特許第6792622号(P6792622)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ ビュージックス コーポレーションの特許一覧

特許6792622回転するディスプレイを有するヘッドマウントディスプレイ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6792622
(24)【登録日】2020年11月10日
(45)【発行日】2020年11月25日
(54)【発明の名称】回転するディスプレイを有するヘッドマウントディスプレイ
(51)【国際特許分類】
   H04N 5/64 20060101AFI20201116BHJP
   G02B 27/02 20060101ALI20201116BHJP
【FI】
   H04N5/64 511A
   G02B27/02 Z
【請求項の数】11
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2018-533877(P2018-533877)
(86)(22)【出願日】2017年1月5日
(65)【公表番号】特表2019-508925(P2019-508925A)
(43)【公表日】2019年3月28日
(86)【国際出願番号】US2017012356
(87)【国際公開番号】WO2017120353
(87)【国際公開日】20170713
【審査請求日】2018年8月16日
(31)【優先権主張番号】62/275,561
(32)【優先日】2016年1月6日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】516201548
【氏名又は名称】ビュージックス コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】Vuzix Corporation
(74)【代理人】
【識別番号】100085556
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 昇
(74)【代理人】
【識別番号】100115211
【弁理士】
【氏名又は名称】原田 三十義
(74)【代理人】
【識別番号】100153800
【弁理士】
【氏名又は名称】青野 哲巳
(72)【発明者】
【氏名】ポーター,タイラー, ダブリュー.
(72)【発明者】
【氏名】ペイジ, ラッセル, ディー.
(72)【発明者】
【氏名】トラバース,ポール, ジェイ.
(72)【発明者】
【氏名】シュルツ, ロバート, ジェイ.
【審査官】 大室 秀明
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−239767(JP,A)
【文献】 特開2009−033308(JP,A)
【文献】 特開2012−063627(JP,A)
【文献】 特開2001−108935(JP,A)
【文献】 特開2005−043701(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B27/00−27/64
H04N 5/64−5/655
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
見る者の頭部に隣接するディスプレイモジュールを装着するように作用可能なサポートと、
上記サポート内に少なくとも一部が配置されるとともに少なくとも一部が上記サポートから突出するボールジョイントと、
上記ボールジョイントに結合され、上記ボールジョイントを介して上記サポートに対して回転するように作用可能なクランプと、
上記ディスプレイモジュールに結合され、上記クランプ内で第1方向に移動可能であるスライドと、
上記ディスプレイモジュールに結合されたディスプレイと、
を備え、
上記ディスプレイは、上記第1方向と直交する第2方向に延びる垂直軸を中心に第1円弧を描いて回転可能であり、上記垂直軸Yと実質的に直交する水平軸を中心に第2円弧を描いて回転可能であり、
第1ヒンジが上記第1円弧での上記ディスプレイの回転を可能にし、第2ヒンジが上記第2円弧での上記ディスプレイの回転を可能にし、
上記第1ヒンジが、上記第1方向に沿って上記ボールジョイントと上記ディスプレイとの間に配置され、上記第2ヒンジが水平軸Xに沿って配置されている、調節可能な結像装置。
【請求項2】
上記ディスプレイモジュールが、上記クランプを分解することなく上記クランプから分離可能である、請求項1に記載の結像装置。
【請求項3】
上記サポートがヘッドバンドに結合されている、請求項1に記載の結像装置。
【請求項4】
上記サポートが眼鏡フレームに結合されている、請求項1に記載の結像装置。
【請求項5】
上記クランプは、上記サポートから突出した位置に配置されている、請求項1に記載の結像装置。
【請求項6】
上記ディスプレイモジュールが上記クランプの外側の位置に配置されている、請求項1に記載の結像装置。
【請求項7】
プロジェクタが上記ディスプレイモジュール内に配置されている、請求項1に記載の結像装置。
【請求項8】
見る者の頭部に隣接するディスプレイモジュールを装着するように作用可能なサポートと、
上記サポート内に少なくとも一部が配置されるとともに少なくとも一部が上記サポートから突出するボールジョイントと、
上記ボールジョイントに結合され、上記ボールジョイントを介して上記サポートに対して回転するように作用可能なクランプと、
