可能にする。

本発明の別の重要な局面は、非常に広いシースルー視野（概して、仮想ディスプレイのＦＯＶよりはるかに大きい）を提供する能力である。本発明において、この能力は、いくつかのメカニズム（例えば、画像ディスプレイデバイスを頭の側面に移動させることにより導波路プリズムの澄んだ光学アパーチャを広げ、導波路プリズムおよび補償レンズ上の自由形状表面を意図的に制御することにより光線シフトおよびひずみを補正し、かつ大きいＦＯＶにわたった高いシースルー性能を保証すること）によって可能にされる。本発明の実施形態のいくつかにおいて、シースルーＦＯＶは、水平方向において１２０度および垂直方向において８０度ほど大きく広がる。本発明のシースルーＦＯＶは、ヒトの目の視野に合うように広げられ得る。

ヒトの頭の幅または曲率と合せること、および大きいシースルーＦＯＶを達成することのための長い光路要求のために、画像ディスプレイデバイス上の同じ点からの光線は、導波路プリズムの内側で少なくとも一度交差し、光線交差点はうまく形成されなくてもよいが、それは、仮想ディスプレイの中間画像が導波路の内側に形成されていることを示す。
本発明は、さらに以下を提供する。
（項目１）
少なくとも３つの物理的表面を含む自由形状導波路プリズムであって、該物理的表面の各々は、該物理的表面上に配置された複数の反射および屈折自由形状光学表面を含み、該物理的表面の内部空間は、１より大きい指数（ｎ）を有する屈折媒質によって充填され、該複数の反射表面は、該導波路が眼鏡の形に適合されることを可能にするように光路長を折り曲げて延長し、該眼鏡の形は、画像ディスプレイユニットが頭の側面に置かれることを可能にし、かつ、前方にまっすぐな眺めに対してこめかみ方向に９０°および鼻方向に６０°までと、前方にまっすぐな眺めに対して上および下に６０°までとの広いシースルー視野を可能にし、内側および外側表面は、眼鏡形状因子および最大厚さに適合する制約内で設計され、該複数の自由形状反射表面は、画像をゆがめることなしに光をユーザーの瞳孔へ導き、
該物理的および光学表面は、
ａ．該ユーザーの該瞳孔に向いて配置された物理的内側表面１１５であって、該物理的内側表面は、眼鏡形状因子のための事前指定された曲がった表面とほぼ同じであるように制約され、該内側表面は、最小量のひずみを有する画像を該ユーザーの眼球へ反射するように最適化された複数の自由形状反射表面と、少なくとも１つの屈折表面とを含む、物理的内側表面１１５と、
ｂ．外部シーンに向いて配置された物理的外側表面１２５であって、該物理的外側表面は、最小量のひずみを有する画像を該ユーザーの該瞳孔へ反射するように最適化された複数の自由形状反射表面を含み、該物理的外側表面は、すべての点において該内側表面からの最大距離以内にあり、該物理的外側表面は、少なくとも１つの屈折表面を含むことにより、該外部シーンからの光が、該導波路を通過して該ユーザーの該眼球に到達することを可能にする、物理的外側表面１２５と、
ｃ．画像ディスプレイユニットからの光が該導波路に入るための屈折表面を必要に応じて含む物理的縁表面１２０と、
ｄ．該物理的表面のうちの１つに配置された、画像ディスプレイユニットからの光が該導波路に入ることを可能にする屈折入力表面１３０と、
ｅ．該ユーザーの該瞳孔の近くで該物理的内側表面に配置された、光が該導波路から出ることを可能にする屈折出力表面１３５と、
ｆ．該物理的内側および外側表面に配置された複数の３つ以上の自由形状反射表面であって、各反射は、全反射基準を満足すること、または半透明な部分的に反射するコーティングを該導波路の該表面に塗布することのどちらかによって生成され、これらの反射は、最小のひずみを有する該光を該プリズムの該内部に沿って導くように最適化され、該複数の反射は、該プリズムが、広いシースルー視野および該ヒトの頭に適合することに適したサイズを可能にするように該光路長を延長する、自由形状反射表面と
を含み、
画像ディスプレイユニット１０５からの光１４０は、第一の屈折表面１３０を通って該導波路に入り、
該光１４０は、該第一の屈折表面１３０から該第二の屈折表面１３５まで、該複数の反射表面上の複数の反射を含む該導波路に沿った経路１４５をたどり、各反射は、全反射の条件を満足すること、または半透明コーティングが該表面に塗布されていることのどちらかによって生成され、
光１４０は、該第二の屈折表面１３５を通過し、該第二の屈折表面１３５を越えた場所に、該ユーザーは、該画像を眺めるために自身の瞳孔１５０を置き、
現実世界のシーンからの光１９８は、該瞳孔１５０に到達する前に、該導波路１００の該物理的外側表面１２５および該導波路の該物理的内側表面１１５を通って屈折させられ、該導波路を通した該シースルー視野は、こめかみ方向に９０°、鼻方向に６０°、前方にまっすぐな眺めの上および下に６０°に及ぶ、
自由形状導波路プリズム。
（項目２）
前記複数の反射は、該導波路が、瞳孔からこめかみまで、２５ｍｍより大きい幅を有するように前記光路長を延長する、項目１に記載の導波路。
（項目３）
前記内側表面における制約は、
ａ．平均のヒトの頭の形とほぼ同じである曲がった第一の基準表面２３０であって、前記内側表面は、該第一の基準表面の外側にあるように制約される、曲がった第一の基準表面２３０と、
ｂ．前記導波路がユーザーの顔から突き出る限界を制限する第二の基準表面２４０であって、該内側表面は、該第二の基準表面の内側にあるように制約される、第二の基準表面２４０と、
ｃ．該内側物理的表面１１５と外側物理的表面２２５との間の最大距離と、
ｄ．水平の寸法における瞳孔からこめかみまでの前記プリズムの幅２４４における上限および下限であって、それによって、該プリズムは、前記頭の前記側面に到達し、上位の限界２９０ａによって設定される指定されたシースルー視野を生み出すのに十分に広いが、該頭の該側面の向こうに突き出しすぎない、プリズムの幅２４４における上限および下限と、
ｅ．水平の寸法における瞳孔から鼻までの該プリズムの幅２４６における上限および下限であって、それによって、該プリズムは、下位の限界２９０ｂによって設定される該指定されたシースルー視野を生み出すのに十分に広いが、鼻梁と抵触しない、プリズムの幅２４６における上限および下限と、
ｆ．垂直の寸法における瞳孔からの該プリズムの高さにおける下限であって、それによって、該プリズムは、上位の限界２９０ｃまたは下位の限界２９０ｄによって設定される該指定されたシースルー視野を生み出すのに十分に広い、プリズムの高さにおける下限と、
ｇ．表面区分２１５ａであって、該内側表面は、眼鏡形状因子に適合するように制約され、該表面区分の幅は、水平方向における該指定されたシースルー視野の上位の限界２９０ａおよび下位の限界２９０ｂによって境界をつけられ、該表面区分の高さは、該内側表面に投影された、垂直方向における該シースルー視野の上位の限界２９０ｃおよび下位の限界２９０ｄによって境界をつけられ、該表面区分の局所の曲率半径は、眼鏡形状因子に依存した範囲によって境界をつけられる、表面区分２１５ａと
を含み、
該内側および外側プリズム表面の形は、これらの制約の範囲内で該導波路の入口点から該導波路の出口点までの光学的ひずみを最小にするよう最適化される、項目１に記載の導波路。
（項目４）
前記特定の制約は、
ａ．前記曲がった第一の基準表面の中心は、基準寸法Ｙ_ｒｅｆ１（前記頭のこめかみ側への、該頭の中線と該基準表面の該中心との間の距離）、Ｚ_ｒｅｆ１（該頭の前から後ろへの、前記瞳孔と該基準表面の該中心との間の距離）、およびＹ_ＨＩＰＤによって定義され、該Ｙ_ＨＩＰＤは、該瞳孔から該頭の中点までの距離であり、典型的に、Ｙ_ｒｅｆ１は、０～４０ｍｍの範囲にあり、Ｚ_ｒｅｆ１は、３０～９０ｍｍの範囲にあり、Ｙ_ＨＩＰＤは、２０～４０ｍｍの範囲にあり、該第一の基準表面の曲率半径は、水平の寸法において４０ｍｍ～１００ｍｍの範囲にあることと、
ｂ．前記第二の基準表面の位置は、基準寸法Ｚ_ｒｅｆ２（該瞳孔から該基準表面までの距離）によって定義され、典型的にＺ_ｒｅｆ２は、４０ｍｍよりも小さいことと、
ｃ．前記内側物理的表面と外側物理的表面との間の前記最大距離は、４０ｍｍより小さいことと、
ｄ．こめかみ方向における前記プリズムの幅における前記上限は、８０ｍｍであることと、
ｅ．こめかみ方向における該プリズムの幅における前記下限は、１５ｍｍであることと、
ｆ．瞳孔から鼻までの該プリズムの幅における前記上限は、４０ｍｍであることと、
ｇ．瞳孔から鼻までの該プリズムの幅における前記下限は、８ｍｍであることと
である、項目３に記載の導波路。
（項目５）
前記内側表面の形は、指定された眼鏡形状因子の外見とほぼ同じにすることによって制約され、該眼鏡形状因子は、２ベース、３ベース、４ベース、５ベース、６ベース、７ベース、８ベース、および９ベースを含むがこれらに制限されない複数の工業規格形状因子のうちの任意のものである、項目３に記載の導波路。
（項目６）
水平の寸法における前記内側表面区分の形は、５０ｍｍと１００ｍｍとの間の半径を有するカーブとほぼ同じにすることにより、８ベースの眼鏡形状因子の前記外見とほぼ同じである、項目３に記載の導波路。
（項目７）
水平の寸法における前記内側表面区分の形は、１００ｍｍと５００ｍｍとの間の半径を有するカーブとほぼ同じにすることにより、４ベースの眼鏡形状因子の前記外見とほぼ同じである、項目３に記載の導波路。
（項目８）
前記導波路の各物理的表面は、１つ以上の自由形状表面区分を含み、各表面区分はパラメータの特有の組によって説明される、項目１に記載の導波路。
（項目９）
前記複数の表面区分は、接合している区分との一次の連続を維持するように設計される中間区分によって接続される、項目８に記載の導波路。
（項目１０）
前記表面区分間の任意の交わる点は、前記シースルー視野２９０の前記上位の境界２９０ａの外側にあるように制約される、項目８に記載の導波路。
（項目１１）
前記交わる点の位置は、該交わる点の周りに最小１ｍｍの光線のないギャップがあるように制約され、前記第一の屈折表面において前記プリズムに入る光は、該ギャップに到達しない、項目８に記載の導波路。
（項目１２）
半透明コーティングが、全反射の条件を満足する表面に塗布され、誘電性半透明コーティングが、該表面が該条件を満足し続けるように塗布される、項目１に記載の導波路。
（項目１３）
ミラーコーティングが、前記導波路の前記外側表面の一部に塗布され、該一部は、前記シースルー視野２９０の前記上位の境界２９０ａの外側にある、項目１に記載の導波路。
（項目１４） 前記表面は、前記導波路に入る光線を、該導波路の内側の中間点において再集束させて、中間画像を生成するように設計され、該中間画像を生成することの結果は、延長された光路長を有する該導波路の増加した光パワーである、項目１に記載の導波路。
（項目１５）
前記導波路は、５つの反射表面を含み、該導波路に入る光は、屈折表面４３５を通って出る前に、該反射表面によって連続して５回（Ｒ１～Ｒ５）反射され、前記外側反射表面は、同じ表面パラメータを有する１つの滑らかな外側表面４２５の一部であり、前記内側表面は、同じ表面パラメータを有する別の１つの滑らかな内側表面４１５の一部であり、該内側表面は、８ベースの眼鏡形状因子に従って制約され、光線束４４０ａ、４４０ｂおよび４４０ｃは、前記プリズムの前記縁沿いにある屈折表面４３０を通って該プリズムに入り、該プリズムに入った後、該第一（Ｒ１）および第二（Ｒ２）の反射は、全反射の条件を満足し、該第三（Ｒ３）、第四（Ｒ４）および第五（Ｒ５）の反射は、全反射の条件を満足せず、代わりに半透明コーティングが塗布されている、項目１～２に記載の光学導波路。
（項目１６）
前記導波路の前記内側物理的表面は、異なったパラメータを有する２つの別個の自由形状表面に分割され、該導波路は、５つの反射表面を含み、該導波路に入る光は、屈折表面５３５を通って出る前に、反射表面によって５回（Ｒ１～Ｒ５）反射され、前記外側反射表面は、同じ表面パラメータを有する１つの滑らかな表面５２５の一部であり、前記内側は、２つの表面区分５１５ａおよび５１５ｂに分けられ、該表面区分の各々は、特有のパラメータの組を有する１つの滑らかな表面であり、前記第一の屈折表面５３０および該第一の内側表面区分５１５ａは、自由形状表面パラメータの同じ組によって説明され、該第二の内側表面区分５１５ｂは、８ベースの眼鏡形状因子に適合するように制約され、該第一および第二の内側表面区分は、中間区分５１５ｃによって接続され、光は、該第一の屈折表面５３０を通って前記プリズムに入って、該第二の屈折表面５３５を通って出、それから光は、前記ユーザーの眼球に投影され、該光の経路に沿った該第一および最後の反射は、全反射基準を満足せず、これらの表面は、半透明コーティングを塗布され、該第二、第三および第四の反射は、全反射基準を満足し、該第三の反射は、誘電性コーティングを塗布されている、項目１～２に記載の光学導波路。
