JPH09508478A

JPH09508478A - パーソナルビジュアルディスプレイ

Info

Publication number: JPH09508478A
Application number: JP7520579A
Authority: JP
Inventors: ラリソン，デニス・リチャード; アマドン，シー・グレゴリー; マック・ジュニア，ウォルフガング・アダム; コナー，アーリー・アール
Original assignee: バーチュアル・アイ／オゥ・インコーポレイテッド
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1997-08-26
Also published as: EP0763216A2; AU2156295A; EP0763216A4; AU1330295A; WO1995021396A3; JPH09508711A; WO1995021395A1; WO1995021396A2

Abstract

(57)【要約】好ましくは環境光と組合せ可能な生成された画像をユーザの目に送るためのビジュアルディスプレイ装置が提供される。ＣＲＴ、ＬＥＤまたはＬＣＤのような画像生成器（２）からの光は、ユーザの目（５）から離れるように、折返しミラー（１）から反射されてコンバイナ（４）の方へ向かう。画像はコンバイナから反射されかつ拡大され、環境からの光と光学的に組合され、折返しミラーを通って逆の方へ進みユーザの目の方へ向かう。ある実施例において、メニスカスレンズまたはＰＣＸレンズのような光学素子（７）がユーザに実質的に平坦な焦点視野を与えるように用いられ、かつ／またはフレネルレンズもしくは回折光学素子が、最大のコントラストを維持するために画像からの光線を像面湾曲補正レンズに向けるのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】パーソナルビジュアルディスプレイ技術分野この発明は、生成された画像と、ユーザを取囲む環境の光景とを好ましくは複合可能であり、このような複合されたビジュアル情報をユーザの目の位置に送る、ビジュアルディスプレイに関する。背景技術ビジュアル情報を生き物、普通は人間に提供することがしばしば所望される。しばしば人は、このようなビジュアル情報を人間の、実世界の光景に重ね合せることを望む。他のアプリケーションでは、ユーザを環境の光景からシールドすることが望ましく、これによってビジュアル情報の独占的な光景を与える。このようなディスプレイは、折返しカタジオプトリック頭部装着のディスプレイとして知られる形でいくつものコンポーネントを含み、画像生成器とビームスプリッタとを必要とする。このビームスプリッタは画像生成器から画像光を受け、このような画像光の、反射部分と呼ばれる一部分を反射コンバイナに送り、このコンバイナは、実世界からの光がこのようなコンバイナを通ることを可能にし、かつ画像光を反射するものなので、それにより実世界の光と画像光との両方が、ビームスプリッタを通ってユーザの目に送られる。ビームスプリッタは、コンバイナから反射される画像光の、透過部分と呼ばれる一部分を送信することとなる。コンバイナが少なくとも部分的に透過性である実施例において、実世界の光の一部分もビームスプリッタによって送られる。先の装置はいくつもの付加的なコンポーネントを含んでいた。補正光学素子を含む装置もあれば、たとえば「デピクセレートされたビジュアルディスプレイ（ Depixelated Visual Display）」のために１９９４年２月７日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ９４／０１３９０（ここに引用により援用される）に記載されるデピクセレータを含む装置もあった。さらに、「増倍されたビジュアルディスプレイ（ Intensified Visual Display）」について１９９４年２月７日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ９４／０１３９１（ここに引用により援用される）に記載されるようなビジュアルディスプレイを増倍するための装置を含む装置もあった。一般に、画像生成器、ビームスプリッタおよび反射コンバイナ以外のコンポーネントを含むことには不利な点がある。ほとんどの場合、このような付加的なアイテムの各々によってディスプレイ装置の重量が増す。ディスプレイ装置が、ユーザの頭上に装着されることが意図される場合、このような付加的な重量は不快の一因になり、バーチャルリアリティのアプリケーションに所望のごとく頭を早くかつ自然に動かすことは困難になるおそれがある。さらに、そのような付加的な装置は典型的に、正確にかつ精密に整列する必要があり、もともとの製造の間においても、必要になるかもしれないいかなる修理またはメインテナンスの間においても、装置内に含まれる付加的なコンポーネントの数によってアライメントが一層難しくなりかつアライメントの負担が大きくなる。さらに、このような付加的なコンポーネントが含まれる場合、光学設計も機械設計も複雑になる。さらに、付加的なコンポーネントは典型的に、最終的な装置のコストを増大させる。