JP6670431B2 - 結像光学系およびスマートグラス - Google Patents

Description

本発明は、仮想画像を表示するための結像光学系および仮想画像を表示するための結像光学系を備えたスマートグラスに関する。

スマートグラス（Datenbrille）は、ヘッドマウントディスプレイの特殊な１形態である。ヘッドマウントディスプレイの一般に流通している１形態は、眼球の前で支持されており、かつコンピュータで作った画像またはカメラで撮影した画像をユーザに提供するスクリーンを使用する。このようなヘッドマウントディスプレイは、しばしばボリュームがあり、かつ周囲を直接的に知覚することができない。最近ようやく、周囲の直接的な知覚を妨げることなく、カメラで撮影した画像またはコンピュータで作った画像をユーザに提供できるヘッドマウントディスプレイが開発された。以下にスマートグラスと言うこのようなヘッドマウントディスプレイは、日常生活でのこのテクノロジーの利用を可能にする。

スマートグラスは、様々な方式で提供され得る。とりわけそのコンパクトさおよび美的な市場受容性を特色とするスマートグラスの１種類は、メガネレンズ内導波という原理に基づいている。これに関しては、イメージング部から発せられた光が、メガネレンズの外でコリメートされ、かつメガネレンズの正面を経て入射し、そこから何度かの全反射により眼球の前まで伝播される。その後、そこにある光学素子が光を眼瞳孔の方向に出射する。このメガネレンズ内への入射およびメガネレンズからの出射は、回折、反射、または屈折によって行うことができる。回折による入射または出射の場合、ほぼ同じ刻線数の回折格子を入射素子および出射素子として使用し、その場合、個々の格子の強分散作用が相互に補償される。回折格子を基礎とする入射素子および出射素子は、例えば（特許文献１）および（特許文献２）に記載されている。反射性または屈折性の入射素子または出射素子を備えたスマートグラスの例は（特許文献３）に記載されている。

結像ビーム束が何度か（全）反射しながら入射素子から出射素子に伝達されるスマートグラスは、入射素子および出射素子として回折素子を使用するか、反射素子を使用するか、または屈折素子を使用するかに関わらず、共通していわゆる「フットプリント・オーバーラップ」の問題を有している。視野（FOV : field of view）の大きさおよびアイボックスの場所にあるスマートグラスの射出瞳の大きさは制限されており、かつそれに基づき比較的大きなメガネレンズ厚が必要であるというこの問題を、以下に図１および図２に基づいてより詳しく説明する。

アイボックスとは、結像ビーム経路におけるライトパイプのうち、画像の口径食を起こさずに眼瞳孔を動かせる３次元領域のことである。スマートグラスの場合、眼球とスマートグラスの間隔は実質的に一定なので、アイボックスは眼球の回旋運動だけを考慮した２次元のアイボックスに縮小することができる。この場合のアイボックスは、眼球の入射瞳の場所にあるスマートグラスの射出瞳と実質的に一致する。眼球の入射瞳は、一般的に眼瞳孔によってもたらされる。スマートグラスは、結像ビーム経路がイメージング部からスマートグラスの射出瞳へと延びているシステムではあるが、ビーム経路を逆方向に、つまり射出瞳からイメージング部へと考察することが、「フットプリント・オーバーラップ」の理解には有用である。よって以下の説明では、スマートグラスの射出瞳を出発点とするライトパイプを考察し、このライトパイプの境界線は、アイボックスの各点からメガネレンズに向かって伝播するビーム束の視野角によって決定されている。ライトパイプ内のビームは、メガネレンズ１の内側面３で屈折することにより、メガネレンズ１の外側面５に当たる。外側面５には、水平方向に点Ｂから点Ｃへと延びている出射構造７がある。点Ｂと点Ｃの間隔は、ライトパイプの所望の広さによって決定され、ライトパイプの広さは、アイボックス９の所望の大きさおよび所望の視野角に応じている。視野角とは、ここではまず第１に、視軸に対し、画像エリアの水平縁点が瞳孔に射し込む角度に該当する水平視野角である。この視軸は、眼球の中心窩（網膜の最も鮮明に見える点）と画像エリアの中心点との間の直線を意味している。図１では、比較的小さな視野角に対するアイボックス直径Ｅおよびメガネレンズ１の厚さｄの場合のライトパイプの軌道を示している。ライトパイプのすべてのビームは、出射構造７からメガネレンズ１の内側面３の方向に回折または反射し、そこから全反射によりメガネレンズ１の外側面５へと後方反射し、そこから全反射で再びメガネレンズ１の内側面３へと後方反射する。この往復反射が入射素子に達するまで生じ、そこからこの場合はライトパイプがさらにイメージング部に向かって延びている。