（項目１７）
前記中間表面区分５１５ｃは、前記第一または第二の内側表面区分５１５ｂ、５１５ｃとの一次の連続を維持するように設計される、項目１６に記載の導波路。
（項目１８）
前記第一の反射（Ｒ１）を促進するために、ミラーコーティングが、前記シースルー視野の前記上位の境界５９０ａの外側の前記外側物理的表面５２５に塗布される、項目１６に記載の導波路。
（項目１９）
前記導波路は、平らな設計のために成形され、該導波路は、５つの反射表面を含み、光は、前記第一の屈折表面６３０に入り、該光線は、該反射表面によって５回反射され、前記外側反射表面は、同じ表面パラメータを有する１つの滑らかな外側表面６２５の一部であり、前記内側表面６１５は、同じ表面パラメータを有する別の１つの滑らかな表面であるが、該屈折表面６３０とは別個であり、該光線は、屈折させられて該導波路から外へ向かい、前記射出瞳６５０まで、該光線は、カラー画像を含み、該第一および最後の反射は、全反射基準を満足せず、半透明コーティングを塗布され、該第二、第三および第四の表面は、全反射率基準を満足し、該第三の反射は、誘電性コーティングを塗布され、ミラーコーティングが、前記シースルー視野６９０の前記上限６９０ａを越えた該導波路の前記外側表面６２５ａに塗布されている、項目１～２に記載の導波路。
（項目２０）
前記導波路自身が、光学収差を補正するのに十分である場合、該導波路の光学特性は、連結レンズが必要ないように設計される、項目１～２に記載の導波路。
（項目２１）
前記外側表面は、２つの区分７２５ａ、７２５ｂに分けられ、該２つの区分は、第三の区分７２５ｃによって接続され、前記内側表面７１５は、４ベースの眼鏡形状因子を満たすように制約され、該外側表面の該分割は、該眼鏡形状因子の制約の範囲内で光学的要件を満たすことを容易にする、項目１～２に記載の導波路。
（項目２２）
前記中間の外側表面区分７２５ｃは、前記第一または第二の外側表面区分７２５ａおよび７２５ｂとの一次の連続を維持するように設計される、項目２１に記載の導波路。
（項目２３）
前記導波路は、５つの反射表面を含み、前記内側物理的表面と前記外側物理的表面との両方は、異なった区分に分割され、該第一の内側表面８１５ａは、前記第一の屈折表面と前記第二の反射表面とを含み、該第二の内側表面区分８１５ｂは、前記第四の反射表面と前記第二の屈折表面８３５とを含み、該第一の外側表面区分８２５ａは、前記第一の反射表面を含み、該第二の外側表面区分８２５ｂは、前記第三および第五の反射表面を含み、第三の内側表面区分８１５ｃは、該第一および第二の内側表面区分を接続し、第三の外側表面区分８２５ｃは、該第一および第二の外側表面区分を接続し、かつ該第一および第二の外側表面区分との一次の連続を維持するように設計され、該内側表面区分８１５ｂは、８ベースの眼鏡形状因子とほぼ同じであるように制約され、光は、該導波路の該第一の屈折表面８３０に入って、該第二の屈折表面８３５において該導波路から出る前に、５回（Ｒ１～Ｒ５）反射される、項目１～２に記載の導波路。
（項目２４）
前記導波路９１５の前記内側物理的表面は、８ベースの形状因子の代わりに４ベースの形状因子とほぼ同じであるように制約される、項目２３に記載の導波路。
（項目２５）
前記導波路は、３つの反射表面を含み、光は、該導波路の前記第一の屈折表面１０３０に入り、該光線は、該反射表面によって３回反射され、前記外側反射表面は、同じ表面パラメータを有する１つの滑らかな表面１０２５の一部であり、該第一の屈折表面１０３０は、該導波路の前記内側表面１０１５の一部ではなく、該光は、前記射出瞳１０５０に到達する前に、前記屈折表面１０３５から外に投影され、該第一および第二の反射（Ｒ１～Ｒ２）は、全反射の条件を満足し、該第三の反射表面Ｒ３は、全反射の条件を満足せず、半透明コーティングを該外側表面１０２５に塗布され、誘電性コーティングが、該外側表面に塗布され、該内側表面は、８ベースの形状因子に適合するように制約され、該表面は、広いシースルー視野を提供するように一緒に設計される、項目１～２に記載の導波路。
（項目２６）
全反射率を満足しない表面と同じ物理的表面の一部である、全反射率基準を満足する表面は、半透明コーティングも塗布され、全反射率基準を満足する該表面は、全反射率基準を満たし続けるために、誘電性半透明コーティングを塗布される、項目１に記載の導波路。
（項目２７）
画像ディスプレイユニット１０５の同じ画素からの複数の光線は、前記導波路１００の内側で少なくとも一度交差し、中間画像を前記中間点において生成する、項目１に記載の導波路。
（項目２８）
補償レンズ１６０であって、該補償レンズ１６０は、外部世界を眺めるために導波路と連結して使用され、該世界を導波路プリズムを通して眺めることによって引き起こされる光学的なひずみを補正し、該補償レンズは、
ｉ．外部シーンに向いて配置された、該外部シーンからの光１９８が該補償レンズに入ることを可能にする屈折外側表面１７０と、
ｉｉ．該導波路プリズム１００の前記外側表面に向いて配置された、光が該補償レンズから出て該導波路プリズム内に入ることを可能にする屈折内側表面１６５と
を含み、該補償レンズの該屈折内側表面１６５および該屈折外側表面は、該世界を両方のレンズを通して観察する場合に、該ユーザーが澄んだシースルーの眺めを維持するように、該導波路によって引き起こされる光線シフトおよびひずみの影響を補償するように設計され、該屈折内側表面１６５は、典型的に、該導波路プリズム１００の該外側表面１２５の形とほぼ同じであるように制約され、
該現実世界のシーンからの光１９８は、該導波路１００に到達する前に、補償レンズ１６０の該屈折外側表面１７０および該屈折内側表面１６５を通って屈折させられる、補償レンズ。
（項目２９）
画像ディスプレイシステムであって、該システムは、表示された仮想画像を導波路プリズムを通してユーザーの瞳孔内に投影し、該ユーザーが、現実世界のシーンにかぶせられた表示された内容を見ることを可能にし、該システムは、こめかみ方向に９０°、鼻方向に６０°までと、前方にまっすぐな眺めの上および下に６０°までとの広いシースルー視野を有し、該システムは、眼鏡形状因子の形に適合し、該システムは、
ａ．ユーザーの頭のこめかみ側の近くに配置された、光を導波路内に投影する画像ディスプレイユニット１０５であって、該画像ディスプレイユニットは、平均のヒトの頭の形によって定義された曲がった基準表面の外側にあるように制約される、画像ディスプレイユニット１０５と、
ｂ．該画像ディスプレイユニットと導波路との間に配置された、１つ以上のレンズから成る自由選択連結レンズ群１１０であって、該１つ以上のレンズは、該画像ディスプレイユニット１０５からの光を該導波路１００内に導き、かつ光学収差を補償する、自由選択連結レンズ群１１０と、
ｃ．透明な光学導波路プリズム１００であって、該透明な光学導波路プリズムは、該画像ディスプレイユニットからの該光を受け入れて、該画像が該ユーザーの該視野内に投影されるまで該光を伝搬し、該導波路は、物理的内側表面１１５、物理的縁表面１２０、および物理的外側表面１２５と、第一の屈折表面１３０と、第二の屈折表面１３５と、複数の反射表面とを有し、該導波路は、眼鏡形状因子に適合する形を有し、かつこめかみ方向に９０°、鼻方向に６０°までと、前方にまっすぐな眺めの上および下に６０°までとの広いシースルー視野を有する、透明な光学導波路プリズム１００と、
ｄ．該導波路１００の該物理的外側表面１２５に固定された補償レンズ１６０であって、該補償レンズは、該導波路プリズムを通して該世界を眺めることによって引き起こされる光学的なひずみを補正し、該補償レンズの該内側表面１６５は、該導波路の該外側表面１２５の形とほぼ同じであり、小さなエアギャップ１９５が、該導波路の該外側表面１２５のために全反射基準が満足される表面において、該補償レンズと該導波路との間に維持される、補償レンズ１６０と
を含み、該画像ディスプレイユニット１０５は、光１４０を該自由選択連結レンズ１１０、引き続いて該導波路１００内に伝導するか、または直接該導波路に第一の屈折表面１３０を通して伝導し、
光１４０は、該第一の屈折表面１３０から該第二の屈折表面１３５まで、複数の反射を含む該導波路に沿った経路１４５をたどり、
光１４０は、該第二の屈折表面１３５を通過し、該第二の屈折表面１３５を越えた場所に、該ユーザーは、該画像を眺めるために自身の瞳孔１５０を置き、
該現実世界のシーンからの光１９８は、該瞳孔１５０に到達する前に、該補償レンズ１６０および該導波路１００を通過し、該現実世界のシーンの該シースルー視野は、こめかみ方向に９０°、鼻方向に６０°、前方にまっすぐな眺めの上および下に６０°に及ぶ、
システム。
（項目３０）
前記導波路１００および補償レンズ１６０の表面は、項目２に記載された該導波路に対する前記制約に加えて、該導波路１００および補償レンズ１６０の全体の厚さが、最大厚さ以下であり、前記エアギャップ１９５のサイズが、最大厚さ以下であるという該制約のもと、最小のひずみを有する最大のシースルー視野のために一緒に最適化される、項目２９に記載の装置。
（項目３１）
前記結合した導波路および補償レンズの前記最大厚さ制約は、４０ｍｍであり、前記エアギャップの前記最大厚さは、６ｍｍである、項目２９に記載の装置。
（項目３２）
、前記導波路の前記外側物理的表面１２５と前記補償レンズの前記内側表面１６５との間で全反射基準が反射を生成するために使用されない該導波路の外側表面１２５の部分において、指数整合接着剤が、使用され、該補償レンズ１６０を該導波路１００に接着し、そうでなければエアギャップ１９５は、維持される、項目２９～３１に記載の装置。
（項目３３）
前記画像ディスプレイユニット４０５は、前記導波路の第一の屈折表面４３０に対向して配置され、該第一の屈折表面４３０は、該導波路の縁表面にあり、該画像ディスプレイユニットと該導波路プリズム４００との間に連結レンズ４１０があり、該連結レンズ４１０は、光学収差を補正しかつ前記画像品質を向上させ、該画像ディスプレイユニット４０５は、光線束４４０ａ、４４０ｂ、４４０ｃを放射し、該光線束は、第一の屈折表面４３０を通って該導波路に入って、前記反射表面によって５回反射されて、第二の屈折表面４３５を通って出て、前記ユーザーの瞳孔４５０に到達する、項目２９に記載の装置。
（項目３４）
前記画像ディスプレイユニット５０５は、前記導波路の前記内側表面に対向して配置され、該画像ディスプレイユニットは、３つの光線束５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃを放射し、該光線束は、該導波路の前記第一の屈折表面５３０に入り、該光線は、該光線が仮想画像を構成する前記射出瞳５５０に到達する前に、前記反射表面によって５回（Ｒ１～Ｒ５）反射され、該画像ディスプレイユニットと該導波路プリズムとの間に連結レンズ５１０があり、該連結レンズ５１０は、光学収差を補正しかつ該画像品質を向上させる、項目２９に記載の装置。
（項目３５）
前記画像ディスプレイユニット６０５と前記導波路プリズム６００との間に連結レンズ６１０があり、該連結レンズ６１０は、光学収差を補正しかつ前記画像品質を向上させる、項目２９に記載の装置。
（項目３６）
前記画像ディスプレイユニット１０５は、反射タイプの照明された画素アレイ（たとえば、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイ技術、シリコン上強誘電性液晶（ＦＬＣｏＳ）、または他の同様のマイクロディスプレイ）に基づき、該画像ディスプレイユニット８０５は、
ａ．反射タイプの照明された画素アレイマイクロディスプレイパネル８０５ａと、
ｂ．フィールドレンズ８０５ｂと、
ｃ．偏光ビームスプリッター８０５ｃと
を含み、該フィールドレンズ８０５ｂは、該ディスプレイ表面において光のテレセントリシティを強化し、
該ビームスプリッター８０５ｃは、ビームコンバイナーとして働くことにより、照明光経路を結合する、項目２９に記載の装置。

