JP6262530B2 - 一つ以上の反射光学表面を使用する頭取付けディスプレイ装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年８月１７日に出願された米国出願第１３／２１１，３７２号及び米国仮出願第６１／４０５，４４０号（２０１０年１０月２１日に出願されたＨＥＡＤ−ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹと題する）、米国仮出願第６１／４１７，３２５号（２０１０年１１月２６日に出願されＣＵＲＶＥＤ−ＳＴＡＣＫＥＤ ＦＲＥＳＮＥＬ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥと題する）、米国仮出願第６１／４１７，３２６号（２０１０年１１月２６日に出願されたＣＵＲＶＥＤ−ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥと題する）、米国仮出願第６１／４１７，３２７号（２０１０年１１月２６日に出願されたＣＯＭＢＩＮＥＤ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＯＦ ＦＲＥＳＮＥＬ ＬＥＮＳＥ ＡＮＤ ＦＬＡＴ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲと題する）、米国仮出願第６１／４１７，３２８号（２０１０年１１月２６日に出願されＣＯＭＢＩＮＥＤ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＯＦ ＦＲＥＳＮＥＬ ＬＥＮＳＥ ＡＮＤ ＣＵＲＶＥＤ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲと題する）、及び米国仮出願第６１／４２７，５３０号（２０１０年１２月２８日に出願されたＣＵＲＶＥＤ ＭＩＲＲＯＲ ＦＯＲ ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹと題する）に対する優先権を主張し、その開示内容全体が参考として本明細書で援用される。

技術分野
本開示は、一つ以上の反射光学表面、例えば、一つ以上の自由空間、超広角、反射光学表面（以降、“ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面”と略す）を使用する頭取付けディスプレイ装置に関する。より具体的には、本開示は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面のような反射光学表面を使用してユーザの目に近接して保持される発光ディスプレイシステムからの画像を表示する頭取付けディスプレイ装置に関する。

背景技術
ヘルメット取付けディスプレイやメガネ取付けディスプレイのような頭取付けディスプレイ（ここでは、“ＨＭＤ”と略す）は、ユーザの片目、より一般的には、両目近くに位置する一つ以上の小さなディスプレイデバイスを有する個人の頭に装着されるディスプレイデバイスである。図１は、ディスプレイ１１、反射光学表面１３、及び回転中心１７を有する目１５を含む一タイプのＨＭＤの基本要素を示す。この図に示すように、ディスプレイ１１からの光１９は、表面１３によって反射され、ユーザの目１５に入射する。

幾つかのＨＭＤは、実世界画像とは対照的に、シミュレート（コンピュータ発生）画像のみを表示し、従って、それらは、しばしは、“仮想現実”或いは没入型ＨＭＤと呼ばれる。他のＨＭＤは、シミュレート画像を非シミュレートの実世界画像に重ねる（組み合わせる）。非シミュレート画像とシミュレート画像の組み合わせによって、ＨＭＤユーザは、バイザーやアイピースを介して、例えば、実行されるタスクに関連する追加のデータがユーザの前方視界（ＦＯＶ）に重ね合わされる世界を見ることができる。この重ね合わせは、時として、“拡張現実”或いは“混合現実“と呼ばれる。

非シミュレートの実世界ビューとシミュレート画像との組合せは、部分的に反射され／部分的に透過する光学表面（“ビームスプリッター”）を使用して達成することができ、表面の反射性が使用されて仮想画像（光学的意味で）としてシミュレート画像を表示し、且つ表面の透過性が使用されてユーザが直接に実世界を見ることができる（“光学的透過システム”と呼ばれる）。実世界ビューとシミュレート画像との組み合わせは、実世界ビューのビデオをカメラから受け取りコンバイナーを使用して、それをシミュレート画像と電子的に混合することによっても行うことができる（“ビデオ透過システム”と呼ばれる）。次に、組み合わされた画像は、反射光学表面によって仮想画像（光学的意味で）としてユーザに提示することができる（この場合、その表面は、透過特性を有する必要はない）。

前述から、反射光学表面が、ユーザに（ｉ）シミュレート画像と非シミュレートの実世界画像との組み合わせ；（ｉｉ）シミュレート画像と実世界のビデオ画像との組み合わせ；（ｉｉｉ）純粋にシミュレートされた画像を提供するＨＭＤにおいて使用され得ると理解することができる。（最後の場合は、しばしば“没入型”システムと呼ばれる。）これらの場合の各々において、反射光学表面は、ユーザが見る仮想画像（光学的意味で）を生成する。歴史的に、そのような反射光学表面は、射出瞳がユーザによって利用可能な動的視野のみならず静的視野をも実質的に制限する光学システムの部分であった。具体的には、光学システムによって生成される画像を見るために、ユーザは、ユーザの目を光学システムの射出瞳に合わせ、その状態を保つ必要があった。その場合でも、ユーザに見える画像はユーザの全静的視野を覆わない。即ち、反射光学表面を使用したＨＭＤで使用される従来の光学システムは、瞳孔形成システムの一部であり、従って、射出瞳で制限されている。

システムがそのように制限されているのは、人間の視野が顕著に大きいという基本的な事実に因る。目の中心視野と周辺視野の両方を含む、人間の目の静的視野は、水平方向で〜１５０°、垂直方向で〜１３０°である。（本開示の目的のために、１５０°を名目上の人間の目の正面の静的視野とする。）そのように大きな静的視野に適合可能な射出瞳を有する良好に較正された光学システムは極まれであり、あっても、高価且つ嵩高となる。

更に、人間の目の動作視野（動的視野）は非常に大きい。なぜなら人間の目は、その回転中心回りに回転することができる、即ち、人間の脳は、目の凝視の方向を変えることによって異なる方向へ人間の目の中心＋周辺視野を向けることができるからである。名目上では目に対して、運動の垂直方向範囲は、上方に〜４０°、下方に〜６０°であり、運動の水平方向範囲は、正面から±〜５０°である。ＨＭＤで以前に使用された光学システムのタイプによって生成されるサイズの射出瞳では、目の小さな回転でさえ、目の静的視野と射出瞳との重なりが実質的に減少し、より大きな回転によって画像が完全に見えなくなった。理論的には可能であるけれども、ユーザの目と同調して動く射出瞳は、非実用的であり、極めて高価である。

人間の目のこうした性質に鑑み、ユーザが自然の世界を見るのと同じ様に画像ディスプレイシステムによって発生した画像を見ることができる光学システムを提供することに関して関連する三つの視野がある。三つの視野の内最も小さいものは、ユーザの目を回転する、従って、外界にわたってユーザの中心視野を走査するユーザの能力によって定義されるものである。最大の回転は、正面から約±５０°であり、この視野（中心動的視野）は約１００°である。三つの視野の内中間のものは、正面の静的視野であり、ユーザの中心視野と周辺視野の両方を含む。上で論じたように、この視野（中心＋周辺の静的視野）は、約１５０°である。三つの視野の内最大のものは、ユーザの目を回転する、従って、外界にわたってユーザの中心視野と周辺視野を走査するユーザの能力によって定義されるものである。約±５０°の最大回転と約１５０°の中心＋周辺静的視野に基づき、この最大視野（中心＋周辺動的視野）は、約２００°である。少なくとも１００°から少なくとも１５０°までのそして少なくとも２００°までの視野のスケールのこの増加は、直感的で自然な方法で画像ディスプレイシステムによって発生する画像を見るユーザの能力に関してユーザに対応する利益を提供する。

このように、人間の目の視野、静的視野と動的視野の両方との適合性を改良した頭取付けディスプレイが必要とされている。本開示は、この必要性に関し、超広角視野を提供する反射光学表面を使用する頭取付けディスプレイを提供する。
定義

本開示の残りの部分と請求項において、フレーズ“仮想画像”は、光学的意味で使用され、即ち、仮想画像は、特定の場所、実際には、認識される光がその特定の場所を起源としていないのだが、その特定の場所から来ていると認識される画像である。

ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、ここでは、“自由空間”表面と称される。なぜなら、その局所空間位置、局所表面曲率及び局所表面配向がｘ−ｙ平面のような特定の基板に縛られず、むしろ、表面設計中に、三次元空間に適用される基本的光学原理（例えば、フェルマーとヒーローの最小時間の原理）を使用して決定されるからである。

ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、“超広角”表面と称される。なぜなら、使用中、少なくとも、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面が名目上のユーザの目の動的中心視野を制限しないからである。従って、“超広角”表面、例えば、フレネルレンズシステムと共に使用されることができる任意の光学コンポーネントの光学特性に依存して、ＨＭＤの全体の光学システムは、非瞳孔形成であり得、即ち、ユーザの視野を制限する射出瞳を有する従来の光学システムとは異なり、ここで開示される光学システムの種々の実施形態のための有効な瞳孔は、外部の光学システムと関連するものとは対照的にユーザの目の入射瞳である。付随して、これらの実施形態のために、ユーザに提供される視野は、従来の光学システム、ここでは、ユーザの目の外部光学システムの出射瞳との小さな照準ミスでさえユーザが利用可能な情報内容を実質的に減少し、より大きな照準ミスでは全体の画像が見えなくなるが、このような従来の光学システムよりもかなり大きい。

本開示全体を通して、以下のフレーズ／用語は、以下の意味／範囲を有する。
（１）フレーズ“反射光学表面”（ここでは、“反射表面”とも呼ばれる）は、反射性のみを備える表面並びに反射性と透過性の両方を備える表面を含む。いずれの場合においても、反射性は部分的でよく、即ち、入射光の一部がその表面を通して透過され得る。同様に、その表面が反射性と透過性の両方を備える場合、反射性及び／又は透過性は部分的であってもよい。以下で論じられるように、単一の反射性光学表面を両眼に使用することができ、また各目は、自己の個別の反射光学表面を有することができる。他のバリエーションは、両眼に対して又は各目に対して個別に複数の反射光学表面を使用することを含む。ミックス（混合）と一致の組み合わせも使用することができ、例えば、単一の反射光学表面は片目に使用することができ、複数の反射光学表面は他方の目に使用することができる。或いは、一つ以上の反射光学表面は、ユーザの片目のみに提供されてもよい。以下で記述される請求項は、ここで開示される反射光学表面のこれら及び他の適用をカバーすることを意図している。特に、反射光学表面を求める各請求項は、指定されたタイプの一つ以上の反射光学表面を含む頭取付けディスプレイ装置をカバーすることを意図する。
（２）フレーズ“少なくとも一つの発光表面を有する画像ディスプレイシステム”は、一般的にその表面を通過する光の透過、表面での光の発生（例えば、ＬＥＤのアレイによる）、他の光源からの光のその表面からの反射等のいずれかにより発光する表面を有する何らかのディスプレイシステムを含めて使用される。その画像ディスプレイシステムは、一つ以上の画像ディスプレイデバイス、例えば、一つ以上のＬＥＤ及び／又はＬＣＤアレイを使用することができる。反射光学表面と同様に、所与の頭取付けディスプレイ装置は、ユーザの目の一方又は両方に対する一つ以上の画像ディスプレイシステムを組み込むことができる。また、画像ディスプレイシステムを求める以下に記述の請求項の各々は、指定されたタイプの一つ以上の画像ディスプレイシステムを含む頭取付けディスプレイ装置をカバーすることを意図する。
（３）フレーズ“双眼鏡”は、各目に対する少なくとも一つの分離光学要素（例えば、一つのディスプレイデバイス及び／又は一つの反射光学表面）を含む装置を意味する。
（４）フレーズ“視野”及びその略記ＦＯＶは、オブジェクト（即ち、ディスプレイ）空間における“実”視野とは対照的な画像（目）空間における“見掛けの”視野を指す。

第一の態様に従って、頭取付けディスプレイ装置（１００）が開示され、この頭取付けディスプレイ装置（１００）は、
（Ｉ）ユーザの頭（１０５）に取り付けるように構成されるフレーム（１０７）と、
（ＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される画像ディスプレイシステム（１１０）（例えば、このフレームは、ＨＭＤの使用中に、ユーザの視野外にある固定位置に画像ディスプレイシステムを支持する）と、
（ＩＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される反射光学表面（１２０）であって、ここで、反射光学表面（１２０）は、三次元直交座標系の座標軸回りに回転対称ではない連続表面である（例えば、反射光学表面は、任意の原点を有する三次元直交座標系のｘ、ｙ又はｚ軸回りに回転対称ではない（回転表面ではない）自由空間の超広角反射光学表面（１２０）であり得る）反射光学表面（１２０）と、
を備え、
（ａ）画像ディスプレイシステム（１１０）は、少なくとも一つの発光表面（８１）を含み、
（ｂ）使用中に、反射光学表面（１２０）は、前記少なくとも一つの発光表面（８１）の空間分離された部分の空間分離された仮想画像を生成し、前記空間分離された仮想画像の少なくとも一つの仮想画像は、前記空間分離された仮想画像の少なくとも一つの他の仮想画像から少なくとも１００°で角度的に分離され、この角度的な分離は、名目上のユーザの目（１５）の回転中心（１７）から測定され、
（ｃ）使用中に、反射光学表面（１２０）の少なくとも一つのポイントが反射光学表面（１２０）の少なくとも一つの他のポイントから少なくとも１００°で角度的に分離され、前記角度的な分離は、名目上のユーザの目（１５）の回転中心（１７）から測定される、
ことを特徴とする頭取付けディスプレイ装置（１００）である。

第二の態様に従って、頭取付けディスプレイ装置（１００）が開示され、この頭取付けディスプレイ装置（１００）は、
（Ｉ）ユーザの頭（１０５）に取り付けるのに適するフレーム（１０７）と、
（ＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される画像ディスプレイシステム（１１０）（例えば、このフレームは、ＨＭＤの使用中に、ユーザの視野外にある固定位置に画像ディスプレイシステムを支持する）と、
（ＩＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される自由空間の超広角反射光学表面（１２０）と、
を備え、
（ａ）画像ディスプレイシステム（１１０）は、少なくとも一つの発光表面（８１）を含み；
（ｂ）使用中、自由空間の超広角反射光学表面（１２０）は、前記少なくとも一つの発光表面（８１）の空間分離された部分の空間分離された仮想画像を生成し、前記空間分離された仮想画像の少なくとも一つの仮想画像は、前記空間分離された仮想画像の少なくとも一つの他の仮想画像から少なくとも１００°で角度的に分離され、前記角度的な分離は、名目上のユーザの目（１５）の回転中心（１７）から測定されることを特徴とする頭取付けディスプレイ装置（１００）である。