したがって、減じられたまたは最小化された数のコンポーネントを有し、しかも好ましくは高品質および高強度の画像のビジュアルディスプレイをユーザの目に送るビジュアルディスプレイ装置を提供することが有用になるだろう。発明の概要この発明のある実施例は頭部に装着されるディスプレイ（ＨＭＤ）であって、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような画像生成器からの画像を観察者の目の各々の１つにまたは両方に投影可能なものであって、そのような画像を送り、かつそれを周囲環境の直接の視界と組合せることが可能なものである。コンバイナは、画像をコンバイナに反射する簡単な金属の、誘電性のまたはホログラフィの折返しミラーを用いて、目の上方に装着されたＣＲＴまたはＬＣＤディスプレイ表面に結像する。この発明のある局面によれば、この装置は、素子の数を３つまたはそれ未満に減じることにより撮像光学素子を単純化する。この発明のある実施例は、ＣＲＴまたはＬＣＤのような画像生成器と、球状の金属製の、誘電性のまたはホログラフ式に作られたコンバイナまたはコリメータコンバイナのようなコンバイナと、金属製の、誘電性のまたはホログラフ式に作られた折返しミラーのような折返しミラーとを含む。ある実施例では、所望の高品質の画像を達成するためにさらなる光学素子は必要ではない。好ましくは、リレーレンズまたは付加的な補正屈折光学素子のような光学素子の必要をなくすことにより、ビジュアルディスプレイは単純化され、軽量にされかつ低コストにされる。ある実施例では、ビジュアルディスプレイは、たとえば反射撮像光学素子だけを用いることにより、屈折光学素子なしで単色性のかつ／または３色のディスプレイを与える。別の実施例では、付加的な光学素子が１つだけ設けられる。ある実施例では、この付加的な光学素子はコンバイナの湾曲した反射面に対応しかつユーザに本質的に平坦な焦点視野を与えるように設けられる。別の実施例では、デピクセレータおよび／または像増倍管が設けられ得る。図面の簡単な説明図１は、この発明のある実施例に従ったビジュアルディスプレイ装置の側部概略立面図である。図２は、この発明のある実施例に従ったビジュアルディスプレイの側部概略立面図である。図３は、この発明のある実施例に従った、頭部に装着されるディスプレイ装置を示す斜視図である。図４は、この発明のある実施例に従った、頭部に装着されるディスプレイ装置を示す、一部破断側面図である。図５Ａおよび５Ｂは、コントラスト補正のない効果的な観察角を示す概略的な側面図である。図６は、補正された観察角を示す概略的な側面図である。好ましい実施例の詳細な説明図１に示されるように、ビジュアルディスプレイのある実施例は、画像生成器２と、画像生成器２からの画像光を受取りかつこの画像光を反射するように位置決めされた折返しミラー１と、反射コンバイナ４とを含み、反射コンバイナ４は、折返しミラー１からの画像光を受取り、周囲環境から反射コンバイナ４を通って透過された光線と組合され得るこの画像光を反射し、組合された環境光線および画像光を折返しミラー１を通ってユーザの目５まで透過するように位置している。画像生成器２から目５までの画像光の光路６が図１に示される。好ましくは、この発明は実質的にオンアクシス構成である。この発明の実施例のオンアクシス構成では、画像生成器２の出力面１００に対して、画像生成器からの画像光が約４５°（好ましくは±約５°）の角度１０２で折返しミラーに当り、かつ／またはコンバイナ４の中心１０６での接平面１０４は、約９０°（好ましくは±約５°）の角度１０８にある。オンアクシスシステムは画像のキーストーン歪みを回避する（したがって歪みを補正しなければならない場合の付加的な光学素子は必要ではない）。ある実施例では、画像光は実質的に直接に（すなわち介在する光学素子を通過せずに）、画像生成器から折返しミラーまでかつ／または折返しミラーからコンバイナまで進む。図２に示される実施例は、画像生成器２と折返しミラー１との間におかれた像面湾曲補正レンズ７のような光学素子を含む。図２の説明において、レンズ７は、その平坦な表面が画像生成器の画像面の方に配向された平凸レンズである。示された実施例のさまざまなコンポーネントについては以下でより詳細に説明する。別個の画像が生成されてユーザの各目に送られることが好ましいので、図１または図２に示されるある実施例では、２組のコンポーネント、すなわち目の各々に対して組のコンポーネントがある。画像発生器２は、陰極線管（ＣＲＴ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電界放出装置（ＦＥＤ）、液晶カラーシャッタと接続して用いられ得る単色ＣＲＴのような単色画像源と、レーザダイオードアレイのようなレーザ装置とを含む複数の撮像装置のいずれかからなり得る。好ましくは、ＬＣＤ装置は、白熱ライティング、蛍光ライティング、エレクトロルミネッセンスおよび周囲ライティングのようないくつものバックライト装置（図示せず）のいくつかを用いてバックライトで照らされる性能を含む。画像生成器は単色またはカラー画像源であってもよい。