図１は、本発明の典型的な実施形態の概念例証である。 図２ａは、ＹＺ平面内の断面図において本発明の設計のための重要な構造上の制約の組を図示する。 図２ｂは、ＸＺ平面内の断面図において本発明の設計のための追加の構造上の制約を図示する。 図３は、３Ｄ図において基準表面２３０を図示する。 図４は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの５－反射の好ましい実施形態を示す。 図５は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。 図６は、こめかみ側に平らな内側カーブを有する本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。 図７は、図６における前の実施形態と同様の形状を有する本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。 図８は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示し、この実施形態は、反射タイプのマイクロディスプレイに基づく。 図９は、図８における前の実施形態と同様であるが、内側表面が４ベースカーブとほぼ同じである本発明の別の好ましい実施形態を示す。 図１０は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの３－反射の好ましい実施形態を示す。 図１１は、図８に示された実施形態５についての記号および要素の定義を示す。 図１２は、実施形態５についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１２は、実施形態５についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１２は、実施形態５についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１３は、図９に示された実施形態６についての記号および要素の定義を示す。 図１４は、実施形態６についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１４は、実施形態６についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１４は、実施形態６についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１５は、実施形態６についてのシースルー経路の光線追跡例を示す。 図１６は、本発明の実施形態６に従う、４ベースカーブの外見を有する例証のＯＳＴ－ＨＭＤ設計を示す。 図１７は、図１０に示された実施形態７についての記号および要素の定義を示す。 図１８は、実施形態７についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１８は、実施形態７についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１８は、実施形態７についての、赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットを示す。 図１９は、図１０に示された実施形態７についての補償レンズの記号および要素の定義を示す。 図２０は、図１０に示された実施形態７についてのシースルー経路の光線追跡例を示す。 図２１は、図１０に示された実施形態７についての、シースルー経路のために選択されたフィールドの多色のＭＴＦプロットを示す。 図２１は、図１０に示された実施形態７についての、シースルー経路のために選択されたフィールドの多色のＭＴＦプロットを示す。 図２１は、図１０に示された実施形態７についての、シースルー経路のために選択されたフィールドの多色のＭＴＦプロットを示す。 図２２は、本発明の実施形態７の形を整えられていない３Ｄモデルを示す。 図２３は、本発明の実施形態７に従う、８ベースカーブのラップアラウンド型の外見を有する例証のＯＳＴ－ＨＭＤ設計を示す。 図２４は、自由形状表面の形を定義する数学的方程式を示す。 図２５は、図８および図１１に示された導波路の実施形態５についての表面のパラメータを示す。 図２６は、図８および図１１に示された実施形態５の連結レンズおよびフィールドレンズについての表面パラメータを示す。 図２７は、図８および図１１に示された実施形態５における光学表面の位置および配向パラメータを示す。 図２８は、図９および図１３に示された実施形態６の導波路プリズムについての表面パラメータを示す。 図２９は、図９および図１３に示された実施形態６の連結レンズおよびフィールドレンズについての表面パラメータを示す。 図３０は、図９および図１３に示された実施形態６における光学表面の位置および配向パラメータを示す。 図３１は、図１０示された実施形態７の導波路プリズムについての表面パラメータを示す。 図３２は、図１０および図１７に示された実施形態７の連結レンズおよびフィールドレンズについての表面パラメータを示す。 図３３は、図１０および図１７に示された実施形態７における光学表面の位置および配向パラメータを示す。 図３４は、図１０および図１９に示された実施形態７の補償レンズについての表面パラメータを示す。 図３５は、図１０および図１９に示された実施形態７の補償レンズの位置および配向パラメータを示す。

本発明に従う実施形態は、添付の図面に関連して完全に説明される。説明は、本発明の理解を提供するために述べられる。しかし、本発明は、これらの詳細なしに実施され得るということが明白である。さらに、本発明は、種々の形状において実装され得る。しかし、以下に説明される本発明の実施形態は、本明細書中に述べられる実施形態に制限されるように構成されない。むしろ、これらの実施形態、図面および例は、例証となるものであり、かつ本発明を不明瞭にすることを避けることが意図されている。