第三の態様に従って、頭取付けディスプレイ装置（１００）が開示され、この頭取付けディスプレイ装置（１００）は、
（Ｉ）ユーザの頭（１０５）に取り付けるのに適するフレーム（１０７）と、
（ＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される画像ディスプレイシステム（１１０）と、
（ＩＩＩ）フレーム（１０７）によって支持される反射光学表面（１２０）であって、ここで、前記反射光学表面（１２０）は、名目上のユーザに少なくとも２００°の視野を提供する反射光学表面（１２０）と、
を備え、
（ａ）画像ディスプレイシステム（１１０）は、第１と第２の情報内容を夫々有する少なくとも第１と第２の空間分離された発光領域（８２、８３）を含む少なくとも一つの発光表面（８１）を含み、
（ｂ）反射光学表面（１２０）は、異なる方向を指す第１と第２の表面法線（８５、８７）を夫々有する少なくとも第１と第２の空間分離された反射領域（８４、８６）を備え、かつ、
（ｃ）フレーム（１０７）は、画像ディスプレイシステム（１１０）と反射光学表面（１２０）を支持して、名目上のユーザによる当該装置の使用中に、
（ｉ）名目上のユーザの目（７１）の少なくとも一つの凝視の方向（図８において８８に向けて）に対して、第１の発光領域（８２）からの光が第１の反射領域（８４）から反射し前記目（７１）に入射して第１の情報内容の可視仮想画像（８８）を形成し（即ち、名目上のユーザが第１の情報内容（及び任意ではあるが第２の情報内容）を見ることができる一つの凝視の方向がある）、
（ｉｉ）前記目（７１）の少なくとも一つの凝視の方向（図８において８９に向けて）に対して、第２の発光領域（８３）からの光が第２の反射領域（８６）に反射し前記目（７１）に入射して第２の情報内容の可視仮想画像（８９）を形成し（即ち、名目上のユーザが第２の情報内容（及び任意ではあるが第１の情報内容）を見ることができる一つの凝視の方向がある）、かつ、
（ｉｉｉ）前記目（７１）の少なくとも一つの凝視の方向（図８において８８の右へ向かう凝視の方向）に対して、第１の発光領域（８２）からの光が第１の反射領域（８４）に反射し前記目（７１）に入射して前記第１の情報内容の可視仮想画像（８８）を形成し、第２の反射領域（８３）からの光が第２の反射領域（８６）に反射し前記目（７１）には入射せず第２の情報内容の可視仮想画像を形成しない（即ち、名目上のユーザが第１の情報内容を見ることができるが名目上のユーザの中心又は周辺視野で第２の情報内容を見ることができない一つの凝視の方向がある）ことを特徴とする頭取付けディスプレイ装置（１００）である。

第四の態様に従って、頭取付けディスプレイ（１００）での使用のための反射光学表面（１２０）、これは、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面であってもよいし或いはそうでなくてもよい、を設計するためのコンピュータベースの方法が開示され、頭取付けディスプレイ（１００）は、その使用中に、複数の内容エリア（８２、８３）（例えば、複数の個々の画素又は複数の群の個々の画素）を含み、当該方法は、一つ以上のコンピュータを使用して、
（ａ）反射光学表面（１２０）を複数の局所反射領域（８４、８６）に分割するステップであって、各局所領域が表面法線（８５，８７）（例えば、局所反射領域の中心にある表面法線）を含むステップと、
（ｂ）反射光学表面（１２０）の各局所反射領域（８４、８６）を画像ディスプレイシステム（１１０）の一つであって一つのみの内容エリア（８２、８３）と関連付けるステップであって、各内容エリア（８２、８３）が少なくとも一つの局所反射領域（８４、８６）と関連するステップと、
（ｃ）表面法線（８５、８６）の各々が以下の二つのベクトル、
（１）局所反射エリア（８４、８６）から（即ち、局所反射領域の中心から）それに関連する内容エリア（８２、８３）への（即ち、それに関連する内容エリアの中心への）ベクトル（７７、７８）と、
（２）頭取付けディスプレイ（１００）の使用中に、局所反射エリア（８４、８６）から（例えば、局所反射領域の中心から）名目上のユーザの目（７１）の回転中心（７２）のロケーションへのベクトル（７９、８０）と、
に二等分するように反射光学表面（１２０）の構成を調節する（例えば、局所空間ロケーション及び／又は表面の局所曲率を調節する）ステップと、
を実行することを含む。

本開示の上記態様の幾つかの実施形態では、分離反射表面及び／又は分離画像ディスプレイシステムは、ユーザの目の各々に対して使用される。他の実施形態では、反射光学表面は、それ単独で或いは他の光学コンポーネント（例えば、一つ以上のフレネルレンズ）と組み合わせて、画像ディスプレイシステムからの光をコリメートし（又は実質的にコリメートし）、このようなコリメーションは、表面の局所曲率半径で達成される。

種々の実施形態では、ＨＭＤ装置は、ユーザに完全な中心の動的視野、完全な中心＋周辺静的視野、又は完全な中心＋周辺動的視野を提供する。

種々の実施形態では、ＨＭＤ装置は、両眼非瞳孔形成システムであってもよく、このシステムにおいて、目は、その通常得られる角度範囲全体にわたって外部瞳孔を通して見えることが制限されることなくその回転中心回りに自由に動く。従来のＨＭＤデバイスは、広い視野を提供している、或いは、提供することができると主張しているが、これらのデバイスは、目が見通さなければならない外部瞳孔を含んでいる。目に提供される広い範囲の情報が有るが、目が回転すると、その情報がなくなってしまう。これは、瞳孔形成システムに関連する基本的な問題であり、反射表面及び特にＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を使用する本開示の実施形態において回避される。

本発明の態様の上記概要で使用される参照番号（その参照番号は、代表的なものであり、全てを含んでおらず或いは完全でもない）は、読者の利便性のために過ぎず、本発明を制限する意図もなく制限すると解釈されるべきでもない。より一般的には、前述の一般的な記述と以下の詳細な記述の両方は、単に、本発明の典型的なものであり、本発明の性質と特徴を理解するための概説や構成を提供することを意図している。

本発明の更なる特徴及び利点は、続く詳細な記述で述べられ、一部は、その記述から当業者には容易に明らかになり、又は本明細書での記述によって例示されるように本発明を実施することによって認識される。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれると共にその一部を構成する。本明細書及び図面に開示される発明の種々の特徴は任意に及び組み合わせて使用され得ることを理解すべきである。

図１は、ＨＭＤの基本コンポーネント、即ち、ディスプレイ、反射表面、及びユーザの目を示す概略図である。 図２は、実施形態例に従う頭取付けディスプレイ装置の側面図である。 図３は、図２の頭取付けディスプレイ装置の正面図である。 図４は、実施形態例に従うディスプレイと外部オブジェクトの両方から頭取付けディスプレイ装置における光路を描く（光）線の図である。 図５は、湾曲ディスプレイと湾曲反射器を使用する実施形態例を描く（光）線の図である。 図６は、実施形態例に従うユーザの二つの目に対応する二つの湾曲反射光学表面の使用を描く頭取付けディスプレイ装置の平面図である。 図７は、真っ直ぐ前の凝視の方向に対する名目上の人間の目の静的視野を描く概略図である。 図８は、実施形態例に従うＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面と図７の静的視野との相互作用を描く概略図である。図８中の矢印は、光の伝播の方向を描いている。 図９は、実施形態例に従う光線が目に向かって反射される場合におけるディスプレイ上の所与の画素からの光路を描く（光）線の図である。 図１０は、実施形態例に従う光線が目に向かって反射される場合におけるディスプレイ上の二つの画素からの光路を描く（光）線の図である。 図１１は、実施形態例に従う反射器の局所法線の方向の選択に使用される変数を描く図である。 図１２は、実施形態例に従う光路と共に湾曲反射器を表す。 図１３及び図１４は、実施形態例に従うＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を二つの視点から描いている。 図１３及び図１４は、実施形態例に従うＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を二つの視点から描いている。 図１５及び図１６は、実施形態例に従う他のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を二つの視点から描いている。 図１５及び図１６は、実施形態例に従う他のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を二つの視点から描いている。 図１７は、実施形態例に従う反射表面に対して局所法線を計算するための形状を描いている概略図である。

図２と図３は、ユーザ１０５によって装着されていることを示す頭取付けディスプレイ装置１００の側面図と正面図である。頭取付けディスプレイ装置は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０を使用する。

一実施形態において、頭取付けディスプレイ装置１００は、例えば、光透過拡張現実双眼鏡であり得る。光透過拡張現実双眼鏡は、典型的にはＨＭＤの最も複雑な形態であるので、本開示は、最初に、このタイプの実施形態を論じる。なお、ここで論じられた原理が光透過拡張現実単眼鏡、ビデオ透過拡張現実双眼鏡と単眼鏡、及び双眼と単眼“仮想現実”システムに等しく適用可能であると理解される。