図１に示したように、視野角が比較的小さい場合、ライトパイプのビームはメガネレンズ１の内側面３での最初の全反射により、メガネレンズ１の外側面５のうち出射素子７の外にある領域（図１では点Ｂの右隣）に当たる。これに対し、図２に示したように大きな視野角が望ましい場合、相応に拡大された出射構造７’が必要である。ただしこれにより、ライトパイプのうち出射構造７’の点Ａと点Ｃの間に横たわる区間に当たるビームは、メガネレンズ１の内側面３での最初の全反射により、メガネレンズ１の外側面５のうち出射構造７’がまだ存在する領域へと後方反射する。以下にオーバーラップ領域と言うこの領域は、図２では点Ｂと点Ｄの間にある。図２で選択された表現では回折性または反射性の出射素子であり得る出射素子の存在に基づき、メガネレンズ１の内側面３からＢとＤの間の領域内に反射したビームは、内側面３に向かっては後方反射せず、したがってこれらのビームは結像のためには失われる。

視野角ではなく、アイボックスの直径を拡大する場合にも類似の問題が生じる。この場合も点Ａおよび点Ｃがあって、これらの点の間では、ビームがメガネレンズ１の内側面３に向かって反射して、そこからビームがここでもまた全反射で出射構造７’のうち点Ｂと点Ｄで印した領域内に後方反射し、したがって結像に利用できなくなる領域が存在する。これに対応することが、アイボックス直径Ｅおよび視野角はそのままで、その代わりにメガネレンズの厚さｄを小さくする場合にも当てはまる。言い換えれば、十分に大きな視野角での十分に大きなアイボックス直径Ｅは、メガネレンズのある程度の最小厚ｄでしか達成できない。

ここでもう１度、ビーム経路の上述の考察に関しては逆になっており、実際のビーム経路はイメージング部からスマートグラスの射出瞳へと走っていることを指摘しておく。ただしこのことは、基本的な考察に関しては何も変化させない。なぜなら、イメージング部から来て点Ｂと点Ｄの間の領域内で出射構造７’に当たるビームは射出瞳へは反射しないからであり、というのもこのビームは全反射でメガネレンズの内側面に向かって後方反射せず、しかしながらそのような後方反射が、点Ａと点Ｃの間の出射構造７’の領域に達してそこから射出瞳に向かって出射し得るためには必要だからである。

米国特許出願公開第２００６／０１２６１８１（Ａ１）号 米国特許出願公開第２０１０／０２２０２９５（Ａ１）号 米国特許出願公開第２０１２／０００２２９４（Ａ１）号

前述の現況技術に照らして、本発明の第１の課題は、前述の「フットプリント・オーバーラップ」の問題を軽減できる結像光学系を提供することである。それと共に本発明の第２の課題は、有利なスマートグラスを提供することである。第１の課題は請求項１に基づく結像光学系によって、第２の課題は請求項１４に基づくスマートグラスによって解決される。従属請求項は本発明の有利な形態を含んでいる。

本発明は、とりわけスマートグラスにおいて使用可能な、仮想画像を表示するための結像光学系を提供する。この結像光学系は以下を含んでいる。
・眼球に面した内側面と、眼球に面していない外側面とを有し、眼球の前で支持され得る少なくとも１つのメガネレンズ。本発明による結像光学系では、メガネレンズは非正視を補正するメガネレンズであることができ、または非正視を補正しない光学的ゼロ要素であることができる。後者は、とりわけサングラスまたは保護メガネとして形成されたスマートグラスにおいて結像光学系を使用する場合であり得る。さらにメガネレンズはプラスチックまたはガラスから製造することができる。メガネレンズは多層構造であることができる。

・出力画像を表示するためのイメージング部（ディスプレイ）を含んでおり、このイメージング部が、出力画像から仮想画像を生成する結像ビーム経路の出発点である表示装置。この表示装置は、イメージング部だけからなることができ、またはさらなる素子、例えばレンズ、ミラー、プリズムなど、および／もしくはイメージング部をアライメントするための機構を含むことができる。イメージング部としては、ディスプレイのすべての種類、とりわけ液晶表示（LCD : Liquid Cristal Displays）、発光ダイオードを基礎とするディスプレイ（LED-Displays）、および有機発光ダイオードを基礎とするディスプレイ（OLED-Displays）が考慮される。

・メガネレンズの内側面と外側面の間に結像ビーム経路を入射させるための入射機構。入射機構は、例えばメガネレンズの一部または表示装置の一部であることができる。
・結像ビーム経路をメガネレンズから眼球に向かって出射するためのメガネレンズ内に存在する出射構造。これに関し入射機構は、結像ビーム経路がメガネレンズの内側面と外側面の間での反射により出射構造に伝達されるように、結像ビーム経路をメガネレンズの内側面と外側面の間に入射する。反射は、メガネレンズの１種／複数の媒質と周囲の媒質（一般的には空気）との境界面での全反射によってか、またはメガネレンズの内側面および／もしくは外側面に施された反射性もしくは部分反射性のコーティングでの反射によって実現することができる。これに関し、すべての反射を全反射によって引き起こすことができ、またはすべての反射を反射性もしくは部分反射性のコーティングでの反射によって引き起こすことができる。ただし、１つまたは複数の反射を反射性または部分反射性のコーティングでの反射によって、および残りの反射を全反射によって引き起こしてもよい。内側面および／または外側面は、必ずしもメガネレンズの１種／複数の媒質と周囲の媒質との境界面でなくてよい。むしろ内側面および／または外側面は、メガネレンズが多層構造の場合、メガネレンズ内部のメガネレンズの２つの層または部分体の間に配置することができる。例えば内側面を、メガネレンズの眼球に面した第１の部分体とメガネレンズの眼球に面していない第２の部分体との間で、部分反射層によって形成することができる。同じことを外側面に適用することができる。