本発明は、眼鏡形状の外見および広いシースルー視野（ＦＯＶ）を有する光学シースルーＨＭＤにおける光学ビューイングデバイスとしての使用のための人間工学的に設計された自由形状光学システムに関連する。図１に示される本発明の典型的な実施形態は、表示された仮想画像を自由形状導波路プリズムを通してユーザーの目の瞳孔内に投影する画像ディスプレイシステムであり、そのシステムは、ユーザーが、現実世界のシーンにかぶせられた表示された内容を見ることを可能にし、そのシステムは、
ａ．画像源として役立ち、かつ光を導波路内に投影する小型の画像ディスプレイユニット１０５と、
ｂ．ディスプレイユニットからの光を自由形状導波路プリズム１００内に導き、かつ光学収差を補正する１つ以上のレンズから成り立つ自由選択連結レンズ群１１０と、
ｃ．説明されるような透明な自由形状光学導波路プリズム１００であって、その透明な自由形状光学導波路プリズム１００は、ディスプレイユニット１０５からの光を受け入れて、画像がユーザーの目の瞳孔内に投影されるまでその光を伝搬し、導波路は、現実世界のシーンからの光が通過してユーザーの目の瞳孔に入ることを可能にし、導波路は、物理的内側表面１１５、物理的縁表面１２０および物理的外側表面１２５、第一の屈折表面１３０および第二の屈折表面１３５、ならびに複数の反射表面を有する、透明な自由形状光学導波路プリズム１００と、
ｄ．導波路の物理的外側表面１２５に固定された自由形状補償レンズ１６０であって、その自由形状補償レンズ１６０は、導波路プリズムを通して世界を眺めることによって引き起こされる光学的なひずみを補正し、補償レンズ１６０の内側物理的表面１６５は、導波路プリズム１００の外側物理的表面１２５の形とほぼ同じであり、小さなギャップ１９５は、ＴＩＲ基準が、導波路の外側物理的表面１２５について満足される表面において、導波路１００と補償レンズ１６０との間に維持され、補償レンズ１６０は、ユーザーが澄んだシースルー視野１９０を維持するために、導波路１００によって引き起こされる光線シフトおよびひずみの影響を補償するように設計される、自由形状補償レンズ１６０と
を含み、画像ディスプレイユニット１０５は、画像源として役立ち得る任意のタイプの自己放射または照明された画素アレイであり得、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、シリコン上強誘電性液晶（ＬＣｏＳデバイス、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはこれら前記または他のタイプのマイクロディスプレイデバイスを基礎としたマイクロプロジェクターを含むが、これらに制限されず、
画像ディスプレイユニット１０５は、光１４０を自由選択連結レンズ１１０、引き続いて導波路１００内に伝導するか、または直接導波路に第一の屈折表面１３０を通して伝導し、
光１４０は、第一の屈折表面１３０から第二の屈折表面１３５まで、複数の反射を含む導波路に沿った経路１４５をたどり、
導波路に沿った経路１４５をたどる光１４０の光線は、交差しかつ導波路１００の内側に中間画像１５５を形成し得、
光１４０は、第二の屈折表面１３５を通過し、その第二の屈折表面１３５を越えた場所に、ユーザーは、画像を眺めるために自身の瞳孔１５０を置き、
現実世界のシーンからの光１９８は、瞳孔１５０に到達する前に、補償レンズ１６０および導波路１００を通過する。

本発明の一局面は、人間工学的に成形された自由形状導波路プリズムであり、その自由形状導波路プリズムは、画像がプリズムの１つの屈折入力表面に投影されることを可能にし、それから、その画像は、ユーザーの目に到達するまで、反射されかつ屈折させられる。導波路プリズムの形、光路長、および厚さは、意図的に最適化され、ヒトの頭との人間工学的適合および魅力的な眼鏡のような外見を提供する光学シースルーＨＭＤのラップアラウンド型の設計を可能にする。

典型的な実施形態において、本発明の自由形状導波路プリズムは、少なくとも３つの物理的表面を含み、その物理的表面の各々は、物理的表面上に配置された複数の反射および屈折光学表面を含み、物理的表面の内部空間は、１より大きい指数（ｎ）を有する屈折媒質によって充填され、物理的および光学表面は、
ａ．ユーザーの眼球に向いて配置された物理的内側表面１１５であって、画像をユーザーの眼球に伝搬するのに適切な複数の反射および屈折表面を含む物理的内側表面は、ヒトの頭の人間工学的因子に適合するように制約される、物理的内側表面１１５と、
ｂ．外部シーンに向いて配置された物理的外側表面１２５であって、物理的外側表面は、画像をユーザーの眼球に反射するのに適切な複数の反射表面を含み、物理的外側表面は、すべての点において、内側表面から概して３０ｍｍ以内であり、物理的外側表面は、外部シーンからの光が、導波路を通過してユーザーの眼球に到達することを可能にする少なくとも１つの屈折表面を含む、物理的外側表面１２５と、
ｃ．画像ディスプレイユニットからの光が導波路に入る屈折表面を潜在的に含み得る物理的縁表面１２０と、
ｄ．物理的表面のうちの１つに配置された、画像ディスプレイユニットからの光が導波路に入ることを可能にする屈折入力表面１３０と、
ｅ．ユーザーの瞳孔の近くで物理的内側表面に配置された、光が導波路から出ることを可能にする屈折出力表面１３５であって、屈折表面は、半透明コーティングによって覆われても、覆われなくてもよい、屈折出力表面１３５と、
ｆ．物理的内側および外側表面に配置された複数の反射表面であって、各反射は、ＴＩＲ条件を満足すること、または半透明な部分的に反射するコーティングを導波路の表面に塗布することのどちらかによって生成される、複数の反射表面と
を含み、画像ディスプレイユニット１０５からの光１４０は、第一の屈折表面１３０を通って導波路に入り、
光１４０は、第一の屈折表面１３０から第二の屈折表面１３５まで、複数の反射表面上の複数の反射を含む導波路に沿った経路１４５をたどり、各反射は、全反射の条件を満足すること、または半透明コーティングを表面に塗布することのどちらかによって生成され、
光１４０は、第二の屈折表面１３５を通過し、その第二の屈折表面１３５越えた場所に、ユーザーは、画像を眺めるために自身の瞳孔１５０を置き、
現実世界のシーンからの光１９８は、補償レンズ１６０によって屈折させられた後、瞳孔１５０に到達する前に、導波路１００の物理的外側表面１２５および導波路の物理的内側表面１１５を通って屈折させられる。

典型的な実施形態において、導波路の内側表面１１５および外側表面１２５は、画像をゆがめることなしにユーザーの瞳孔へ光を導く複数の反射を生成すように適切に設計される。複数の反射は、導波路プリズムの幅が平均のヒトの頭の幅とぴったりと適合するように、光路長を延長する。長い光路長は、導波路プリズムの設計を人間工学的形にすることを可能にする。プリズムの長い光路は、画像ディスプレイユニット１０５をディスプレイフレームの側面に移動させることをさらに可能にし、それは、ＨＭＤシステムの前方重量を減らし、かつシステムの人間工学的適合を向上させる。

典型的な実施形態において、内側表面１１５は、所望の眼鏡形状因子のために、事前設計された曲がった表面とほぼ同じであるように制約される。外側表面１２５は、内側表面と外側表面との間の概してわずか３０ｍｍの薄さを有する薄いプロファイルを達成するようにさらに制約される。技術の一実施において、発明者らは、内側表面と外側表面との間の全体の薄さをわずか１２ｍｍであるように制約した。したがって、導波路の内側表面および外側表面のパラメータは、投影される画像が、導波路の出口点において最小のひずみを有するように最適化される。

典型的な実施形態において、導波路１００の内側表面１１５は、複数の表面区分を含み得る。各表面区分は、パラメータの１つの特有の組によって説明される。

典型的な実施形態において、導波路１００の外側表面１２５は、複数の表面区分を含み得る。各表面区分は、パラメータの１つの特有の組によって説明される。

いくつかの実施形態において、連結レンズ１１０は、小型の画像ディスプレイユニット１０５と、導波路１００の第一の屈折表面１３０との間に追加され、ディスプレイユニット１０５からの光を導波路内に伝導することを容易にし得る。連結レンズは、導波路の光学収差を補正するために使用され得る。

本発明の１つの他の局面は、導波路プリズム１００に物理的に取り付けられた自由形状シースルー補償レンズ１６０である。補償レンズ１６０は、導波路プリズム１００によって引き起こされる光線シフトおよびひずみを打ち消すように設計され、かつ広い視野にわたった現実世界のシーンの澄んだシースルーの眺めを可能にする。

典型的な実施形態において、本発明の自由形状補償レンズ１６０は、複数（概して２以上）の自由形状屈折表面を含み、屈折表面の内部空間は、１より大きい指数（ｎ）を有する屈折媒質によって充填され、光学表面は、
ａ．外部シーンに向いて配置された、外部シーンからの光１９８が補償レンズに入ることを可能にする屈折外側表面１７０であって、屈折外側表面は、概して連続的な１つの屈折表面であり、かつすべての点において、導波路プリズム１００の物理的内側表面１１５から概して３０ｍｍ以内である、屈折外側表面１７０と、
ｂ．導波路プリズム１００の外側表面１２５に向いて配置された、光が補償レンズを出て導波路プリズム１００内に入ることを可能にする屈折内側表面１６５であって、複数の屈折表面を含む屈折内側表面１６５は、概して、導波路プリズム１００の外側表面１２５の形とほぼ同じであるかまたは合うように制約される、屈折内側表面１６５と
を含み、現実世界のシーンからの光１９８は、瞳孔１５０に到達する前に、補償レンズ１６０の屈折外側表面１７０および屈折内側表面１６５、導波路１００の物理的外側表面１２５および物理的内側表面１１５を通って屈折させられる。

典型的な実施形態において、補償レンズ１６０および導波路プリズム１００は、非常に広い視野１９０にわたった周囲の環境の適切な眺めを可能にするように、意図的に共に最適化される。補償レンズ１６０の内側表面１６５および外側表面１７０は、補償レンズ１６０が導波路プリズム１００と結合される場合に現実世界のシーンからの光線に導入されるシフトおよびひずみを最小にするように最適化される。補償レンズ１６０の内側表面１６５は、ｚ軸に沿った小さなオフセットを有する、導波路プリズム１００の外側表面１２５の正確な複製物であり得る。導波路プリズム１００の取り付けられた外側表面１２５上の反射が、仮想画像ディスプレイ経路においてＴＩＲ条件を満足する場合、導波路プリズム１００と補償レンズ１６０との間の小さなエアギャップ１９５を維持することが必要である。導波路プリズム１００の外側表面１２５にＴＩＲ要件がない場合、指数整合接着剤が、補償レンズ１６０を導波路プリズム１００と接着するために、エアギャップ１９５内を充填し得る。補償レンズ１６０の内側表面１６５はまた、より良いシースルー性能のために、補償レンズ１６０の外側表面１７０と一緒に再設計され得る。この場合について、導波路プリズム１００と補償１６０との間のギャップ１９５は、表面に沿った任意の点において、６ｍｍより小さいように制約され得る。外側表面１７０は、導波路プリズム１００および補償レンズ１６０の全体の厚さを概してわずか３０ｍｍであるように制限するようにさらに制約される。技術の一実施において、発明者らは、プリズムおよびレンズの全体の厚さをわずか１５ｍｍであるように制約した。補償レンズ１６０の内側表面１６５と外側表面１７０との両方は、指定されたシースルーＦＯＶ１９０のために十分に大きくあるべきである。補償レンズの形および厚さは、意図的に最適化され、ヒトの頭との人間工学的適合および魅力的な眼鏡のような外見を提供する光学シースルーＨＭＤのラップアラウンド型の設計を可能にする。

