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特開2022-146930非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022146930
(43)【公開日】2022-10-05
(54)【発明の名称】非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20220928BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20220928BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20220928BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【請求項の数】27
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022044069
(22)【出願日】2022-03-18
(31)【優先権主張番号】10-2021-0036755
(32)【優先日】2021-03-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(71)【出願人】
【識別番号】522109227
【氏名又は名称】明知大學校産學協力團
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100154922
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 允辰
(72)【発明者】
【氏名】李 彰健
(72)【発明者】
【氏名】韓 宇濬
(72)【発明者】
【氏名】金 宰舜
(72)【発明者】
【氏名】文 錫壹
(72)【発明者】
【氏名】成 基榮
(72)【発明者】
【氏名】林 勝雅
【テーマコード（参考）】
2H199
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H199CA12
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA27
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA46
2H199CA47
2H199CA59
2H199CA64
2H199CA66
2H199CA68
2H199CA83
2H199CA97
2H249AA02
2H249AA06
2H249AA12
2H249AA60
2H249AA62
(57)【要約】
【課題】非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】開示されたディスプレイ装置は、仮想映像を形成する映像形成装置；及び仮想映像と外部風景を収めた光とを混合して観察者に提供するコンバイナ；を含み、コンバイナは、仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含んでもよい。
【選択図】図１
【解決手段】開示されたディスプレイ装置は、仮想映像を形成する映像形成装置；及び仮想映像と外部風景を収めた光とを混合して観察者に提供するコンバイナ；を含み、コンバイナは、仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含んでもよい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含む、ディスプレイ装置。
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含む、ディスプレイ装置。
【請求項2】
前記コンバイナは、前記仮想映像を伝達する透明導波路を含み、前記透明導波路の表面に前記曲面が形成されている、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項3】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記曲面は、前記第１表面に形成された第１曲面及び前記第２表面に形成された第２曲面を含み、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記曲面は、前記第１表面に形成された第１曲面及び前記第２表面に形成された第２曲面を含み、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項4】
前記第１曲面と第２曲面は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項5】
前記第１曲面と第２曲面は、前記第２方向に前記コンバイナの全体幅よりも狭幅を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項6】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置されており、
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項7】
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項8】
前記映像形成装置は、前記第４表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第４表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項9】
前記コンバイナは、透光板をさらに含み、前記透光板は、
前記第２表面に接し、前記第２表面に形成された第２曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、請求項３に記載のディスプレイ装置。
前記第２表面に接し、前記第２表面に形成された第２曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項10】
前記コンバイナは、前記第２表面に配置された半透過コーティングをさらに含む、請求項９に記載のディスプレイ装置。
【請求項11】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記第１表面は、扁平な傾斜面であり、
