JP6755074B2 - 光結合を用いた頭部装着型画像装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、電子ディスプレイに関し、より具体的には、バーチャル像を形成するウエアラブル電子ディスプレイに関する。

通常の眼鏡またはサングラスに似た形状のニアアイディスプレイを含む頭部装着型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ；ＨＭＤ）は、軍事、商業、工業、消防、および娯楽分野への適用を含め、様々な用途に向けて開発されている。これら適用の多くにおいて、ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の対象場面の画像に重ね合わせ可能なバーチャル像を形成することは、非常に価値がある。

一般的に、ＨＭＤ光学装置が見る人に受け入れられるためには、以下を含む数々の基本的要件を満たす必要がある。
（１）十分なアイレリーフ又はアイクリアランス。アイレリーフ範囲は、見る人の快適さとヒトの目それ自体の光学的配置に基づいて定められる。実際には、ＨＭＤ光学装置の最終光学面と見る人の目との距離は、約２０ｍｍ以上が好ましい。
（２）適切な瞳孔サイズ。瞳孔サイズ要件は、見る人の顔の構造の差異および見る際の視線方向の変更に基づく。少なくとも直径約１０ｍｍの入射瞳孔サイズが好ましいことが知られている。
（３）視野。広い視野が好ましい。標的設定、対象物認識といった視覚的課題の多くにおいて、視野は約５０度近くが望ましいと考えられている。
（４）輝度。見やすさ、および見る人の快適さのために、生成されたバーチャル像は十分な輝度を有する必要がある。

上記（１）〜（３）はアイボックスに関するものである。アイボックスは、観察者の目が、その中で快適にバーチャル像を見ることのできる体積を画定する。アイボックスの寸法は、部分的には画像ソースから画像が見られる場所までの距離と画像ソースの寸法に依存し、部分的には画像ソースの拡散および／または光が画像ソースから発射された後のコリメーションに依存する。アイボックスの望ましい寸法は、そのディスプレイに期待される視覚体験の質と、バーチャル像を見ることが予定されている目の位置の範囲に大きく依存する。

ＨＭＤの設計においては、光学的要件に加えて、実際的ファクターにも対応しなければならない。実際的ファクターとは、様々な顔形状への対応、受け入れられる形状ファクター等であるが、快適な装着感、重量、価格のための小型化と、使いやすさが期待されている。

ほとんどの場合、ＨＭＤシステムは、結像／中継系をできるだけ小型化することを目指している。しかし、従来の光学系を用いた場合、基本的な限界がある。光学系の出力は、見る人の目の瞳を満たし、ある程度の目の動きを許容できるだけの大きさの瞳孔を有する必要がある。双眼システムの場合、使用者によって瞳孔間隔が異なるという問題もあり、光学系の出力瞳孔（output pupil）がこれを許容する必要がある。

ニアアイＨＭＤ装置では平面導波路を用いるものが多い。こうした装置では、一連の光回折格子と内部全反射（ＴＩＲ）を用いて、投射システムの射出瞳を横方向に平行移動して、投射システムが視路（viewing path）の横、例えば見る人の頭部に沿う位置に来るようにしている。光導波路はまた、射出瞳を１または２の次元で拡大し、画像光投射システム（imaged-light projection system）の小型化を図っている。これにより、投射システムの射出瞳は相当小さくなり、一方でアイボックスは拡大され、見る人の視線から投射システムを外すことができる。同時に、導波路は透明であってよく、それにより、バーチャル画像を周囲環境に重ね合わせることができる。

投射光学系の大部分が横に平行移動して使用者の視界から外れ、また非常に小型であるが、それでもなお、投射構成要素を、より眼鏡に近く、したがって幅広いユーザーにより受け入れられる形状ファクターに合わせて構成することが求められている。プリズムまたは鏡を使って、光路を折り畳む方法が多数提案されてきた。しかし、投射構成要素が導波路からさらに離れる、等の奇妙な配置になり、頭部装着型表示装置の寸法を増大させる結果になることがしばしばであった。

提案されたアプローチの別の難点は、画像アスペクト比および装置の形状の要因に関する。この装置形状は、投射装置に従来使用され、マイクロプロジェクタおよびいわゆる「ピコプロジェクタ」装置と共に使用するように適合されている。投射のための画像の高さ対幅のアスペクト比は、例えば、9対16（9：16）とすることができる。投射装置は、これに対応して、より短い垂直寸法（高さ）とより大きな水平寸法（幅）で設計される。このことは、導波路型ＨＭＤを用いた従来のプロジェクタ設計を用いるのを困難にする。プロジェクタを水平に外側に突出させるのではなく、プロジェクタを９０度回転させて、見る人の頭にぴったりとフィットさせることによって、より適切なアスペクト比が達成される。しかしながら、使用可能な画像領域は、このような構成によって低減される。

したがって、よりコンパクトなプロジェクタを組み込み、プロジェクタを回転させることができ、見る人の頭の側部付近にプロジェクタを配置することができるＨＭＤが求められている。

本開示の目的は、頭部装着型の装置を用いてバーチャル像を提示する技術を向上させることである。本開示の実施例は、眼鏡の一般的形状ファクターに適合し、しかも、回転して見る人の頭の側部にフィットするプロジェクタ光学系の使用を許容する光結合手段を提供する。