ある実施例では、液晶カラーシャッタのような着色素子を用いて、たとえば単色画像をフレームシーケンシャルカラー画像に変換可能である。たとえば、テクトロニクス（Tektronix）ＥＸ１００ＨＤ１インチカラーディスプレイシステムにおいてカラーシャッタシステムが与えられる。ある実施例では、セイコーエプソン（Seiko Epson）ＦＯ７ＫＭ２００，１３８，０００ピクセル，対角線の長さが０．７インチの、バックライト付のＬＣＤのようなカラーＬＣＤが用いられてもよいが、他の装置も動作可能である。画像生成器２は、通信リンク１２によって画像生成器と通信する画像源１０の制御下で画像を生成する。画像生成器は、コンピュータ、ビデオカセットレコーダ（ＶＣＲ）、レーザディスク、ビデオカメラ等の源から画像情報を受取ることができる。通信リンクはケーブル、光ファイバであってもよく、または赤外線もしくは無線通信リンクのようなワイヤレスリンクであってもよい。ある実施例では、画像生成器２は、ケーブルリンクによる通信で三次元ディスプレイソフトウェアを動作させるポータブルコンピュータからの画像情報を受取る。示される実施例において、画像生成器２は折返しミラー１の実質的に上方に（つまり目の位置５とコンバイナ４との間の軸が実質的に水平であるように装置が配向されるとき垂直方向に上方に）装着される。この構成を参照して、両像光は画像生成器２から下方向に折返しミラー１に進む。画像光は、ユーザの目５から離れるように実質的に水平方向に、折返しミラー１により少なくとも部分的に反射されてコンバイナ４の方へ向かう。コンバイナ４で、画像光ば少なくとも部分的に反射されて戻され、折返しミラー１へ向かう。ユーザが画像または環境光を同時に見る実施例において、環境からの光は実質的に透明なコンバイナ４を通過し、コンバイナ４から反射された画像光とともに進み、組合された光を生じさせる。ユーザが環境を見ることができず、生成された画像だけを見る場合の実施例（「没頭型」装置と称される）において、コンバイナは実質的に完全に反射性がありかつ実質的に非透過性である（その結果、この文脈においては「コンバイナ」は便宜上用いられるだけである）。画像光および／または組合された光は、折返しミラー１を通って少なくとも部分的に透過されユーザの目５へ向かう。周囲の環境から観察者の目まで進む光がもしあれば、この光の量は、コンバイナおよび折返しミラーの表面上に置かれたコーティングにより少なくとも部分的に調整され得る。折返しミラー１およびコンバイナ４を形成するために多くの技術を用いることができる。装置によっては、ホログラフィ光学素子（ＨＯＥ）を用いて折返しミラーおよび／またはコンバイナを作ることが可能である。以下により詳細に述べられ、かつたとえば、「光学的に補正されたヘルメット付ディスプレイ（Optica lly Corrected Helmet Mou nted Display）」について１９９３年１１月１２日に出願された米国特許出願第０８／１５０，９６６号とその親出願である１９９２年２月７日に出願された出願連続番号第０７／８３２，２３７号、現在は米国特許第５，３０３，０８５号とに記載されるように、これらの目的のためにさまざまなホログラフィおよび非ホログラフィ技術を用いることが可能であり、これらの特許の両方がここで引用により援用される。折返しミラー１は平坦な部分的レフレクタである。示される実施例において、この折返しミラー１は、画像光６の光路に対してほぼ４５°に位置決めされる。折返しミラーは、目５から離れかつコンバイナに向かう方向に、画像源からの投影された画像を反射させる。コンバイナから反射された光の少なくとも一部分は折返しミラーを通過して目まで進むことも可能である。好ましくは、折返しミラーは、可視スペクトル（ほぼ４５０ないし６５０ナノメートルの波長）にわたる光を均等に反射するように構成される。ある実施例において、折返しミラーは５０％の（光の５０％を反射しかつ光の５０％を通過させる）スプリッタである。この折返しミラーを、ホログラフ式で、誘電式で、または金属で作ることが可能である。この折返しミラーは、ガラスまたはプラスチック基板および、クリスタル材料、ポリクリスタル材料、透明セラミック等の他の実質的に透明な材料を用いて形成可能である。画像生成器に面する折返しミラーの表面は典型的には反射面である。反射面に対向する表面は好ましくは反射防止コーティングを有する。反射防止コーティングはその表面からのゴースト反射を防ぐのに有用である。ホログラフィおよび誘電性折返しミラーは高率でさまざまな偏光を選択的に反射するようにされ、波を遅らせる材料とともに用いられた場合、特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９４／０１３９１で記載されるように非常に高いスループット能率を達成可能である。ある実施例において、折返しミラーは、反射側では金属材料のまたは誘電体材料の気相成長で、そして同じ気相成長プロセスを用いてフッ化マグネシウムのような反射防止コーティングで生成可能である。反射表面にはホログラフィフォトポリマーまたは二色性ゼラチン（ＤＣＧ）を用いても製造可能である。反射防止表面は折返しミラーの背面に気相成長される。