本発明による結像光学系では、出射構造が、分離線に沿って互いに対し角度βで配置された２つの部分構造から構成されており、これらの部分構造は、異なる方向から到着するビーム経路を眼球に向かって出射し、この到着するビーム経路の異なる方向は、部分構造の間の角度βによって決定されている。これに関してはとりわけ、分離線が出射構造を２つの同じ大きさの部分構造に分割することができる。さらに、異なる方向から来るビーム経路の一方が、分離線と角度β／２をなし、かつ異なる方向から来るビーム経路のもう一方が、分離線と角度−β／２をなすことができ、これにより分離線に対する対称性を達成することができる。

本発明による結像光学系ではこれに加え、表示装置と、メガネレンズのうち最初の反射が起こる領域との間にビーム分割構造が存在しており、ビーム分割構造は、イメージング部から出ている結像ビーム経路を２つの結像部分ビーム経路に分割し、この結像部分ビーム経路が、異なる方向から出射構造の部分構造に到着するビーム経路となる。ビーム分割構造は、とりわけイメージング部とメガネレンズの縁との間に配置することができる。

本発明による結像光学系では、入射機構を、とりわけメガネレンズの側端に配置することができる。その場合、出射構造は、幅拡張方向に沿って延びている幅と、幅拡張方向に垂直な高さ拡張方向に沿って延びている高さとを有することができ、この幅拡張方向は、実質的にメガネレンズの横方向に走っている。この場合、部分構造の間の分離線は、幅拡張方向に平行に走り得る。このような１形態は、典型的なメガネレンズの形状と特によく調和する。さらにこの形態は、結像光学系を備えたスマートグラスに関し、メガネテンプル内にまたはメガネテンプルとメガネレンズの間に、表示装置を格納することを可能にし、これにより表示装置を比較的目立たせずにスマートグラスに組み込むことができる。

本発明による結像光学系を用い、冒頭で述べた「フットプリント・オーバーラップ」の問題を明らかに軽減させることができる。出射構造が、互いに対し角度βで配置された２つの部分構造から構成されており、これらの部分構造が、異なる方向から到着するビーム経路を眼球に向かって出射することにより、メガネレンズのうち、反射が生じなければならず、かつ現況技術では出射構造の点Ｂと点Ｄの間の区間内にある領域を、出射構造の外に移すことができる。分離線が例えば出射構造の幅拡張方向に走っている場合、部分構造の間の角度に基づき、反射をメガネレンズのうち出射構造より上および下にある領域に移すことができる。

出射構造が、結像光学系の射出瞳の比較的近傍に配置されているので、たいていの原画像点に関し、結像は同時に両方の結像部分ビーム経路を通っていると推測することができ、これは、１つの同じ原画像点から出ているビーム束が部分ビーム束に分割され、これらの部分ビーム束が両方の結像部分ビーム経路に沿って向かうことを意味している。ただし部分ビーム束はその後再び共通の画像点に到着しなければならず、これはビーム分割構造の偏向素子の位置合わせによって実現することができる。加えて、両方の結像部分ビーム経路に同じ焦点距離が存在しなければならず、これは、結像光学系の適切な形態によって実現することができる。したがって好ましいのは、本発明による結像光学系のビーム分割構造が、各々の結像部分ビーム経路のために少なくとも１つの偏向素子を含んでおり、この偏向素子が、それぞれの結像ビーム経路を出射構造の対応する部分構造に向かってメガネレンズ内に偏向するように形成されており、この偏向素子が、イメージング部の同じ原画像点から出ている結像ビーム経路のビーム束が仮想画像内の同じ画像点で再び一緒になるように、両方の結像部分ビーム経路に対して位置合わせされていることである。さらに結像光学系はこの場合、両方の結像部分ビーム経路に対して同じ焦点距離を有している。偏向素子は、とりわけ反射性偏向素子または屈折性偏向素子であることができる。反射性偏向素子としてはミラー、プリズム面、またはその他の反射面を、屈折性偏向素子としては例えばプリズムを適用することができる。