その他の本発明の態様、目的、特徴、および利点は、以下に述べる好ましい実施形態の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を検討し、図面を参照することで、より明確に理解されるであろう。

本開示の一態様によれば、下記の構成を有する頭部装着型のバーチャル像表示装置が提供される。
ａ）投射軸線に沿って画像担持光ビームを方向付けるプロジェクタ。
ｂ）上記投射軸線に対して鈍角に配向された平面導波路。この平面導波路は、入力アパーチャを介して画像担持光ビームを受け取り、上記画像担持光ビームを拡大し、上記拡大された画像担持光ビームを出力アパーチャから出力するように構成されている。上記出力アパーチャが平面導波路に沿って上記入力アパーチャから離間している。
ｃ）上記投射軸線に沿って上記画像担持光ビームを受け取り、上記平面導波路に対して上記投射軸線を再配向させ、上記画像担持光ビームを上記投射軸線を中心に回転させ、上記回転された画像担持光ビームを、上記再配向された投射軸線に沿って上記平面導波路の上記入力アパーチャを通すように方向付ける光カプラ。

上記光カプラは、上記プロジェクタに面し、上記投射軸線を再配向する第１反射面を有する第１プリズムと、上記第１プリズムと光学的に結合され、上記投射軸線をさらに再配向する第２反射面を有する第２プリズムとを備えることができる。上記光カプラは、上記第２プリズムに光学的に結合され第３反射面を有する第３プリズムをさらに備えることができる。上記第３反射面は、上記投射軸線が上記導波路に対して鋭角になるように、上記投射軸線をさらに再配向する。上記プロジェクタの光学絞りは上記光カプラ内に配置することができる。

上記平面導波路は、好ましくは、上記画像担持光ビームを、上記入力アパーチャを介して中央入力ビーム軸線に沿って受け取るように構成され、上記光カプラは、上記投射軸線を上記中央入力ビーム軸線と一致するように再配向する。上記平面導波路は、好ましくは、上記拡大された画像担持光ビームを上記出力アパーチャを通して中央出力ビーム軸線に沿って出力する。上記中央入力ビーム軸線は、好ましくは上記平面導波路の上記プロジェクタに面する側において、上記中央出力ビーム軸線と交差する。

本明細書は、本発明の主題を具体的に示し明確にクレームする特許請求の範囲で結論付けされる。しかし、本発明は、以下の説明と添付の図面により、より良く理解されるであろう。

見る人の頭部に装着されるバーチャル像表示装置を含むＨＭＤの概略平面図である。

異なる角度関係において、画像担持光ビームを平面導波路内へと方向付けし、平面導波路外へと方向付けるインカップリング回折光学素子とアウトカップリング回折光学素子を組み込んだ平面導波路の概略平面図である。 異なる角度関係において、画像担持光ビームを平面導波路内へと方向付けし、平面導波路外へと方向付けるインカップリング回折光学素子とアウトカップリング回折光学素子を組み込んだ平面導波路の概略平面図である。 異なる角度関係において、画像担持光ビームを平面導波路内へと方向付けし、平面導波路外へと方向付けるインカップリング回折光学素子とアウトカップリング回折光学素子を組み込んだ平面導波路の概略平面図である。

３つの直角プリズムから構成される光カプラの斜視図である。

図３Ａの光カプラの分解図である。

光カプラ内を延びる光軸（直交線分を有する光軸）によって通り抜ける画像を、直角に回転させるための光カプラの斜視図である。

光カプラ内を延びる光軸（非直交線分を有する光軸）によって通り抜ける画像を、直角に回転させるための光カプラの同様の斜視図である。

光カプラ内を延びる光軸（非直交線分を有する光軸）によって通り抜ける画像を、直角に回転させるための図４Ｂの光カプラの斜視図である。

図５の光カプラの平面図であり、光カプラを通る光軸の経路を示す。

光カプラの分解図であり、光カプラの個々のプリズムを通る際の画像の回転を示す。

平面への傾斜面の垂直投影を示す模式図である。

バーチャル像を生じさせるために導波路と結合されたプロジェクタを備えた、バーチャル像表示装置の斜視図である。

光カプラのプリズムを通って延びる軸の周りに角度的に分配された光路を示す図である。

光カプラ内を通る光路に沿う異なる位置でのプロジェクタの光ビームの直交断面を示す。 光カプラ内を通る光路に沿う異なる位置でのプロジェクタの光ビームの直交断面を示す。 光カプラ内を通る光路に沿う異なる位置でのプロジェクタの光ビームの直交断面を示す。 光カプラ内を通る光路に沿う異なる位置でのプロジェクタの光ビームの直交断面を示す。 光カプラ内を通る光路に沿う異なる位置でのプロジェクタの光ビームの直交断面を示す。

本開示は特に、本発明に係る装置の一部を構成する要素、又はより直接的に協働する要素に関するものである。具体的に示されていない要素、又は記述されていない要素は、当業者に公知の様々な形態を取り得るものと理解されたい。