コンバイナ４は完全にまたは部分的に反射光学素子である。ある実施例において、このコンバイナは好ましくは約５０ｍｍから約８０ｍｍの、さらに好ましくは約５５ｍｍから約７０ｍｍの、一番好ましくは約６７ｍｍの曲率半径を有して球状にまたは非球状に湾曲している。好ましくは、コンバイナ４は画像光の主な拡大素子の役割をする。光学素子は、画像を拡大する場合は「電力を与えられた」素子と称される。便宜上、このアイテムは「コンバイナ」と称されるが、以下により詳細に説明されるように、実施例によっては、画像光を環境光と組合せないでコンバイナを用いてもよい。コンバイナはガラス、プラスチックまたは他の透明なもしくは部分的に透明な材料の基板上に形成可能であり、または環境光からの分離が望ましい場合、金属、非透明のセラミックス、プラスチックまたはガラス等のような不透明なまたは実質的に不透明な基板で形成可能である。ある実施例において、フォトポリマー、二色性ゼラチン（ＤＣＧ）または他の類似のホログラフィ材料を用いてコンバイナをホログラフ式に作ることが可能である。技術分野では周知であるが、ホログラフィ素子は、ある特定の波長帯を反射しかつ他の波長を透過させるように微調整可能である。ある実施例において、コンバイナは、画像生成器により出力された波長である（かつ組合されると完全なカラー画像を生成する）赤、緑および青の波長の高反射を達成するように調整される。ある実施例において、ホログラフィコンバイナはシングルラインまたはマルチラインのホログラフィ装置であり、この装置は１つ以上の波長を反射するように調整され得る。たとえば、３ラインホログラフィ装置が、たとえばほぼ４８０、５４５および６３０ナノメートル（プラスまたはマイナス約２０ナノメートル）の波長を反射するように調整され得る。約４８０、５４５および６３０ナノメートルの狭い範囲の波長以外の、環境からの波長等の他の波長は、高度の透過率でコンバイナを通って透過されユーザの目の方へ向かう。アプリケーションによって、より多く、より少なくまたは異なった波長を反射するようにホログラムが構成され得る。デジタルホログラフィが動作可能な技術ではあるが、実施にコストがかかるこの技術はこの発明の高品質画像を達成するのに必要ではないと今のところ思われており、したがって、今のところ、ホログラムをコンバイナに用いなければならない場合は伝統的な（非デジタルまたは非合成）技術が好ましい。広帯域誘電体技術を用いてもコンバイナを作ることが可能である。これらのコンバイナは、二酸化ケイ素および二酸化チタンのような誘電体材料の層を連続して堆積することにより作られる。このタイプのコーティングは、可視スペクトルにわたって均等に反射するよう、たとえばほぼ４５０ナノメートルから６５０ナノメートルまでの波長を均等に反射するように設けられ得る。このように反射が均等であることは画像の色の統一性を維持するのに特に有用である。広帯域誘電体コーティングで作られたコンバイナはホログラフィコンバイナよりも効率的でなくかつ透過率が低いので、高度の透過率が必要ではない（環境光が望ましくないバーチャルリアリティのアプリケーションのような）アプリケーションにおいて有用である。完全にまたはほとんど完全に没頭型の誘電体コンバイナは、色素を吸収する光にコンバイナの基板を浸すことにより作られ得る。この色づけプロセスは、所与の所望の透過性仕様、たとえば約１％のコンバイナを作るのに変えられてもよい。コンバイナはまた、コンバイナの所望の反射性を達成するためにアルミニウムまたは他の金属コーティングを用いて基板上に形成され得る。これらの材料はホログラフィまたは誘電体コンバイナと比較すると相対的にコストが低いかこれらほど効率的ではない。これらのコンバイナを完全に浸漬性であるようにすることは容易であり、コーティングの厚さを減じることによってこれらのコンバイナを同様に透過的であるようにすることも可能である。ある実施例において、コンバイナ４による拡大は、画像生成器からの画像の中心がユーザには無限焦点を有するように思われる（すなわち、ユーザが自分の目の焦点を遠い、本質的には無限距離に合わせるとユーザには焦点が合っているように思われる）ように構成される。多くの構成において、中心にない画像の部分は、画像の中心の焦点よりも近くの点に焦点を有するようにユーザは知覚される。典型的には、この差は、生成された画像の中心から遠くに離れていくに従って増大する。多くのアプリケーションにおいて、知覚された焦点距離のこの差は望ましくない。なぜなら、たとえば生成された画像の異なった部分を見るときにユーザは絶えず自分の目の焦点をシフトするように強いられるからである。実施例によっては、たとえばビジュアルディスプレイ装置の総重量、コスト、複雑さ等を減じるかまたは最小化するためには、生成された画像にわたる焦点距離のある量の差を許容することが好ましいだろう。しかしながら、アプリケーションによっては、この光学特徴を補正しかつユーザに生成された画像用の実質的に平坦な焦点視野を与えるには、さらに光学素子を含むことが望ましい。この発明の実施例を用いて、画像像面湾曲のような、球状のコンバイナが作り出す収差および歪みを減じることが可能である。図２の実施例はこの補正を達成するためのある方策を示す。