JP7167300B2 - 頭部に装着可能なディスプレイのための光導波路を含んだ光学機器 - Google Patents

Description

背景
本開示は、全体的に、拡張視覚を作り出すための頭部に装着可能なディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスの一部として使われ得る光導波路の設計、配置、および使用に関する。

ＨＭＤデバイスは、通常、ニアツーアイ（ｎｅａｒ－ｔｏ－ｅｙｅ）光学系を内蔵し、ユーザの前の離れた位置に置かれる仮想画像を作り出す。一眼ディスプレイおよび両眼ディスプレイは、それぞれ単眼用ＨＭＤおよび双眼用ＨＭＤと呼ばれる。いくつかのＨＭＤデバイスがコンピュータ生成画像（ＣＧＩ）を表示する一方、その他の種類のＨＭＤデバイスは、実世界ビューにＣＧＩを重畳可能である。この後者の種類のＨＭＤは、通常、何らかの形のシースルー型接眼鏡を備えており、拡張現実（ＡＲ）を実現するためのハードウェアプラットフォームとして機能できる。シースルー型アイウェアを通して見たときの世の中のシーンが、重ね合わされたＣＧＩを使用して拡張される。このような機構は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）とも呼ばれる。

ＨＭＤには、実用的用途とレジャー用途とがある。しかしながら、多くの用途が、コスト、大きさ、重量、厚さ、視野、および既存のＨＭＤデバイスを実装するために使われる光学系の効率性によって限定されてしまう。狭い視野では、特に限定的になってしまう。従来の構成要素を使用すると、わずかな程度の幅と、わずかな程度の高さとのＣＧＩしか得ることができず、ユーザエクスペリエンスがよくない。これまでのＨＭＤ設計では、湾曲した光導波路を採用することによってこれらの課題に対処することが試みられ、従来の眼鏡と同様の頭部に装着可能なフレームのテンプル領域にマイクロディスプレイを配置していた。しかしながら、これらの設計の配置の特定の形状制約および物理的制約に基づいて、少なくとも光導波路の眼側に２回のはね返りまたは反射と、光導波路の外界側に２回の反射とを含むために光導波路が光路を制限してしまい、これにより、結果として得られる可視画像の大きさが制限されてしまう。これに加えて、ＨＭＤの構成要素を配置する際の従来の制約によって、ユーザの視界内で約１０度対角の低ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ）表示になってしまう。

本開示は、添付の図面を参照することによって当業者に理解され、その数多くの特徴および利点が当業者に明らかになるであろう。異なる図面における同一の参照符号の使用は、同様または同一の項目を示す。

いくつかの実施の形態に係る、アイウェアデバイスの斜視図である。 いくつかの実施の形態に係る、アイウェアデバイスの斜視図である。 いくつかの実施の形態に係る、光導波路の分解斜視図である。 いくつかの実施の形態に係る、図３に示す光導波路の正面図である。 いくつかの実施の形態に係る、図１の１－１線に沿った光導波路、ディスプレイ、およびフィールドレンズの側断面図である。 いくつかの実施の形態に係る、図１の２－２線に沿ったアイウェアデバイスの側断面図である。 いくつかの実施の形態に係る、図１および図２に示したフレーム内に配置した場合の光導波路の俯瞰図である。 いくつかの実施の形態に係る、湾曲したシースルー型光導波路の２つの表面の形状を特徴付ける例示的な係数のセットを示す図である。 いくつかの実施の形態に係る、湾曲したシースルー型光導波路の表面を特徴付ける座標値のセットを示す図である。

詳細な説明
これまでの光導波路の設計では、頭部に装着可能なディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスもしくは装置、または透過型ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）デバイスもしくは装置のテンプルの位置に、マイクロディスプレイを搭載していた。この位置では、光導波路の長さが所望の長さよりも長くなってしまう可能性がある。特に、テンプルの位置にあるマイクロディスプレイでは、光がユーザの眼に到達する前に光導波路の眼側表面で２回以上の反射、光導波路の外界側表面で２回以上の反射を有する光路が必要とされ得る。テンプルの位置にあるマイクロディスプレイを隠すために、光導波路内の全内部反射（ＴＩＲ）を促進するよう、光導波路を約１８度で傾ける必要があった。これらのすべての制約によって、マイクロディスプレイから出射される可視画像において約１０度対角の低ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ）表示となってしまう。

本明細書において説明する実施の形態は、コンピュータによって生成されたシーンと実世界のシーンとの光学的合成を可能にして合成ビューを形成するための眼鏡、ヘルメット、およびフロントガラスなどのシースルー型ＨＭＤデバイスに関する。これまでの形状よりも改善させるために、特定の実施の形態によると、マイクロディスプレイ（以下、「ディスプレイ」とも称する）を、ＨＭＤデバイスの一部として、湾曲した光導波路の上部に搭載して光学的対称性を与え、かつ、数度であった視野を水平方向に約４０度、および垂直方向に約１４度広げる。光導波路とマイクロディスプレイとは、通常、互いに相対的に配置されて、全内部反射の反射を光導波路の表面から眼側に１回、外界側に１回反射させる。次に、マイクロディスプレイからの投影が、光導波路のコンバイナ領域を通過した光導波路の外界側（眼側とは反対側）からの光と、当該光がユーザの眼に到達する前に出力結合（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅ）してもよい。