典型的な実施形態において、補償レンズ１６０および導波路プリズム１００上の内側および外側表面は、十分に大きいことにより、ヒトの視野（たとえば、視野の中心に対して、水平方向においてこめかみ側に９０°および鼻側に６０°まで、ならびに垂直方向において高くかつ低く６０°まで）と同じくらい大きい広いシースルー視野１９０を可能にする。導波路プリズム１００および補償レンズ１６０上の自由形状表面は、光線シフトおよびひずみを補正するように最適化されることにより、大きなＦＯＶにわたった高いシースルー性能を保証する。

すべての前述の表面は、自由形状表面であり、球面、非球面、アナモルフィック非球面、ＸＹＰ多項式、または他の任意のタイプの数学的規定を含むが、それらに制限されず、他の任意のタイプの数学的規定は、図１に示されるようなグローバル座標のＹＺ平面において非対称であり、座標系の原点は、射出瞳１５０の中心に定められ、Ｚ軸１７５は外部シーンを指し示し、Ｙ軸１８０はこめかみ側を指し示し、Ｘ軸１８５は頭に沿って垂直に指し示している。本開示を通じて、特別な告知がなければ、同じ座標系は、すべての図面および説明について使用される。

本発明の主要な目標は、眼鏡形状の外見および広いシースルー視野（ＦＯＶ）を達成している光学シースルーＨＭＤにおける光学ビューイングデバイスとしての使用のための自由形状光学システムを設計することである。このように、導波路プリズムを設計することは、適切な光学誤差関数（たとえば、波面誤差またはシステム変調伝達関数（ＭＴＦ））を最小にするように各個々の表面のパラメータを最適化することを要求する。図１に提示された導波路プリズムは、従来の回転対称の光学表面のものよりも多くの設計の自由さを提供する複数の自由形状表面を含む。したがって、自由形状設計アプローチは、従来の回転対称の光学表面を使用する同様の明細書の光学ビューイングデバイスと比べてより少ない表面を使用しながら、よりよい光学性能および人間工学的適合を有する光学ビューイングデバイスを設計する能力を提供する。しかし、導波路プリズムの確かな設計をするために、適切な制約は、表面のすべてに適用されなければならず、それにより、所望の形状因子を維持することおよび大きなシースルーＦＯＶを提供することの発明者らの主要な目標を達成する。

図２および３は、発明者らが、発明者らの設計工程中に用いた構造上の制約を図示する。これらの制御方法は、構造上の特性を発明者らの設計に与える。

図２は、導波路プリズム設計のための重要な構造上の制約の組を図示する。図２ａは、ＹＺ平面における断面図を、図２ｂはＸＺ平面における断面図を図示する。図において、導波路２００の射出瞳２５０は、ヒトの目の瞳孔に位置を調整される。破線２３０は、導波路２００の内側表面２１５の形、および小型の画像ディスプレイユニット２０５の位置を制約するために使用される基準表面である。基準表面２３０は、顔の鼻側から耳側までのヒトの頭の普通の曲率とほぼ同じである、（図３において示されるような）３Ｄ空間における円筒形表面である。水平なＹＺ平面における基準平面２３０の半径は、対象のユーザー集団の頭のサイズに応じて、４０ｍｍから１００ｍｍほどまで変化し得る。垂直なＸＺ平面における基準平面２３０の半径は、プリズムの内側表面がユーザーの顔と抵触しない限り、まっすぐであるか、または曲げられ得る。技術の一実施において、発明者らは、水平方向において６５ｍｍの半径を選び、この半径は、８ベースカーブ眼鏡の半径と同様である。基準カーブの中心２３２は、基準寸法Ｙ_ｒｅｆ１２３４、Ｚ_ｒｅｆ１２３６、およびＹ_ＨＩＰＤ２３８によって定義され、寸法Ｙ_ＨＩＰＤ２３８は、ユーザーの瞳孔間距離（ＩＰＤ）の半分であり、ＩＰＤは、集団の９５％以上について４０ｍｍから８０ｍｍまでの典型的な範囲を有する。基準寸法２３４、２３６、および２３８は、特定の設計目標に従って選ばれる。技術の一実施において、８ベースカーブおよび６４ｍｍのＩＰＤの例のために、寸法２３４は１０ｍｍであるように、寸法２３６は５０ｍｍであるように、寸法２３８は３２ｍｍであるように選ばれる。寸法Ｚ_ｒｅｆ２２４２によって定義される破線２４０は、内側表面２１５の形を制約するための別の基準表面である。所望の形の平らな表面または曲がった表面であり得る基準表面２４０は、補償レンズ２６０がユーザーの顔から離れて突き出すぎないことを保証し、補償レンズ２６０がユーザーの顔から離れて突き出ることは、非常に貧相な外見を有する光学設計をもたらし得る。破線２９０ａおよび２９０ｂは、水平方向における、こめかみから鼻までの指定されたシースルーＦＯＶ２９０の境界を表す一方、破線２９０ｃおよび２９０ｄは、垂直方向における指定されたシースルーＦＯＶ２９０の境界を表す。

発明者らの人間工学的設計目標および所望のシースルーＦＯＶを満たすために、下記の制約が、導波路２００の内側表面２１５に適用される。

ａ．全体の内側表面２１５は、プリズムがユーザーの頭と抵触しないことを保証するために、基準表面２３０の外側にあるように制約される。

ｂ．内側表面２１５は、基準表面２３０から離れて逸れ得るが、内側表面２１５は、基準表面２４０を通過しないように制約される。

ｃ．内側表面２１５を１つの表面描写から複数の表面区分に分けることが必要である場合、表面区分の各々は、設計の自由さを増やすために、独自の数学的な式を有し、分割点が、シースルーＦＯＶ２９０の上位の境界２９０ａの外側になければならないか、または分割区分が、一次の連続を維持する程度に、中間の区分によって接合されなければならない。言い換えれば、シースルーＦＯＶ２９０の内側の内側表面２１５の表面区分２１５ａは、連続的な滑らかな光学表面でなければならない。表面区分２１５ａの局所的な曲率半径は、許容可能なレベルにおけるシースルーひずみを維持するために、２０ｍｍほど大きくあるべきである。

ｄ．表面区分２１５ａは、設計された曲率とほぼ同じであるように制約される。補償レンズ２６０の外側表面２７０が、内側表面区分２１５ａと同様の形を有するので、内側表面区分２１５ａの形は、導波路プリズムの外見を決定する。技術の一実施において、表面区分２１５ａは、基準表面２３０の外側１０ｍｍに置かれたベース８カーブに従うように設計されることにより、８ベースのラップアラウンド型の設計を達成する。

導波路プリズム２００の外側表面２２５は、内側表面２１５よりもはるかに多い自由さを有する。外側表面は、必要とされる場合、複数の表面区分に分けられ得る。分割点は、シースルーＦＯＶ２９０の内側または外側にあり得る。分割点がシースルーＦＯＶ２９０の内側にある場合、２つの区分間の滑らかな遷移を保証するために、２つの隣接した表面区分の交わる線の周りに少なくとも１ｍｍの光線のないギャップがあることが要求される。外側表面２２５は、指定されたシースルーＦＯＶ２９０ために、Ｘ方向とＹ方向との両方に沿って十分に広くなければならない。外側表面２２５と内側表面２１５との間の最大距離は、導波路プリズムが厚すぎないことを保証するために、概して３０ｍｍより小さく制約される。技術のいくつかの実施において、発明者らは、最大距離を１５ｍｍより小さいように制約した。低い光の損失が所望されるが、外側表面２２５上の反射についてＴＩＲ条件は、要求されない。ＴＩＲ条件が満足されない場合、ハーフミラーコーティングが、シースルーＦＯＶ２９０の内側の表面区分に要求される。ＴＩＲ条件が満足されない場合、高反射ミラーコーティングが、シースルーＦＯＶ２９０の外側の表面区分に推奨される。

導波路プリズムの内側および外側表面に適用される制約に加えて、Ｙ方向において目の瞳孔２５０からこめかみ側まで測定される導波路プリズム２００の幅２４４は、導波路プリズムが、所望のシースルーＦＯＶ２９０をこめかみ側に提供するのに十分に広いように、下限を用いて制約される。人間工学的適合および魅力的な外見の目的のために、結果として生じる導波路プリズムが、ヒトの頭のこめかみ側に突き出すぎないことを保証するために、幅２４４は、上限を用いてさらに制約される。技術の一実施において、幅２４４は、Ｙ方向において射出瞳２５０から５０ｍｍの上限を用いて設定される。

Ｙ方向において目の瞳孔２５０から鼻側まで測定される導波路プリズムの幅２４６は、導波路プリズム２００が、所望のシースルーＦＯＶ２９０を鼻側に提供するのに十分に広いように、下限を用いて制約される。結果として生じる導波路プリズムが、ヒトの頭の鼻梁と抵触しないことを保証するために、幅２４６は、上限を用いてさらに制約される。技術の一実施において、幅２４６は、Ｙ方向において瞳孔２５０から３０ｍｍの上限を用いて設定される。

Ｘ方向において目の瞳孔２５０から額まで測定される高さ２５２および目の瞳孔２５０から頬まで測定される高さ２５４は、導波路プリズム２００が、所望のシースルーＦＯＶ２９０を垂直の寸法において上および下に提供するのに十分に高いように、下限を用いて制約される。

２つの位置制約が、小型の画像ディスプレイユニット２０５に適用される。（１）ディスプレイユニットの任意の部分は、基準表面２３０の外側にあるべきである。（２）ディスプレイユニットは、Ｙ方向において射出瞳２５０から離れすぎるべきではない。

補償レンズ２６０は、導波路プリズム２００によって引き起こされる光線シフトおよびひずみを打ち消すように設計され、かつ導波路プリズム２００に物理的に取り付けられる。補償レンズ２６０の内側表面２６５および外側表面２７０は、補償レンズ２６０が導波路プリズム２００と結合される場合に現実世界のシーンからの光線に導入されるシフトおよびひずみを最小にするように最適化される。補償レンズ２６０の内側表面２６５は、ｚ軸に沿った小さなオフセットを有する、導波路プリズム２００の外側表面２２５の正確な複製物であり得る。導波路プリズム２００の取り付けられた外側表面２２５上の反射が、仮想画像ディスプレイ経路においてＴＩＲ条件を満足する場合、導波路プリズム２００と補償レンズ２６０との間の小さなエアギャップ２９５を維持することが必要である。導波路プリズム２００の外側表面２２５にＴＩＲ要件がない場合、指数整合接着剤が、補償レンズを導波路プリズムと接着するために、エアギャップ２９５内を充填し得る。補償レンズ２６０の内側表面２６５はまた、より良いシースルー性能のために、補償レンズ２６０の外側表面２７０と一緒に再設計され得る。この場合について、導波路プリズム２００と補償２６０との間のギャップ２９５は、表面に沿った任意の点において、６ｍｍより小さいように制約され得る。外側表面は、導波路プリズム２００および補償レンズ２６０の全体の厚さを概してわずか３０ｍｍであるように制限するようにさらに制約される。技術の一実施において、発明者らは、プリズムおよびレンズの全体の厚さをわずか１５ｍｍであるように制約した。補償レンズ２６０の内側表面２６５と外側表面２７０との両方は、指定されたシースルーＦＯＶ２９０のために十分に大きくあるべきである。