図２と図３に示されるように、頭取付けディスプレイ装置１００は、ユーザによって装着されるのに適し、眼鏡の装着と同様、ユーザの鼻と耳によって支持されるフレーム１０７を含む。図２と図３の実施形態において、並びにここで開示される他の実施形態において、頭取付けディスプレイ装置は、種々の構成を持つことができ、例えば、従来のゴーグル、眼鏡、ヘルメット等に似ていてよい。幾つかの実施形態において、ストラップがユーザの目に対して固定位置にＨＭＤフレームを保持するために使用されてもよい。一般的及び用語において、ＨＭＤパッケージの外側表面は、ＨＭＤディスプレイ（単数又は複数）とユーザの目に対して要求される方向に光学システムを保持する任意の形態を取ることができる。

頭取付けディスプレイ装置１００は、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０と、図２と図３に示されるように、必要に応じて湾曲される自由空間超広角反射光学表面１２０、例えば、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０である反射光学表面を含む少なくとも一つの光学システムとを含む。幾つかの実施形態において、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、光学システム全体であってもよい。表面１２０は、純粋に反射性であってよく、或いは反射性と透過性特性の両方を有することができ、その場合、“ビームスプリッター”の一タイプと考えられる。

ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０は、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０だけではなく、一方又は両方の目を完全に囲むことができる。特に、その表面は、利用可能水平方向視野を拡張できるように目の両側周りに顔の両側に向かって湾曲することができる。一実施形態において、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０は、以下で論じられる図６に最も良好に示されているように、１８０°以上（例えば、２００°超）まで広げることができる。図３に描かれているように、ＨＭＤは、ユーザの両眼のための二つの分離したＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０Ｒと１２０Ｌとを含むことができ、これらは、フレーム及び／又は鼻堤ピース２１０によって別々に支持される。或いは、ＨＭＤは、単一構造を有する両眼のための単一のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を使用することができ、その幾つかの部分は、両目で見ることができ、その他の部分は、片目でのみ見ることができる。

直前で記述したように且つ図３に描かれているように、頭取付けディスプレイ装置１００は、鼻堤ピース２１０を含むことができる。この鼻堤ピースは、ユーザの目の各々に対して一個、二つのＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面間を分離する垂直バーや壁であり得る。また、鼻堤ピース２１０は、ユーザの両眼の視野間を分離することができる。このように、ユーザの右目は、第１の画像ディスプレイデバイスと第１のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を介して右目に第１の画像を表示することによって環境の三次元の物理的実体の第１の表示が示され、他方、ユーザの左目は、第２の画像ディスプレイデバイスと第２のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を介して左目に第２の画像を表示することによって環境の三次元の物理的実体の第２の表示が示される。別々のディスプレイデバイス／反射表面の組み合わせが、このようにユーザの各目に働いて、各目が、その環境で三次元物理的実体に対するその位置の正確な画像を見る。ユーザの二つの目を分離することによって、堤ピース２１０は、各目に対して適用される画像を他方の目から独立して最適化できる。一実施形態において、鼻堤ピースの垂直壁は、一方の側に一つ割り当てられる二つの反射器を含み、ユーザが鼻を介してユーザの目を左へ又は右へ回して画像を見ることができるようにする。

前記少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０の内側に取り付けられ、水平に配置されてもよいし水平線から僅かに角度をつけて配置されてもよい。或いは、前記少なくとも一つの画像ディスプレイシステムは、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面の直ぐ外側に配置されてもよい。少なくとも一つのディスプレイシステム１１０、より具体的には、その少なくとも一つの発光表面の傾きや角度は、一般的に、表面１２０に反射される、画素、画像及び／又は表示情報片の位置の関数である。

幾つかの実施形態では、頭取付けディスプレイ装置１００は、内部空間を作るように構成され、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、この空間内の内側へ反射する。透過特性を有するＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面の場合、少なくとも一つの画像ディスプレイシステムからの画像や表示情報は、その空間内に反射され、その表面からユーザの目に反射されると同時に、光が、その空間内に入り、反射表面を通過することによって外部世界からユーザの目に入る。

詳細に以下に論じられるように、幾つかの実施形態において、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０は、ユーザの目（単数又は複数）に入る前に近くで見るのに適するよう調節された画像及び／又はディスプレイ情報片を提供する。幾つかの実施形態において、任意のレンズ又はレンズシステム１１５は、この調節に寄与することができる。Ｇ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ、Ｄ．Ｓｍｉｔｈ及びＧ．Ｗｉｅｓｅの名義で本願と同時に出願され、“Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｏｎｅ ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｌｅｎｓｅｓ”と題する、代理人整理番号ＩＳ−００３０７によって識別される同一出願人による同時係属の米国特許出願第１３／２１１，３６５号は、その開示内容が参考として本明細書で援用されるが、これは、この目的のために一つ以上のフレネルレンズの使用を記述している。他の実施形態は、任意のレンズやレンズシステムを利用せず、代わりに、ディスプレイシステムによって形成される画像の合焦点の目の近傍視のための望ましい光学特性を提供するためにＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面に依存している。

頭取付けディスプレイ装置は、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０によって表示される画像を制御するエレクトロニクスパッケージ１４０を含むことができる。一実施形態では、エレクトロニクスパッケージ１４０は、少なくとも一つの画像ディスプレイ投影システム１１０からの画像をユーザの活動と同期するために必要なロケーション、向き及び位置情報を提供する加速度計とジャイロスコープを含む。頭取付けディスプレイ装置１００への及びそれからの電力とビデオは、エレクトロニクスパッケージ１４０へ連結された送信ケーブル１５０を介して又はワイヤレス媒体を介して提供することができる。

一組のカメラ１７０を、例えば、“拡張現実”シーンのコンピュータ発生の制御を補助するためにエレクトロニクスパッケージへ入力を行なうように頭取付けディスプレイ装置１００の両側に位置することができる。この一組のカメラ１７０を、電力と制御信号を受信し、ビデオ入力をエレクトロニクスパッケージソフトウエアへ提供するためにエレクトロニクスパッケージ１４０に連結することができる。

頭取付けディスプレイ装置において使用される画像ディスプレイシステムは、現在公知の或いは今後開発される多くの形態を採ることができる。例えば、そのシステムは、小型の高解像度液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、及び／又はフレキシブル有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）スクリーンを含むＯＬＥＤディスプレイを使用することができる。特に、画像ディスプレイシステムは、高画素密度を有する高解像度スモールフォームファクタディスプレイデバイスを使用することができ、その例は、携帯電話産業界で見られる。また、光ファイバー束を画像ディスプレイシステムにおいて使用することができる。種々の実施形態において、画像ディスプレイシステムは、小型スクリーンテレビジョンとして機能すると考えられる。画像ディスプレイシステムが偏光を生成する場合（例えば、画像ディスプレイシステムが、すべての色が同じ方向へ線形に偏光される液晶ディスプレイを使用する場合）及びＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面がディスプレイが出射する光に対して直交するよう偏光される場合、光がＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面から漏れることはない。従って、表示された情報及び光源自体は、ＨＭＤの外側で見えない。

本開示に従って構成された光学システムの実施形態、具体的には、“拡張現実”ＨＭＤのための光学システムの全体の動作は、図２のレイトレーシング、具体的には、光線１８０、１８５、及び１９０によって描かれている。本実施形態において、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０は、反射特性と透過特性の両方を備えている。表面１２０の透過特性を使用して、光線１９０は、環境からその表面を介して入射しユーザの目に向かって進む。表面１２０の同じ領域から、光線１８０は、その表面によって反射され（その表面の反射特性を利用して）、光線１９０と結合してユーザがポイント１９５の方向を見た時、即ち、ユーザの凝視の方向がポイント１９５の方向である時、ユーザの目に入射する組み合わせ光線１８５を生成する。そのように見ている間、ユーザの周辺視覚能力によってユーザは、その表面の透過特性を利用して、その表面１２０を通過する環境の他のポイントからの光を見ることができる。