本明細書中において、「第１」、「第２」等の用語は、必ずしも順序、順番、又は優先順位といった関係を示すものではなく、特に記載の無い場合は、単に、ある要素又は要素の集合を別の要素又は要素の集合とより明確に区別するために用いられる。「頂」及び「底」という用語は、必ずしも空間位置を指定するものではなく、構造に関する相対的情報を提供する。

本開示の文脈において、「見る人」、「操作者」、「観察者」、及び「利用者」という用語は等価であると見なされ、ＨＭＤ装置を装着する人を指す。

ここで使われる「稼働可能（励起可能：energizable）」という用語は、電力を受けた時、及び指示された機能を実行するための許可信号をオプションで受け取った時の、装置又は構成要素の集合の能力に関する。

ここで使われる「集合（set）」という用語は非空集合を指し、集合の要素の集まりという概念として初等数学で広く理解されている。「部分集合」という用語は、特に明記されない限り、非空の真部分集合、すなわち、１以上の要素を持つ、より大きな集合の部分集合を指す。集合Ｓの部分集合が集合Ｓの全体集合であってもよい。しかし、集合Ｓの「真部分集合（proper subset）」は、集合Ｓに完全に含まれ、しかも集合Ｓの１つ以上の要素を含まない。

本開示の文脈において、「斜(oblique)」という用語は、９０°の整数倍でない角度を意味する。例えば、２つの線、線形構造、あるいは平面は、約５°以上平行から離れた角度、あるいは約５°以上垂直から離れる角度で、互いに広がったり収束したりする時、互いに「斜」であると見なされる。「鈍角」は、９０°より大きく１８０°より小さい。

光学素子の記述における「結合（coupled）」、「結合器（coupler）」という用語は、結合を意味し、この結合により、一方の光学媒体または光学素子から他方の光学媒体または光学素子へと、結合を容易にする中間構造を介して光が進む。

光学システムは、実像投射の代わりに、バーチャル画像を表示することができる。実像を結ぶ方法とは対照的に、バーチャル画像がディスプレイ面に結ばれることはない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル画像を知覚する位置にあるとしたら、ディスプレイ面に像は結ばれない。拡張現実表示において、バーチャル画像表示には固有の利点が数多くある。例えば、バーチャル画像の見かけの大きさはディスプレイ面の寸法や位置によって制限されない。実像を投影するシステムに比べて、ある程度離れたところにあるように見えるバーチャル画像を結ぶことによって、より現実的な視覚体験を提供することができる。また、バーチャル画像を提供すれば、実像投影の場合には必要となるスクリーンを補う必要が無くなる。

頭部装着型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ；ＨＭＤ）１０がフレーム５８内において図１に示されている。フレーム５８は見る人の顔に装着され、ニアアイディスプレイを提供する。以下の説明においては、光路の構成要素、間隔、及び制約は、図１に示す観察者１４の右目について記したものである。左目にも同じ構成要素があり、その配置は異なっているが対応関係にあり、同じ特徴や制約を選択的に当てはめることができる。

双眼バーチャル像表示装置１２には、見る人、すなわち観察者１４の各眼について、平面導波路２０を提供することができる。図１に示す双眼システムでは、上から見て理解されるように、２つの平面導波路２０が、互いに対して鈍角の山形の角度φをなして配置されている。本願実施例に係る単眼システムは、単一のプロジェクタ３０とこれに対応する導波路２０を、後述する光学素子と一緒に提供する。見る人１４は、透明な平面導波路２０を通して、対応する周辺視野（ＦＯＶ）または視路を有する。視野ＦＯＶは実質的に、中心軸線ＣＡを中心に広がっている。中心軸線ＣＡは平面導波路２０に対して直交するか斜めにすることができる。図１に示す実施例システムでは、中心軸線ＣＡは、導波路２０の法線Ｎと角度θで傾斜している。

導波路２０は、ガラスその他の透明な光学材料で形成され、２つ以上の光回折格子（optical grating）が埋め込まれている。光回折格子は導波路構造内でＴＩＲと協働して、
入射した画像担持ビームの寸法を変更し、方向を変えて、導波路２０内へ及び導波路２０外へと向かわせる。例えば、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃに示すように、導波路２０は、入射する入力ビーム２６と出射する出力ビーム２８に対して、特徴的な挙動をする。入力アパーチャ２２を通って方向付けられた画像担持ビームは、全内部反射（total internal reflection:ＴＩＲ）等によって導波路２０に沿って伝播し、出力アパーチャ２４を通って導波路２０から出射する。埋め込まれた格子の周期構造と方向によって、画像担持ビームを、平面導波路の平面Ｐにおいて２つの直交する方向に広げ、画像担持ビーム間のオーバーラップの領域により形成される瞳寸法を効果的に拡大させる。例えば図２Ａに示すように、画像担持ビームの真ん中（centermost）とみなされる入力ビーム２６が平面Ｐの法線Ｎ１に方向付けられた時、対応する真ん中の出力ビーム２８は平面Ｐの法線Ｎ２方向に出射する。この構造は、図１のＨＭＤで用いることが可能であるが、実際の要因（見る人の解剖学的形状、構成要素のまとまりと間隔、利便性、画質を含む）は、一般的に中央入力ビーム２６に、導波路２０に対する傾斜角度での入射を強いる。