前記第２表面に前記曲面が形成され、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、扁平な傾斜面であり、
前記第２表面に前記曲面が形成され、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項12】
前記コンバイナは、透光板をさらに含み、前記透光板は、
前記曲面に接し、前記曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、透光板をさらに備える、請求項１１に記載のディスプレイ装置。
前記曲面に接し、前記曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、透光板をさらに備える、請求項１１に記載のディスプレイ装置。
【請求項13】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項１１に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項１１に記載のディスプレイ装置。
【請求項14】
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項１１に記載のディスプレイ装置。
【請求項15】
前記映像形成装置と前記第３表面との間に配置された投射光学系をさらに含み、
前記曲面と前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項１４に記載のディスプレイ装置。
前記曲面と前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項１４に記載のディスプレイ装置。
【請求項16】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記第１表面に前記曲面が形成されており、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置され、
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面に前記曲面が形成されており、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置され、
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項17】
前記コンバイナは、前記第４表面の一部領域に配置されて前記仮想映像を前記第３表面に向かって反射する回折パターンをさらに含む、請求項１６に記載のディスプレイ装置。
【請求項18】
前記回折パターンは、傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を含む、請求項１７に記載のディスプレイ装置。
【請求項19】
前記回折パターンは、ホログラム光学素子、回折光学素子、または、メタ表面である、請求項１７に記載のディスプレイ装置。
【請求項20】
前記映像形成装置は、前記曲面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、
前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記曲面との間に配置された投射光学系をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記曲面との間に配置された投射光学系をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項21】
前記コンバイナは、前記曲面に配置された半透過コーティングをさらに含む、請求項２０に記載のディスプレイ装置。
【請求項22】
前記コンバイナは、前記半透過コーティングを支持及び固定する透光板をさらに含む、請求項２０に記載のディスプレイ装置。
【請求項23】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、を含み、
前記コンバイナは、
傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を備える回折パターンと、
前記映像形成装置と前記回折パターンとの間に配置された投射光学系と、
を含み、
前記回折パターンと前記投射光学系は、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる、ディスプレイ装置。
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、を含み、
前記コンバイナは、
傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を備える回折パターンと、
前記映像形成装置と前記回折パターンとの間に配置された投射光学系と、
を含み、
前記回折パターンと前記投射光学系は、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる、ディスプレイ装置。
【請求項24】
前記回折パターンと前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項２３に記載のディスプレイ装置。
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項２３に記載のディスプレイ装置。
【請求項25】
前記コンバイナは、前記回折パターンを支持する透光板をさらに含む、請求項２３に記載のディスプレイ装置。
【請求項26】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
コンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、
前記仮想映像の縦横比を第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第２倍率ほど変化させ、
外部環境に対応する光を前記変化された仮想映像と結合して拡張映像を形成し、
観察者に前記拡張映像を提供するように構成され、
前記第２倍率は、前記第１倍率と互いに異なる、ディスプレイ装置。