上記ディスプレイモジュールに結合され、上記クランプ内で第1方向に移動可能であるスライドと、
上記ディスプレイモジュールに結合されたディスプレイであって、上記第1方向と直交する第2方向に延びる垂直軸Yを中心に第1円弧を描いて回転可能であり、さらに、上記垂直軸Yと実質的に直交する水平軸Xを中心に第2円弧を描いて回転可能なディスプレイと、
上記第1円弧での上記ディスプレイの回転を可能にする第1ヒンジと、
上記第2円弧での上記ディスプレイの回転を可能にする第2ヒンジと、
を備え、
上記第2ヒンジが、上記第1方向に沿って上記ボールジョイントと上記ディスプレイとの間に配置され、上記第1ヒンジが上記ディスプレイと上記第2ヒンジとの間に配置されている、調節可能な結像装置。
【請求項9】
上記第1ヒンジが上記水平軸Xに沿って上記ディスプレイと同一線上に配置されている、請求項に記載の結像装置。
【請求項10】
上記ディスプレイがバーチャル像を形成するように作用可能な導波路を含む、請求項に記載の結像装置。
【請求項11】
前記サポートがヘルメットに結合されている、請求項1に記載の結像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子ディスプレイに関し、特に、結像光ガイドを用いて画像担持光を見る者に伝送するヘッドマウントディスプレイ(ニアアイディスプレイ)に関する。
【背景技術】
【0002】
単眼型または双眼型のニアアイディスプレイを含む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。一般的なHMDでは、現実世界が隠れるものと透過されるものの両方において、バーチャル像が形成される。このバーチャル像はユーザーの眼に対して位置決めされなければならない。さらに、バーチャル像がユーザーの視野を妨げないように位置付けできることが求められている。
【0003】
見る者にとって意図された位置にバーチャル像を形成するためには、光学装置が様々な幾何学的および位置的要件を満たなければならない。これらの要求は、見る者の位置や見る者の目に対する光学システムの配置などの設計および使用可能性のファクタとしばしば衝突する。光学システムは、例えば、見る者の間の解剖学的相違のために、特定の見る者または目的にとって最も有用な位置に、バーチャル像を正確に位置決めすることができない場合がある。見る者は、視界内で利用可能なバーチャル像コンテンツを有することを望むかもしれないが、視野内の現実世界の対象に画像コンテンツを直接重ね合わせたり、部分的に隠すことを望まないかもしれない。あるいは、部分的に閉塞されたシステムでは、見る者は視野の上部にバーチャル像を位置させて、視野の下部に手が見えるようにすることを望むかもしれない。多くの従来のHMD光学設計での硬直した制約は、HMDを実用的な機能として用いるのに不便なものにしている可能性がある。
【0004】
さらに、画像の適切な位置決めは、横方向の位置決めと角度的な位置決めを含み、これらは一方の調整が他方の調整に影響を与えるように、相互に関連し得る。観察者の頭部においてHMDをより高くするだけでは、形成された画像を再配置するのに十分でなく、HMDから出射した光線が観察者の瞳孔全体に至らないことさえある。同様に、横方向の動きを伴わずにHMDを傾けると、バーチャル像を見ることができなくなる可能性がある。
【0005】
既存のHMDシステムに提供される機械的調節は、ある程度の調節を可能にするが、見る者が補助なしに調節することはしばしば不便かつ困難である。
【0006】
したがって、バーチャル像のために用いられる光学的構成要素の配置に、ある程度の柔軟性を提供し、バーチャル像自体の相対的な位置の調節を可能にする方法および装置は、実用的であることが理解されよう。3つの角度的な次元は勿論のこと3つの直交する直線的な次元に関して柔軟な配置を可能にし、この能力をコンパクトな形態内で提供することは、有利であろう。
【発明の概要】
【0007】
本開示の目的は、コンパクトなヘッドマウントディスプレイ(ニアアイディスプレイ)内に像を表示する技術を進歩させることにある。さらに、本開示の実施形態は、見る者がウエアラブルディスプレイを取り外すことなく、バーチャル像コンテンツの視認性を妨害することなく、バーチャル像コンテンツの相対位置を手動で調整することを可能にする設計を提供することは有利であろう。
【0008】
本発明の態様、目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を検討し、添付の図面を参照することにより、より明確に理解され、認識されるであろう。
【0009】
本開示の一態様によれば、調節可能な結像装置が提供される。この結像装置は、ディスプレイ装置を見る者の頭部に装着するサポートを含む。ボールジョイントが、上記サポート内に嵌合され、上記サポートから突出したクランプに結合されている。スライドが、上記クランプ内で第1方向に移動可能であり、ディスプレイ像を形成するためのディスプレイモジュールを保持している。ディスプレイがディスプレイモジュールに結合され、上記第1方向と直交する第2方向に延びる垂直軸を中心に第1円弧を描いて回転可能であり、さらに、上記垂直軸と実質的に直交する水平軸を中心に第2円弧を描いて回転可能である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本明細書は、本発明の主題を特に指摘し明確に主張する特許請求の範囲で結論づけているが、本発明は、添付の図面と以下の説明からより良く理解できるであろう。