対称性が維持された構造では、図２Ｂ、及び図２Ｃに例示するように、中央入力ビーム２６(central input beam)が平面Ｐに対して斜めの入射角度をなす時、対応する中央出力ビーム２８(central output beam)は対応する斜角で出射する。図２Ｂの構成においては、中央入力ビーム２６の軸線Ａ１は、導波路２０の平面Ｐに対して、鈍角α１をなしている。中央出力ビーム２８は、平面Ｐに対して、同じ鈍角α１をなしている。中央入力ビーム２６の軸線Ａ１は、導波路２０の外側の、観察者の視野ＦＯＶ内にある点１６において、中央出力ビーム２８の軸線Ａ２と交差する。

図２Ｃの構成では、中央入力ビーム２６の軸線Ａ１（中央入力ビーム軸線Ａ１とも言う。）は、導波路２０の平面Ｐに対して鋭角α２をなしている。中央出力ビーム２８の軸線Ａ２（中央出力ビーム軸線Ａ２とも言う）は、平面Ｐに対して同じ鋭角α２をなしている。ここでは、軸線Ａ１は、導波路２０の観察者側の点１８において、中央出力ビーム２８の軸線Ａ２と交差する。

対称性が維持されている構成において、中央出力ビーム軸線Ａ２を図１のＦＯＶの中心軸線ＣＡと等しくすると、図２Ｃに示すように、中央入力ビーム軸線Ａ１は中央出力ビーム軸線Ａ２と、導波路２０の見る人側において交差する。つまり、軸線Ａ１（破線で示されている）に沿う中央入力ビーム２６は、導波路２０の平面Ｐに対して鋭角α２をなして方向付けられる。同様に軸線Ａ２に沿う中央出力ビームが同様に対称をなして方向付けられる。

図１に示すように、プロジェクタ３０は、ＨＭＤ１０のフレーム５８のテンプル部材３２（temple member）と名付けられた部分に沿って、配置されている。見る人の頭部にフィットさせるために、テンプル部材３２は導波路２０の平面Ｐに対して鈍角をなしている。プロジェクタ３０は例えば、固体光源と、マイクロミラーアレイ又はテキサス・インスツルメンツ社のデジタルライトプロセッシング（ＤＰＬ）装置等のビーム変調とを用いた、ピコプロジェクタ（小型プロジェクタ）であってもよい。プロジェクタのフォーカス光学素子は、プロジェクタにより生成された実画像を、投射軸線Ａ３を中心とする角度的に関連された画像担持ビームの集合としてエンコードする。プロジェクタ３０は図示のようにテンプル部３２に沿って装着されるので、投射軸線Ａ３は、導波路２０の平面Ｐに対して、鈍角をなす。したがって、導波路２０の平面Ｐに対する投射軸線Ａ３の角度方向は、必要とされる中央入力ビーム軸線Ａ１の方向（光を導波路２０内へ適切に方向付けて意図するＦＯＶの中央軸線ＣＡに対応する中央出力ビーム軸線Ａ２に沿って見る人の瞳に届けるために必要とされる方向）とは、逆である。そのため、プロジェクタ３０の投射軸線Ａ３は、中央入力ビーム２６の軸線Ａ１と一致するように方向を変える必要がある。図示のようにプロジェクタ３０をコンパクトな形態でテンプル部３２に装着するために、本開示の実施形態においては、投射軸線Ａ３からの光を導波路の中央入力ビーム軸線Ａ１に一致するように方向変換させる光カプラ（optical coupler）４０を用いている。

プロジェクタ３０は、アスペクト比（好ましくは９：１６のアスペクト比）を有するタイプが好ましい。このアスペクト比では、生成される画像の幅は、高さより大である。この均衡していないアスペクト比は、プロジェクタ３０と光学素子の寸法に影響を及ぼす。画像の幅寸法をエンコードする画像担持ビームの角度範囲が図１の図面と垂直に方向付けられるように、プロジェクタ３０を投射軸線Ａ３の回りに９０°回転させることにより、ＨＭＤをよりコンパクトにすることができる。そのため、光カプラ４０は、投射軸線Ａ３を中央入力ビーム２６の軸線Ａ１と一致させることに加えて、エンコードされた画像を反対方向に９０度回転させて、エンコードされた画像の向きをバーチャル像として見るために企図したように、元に戻すように構成されている。