ディスプレイ装置。
コンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、
前記仮想映像の縦横比を第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第２倍率ほど変化させ、
外部環境に対応する光を前記変化された仮想映像と結合して拡張映像を形成し、
観察者に前記拡張映像を提供するように構成され、
前記第２倍率は、前記第１倍率と互いに異なる、ディスプレイ装置。
ディスプレイ装置。
【請求項27】
前記コンバイナは、前記仮想映像の縦横比を変化させる曲面を含む、請求項２６に記載のディスプレイ装置。
【請求項28】
前記コンバイナは、前記仮想映像の縦横比を変化させる回折パターンを含む、請求項２６に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置に係り、非対称的な倍率を有するコンバイナを用いて仮想映像の縦横比を増加させうるディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
仮想現実（virtual reality，ＶＲ）を提供するヘッドマウントディスプレイは、現在商用化段階に至り、エンターテイメント産業に広く適用されている傾向にある。それと共に、医療、教育、産業分野において応用可能な形態に発展している。
【0003】
仮想現実ディスプレイの発展した形態である拡張現実（augmented reality，ＡＲ）ディスプレイは、現実世界と仮想現実とを結合する映像装置であって、現実と仮想との相互作用を導出する特徴を有する。現実と仮想現実との相互作用は、現実状況に対してリアルタイムで情報を提供する機能を基盤とし、現実世界の環境上に仮想の対象や情報を重ねて示すことで、現実の効果をさらに増加させうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置を提供する。
本発明が解決しようとする他の課題は、非対称的な倍率を有するコンバイナを用いて仮想映像の縦横比を増加させうるディスプレイ装置を提供する。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、シネマスコープ規格の大きな縦横比を有する仮想映像を提供する拡張現実ディスプレイ装置を提供する。
本発明が解決しようとする他の課題は、非対称的な倍率を有するコンバイナを用いて仮想映像の縦横比を増加させうるディスプレイ装置を提供する。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、シネマスコープ規格の大きな縦横比を有する仮想映像を提供する拡張現実ディスプレイ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施例によるディスプレイ装置は、仮想映像を形成する映像形成装置；及び前記仮想映像と外部風景とを収めた光を混合して観察者に提供するコンバイナ；を含み、前記コンバイナは、前記仮想映像の大きさを、第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含んでもよい。
【0006】
前記コンバイナは、前記仮想映像を伝達する透明導波路を含み、前記透明導波路の表面に前記曲面が形成されうる。
【0007】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面を含み、前記曲面は、前記第１表面に形成された第１曲面及び前記第２表面に形成された第２曲面を含み、前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置されうる。
【0008】
前記第１曲面と第２曲面は、光軸上の第１位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第１方向に沿う断面を有し、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有することができる。
【0009】
前記第１曲面と第２曲面は、前記第２方向に前記コンバイナの全体幅よりも狭幅を有することができる。
【0010】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置されており、前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されうる。
【0011】
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されうる。
【0012】
前記映像形成装置は、前記第４表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第４表面を透過した仮想映像を反射するように配置されうる。
【0013】
前記コンバイナは、前記第２表面に接し、前記第２表面に形成された第２曲面と相補的な形状を有する表面、及び前記第３表面と第４表面から延びる表面を有する透光板をさらに含んでもよい。
【0014】
前記コンバイナは、前記第２表面に配置された半透過コーティングをさらに含んでもよい。
【0015】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面を含み、前記第１表面は、扁平な傾斜面であり、前記第２表面に前記曲面が形成され、前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置されうる。
【0016】
前記コンバイナは、前記曲面に接し、前記曲面と相補的な形状を有する表面及び前記第３表面と第４表面から延びる表面を有する透光板をさらに含んでもよい。
【0017】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されうる。
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されうる。
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されうる。
【0018】
前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記第３表面との間に配置された投射光学系をさらに含んでもよい。
【0019】