結像光学系を少なくとも部分的に入射機構に組み込むことができ、例えば、入射機構が相応の自由曲面を備えることによって実現することができる。それに加えてまたはその代わりに、結像光学系を少なくとも部分的に出射構造に組み込むことができ、その場合、出射構造が例えば相応の自由曲面を有することができる。さらにこれに加えてまたはその代わりに、結像光学系を少なくとも部分的にビーム分割部に組み込むことができ、この場合、反射面または屈折面が適切な自由曲面として形成されている。さらにまたこれに加えてまたはその代わりに、結像光学系を少なくとも部分的に表示装置に組み込むことができる。ここでは結像光学系が、適切なレンズ面またはミラー面を有することができる。とりわけ、入射機構、出射構造、ビーム分割部、および表示装置といった素子の少なくとも２つがそれぞれ結像光学系の一部を内包し、一緒に仮想画像の生成をもたらすことができる。

出射構造は、とりわけ反射性の帯状部を備えた反射性の帯状構造であることができる。この場合、帯状構造は、メガネレンズの外側面に配置されており、かつ鏡面になっている帯状部または部分的に鏡面になっている帯状部からなることができる。とりわけ鏡面になっている帯状部の場合には、反射性の帯状部と非反射性の帯状部を交互に配置することができる。その場合、反射された光ビームが、周囲からメガネレンズを透過した光ビームと空間的に交替になった状態で瞳孔に到着することにより、仮想画像が周囲画像に重畳され、これにより瞳孔では幾何学的ビーム重畳が存在する。部分的に鏡面になっている帯状部の場合には、それぞれの帯状部を互いに対し直接的に隣接させて配置することができる。この場合には周囲光の一部が、部分的に鏡面になっている帯状部を射出瞳に向かって通過できる。同時にイメージング部から出ている光ビームが部分的に鏡面になっている帯状部により射出瞳に向かって反射され、これにより物理的ビーム重畳が生じる。

出射構造を反射性の帯状構造として形成する代わりに、帯状構造を屈折性の帯状構造として形成してもよい。その場合、このような帯状構造は、メガネレンズの内側面に配置され、かつイメージング部から出ているビームを、メガネレンズの射出瞳へと偏向するように屈折させる。

出射構造の形態に関するさらなる１代替策は、帯状構造を回折性の帯状構造として形成することにある。この場合には、アイボックスに向かう出射が、反射または屈折によってではなく回折によって生じる。この場合、部分構造は、その分散方向が互いに対し角度βになるように位置合わせされている。ただし回折性の帯状構造では一般的に多色の出射が複雑に込み合い、したがって反射性または屈折性の帯状構造が好ましい。

出射構造が結像光学系の一部であるべき場合、帯状構造の形態に関わらず、それぞれの帯状面に自由曲面を重ねることができる。
本発明による結像光学系では、両方の部分構造の間の角度βは、パラメータｅ＝（Ｅ×α）／ｄが少なくとも０．４、好ましくは少なくとも０．５の値になるように選択されており、式中、Ｅは、眼球の入射瞳上に置かれた射出瞳のｍｍでの直径を意味し、αは、弧度での視野角、とりわけ水平視野角を意味し、かつｄは、メガネレンズのｍｍでの厚さを意味している。パラメータｅは、結像光学系のライトパイプを通るライトスループットの可能性に関する尺度である。現況技術に基づく出射構造によって可能なパラメータｅの値は最大で約０．２５である。出射構造を互いに対し角度βで走っている２つの部分構造に分割することにより、パラメータの値を少なくとも０．４に、とりわけ少なくとも０．５に上げることができる。これは、例えばメガネレンズの厚さを小さくすることを可能にし、したがって、現況技術で実現されている少なくとも１つの視野角およびアイボックスを備えた結像光学系を、現況技術より小さいメガネレンズ厚で、例えば３ｍｍ厚以下、とりわけ２．５ｍｍ厚以下のメガネレンズで実現することができる。これに対し、現況技術に基づくスマートグラスのための結像光学系の典型的なレンズ厚は４ｍｍ以上である。しかし他方で、メガネレンズのレンズ厚を現況技術に対して変化させず、その代わりに視野角を少なくとも１２．５°に、とりわけ少なくとも１５°に、さらにとりわけ少なくとも２０°に上昇させてもよい。これとは異なり、現況技術に基づくスマートグラスのための結像光学系の視野角は、目下のところ約１０°である。加えて、現況技術よりメガネレンズの厚さも小さくし、視野角も大きくするという可能性もある。つまり本発明は、例えば現況技術より小さい２．５ｍｍのレンズ厚で、現況技術より大きな１２．５°の視野角を、６ｍｍの射出瞳直径の場合に実現することができる。

本発明によるスマートグラスは、仮想画像を生成するための本発明による結像光学系を備えている。本発明によるスマートグラスによって達成され得る利点は、本発明による結像光学系に関連して述べた利点から直接的に明らかである。