光導波路の湾曲した眼側表面と、湾曲した外界側表面とを有するなど、光導波路の様々な特徴によって、光導波路の上部にマイクロディスプレイを搭載することが支持される。特定の実施の形態によると、これらの湾曲した表面は球面であり、これらの湾曲した表面の各々は、互いに同様またはほぼ同じ大きさの特性寸法（たとえば、球面寸法、半径）を有する。マイクロディスプレイからの光を最初に受光する光導波路の第１表面は湾曲しており、特定の実施の形態によると、マイクロディスプレイに非点収差があった場合に当該非点収差を補正するよう、自由曲面である。マイクロディスプレイからの光をユーザの眼に向けて最後に反射する光導波路の別の最後の表面も、自由曲面である。この最後の表面を、本明細書において、コンバイナまたはコンバイナ面と呼ぶ。それを反射した画像を、ライトフィールドと呼ぶ。その他の実施の形態では、光導波路の最後の表面は、回転対称な非球面、アナモルフィックな非球面、環状面、ゼルニケ多項式の形状を有する面、放射基底関数の形状を有する面、ＸＹ多項式面、または非一様有理Ｂスプラインの形状を有する面である。

第１の（左の）ユーザの眼用に第１光導波路が提供され、第２の（右の）ユーザの眼用に第２光導波路が提供される。一実施の形態において、第１光導波路および第２光導波路の各々は、視線軸から約５度反っている。いくつかの実施の形態によると、そり角は、視線軸を基準に、少なくとも２度の角度である。フレームは、光導波路の表面を約４度の傾きで維持する。光軸は、少なくとも２度有するように向きを付けられる。たとえば、光軸も、水平軸よりも下で８度未満、たとえば、約４度を有するように向きを付けられる。全体またはすべてを合わせた前傾の傾きは、これによってユーザの眼を基準に、少なくとも２度、たとえば、約８度となる。光導波路の厚さは、約５ｍｍ以下である。特定の実施の形態によると、厚さは４ｍｍ以下である。光導波路の球面の球面曲率半径は、その光パワーの合計がゼロになるように設計される（すなわち、各光導波路がゼロパワーのシェルである）。シースルー型シェルは、光導波路から短い距離で維持されるので、従来のＨＭＤデバイスおよびＨＭＤ画像閲覧システムと比較して、実質的に大きな画像を提供し、かつ、見た目が美しいＨＭＤデバイスがもたらされる。

図１は、いくつかの実施の形態に係る、アイウェアデバイス１００の斜視図である。デバイス１００は、フレーム１１０内に取り付けられた光導波路１０１の対を含む。フレーム１１０は、その上側１１４と下側１２０との間に光導波路１０１を固定する。フレーム１１０は、普通の眼鏡に似た形状に成形されている。一般に、各光導波路１０１は、透明である。各光導波路１０１は、コンバイナとして作用する誘電体ミラーコーティング１０２を含む。コンバイナは、各マイクロディスプレイ１０５からの光１０３を反射し、外界側１１３からの周辺光１０４を光導波路１０１の眼方向側１１５および誘電体ミラーコーティング１０２まで透過させる。各マイクロディスプレイ１０５は、フレーム１１０の上側１１４に搭載される。フレーム１１０は、フレーム１１０のテンプル位置からユーザ（図示せず）の耳にかかって延びる２つのアーム１１１を含む。各アーム１１１は、各マイクロディスプレイ１０５のコード１１２を収容する。各マイクロディスプレイ１０５は、その各コード１１２を通してコンピューティングデバイス（図示せず）から電力および表示信号を受信し、コンピュータ生成画像（ＣＧＩ）の光を出射するように構成される。

図２は、いくつかの実施の形態に係る、図１において最初に示したアイウェアデバイス１００の別の斜視図である。フレーム１１０は、それぞれのマイクロディスプレイ１０５用のディスプレイ筐体１０６を支持する。各ディスプレイ筐体１０６は、そのマイクロディスプレイ１０５の一部を囲んでいる。表示光１０３は、各マイクロディスプレイ１０５を出発して、フレーム１１０の上側１１４から各光導波路１０１に入る。いくつかの実施の形態によると、表示光１０３は、光導波路１０１の表面の内部および表面同士の間で反射される。全内部反射（ＴＩＲ）によって第１表面において１回反射され、光導波路１０１の第２表面において１回反射され、表示光１０３は、その後、誘電体ミラーコーティング１０２で反射される。マイクロディスプレイ１０５から出射された光１０３は、次に、光導波路１０１を出発してフレーム１１０の眼方向側１１５に向かい、ユーザ（図示せず）によって観測される。アーム１１１は、フレーム１１０の２つのテンプルの位置１１７の各々から延びる。外界側１１３からの周辺光は、光導波路１０１をフレーム１１０の眼方向側１１５に透過する。ノーズレスト１１６は、光導波路１０１がユーザの眼の前に配置されるよう、フレーム１１０の中央部分に留められている。留め具凹部１１９内のそれぞれの留め具１１８は、ディスプレイ筐体１０６とマイクロディスプレイ１０５とを、フレーム１１０に固定する。フレーム１１０の上側１１４にマイクロディスプレイ１０５を配置することによって、左右対称の光学的対称性が得られる。光導波路１０１の表面の特徴およびマイクロディスプレイ１０５と各光導波路１０１との間に配置されたフィールドレンズまたはディスプレイレンズが少なくとも部分的な原因となって、ユーザに対して表示光１０３が拡大される。たとえば、光導波路は、拡大鏡として作用して、直径約４ｍｍの瞳孔に対して、水平４０度、垂直１４度の視野を出力する。光導波路１０１およびマイクロディスプレイ１０５は、互いに相対的に配置されており、全内部反射の反射を眼側表面に１回、光導波路１０１の外界側表面に１回反射させる。次に、マイクロディスプレイからの投影が、光導波路１０１のコンバイナ領域を通過した光導波路１０１の外界側からの光と、当該光がユーザの眼に到達する前に出力結合する。特定の実施の形態によると、光導波路１０１の眼側表面および外界側表面は、球面である。各光導波路１０１のこれらの湾曲した表面の各々は、互いにほぼ同じ大きさの特性寸法を有する。マイクロディスプレイ１０５からの光を最初に受光する光導波路１０１の第１表面は湾曲しており、特定の実施の形態によると、自由曲面である。自由曲面を有することによって、誘電体ミラーコーティング１０２から映り込む、結果として得られるマイクロディスプレイ１０５からのライトフィールドに非点収差があった場合、当該非点収差が補正される。いくつかの実施の形態によると、光導波路１０１の第２表面またはコンバイナ面は、自由曲面である。