前記曲面と前記投射光学系は、光軸上の第１位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第１方向に沿う断面を有し、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有することができる。
【0020】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面を含み、前記第１表面に前記曲面が形成されており、前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置され、前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置されうる。
前記コンバイナは、前記第４表面の一部領域に配置され、前記仮想映像を前記第３表面に向かって反射する回折パターンをさらに含んでもよい。
前記コンバイナは、前記第４表面の一部領域に配置され、前記仮想映像を前記第３表面に向かって反射する回折パターンをさらに含んでもよい。
【0021】
前記回折パターンは、傾斜して入射する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する光を透過させる第２表面を含んでもよい。
【0022】
例えば、前記回折パターンは、ホログラム光学素子、回折光学素子、または、メタ表面でもある。
【0023】
前記映像形成装置は、前記曲面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記曲面との間に配置された投射光学系をさらに含んでもよい。
【0024】
前記コンバイナは、前記曲面に配置された半透過コーティングをさらに含んでもよい。
【0025】
前記コンバイナは、前記半透過コーティングを支持及び固定する透光板をさらに含んでもよい。
【0026】
他の実施例によるディスプレイ装置は、仮想映像を形成する映像形成装置；及び前記仮想映像と外部風景とを収めた光を混合して観察者に提供するコンバイナ；を含み、前記コンバイナは、傾斜して入射する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する光を透過させる第２表面を備える回折パターン；及び前記映像形成装置と前記回折パターンとの間に配置された投射光学系；を含み、前記回折パターンと前記投射光学系は、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させうる。
【0027】
前記回折パターンと前記投射光学系は、光軸上の第１位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第１方向に沿う断面を有し、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】一実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図2】一実施例によるコンバイナの概略的な形態を例示的に示す正面図である。
【図5】実施例によるディスプレイ装置を採用した電子機器を例示的に示す図面である。
【図6】他の実施例によるコンバイナの概略的な形態を例示的に示す正面図である。
【図7】他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図8】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図9】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図10】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図11】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図12】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図13】さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、添付図面に基づいて、非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置について詳細に説明する。以下の図面において同じ参照符号は、同じ構成要素を指称し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜のために、誇張されてもいる。また、後述する実施例は、ただ例示に過ぎず、そのような実施例から多様な変形が可能である。
【0030】
以下、「上部」または「上」という記載は、接触して直ぐ上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含む。単数の表現は、文脈上、明白に異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
【0031】
「前記」及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数をいずれも含む。方法を構成する段階について明白に順序を記載するか、それに反する記載がなければ、そのような段階は、適当な順序で行われ、必ずしも記載された順序に限定されるものではない。
【0032】
また、明細書に記載の「．．．部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、ハードウェアとソフトウェアとの結合によって具現されうる。
【0033】
図示された構成要素間の線の連結または連結部材は、機能的な連結及び／または物理的または、回路的連結を例示的に示したものであって、実際装置では、代替可能であるか、追加されうる多様な機能的な連結、物理的な連結、または、回路連結としても示される。
【0034】
全ての例または例示的な用語の使用は、単に技術的思想を詳細に説明するためのものであって、請求範囲によって限定されない限り、そのような例または例示的な用語によって範囲が限定されるものではない。
【0035】
