JP7466233B2 - 光学装置及びヘッドマウント機器 - Google Patents

Description

本明細書の実施例は光学技術分野に関し、且つより具体的に、光学装置及びヘッドマウント機器に関する。

光学技術及び他の技術（例えばコンピュータ技術等）の発展に伴って、ユーザーは光学装置を含む各種の機器によって仮想画像又は実際のシーン等を感知することができる。たとえば、一種の典型的な応用は拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術であり、この技術とは、一般的に、コンピュータ技術から提供される情報によって現実シーンに対するユーザーの感知を高める技術を指し、具体的に言えば、ＡＲ技術では、コンピュータ技術を利用して仮想情報を実際の世界に応用することができ、つまり、実際のシーンと仮想画像（例えば、仮想物体、及び仮想シーン等）とを同一の画面下にリアルタイムに重ね合わせ、人間の目に実際のシーンと仮想画像との混合画像を同時に見せ、それにより拡張現実の効果を達成する。

現状では、このタイプの機器はまだ発展中であり、悪いユーザーエクスペリエンスを引き起こしやすい。

従来技術に対して、本明細書の実施例は光学装置及びヘッドマウント機器を提供する。

一態様では、本明細書の実施例は光学装置を提供し、それは、画像ユニットと、第１光学ユニットと、第２光学ユニットと、第３光学ユニットとを含み、ここで、前記画像ユニットは、画像光線を発することに用いられ、
前記画像ユニット、第１光学ユニット、第２光学ユニット及び第３光学ユニットは、前記画像光線が前記第１光学ユニットを透過して前記第２光学ユニットに到達し、次に前記第２光学ユニットにより前記第３光学ユニットに反射され、その後、前記第３光学ユニットにより反射されて前記第２光学ユニットに戻り、且つ前記第２光学ユニットを透過してユーザーの目に入るように配置され、
前記第２光学ユニットは、前記第２光学ユニットに入射した干渉光線が前記ユーザーの目に入ることを阻止するように配置され、
前記第３光学ユニットは、前記画像光線が前記第３光学ユニットを通り抜けて外部環境に入ることを阻止するように配置される。

他の態様では、本明細書の実施例はヘッドマウント機器を提供し、それは前記光学装置を含み、ここで、前記ヘッドマウント機器はヘルメット形状又は眼鏡形状を有する。

本明細書の実施例において、第２光学ユニットは干渉光線がユーザーの目に入ることを阻止するため、画像光線及び環境光線に対する干渉光線の干渉を回避し、画像形成品質を向上させることができる。また、第３光学ユニットはそれに入射した画像光線が第３光学ユニットを通り抜けて外部環境に入ることを阻止するため、画像光線が外部環境に漏れることを回避し、ユーザーのプライバシーを効果的に保護することができる。

図面と併せることによって本明細書の実施例をより詳細に記述し、本明細書の実施例の上記及び他の目的、特徴及び優位性はより明らかになり、ここで、本明細書の実施例において、同じ図面符号は、通常、同じ要素を表す。

１つの実施例に係る光学装置の模式的な構造図である。 １つの実施例に係る画像ユニットの模式的な構造図である。 １つの実施例に係る第１光学ユニットの模式的な構造図である。 １つの実施例に係る第２光学ユニットの模式的な構造図である。 １つの実施例に係る第３光学ユニットの模式的な構造図である。 異なる実施例に係る光学装置の模式的な構造図である。 異なる実施例に係る光学装置の模式的な構造図である。 異なる実施例に係る光学装置の模式的な構造図である。 １つの実施例に係るヘッドマウント機器の模式的な構造図である。

現在、各実施例を参照して本明細書で記述される主題を検討する。理解すべきであるように、これらの実施例の検討は、単に当業者に本明細書で記述される主題をよりよく理解させ且つ実現させることができるためであり、特許請求の範囲で論述される保護範囲、使用適合性又は例に対する制限ではない。特許請求の範囲の保護範囲を逸脱しない状況下で、検討される要素の機能及び配列を変更することができる。各々の実施例は必要に応じて、各種の過程又はユニットを省略、置換又は追加することができる。

本明細書で使用されるように、用語「含む」及びその変形は開放的用語を示し、「含むが、それに限定されない」を意味する。用語「基づく」は「少なくとも部分的に基づく」を示す。用語「１つの実施例」及び「一実施例」は「少なくとも１つの実施例」を示す。用語「別の実施例」は「少なくとも１つの他の実施例」を示す。用語「第１」、及び「第２」等は異なる又は同じ対象を指すことができる。以下、明示的にも暗黙的にも関わらず、他の定義を含んでもよく、文脈が明示的に指示しない限り、１つの用語の定義は明細書全体において一致する。

本明細書において、用語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、及び「外」等で指示される方位又は位置関係は図面に示される方位又は位置関係に基づくものであってもよく、それは単に記述を容易にするためであり、装置、ユニット又は素子等が必ず特定の方位を有し又は特定の方位で構成及び操作することを表さず、従って、このような用語は本明細書の技術的手段の範囲に対して何らの制限を及ぼさない。

現状では、ユーザーは光学装置を含む各種の機器によって仮想画像又は実際のシーン等を感知することができる。しかし、この機器はまだ発展中であるため、悪いユーザーエクスペリエンスを及ぼす場合が多い。例えば、光学装置に生じた画像光線及び外部の環境光線に加えて、干渉光線が光学装置を通過して人間の目に入るようになる可能性もあり、光学装置の画像形成効果が悪くなることを引き起こし、画像内容の混乱を起こし、また、画像光線が光学装置を経由して外部環境に入る可能性があり、これにより、他の人はユーザーが見ている内容を見る恐れがあり、ユーザーのプライバシーの漏れを及ぼす。