図３Ａの斜視図と図３Ｂの分解図は、エンコードされた画像（文字「Ｒ」によって概略的に表されている）の方向を変えるための、本開示の一実施形態に係る光カプラ４０を示す。光カプラ４０は、画像「Ｒ」を協働して回転させる３つの直角プリズムＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３から組み立てることができる。入力プリズムＰＭ１の入射面は、投射軸線Ａ３に沿ってプロジェクタ３０から画像担持光を受け取る。画像担持光は、プリズムＰＭ１の反射面Ｍ１で反射され中間プリズムＰＭ２に向かい、これにより、投射軸線Ａ３が折り曲げられて、内部で折り曲げられた投射軸線（Ａ３’の符号を付す）となる。プリズムＰＭ２の反射面Ｍ２は、画像担持光をさらにプリズムＰＭ３に向けて反射し、それによって内部で折り曲げられた投射軸線Ａ３’をさらに折り曲げる。プリズムＰＭ３の反射面Ｍ３は、さらに光カプラ４０から出る画像担持光を反射し、これにより、内部で折り曲げられた投射軸線Ａ３’は、さらに折り曲げられ、Ａ３”の符号が付されたオフセット投射軸線として光カプラ４０から出る。オフセット投射軸線Ａ３”に沿った画像担持光は、投射軸線Ａ３を中心とする最初の方向に対して、９０度回転されている。これは、画像「Ｒ」の９０度の回転として示されている。角度的にエンコードされた画像担持ビームは、各々コリメートされたビーム（すなわち、平行な光線の束）の形態を取ることができる。このコリメートされたビームは、２つの直交する平面内で固有の角度の向きを有する。光カプラ４０の出口等での重なり（オーバーラップ）の位置内で、この位置に配置されたレンズは、ある焦点距離離れた面上に画像「Ｒ」のような実像を形成することができる。 図示の態様では、オフセット投射軸線Ａ３”は、光カプラ４０の回転機能を特徴付ける投射軸線Ａ３と平行のままである。

プリズムＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３の反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、誘電性のまたは金属化された表面のような鏡面とすることができる。あるいは、プリズム材料の屈折率が十分に高い場合には、全内部反射（ＴＩＲ）を用いることができ、光軸Ａ３’を折り曲げるための反射コーティングの必要性を排除する。プリズムＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３は、インデックスマッチング接着剤等により、それらの隣接する面に沿って互いに接合することができる。光カプラ４０の入射面および出射面に沿って反射防止コーティングを設けることができる。

図３Ａ及び図３Ｂに示す構成は、画像「Ｒ」の所望の回転を提供するが、投射軸線Ａ３を中央入力ビーム２６の軸線Ａ１に一致させることが必要である。導波路２０の平面Ｐに対して鈍角をなすように配置されたテンプル部３２（プロジェクタが取り付けられるテンプル部）を有するフレーム５８のようなアイウエアフレームに適合させるためである。

図４Ａは、図３Ａ，図３Ｂの光カプラ４０を新しく方向付けして再現している。図４Ｂの改良された光カプラ４０Ａと比較するためである。図４Ａにおいて、投射軸線Ａ３を中心とする画像担持ビームは、内部で折り曲げられた投射軸線Ａ３’に沿い、一連の3つの直交する折れ曲がりを経て光カプラ４０内を伝播した後、投射軸線Ａ３の最初の角度方向を維持する方向で、オフセット投射軸線Ａ３”に沿って光カプラ４０から出力される。

図４Ｂの光カプラ４０Ａは、プリズムＰＭ１をプリズムＰＭ２に対して傾かせ、角度的に分離する。図示のように、プリズムＰＭ１は、プリズムＰＭ１、ＰＭ２の露出された２つの面の交差線を中心として、プリズムＰＭ２に対して角度的に回転され、破線Ｌ１で示されるくさび形の分離を生成する。プリズムＰＭ２、ＰＭ３のプリズム形状に対する他の若干の変化を用い、これにより、図４Ａに示す直角の折り曲げから、角度的折り曲げを変えることができる。非直角折り曲げ部は、内部で折り曲げられる投射軸線Ａ３’を再方向付けする。これにより、光カプラ４０Ａから出力されたオフセット投射軸線Ａ３”が投射軸線Ａ３に対して空間的及び角度的にオフセットされる。

図５は、一体構造としての光カプラ４０Ａの斜視図を示す。この光カプラ４０Ａの一体構造は、画像「Ｒ」の所望の回転と、光カプラ４０Ａに入射する投射軸線Ａ３と光カプラ４０Ａから出射るオフセット投射軸線Ａ３”との間の所望の角度オフセットを、両方とも実現できる。この一体構造では、プリズムＰＭ１とプリズムＰＭ２との間の角度分離は、光学くさびＶによって満たされている。この光学くさびＶは、隣接するプリズムＰＭ１、ＰＭ２とは別個の光学素子として、または隣接するプリズムＰＭ１、ＰＭ２のいずれかの一部として形成することができる。

図６は、図１と同様の平面における光カプラ４０Ａの上面図であり、投射軸線Ａ３に対するオフセット投射軸線Ａ３”の空間的および角度的オフセットを示す。このように、光カプラ４０Ａは、プロジェクタ３０から出力されたエンコーダされた画像を軸線Ａ３を中心に９０度回転させ、オフセット投射軸線Ａ３”を中央入力ビーム２６の軸Ａ１と角度的に一致させ、これにより、画像担持ビームは導波路２０内へと適切に導かれ、意図したＦＯＶの中心軸線ＣＡに対応する中心出力ビーム軸Ａ２に沿って、見る人の瞳孔に到達する。

図７Ａにおける光カプラ４０Ａの分解図は、反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の相対的な向きをそれぞれ示している。これら反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、内部で折り曲げられる投射軸線Ａ３’を再方向付けし画像の向きを回転する。図７Ｂにおける概略図は、表面の平面への投影の幾何学的意味を示している。ここで、内部で折り曲げられる投射軸線Ａ３’に対して傾斜した反射面Ｍ２が、投射軸線Ａ３’に沿って、投射軸線Ａ３’と直交する平面Ｐ１上に投影される。この投影は、領域Ｗ１を画定する。この領域Ｗ１の形状、サイズは、投影される表面Ｍ２の形状、サイズおよび角度位置（方向）と直接関係している。