本発明のさらなる特徴、特性、および利点は、添付の図を参照した以下の例示的実施形態の説明から明らかである。

小さな視野角での現況技術に基づくスマートグラスにおける結像ビーム経路の一部分を示す図。 大きな視野角での現況技術に基づくスマートグラスにおける結像ビーム経路の一部分を示す図。 本発明による結像光学系を備えたスマートグラスの基本構造の概略図。 図３に基づく結像光学系における結像部分ビーム経路の軌道の透視図。 図３に基づく結像光学系で使用できるような反射性の出射構造の断面図。 図３に基づく結像光学系の出射構造の平面図。 現況技術に基づく出射構造の平面図。 図３に基づく結像光学系で使用できるような代替的な反射性の出射構造の断面図。 図３に基づく結像光学系で使用できるような屈折性の出射構造の断面図。

以下では、本発明による結像光学系を備えたスマートグラスに関する１つの例示的実施形態を、添付の図を参照しながらより詳しく説明する。これに関し図１は、スマートグラスの概略図を示しており、図３は、結像光学系のメガネレンズ内の部分結像ビーム経路の軌道を示している。

図３に示した例示的実施形態のスマートグラスは、少なくとも１つのメガネレンズ１を備えた本発明による結像光学系を含んでおり、メガネレンズ１は、スマートグラスを装着した場合にユーザの眼球に面している内側面３と、スマートグラスを装着した場合にユーザの眼球に面していない外側面５とを有している。スマートグラスはさらにメガネテンプル１１を含んでおり、メガネテンプル１１内にこの例示的実施形態ではイメージング部１５を備えた表示装置１３が組み込まれている。ただし、図示した例示的実施形態とは異なり、結像光学系の一部である表示装置１３を、テンプル１１とメガネレンズ１の間に配置された部材に組み込むこともできる。

結像光学系は、イメージング部１５によって生成された出力画像から仮想画像を生成する。対応する結像ビーム経路は、イメージング部１５から結像光学系の射出瞳９に導かれており、射出瞳９は、スマートグラスを装着した場合に、図３では眼球回旋点１７しか示されていないユーザの眼球の瞳孔の場所に存在している。結像ビーム経路は、結像光学系のうちこの例示的実施形態では第１のミラー２１および第２のミラー２３によって示されたビーム分割構造１９により、２つの結像部分ビーム経路２５、２７に分割される。第１のミラー２１が、第１の結像部分ビーム経路２５を生成して、第１の結像部分ビーム経路２５を入射面２９の上端でメガネレンズ１の入射区間３１に入射させる一方で、第２のミラー２３は、第２の結像部分ビーム経路２７を生成して、第２の結像部分ビーム経路２７を入射面２９の下端でメガネレンズ１の入射区間３１に入射させる。入射した結像部分ビーム経路２５、２７は、入射区間３１内のメガネレンズ１の外側面５である反射面３３から、メガネレンズ１の外側面５と内側面３の間を、内側面３に当たる際に全反射してこの全反射によりさらなる全反射に至る角度で外側面５に当たるように反射する。結像部分ビーム経路２５、２７は、メガネレンズ１の内側面および外側面での多数の全反射により結像光学系の出射構造７に導かれ、そこから、結像光学系の射出瞳９の方向にメガネレンズ１から出射する。

出射構造７は図５および図６で詳細に示している。結像部分ビーム経路２５、２７をメガネレンズ１から出射させるために、メガネレンズ１は、メガネレンズ１の外側面５に配置されており且つ直線的な拡張方向に沿って延びているファセット３５を有している。ファセット３５は、メガネレンズ１の内側に向いた全面的または部分的な鏡面であり、この鏡面が、メガネレンズ１の内側面３から来る全反射したビーム束を、メガネレンズ１から出ていくように偏向する。これに関しファセット３５は、メガネレンズ１の外側面５に対し、スマートグラスを装着した場合に出射したビーム束がユーザの眼球の瞳孔の場所にある結像光学系の射出瞳９を通り抜けるような角度に配置されている。個々のファセット３５の間には中間区間３７があり、中間区間３７の面は、メガネレンズ１の元々の外側面５と一致している。中間区間３７により、周囲から来るビーム束は、メガネレンズ１を通って結像光学系の射出瞳９に達する。こうして、結像光学系の射出瞳９内では、周囲からのビーム束とイメージング部１５から出ているビーム束との幾何学的重畳が存在する。したがってこの結像光学系によって生成された仮想画像は、ユーザにはあたかも仮想画像が周囲に浮かんでいるように見える。

図６は、出射構造７を、結像光学系の射出瞳９の方向から見た平面図で示している。図６ではとりわけ、出射構造７が帯状構造を有することが認識でき、この帯状構造は、この例示的実施形態では出射構造の幅拡張方向に平行に延びている分離線３９に沿って、２つの部分構造４１、４３に区分されている。部分構造４１、４３は互いに対し角度βで走っており、このβは、ファセット３５の拡張方向に垂直に走る２本の直線の間の角度を表しており、この直線の各々は、（異なる符号の）角度β／２を分離線３９と共に挟んでいる。この直線は、結像部分ビーム経路２５、２７のビームの、出射構造７の部分構造４１、４３上への投射にも実質的に一致している。結像部分ビーム経路は、図６では、互いに対し角度βで伝搬している２つのビームによって表されている。さらに、メガネレンズ１の内側面３でビームの全反射が生じる点を×印によってマーキングしており、メガネレンズ１の外側面５（外側面５では出射構造７も形成されている）でビームの全反射が生じる点を○印によってマーキングしている。図６に描き込まれた出射点４５、４７では、図に示したビーム２５、２７が結像光学系の射出瞳９に向かってメガネレンズ１から出射する。