これに鑑み、本明細書は光学装置及び相応なヘッドマウント機器を提供する。以下、具体的な実施例と併せて記述する。注意すべきである点として、各図面に示される各要素間の縮尺は単に例を挙げて説明するためであり、必ずしも実際の縮尺で描かれていない。

図１Ａは１つの実施例に係る光学装置の模式的な構造図である。

図１Ａに示すように、光学装置１００は画像ユニット１０２、第１光学ユニット１０４、第２光学ユニット１０６及び第３光学ユニット１０８を含んでもよい。

図１Ａにおいて、説明及び理解を容易にするために、矢印付き線を使用して各種の光線の中心光線の大まかな伝播経路の例を示すことができる。明らかなように、実践において、各種の光線は実際に光線の集まりである可能性があり、それは必ずしも単一の方向に伝播するものではない。

画像ユニット１０２は画像光線を発することに用いることができる。例えば、画像光線は仮想画像を示すことができる。

画像ユニット１０２、第１光学ユニット１０４、第２光学ユニット１０６及び第３光学ユニット１０８は、画像光線を所定の経路に応じてユーザーの目１１０に伝播させるように配置されてもよい。

例えば、画像光線の伝播経路において、画像ユニット１０２、第１光学ユニット１０４、第２光学ユニット１０６及び第３光学ユニット１０８は順に配置されてもよい。

たとえば、画像ユニット１０２、第１光学ユニット１０４、第２光学ユニット１０６及び第３光学ユニット１０８は、画像ユニット１０２から発された画像光線が第１光学ユニット１０４を透過して第２光学ユニット１０６に到達し、次に第２光学ユニット１０６により第３光学ユニット１０８に反射され、その後、第３光学ユニット１０８により反射されて第２光学ユニット１０６に戻り、且つ第２光学ユニット１０６を透過してユーザーの目１１０に入るように配置されてもよい。

第２光学ユニット１０６は、第２光学ユニット１０６に入射した干渉光線がユーザーの目１１０に入ることを阻止するように配置されてもよい。

第３光学ユニット１０８は、画像光線が第３光学ユニット１０８を通り抜けて外部環境に入ることを阻止するように配置されてもよい。

理解できるように、干渉光線は各々の方向からのものである可能性があり、しかし、通常、主に図示される方向からの干渉光線に起因する干渉は他の方向の干渉光線に比べてより顕著である可能性があり、従って、該方向からの干渉光線の干渉を回避することは画像形成効果を顕著に強化することができる。

上記からわかるように、該実施例において、干渉光線が第２光学ユニット１０６を通った後に、ユーザーの目に入ることが阻止され得るため、例えば、第２光学ユニット１０６箇所でユーザーの目の外の領域に反射され、又は第１光学ユニット１０４箇所で吸収され、ユーザーの目に入る干渉光線がないようにし、それにより、画像光線及び環境光線に対する干渉光線の干渉を回避し、画像形成品質を向上させることができる。

また、第３光学ユニット１０８は画像光線が第３光学ユニット１０８を通り抜けて外部環境に入ることを阻止するため、画像光線が外部環境に漏れることを回避し、ユーザーのプライバシーを効果的に保護することができる。

１つの実施例において、第１光学ユニット１０４及び第２光学ユニット１０６は、第２光学ユニット１０６に入射した干渉光線が第２光学ユニット１０６を透過した後に、第１光学ユニット１０４箇所で吸収されるように配置されてもよい。それによって、干渉光線がユーザーの目に入ることを効果的に回避することができ、このように、画像形成品質を向上させるだけでなく、且つユーザーエクスペリエンスを向上させる。

１つの実施例において、図１Ａに示すように、第３光学ユニット１０８及び第２光学ユニット１０６は、第３光学ユニット１０８に入射した環境光線が第３光学ユニット１０８及び第２光学ユニット１０６を順に透過してユーザーの目に入るように配置されてもよい。このように、画像光線及び環境光線の両者がユーザーの目に入り、ユーザーに仮想画像と実際のシーンとを相互に重ね合わせる画像を見せることができ、それにより拡張現実の効果を実現する。

１つの実施例において、第１光学ユニット１０４は第３偏光状態を有する光線のみを通過させることができる。

第２光学ユニット１０６は、第１光学ユニット１０４から第２光学ユニット１０６に出射した第３偏光状態を有する光線を、第３光学ユニット１０８に入射しようとする第３偏光状態を有する光線に変換し、第３光学ユニット１０８から第２光学ユニット１０６に出射した第４偏光状態を有する光線を、ユーザーの目１１０に入ろうとする第２偏光状態を有する光線に変換し、及び第２光学ユニット１０６に入射した干渉光線を、第１光学ユニット１０４に入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換することができる。

第３光学ユニット１０８は、第２光学ユニット１０６から第３光学ユニット１０８に出射した第３偏光状態を有する光線を、第２光学ユニット１０６に入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換し、及び第３光学ユニット１０８に入射した環境光線を、第２光学ユニット１０６に入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換することができる。