図３は、３Ｄ図における基準表面２３０を図示する。図２における基準カーブ２３０は、Ｘ軸に沿ってスイープされて円筒形表面３３０になる。導波路プリズム３００の全内側表面３２５は、プリズムがユーザーの顔と物理的に抵触しないことを保証するために、円筒形表面３３０の外側にあるべきである。円３５０は、導波路３００の射出瞳位置を表す。

下記の図は、前記制約のうちのいくつかまたはすべてが実施され、かつ異なるベースカーブスタイルのための異なる設計構造をもたらしている本発明の実施形態の例を示す。

図４は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの５－反射の好ましい実施形態を示す。本実施形態は、８ベースのラップアラウンド型の眼鏡形状因子を有するＨＭＤシステムを実装するために使用され得る。本実施形態において、導波路プリズム４００の内側物理的表面４１５および外側物理的表面４２５は、２つの連続的な滑らかな表面であり、その表面の各々は、自由形状表面パラメータの組によって説明される。導波路プリズム４００の屈折表面４３０は、内側表面４１５の一部でなく、表面パラメータの異なる組によって説明される。この図面において、光線束４４０ａ、４４０ｂおよび４４０ｃは、小型の画像ディスプレイユニット４０５上の３つの異なる画素から生じる。ディスプレイユニット４０５と導波路プリズム４００との間で、連結レンズ４１０は、光学収差を補正することおよび画像品質を向上させることを助けるために使用される。本実施形態において、光線束４４０ａ、４４０ｂおよび４４０ｃは、屈折表面４３０を通って導波路プリズム４００に入って、外側表面４２５および内側表面４１５によって連続して５回（Ｒ１からＲ５まで）反射されて、それから屈折表面４３５を通って伝導されて、射出瞳４５０に到達する。５つの反射の中で、外側表面４２５上の反射Ｒ１および内側表面４１５上の反射Ｒ２は、ＴＩＲ条件を満足する一方、内側表面４１５上の反射Ｒ４ならびに外側表面４２５上の反射Ｒ３およびＲ５は、ＴＩＲ条件を満足しない。反射Ｒ３、Ｒ４およびＲ５についての反射効率を増やすために、内側表面４１５と外側表面４２５との両方に半透明コーティングを塗布することが必要である。反射Ｒ１およびＲ２についてのＴＩＲ条件を維持するために、誘電性コーティングが好ましい。８ベースカーブのラップアラウンド型の形状因子を保証するために、内側表面４１５は、水平の寸法において事前定義された８ベースカーブとほぼ同じであるように制約される。導波路プリズム４００の内側で、光線束４４０ａは、再集束させられて中間画像４５５ａを形成し、光線束４４０ｂは、再集束させられて中間画像４５５ｂを形成し、光線束４４０ｃは、再集束させられて中間画像４５５ｃを形成する。

図５は、内側表面が８ベースカーブとほぼ同じである本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。本実施形態において、導波路プリズム５００の内側物理的表面５１５は、２つの表面区分５１５ａおよび５１５ｂに分けられ、その表面区分の各々は、自由形状表面パラメータの異なる組によって説明される滑らかな表面である。導波路プリズム５００の外側物理的表面５２５は、自由形状表面パラメータの組によって説明される連続的な滑らかな表面である。屈折表面５３０および反射表面５１５ａは、自由形状表面パラメータの同じ組によって説明され、したがって、１つの滑らかな表面である。反射表面５１５ｂおよび屈折表面５３５は、自由形状表面パラメータの同じ組によって説明され、かつ１つの滑らかな表面である。表面区分５１５ａおよび５１５ｂは、表面区分５１５ｃによって接続される。表面５１５ｂと５１５ｃとの間の交わりがシースルーＦＯＶ５９０の上位の境界５９０ａの内側にある場合、表面区分５１５ｃは、表面５１５ｂと５１５ｃとの間の交わりにおいて一次の連続を維持するように設計される。同様に、表面５１５ａと５１５ｃとの間の交わりにおける一次の連続はまた、その交わりがシースルーＦＯＶ５９０の上位の境界５９０ａの内側にある場合、必要であり得る。５つの反射の中で、反射Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、ＴＩＲ条件を満足する一方、反射Ｒ１およびＲ５は、ＴＩＲ条件を満足しない。反射効率を増やすために、外側表面５２５は、半透明コーティングを用いてコーティングされる。反射Ｒ３のために、表面５２５上の反射Ｒ３についてのＴＩＲ条件を維持するために、誘電性コーティングが好ましい。区分５２５ａが、シースルーＦＯＶ５９０の上位の境界５９０ａの外側にある場合、ミラーコーティングが、上位表面区分５２５ａに塗布され得る。画像ディスプレイユニット５０５と導波路プリズム５００の屈折表面５３０との間で、連結レンズ５１０は、光学収差を補正することおよび画像品質を向上させることを助けるために使用される。表面区分５１５ｂは、８ベースカーブとほぼ同じであるように制約される一方、表面区分５１５ａは、導波路プリズム５００の全重量を減らすために、外側表面５２５のより近くに移動するように制約される。

図６は、こめかみ側に平らな内側カーブを有する本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。本実施形態において、導波路プリズム６００の屈折表面６３０は、内側表面６１５の一部でなく、表面パラメータの異なる組によって説明される一方、内側表面６１５は、連続的な滑らかな表面である。屈折表面６３５は、表面６１５と同じ表面パラメータの組を共有する。導波路プリズム６００の外側物理的表面６２５は、自由形状表面パラメータの組によって説明される連続的な滑らかな表面である。５つの反射の中で、反射Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、ＴＩＲ条件を満足する一方、反射Ｒ１およびＲ５は、ＴＩＲ条件を満足しない。反射効率を増やすために、外側表面６２５は、半透明コーティングを用いてコーティングされる。表面６２５上の反射Ｒ３についてのＴＩＲ条件を維持するために、誘電性コーティングが好ましい。表面区分６２５ａが、シースルーＦＯＶ６９０の上位の境界６９０ａの外側にある場合、ミラーコーティングが、上位表面区分６２５ａに塗布され得る。内側表面６１５は、いずれの事前定義された曲率にも制約されないが、表面の位置は、プリズムがヒトの顔から離れすぎないことを保証するために、制約される。画像ディスプレイユニット６０５と導波路プリズム６００の屈折表面６３０との間で、連結レンズ６１０は、光学収差を補正することおよび画像品質を向上させることを助けるために使用される。

図７は、図６に示される実施形態と同様の本発明の導波路プリズムの別の５－反射の好ましい実施形態を示す。本実施形態において、導波路プリズム７００の屈折表面７３０は、内側表面７１５の一部でなく、表面パラメータの異なる組によって説明される一方、内側表面７１５は、連続的な滑らかな表面である。屈折表面７３５は、表面７１５と同じ表面パラメータの組を共有する。導波路プリズム７００の外側物理的表面７２５は、２つの区分７２５ａおよび７２５ｂに分けられ、その区分の各々は、自由形状表面パラメータの異なる組によって説明される滑らかな表面である。表面区分７２５ａおよび７２５ｂは、表面区分７２５ｃによって接続される。表面７２５ｂと７２５ｃとの間の交わりがシースルーＦＯＶ７９０の上位の境界７９０ａの内側にある場合、表面区分７２５ｃは、表面７２５ｂと７２５ｃとの間の交わりにおいて一次の連続を維持するように設計される。同様に、表面７２５ａと７２５ｃとの間の交わりにおける一次の連続はまた、その交わりがシースルーＦＯＶ７９０の上位の境界７９０ａの内側にある場合、必要であり得る。そのうえ、本実施形態は、プリズム自身が光学収差を補正するのに十分であるので、導波路プリズム７００と小型の画像ディスプレイユニット７０５との間の連結レンズを要求しない。

図８は、内側表面が８ベースカーブとほぼ同じである本発明の導波路プリズムの５－反射の好ましい実施形態を示し、本実施形態は、特に、反射タイプの照明された画素アレイ（たとえば、ＬＣｏＳまたはＦＬＣｏＳタイプのマイクロディスプレイパネル）のために設計される。本実施形態において、導波路プリズム８００の内側物理的表面８１５は、２つの表面区分８１５ａおよび８１５ｂに分けられ、その表面区分の各々は、自由形状表面パラメータの異なる組によって説明される滑らかな表面である。屈折表面８３０および反射表面８１５ａは、１つの滑らかな表面であり、かつ表面パラメータの同じ組によって説明される。反射表面８１５ｂおよび屈折表面８３５は、１つの滑らかな表面であり、かつ表面パラメータの同じ組によって説明される。表面区分８１５ａおよび８１５ｂは、表面区分８１５ｃによって接続される。表面８１５ｂと８１５ｃとの間の交わりがシースルーＦＯＶ８９０の上位の境界８９０ａの内側にある場合、表面区分８１５ｃは、表面８１５ｂと８１５ｃとの間の交わりにおいて一次の連続を維持するように設計される。同様に、表面８１５ａと８１５ｃとの間の交わりにおける一次の連続はまた、その交わりがシースルーＦＯＶ８９０の上位の境界８９０ａの内側にある場合、必要であり得る。導波路プリズム８００の外側物理的表面８２５は、２つの区分８２５ａおよび８２５ｂに分けられ、その区分の各々は、自由形状表面パラメータの異なる組によって説明される滑らかな表面である。表面区分８２５ａおよび８２５ｂは、表面区分８２５ｃによって接続される。表面８２５ｂと８２５ｃとの間の交わりがシースルーＦＯＶ８９０の上位の境界８９０ａの内側にある場合、表面区分８２５ｃは、表面８２５ｂと８２５ｃとの間の交わりにおいて一次の連続を維持するように設計される。同様に、表面８２５ａと８２５ｃとの間の交わりにおける一次の連続はまた、その交わりがシースルーＦＯＶ８９０の上位の境界８９０ａの内側にある場合、必要であり得る。表面区分８１５ｂは、８ベースカーブとほぼ同じであるように制約される一方、表面区分８１５ａは、プリズムの全重量を減らすために、外側表面８２５ａにより近いように制約される。５つの反射の中で、反射Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、ＴＩＲ条件を満足する一方、反射Ｒ１およびＲ５は、ＴＩＲ条件を満足しない。したがって、反射効率を増やすために、半透明コーティングが、外側表面８２５に要求される。表面８２５ｂ上の反射Ｒ３についてのＴＩＲ条件を維持するために、誘電性コーティングが好ましい。表面区分８２５ａが、シースルーＦＯＶ８９０の上位の境界８９０ａの外側にある場合、ミラーコーティングが、上位表面区分８２５ａに塗布され得る。小型の画像ディスプレイユニット８０５と導波路プリズム８００の屈折表面８３０との間で、連結レンズ８１０は、光学収差を補正することおよび画像品質を向上させることを助けるために使用される。本実施形態において、小型の画像ディスプレイユニット８０５は、反射マイクロディスプレイパネル８０５ａ（たとえば、ＬＣｏＳディスプレイパネル）と、フィールドレンズ８０５ｂと、偏光ビームスプリッター８０５ｃとを含む。フィールドレンズ８０５ｂは、マイクロディスプレイ表面において光のテレセントリシティを強化するために用いられる。偏光ビームスプリッター８０５ｃは、ビームコンバイナーとして働くことにより、ディスプレイ照明経路（示されていない）とディスプレイ結像経路とを結合する。偏光ビームスプリッター８０５ｃは、マイクロディスプレイパネル８０５ａに対して入ってくる光および出て行く光のためのポーラライザー、それからアナライザーとしても働く。本実施形態のための要素の定義は、図１１に示され、パラメータは、図２５～２７（表２～４）に与えられる。