図４は、ここで開示される頭取付けディスプレイ装置１００の実施形態の動作を描く更なるレイトレーシングの図である。本実施形態において、全体の視覚システムは、三つの部分：（１）少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０、（２）ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０、及び（３）ユーザの目３１０を含む。目３１０は、内部レンズ３３０を有して表される。少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０の画素から発される光は、図２の場合と同様、光線１８０によって表される。この光は、ユーザの凝視の方向と関連する視野（以下での図７と図８の議論参照）が光線１８０が表面１２０に衝突するポイントを含む場合、表面１２０によって反射された後ユーザの目の網膜上のポイントに現れる。より詳細には、以下で論じられるように、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面上のポイントからベクトルを目と画素に二等分する法線を含む光学特性に起因して、画素は、ポイント１９５のみに現れる。即ち、光がより広いコーン状に画素から放射しても、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、その光を一つのロケーションのみから来るよう設計することができる。

図４において、ユーザの凝視の方向が、光線１８５と３４０によって描かれているように、光線１８０と表面１２０との交差のポイントに向かっていると仮定する。しかしながら、目が見ているものは、その前の空間に、ベクトル３４５と３５０によって表される距離で、例えば、参照番号３５２によって示される無限遠で現れる仮想画像である。図４において、椅子は、説明のために使用されており、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム１１０は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０によってディスプレイシステムから発される光の反射後に仮想画像３６０となる椅子の実画像３５５を生成する。“拡張現実”環境において、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を含む光学システムは、例えば、椅子の仮想画像３６０を物理的環境において実際に人３６５と同じロケーションにあるよう現すことができる。尚、無限遠よりも近い距離で停止する光線３４５は、図４に含まれており画像をすぐ近くと無限遠の間の任意の距離に任意に現すことができることを示す。例えば、人は５０メートル先に立っていることができ、それは椅子が置かれた所である。

図１〜図４において、少なくとも一つの画像ディスプレイシステムは、平らな発光表面（例えば、図４において表面１１１）を有するとして示されている。また、ディスプレイシステムは、湾曲発光表面を有していてもよい。そのような実施形態は、図５に示されており、光線４０５は、湾曲ディスプレイスクリーン４０７（湾曲発光表面）から発する。この光線は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面１２０に反射し、ユーザの目３１０の瞳孔４１５に入射する（光線４１０を参照）。本実施形態において、また、表面１２０は、外部環境からの光線３４５によって表される光を許容し、ディスプレイ発生画像は外部画像に重なることができる。尚、説明のために、光線３４５は、光線４１０から変位されているように示される。なお、外部画像の純粋な重なりの場合、光線３４５が光線４１０に重なる。

上記で論じられたように、反射光学表面を使用しているＨＭＤにおいて使用される従来の光学システムは、瞳孔形成であり、表示領域が制限され、典型的な視野は、〜６０°、あるいは、それ以下であった。このことは、従来の頭取付けディスプレイ装置の値と能力を大きく制限していた。種々の実施形態において、ここで開示される頭取付けディスプレイは、非常に幅広い視野（ＦＯＶ）を有し、より小さな視野を有するＨＭＤに比較して、非常に多くの光学情報をユーザに提供することができる。この幅の広い視野は、１００°超、１５０°超、或いは２００°超であり得る。より多くの情報を提供することに加えて、幅の広い視野は、追加の情報のより自然な処理を可能とし、表示された画像の物理的実体とのより良好なマッチングを介してより良好な没入型拡張現実体験を可能とする。

具体的に、図６に描かれる実施形態において、真っ直ぐ前の凝視方向に対して、目は、湾曲ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面２０１と２０２によって図６に表される表示領域全体を得ることができる。これは、各目に水平方向視野（ＦＯＶ）の少なくとも１５０°（例えば、水平方向ＦＯＶの〜１６８°）に対応する。この視野は、目の中心視野とその周辺視野よりなる。更に、目は、目が物理的世界を見ている時に自然にするように、組み合わせ中心＋周辺視野を凝視の異なる方向に向けるように目の回転中心の回りに自由に動くことができる。従って、ここで開示される光学システムによって、目は、目が自然の世界を見ている時の目の動作と同じように移動範囲全体を通して情報を得ることができる。

図６をより詳細に調べてみると、この図は、上から見るようにユーザの頭２００の前部の単純化したライン表示である。ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面２０１と２０２がユーザの目２０３と２０４の前に配置されていることを示している。上で論じたように、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面２０１と２０２は、ユーザの鼻２０５の上に乗っており、これらのＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面２０１と２０２は、ユーザの頭２００の中心前部２１４で一緒になっている。以下で詳細に論じられるように、表面２０１と２０２の局部法線と局部空間ロケーションは、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム（図６では示されていない）によって生成される画像が、各目に対して水平方向ＦＯＶの少なくとも１００°、例えば、幾つかの実施形態では、少なくとも１５０°、及び他の実施形態では、少なくとも２００°をカバーするように調節される。（任意ではあるが、以下でも論じられるように、局所曲率半径は、また、フレネルレンズシステムと組み合わされると、遠くの仮想画像を提供するように調節される。）例えば、局所法線と局所空間ロケーションは、各目に対して、真っ直ぐ前方の水平方向の静的視野でユーザの完全な〜１６８°をカバーするように調節され得、視線２１０、２１１及び２１２、２１３によって示されるように、その１６８°は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面２０１又は２０２のエッジからエッジまで延出する。このように、視線は、ユーザに提供される幅の広い静的視野（中心＋周辺）に対応する。更に、ユーザは、コンピュータ発生画像を見続けながら、回転中心２１５と２１６回りにユーザの目を自由に動かす。

図６において、並びに図４、図５、及び図１２において、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、表示を簡単にするために、球の一部として示されている。実際、表面は球ではなく、より複雑な構成を有し、それらの局所法線及び局所空間ロケーション（及び、任意ではあるが、局所曲率半径）は、望ましい静的及び動的視野（及び、任意ではあるが、望ましい仮想画像までの距離）を提供する。また、図６において、頭取付けディスプレイ装置の右側は、左側に対して独立して動作し、二つの側は、特定の用途のために望ましい場合は、異なっていてもよい。

図７と図８は、更に、ここで開示されるＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面によって提供される静的及び動的視野を描いている。図７は、真っ直ぐ前の凝視の方向７３を有するユーザの法線方向右目７１を示している。この目の中心＋周辺視野は、円弧７５によって示され、この円弧は、〜１６８°の角度範囲を有する。表示を容易にするために、図６〜図８において、視野は、ユーザの瞳孔の中心又はエッジとは対照的にユーザの目の回転中心に対して示されている。実際、人間の目によって達成される大きな視野（例えば、〜１６８°）は、かなり斜めな光線がユーザの瞳孔に入り網膜に達することができる網膜の大きな角度範囲の結果である。

図８は、図７の視野のＨＭＤとの相互作用を概略的に示し、このＨＭＤは、（ａ）少なくとも一つの発光表面８１が第１の発光領域８２（矩形として描かれている）と第２の発光領域８３（三角形として描かれている）を有する画像ディスプレイシステム及び（ｂ）第１の局所法線８５を有する第１の反射領域８４と第２の局所法線８７を有する第２の反射領域８６を有するＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を有する。

上で指摘されたように、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、“自由空間”表面と“超広角”表面の両方である。更に、上述し、以下でより詳細に論じるように、表面は、ユーザの目に入射する光のコリメーション（或いは部分的コリメーション）に関与する（或いはその単独の源である）。そのようなコリメーションによって、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面によって生成される仮想画像がユーザからの遠く、例えば３０メートル以上に位置するように現れ、それによって、ユーザは、リラックスした目で仮想画像に容易に焦点を合わせることができる。

ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面の“自由空間”と“超広角”の態様は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面の所定の領域（その表面の所定のロケーション）から来るように、ユーザの目が少なくとも一つの画像ディスプレイシステムの発光領域を見るように表面の局所法線を調節することによって達成され得る。

例えば、図８において、ユーザの凝視の方向が真っ直ぐ前方である場合、矩形の仮想画像８８がユーザの網膜の中心部分によって見られること、及び、凝視の方向が、例えば真っ直ぐ前方の左へ〜５０°である場合、ＨＭＤの設計者は、三角形の仮想画像８９がユーザの網膜の中心部分によって見られることが有利であると決定するかもしれない。そのとき、設計者は、矩形の仮想画像が、真っ直ぐ前方であり、三角形の仮想画像が、ＨＭＤの使用中真っ直ぐ前方の左へ〜５０°であるように、少なくとも一つの画像ディスプレイシステム、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面、及びこのシステムの他の光学要素（例えば、画像ディスプレイシステムとＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面との間の一つ以上のフレネルレンズ）を構成する。

このように、ユーザの凝視の方向（視線）がＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面と真っ直ぐに交差する時に、矩形の仮想画像を、望ましくは、ユーザの目の中心で見ることができ、ユーザの凝視の方向（視線）が真っ直ぐ前の左へ５０°でＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面と交差する時に、三角形の仮想画像を、また望ましくは、ユーザの目の中心で見ることができる。図７と図８には描かれていないが、同じアプローチは、垂直方向の視野に対して、並びに軸から逸脱した視野に対して使用される。より一般的には、ＨＭＤ及びその光学コンポーネントの設計において、設計者は、目の凝視が特定の方向である場合、ディスプレイの望ましい部分がユーザの目に見えるようにディスプレイの少なくとも一つの発光表面を反射表面へ“マップする”。従って、目が水平方向及び垂直方向の両方へ視野を走査すると、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面によって、画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面の異なる部分が人間の目に光る。前述の議論は、名目上のユーザの網膜の中心に関するものであるが、勿論、設計プロセスは、必要であれば、代わりに、名目上のユーザの窩のロケーションを使用する。

尚、図８において、ユーザの目の右への回転によって、三角形の仮想画像８９がユーザに見えなくなってしまう。このように、図８において、真っ直ぐ前へ又は真っ直ぐ前の左への凝視方向は、矩形と三角形の両方の仮想画像をユーザに提供し、他方、真っ直ぐ前の右への凝視方向は、矩形のみの仮想画像を提供する。勿論、仮想画像の視力は、仮想画像がユーザの中心視野又はユーザの周辺視野によって知覚されるか否かに依存する。

ＨＭＤの設計者が、三角形の仮想画像を左へ離して残しながら図８において矩形の仮想画像を右へ離して置いた場合、矩形の仮想画像のみ見られる凝視の方向及び三角形の仮想画像のみ見られる凝視の他の方向があるであろう。同様に、ここで開示される原理に基づいて、設計者は、三角形の仮想画像が常に見られ、矩形の仮想画像が幾つかの凝視方向に対して見られるが他の方向では見られないように、矩形の仮想画像と三角形の仮想画像を配置することができるであろう。更なるバリエーションとして、ＨＭＤの設計者は、矩形と三角形の仮想画像を、一つ以上の凝視方向に対して、画像がユーザに見えないロケーションに配置し得る。例えば、設計者は、真っ直ぐ前の凝視方向に対して、ユーザの静的視野の直ぐ外に画像を配置し得る。このように、本開示によってＨＭＤ設計者に対して提供されるフレキシビリティは、容易に明白となる。

一実施形態において、反射表面の“自由空間”と“超広角”の態様は、光が最短（最小時間）光路に沿って移動するフェルマーとヒーローの原理を使用して達成される。Ｇ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ、Ｄ．Ｓｍｉｔｈ及びＧ．Ｗｉｅｓｅの名義で本願と同時に出願され、“Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｃｒｅａｔｉｎｇ Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ”と題する、代理人整理番号ＩＳ−００３５４によって識別される同一出願人による同時係属の米国特許出願第１３／２１１，３８９号は、その開示内容が参考として本明細書で援用され、フェルマーとヒーローの原理が使用されてＨＭＤでの使用に適したＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を設計する実施形態を記述している。

フェルマーとヒーローの最小時間の原理によって、画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面の“望ましい部分”（例えば、画像ディスプレイシステムの任意の画素）は、少なくとも一つの発光表面の望ましい部分からＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面での反射のポイントへ次にユーザの目の回転中心への光路が極値であるという条件で、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面で反射の望ましいポイントを持つことができる。

光路における極値は、光路長の一次導関数がゼロ値に達する、つまり、その光路長において最大値又は最小値を示すことを意味する。極値は、反射光学表面の局所領域を生成することによって視野の任意のポイントに挿入することができ、この局所領域の法線は、（ａ）その局所領域からユーザの目へのベクトル（例えば、局所領域の中心からユーザの目の中心へのベクトル）と（ｂ）局所領域から発光表面の“望ましい部分”へのベクトル（例えば、局所領域の中心から発光表面の“望ましい部分”の中心へのベクトル）を二等分する。図９と図１０は、画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面の“望ましい部分”が画素である場合に対する処理を描いている。

具体的に、図９は、光を頭取付けディスプレイ装置の前部へ向けて光線５１５の方向へ放射している画素の通常矩形アレイよりなる画像ディスプレイシステムの発光表面５１０を示している。光線５１５は、表示を容易にするために、図８では平面として示されている反射光学表面５２０に反射する。反射すると、光線５１５は、ユーザの目５３０に入射する光線５２５となる。

各画素に対する反射器の表面法線を決定するために必要なのは、光線５１５と５２５に対応するベクトルの三次元二等分線を決定することのみである。図９において、この二等分線ベクトルは、ライン５３５として二次元形態で示されている。二等分線ベクトル５３５は、反射のポイント５４０で反射光学表面に対して垂直であり、このポイントは、発光表面５１０の画素５４５がＨＭＤのユーザに可視である表面５２０上のロケーションである。

具体的に、動作中、ディスプレイ表面５１０の画素５４５は、二等分線ベクトル５３５に対応する表面法線とその垂直平面５５０によって画定される角度で反射光学表面５２０で反射する光線５１５を発し、フェルマーとヒーローの原理によって、光線５２５に沿って目５３０によって見られる反射のポイント５４０で反射された画素を生じる。反射のポイント５４０での表面法線を正確に計算するために、光線５２５は、ユーザの目５３０の略中心５５５を通過できる。その結果は、ユーザの目が回転して周辺視野になったとしても、図７と図８に関して上述されたように、ディスプレイのその領域がユーザの中心や周辺視野で見ることができないほど多く目が回転するまで略安定したままである。

表面法線の位置を計算するために、四元数の方法を用いることができ、
ｑ１＝光線５１５の向き
ｑ２＝光線５２５の向き
ｑ３＝望ましい表面法線５３５の向き＝（ｑ１＋ｑ２）／２
である。

また、表面法線は、図１１に描かれているように、ベクトル表記法で記述することができる。以下の式及び図１１において、ポイントＮは、反射光学表面の対象の領域の中心にあるポイントＭから一単位離れており、ポイントＭでの反射光学表面の接平面に対して垂直な法線の方向である。ポイントＭでの反射光学表面の接平面は、以下の等式で表される関係を満足するように制御されて、三次元空間において、ポイントＭでの表面法線がポイントＭから対象の画素の中心のポイントＰへのラインとポイントＭからユーザの目の回転中心のポイントＣへのラインを二等分する（参考のため、ポイントＣは、目の前部から約１３ｍｍ後方である）。