【0011】
図1A】見る人が、3つの直交軸に沿うバーチャル像位置の調節と、3つの直交軸を中心とする回転をできるようにした調節可能な結像装置を示す斜視図である。
【0012】
図1B】結像ディスプレイを可動な構成で支持する、調節可能な結像装置の要部を示す斜視図である。
【0013】
図2A】互いに直交するX、Y、Z座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。
図2B】互いに直交するX、Y、Z座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。
図2C】互いに直交するX、Y、Z座標軸に対して、結像ディスプレイを様々な位置にするために、結像装置がどのようにして調節できるかを示す概略図である。
【0014】
図2D】ボールジョイントでの回転による結像ディスプレイのための仰角調節を示す。
【0015】
図3】一実施形態に係るディスプレイマウントの構成要素を示す斜視図である。
【0016】
図4A】一実施形態に係るディスプレイ用のヘッドマウントの一部を示す斜視図である。
【0017】
図4B】クランプとボールジョイントの断面を示す拡大斜視図である。
【0018】
図5A】クランプがディスプレイモジュールにどのように結合され得るかを後側から見た拡大斜視図である。
図5B】クランプがディスプレイモジュールにどのように結合され得るかを後側から見た拡大斜視図である。
【0019】
図6A】眼鏡フレームを用いた構造でのクランプの他の構成を示す拡大斜視図である。
図6B】眼鏡フレームを用いた構造でのクランプの他の構成を示す拡大斜視図である。
【0020】
図7】結像装置をヘルメットに取り付けた他の実施形態を示す拡大斜視図である。
【0021】
図8】導波路をベースにしたHMDを示す別の実施形態である。
【発明の詳細な説明】
【0022】
本開示は特に、本発明に係る装置の一部を構成する要素、または本発明に係る装置と直接的に協働する要素に向けられている。具体的に記載されていない要素は、当業者に周知の様々な形態を取ることができることを理解すべきである。
【0023】
本明細書で使用される場合、「第1」、「第2」等の用語は必ずしも順番や優先順位を示すものではなく、特に明記しない限り、単に1つの要素または要素の集合を他と区別するために用いられる。用語「頂」および「底」は、必ずしも空間的位置を示すのではなく、平坦な導波路の対向面を区別するなど、構造に関する相対的な情報を提供する。
【0024】
本明細書の文脈において、「見る人」、「操作者」、「観察者」、および「利用者」という用語は均等とみなされ、HMD装置を装着する人を指す。
【0025】
本明細書で使用される場合、用語「励起可能(energizable)」は、電力を受け取ったとき、およびオプションで許可信号を受け取った時に指示された機能を実行する装置または構成要素のセットに関する。
【0026】
用語「作動可能」は、通常の意味を有し、刺激への応答、例えば電気信号に応答として作動することができる装置または構成要素に関する。
【0027】
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(subset)」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。
【0028】
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。
【0029】
本開示の文脈において、「波長帯域(wavelength band)」及び「波長範囲(wavelength range)」の用語は均等であり、カラーイメージングの技術分野の当業者によって使用されるような標準的な意味合いを有し、多色画像の1つまたはそれ以上の色を形成するために使用される光の波長の範囲を指す。異なる波長帯域は、従来のカラーイメージング用途において赤色、緑色および青色の原色を提供するような、異なる色チャンネルを介して方向付けされる。
【0030】
光学システムは、実像投射の代わりに、バーチャル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、バーチャル像表示には固有の利点が数多くある。例えば、バーチャル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。しかも、バーチャル像のソースオブジェクト(source object)は小さくてもよい。簡単な例として、拡大鏡はそのオブジェクトのバーチャル像を提供する。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。
【0031】
本開示において、「結合(coupled)」という用語は、2以上の構成要素間の物理的な
関連、接続、関係又は連結を指し、1つの構成要素の配置が、それと結合した構成要素の空間的配置に影響を及ぼすような状態を指す。機械的結合については、2つの構成要素が直接的に接触している必要はなく、1以上の中間構成要素を介して連結していてもよい。光学カップリング(optical coupling)の構成要素は、光エネルギーが光学装置に入力され、光学装置から出力されることを許容する。「ビーム拡大器(beam expander)」と「瞳拡大器(pupil expander)」という用語は同義であると見なされ、ここでは交換可能に用いられる。