このように、各々の光学ユニットの偏光特性及び光学特性を効果的に利用することによって、画像光線及び環境光線をユーザーの目に入れることができ、そして干渉光線がユーザーの目に反射されることがなく、それにより画像形成効果を向上させることができ、且つ耐干渉性を強化し、ユーザーエクスペリエンスの向上に寄与する。

理解できるように、各々の図面でブロックを利用して各々の光学素子を示したが、各々の光学素子は円弧板形状又は平板形状を有してもよく、本明細書はこれを限定しない。

１つの実施例において、第３偏光状態及び第４偏光状態の両者の回転方向は反対であってもよい。例えば、第３偏光状態は右回転特性を有してもよいが、第４偏光状態は左回転特性を有してもよい。例えば、第３偏光状態を有する光線は右回転円偏光光又は右回転楕円偏光光であってもよく、第４偏光状態を有する光線は左回転円偏光光又は左回転楕円偏光光であってもよい。

１つの実施例において、第１偏光状態及び第２偏光状態の両者の振動方向は垂直であってもよい。例えば、第１偏光状態及び第２偏光状態を有する光線は直線偏光光である。例えば、第１偏光状態を有する光線はＰ光であってもよく、第２偏光状態を有する光線はＳ光であってもよい。Ｐ光とＳ光との振動方向は互いに垂直であってもよい。

１つの実施例において、図１Ｂにおける（１）に示すように、画像ユニット１０２は画像ソース１０２ａを含んでもよい。画像ソース１０２ａは画像光線を発することができる。画像ソース１０２ａは本分野で知られている何らの適切な素子を採用して実現され得る。例えば、画像ソース１０２ａは平面画像ソース、たとえば光源が統合された画像ソース又は単一の画像ソースを含んでもよい。例えば、画像ソース１０２ａは、有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＯＬＥＤ）、シリコン系液晶（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ、ＬＣＯＳ）、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＬＣＤ）、微小電気機械表示システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）、及びデジタルマイクロミラー素子（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ－ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、ＤＭＤ）等のデバイスのうちの何らの項目を採用して実現され得る。

１つの実施例において、図１Ｂにおける（２）に示すように、画像ユニット１０２は画像ソース１０２ａ及びレンズ１０２ｂを含んでもよい。レンズ１０２ｂは画像光線を収束することに用いることができる。

１つの実施例において、図１Ｃに示すように、第１光学ユニット１０４は第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂを含んでもよい。第１偏光板１０４ａは画像ユニット１０２に近い一側に設置されてもよいが、第１波長板１０４ｂは第２光学ユニット１０６に近い一側に設置されてもよい。

第１偏光板１０４ａは第１偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第２偏光状態を有する光線を吸収することができる。

第１波長板１０４ｂは光線を第１偏光状態と第３偏光状態との間で変換させ、及び第２偏光状態と第４偏光状態との間で変換させることができる。例えば、第１波長板は、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることができる。

例えば、第１波長板１０４ｂは本分野に適用される何らの波長板、たとえば１／４波長板又は３／４波長板であってもよい。１／４波長板又は３／４波長板は光線を第１偏光状態と第３偏光状態との間で変換させ、及び光線を第２偏光状態と第４偏光状態との間で変換させることができる。例えば、図１Ａと併せて、画像ユニット１０２が画像光線を発した後に、画像光線はまず第１偏光板１０４ａに入射する。第１偏光板１０４ａが第１偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、画像光線は第１偏光板１０４ａを通った後に、第１偏光状態を有する画像光線に変換され、その後、第１波長板１０４ｂ箇所で第３偏光状態を有する画像光線に変換される。

理解できるように、図１Ｃにおいて、説明を容易にするために、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂを互いに分離することが示される。しかし、具体的に実現するときに、適用する各種の方式を採用して第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂを配置してもよい。例えば、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂは一体に貼り合わせられてもよく、又は分離し且つ機構部材によって相対的に固定されてもよい。

１つの実施例において、図１Ｄに示すように、第２光学ユニット１０６は第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃを含んでもよい。第２波長板１０６ａは第１光学ユニット１０４に近い一側に設置されてもよく、直線偏光素子１０６ｃは第１光学ユニット１０４から離れる一側に設置されてもよく、偏光ビームスプリッタ１０６ｂは第２波長板１０６ａと直線偏光素子１０６ｃとの間に設置されてもよい。

第１波長板１０４ａと類似し、第２波長板１０６ａは、光線を第１偏光状態と第３偏光状態との間で変換し、及び光線を第２偏光状態と第４偏光状態との間で変換することができる。例えば、第１波長板１０４ａと類似し、第２波長板１０６ａは、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることができる。

第２波長板１０６ａは本分野に適用される何らの波長板であってもよい。例えば、第２波長板１０６ａは１／４波長板又は３／４波長板であってもよい。

偏光ビームスプリッタ１０６ｂは第１偏光状態を有する光線を反射し、及び第２偏光状態を有する光線を通過させることができる。

直線偏光素子１０６ｃは第２偏光状態を有する光線のみの通過を許可することができる。

例えば、図１Ａと併せて、画像光線は第１光学ユニット１０４を通った後に、第３偏光状態を有する画像光線に変換される。第３偏光状態を有する画像光線は第２波長板１０６ａに入射し、第１偏光状態を有する画像光線に変換される。その後、第１偏光状態を有する画像光線は偏光ビームスプリッタ１０６ｂ箇所で反射され、再び第２波長板１０６ａに到達する。このように、第１偏光状態を有する画像光線は第２波長板１０６ａにより第３偏光状態を有する画像光線に変換され、次に第３偏光状態を有する画像光線は第３光学ユニット１０８に入射する。