プロジェクタ光学設計
様々なディスプレイ技術を用いたプロジェクタは、かなり小型の形状ファクターと、光導波路の入力アパーチャに匹敵する瞳寸法を有し、十分明るい画像を提供するために必要な輝度を有することができる。しかし、これらのプロジェクタの投射光学系では、レンズ系内に絞り（物理的開口部、又は絞りとして機能するレンズ口径でも良い）が存在することが多い。これは、バーチャル画像の各視野点（field point）の光線束が、最終かつ最外のレンズ面で、またはこのレンズ面に到達する前に拡散し始めていることを意味する。画像生成器のコーナーから発せられた光線束は、投射光学系から拡散する際に、しばしばクリッピングされ（clipped）、ビネッティングされる（vignetted）。導波路から遠ざかれば遠ざかるほど、光線束の拡散は大きくなる。この問題を考慮して、本開示の実施例においては、プロジェクタの光学設計を改良し、ＨＭＤにおける画像化にさらなる利点を提供する。

本開示の実施形態では、絞りは、投射される画像担持光ビームを放射するプロジェクタの最後の光学面を超えて、プロジェクタの外側に配置することができる。絞りは、物理的絞りではなく射出瞳として見ることができる。本明細書に示される実施形態は、遠隔瞳孔またはその近傍にミラー面を配置して絞りを形成する。ＨＭＤ１０のバーチャル像表示装置１２では、この設計特徴は、光カプラ４０Ａに供給される光のビーム幅を制限し、カプラ４０Ａをよりコンパクトにすることを可能にする。図８の斜視図に示すように、プロジェクタ光学系からの光路に沿った任意の適切な位置に絞りを設けることができる。本開示の実施形態は、投射レンズの前方に絞りを位置させる。これにより、光カプラ４０Ａが、実質的に導波路２０の入力アパーチャ２２において、絞りを再配置することができる。「実質的に入力アパーチャ２２において」とは、少なくともプリズムＰＭ３の射出面の前方を意味するか、さもなければ光カプラ４０Ａの出口アパーチャを超えていることを意味する。絞りは、光カプラ４０Ａ内に配置することもできる。

本開示の一実施形態によれば、バーチャル像表示装置１２は、光カプラ４０Ａを用いて、プロジェクタ３０からの投射光のための絞りを提供する。バーチャル像表示装置１２の一例では、光カプラ４０Ａは、内部反射面に絞りを提供し、頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）の人間工学的配置に適合するために、図３Ａ，図３Ｂに示す直角回転構成を改善する角度配置を有する。

したがって、光カプラ４０Ａは、角度的に関連する画像担持ビームの広がりと絞りの位置の両方を考慮して配置される。一実施形態によれば、プリズムＰＭ２上のミラーＭ２は、投射光学系の絞りを提供する。図９の概略図は、図４Ｂの変更された幾何形状を用いて、内部で折り曲げられた投射軸線Ａ３’に沿いプリズムＰＭ１、ＰＭ、ＰＭ３を通って延びる、カプラ４０Ａの折り曲げられていない光路を示す。絞り５４は、反射面Ｍ２またはその近傍のプリズムＰＭ２内に配置される。この反射面Ｍ２は、プロジェクタ３０から出力された角度に関連した画像担持ビームの集合点（合流点；confluence）またはその近傍に位置する。絞り５４において、描かれた３つの画像担持ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、最小の集合横断面積を占める。投射光のための絞りを提供するために、中間プリズムＰＭ２の反射面Ｍ２は、カプラ４０の入力面または出力面またはプロジェクタ３０からの入射光を受け入れる第１プリズムＰＭ１の反射面Ｍ 1よりも小さい面積を有するようなサイズにされる。中間プリズムＰＭ２は、出力プリズムＰＭ３の反射面Ｍ３よりも小さい面積を有するようにサイズが決められている。この反射面Ｍ３は、例えば図１を参照して先に説明したように、光カプラ４０Ａから出射される光を導波路２０に向けて方向付ける。

より一般的には、光カプラ４０Ａは、プリズムＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３のいずれかの面（プリズムＰＭ１の入力面、プリズムＰＭ３の出力面、または中間の反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のいずれかを含む）に関連する絞り５４を有することができる。反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のうちの少なくとも1つについては、方向転換された投射軸線Ａ３’に垂直な平面上への反射折り曲げ面の投影によって画定される領域は、入力面の面積より小さく、出力面の面積よりも小さい。 特にこの関係は、図９およびそれ以降の図に示す実施例における面Ｍ２で示すように、反射折り曲げ面が絞りとして機能する場合に保持される。