図９は、導波路プリズム９００の内側物理的表面９１５が、８ベースカーブの代わりに４ベースカーブとほぼ同じであるように最適化されていることを除いて、図８に示される実施形態と同様の本発明の別の好ましい実施形態得を示す。本実施形態において、導波路プリズム９００は、図８における実施形態のものと同様の構造上の特性を有する。しかし、内側表面区分９１５ｂは、４ベースカーブとほぼ同じであるように制約される。その結果、本実施形態は、一対の４ベースカーブ眼鏡のような平らな外見を有する４ベース眼鏡形状因子を有するＨＭＤシステムを実装するために使用され得る。図８に示される実施形態と同様に、本実施形態は、特に、反射タイプの照明された画素アレイ（たとえば、ＬＣｏＳまたはＦＬＣｏＳタイプのマイクロディスプレイパネル）のために設計される。本実施形態のための要素の定義は、図１３に示され、パラメータは、図２８～３０（表５～７）に与えられる。

図１０は、内側表面が８ベースカーブのラップアラウンド型の外見とほぼ同じである本発明の導波路プリズムの３－反射の好ましい実施形態を示す。本実施形態は、８ベースカーブのラップアラウンド型の形状因子を有するＨＭＤシステムを実装するために使用され得る。本実施形態において、導波路プリズム１０００の内側物理的表面１０１５および外側物理的表面１０２５は、２つの連続的な滑らかな表面であり、その表面の各々は、自由形状表面パラメータの組によって説明される。導波路プリズム１０００の屈折表面１０３０は、内側表面１０１５の一部でなく、表面パラメータの異なる組によって説明される。小型の画像ディスプレイユニット１００５は、マイクロディスプレイパネル１００５ａとフィールドレンズ１００５ｂとを含み、そのフィールドレンズ１００５ｂは、マイクロディスプレイ表面において光のテレセントリシティを達成するために使用される。マイクロディスプレイパネル１００５ａは、反射タイプのマイクロディスプレイ（たとえば、ＬＣｏＳ、ＦＬＣｏＳ、またはＤＭＤパネル）、透過タイプのマイクロディスプレイ（たとえば、ＬＣＤパネル）、または自己放射タイプのマイクロディスプレイ（たとえば、ＯＬＥＤパネル）のいずれかであり得る。反射タイプのマイクロディスプレイパネルの場合において、ビームスプリッター（示されていない）は、照明経路（示されていない）を導入するためにフィールドレンズ１００５ｂのあとに要求される。画像ディスプレイユニット１００５と導波路プリズム１０００との間で、連結レンズ１０１０は、光学収差を補正することおよび画像品質を向上させることを助けるために使用される。この設計例において、マイクロディスプレイ１００５ａ上の３つの異なる画素から生じる光線束１０４０ａ、１０４０ｂおよび１０４０ｃは、屈折表面１０３０を通って導波路プリズム１０００に入って、内側表面１０１５および外側表面１０２５によって３回反射されて、それから屈折表面１０３５を通って伝導されて、射出瞳１０５０に到達する。この例において、３つの反射の中で、反射Ｒ１およびＲ２は、ＴＩＲ条件を満足し、外側表面１０２５上の反射Ｒ３は、ＴＩＲ条件を満足しない。反射Ｒ３についての反射効率を増やすために、外側表面１０２５に半透明コーティングを塗布することが必要である。Ｒ１についてのＴＩＲ条件を維持するために、誘電性コーティングが好ましい。８ベース眼鏡形状因子を保証するために、内側表面１０１５は、事前定義された８ベースカーブとほぼ同じであるように制約される。導波路プリズム１０００の内側で、光線束１０４０ａは、再集束させられて中間画像１０５５ａを形成し、光線束１０４０ｂは、再集束させられて中間画像１０５５ｂを形成し、光線束１０４０ｃは、再集束させられて中間画像１０５５ｃを形成する。本実施形態のための要素の定義は、図１７に示され、パラメータは、図３１～３３（表８～１０）に与えられる。

種々の実施形態において、画像ディスプレイユニットは、レンズの形、反射の数および所望の眼鏡形状因子に応じて、内側表面、外側表面、または縁表面に向いて配置され得る。特定の実施形態において、８ベース眼鏡形状因子のために、画像ディスプレイ装置は、導波路の縁表面に向いて通例配置される一方、４ベース眼鏡形状因子のために、画像ディスプレイ装置は、内側表面に向いて通例配置される。

設計された８ベースおよび４ベースの眼鏡が、本明細書中に説明されてきたが、本発明の概念を使用することによって、他の任意の眼鏡の形（たとえば、２ベース、３ベース、４ベース、５ベース、６ベース、７ベース、８ベース、および９ベースを含むがこれらに制限されない工業規格眼鏡形状因子）の設計をすることが可能である。

本発明の特徴は、延長された光路長が、光線束がプリズムを通る中間点において再集束させられるように表面が設計されるように要求することである。この光の再集束は、プリズムを通る途中で中間画像を生成し、その結果、光線は、射出屈折表面において少なく発散し、この発散が少ないことの利点は、仮想画像経路の視野がＯＳＴ－ＨＭＤにおいて増える場合、導波路の全体の厚さが急速に増えないことである。

７つの実施形態（図４～１０）は、本発明に従って提示される。下記のセクションにおいて、実施形態５～７（図８～１０）の数値データが提示される。３つのタイプの自由形状表面が、実施形態において用いられ、各表面タイプの数学的方程式は、図２４（表１）に記載される。図２４（表１）における方程式は、表面の頂点に原点を有する局所座標系において与えられる。表面の位置および配向は、グローバル座標系において直接定義されるか、基準座標系を通すかのどちらかである。図１の詳細な説明において説明されたように、グローバル座標は、射出瞳の中心に定められ、ｘ軸は紙面の内側を指し示し、ｙ軸は上を指し示し、ｚ軸は外部シーンに向いた右を指し示している。

（（図８において説明された）実施形態５の数値データ）
図１１は、実施形態５（図８）についての記号および要素の定義を示す。実施形態は、０．３７”反射タイプのディスプレイ（たとえば、ＬＣｏＳまたはＦＬＣｏＳ）のために設計され、Ｙ方向に２６．５°およびＸ方向に１５°、ならびに斜めに３０°の仮想ＦＯＶを生み出す。システムＦナンバーは２である。図２５（表２）は、導波路プリズム８００についての表面パラメータを記載し、図２６（表３）は、連結レンズ８１０およびフィールドレンズ８０５ｂについての表面パラメータを記載する。すべての光学表面の位置および配向、ならびに各光学要素の光学材料は、図２７（表４）に記載される。

赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットが、図１２に示される。ＭＴＦ性能は、６．２５μｍの同等な画素サイズに対応する８０サイクル／ｍｍのカットオフ空間周波数において、中心にある３ｍｍの瞳孔について評価された。

（（図９において説明された）実施形態６の数値データ）
図１３は、実施形態６（図９）についての記号および要素の定義を示す。実施形態は、０．３７”反射タイプのディスプレイ（たとえば、ＬＣｏＳまたはＦＬＣｏＳ）のために設計され、Ｙ方向に２６．５°およびＸ方向に１５°、ならびに斜めに３０°の仮想ＦＯＶを生み出す。システムＦナンバーは２である。図２８（表５）は、導波路プリズム９００についての表面パラメータを記載し、図２９（表６）は、連結レンズ９１０およびフィールドレンズ９０５ｂについての表面パラメータを記載する。すべての光学表面の位置および配向、ならびに各光学要素の光学材料は、図３０（表７）に記載される。

赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットが、図１４に示される。ＭＴＦ性能は、６．２５μｍの同等な画素サイズに対応する８０サイクル／ｍｍのカットオフ空間周波数において、中心にある３ｍｍの瞳孔について評価された。

図１５は、実施形態６についてのシースルー経路の光線追跡例を示す。全体の補正されたシースルーＦＯＶは、水平方向に７５°および垂直方向に７０°である。

図１６は、本発明の実施形態６に従う、４ベースカーブの外見を有する例証のＯＳＴ－ＨＭＤ設計を示す。ＯＳＴ－ＨＭＤデバイスは、実施形態６の一対の光学アセンブリと、フレーム１６０２と、電子回路ユニット１６０４とを含む。各光学アセンブリは、自由形状導波路プリズム１６００と、補償レンズ１６６０と、連結レンズ１６１０と、ビームスプリッター１６０５ｃと、フィールドレンズ１６０５ｂと、マイクロディスプレイパネル１６０５ａとを含む。フレーム１６０２の２つのアームの内側の電子回路ユニット１６０４は、必要な電子回路を統合し得、その電子回路は、マイクロディスプレイユニットおよびディスプレイ照明ユニット、画像およびビデオ受信および処理ユニット、オーディオ入力および出力ユニット、グラフィック処理ユニット、位置把握ユニット、無線通信ユニット、ならびに計算処理ユニット等のための回路基板を含むがこれらに制限されない。本実施形態の指定されたシースルーＦＯＶ１６９０は、水平の寸法においてこめかみ側に４５°および鼻側に３０°、ならびに垂直の寸法（示されていない）において±３５°である。