これらの実施例において、画像生成器とユーザの目との間の光路に沿ったいずれかの位置にさらなる光学素子７が位置決めされる。図２の実施例において、この光学素子は画像生成器２と折返しミラー１との間に配置される。図２に示される実施例において、この付加的な光学素子は平凸（ＰＣＸ）レンズである。別の実施例において、像面湾曲を補正し同時に好ましい方向に画像光を向けるために、メニスカスレンズ、たとえば負のメニスカスレンズを用いることが可能である。画像光をある方向に向けることは、以下に説明されるようなハイコントラスト画像を維持することを含め、多くの目的に有用である。垂線に近くで（画像面に対して９０°±約１０°）画像生成器から出る画像光線は多くの場合最高のコントラスト比を有する。図５Ａに示されるように、画像生成器２、折返しミラー１およびコンバイナ４だけを含む構成においては、画像の中心の近くの有効な観察角３２は垂直（すなわち画像出力面に対し９０°）に比較的近いが、典型的には約１０°までそこから離れている。しかしながら、画像生成器２の端縁の近くで生成された画像の部分は、より大きい有効的な観察角３４を有し、さらに、多くの場合、これは劣化されたコントラストまたは逆のコントラストでさえ有するに足るほど大きい（垂直から約１０°またはそれ以上離れている）。このことは、画像生成器２が液晶ディスプレイである場合に最大の問題を提示する。なぜなら、ＬＣＤは大きい観察角ではコントラストの喪失を受ける頻度が高いからである。このことは画像の周囲または端縁の近くの、ローコントラストまたは逆コントラストの画像を知覚すると明らかになる。図５Ｂに示されるように平凸レンズ７が含まれる場合、または画像生成器２の対角線の大きさが１インチまたはそれ以上であるように比較的大きい場合（０．７インチの対角線の画像生成器のようなより小さな画像生成器では、依然として周囲のコントラストが幾分失われるかもしれないが）、画像の端縁の近くでコントラストが失われる問題は、さらにずっと深刻である。この発明のある実施例によれば、ＬＣＤから垂直入射で光線を受取り、必要な角度で像面湾曲補正レンズ（この場合は）に入るように、かつ所望の拡大および／または像面湾曲補正を生じさせるように、その光を再び放射する光学素子を設けることにより、コントラストの喪失は減じられまたは解消される。図６は、好ましくは画像生成器２の出力面に隣接したかつ／またはこれに接している負のメニスカスレンズ３６を設けるこのような装置を示す。好ましくは、負のメニスカスレンズは装置３６の上面３７により形成され、一方底面３７′は像面湾曲補正レンズの役割をする。図６からわかるように、負のメニスカスレンズの効果は、画像生成器２により生成された画像のあらゆる部分に効果的な観察角を与えることであり、この観察角とは（画像生成器の出力面から垂直方向に対して）垂直から約１０°未満、好ましくは約５°未満、さらに好ましくは約３°未満等の比較的小さな角である。この操作を達成することのできる他の光学素子は回折光学素子（ＤＯＥ）、フレネルレンズおよび他の屈折光学素子である。回折光学素子が用いられる場合、ＬＣＤ表面上にまたは像面湾曲補正レンズ上にまたはたとえば画像生成器２と像面湾曲補正レンズとの間に位置した別個の素子上に直接この光学素子を置くことができる。このような回折光学素子は画像生成器２から垂直入射で光線を受取り、回折によって光線を像面湾曲補正に用いられる平凸レンズ７に必要な適切な角度に、再び向けるだろう。画像光線をある方向に向けることは、負のレンズの役割をする（ゾーンプレートまたはホログラムのような）回折光学素子またはフレネル光学素子を用いて、画像源から実質的に垂直入射で、コリメートされた光を受入れ、この光を発散ビームとし、そしてこれを再び像面湾曲補正レンズによりコリメートすることで達成される。図３および図４は、頭部に装着されるディスプレイにおける図２の素子の用途を示す。ある実施例において、同日に出願されここに引用により援用される、パーソナルビジュアルディスプレイシステムのためのＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ９４／、（代理人事件番号Ｎｏ．１６４８６−６ＰＣ）に記載されるように、光学素子は好ましくは一目の各々のために別個のシュラウド１２ａおよび１２ｂを備えたシュラウド１２内に封入することにより完全にまたは部分的に保護される。バイザートップ１４のような覆いはさらに迷光からシールドし、かつ埃または他の汚れから光学素子を保護する。示される実施例において、装置はストラップ１６と額のブレース１８とにより所定の位置に保持される。上の説明を考慮すると、この発明の多くの利点がわかる。この発明は、生成された画像を環境光と組合せることが可能であるが、にもかかわらず軽量でかつ複雑さおよびコストが減じられた高品質ビジュアルディスプレイを与える。ある実施例において、生成された画像は拡大されるが、実質的に平坦な焦点視野でユーザに与えられる。多くの変形および修正も用いることが可能である。この発明は、少なくとも部分的にコンポーネントの数を減じるかまたは最小化することにより高品質の画像と軽量の装置とを与えるが、必要であれば、像増倍管、デピクセレータならびに回折光学素子およびフレネル光学素子のような付加的な光学コンポーネントを用いてもよい。