【0032】
図1Aおよび図1Bの斜視図は調整可能な結像装置70を示す。この調節装置70では、3つの並進軸および3つの回転軸のすべてに関して、表示された像の位置を見る者が調整できる。サポートとしてのヘッドマウント72の一部が図1Bに示されている。ヘッドマウント72を見る者の頭部に適合させ、見る者の眼に対する画像ディスプレイ60の位置を調整可能にするために用いられる様々な特徴が示されている。ディスプレイ60は、ディスプレイモジュール62の端部に設けられている。ボールジョイント86によってマウント72に結合されたスライド80は、見る者の前方に延びる軸に沿ってディスプレイモジュール62を移動させることができる。 プロジェクタ40の光学素子および構成要素は、ディスプレイモジュール62内に設けられている。ディスプレイマウント84は、示されている数の軸を中心とする回転を提供する。
【0033】
図2A図2B図2Cおよび図2Dは、互に直交するX、YおよびZ座標軸に対してディスプレイ60が様々な位置をとるために、結像装置70がどのように調整されるのかを示すととともに、対応する軸回転を示す概略図である。ボールジョイント86(後に詳しく示す)は、見る者の頭のサイズに合わせて仰角調節と水平変位を行なって結像光ガイドマウント84の位置を変える(X軸およびY軸に沿った並進運動を伴う)ことができることは勿論のこと、ピッチ調節(pitch adjustment;ピッチ軸周りの回転によるピッチ角調節)が可能である。前述したように、ディスプレイモジュール62のZ軸移動(見る者に対して前方向)は、スライド80によって提供される。ヘッドマウント72は、ストラップ構造のような従来の方法を使用して見る者の頭部に沿って配置することができ、あるいはフレームの一部として、または他のヘッドギアの一部として、ヘルメットに取り付けることができる。垂直ヒンジ88は、垂直軸Yを中心とする回転を可能にする。垂直軸Yは、スライド80によって規定される前方方向と実質的に直交する。水平ヒンジ82は、垂直軸Yと実質的に直交する水平軸Xを中心とする回転を可能にする。
【0034】
図2Bは、ディスプレイ60のX軸を中心とするロール調節(roll adjustment;ロール角調節)のために、水平ヒンジ82を用いた回転を示す。水平ヒンジ82回りの回転は、バーチャル像の相対的な位置を垂直方向にシフトさせる。実際の画像が形成される場合、水平ヒンジ82は、図2Aに示すように、実画像をロール方向に移動させることができる。
【0035】
図2Cは、ヨー調節(yaw adjustment;ヨー角調節)のために、垂直ヒンジ88を用いたY軸を中心とする回転を示す。したがって、動きは、X軸を中心とする動きに対して実質的に直交する軸を中心とする。垂直ヒンジ88を中心とする回転は、バーチャル像の相対位置を水平方向にシフトさせる。
【0036】
図2Dは、ボールジョイント86で回転することによるディスプレイマウント84のための仰角調節を示す。
【0037】
図2A図2Dに関連して説明した調節は、ディスプレイ60上に形成された実際の画像の相対的な位置を変更するか、あるいは見る者のアイボックスに現れるバーチャル像の相対位置を変更することに留意すべきである。
【0038】
図3は、一実施形態に係るディスプレイマウント84の構成要素を示す拡大斜視図である。
【0039】
図4Aは、一実施形態に係る結像装置70のためのヘッドマウント72の一部を示す斜視図である。クランプ74は、ディスプレイモジュール62(クランプ74のより良好な視認性のために図4Aには図示せず)を保持するためのガイドとして設けられている。クランプ74は、ボールジョイント86によってヘッドマウント72に結合されている。クランプ74は、ディスプレイモジュール62をヘッドマウント72の構成から分離可能にする。
【0040】
図4Bは、クランプ74およびボールジョイント86の断面を示す拡大斜視図である。
【0041】
図5Aおよび図5Bは、クランプ74をディスプレイモジュール62にどのように結合することができるかを、後側から示している。
【0042】
また、図6Aおよび図6Bは、サポートとして眼鏡フレーム76を用いた構成におけるクランプ74の異なる配置を示す拡大斜視図である。
【0043】
図7は、結像装置70をヘルメットに取り付けるためのブラケット78(サポート)を備えた他の実施形態を示す拡大斜視図である。
【0044】
図8は、プロジェクタ40からのバーチャル像を形成するために光導波路22を使用する結像装置70を示す別の実施形態である。導波路は、バーチャル像の左右調節を提供する光学系に対してヒンジ結合される。垂直移動を可能にするヒンジは、入力プロジェクタの移動を可能にするために、ボールジョイントの近くに配置されている。
【0045】
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が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、その均等物の意味および範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。
図1A
図1B
図2A
図2B
図2C
図2D
図3
図4A
図4B
図5A
図5B
図6A
図6B
図7
図8