ポイントＭの表面法線上のポイントＮを記述する等式は、以下のとおりである。

式中、全てのポイントＮ、Ｍ、Ｐ、及びＣは、任意の直交座標系における三次元空間のそれらの位置を指すコンポーネント（ベクトル成分）［ｘ、ｙ、ｚ］を有する。

結果としての法線ベクトルＮ−Ｍは、以下のユークリッド長を有する。

ここで、その二つの垂直バー（縦線）は、以下で計算されるユークリッド長を表す。

数値例として、以下のＭ、Ｐ、及びＣ値を考察する。

法線に沿うポイントＮは、以下のように計算される。

及び

形状は、図１７に示されており、二等分線は、二つのより長いベクトル間にある。

勿論、前述のことは、見る人に対して連続仮想画像を提示するように意図された反射領域の自由空間（自由形態）表面マニホルド（多様体）を作るポイントのフィールドのための局所接平面角度制限の決定において、フェルマーとヒーローの最小時間の原理の使用を示すのに役立つ代表的計算に過ぎない。唯一の実定数は、ユーザの目の中心であり、目の自然な視野である。全ての他のコンポーネントは、所与の画像ディスプレイシステムと反射光学表面の向きの適切な解法に達するまで反復して更新され得る。他の方法を見ると、画素画像反射ロケーションＭ１、Ｍ２、．．．、Ｍｎ及びそれらに関連する法線と曲率は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面が画像ディスプレイシステムによって形成されるコンピュータ発生画像の望ましい仮想画像処理を達成するように“湾曲”（調節）されるマトリックスと考えてもよい。

尚、フェルマーとヒーローの原理の適用する際、幾つかの実施形態においては、ユーザが二つ以上のポイントで同じ画素反射を見るように法線が調節される状況を回避することが望ましい。また、幾つかの実施形態においては、反射光学表面の局所領域が非常に小さくてもよく、それが反射器上のポイントに対応することができ、ポイントが滑らかな表面を作るように他のポイント内にモーフィングする。

確実にユーザが少なくとも一つの発光表面の“望ましい部分”の仮想画像（例えば、画素の仮想画像）上に容易に焦点を合わせられるよう、反射ポイントを囲む領域（反射エリア）の曲率半径は、コリメートされた（又は略コリメートされた）画像がユーザに到達するように制御される。コリメートされた（又は略コリメートされた）画像は、あたかも画像がユーザから離れた距離、例えば、数１０から数１００メートルで発生したように、より平行な光線を有する。そのような表面を達成するために、少なくとも一つの発光表面の“望ましい部分”（望ましい発光画素）に対応する反射光学表面の反射領域の曲率半径は、反射領域からディスプレイ上の発光表面の実際の“望ましい部分”（実際の画素）までの距離の半分近くの半径に保たれ得る。

従って、一実施形態では、対象の画素から隣接画素への内部反射画素法線ベクトルは、それらの画素が反射表面上の反射された画素のロケーションからディスプレイ画素までのベクトルの長さの略半分の曲率半径を確立することができる関係を満足する。このパラメータに影響を及ぼす調節は、少なくとも一つの発光表面のサイズと、その少なくとも一つの発光表面が歪曲されているか否かと、を含む。

図１０は、本実施形態を描いている。コリメートされた（又は略コリメートされた）画像がユーザに到達するように画素反射を囲む領域の曲率半径を制御するために、反射のポイント５４０においてのような二つの隣接画素反射領域を考察する。より多くの領域をより良好なバランスのために考察してもよいが、二つで十分である。図１０を参照して、二つの画素反射ポイント５４０と６１０は、ディスプレイ表面５１０上の二つの画素５４５と６１５について夫々示されている。ポイント５４０と６１０での表面法線は、それらの方向間の角度と共に計算される。曲率半径は、これらの角度とポイント５４０と６１０との距離を知って計算される。具体的に、表面構成と、必要であれば表面の空間ロケーションは、曲率半径が、光線５１５と６２０の長さの平均の半分に等しくなる（又は略等しくなる）まで調節される。このように、セロジオプター又は略ゼロジオプターの光がユーザの目に提供される。これは、本質的に無限遠にあるポイントから来る光と同等であり、その光波面は平らで、光の波面に対して平行な表面法線となる。

局部曲率半径を制御することに加えて、幾つかの実施形態では、コリメートされた（又は略コリメートされた）画像を目に入射させる一次ポイント解像度として、少なくとも一つの発光表面がＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面から一焦点距離離れて名目上位置される。ここで、焦点距離は、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を作る種々の反射領域の曲率半径の平均値に基づく。

フェルマーとヒーローの原理の適用の結果が、滑らかな反射表面に組み合わせることができる１組の反射領域である。この表面は、一般的には、球状や対称的ではない。図１２は、そのようなＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面５２０の二次元表示である。上で論じたように、表面５２０は、その表面によって反射されている画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面からの画像のリラックスした眺めを提供する値に、ポイント７１０と７２０での曲率半径が設定されるように構成され得る。このように、ライン７３０によって表されるある方向を見ることは、ライン７４０によって表される異なる方向を見ることのように、コリメートされた（又は略コリメートされた）仮想画像を目５３０へ提供する。視野全域での全ての観察の滑らかな遷移を可能とするために、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面の領域は、スプライン曲面のための非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）テクノロジーを使用して実行されるように、一つの制御ポイントから他の制御ポイントへ滑らかに遷移され、従って、反射表面全域での滑らかな遷移を生成する。場合によっては、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、微細粒レベルで表面が滑らかになるように十分な数の領域を含むことができる。幾つかの実施形態では、より良好な製造可能性、実現及び画像品質を可能とするために、ディスプレイの各部分（例えば、各画素）に対して異なる倍率は、穏やかな勾配を使用して提供され得る。

図１３と図１４は、二つの異なる眺めからの上記技術を使用して生成されたＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面を示す。図１５と図１６は、また、二つの眺めからの図１３と図１４の反射表面の更に微細なバージョンを示す。これらの図のＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、上記で参照された、“Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｃｒｅａｔｉｎｇ Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ”と題する、同一出願人による同時係属の出願のコンピュータベースの技術を使用して設計された。

上述から、例示の実施形態において、望ましい視野を決定すること、ディスプレイ表面サイズ（例えば、幅と高さの寸法）を選択すること、反射表面に対するディスプレイ表面の向きを選択すること、ディスプレイ表面上の各画素の位置を分類すること、及びディスプレイ表面からの各画素の反射表面上への表示のロケーションを選択することを含み得る頭取付けディスプレイを設計するための方法が開示されていることが理解される。ディスプレイ表面は、目の上方へ配されかつ反射表面に向かって傾き、反射表面の曲率が光を装着者の目に反射することを可能とする。更なる実施形態において、ディスプレイ表面を、目の側部や目の下方等の他の位置へ配することができ、その反射位置と曲率は、ディスプレイ表面からの光を適切に反射するように選択される、或いは異なる角度に傾けることができる。

ある実施形態では、反射表面の三次元インスタンス化や数学的表示を生成することができ、上で論じたように、反射表面の各々の領域は、その領域の中心からユーザの目の中心へ及びその領域の中心からディスプレイ表面における画素の中心へのベクトルを二等分する法線を有する局所領域である。また、上で論じたように、画素反射を囲む領域の曲率半径は、コリメートされた（又は略コリメートされた）画像が視野の全域でユーザに到達するように制御され得る。コンピュータベースの反復を介して、視野の全域で光学性能の望ましいレベルだけでなく、審美的に許容可能な製造可能設計を提供するパラメータの組合せ（組）が識別されるまで、変更可能なパラメータ（例えば、局所法線、局所曲率、局所空間ロケーション）を調節することができる。

使用中、幾つかの実施形態において、焦点の複数の局所領域のスプライン曲面から構成される非対称ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、広い視野全体に及ぶ、画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面の仮想画像を形成する。そのＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面は、プログレッシブミラーやプログレッシブ湾曲ビームスプリッター、又は自由形成ミラーや反射器と考えられる。目が視野全域、水平方向と垂直方向の両方、を走査すると、湾曲ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面によって、画像ディスプレイシステムの少なくとも一つの発光表面の異なる部分が人間の目に光る。種々の実施形態において、全体の光学システムは、低コストで大量に製造可能であると共に典型的な人間の視覚解像度と釣り合った画像品質を維持する。