デピクセレータが用いられる場合、これは画像生成器からの光画像を受取り、回折しかつ透過し、それによってこの光画像をデピクセレートするように画像生成器のピクセル面に平行に位置した直交回折格子として与えられ得る。好ましくは、直交回折格子の空間周波数は、用いられる画像光の最短の波長で乗算されたこの空間周波数が、画像生成器のピクセル面内の隣接したピクセル間の中心から中心の距離を直交回折格子と画像生成器のピクセルとの間の光学距離の２倍で除したものにほぼ等しいように構成される。直交回折格子の変調深さが８０％から１２０％の範囲内に入り、しかも直交回折格子が正弦曲線を描くかまたはわずかに直角にされることが好ましい。付加的な光学コンポーネントが像増倍管である場合、増倍管は以下のとおりに設けられ得る。画像生成器からの光がＳ偏光された場合、１／４波長プレートまたは液晶装置のような偏光回転子のようなフェーズリターダが、折返しミラーから反射されたＳ偏光された画像光がたとえば１／４波長プレートを通って透過されかつ１／４波だけ遅くされ、円偏光された画像光として１／４波長プレートから出るように位置決めされる。反射コンバイナは、１／４波長プレートからの円偏光された画像光を受取り、この円偏光された画像光を反射し、この円偏光された画像光を周囲環境から上記反射コンバイナを通って透過された光線と組合せ、この組合された環境光線と円偏光された画像光とを１／４波長プレートを通って透過させるように位置しており、１／４波長プレートは円偏光された画像光がＰ偏光された光として１／４波長プレートから出るように１／４波だけ円偏光された画像光を再び遅くし、Ｐ偏光された光はついで環境光線とともに折返しミラーを通過し、後にユーザの目の位置に達するのであるが、画像光が組合された環境光線もまた同様である。任意に、１／４波長プレートは反射コンバイナに装着される。１／４波長プレートの正確な性質は決定的に重要ではない。しかしながら、角度および波長への依存が最小化されるように一次プレートを用いることが好ましい。１／４波長プレートはプラスチックおよびクリスタルから作られまたはホログラフ式に構成される。しかしながら、プラスチックの波長プレートはより分散的であり、クリスタルのまたはホログラフィ波長プレートよりもより低い光学特性を有する。画像生成器からの光がＰ偏光された場合、ユーザに装着されたディスプレイは１／４波長プレートまたは偏光回転子のような第１のフェーズリターダを含み、この第１のフェーズリターダは、画像生成器からのＰ偏光された画像光が上記第１の１／４波長プレートを通って透過されかつ１／４波だけ遅くされ、円偏光された画像光として第１の１／４波長プレートから出るように位置しており、さらに、第２の１／４波長プレートを含み、この波長プレートは、第１の１／４波長プレートからの円偏光された画像光が上記第２の１／４波長プレートを通って透過されかつ１／４波だけ遅くされ、Ｓ偏光された画像光として第２の１／４波長プレートから出るように位置決めされる。折返しミラーは第２の１／４波長プレートからのＳ偏光された画像光を受取り、第２の１／４波長プレートを通ってこのＳ偏光された画像光を反射し、この第２の波長プレートではＳ偏光された画像光が再び１／４波だけ遅くされ、その結果円偏光された画像光として上記第２の１／４波長プレートから出る。反射コンバイナは、第２の１／４波長プレートから円偏光された画像光を受取り、この円偏光された画像光を反射し、この円偏光された画像光を周囲の環境からコンバイナを通って透過された光線と組合せ、この組合された環境光線と円偏光された画像光とを第２の１／４波長プレートを通って透過するが、この第２の１／４波長プレートは、円偏光された画像光が、Ｐ偏光された画像光として第２の１／４波長プレートから出るように１／４波だけ円偏光された画像光を再び遅らせ、Ｐ偏光された画像光は次いで環境光線とともに折返しミラーを通過し、後にユーザの目の位置に達するが、画像光が組合された環境光線もまた同様である。第２の１／４波長プレートは任意に折返しミラーにラミネートされ得る。これには、光学的に整列する必要があるコンポーネントの数を減じるという利点がある。さらに、これによって、反射防止コーティングを置く必要のある表面が少なくなる。示された構成はオンアクシスシステムであるが、この発明はオフアクシスシステムとも接続して用いられ得る。示された実施例は両眼構成を含むが、単眼構成も用いられてもよい。示された実施例は頭部に装着されるディスプレイを示すが、ヘルメット付の固定された接眼レンズディスプレイ等の他の装着技術を用いてもよい。この発明は好ましい実施例とある変形と修正とによって説明されたが、他の変形および修正も用いられてもよく、この発明は請求の範囲により規定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者アマドン，シー・グレゴリーアメリカ合衆国、98102 ワシントン州、シアトル、イー・ブレイン・ストリート、 1017 (72)発明者マック・ジュニア，ウォルフガング・アダムアメリカ合衆国、98112 ワシントン州、シアトル、シックスティーンス・アベニュ・イー、525、ナンバー・203 (72)発明者コナー，アーリー・アールアメリカ合衆国、97062 オレゴン州、テュアラタン、エス・ダブリュ・カルサ・ループ、577