図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１０Ｅは、投射軸線Ａ３’に垂直な平面で切断したときの５つの像担持ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５の断面を、光カプラ４０Ａに沿い光カプラ４０Ａ内での異なる点で示す。相対的なスケール値は、これらの図のアパーチャのサイズを示す。前述の説明から明らかなように、投射光は、カプラ４０Ａ内において、入射光に対して傾斜した法線を有する多数の反射面に当たる。しかしながら、光カプラ４０Ａの入力側及び出力側（外側）の表面は、投射軸線によって表される画像担持ビームの伝搬の名目上の方向に対して、垂直方向に又はそれに近い方向に向けられる。図１０Ａは、プリズムＰＭ１の入射面に入射する画像担持ビームＢ１-Ｂ５間の分布を示す。図１０Ｂは、ミラーＭ１に接近する画像担持ビームＢ１-Ｂ５の直交断面を示す。１０Ｃは、ミラーＭ２に接近する画像担持ビームＢ１-Ｂ５の直交断面を示す。ミラーＭ２が光学絞りにあるか、光学絞りのすぐ近くにあるので、アパーチャ寸法はこの時点で顕著に小さい。

図１０Ｄは、ミラーＭ３に接近する画像担持ビームＢ１-Ｂ５の直交断面を示す。図１０Ｅは、出力面での光の直交断面である。特に、アパーチャ絞り位置にあるミラーＭ２での光に関して、鏡面での光投射によって境界が定められる面積（反射された光軸に垂直な平面での面積）は、他の表面での光の面積よりも小さい。

一般に、高屈折率ガラス（n> 1.6）は、カプラ４０での光路寸法を低減するのに有利である。前述したように、本開示のバーチャル像表示装置は、単眼または両眼の光学系に用いることができる。

本発明は、現在の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲内で変形および修正が可能であることは理解されるであろう。 したがって、ここに開示された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、均等の意味および範囲内に収まるあらゆる変更は、これに含まれる。

１０ ＨＭＤ
１２ バーチャル像表示装置
１４ 見る人
１６、１８ 点
２０ 導波路
２２ 入力アパーチャ
２４ 出力アパーチャ
２６ 中央入力ビーム
２８ 中央出力ビーム
３０ プロジェクタ
３２ テンプル部材
４０、４０Ａ 光カプラ
５４ 絞り
５８ フレーム
Ａｌ 中央入力ビーム軸線
Ａ２ 中央出力ビーム軸線
Ａ３ 投射軸線
Ａ３’ 内部で折り曲げられた投射軸線
Ａ３” オフセット投射軸線
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５ 画像担持ビーム
ＣＡ 中心軸 線
ＦＯＶ 視野
Ｌ１ ライン
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 反射面
Ｎ１、Ｎ２ 法線
Ｐ、Ｐ１ 平面
ＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３ プリズム
Ｖ くさび
Ｗｌ 領域
αｌ 入出力の鈍角
α２ 入出力の鋭角
θ 中心視野角
φ 山形の角度

Claims (23)