図３は、図１において最初に示した光導波路３０１の分解斜視図である。アイウェアデバイス１００の構成要素の一式３００は、光導波路３０１と、合わせフィラーピース３４０とを含む。フィラーピース３４０はオプションであり、アイウェアデバイス１００を普通のアイウェアのように見せるよう、光導波路３０１内に含まれている。フィラーピース３４０の表面は、光導波路３０１の凹部３４１の表面を含む、光導波路３０１の表面に合うように成形されている。たとえば、フィラーピース３４０の眼方向側では、フィラーピース３４０の第１合わせ面３４２は、光導波路３０１のコンバイナ開口部３０２のコンバイナ面３１７のコンバイナ曲面３１８に合うように成形されている。フィラーピース３４０が光導波路３０１の眼方向側まで延びる程度に、フィラーピース３４０の別の表面が、光導波路３０１の眼側表面３１５の眼側曲面３１６に合うように成形されている。コンバイナ開口部３０２は、コンバイナ面３１７の境界内にある。コンバイナ面３１７は、境界面の上側ライン３２０、境界面の下側ライン３２１、境界面の外側ライン３２２、および境界面の内側ライン３２３によって規定される。ライン３２０～３２３の各々は、光導波路３０１のそれぞれの表面の交点にある。フィラーピース３４０の外界側では、第２合わせ面３４３が、光導波路３０１の外界側表面３１３の外界側曲面３１４に合うように成形されている。

（マイクロ）ディスプレイ３０５からの表示光３０３と、光導波路３０１の外界側からの周辺光３０４とが、コンバイナ開口部３０２内で合成される。表示光３０３は、光導波路３０１内の光路３５０を進む。コンバイナ開口部３０２は、コンバイナ面３１７の一部であり、表示光３０３を光導波路３０１の眼方向側に反射する。ディスプレイ３０５によって生成された、コンピュータ生成画像（ＣＧＩ）のための表示光３０３は、フィールドレンズ３０７を介して光導波路３０１の上面３４４内に向けられる。表示光３０３は、光導波路３０１内で、外界側表面３１３および眼側表面３１５の各々を少なくとも１回反射する。光導波路３０１の眼方向側に出る前に表示光３０３が面３１３、３１５の各々を１回反射することが好ましい。光導波路３０１およびフィラーピース３４０の表面を含む、構成要素一式３００に含まれる各構成要素の表面の形状は、第１（ｘ）軸３１０、第２（ｙ）軸３１１、および第３（ｚ）軸３１２のうちの１つ以上に沿った寸法成分を含む。その他の図面にさらに示され、本明細書においてさらに説明されているように、たとえば、コンバイナ面３１７は、第１軸３１０を基準にした視点からは湾曲しており、第２軸３１１を基準にした視点からは湾曲している。

光導波路３０１は、外側端部３２６および内側端部３２７に外側溝部３２５を含む。外側溝部３２５は、上側３４５から下側３４６に延びる。外側溝部３２５は、光導波路３０１の上側３４５および下側３４６にも形成される。図１に示すようにフレームに固定された光導波路３０１を保持するように、端部３２６、３２７および側面３４５、３４６に沿った外側溝部３２５は、フレーム（図示せず）の***部分にかみ合う。また、図３では、光導波路３０１は、ディスプレイ筐体（図示せず）およびディスプレイ３０５を上側３４５の固定位置に向きを固定した状態で保持するための留め具（図示せず）を収容するための、光導波路１０１内部に続くまたは光導波路１０１を貫通する１つ以上の通路３４７など、１つ以上の特徴を含む。

図４は、いくつかの実施の形態に係る、図３において最初に示した光導波路３０１、ディスプレイ３０５、およびフィールドレンズ３０７の正面図である。光導波路３０１の凹部３４１を通して、コンバイナ面３１７およびコンバイナ曲面３１８が見える。コンバイナ開口部３０２は、コンバイナ面３１７の境界内にある。コンバイナ面３１７は、境界面の上側ライン３２０、境界面の下側ライン３２１、境界面の外側ライン３２２、および境界面の内側ライン３２３によって規定される。ライン３２０～３２３の各々は、光導波路３０１のそれぞれの表面の交点にある。