Claims

【特許請求の範囲】１．画像光を出力する画像生成器と、前記画像生成器からの前記画像光を受取りかつ前記画像光の少なくとも第１の部分を第１の方向に反射するように位置決めされた折返しミラーと、反射コンバイナとを含み、前記反射コンバイナは前記折返しミラーから前記画像光の前記第１の部分を受取り、前記反射コンバイナを通って透過された環境光と組合された前記画像光の少なくとも第２の部分を反射して組合された光を生じさせるように位置しており、前記組合された光の少なくとも幾分かは前記第２の方向に前記折返しミラーを通ってユーザの目の位置まで透過され、前記画像生成器から前記折返しミラーまでかつ前記コンバイナまで、逆に前記折返しミラーを通ってかつユーザの前記目の位置まで光路を与え、前記反射コンバイナはデジタルホログラムを用いずに設けられる、ユーザ用のビジュアルディスプレイ装置。２．前記画像生成器と前記折返しミラーとは第１の軸を規定し、前記第１の方向は前記第１の軸に対し実質的に直交しかつユーザの目の位置から離れている、請求項１に記載の装置。３．前記画像生成器は発光ダイオードアレイ、液晶ディスプレイ、電界放出装置（ＦＥＤ）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬ）および陰極線管のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。４．前記ビジュアルディスプレイ装置は、前記画像生成器と前記折返しミラーとの間に光学的に活性状態のどんなコンポーネントもなしに設けられる、請求項１に記載の装置。５．前記ビジュアルディスプレイ装置は、前記折返しミラーと前記コンバイナとの間に光学的に活性状態のどんなコンポーネントもなしに設けられる、請求項１に記載の装置。６．前記折返しミラーと前記コンバイナとの間に位置決めされた光学素子をさらに含む、請求項１に記載の装置。７．前記折返しミラーと前記コンバイナとの間に位置決めされた前記光学素子はフェーズリターダを含む、請求項６に記載の装置。８．前記ビジュアルディスプレイ装置は前記折返しミラーとユーザの目の位置との間に光学的に活性状態のどんなコンポーネントもなしに設けられる、請求項１に記載の装置。９．前記反射コンバイナは、電力を与えられた光学素子である、請求項１に記載の装置。１０．前記画像生成器と前記折返しミラーとの間に位置した屈折光学素子をさらに含む、請求項１に記載の装置。１１．前記屈折光学素子は、ユーザに実質的に平坦な焦点視野を与える、請求項１０に記載の装置。１２．前記屈折光学素子は平凸レンズである、請求項１０に記載の装置。１３．前記屈折光学素子は、前記画像光の少なくとも一部分を第１の方向から第２の方向に再び向け、前記第１の方向は前記画像生成器の出力面に実質的に垂直な方向であり、前記第２の方向は前記第１の方向とは異なる、請求項１０に記載の装置。１４．前記屈折光学素子は画像のコントラストの低減を回避する、請求項１０に記載の装置。１５．前記屈折光学素子はメニスカスレンズである、請求項１０に記載の装置。１６．前記屈折光学素子は平凸レンズであり、フレネル光学素子および回折光学素子のうち少なくとも１つが前記平凸レンズの平坦な側にある、請求項１０に記載の装置。１７．フレネル光学素子および回折光学素子のうち１つが画像源の表面上に形成され、像面湾曲補正のために平凸レンズおよびメニスカスレンズのうちの１つと協働する、請求項１０に記載の装置。１８．前記光学素子はゾーンプレートを含む、請求項１０に記載の装置。１９．前記光学素子は像を増倍する、請求項１０に記載の装置。２０．前記光学素子はフェーズリターダと偏光回転装置のうちの１つである、請求項１９に記載の装置。２１．前記フェーズリターダは１／４波長プレートである、請求項２０に記載の装置。２２．実質的に平坦な焦点面を与える第１の光学素子と画像を増倍する第２の光学素子とをさらに含み、前記第１および第２の光学素子は前記画像生成器と前記ユーザの目の位置との間の光路に沿って位置決めされる、請求項１に記載の装置。２３．前記折返しミラーはホログラフィミラーである、請求項１に記載の装置。２４．前記折返しミラーは金属または誘電体のうちの１つでコーティングされたミラーである、請求項１に記載の装置。２５．前記コンバイナはホログラフ式に作られた素子である、請求項１に記載の装置。２６．前記コンバイナは金属または誘電体のうちの１つでコーティングされた素子である、請求項１に記載の装置。２７．画像光を出力するための第１の手段と、前記第１の手段から実質的に直接に前記画像光を受取りかつ第１の方向に前記画像光の少なくとも第１の部分を反射するための第２の手段と、第３の手段とを含み、前記第３の手段は前記第２の手段から実質的に直接に前記画像光の前記第１の部分を受取り、前記第３の手段を通って透過された環境光と組合された前記画像光の少なくとも第２の部分を反射して組合された光を生じさせ、前記組合された光の少なくとも幾分かは第２の方向に前記第２の手段を通ってユーザの目の位置まで透過される、請求項１に記載の装置。