ＨＭＤの全体構造に関して、表１は、本開示に従って構成されたＨＭＤディスプレイが典型的に満足するパラメータの代表的で非制限例を述べている。更に、ここで開示されるＨＭＤディスプレイは、適切な画像がユーザの視覚平面に確実に確立されるのに十分な小さな画素間距離を典型的に有する。

ここで開示された頭取付けディスプレイに含まれ得る種々の特徴は、本発明を制限するものではなく、以下のものを含み、それらの幾つかは上記で参照されている。
（１）幾つかの実施形態において、一つ以上のフレネルレンズを使用してディスプレイ表面から発する光線のジオプター特徴を変更することができる。
（２）幾つかの実施形態において、反射光学表面は、半透明であり、光が外部環境から入って来ることを可能とする。次に、内部ディスプレイ発生画像は、外部画像に重ねることができる。その二つの画像は、ジャイロスコープ、カメラ及びコンピュータ発生画像のソフトウエア操作等のローカライゼーション装置を使用して位置合わせすることができ、それによって仮想画像が外部環境において適切なロケーションに位置される。特に、カメラ、加速度計、及び／又はジャイロスコープは、それが物理的実体中にある所を装置に登録するのを補助し且つその画像を外側の景色に重ね合わせるのに使用することができる。これらの実施形態において、反射光学表面の透過性と反射性とのバランスは、適切な輝度特性を有する重ね合わせ画像をユーザに提供するよう選択され得る。また、これらの実施形態において、現実の世界の画像とコンピュータ発生画像は、略同じ見掛けの距離に共に現れることができ、目は一度に両画像に焦点を合わせることができる。
（３）幾つかの実施形態において、反射光学表面は、その表面を通過する外部光の位置や焦点への影響を最小にするために可能な限り薄く保たれる。
（４）幾つかの実施形態において、頭取付けディスプレイ装置は、少なくとも１００°、少なくとも１５０°、又は少なくとも２００°の視界を各目に提供する。
（５）幾つかの実施形態において、頭取付けディスプレイによって各目に提供される静的視野は、大きくはユーザの鼻に重ならない。
（６）幾つかの実施形態において、反射光学表面は、視野の全域にわたるその光学処方の穏やかな遷移を使用して利用可能ディスプレイエリア上の焦点を維持することができる。
（７）幾つかの実施形態において、レイトレーシングを使用して軍事トレーニング、戦闘シミュレーション、ゲーム及び他の商業用途等の特定の実施のための装置パラメータをカスタマイズすることができる。
（８）幾つかの実施形態において、反射光学表面及び／又はディスプレイの表面、並びにレンズ（使用される場合）の曲率、及びディスプレイと反射光学表面との距離と反射光学表面と目との距離は、網膜及び／又は窩での変調伝達関数（ＭＴＦ）仕様に関して操作され得る。
（９）幾つかの実施形態において、ここで開示されるＨＭＤは、以下に制限されないが、スナイパー検出、商用トレーニング、軍事トレーニング及び軍事オペレーション、及びＣＡＤ製造等の用途で実施され得る。

一旦設計されると、ここで開示される反射光学表面（例えば、ＦＳ／ＵＷＡ／ＲＯ表面）は、現在知られている又は今後開発される種々の技術及び種々の材料を使用して生成、例えば、大量製造され得る。例えば、表面は適切に反射するように金属化されたプラスチック材料から製造され得る。研磨されたプラスチックやガラス材料も使用することができる。“拡張現実”用途のために、反射光学表面は、埋め込まれた小さな反射器を有する透過性材料から構成され得、入射波面の一部を反射すると共にその材料を介して光を透過する。

プロトタイプ部品に対して、アクリルプラスチック（例えば、プレキシグラス）を、ダイヤモンド切削によって形成された部品と共に使用することができる。製造部品に対して、例えば、アクリルやポリカーボネートを、例えば、射出成型技術によって形成される部品と共に使用することができる。反射光学表面は、詳細なコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）記述として或いはＣＡＤ記述へ変換可能な非一様有理ＢスプラインＮＵＲＢＳ表面として記述することができる。ＣＡＤファイルを有することによって、デバイスを三次元印刷を使用して作ることが可能となり、ＣＡＤ記述は、機械加工を必要とすることなく、直接に三次元オブジェクトとなる。

上で論じられた数学的手法は、現在公知の或いは今後開発される種々のプログラミング環境及び／又はプログラミング言語で符号化されることができる。現在の好適なプログラミング環境は、イクリプスプログラマーインターフェースで実行するＪａｖａ（登録商標）言語である。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＃等の他のプログラミング環境も、必要に応じて使用することができる。また、計算は、ＰＴＣ（マサチューセッツ州ニーダム）によって市販されているＭａｔｈｃａｄプラットフォーム及び／又はＭａｔｈＷｏｒｋ，Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州ナティック）のＭａｔｌａｂプラットフォームを使用して実行され得る。得られたプログラムは、ハードドライブ、メモリスティック、ＣＤ、或いは同様のデバイスに格納することができる。その手順は、種々のベンダー、例えば、ＤＥＬＬ、ＨＰ、ＴＯＳＨＩＢＡ等から入手可能な典型的なデスクトップコンピューティング装置を使用して実行することができる。或いは、必要に応じて、“クラウド”コンピューティングを含むより強力なコンピューティング装置を使用することができる。

本発明の範囲と精神から離れない種々の変更は、前述の開示から当業者には明らかである。例えば、ユーザに広い視野、例えば、１００°、１５０°、又は２００°以上の視野を提供する反射光学表面は、本発明の設計態様の有利な実施形態を構成するが、ここで開示される反射光学表面を設計するためのコンピュータベースの方法とシステムは、より小さな視野を有する表面を作るためにも使用することができる。以下の請求項は、これらの及び他の変更形態、変形形態及びここで述べられた特定の実施形態の同等なものをカバーすることを意図している。

Claims (6)

1. 頭取付けディスプレイにおいて使用するための反射光学表面を設計するためのコンピュータベースの方法であって、
   該頭取付けディスプレイは、複数の内容エリアを有する画像ディスプレイシステムを含み、
   該方法は、一つ以上のコンピュータを使用して、
   （ａ）該反射光学表面を複数の局所反射領域に分割するステップであって、各局所反射領域が表面法線を有するステップと、
   （ｂ）該反射光学表面の各局所反射領域を、前記１つ以上のコンピュータによって、該画像ディスプレイシステムの一つの内容エリアと関連付けるステップであって、各内容エリアが少なくとも一つの局所反射領域と関連するステップと、
   （ｃ）該表面法線の各々が以下の二つのベクトル、
   （１）該局所反射領域からそれに関連する内容エリアへのベクトル、
   （２）該局所反射領域から名目上のユーザの目の回転中心ロケーションへのベクトル、
   を二等分するように該反射光学表面の構成を、前記１つ以上のコンピュータによって調節するステップと、
   を実行することを特徴とするコンピュータベースの方法。
2. 該反射光学表面の該構成は、該画像ディスプレイシステムから発される光を少なくとも部分的にコリメートするように調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 該反射光学表面を生成するステップを更に備える請求項１に記載の方法。
4. 請求項１に記載の方法を実行するための有形的コンピュータ可読媒体に具現化されたコンピュータプログラム。
5. 請求項１に記載の方法を実行するようにプログラムされたコンピュータシステム。
6. システムであって、
   （ａ）プロセッサと、
   （ｂ）該プロセッサに連結されたメモリユニットと、
   を備え、前記メモリユニットは、請求項１に記載の方法を実行するためのプログラミング命令を含むコンピュータプログラムを格納することを特徴とするシステム。
   
   
   

Images