ディスプレイ３０５によって生成された表示光３０３は、フィールドレンズ３０７を介して光導波路３０１の上面３４４内に向けられる。ディスプレイ３０５からの表示光３０３と、光導波路３０１の外界側からの周辺光３０４とが、コンバイナ開口部３０２内で合成される。表示光３０３は、光導波路３０１内の光路３５０を進む。特定の実施の形態では、表示光３０３は、光導波路３０１の眼方向側に出る前に、光導波路３０１内で外界側表面３１３および眼側表面３１５の各々を１回反射する。その他の実施の形態では、表示光３０３は、光導波路３０１の眼方向側に出る前に、光導波路３０１内で外界側表面３１３および眼側表面３１５の各々を１回以上反射する。外側端部３２６、内側端部３２７、および下側３４６において、透明な光導波路３０１を通して外側溝部３２５が見える。光導波路３０１の上側３４５の近くに、留め具を収容するための通路３４７が見える。

図５は、いくつかの実施の形態に係る、光導波路５０１、マイクロディスプレイ５０５、およびフィールドレンズ５０７の、図１の１－１線に沿った側断面図５００である。光導波路５０１、マイクロディスプレイ５０５、およびフィールドレンズ５０７は、図３の光導波路３０１、ディスプレイ３０５、およびフィールドレンズ３０７と同様に配置されている。マイクロディスプレイ５０５は、表示光５０３を生成する。表示光５０３は、光路５５０に沿ってユーザ５３０の眼５３１および瞳孔５３２に向かって進む。眼５３１の前にある鼻５２９の外形が見える。１つの眼５３１を図示しているが、その他の図面に示すユーザ５３０の２つ目の眼についても同様の構成要素の配置および同様の構成要素一式が提供されることを理解されたい。コンバイナ面５１７が眼５３１の前にあり、かつコンバイナ面５１７が光導波路５０１と瞳孔５３２の中心から延びる光軸５３６との交点にあるように、光導波路５０１、マイクロディスプレイ５０５、およびフィールドレンズ５０７は、図示するように眼５３１の前に配置される。いくつかの実施の形態では、コンバイナ面５１７内のコンバイナ領域の中央または結果として得られる画像エリア（図示せず）の中央によって、結果として得られる画像がもたらされ、当該中央は、光軸５３６の下に第１角度５３３で位置する。第１角度５３３は、約４度である。光導波路５０１の外界側からの周辺光５０４は、光導波路５０１を透過して瞳孔５３２および眼５３１に入る。

マイクロディスプレイ５０５から、表示光５０３は、最初にフィールドレンズ５０７の第１表面５０８を透過する。第１表面５０８は、第１軸に沿って、（たとえば、図５を含む紙面に垂直な）第２軸に沿って、または、第１軸および第２軸の両方に沿って湾曲している。たとえば、第１表面５０８は、これらの軸の１つ以上に沿った球面または自由曲面である。いくつかの実施の形態によると、第１表面５０８は、光軸５３６の上に約３４度の第３角度５３５で位置する。表示光５０３は、フィールドレンズ５０７の本体を透過して、第２表面５０９から出る。第２表面５０９は、第１軸に沿って、第２軸に沿って、または第１軸および第２軸の両方に沿って湾曲している。たとえば、第２表面５０９は、これらの軸の１つ以上に沿った球面または自由曲面である。

さらには、フィールドレンズ５０７は、第１材料から作られ、光導波路５０１は、別の第２材料から作られる。たとえば、第１材料は、プラスチック材料であり、第２材料は、ガラス材料、または、Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）Ｅ４８Ｒなどの合成樹脂材料である。いくつかの実施の形態によると、第１材料と第２材料との組合せによって、表示光５０３が眼５３１に到達するまでに表示光５０３の色補正が生じる。図示していないが、光路５５０における構成要素の１つ以上（光導波路５０１、マイクロディスプレイ５０５、およびフィールドレンズ５０７）は、眼５３１に到達する前に表示光５０３の質および量に影響を与える１つ以上のコーティングを含む。

フィールドレンズ５０７は、表示光５０３を光導波路５０１の上面５４５内に向ける。上面５４５は、光導波路５０１の上部位置において、第１軸に沿って、第２軸に沿って、または、第１軸および第２軸の両方に沿って輪郭が球面もしくは自由曲面であるように湾曲している。上面５４５の曲面によってコンバイナ面５１７に形成される、結果として得られるＣＧＩにおける非点収差の一部またはすべてが補正される。いくつかの実施の形態によると、結果として得られるＣＧＩまたはその視野（ＦＯＶ）は、瞳孔が４ｍｍの呼び径または瞳孔の大きさを有する場合、眼５３１を基準に水平約４０度、垂直１４度である。