図１は、一実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図１を参照すれば、一実施例によるディスプレイ装置１００は、仮想映像を形成する映像形成装置１１０、及び仮想映像と外部風景とを収めた光を混合して観察者に提供するコンバイナ１２０を含んでもよい。実施例によれば、コンバイナ１２０は、周辺環境を収めた光を仮想映像に混合して観察者に提供することができる。また、ディスプレイ装置１００は、映像形成装置１１０及び図示されていない駆動回路、電源、追加的な光学系などを包装するケース１３０をさらに含んでもよい。ケース１３０は、映像形成装置１１０をコンバイナ１２０に固定させる役割が行える。
【0036】
映像形成装置１１０は、観察者に提供する仮想映像に対する映像情報によって光を変調して仮想映像を形成して観察者に仮想映像を提供する。映像形成装置１１０で形成される仮想映像は、例えば、観察者の左眼と右眼とにそれぞれ提供されるステレオ（stereo）映像でもあり、またはホログラフィック映像、ライトフィールド（light field）映像、ＩＰ（integral photography）映像などでもあり、マルチビュー（multi-view）あるいは、スーパーマルチビュー（super multi-view）方式の映像を含んでもよい。また、映像形成装置１１０で形成される仮想映像は、それに限定されず、一般的な２次元映像でもある。
【0037】
映像形成装置１１０は、例えば、ＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）素子、ＬＣＤ（liquid crystal display）素子、ＯＬＥＤ（organic light emitting diode）ディスプレイ素子、ＤＭＤ（digital micromirror device）を含んでもよく、また、Ｍｉｃｒｏ ＬＥＤ， ＱＤ（quantum dot） ＬＥＤなどの次世代ディスプレイ素子を含んでもよい。映像形成装置１１０がＯＬＥＤディスプレイ素子、Ｍｉｃｒｏ ＬＥＤのように自発光型ディスプレイ素子である場合、映像形成装置１１０は、ただ１つのディスプレイパネルのみを含む。しかし、映像形成装置１１０がＬＣｏＳ素子、ＬＣＤ素子のように非発光型である場合、映像形成装置１１０は、照明光を提供する光源及び照明光の経路を調節するための光学系などをさらに含んでもよい。
【0038】
コンバイナ１２０は、映像形成装置１１０で形成された仮想映像を収めた光Ｌ０を観察者の目に伝達するだけではなく、それと共に観察者前方（front）の外部の風景を収めた光Ｌ１も観察者の目に伝達することができる。例えば、コンバイナ１２０は、仮想映像を収めた光Ｌ０を観察者の目に向かって反射し、外部の風景を収めた光Ｌ１を観察者の目に向かって透過させうる。
【0039】
外部の光Ｌ１は、別途のディスプレイパネルによって表示される人工的な映像ではなく、観察者の正面に存在する実際の全景を収めている。したがって、観察者は、映像形成装置１１０で人工的に生成された仮想映像と実際前景とを共に認知することができる。これにより、ディスプレイ装置１００は、透視型（see-through type）ディスプレイとして機能する。また、そのような点で、本実施例によるディスプレイ装置１００は、拡張現実（ＡＲ）または混合現実（mixed reality、ＭＲ）の具現に適用されうる。特に、本実施例によるディスプレイ装置１００は、メガネ型、ゴーグル型、またはヘッドマウント型ニアアイ（near-eye）ＡＲディスプレイ装置でもある。
【0040】
また、コンバイナ１２０は、映像形成装置１１０で形成された仮想映像の第１方向（すなわち、ｘ方向）の大きさを、第１方向に垂直な第２方向（すなわち、ｚ方向）の大きさよりもさらに増加させることで、シネマスコープ規格の広い視野角で仮想映像を提供することができ、外部の風景を収めた光Ｌ１を実質的に歪曲なしに透過させうる。そのために、コンバイナ１２０は、仮想映像を収めた光Ｌ０の光経路上に配置された非対称的な倍率を有する光学要素、及び外部の風景を収めた光Ｌ１の経路上に配置された透明な平板を含んでもよい。
【0041】
一例によれば、コンバイナ１２０は、仮想映像を伝達する透明導波路１２１を含んでもよい。透明導波路１２１は、複数の表面を含み、複数の表面のうち、少なくとも１つの表面に自由形状（ｆｒｅｅｆｏｒｍ）を有する曲面が形成されうる。図１に図示されたように、透明導波路１２１は、第２方向（ｚ方向）に沿って互いに対向して配置された第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２、及び第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間で第１方向（ｘ方向）及び第２方向に垂直な第３方向（ｙ方向）に沿って互いに対向して配置された第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４を含んでもよい。曲面は、第１表面Ｓ１に形成された第１曲面及び第２表面Ｓ２に形成された第２曲面を含んでもよい。第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４は、屈折力を有さないように、互いに平行に配置されうる。実施例によれば、第１表面Ｓ１に形成された第１曲面と第２表面Ｓ２に形成された第２曲面によって仮想映像を収めた光Ｌ０は、観察者の目にフォーカシングされうる。したがって、観察者は、広い視野角を有する仮想映像を鑑賞することができる。
【0042】
映像形成装置１１０は、仮想映像を収めた光Ｌ０を透明導波路１２１の第１表面Ｓ１に提供するように配置されうる。また、ケース１３０は、透明導波路１２１の第１表面Ｓ１を覆うように配置されうる。映像形成装置１１０は、ケース１３０内において透明導波路１２１の第１表面Ｓ１に対向するように固定されうる。第１表面Ｓ１は、第１表面Ｓ１を透過した仮想映像を収めた光Ｌ０が透明導波路１２１の内部に向かって傾斜して進むように傾斜して配置されうる。例えば、第１表面Ｓ１の中心軸が第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４に対して傾斜して配置されうる。それにより、図１に図示されたように、仮想映像を収めた光Ｌ０は、透明導波路１２１の内部で第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４に傾斜して入射することができる。
【0043】