図６で認識できるように、メガネレンズ１の外側面５では、出射構造７より上および下で、メガネレンズ１の内側面３に向かうビーム２５、２７の全反射が起こり、そこからビーム２５、２７はここでもまた全反射により、ビームの出射点４５、４７へと反射する。この出射点４５、４７は、出射構造７の最も外側の左縁に存在している。出射構造７の左縁からさらに離れている、つまり図６で示した出射点４５、４７より出射構造７の右縁に近い方に存在している出射点では、○印によってマーキングされるメガネレンズ１の外側面５での全反射の部位は、出射構造７からさらに離れている。同じことが、図６では分離線３９のかなり近傍にある出射点４５、４７が、分離線３９からさらに離れている場合に当てはまる。このように出射構造７の全面に、メガネレンズ１の外側面５での最後の全反射が出射構造７の外にあるビームを到達させることができる。比較のため図７では、現況技術に基づく出射構造の場合の、つまり互いに対し或る角度で配置された２つの部分構造からは構成されていない出射構造の場合の状況を示している。図７から容易に認識できるように、現況技術に基づく出射構造の場合、メガネレンズ１の外側面５で全反射が起こる最後の点が出射構造内にあり、したがって有用な全反射が起こらなくなっている。これにより、図２を参照しながら説明したような状況が生じている。つまり、出射構造を２つの部分構造に分割すること、および部分構造を互いに対し角度βで配置することにより、メガネレンズ１の外側面５での全反射のための最後の反射点を、外側面５のうち出射構造７が存在しない領域に移すことを達成できる。これにより、現況技術に比べて出射構造の利用可能な面を拡大することができる。現況技術ではＡとＤの間の面しか有意義な出射に利用できないのに対し、本発明による出射構造では全面を有意義な出射に利用することができる。

出射構造７は、結像光学系の射出瞳９の比較的近傍にある。射出瞳９はその直径全体が、結像ビーム経路のすべての結像するビーム束によって通り抜けられるので、出射構造７の瞳近傍での配置により、出射構造７は結像するビーム束をその面の大部分で射出瞳９へと反射すると推測することができる。したがってビーム分割構造１９は、イメージング部１５上の原画像点から出ているビーム束を、原画像から出ているビーム束が両方の結像部分ビーム束２５、２７を経て出射構造７へと伝達されるように分割するよう形成されている。このために必要な、ビーム分割構造１９内での反射性素子および／または屈折性素子の正確な配置および位置合わせは、メガネレンズ１の特性および出射構造７の部分構造４１、４３の間の角度βに左右される。ビーム分割構造１９内での反射性素子および／または屈折性素子の配置および位置合わせに関わるメガネレンズ１のパラメータは、とりわけメガネレンズ１の厚さと、メガネレンズ１の材料の屈折率と、メガネレンズ１の内側面３の曲率と、メガネレンズ１の外側面５の曲率とである。それだけでなく、両方の結像部分ビーム経路が同じ焦点距離を有することが保障されていなければならない。これは、結像光学系の画像形成に関与する面の適切な形態によって実現することができる。この例示的実施形態では、画像形成に関与する面は、出射構造７とビーム分割構造１９に分割されている。出射構造７およびビーム分割構造１９の必要なフォーカス特性および／またはデフォーカス特性は、ファセット３５の反射面ならびにビーム分割構造１９の反射面および／または屈折面が、それぞれのフォーカスまたはデフォーカスをもたらすのに適した自由曲面を有することによって達成される。当業者は、メガネレンズ１の特性および所望の結像特性に基づき、光学系設計ソフトウェアを用いて適切な面形状を確定することができる。

結像部分ビーム経路２５、２７の、出射構造７の部分構造４１、４３への光路が別々であることにより、射出瞳直径Ｅと視野角αの積のレンズ厚ｄに対する比率として生じる定数ｅを、現況技術に対して少なくとも倍増することができる。この定数ｅは、イメージング部から結像光学系の射出瞳へのライトスループットの可能性に関する尺度である。これに関し視野角αは、分離線３９の方向での視野角であり、分離線３９は本発明による結像光学系では一般的に、スマートグラスを装着した場合に分離線３９が実質的に水平に延びるように走っている。定数ｅが大きくなることにより、例えば、射出瞳の直径が６ｍｍおよびレンズ厚が４ｍｍの場合の現況技術では目下のところ通常である１０°の視野角を２０°に拡大することができる。しかし他方で、視野角αを１２．５°にしか拡大せずに、射出瞳直径が６ｍｍの場合のレンズ厚を２．５ｍｍに縮小するということもできる。両方の場合に定数ｅは約０．５２であり、これに対し、視野角が典型的には１０°であり、射出瞳直径が典型的には６ｍｍであり、かつレンズ厚が典型的には４ｍｍである現況技術での定数は、０．２６の値を示す。