1. ａ）投射軸線に沿って画像担持光ビームを方向付けるプロジェクタと、
   ｂ）上記投射軸線に対して鈍角に配向された平面導波路であって、入力アパーチャを介して画像担持光ビームを受け取り、上記画像担持光ビームを拡大し、上記拡大された画像担持光ビームを出力アパーチャから出力するように構成され、上記出力アパーチャが平面導波路に沿って上記入力アパーチャから離間している平面導波路と、
   ｃ）上記投射軸線に沿って上記画像担持光ビームを受け取り、上記平面導波路に対して上記投射軸線を鋭角の入射角度に再配向させ、上記画像担持光ビームを上記投射軸線を中心に回転させ、上記回転された画像担持光ビームを、上記再配向された投射軸線に沿って上記平面導波路の上記入力アパーチャを通すように方向付ける光カプラと、
   を備えたことを特徴とするバーチャル像表示装置。
2. 上記平面導波路は、さらに、上記画像担持光ビームを、上記入力アパーチャを介して中央入力ビーム軸線に沿って受け取るように構成され、上記光カプラは、上記投射軸線を上記中央入力ビーム軸線と一致するように再配向する、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
3. 上記平面導波路は、さらに、上記拡大された画像担持光ビームを上記出力アパーチャを通して中央出力ビーム軸線に沿って出力し、上記中央入力ビーム軸線が上記中央出力ビーム軸線と交差する、請求項２に記載のバーチャル像表示装置。
4. 上記光カプラは、入力面と出力面と少なくとも1つの反射折り曲げ面を有し、上記少なくとも１つの反射折り曲げ面は、上記投射軸線を上記少なくとも１つの反射折り曲げ面に対して斜めの角度で方向転換し、上記少なくとも１つの反射折り曲げ面の、上記投射軸線と垂直な平面上への投影により画定される面積は、上記入力面の表面積より小さく、上記出力面の表面積よりも小さい、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
5. 上記光カプラが複数の光学プリズム要素から形成されることを特徴とする請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
6. 各光学プリズム要素が１.６を超える屈折率を有する、請求項５に記載のバーチャル像表示装置。
7. 上記光学プリズム要素の1つ以上が直角プリズムである、請求項５に記載のバーチャル像表示装置。
8. 上記平面導波路の２つの側面のうちの１つが上記プロジェクタに面し、上記平面導波路が、上記プロジェクタに面する側面を介して上記投射光ビームの受け入れと出力の両方を行なう、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
9. 上記光カプラは、全内部反射を用いて上記投射軸線を再配向する、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
10. 上記光カプラは、1つまたは複数の鏡面を用いて上記投射軸線を再配向する、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
11. 上記プロジェクタの光学絞りは、実質的に上記平面導波路の上記入力アパーチャに配置されている、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
12. 上記プロジェクタの光学絞りは、上記光カプラ内に配置されている、請求項１に記載のバーチャル像表示装置。
13. 上記プロジェクタの光学絞りは、上記光カプラ内の反射面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のバーチャル像表示装置。
14. 上記プロジェクタの光学絞りは、上記光カプラ内の入射面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のバーチャル像表示装置。
15. 見る人の眼にバーチャル像を表示することができるバーチャル像表示装置を組み込んだフレームを有する頭部装着型のディスプレイにおいて、
    上記バーチャル像表示装置が、
    ａ）画像担持光ビームを投射軸線に沿って出射するよう稼働可能で、上記フレームのテンプル部材に結合されたプロジェクタと、
    ｂ）上記投射軸線に対して鈍角に配向された平面導波路であって、入力アパーチャを介して画像担持光ビームを受け取り、上記画像担持光ビームを拡大し、上記拡大された画像担持光ビームを出力アパーチャから出力するように構成され、上記出力アパーチャが平面導波路に沿って上記入力アパーチャから離間している平面導波路と、
    ｃ）上記投射軸線に沿って上記画像担持光ビームを受け取り、上記平面導波路に対して上記投射軸線を鋭角の入射角度に再配向させ、上記画像担持光ビームを上記投射軸線を中心に回転させ、上記回転された画像担持光ビームを、上記再配向された投射軸線に沿って上記平面導波路の上記入力アパーチャを通すように方向付ける光カプラと、
    を備えたことを特徴とするディスプレイ。
16. 上記平面導波路は、さらに、上記画像担持光ビームを、上記入力アパーチャを介して中央入力ビーム軸線に沿って受け取るように構成され、上記光カプラは、上記投射軸線を上記中央入力ビーム軸線と一致するように再配向する、請求項１５に記載のディスプレイ。
17. 上記平面導波路は、さらに、上記拡大された画像担持光ビームを上記出力アパーチャを通して中央出力ビーム軸線に沿って出力し、上記中央入力ビーム軸線が、上記平面導波路の上記プロジェクタに面する側において、上記中央出力ビーム軸線と交差する、請求項１６に記載のディスプレイ。
18. 上記プロジェクタは、固体光源を有する、請求項１５に記載のディスプレイ。
19. ａ）フレームの縁部に結合され、投射軸線に沿って画像担持光ビームを放射するよう稼働可能なプロジェクタと、
    ｂ）入力アパーチャを介して上記画像担持光ビームを受け取り、出力アパーチャを介して上記画像担持光ビームを出力するように構成された導波路であって、上記出力アパーチャが導波路に沿って上記入力アパーチャから離間している導波路と、
    ｃ）上記投射軸線に沿って上記画像担持光ビームを受け取り、上記投射軸線を上記導波路に対して鋭角の入射角度に再配向し、上記画像担持光ビームを上記投射軸線を中心に回転させ、上記回転された画像担持光ビームを、再配向された投射軸線に沿って上記導波路の上記入力アパーチャを通るように方向付ける光カプラと、
    を備え、上記光カプラが、
    （ｉ）上記プロジェクタに面し、上記投射軸線を再配向する第１反射面を有する第１プリズムと、
    （ii）上記第１プリズムと光学的に結合され、上記投射軸線をさらに再配向する第２反射面を有する第２プリズムと、
    を備え、上記プロジェクタの光学絞りが上記光カプラ内に配置されているバーチャル像表示装置。
20. 上記光カプラは、上記第２プリズムに光学的に結合され第３反射面を有する第３プリズムをさらに備え、上記第３反射面は、上記投射軸線が上記導波路に対して鋭角の入射角度になるように、上記投射軸線をさらに再配向する、請求項１９に記載のバーチャル像表示装置。
21. ａ）投射軸線に沿って画像担持光ビームを方向付けるプロジェクタと、
    ｂ）上記投射軸線に対して鈍角に配向された平面導波路であって、入力アパーチャを介して画像担持光ビームを受け取り、上記画像担持光ビームを拡大し、上記拡大された画像担持光ビームを出力アパーチャから出力するように構成され、上記出力アパーチャが平面導波路に沿って上記入力アパーチャから離間している平面導波路と、
    ｃ）上記投射軸線に沿って上記画像担持光ビームを受け取り、上記投射軸線を、上記投射軸線の最初の位置に対してオフセットした位置に再配向させ、上記画像担持光ビームを上記投射軸線を中心に回転させ、上記投射軸線を中心として回転された上記画像担持光ビームを、上記平面導波路の上記入力アパーチャを通すように方向付ける光カプラと、
    を備えたことを特徴とするバーチャル像表示装置。
22. 上記光カプラがさらに、上記投射軸線を上記平面導波路に対して鋭角の入射角度に再配向するように構成されている、請求項２１に記載のバーチャル像表示装置。
23. 上記光カプラが複数の光学プリズム要素により形成され、上記複数の光学プリズム要素の１つ以上が直角プリズムである、請求項２１に記載のバーチャル像表示装置。

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