理解できるように、偏光ビームスプリッタ１０６ｂが第１偏光状態を有する光線を反射するため、画像光線は直線偏光素子１０６ｃに到達しない。

ここで、直線偏光素子１０６ｃは主に干渉光線がユーザーの目に到達することを回避するためのものである。例えば、図１Ａと併せて、干渉光線は図１Ａに示される方向から直線偏光素子１０６ｃに入射し、直線偏光素子１０６ｃが第２偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、直線偏光素子１０６ｃから出射した干渉光線は第２偏光状態を有する。第２偏光状態を有する干渉光線の全部は偏光ビームスプリッタ１０６ｂを透過して第２波長板１０６ａに到達することができる。第２波長板１０６ａは第２偏光状態を有する干渉光線を、第４偏光状態を有する干渉光線に変換することができる。次に、第４偏光状態を有する干渉光線は第１光学ユニット１０４に到達する。第１光学ユニット１０４は第３偏光状態を有する光線のみの通過を許可し、第４偏光状態を有する干渉光線は第１光学ユニット１０４箇所で吸収され得る。このように、干渉光線がユーザーの目に入って画像形成効果を干渉することを効果的に回避することができる。

理解できるように、説明を容易にするために、図１Ｄにおいて、第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃを互いに分離することが示されるが、具体的に実現するときに、適用する各種の形式を採用して第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃを配置してもよい。例えば、第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃは一体に貼り合わせられてもよく、又は互いに分離し且つ機構部材によって相対的に固定されてもよい。

１つの実施例において、図１Ｅに示すように、第３光学ユニット１０８は半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光素子１０８ｂを含んでもよい。

半反射半透過素子１０８ａは第２光学ユニット１０６に近い一側に設置されてもよいが、円偏光素子１０８ｂは第２光学ユニット１０６から離れる一側に設置されてもよい。

半反射半透過素子は入射した光線を部分的に反射及び部分的に透過することができる。円偏光素子１０８ｂは第４偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第３偏光状態を有する光線を吸収することができる。

例えば、図１Ａと併せて、第２光学ユニット１０６により反射された画像光線は第３偏光状態を有し、それでは、第３偏光状態を有する画像光線は半反射半透過素子１０８ａに到達するときに、半反射半透過素子１０８ａにより部分的に反射及び部分的に透過される。反射された画像光線は第４偏光状態を有し、透過された画像光線は依然として第３偏光状態を有する。透過された第３偏光状態を有する画像光線は円偏光素子１０８ｂに到達した後に、円偏光素子１０８ｂは第４偏光状態を有する光線のみの通過を許可し、第３偏光状態を有する画像光線は円偏光素子１０８ｂ箇所で吸収され得る。それにより画像光線が外部環境に漏れることを防止し、それによってユーザーのプライバシーを効果的に保護する。

１つの実施例において、円偏光素子１０８ｂは第２偏光板及び第３波長板を含んでもよい。第３波長板は半反射半透過素子１０８ａに近い一側に設置されてもよいが、第２偏光板は半反射半透過素子１０８ａから離れる一側に設置されてもよい。

第２偏光板は第２偏光状態を有する光線の通過を許可し且つ第１偏光状態を有する光線を吸収することができる。

第３波長板は光線を第２偏光状態と第４偏光状態との間で変換し、及び光線を第１偏光状態と第３偏光状態との間で変換することができる。例えば、第３波長板は、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることができる。

第３波長板は本分野に適用される何らの波長板であってもよい。例えば、第３波長板は１／４波長板又は３／４波長板であってもよい。

例えば、図１Ａ及び図１Ｅと併せて、半反射半透過素子１０８ａを透過した第３偏光状態を有する画像光線は第３波長板に到達し、それは第１偏光状態を有する画像光線に変換される。第２偏光板は第２偏光状態を有する光線のみの通過を許可し、第１偏光状態を有する画像光線は第２偏光板箇所で吸収され得る。それにより画像光線が外部環境に漏れることを防止し、ユーザーのプライバシーを効果的に保護する。

１つの実施例において、画像光線は、第１角度で第２光学ユニット１０６に入射し、且つ第２角度で第２光学ユニットから出射することができる。

通常、波長板は垂直入射の状況下で製造される可能性がある。従って、該実施例において、第２波長板の厚さ及び規格は第１角度及び第２角度に基づいて決定されてもよい。

１つの実施例において、画像ユニット１０２の中心法線と第１光学ユニット１０４の中心法線とは一致してもよい。例えば、画像ユニット１０２と第１光学ユニット１０４とは平行に置かれてもよいように見える。例えば、画像ユニット１０２に含まれる画像ソース１０２ａの発光領域の中心を、画像ユニット１０２に含まれるレンズ１０２ｂの光軸が通過し、第１光学ユニット１０４の光軸はレンズ１０２ｂの光軸と重なる。

第３光学ユニット１０８の中心法線の方向と第３光学ユニットに入射した画像光学光線の中心光線の方向とは一致してもよい。例えば、これは、画像光線の中心光線が第３光学ユニット１０８に垂直に入射してもよいと理解できる。

例えば、一種の具体的な実現方式において、画像ユニット１０２と第１光学ユニット１０４とは大まかに平行に置かれていると見えてもよいが、第２光学ユニット１０６は第１光学ユニット１０２に対して所定の角度をなすように置かれてもよく、例えば、第１光学ユニット１０２の中心法線と第２光学ユニット１０４の中心法線との間の角度は２０°～７０°の間にある。