光導波路５０１は、外界側曲面５１４を有する外界側表面５１３と、眼側曲面５１６を有する眼側表面５１５とを含む。外界側表面５１３および眼側表面５１５は、２つの面５１３、５１５との間で表示光５０３の全内部反射を可能にするよう、上面５４５を基準に配置される。表示光５０３は、上面５４５の法線の約２４度内で上面５４５に入射する。表示光５０３は、眼５３１に向かってコンバイナ面５１７を反射する前に、２つの面５１３、５１５の各々を１回反射する。２つの面５１３、５１５は、互いにおよそ５ｍｍ内で配置される。光導波路の厚さ５１０は、光導波路５０１の上から下までの長さに沿って約５ｍｍ以下である。光導波路の厚さ５１０は、本明細書において使用するとき、外界側表面５１３と眼側表面５１５における最も近い点との間の距離である。いくつかの実施の形態によると、外界側表面５１３に沿って、外界側曲面５１４は、眼方向側において８０～１００ｍｍの間の半径を有する第１球面曲率５１９を含む。眼側表面５１５に沿って、眼側曲面５１６は、眼方向側において８０～１００ｍｍの間の半径を有する第２球面曲率５２０を含む。第１球面曲率５１９は、約９１．７ｍｍであり、第２球面曲率５２０は、約９０．０ｍｍである。

光導波路５０１のコンバイナ面５１７も、眼５３１の前の縦軸を基準に第２角度５３４（前傾の傾き角度）で配置される。いくつかの実施の形態によると、縦軸からコンバイナ面５１７を反射したＣＧＩ内の点までの第２角度５３４が測定される。たとえば、コンバイナ面５１７を反射したＣＧＩの中央を基準とした第２角度５３４が測定される。別例として、コンバイナ面５１７の中央を基準とした第２角度５３４が測定される。いくつかの実施の形態では、第２角度５３４は、約４度である。眼５３１の前の縦軸を基準とした第１角度５３３と第２角度５３４とを含む合算角５３７は、約８度である。

図６は、いくつかの実施の形態に係る、図１の２－２線に沿った、アイウェアデバイス１００の側断面図６００である。フレーム１１０は、テンプル位置１１７で当該フレーム１１０に取り付けられたアーム１１１を含む。フレーム１１０は、アイウェアデバイス１００の上側１１４および下側１２０において見える。ディスプレイ筐体１０６は、図示するように、フレーム１１０の上側１１４において光導波路１０１を基準に固定位置に向きを固定した状態で取り付けられている。ディスプレイ筐体は、留め具凹部１１９にあるまたは当該留め具凹部１１９内にあるピンまたはねじ（図示せず）など、留め具によって固定され、かつ、フレーム１１０および光導波路１０１のうち１つ以上に固定される。ノーズレスト１１６は、フレーム１１０の眼方向側１１５のフレーム１１０上に配置される。フィールドレンズ３０７は、光導波路１０１の上側１１４に配置される。マスク６０３は、ディスプレイ（図示せず）と光導波路１０１との間の空間を光が出入りしないようにすることによって、ディスプレイから光導波路１０１に向けられて光導波路１０１の上側１１４に入射する光の質を向上させる。また、マスク６０３は、ディスプレイからの光が光導波路１０１を透過しないでディスプレイの眼方向側１１５のユーザの眼に直接到達しないようにする。いくつかの実施の形態によると、マスク６０３は、光導波路１０１の上面の外周、光導波路１０１の第１表面、ディスプレイ３０５、フィールドレンズ３０７、または、それらの組合せの周囲に延びる。

コンバイナ面３１７は、光導波路１０１の上側１１４にあるディスプレイからの光をフレーム１１０の眼方向側１１５に向けて反射する。また、コンバイナ面３１７は、外界側１１３からの光を透過させてディスプレイからの光と合成することにより、ＡＲを適用するための合成画像を作成する。フィラーピース３４０は、光導波路１０１内または光導波路１０１の下であって、一般に、コンバイナ面３１７の下に配置される。光導波路１０１、フレーム１１４、およびコンバイナ面３１７の形状に基づいて、光は、ユーザの眼（図示せず）に合算角５３７で反射される。厚さ約１．４５ｍｍのシェル６０１が、光導波路１０１およびフィラーピース３４０の前に、アイウェアデバイス１００の上側１１４から下側１２０までの前部全体を覆うように配置される。１．４５ｍｍという厚さは、通常のサングラスレンズの厚さである。シェル６０１は、一般に、上側１１４から下側１２０まで厚さが均一のシェルである。第１の実施の形態によると、透明な厚さ５ｍｍの合成樹脂の、約９１．７ｍｍ外界側半径および約９０ｍｍの眼側半径を有するシェル６０１では、視線において収差がほとんどなく、約３０度で２つのボケの分角ができる。３０度での位置は、最も快適な眼の動きに近い。４５度では、ボケは７．５分角である。その他の実施の形態によると、シェル６０１は、アイウェアデバイス１００の外界側１１３から入ってくる光の特性を変えるなど、シェル６０１を暗くする外見またはサングラスタイプの外見にする材料、構成要素、コーティングまたはフィルム（図示せず）を含む。フレーム１１０は、光導波路１０１の前側または外界側表面とシェル６０１との間に約０．１５ｍｍの空隙６０２を保つ。