図３〜図７を参照しながら説明した例示的実施形態では、出射構造７のファセット３５が全面的に鏡面になっており、かつファセット３５の間にはファセットのない領域３７が存在することができる。出射構造の代替的な１形態を図８に示している。この形態では、出射構造１０７が、部分的に鏡面になっているファセット１３５を有している。メガネレンズ１の内側３からファセット１３５に向かって全反射したビーム束は、ファセット１３５から射出瞳９に反射する。周囲から来るビーム束は、部分的に鏡面になっているファセットを射出瞳に向かって通過することができ、したがって射出瞳９の領域内では、結像ビーム経路のビーム束と周囲からのビーム束との物理的重畳が生じ、よって結像光学系を備えたスマートグラスのユーザでは、仮想画像が周囲に浮かんでいる印象が生じる。例示的実施形態において図３〜図７を参照しながら説明した出射構造７は、図８を参照しながら説明した出射構造１０７と容易に取り替えることができる。

出射構造のさらなる代替的な１形態を図９に示している。図９に示した出射構造２０７は、出射すべきビーム束を射出瞳９に向かって反射することにではなく、出射すべきビーム束を射出瞳９に向かって屈折することに基づいている。このために、図９に示した出射構造２０７ではメガネレンズ１の内側面３にファセットが配置されており、この内側面３に、メガネレンズ１の外側面５から最後に全反射した結像部分ビーム経路のビーム束が当たる。この場合ビーム束は、光学的に比較的薄い媒質である空気（または別の光学的に比較的薄い媒質）中に入る際に、ファセット２３５の面法線から外れて射出瞳９に向かって屈折する。図３〜図７を参照しながら説明した例示的実施形態において、図９に示したような出射構造２０７を使用すべき場合は、出射構造をメガネレンズ１の外側面５からメガネレンズの内側面３に移されなければならない。さらに、結像部分ビーム経路の出射前の最後の全反射がメガネレンズ１の内側面３ではなくメガネレンズ１の外側面５で起こるように、結像ビーム経路を変更しなければならない。

図５に示した出射構造７でのように、図８および図９に示した出射構造１０７、２０７でも、ファセットの反射面または屈折面に自由曲面を重ねることができ、したがって出射構造を結像光学系の一部として用いることができる。

本発明は、横長形式の仮想画像にとりわけ適しており、かつ出射構造の部分構造の間の角度をより小さくする必要があればそれだけ、画像形式の高さに対する幅の比率が大きくなる。したがって本発明は、特に横長形式の画像、とりわけアスペクト比が１６：９の横長形式の画像に適している。縦長形式の場合は、結像部分ビーム経路を、例えばメガネレンズの上面または下面で、内側面と外側面の間に入射させることができ、この場合、出射構造の部分構造の間の分離線は、高さ拡張方向に平行に延びている。しかしながら、結像部分ビーム経路をメガネレンズの内側面と外側面の間に側面から入射させること、および出射構造の幅拡張に平行な分離線の軌道は、縦長形式でも、出射構造の部分構造の間の必要な角度βが、結像部分ビーム経路の一方がメガネレンズの上面または下面を通過するほど大きくならない場合には、維持し続けることができる。

この例示的実施形態では、結像ビーム経路を出射構造へと伝達するメガネレンズの内側面と外側面の間の反射が、メガネレンズの媒質と周囲空気との境界面での全反射によって実現されている。しかしその代わりに、反射のすべてまたは幾つかを、メガネレンズ上に施されるかまたはメガネレンズ中に挿入される反射性または部分反射性のコーティングによって実現してもよい。

説明のために、本発明を１つの例示的実施形態およびその変形形態に基づいて詳細に述べてきた。しかしながら当業者は、例示的実施形態で明確には述べていないさらなる変形を行い得ることを理解する。例えば反射面３３は、メガネレンズの一部において配置する代わりに、メガネレンズとイメージング部の間に配置された別個のプリズム内に配置することができる。この場合、ビーム分割構造は、イメージング部とプリズムの間か、またはプリズムとメガネレンズの間に配置することができる。さらに出射構造を必ずしも２つの同じ大きさの部分構造に分割する必要はなく、かつ結像部分ビーム経路が分離線に対して（異なる符号の）同じ角度で走っている必要はない。とりわけ、メガネレンズにおける出射構造の配置が、結像部分ビーム経路がメガネレンズの上縁または下縁を通過しないよう結像部分ビーム経路を分離線に対して異なる角度にすることを必要とする可能性があり、これは他方でまた、出射構造の部分構造を分離線に垂直な方向において異なる寸法にすることを必要とする可能性がある。したがって本発明は、前述の例示的実施形態およびその変形形態の特徴の組合せによって制限されるべきではなく、添付の請求項によってのみ制限されるべきである。