また、更に理解できるように、図１Ａにおいて、説明を容易にするために、画像ユニット１０２及び第１光学ユニット１０４を互いに分離することが示されるが、具体的に実現するときに、適用する各種の方式を採用して第１光学ユニット１０４及び画像ユニット１０２を配置してもよい。例えば、第１光学ユニット１０４及び画像ユニット１０２は一体に貼り合わせられてもよく、又は適用するある機構部材によって画像ユニット１０２に相対的に固定される。

図２Ａ～２Ｃは異なる実施例に係る光学装置の模式的な構造図を示す。理解すべきであるように、図２Ａ～２Ｃの光学装置の例は単に当業者が本明細書における技術的手段をよりよく理解することを助けるためであり、その範囲を制限しない。

まず、図２Ａの例と併せて記述する。

上記のように、光学装置２００Ａは画像光線及び環境光線をユーザーの目１１０に伝播することができる。また、外部環境からの干渉光線は光学装置に入射する可能性がある。以下、画像光線、環境光線及び干渉光線の伝播経路と併せて光学装置２００Ａを記述する。記述及び理解を容易にするために、図２Ａにおいて、画像光線の中心光線、干渉光線の中心光線及び環境光線の中心光線の伝播経路を例として、これらの光線の大まかな伝播経路を示す。

まず、光学装置２００Ａにおける画像光線の伝播経路を記述する。

画像ソース１０２ａは画像光線を発する。画像光線はまず第１偏光板１０４ａに垂直に入射する。第１偏光板１０４ａが第１偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、第１偏光板１０４ａから出射した画像光線は第１偏光状態を有する。

第１偏光状態を有する画像光線は引き続き第１波長板１０４ｂに入射し、第３偏光状態を有する画像光線に変換される。第１波長板１０４ｂから出射した第３偏光状態を有する画像光線は引き続き第２波長板１０６ａに伝播され、第１偏光状態を有する画像光線に変換される。

第２波長板１０６ａから出射した第１偏光状態を有する画像光線は偏光ビームスプリッタ１０６ｂに伝播され、偏光ビームスプリッタ１０６ｂにより反射され、再び第２波長板１０６ａに入射し、このように第１偏光状態を有する画像光線は第２波長板１０６ａにより第３偏光状態を有する画像光線に変換される。

第３偏光状態を有する画像光線は半反射半透過素子１０８ａに伝播され、半反射半透過素子１０８ａにより部分的に反射及び部分的に透過される。

半反射半透過素子１０８ａにより部分的に反射された画像光線は第４偏光状態を有し、それは第２波長板１０６ａに到達した後に、第２偏光状態に変換される。第２波長板１０６ａから出射した第２偏光状態を有する画像光線は偏光ビームスプリッタ１０６ｂにより透過され、且つ更に直線偏光素子１０６ｃを通り抜け、その後、ユーザーの目１１０に入る。

半反射半透過素子１０８ａにより部分的に透過された画像光線は伝播されて円偏光素子１０８ｂに到達し、それは依然として第３偏光状態を有する。円偏光素子１０８ｂが第４偏光状態を有する光線のみの通過を許可し且つ第３偏光状態を有する光線を吸収するため、半反射半透過素子１０８ａにより部分的に透過された画像光線は円偏光素子１０８ｂ箇所で吸収される。このように、画像光線が外部環境に漏れることを効果的に防止することができ、それによりユーザーのプライバシーを保護する。

以下、光学装置２００Ａにおける環境光線の伝播経路を記述する。

環境光線は円偏光素子１０８ｂに入射する。円偏光素子１０８ｂが第４偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、円偏光素子１０８ｂから出射した環境光線は第４偏光状態を有する。第４偏光状態を有する環境光線は半反射半透過素子１０８ａにより部分的に透過され、透過された環境光線の偏光状態は変わらないように維持する。

半反射半透過素子１０８ａを透過した第４偏光状態を有する環境光線は伝播されて第２波長板１０６ａに到達し、第２偏光状態を有する環境光線に変換される。第２偏光状態を有する環境光線は偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃを通り抜け、次にユーザーの目に入る。

このように、ユーザーの目は実際のシーンと仮想画像との重ね合わせ画像を見ることができ、それにより拡張現実の効果を達成する。

以下、光学装置２００Ａにおける干渉光線の伝播経路を更に記述する。

干渉光線は直線偏光素子１０６ｃに入射する。直線偏光素子１０６ｃが第２偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、直線偏光素子１０６ｃから出射した干渉光線は第２偏光状態を有する。

第２偏光状態を有する干渉光線の全部は偏光ビームスプリッタ１０６ｂを通り抜け、第２波長板１０６ａに伝播される。このように、干渉光線が反射されることなく偏光ビームスプリッタ１０６ｂを通り抜けるため、ユーザーの目１１０に入る干渉光線がなくなり、それにより画像形成効果に対する干渉光線の干渉を効果的に回避し、光学装置２００Ａの耐干渉性を強化することができる。

第２波長板１０６ａは第２偏光状態を有する干渉光線を、第４偏光状態を有する干渉光線に変換する。第４偏光状態を有する干渉光線は引き続き第１波長板１０４ｂに伝播される。