図７は、いくつかの実施の形態に係る、図１および図２に示すフレーム１１０内に配置した場合の光導波路７０１－１、７０１－２の俯瞰図７００である。光導波路７０１－１、７０１－２は、片眼ずつに１つの光導波路を設けるよう、双眼鏡用配置で配置されており、これにより３Ｄコンテンツの適切なビューが容易になる。第１（右の）光導波路７０１－１は、第１（右の）眼５３１および第１（右の）瞳孔５３２の前に配置される。第２（左の）光導波路７０１－２は、第２（左の）眼７０７および第２（左の）瞳孔７０８の前に配置される。光導波路７０１－１、７０１－２の各々は、その１つ以上の端部に、フレーム（図示せず）とかみ合わせるための１つ以上の溝部７０９を含む。たとえば、溝部７０９は、光導波路７０１－１、７０１－２の各々の外側端部３２６および内側端部３２７にある。各光導波路７０１－１、７０１－２の眼側表面において見えるのは、図３および図４を含むその他の図面にある、凹部３４１の背面に対応する開口部７１０である。シェル６０１は、各光導波路７０１－１、７０１－２の外界側に配置される。光導波路７０１－１、７０１－２の各々に１つ以上の通路３４７が形成されており、当該通路３４７に特定の要素を固定することを容易にする。ディスプレイ（図示せず）からの表示光を受光するための上面３４４は、各光導波路７０１－１、７０１－２の上端の中央位置に位置する。

光導波路７０１－１、７０１－２は、眼５３１、７０７ごとの各視軸７１３から見た場合、中心軸７１１から等しい距離で配置される。コンバイナ開口部３０２の中央部７０２は、各光導波路７０１－１、７０１－２内に形成され、それぞれの眼５３１、７０７を基準に第１のそり角７０３で配置される。光導波路７０１－１、７０１－２の各々の第２のそり角７１２がそれぞれの光導波路７０１－１、７０１－２の前面からとった法線に対する角度である場合、第１のそり角７０３は、第２のそり角７１２よりも大きい。たとえば、第１のそり角７０３は約５度であり、第２のそり角７１２は約０．９度である。各眼５３１、７０７の視軸の間に約６３ｍｍの瞳孔間距離７０６が設けられている。約４ｍｍの瞳孔の大きさ７１４の第１および第２の眼５３１、７０７の瞳孔５３２、７０８を基準に、コンバイナ開口部３０２の各々は、約１４度の縦視野７０４と、約４０度の横視野７０５とを含む。

図８は、いくつかの実施の形態に係る、例示の湾曲した光導波路の表面を特徴付ける例示的な係数のセット８００を示す図である。例示的な係数のセット８００は、図５に示す実施の形態と一致している。第１表面８０１は、コンバイナ面５１７に対応し、第２表面８０２は、図５の上面５４５に対応する。例示的な係数８００は、自由曲面レンズについての光学系分野の当業者に既知の係数および測定値と一致しており、対応する球面レンズの軸または中央を基準とする以下の式を満たす。

ｍおよびｎならびにｘおよびｙは、整数であり、Ｒは、半径の長さである。たとえば、ｍ＝２かつｎ＝０は、Ｃ_２，０＝ｘ^２に相当する。第１係数８０３は、ｍ＝２かつｎ＝０に相当する。第１表面８０１の場合、ｘ^２は、約－０．０１５であり、第２表面８０２の場合、ｘ^２は、約０．０１４である。第２係数８０４は、ｍ＝０かつｎ＝２に相当する。第３係数８０５は、ｍ＝３かつｎ＝０に相当する。第４係数８０６は、ｍ＝１かつｎ＝２に相当する。第５係数８０７は、ｍ＝４かつｎ＝０に相当する。フィールドレンズ５０７の第２表面５０９の曲率半径Ｒが約１２ｍｍである場合において、湾曲した光導波路に関して、表面８０１、８０２についての第２係数８０４～第５係数８０７の値は、図８に示した通りである。第２表面５０９は、光導波路に最も近いフィールドレンズ５０７の表面である。光導波路の眼側表面５１５と外界側表面５１３との間の厚さは、約５ｍｍである。眼側表面５１５の曲率半径は、約９０ｍｍであり、外界側表面５１３の曲率半径は、約９２ｍｍである。

図９は、いくつかの実施の形態に係る、湾曲したシースルー型光導波路の表面を特徴付ける座標値のセット９００を示す図である。座標値のセット９００は、眼側球面の頂点を基準にしている。最初の３つの座標９０１～９０３は、ミリメートル（ｍｍ）単位のｘ、ｙ、およびｚの位置である。２番目の３つの座標は、光学系分野の当業者に既知の角度の傾きである。第１表面９１１は、眼側表面５１５に対応する。第２表面９１２は、外界側表面５１７に対応する。第３表面９１３は、外界側表面５１３に対応する。第４表面９１４は、光導波路５０１の上面５４５に対応する。第５表面９１５は、マイクロデバイスフィールドレンズ５０７の第２表面５０９が光導波路５０１の上面５４５に最も近い表面である場合の第２表面５０９に対応する。特定の実施の形態によると、これらの座標値９００を本明細書に記載のその他の詳細と組合せて用いることにより、直径４ｍｍの瞳孔に対して第１の大きさが水平約４０度、第２の大きさが垂直約１４度の視野がもたらされる。

図示した実施の形態は、縮尺通りではない。一般的な説明における上記の動作または要素のすべてが必須であるわけではない。特定の動作またはデバイスの一部は、必須でない場合があり、説明したものに加えて、１つ以上のさらなる動作が実行されてもよく、１つ以上のさらなる要素が含まれてもよい。具体的な実施の形態を例に概念を説明した。しかしながら、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載の本開示の範囲から逸脱することなく様々変形および変更を行うことが可能であることがわかるであろう。したがって、明細書および図面は、厳密であるとみなされるべきではなく、例示であるとみなされるべきであり、すべてのこのような変形は、本開示の範囲に含まれるものとする。