Claims (14)

1. 仮想画像を生成するための結像光学系であって、
   眼球に面した内側面（３）と、眼球に面していない外側面（５）とを有し、眼球の前で支持され得る少なくとも１つのメガネレンズ（１）と、
   出力画像を表示するためのイメージング部（１５）を含む表示装置（１３）であって、該イメージング部（１５）が、該出力画像から仮想画像を生成する結像ビーム経路の出発点である、前記表示装置（１３）と、
   該メガネレンズ（１）の内側面（３）と外側面（５）との間に結像ビーム経路を入射させる入射機構（２９、３１、３３）と、
   該メガネレンズ（１）内に設けられ、該結像ビーム経路を該メガネレンズ（１）から眼球に向かって出射する出射構造（７、１０７、２０７）と、を備え、
   該入射機構（２９、３１、３３）が、該結像ビーム経路が該内側面（３）と該外側面（５）の間での反射により該出射構造（７、１０７、２０７）に伝達されるように、該結像ビーム経路を該メガネレンズ（１）の内側面（３）と外側面（５）の間に入射し、
   該出射構造（７、１０７、２０７）が、複数のファセットを有する帯状構造であり、該帯状構造は、分離線（３９）に沿って区分され且つ互いに対し角度βで延びている２つの部分構造（４１、４３）から構成され、該部分構造が、異なる方向から到着するビーム経路（２５、２７）を眼球に向かって出射し、異なる方向から到着するビーム経路（２５、２７）のなす角度は、前記角度βであり、
   該表示装置（７、１０７、２０７）と、該メガネレンズ（１）のうちの最初の反射が起こる領域との間には、ビーム分割構造（２１、２３）が設けられ、該ビーム分割構造が、該イメージング部（１５）から出ている該結像ビーム経路を２つの結像部分ビーム経路に分割し、該結像部分ビーム経路が、異なる方向から該出射構造の部分構造（４１、４３）に到着する該ビーム経路（２５、２７）となる、結像光学系。
2. 異なる方向から来る前記ビーム経路の一方（２５）が、前記分離線（３９）と角度β／２をなし、これに対し、異なる方向から来る該ビーム経路の他方（２７）が、前記分離線（３９）と角度−β／２をなすことを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記入射機構（２９、３１、３３）が、前記メガネレンズ（１）の側端に配置されており、前記出射構造（７、１０７、２０７）が、幅拡張方向に沿って延びている幅（ｂ）と、該幅拡張方向に垂直な高さ拡張方向に沿って延びている高さ（ｈ）とを有し、該幅拡張方向が、実質的に前記メガネレンズ（１）の横方向に向かっており、かつ前記部分構造の間の分離線（３９）が、該幅拡張方向に平行に延びていることを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 前記分離線（３９）が、前記出射構造（７、１０７、２０７）を２つの同じ大きさの部分構造（４１、４３）に分割することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記ビーム分割構造が、各結像部分ビーム経路のために少なくとも１つの偏向素子（２１、２３）を含んでおり、該偏向素子が、各結像部分ビーム経路を前記出射構造（７、１０７、２０７）の対応する部分構造（４１、４３）に向かって前記メガネレンズ（１）内へ偏向し、該偏向素子（２１、２３）が、前記イメージング部（１５）の同じ原画像点から出ている前記結像部分ビーム経路のビーム束（２５、２７）が前記仮想画像内の同じ画像点で再び一緒になるように、前記２つの結像部分ビーム経路に対して位置合わせされており、かつ前記結像光学系が、前記２つの結像部分ビーム経路に対して同じ焦点距離を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結像光学系。
6. 前記ビーム分割構造（２１、２３）が、少なくとも１つの反射性偏向素子および少なくとも１つの屈折性偏向素子の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項５に記載の結像光学系。
7. 前記入射機構（２９、３１、３３）および前記出射構造（７、１０７、２０７）および前記ビーム分割構造（２１、２３）の少なくとも一方が、自由曲面を有するようにさらに形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結像光学系。
8. 前記出射構造（７、１０７）が、反射性の帯状部を含む反射性の帯状構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結像光学系。
9. 前記出射構造（２０７）が、屈折性の帯状部を含む屈折性の帯状構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結像光学系。
10. 前記出射構造が、回折性の帯状部を含む回折性の帯状構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結像光学系。
11. 前記２つの部分構造（４１、４３）の間の角度βが、パラメータｅ＝（Ｅ×α）／ｄが少なくとも０．４の値になるように選択されており、式中、Ｅが、眼球の入射瞳（９）上に置かれた射出瞳のｍｍでの直径を示し、αが、弧度での視野角を示し、かつｄが、前記メガネレンズ（１）のｍｍでの厚さを示していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の結像光学系。
12. 前記メガネレンズ（１）の厚さｄが３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の結像光学系。
13. 水平視野角αが少なくとも１２．５度であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の結像光学系。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の仮想画像を生成するための結像光学系を備えたスマートグラス。

Images