第１波長板１０４ｂは第４偏光状態を有する干渉光線を、第２偏光状態を有する干渉光線に変換する。

第１偏光板１０４ａが第１偏光状態を有する光線のみの通過を許可するため、第２偏光状態を有する干渉光線は第１偏光板１０４ａ箇所で吸収される。

該実施例において、干渉光線が直線偏光素子に入射した後に、第１偏光板１０４ａ箇所に伝播され且つ第１偏光板１０４ａ箇所で吸収され、ユーザーの目に入らないため、画像光線及び環境光線に対する干渉光線の干渉を回避し、画像形成品質を向上させることができる。また、円偏光素子１０８ｂはそれに入射した画像光線が外部環境に入ることを阻止することができるため、画像光線が外部環境に漏れることを回避し、ユーザーのプライバシーを効果的に保護することができる。

また、注意すべきである点として、光学装置２００Ａがレンズ１０２ｂを更に含む状況下で、画像ソース１０２ａと第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂとの距離は所定の光学設計を満たす必要がある。

理解すべきであるように、図２Ａにおいて、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂを貼り合わせて配置することが示されたが、異なる実施例において、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂは分離して配置され且つ相応な機械構造によって相対的に固定されてもよい。

また、図２Ａにおいて、第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃを貼り合わせて配置することが示されたが、異なる実施例において、第２波長板１０６ａ、偏光ビームスプリッタ１０６ｂ及び直線偏光素子１０６ｃは分離して配置され且つ相応な機械機構によって相対的に固定されてもよい。

また、図２Ａにおいて、画像ソース１０２ａと第１偏光板１０４ａ、及び第１波長板１０４ｂとを分離して配置することが示されたが、異なる実施例において、画像ソース１０２ａは第１偏光板１０４ａ、及び第１波長板１０４ｂと貼り合わせて配置されてもよい。

また、図２Ａにおいて、半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂを分離して配置することが示されたが、異なる実施例において、半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂは貼り合わせて配置されてもよい。

本明細書はこれらの具体的な配置方式を限定しない。

また、理解できるように、図２Ａにおいて、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者を半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者と大まかに垂直に配置することが示されたが、異なる実施例において、更に他の異なる配置方式を採用してもよい。異なる配置方式において、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者はいずれも大まかに平行に配置されてもよく、半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの中心法線の方向は、入射した画像光線の中心光線の方向と大まかに一致してもよく、例えば、画像光線の中心光線が半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者に大まかに垂直に入射してもよいと理解できる。

例えば、図２Ｂ～２Ｃは各々の光学素子の異なる配置方式の２つの例を示す。

図２Ｂ～２Ｃの例において、画像光線、環境光線及び干渉光線の伝播経路は図２Ａの例と類似し、記述を簡略化するために、ここで再度詳細に説明しない。

図２Ｂの例において、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者は半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者と大まかに１つの鋭角をなしてもよい。理解できるように、図２Ｂの例において、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者の中心法線は一致してもよく、これはこの三者が大まかに平行に配置されると理解することもできる。また、半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者の中心法線の方向は入射した画像光線の中心光線の方向と一致してもよく、これは、画像光線の中心光線が半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者に大まかに垂直に入射すると理解することもできる。

図２Ｃの例において、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者は半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者と大まかに１つの鈍角をなしてもよい。理解できるように、図２Ｂの例において、画像ソース１０２ａ、第１偏光板１０４ａ及び第１波長板１０４ｂの三者の中心法線は一致してもよく、これはこの三者が大まかに平行に配置されると理解することもできる。また、半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者の中心法線の方向は入射した画像光線の中心光線の方向と一致してもよく、これは、画像光線の中心光線が半反射半透過素子１０８ａ及び円偏光板１０８ｂの両者に大まかに垂直に入射すると理解することもできる。

１つの実施例において、光学装置は、画像ユニットと、第１偏光板と、第１波長板と、第２波長板と、偏光ビームスプリッタと、半反射半透過素子と、を含んでもよく、画像ユニットは、画像光線を発することに用いられ、第１偏光板は、画像ユニットから発された画像光線を受け、且つ第１偏光状態の画像光線を出射することに用いられ、第１波長板は、第１偏光板から出射した第１偏光状態の画像光線を受け、且つ第３偏光状態の画像光線を出射することに用いられ、第２波長板は、第１波長板から出射した第３偏光状態の画像光線を受け、且つ第１偏光状態の画像光線を出射することに用いられ、偏光ビームスプリッタは、第２波長板から出射した第１偏光状態の画像光線を受け、且つ第１偏光状態の画像光線を反射することに用いられ、偏光ビームスプリッタから反射された第１偏光状態の画像光線は第２波長板を通過した後に第３偏光状態の画像光線を出射し、半反射半透過素子は、第２波長板から出射した第３偏光状態の画像光線を受け、且つ第４偏光状態の画像光線を反射することに用いられ、半反射半透過素子により反射された第４偏光状態の画像光線は第２波長板を通過して第２偏光状態の画像光線に変換され、第２偏光状態の画像光線は偏光ビームスプリッタを通過してユーザーの目に入り、ここで、環境光線は半反射半透過素子、第２波長板及び偏光ビームスプリッタを順に通過した後に、第２偏光状態の環境光線はユーザーの目に入り、ここで、第３偏光状態及び第４偏光状態の両者の回転方向は反対であり、第１偏光状態及び第２偏光状態の両者の方向は垂直である。