具体的な実施の形態についての利益、その他の利点、および問題の解決策を説明した。しかしながら、利益、利点、問題の解決策、およびいかなる利益、利点、または解決策を生じさせ得るまたはより明白にさせ得るいかなる特徴（複数可）も、請求項のいずれかまたはすべての重要な特徴、必要な特徴、または必須の特徴として解釈されないものとする。また、開示の主題は、本明細書における教示の利益を有する当業者に明らかである、異なるが同等の方法で変形および実施されてもよいため、上に開示した特定の実施の形態は例示にすぎない。添付の特許請求の範囲に記載されるもの以外に、本明細書において示した構成または設計の内容に限定されない。そのため、上に開示した特定の実施の形態が変更または変形されてもよく、このような変形例のすべてが開示の主題の範囲に含まれるとみなされることは明白である。したがって、本明細書において求められる保護は、添付の特許請求の範囲に記載の通りである。

Claims (26)

1. 光学機器であって、
   コンピュータ生成画像（ＣＧＩ）の光を出射するように構成されたマイクロディスプレイと、
   前記マイクロディスプレイから前記ＣＧＩを受けるための湾曲した第１表面と、前記ＣＧＩを眼側の第３表面を通してユーザの眼まで反射させるための湾曲した第２表面とを有する光導波路と、
   コンバイナ面の境界内に配置されているコンバイナ開口部とを備え、前記コンバイナ面は、前記湾曲した第２表面によって規定されており、かつ、前記眼側の第３表面に向けて傾いており、さらに、
   前記マイクロディスプレイおよび前記光導波路を支持する頭部に装着可能なフレームを備え、前記マイクロディスプレイは、前記頭部に装着可能なフレームの上部に配置され、前記光導波路の前記湾曲した第１表面は、前記光導波路の上側にあり、
   前記マイクロディスプレイと前記光導波路との間に配置されたフィールドレンズをさらに備え、前記フィールドレンズは、
   前記マイクロディスプレイの方を向く第１表面と、
   前記光導波路の前記湾曲した第１表面の方を向く第２表面とを含む、光学機器。
2. 前記フィールドレンズは、プラスチック材料から形成される、請求項１に記載の光学機器。
3. 前記光導波路の前記湾曲した第２表面は、自由曲面である、請求項１または２に記載の光学機器。
4. 前記フィールドレンズの前記第２表面は、球面である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学機器。
5. 前記フィールドレンズの表面、前記光導波路、または前記フィールドレンズおよび前記光導波路の両方は、前記マイクロディスプレイからの前記光が前記マイクロディスプレイから前記光導波路の前記湾曲した第２表面に向かって進むにつれて第１方向および第２方向の少なくとも１つにおいて前記光の前記ＣＧＩの非点収差を補正するように成形される、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学機器。
6. 前記光導波路の前記眼側の第３表面は、８０ｍｍと１００ｍｍとの間の曲率を有する球面寸法を有する球面である、請求項１～５のいずれか１項に記載の光学機器。
7. 前記光導波路の第４表面は、８０ｍｍと１００ｍｍとの間の曲率を有する球面寸法を有する球面であり、前記光導波路の前記第４表面の曲率の中心および前記眼側の第３表面の曲率の中心は、前記光導波路に対してほぼ同じ位置にある、請求項１～６のいずれか１項に記載の光学機器。
8. 光学機器であって、
   コンピュータ生成画像（ＣＧＩ）の光を出射するように構成されたマイクロディスプレイと、
   前記マイクロディスプレイから前記ＣＧＩを受けるための湾曲した第１表面と、前記ＣＧＩを眼側の第３表面を通してユーザの眼まで反射させるための湾曲した第２表面とを有する光導波路と、
   コンバイナ面の境界内に配置されているコンバイナ開口部とを備え、前記コンバイナ面は、前記湾曲した第２表面によって規定されており、かつ、前記眼側の第３表面に向けて傾いており、さらに、
   前記マイクロディスプレイおよび前記光導波路を支持する頭部に装着可能なフレームを備え、前記マイクロディスプレイは、前記頭部に装着可能なフレームの上部に配置され、前記光導波路の前記湾曲した第１表面は、前記光導波路の上側にあり、
   前記光導波路の前記眼側の第３表面は、前記ユーザの眼を基準に、少なくとも２度の前傾の傾きを有するように向きを付けられている、光学機器。
9. 前記第３表面は、ユーザによって前記光学機器が装着されたときの前記ユーザの眼を基準とする水平軸よりも下で少なくとも２度の傾きを有する光軸を提供するための表面である、請求項８に記載の光学機器。
10. 光学機器であって、
    コンピュータ生成画像（ＣＧＩ）の光を出射するように構成されたマイクロディスプレイと、
    前記マイクロディスプレイから前記ＣＧＩを受けるための湾曲した第１表面と、前記ＣＧＩを眼側の第３表面を通してユーザの眼まで反射させるための湾曲した第２表面とを有する光導波路と、
    コンバイナ面の境界内に配置されているコンバイナ開口部とを備え、前記コンバイナ面は、前記湾曲した第２表面によって規定されており、かつ、前記眼側の第３表面に向けて傾いており、さらに、
    前記マイクロディスプレイおよび前記光導波路を支持する頭部に装着可能なフレームを備え、前記マイクロディスプレイは、前記頭部に装着可能なフレームの上部に配置され、前記光導波路の前記湾曲した第１表面は、前記光導波路の上側にあり、
    前記光導波路は、光軸および前記ユーザの眼を基準に、少なくとも２度のそり角を有するように向きを付けられている、光学機器。