（（図１０において説明された）実施形態７の数値データ）
図１７は、実施形態７（図１０）についての記号および要素の定義を示す。実施形態は、０．３７”反射タイプのディスプレイ（たとえば、ＬＣｏＳまたはＦＬＣｏＳ）のために設計され、Ｙ方向に２６．５°およびＸ方向に１５°、ならびに斜めに３０°の仮想ＦＯＶを生み出す。システムＦナンバーは２である。図３１（表８）は、導波路プリズム１０００についての表面パラメータを記載し、図３２（表９）は、連結レンズ１０１０およびフィールドレンズ１００５ｂについての表面パラメータを記載する。すべての光学表面の位置および配向、ならびに各光学要素の光学材料は、図３３（表１０）に記載される。

赤（６２５ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）および青（４６５ｎｍ）の波長のために選択されたフィールドのＭＴＦプロットが、図１８に示される。ＭＴＦ性能は、６．２５μｍの同等な画素サイズに対応する８０サイクル／ｍｍのカットオフ空間周波数において、中心にある３ｍｍ瞳孔について評価された。

図１９は、実施形態７（図１０）の補償レンズについての記号および要素の定義を示す。

図２０は、実施形態６についてのシースルー経路の光線追跡例を示す。全体の補正されたシースルーＦＯＶは、水平方向に８０°および垂直方向に７０°である。

シースルー経路のために選択されたフィールドの多色のＭＴＦプロットが、図２１に示される。ＭＴＦ性能は、６０サイクル／ｍｍのカットオフ空間周波数において、中心にある３ｍｍの瞳孔について評価された。

図２２は、実施形態７の形を整えられていない３Ｄモデルを示す。モデルは、導波路プリズムと、補償レンズと、連結レンズと、フィールドレンズとを含む。モデルは、ビームスプリッター空間も含むことにより、反射タイプのマイクロディスプレイのための照明経路を導入するビームスプリッターを挿入する余地を提供する。モデルは、マイクロディスプレイのためのカバーガラスをさらに含む。

図２３は、本発明の実施形態７に従う、８ベースカーブの外見を有する例証のＯＳＴ－ＨＭＤ設計を示す。ＯＳＴ－ＨＭＤデバイスは、実施形態７の一対の光学アセンブリと、フレーム２３０２と、電子回路ユニット２３０４とを含む。各光学アセンブリは、自由形状導波路プリズム２３００と、補償レンズ２３６０と、連結レンズ２３１０と、フィールドレンズ２３０５ｂと、マイクロディスプレイパネル２３０５ａとを含む。フレーム２３０２の２つのアームの内側の電子回路ユニット２３０４は、必要な電子回路を統合し得、その電子回路は、マイクロディスプレイユニットおよびディスプレイ照明ユニット、画像およびビデオ受信および処理ユニット、オーディオ入力および出力ユニット、グラフィック処理ユニット、位置把握ユニット、無線通信ユニット、ならびに計算処理ユニット等のための回路基板を含むがこれらに制限されない。本実施形態の指定されたシースルーＦＯＶ２３９０は、水平の寸法においてこめかみ側に６５°および鼻側に３５°、ならびに垂直の寸法（示されていない）において±３５°である。

本明細書中に説明された改変に加えて、本発明の種々の改変は、前述の説明から当業者にとって明らかである。そのような改変は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあることも意図されている。本出願において引用された各参照は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

本発明の好ましい実施形態が示されかつ説明されてきたが、改変が、添付の特許請求の範囲を超えないものに対してなされ得ることが、当業者にとって容易に明らかである。したがって、本発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によってのみ制限される。

以下の特許請求の範囲において記述される参照数字は、単に本特許出願の審査の容易さのためのものであり、例示的であり、特許請求の範囲を、図面において対応する参照数字を有する特定の特徴に制限することは決して意図されない。

Claims (9)

1. 導波路プリズムと直列に、外部世界を眺めるために使用される補償レンズであって、前記補償レンズは、前記導波路プリズムを通して前記世界を眺めることによって引き起こされる光学的なひずみを補正するものであり、
   前記導波路プリズムは、少なくとも３つの物理的表面を含み、前記物理的表面の各々は、前記物理的表面上に配置されている複数の反射および屈折自由形状光学表面を含み、前記物理的表面の内部空間は、１より大きい屈折率（ｎ）を有する屈折媒質によって充填され、前記複数の反射表面は、前記導波路が眼鏡の形に適合されることを可能にするように光路長を折り曲げて延長し、前記眼鏡の形は、画像ディスプレイユニットが頭の側面に置かれることを可能にし、前記眼鏡の形は、前方にまっすぐな眺めに対してこめかみ方向に９０°までおよび鼻方向に６０°まで、および、前方にまっすぐな眺めに対して上および下に６０°までの広いシースルー視野を可能にし、内側表面および外側表面は、眼鏡形状因子および３０ｍｍの最大厚さに適合する制約内で設計され、前記複数の自由形状反射表面は、画像をゆがめることなしに光をユーザーの瞳孔へ導き、
   前記物理的および光学表面は、
   ａ．前記ユーザーの前記瞳孔に向いて配置されている物理的内側表面であって、前記物理的内側表面は、眼鏡形状因子のための事前指定された曲がった表面とほぼ同じであるように制約され、前記内側表面は、画像をゆがめることなしに前記画像を前記ユーザーの眼球へ反射するように最適化された複数の自由形状反射表面と、少なくとも１つの屈折表面とを含む、物理的内側表面と、
   ｂ．外部シーンに向いて配置されている物理的外側表面であって、前記物理的外側表面は、画像をゆがめることなしに前記画像を前記ユーザーの前記瞳孔へ反射するように最適化された複数の自由形状反射表面を含み、前記物理的外側表面は、すべての点において前記内側表面から３０ｍｍの最大距離以内にあり、前記物理的外側表面は、少なくとも１つの屈折表面を含むことにより、前記外部シーンからの光が、前記導波路を通過して前記ユーザーの前記眼球に到達することを可能にする、物理的外側表面と、
   ｃ．画像ディスプレイユニットからの光が前記導波路に入るための屈折表面を必要に応じて含む物理的縁表面と、
   ｄ．前記物理的表面のうちの１つに配置されている屈折入力表面であって、画像ディスプレイユニットからの光が前記導波路に入ることを可能にする屈折入力表面と、
   ｅ．前記ユーザーの前記瞳孔の近くで前記物理的内側表面に配置されている屈折出力表面であって、光が前記導波路から出ることを可能にする屈折出力表面と、
   ｆ．前記物理的内側表面および前記物理的外側表面に配置されている複数の３つ以上の自由形状反射表面であって、各反射は、全反射基準を満足すること、または、半透明な部分的に反射するコーティングを前記導波路の前記表面に塗布することのどちらかによって生成され、これらの反射は、画像をゆがめることなしに光を前記プリズムの前記内部に沿って導くように最適化され、前記複数の反射は、前記プリズムが、広いシースルー視野およびヒトの頭に適合することに適したサイズを可能にするように前記光路長を延長する、複数の３つ以上の自由形状反射表面と
   を含み、
   前記画像ディスプレイユニットからの光は、第一の屈折表面を通って前記導波路に入り、
   前記光は、前記第一の屈折表面から第二の屈折表面まで、複数の反射表面上の複数の反射を含む前記導波路に沿った経路をたどり、各反射は、全反射の条件を満足すること、または、半透明コーティングが表面に塗布されていることのどちらかによって生成され、
   光は、前記第二の屈折表面を通過し、前記第二の屈折表面を越えた場所に、ユーザーは、画像を眺めるために自身の瞳孔を置き、
   現実世界のシーンからの光は、前記瞳孔に到達する前に、前記導波路の前記物理的外側表面および前記導波路の前記物理的内側表面を通って屈折させられ、前記導波路を通した前記シースルー視野は、こめかみ方向に９０°まで、鼻方向に６０°まで、前方にまっすぐな眺めの上および下に６０°までであり、前記物理的外側表面によって前記導波路プリズムを通過する光の光線の少なくとも２つの反射は、前記シースルー視野内にあり、
   前記補償レンズは、
   ｉ．外部シーンに向いて配置されている屈折外側表面であって、前記外部シーンからの光が前記補償レンズに入ることを可能にする屈折外側表面と、
   ｉｉ．前記導波路プリズムの前記物理的外側表面に向いて配置されている屈折内側表面であって、光が前記補償レンズを出て、前方にまっすぐな眺めに対してこめかみ方向に９０°までおよび鼻方向に６０°まで、および、前方にまっすぐな眺めに対して上および下に６０°まで、光線の少なくとも２つの反射が生じる前記物理的外側表面の領域を含むシースルー視野を通って前記導波路プリズム内に入ることを可能にする屈折内側表面と
   を含み、
   前記補償レンズの前記屈折内側表面および前記屈折外側表面は、前記導波路プリズムによって引き起こされる光線シフトおよびひずみの影響を補償するように相互に構成されており、
   前記屈折内側表面の形状は、実質的に、前記導波路プリズムの前記物理的外側表面の形状であり、
   前記外部シーンからの光は、前記導波路プリズムに到達する前に、前記補償レンズの前記屈折外側表面および前記屈折内側表面を通って屈折させられる、補償レンズ。
2. １より大きい屈折率（ｎ）を有する屈折媒質が、前記屈折内側表面と前記屈折外側表面との間の空間を充填する、請求項１に記載の補償レンズ。
3. 前記補償レンズは、前記導波路プリズムに固定されている、請求項１に記載の補償レンズ。
4. 前記補償レンズは、前記補償レンズと前記導波路プリズムとの間のエアギャップをさらに含む、請求項３に記載の補償レンズ。
5. 前記エアギャップは、任意の点において６ｍｍ幅より小さい、請求項４に記載の補償レンズ。
6. 前記補償レンズは、接着剤を用いて前記導波路プリズムに固定されている、請求項４に記載の補償レンズ。
7. 前記接着剤は、屈折率整合接着剤である、請求項６に記載の補償レンズ。
8. 前記屈折内側表面および前記屈折外側表面は、広いシースルー視野を可能にし、前記広いシースルー視野は、水平方向においてこめかみ側に９０°まで鼻側に６０°まで含む、請求項１に記載の補償レンズ。
9. 前記広い視野は、垂直方向において上方に６０°まで下方に６０°まで含む、請求項８に記載の補償レンズ。

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