１つの実施例において、第１偏光板及び第１波長板は一体に貼り合わせられ、第１偏光板は画像ユニットに近い一側に設置され、第２波長板及び偏光ビームスプリッタは一体に貼り合わせられ、第２波長板は第１波長板に近い一側に設置され、半反射半透過素子は第２波長板に近い一側に設置される。

１つの実施例において、光学装置は直線偏光素子を更に含み、直線偏光素子は偏光ビームスプリッタの第２波長板から離れる一側に貼り合わせられ、直線偏光素子は第２偏光状態を有する光線のみを通過させることに用いられる。

１つの実施例において、光学装置は円偏光素子を更に含み、円偏光素子は半反射半透過素子の第２波長板から離れる一側に貼り合わせられ、円偏光素子は第４偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第３偏光状態を有する光線を吸収することに用いられる。

１つの実施例において、画像ユニットは第１偏光板、及び第１波長板に平行に設置され、半反射半透過素子は画像ユニットと鈍角又は鋭角をなすように設置される。

図３の例において、ヘッドマウント機器３００はハウジング３０１と、ハウジング３０１内に収容される光学装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ（図２Ａ～２Ｃを参照する）とを含む。例えば、ハウジング３０１の形状はヘルメット形状又は眼鏡形状である。

光学装置は画像ユニット、第１光学ユニット、第２光学ユニット及び第３光学ユニットを含んでもよい。画像ユニットは画像光線を発することに用いられ、第１光学ユニットは画像ユニットに平行に設置され、それによって第１光学ユニットは画像ユニットから発された画像光線を受け、第１光学ユニットから出射した画像光線は第１角度で第２光学ユニットに入射し、且つ画像光線は第２角度で第２光学ユニットから出射し、干渉光は第２光学ユニットに入射した後に、第１光学ユニットに向かって伝播され、且つ第１光学ユニットにより吸収され、第２光学ユニットから出射した画像光線は第３光学ユニットにより反射された後に、再び第２光学ユニットを透過してユーザーの目に入り、第３光学ユニットは画像光線が第３光学ユニットを通り抜けて外部環境に入ることを阻止し、ここで、環境光線は第３光学ユニット及び第２光学ユニットを順に通過してユーザーの目に入る。

また、本明細書における光学装置１００又は２００Ａ～２００Ｃはヘッドマウント機器３００に応用できる。例えば、ヘッドマウント機器３００はヘルメット形状又は眼鏡形状を有してもよい。たとえば、ヘッドマウント機器３００の一例はＡＲ機器であってもよい。例えば、ＡＲ機器は上記図１Ａ～図２Ｃにおけるいずれかの実施例に記述された光学装置を含んでもよい。ＡＲ機器はクランプ部材を更に含んでもよく、それはＡＲ機器をユーザーの頭部、及び耳等に固定することができる。

本明細書全体において使用される用語「例示的」は、「例、実例又は例示とする」を意味し、他の実施例よりも「好ましい」又は「優位性を有する」を意味しない。記述される技術に対する理解を提供する目的で、具体的な実施形態は具体的な細部を含む。しかし、これらの具体的な細部がない状況下でこれらの技術を実施することができる。いくつかの実例において、記述される実施例の概念の理解を困難にすることを回避するために、公知の構造及び装置はブロック図の形式で示される。

以上は図面と併せて本開示内容の実施例の選択可能な実施形態を詳細に記述し、しかし、本開示内容の実施例は上記実施形態における具体的な細部に限定されず、本開示内容の実施例の技術的発想範囲内に、本開示内容の実施例の技術的手段に対して複数種の変形を行うことができ、これらの変形はいずれも本開示内容の実施例の保護範囲に属する。

本開示内容の上記記述は、当業者に本開示内容を実現又は使用させることができるために提供される。当業者にとって、本開示内容に対して行われる各種の修正は明らかであり、且つ、本開示内容の保護範囲を逸脱しない状況下で、本明細書で定義された一般的な原理を他の変形に応用することもできる。従って、本開示内容は本明細書に記述された例及び設計に限定されず、本明細書に開示されている原理及び新規性特徴に合致する最も広い範囲と一致する。

１００：光学装置 １０２：画像ユニット
１０４：第１光学ユニット １０６：第２光学ユニット
１０８：第３光学ユニット １１０：ユーザーの目
１０２ａ：画像ソース １０２ｂ：レンズ
１０４ａ：第１偏光板 １０４ｂ：第１波長板
１０６ａ：第２波長板 １０６ｂ：偏光ビームスプリッタ
１０６ｃ：直線偏光素子 １０８ａ：半反射半透過素子
１０８ｂ：円偏光素子 ２００Ａ：光学装置
２００Ｂ：光学装置 ２００Ｃ：光学装置
３００：ヘッドマウント機器 ３０１：ハウジング

Claims (14)