２８．ユーザに実質的に平坦な焦点視野として前記画像光を与えるための手段をさらに含む、請求項２７に記載の装置。２９．画像を増倍するための手段をさらに含む、請求項２７に記載の装置。３０．前記画像生成器の表面の実質的に全体にわたって小さな有効な観察角を与えるための手段をさらに含む、請求項２７に記載の装置。３１．画像光を出力するステップと、前記画像光を受取りかつユーザの目の位置から実質的に離れるように第１の方向に前記画像光の少なくとも第１の部分を反射するステップと、前記画像光の前記第１の部分を受取り、環境光と組合された前記画像光の少なくとも第２の部分を反射して組合された光を生じさせるステップとを含み、前記組合された光の少なくとも幾分かは、前記画像光を前記出力するステップと前記目の位置まで透過するステップとの間の光路に沿った屈折光学素子を必要とせずにユーザの目の位置まで第２の方向に透過される、ユーザにビジュアルディスプレイを与えるための方法。３２．画像光を出力する画像生成器と、前記画像生成器から前記画像光を受取りかつ前記画像光の少なくとも第１の部分を第１の方向に反射するように位置決めされた折返しミラーと、前記折返しミラーから前記画像光の前記第１の部分を受取り、前記画像光の少なくとも第２の部分を反射するように位置した第２のミラーとを含み、前記画像光の少なくとも幾分かは第２の方向に前記折返しミラーを通ってユーザの目の位置まで透過され、前記画像生成器から前記折返しミラーと前記第２のミラーとを経てユーザの前記目の位置まで光路を与える、ユーザのためのビジュアルディスプレイ装置。３３．画像源の指示下で第１および第２の画像光を出力する第１および第２の画像生成器と、それぞれ第１および第２の画像光を画像生成器から受取りかつ第１および第２の実質的に平行な方向に前記第１および第２の画像光のそれぞれ少なくとも第１および第２の部分を反射するように位置決めされた第１および第２のホログラフィ折返しミラーと、第１および第２の反射コンバイナとを含み、前記第１および第２の反射コンバイナは、それぞれ前記第１および第２の折返しミラーから前記第１および第２の画像光の前記第１および第２の部分を受取り、前記反射コンバイナを通って透過された環境光と組合された前記第１および第２の画像光の少なくとも第３および第４の部分を反射しかつ拡大して第１および第２の組合された光を生じさせるように位置し、前記第１および前記第２の組合された光の少なくとも幾分かは、ユーザの第１および第２の目の位置に対し第３および第４の実質的に平行な方向にそれぞれ前記第１および第２の折返しミラーを通って透過され、前記第１および第２の画像生成器から前記第１および第２の折返しミラーと前記第１および第２のコンバイナとを経てユーザの前記第１および第２の目の位置まで、それぞれ２つの光路を与え、さらに、ユーザの頭上に前記画像生成器、折返しミラーおよびコンバイナを装着するための手段を含む、ユーザ用の頭部に装着されるディスプレイ装置。３４．前記反射コンバイナは実質的に非透過性である、請求項３３に記載の装置。３５．前記頭部に装着されるディスプレイは、約１ポンド未満の重量を有する、請求項３３に記載の装置。３６．前記頭部に装着されるディスプレイは約９オンス未満の重量を有する、請求項３３に記載の装置。３７．前記頭部に装着されるディスプレイは約５オンス未満の重量を有する、請求項３３に記載の装置。３８．画像光を出力する、第１の出力表面を有する画像生成器と、前記第１の出力表面に実質的に垂直の第１の方向で前記画像生成器から前記画像光を受取りかつ前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記第２の光を再び向けるように構成された光学素子と、前記画像生成器から前記画像光を受取りかつ第３の方向に前記画像光の少なくとも第１の部分を反射するように位置決めされた折返しミラーと、前記折返しミラーから前記画像光の前記第１の部分を受取りかつ前記画像光の少なくとも第２の部分を反射するように位置した反射コンバイナとを含み、前記画像光の前記第２の部分の少なくともいくらかは、第４の方向に前記折返しミラーを通ってユーザの目の位置まで透過され、前記画像生成器から前記折返しミラーと前記コンバイナとを経てユーザの前記目の位置までの光路を与える、ユーザ用のビジュアルディスプレイ装置。３９．画像光を出力する第１の出力表面を有する画像生成器と、前記画像生成器から前記画像光を受取りかつ第３の方向に前記画像光の少なくとも第１の部分を反射するように位置決めされた折返しミラーと、前記折返しミラーから前記画像光の前記第１の部分を受取り、前記画像光の少なくとも第２の部分を反射しかつ拡大するように位置した拡大鏡とを含み、前記組合された光の少なくと幾分かは第４の方向に前記折返しミラーを通ってユーザの目の位置まで透過され、前記画像生成器から前記折返しミラーと前記拡大鏡とを経てユーザの前記目の位置までの光路を与え、さらに、前記画像のコントラストの喪失を防ぐための手段とを含む、ユーザ用のビジュアルディスプレイ装置。