11. 前記眼側の第３表面および前記光学機器の第４表面は、透過型ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を形成し、前記ＣＧＩおよび世界ビューは、前記ユーザの眼に合成ビューを形成する、請求項１～６、８～１０のいずれか１項に記載の光学機器。
12. 前記ＣＧＩの前記光を色補正するように、前記光導波路は第１材料から作られ、前記フィールドレンズは第２材料から作られる、請求項１～７のいずれか１項に記載の光学機器。
13. 前記光導波路は、合成樹脂材料から形成される、請求項１～１２のいずれか１項に記載の光学機器。
14. 前記光導波路の外界側の第４表面に適合するように成形され、かつ、前記光導波路の凹部に嵌合するように成形された第１表面を有するフィラーピースをさらに備え、前記フィラーピースは、前記光導波路の前記湾曲した第２表面に適合するように成形された第２表面を有する、請求項１～６、８～１０のいずれか１項に記載の光学機器。
15. 装置であって、
    頭部に装着可能なフレームと、
    前記頭部に装着可能なフレームの上部に配置されたマイクロディスプレイと、
    前記マイクロディスプレイからの光を眼方向にガイドするために配置された光導波路と、
    前記マイクロディスプレイと前記光導波路との間に配置されたフィールドレンズとを備え、
    前記光導波路は、
    前記光導波路の眼側にある透明な湾曲した第１表面と、
    前記光導波路の外界側にある透明な湾曲した第２表面と、
    全内部反射によって前記光導波路内で反射する表示光を受光するための、前記フィールドレンズの方向に向けられた透明な第３表面と、
    前記マイクロディスプレイからの前記光をユーザの眼に向けて反射するように成形された透明な湾曲した第４表面と、
    コンバイナ面の境界内に配置されているコンバイナ開口部とを含み、前記コンバイナ面は、前記透明な湾曲した第４表面によって規定されており、かつ、前記透明な湾曲した第１表面に向けて傾いており、前記コンバイナ開口部は、前記光導波路の前記透明な湾曲した第２表面を通して前記外界側から入射する周辺光と前記表示光を合成し、
    前記フィールドレンズは、
    前記マイクロディスプレイの方を向く第１表面と、
    前記光導波路の前記透明な第３表面の方を向く第２表面とを含む、装置。
16. 前記フィールドレンズの前記第２表面は、第１軸に沿った自由曲面であり、前記フィールドレンズの前記第２表面は、前記第１軸に直交する第２軸に沿って湾曲しており、これにより、前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面において、結果として得られる画像エリアの少なくとも１つの寸法を拡張させる、請求項１５に記載の装置。
17. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面は、第１軸に沿った自由曲面であり、かつ、前記第１軸に直交する第２軸に沿って湾曲しており、これにより、前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面において、結果として得られる画像エリアの少なくとも１つの寸法を拡張させる、請求項１５に記載の装置。
18. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面の曲面は、少なくとも１つの軸に沿った自由曲面であり、前記マイクロディスプレイからの前記光は、前記透明な湾曲した第４表面を反射する前に、前記光導波路の前記透明な湾曲した第１表面および第２表面の各々からの内部反射によって１回反射され、前記光導波路の眼側の前記透明な湾曲した第１表面を通って前記ユーザの眼に送られる、請求項１６または１７に記載の装置。
19. 前記光導波路の前記透明な第３表面の曲面は、少なくとも１つの軸に沿った自由曲面であり、これにより、前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面において、前記結果として得られる画像エリアの少なくとも１つの寸法を拡張させる、請求項１６～１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第１および第２表面の各々の曲面は、少なくとも１つの軸に沿った球面である、請求項１６～１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第１および第２表面の各々の球面寸法の曲率は、８０ｍｍと１００ｍｍとの間である、請求項２０に記載の装置。
22. 前記透明な湾曲した第１表面の曲率の中心および前記第２表面の曲率の中心は、前記光導波路に対してほぼ同じ位置にある、請求項２０または２１に記載の装置。
23. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面は、前記ユーザの眼を基準に、少なくとも２度の前傾の傾きを有するように向きを付けられている、請求項１５～２２いずれか１項に記載の装置。
24. 前記光導波路の前記透明な湾曲した第４表面を反射した、結果として得られる画像の中心は、前記装置がユーザによって装着されたときの前記光導波路の眼側の前記ユーザの眼を基準とする水平軸よりも下で少なくとも２度で傾いている、請求項１５～２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 前記光導波路は、前記光導波路の眼側の光軸および前記ユーザの眼を基準に、少なくとも２度のそり角を有するように向きを付けられている、請求項１５～２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の前記光学機器を少なくとも１つ、または、請求項１５～２５のいずれか１項に記載の前記装置を少なくとも１つ備える、拡張視覚を作り出すための頭部に装着可能なディスプレイ（ＨＭＤ）装置。

Images