1. 光学装置であって、
   画像ユニットと、第１光学ユニットと、第２光学ユニットと、第３光学ユニットとを含み、ここで、
   前記画像ユニットは、画像光線を発することに用いられ、
   前記画像ユニット、第１光学ユニット、第２光学ユニット及び第３光学ユニットは、前記画像光線が前記第１光学ユニットを透過して前記第２光学ユニットに到達し、次に前記第２光学ユニットにより前記第３光学ユニットへ反射され、その後、前記第３光学ユニットにより反射されて前記第２光学ユニットに戻り、且つ前記第２光学ユニットを透過してユーザーの目に入るように配置され、
   前記第２光学ユニットは、前記第２光学ユニットに入射した干渉光線が前記ユーザーの目に入ることを阻止するように配置され、
   前記第３光学ユニットは、前記画像光線が前記第３光学ユニットを通り抜けて外部環境に入ることを阻止するように配置され、
   前記第１光学ユニットは、第３偏光状態を有する光線の通過を可能にするために用いられ、
   前記第２光学ユニットは、前記第１光学ユニットから前記第２光学ユニットに出射した第３偏光状態を有する光線を第１偏光状態を有する光線に変換し、その後、前記第１偏光状態を有する光線を前記第３光学ユニットに入射しようとする第３偏光状態を有する光線に変換し、前記第３光学ユニットから前記第２光学ユニットに出射した第４偏光状態を有する光線を、前記ユーザーの目に入ろうとする第２偏光状態を有する光線に変換し、及び前記第２光学ユニットに入射した干渉光線を、前記第１光学ユニットに入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換することに用いられ、
   前記第３光学ユニットは、前記第２光学ユニットから前記第３光学ユニットに出射した第３偏光状態を有する光線を、前記第２光学ユニットに入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換し、及び前記第３光学ユニットに入射した環境光線を、前記第２光学ユニットに入射しようとする第４偏光状態を有する光線に変換することに用いられ、
   ここで、前記第３偏光状態及び前記第４偏光状態の両者の回転方向は反対であり、第１偏光状態及び前記第２偏光状態の両者の方向は垂直である、光学装置。
2. 前記第１光学ユニット及び前記第２光学ユニットは、前記第２光学ユニットに入射した干渉光線を、前記第２光学ユニットを透過させた後に、前記第１光学ユニットで吸収するように配置される、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第３光学ユニット及び前記第２光学ユニットは、前記第３光学ユニットに入射した環境光線を、前記第３光学ユニット及び前記第２光学ユニットに順次に透過させて前記ユーザーの目に入るように配置される、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記第１光学ユニットは第１偏光板と、第１波長板とを含み、ここで、前記第１偏光板は前記画像ユニットに近い一側に設置され、前記第１波長板は前記第２光学ユニットに近い一側に設置され、前記第１偏光板は第１偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第２偏光状態を有する光線を吸収することに用いられ、前記第１波長板は、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることに用いられる、請求項１に記載の光学装置。
5. 前記第２光学ユニットは第２波長板と、偏光ビームスプリッタと、直線偏光素子とを含み、ここで、前記第２波長板は前記第１光学ユニットに近い一側に設置され、前記直線偏光素子は前記第１光学ユニットから離れる一側に設置され、前記偏光ビームスプリッタは前記第２波長板と前記直線偏光素子との間に設置され、
   前記第２波長板は、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることに用いられ、
   前記偏光ビームスプリッタは第２偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第１偏光状態を有する光線を反射することに用いられ、
   前記直線偏光素子は第２偏光状態を有する光線のみを通過させることに用いられる、請求項１に記載の光学装置。
6. 前記画像光線は第１角度で前記第２光学ユニットに入射し、且つ前記画像光線は第２角度で前記第２光学ユニットから出射し、
   ここで、前記第２波長板の厚さ及び規格は前記第１角度及び前記第２角度に基づいて決定される、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記第３光学ユニットは半反射半透過素子と、円偏光素子とを含み、ここで、前記半反射半透過素子は前記第２光学ユニットに近い一側に設置され、前記円偏光素子は前記第２光学ユニットから離れる一側に設置され、
   前記半反射半透過素子は、入射した光線を部分的に反射及び部分的に透過することに用いられ、
   前記円偏光素子は、第４偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第３偏光状態を有する光線を吸収することに用いられる、請求項１に記載の光学装置。
8. 前記円偏光素子は第２偏光板と、第３波長板とを含み、ここで、前記第３波長板は半反射半透過素子に近い一側に設置され、前記第２偏光板は前記半反射半透過素子から離れる一側に設置され、前記第２偏光板は、第２偏光状態を有する光線を通過させ、且つ第１偏光状態を有する光線を吸収することに用いられ、前記第３波長板は、第１偏光状態を有する光線を、第３偏光状態を有する光線に変換させ、第３偏光状態を有する光線を、第１偏光状態を有する光線に変換させ、第２偏光状態を有する光線を、第４偏光状態を有する光線に変換させ、及び第４偏光状態を有する光線を、第２偏光状態を有する光線に変換させることに用いられる、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記画像ユニットは画像ソースを含み、又は前記画像ユニットは画像ソースとレンズとを含む、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
10. 前記画像ユニット及び前記第１光学ユニットの両者の中心法線は一致し、前記第３光学ユニットの中心法線の方向と前記第３光学ユニットに入射した前記画像光線の中心光線の方向とは一致する、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
11. 前記第１偏光板及び前記第１波長板は一体に貼り合わせられる、請求項４に記載の光学装置。
12. 前記第１光学ユニットは前記画像ユニットに平行に設置され、前記画像ユニットは前記第３光学ユニットに垂直に設置され、前記第１光学ユニットの中心法線と前記第２光学ユニットの中心法線との間の角度は２０°～７０°の間にある、請求項１に記載の光学装置。
13. 前記偏光ビームスプリッタの両側は前記第２波長板及び前記直線偏光素子に貼り合わせられる、請求項５に記載の光学装置。
14. ヘッドマウント機器であって、請求項１～１３のうちのいずれか一項に記載の光学装置を含み、ここで、前記ヘッドマウント機器はヘルメット形状又は眼鏡形状を有する、ヘッドマウント機器。

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