仮想映像を収めた光Ｌ０は、第１表面Ｓ１を通じて透明導波路１２１の内部に入って行った後、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とで全反射されつつ、－ｚ方向に沿って透明導波路１２１の内部を進むようになる。その後、仮想映像を収めた光Ｌ０は、第２表面Ｓ２で－ｙ方向に反射されて第３表面Ｓ３を経て観察者の目に入射する。ここで、負（－）のｙ方向及び負（－）のｚ方向は、図１に図示された座標において矢印で指示された方向と反対方向を示す。第２表面Ｓ２は、第２表面Ｓ２で反射された光が第３表面Ｓ３にほぼ垂直に入射するように傾斜して配置されうる。例えば、第２表面Ｓ２の中心軸が第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とに対して傾斜して配置されうる。
【0044】
一方、コンバイナ１２０は、透明導波路１２１の第２表面Ｓ２に接し、第２表面Ｓ２に形成された第２曲面と相補的な形状を有する表面、及び第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４からそれぞれ連続して延びる表面を有する透光板１２２をさらに含んでもよい。したがって、透光板１２２は、透明導波路１２１の第２表面Ｓ２、第３表面Ｓ３、及び第４表面Ｓ４を共に共有することができる。外部の風景を収めた光Ｌ１は、－ｙ方向に沿って第４表面Ｓ４に入射した後、第２表面Ｓ２と第３表面Ｓ３とを順次に通過して観察者の目に入射することができる。
【0045】
仮想映像を収めた光Ｌ０を反射し、外部の風景を収めた光Ｌ１を透過させるために、第２表面Ｓ２には、半透過コーティングが配置されうる。半透過コーティングは、単純に入射光の一部を反射し、残りの一部を通過させうる。それにより、仮想映像を収めた光Ｌ０の一部が第２表面Ｓ２で半透過コーティングによって反射して観察者の目に向かって進行し、外部の風景を収めた光Ｌ１の一部が第２表面Ｓ２で半透過コーティングを透過して観察者の目に向かって進みうる。映像形成装置１１０で形成された仮想映像を収めた光Ｌ０が偏光特性を有するならば、半透過コーティングは、特定の偏光成分を有する光を反射し、他の偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。例えば、仮想映像を収めた光Ｌ０が第１偏光成分を有するならば、半透過コーティングは、第１偏光成分を有する光を反射し、第１偏光成分に垂直な第２偏光成分を有する光を透過させうる。
【0046】
図２は、一実施例によるコンバイナ１２０の概略的な形態を例示的に示す正面図である。図２を参照すれば、透明導波路１２１と透光板１２２とが互いに接合されてコンバイナ１２０は、全体としてメガネのような形状を有するように構成されうる。その場合、第１表面Ｓ１において仮想映像を収めた光Ｌ０に対して光学的に有効な一部領域にのみ第１曲面Ｃ１が形成され、第２表面Ｓ２において仮想映像を収めた光Ｌ０に対して光学的に有効な一部領域にのみ第２曲面Ｃ２が形成されうる。すなわち、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２は、仮想映像を収めた光Ｌ０が通る第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との一部領域にだけ形成されうる。第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２は、ｘ方向に沿って延び、ｘ方向に第１表面Ｓ１の一部領域に第１曲面Ｃ１が形成され、ｘ方向に第２表面Ｓ２の一部領域に第２曲面Ｃ２が形成されうる。したがって、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とのｘ方向幅Ｗは、コンバイナ１２０のｘ方向全体幅よりも狭い。
【0047】
映像形成装置１１０から出射された仮想映像を収めた光Ｌ０は、第１表面Ｓ１のうち、第１曲面Ｃ１が形成された領域にのみ入射することができる。また、仮想映像を収めた光Ｌ０は、第２表面Ｓ２のうち、第２曲面Ｃ２が形成された領域にのみ入射することができる。したがって、仮想映像を収めた光Ｌ０を観察者に反射する半透過コーティング１２３は、図２に図示されたように、第２表面Ｓ２全体に形成されず、第２曲面Ｃ２にのみ形成されうる。
【0048】
映像形成装置１１０から観察者の目に入射される仮想映像の大きさと縦横比は、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２との幾何学的な形態によって決定されうる。水平方向、すなわち、ｘ方向の視野角を増加させてシネマスコープ規格の広い視野角で仮想映像を提供するために、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２は、非対称的な倍率を有することができる。すなわち、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２は、仮想映像の大きさを水平方向であるｘ方向に第１倍率、垂直方向であるｚ方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる非対称的な曲面形態を有することができる。一実施例において、第２倍率は、第１倍率と互いに異なってもいる。
【0049】
図３は、図２に図示されたコンバイナ１２０の曲面に光学的に等価である光学系の主平面と焦点面とを例示的に示す。図１及び図２に図示されたコンバイナ１２０では、仮想映像を収めた光Ｌ０と外部の風景を収めた光Ｌ１とを結合させるために、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とが傾斜して配置され、第１曲面Ｃ１の光軸と第２曲面Ｃ２の光軸とが互いに一致していない。しかし、仮想映像を収めた光Ｌ０に対して第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とに光学的に等価である役割を行いつつ、共通光軸上において互いに対向して配列された曲面を有する光学系を設定することができる。以下、説明の便宜上、等価である光学系の曲面をコンバイナ１２０の第１及び第２曲面Ｃ１、Ｃ２と同一に記載する。
【0050】
図３を参照すれば、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２は、ｘ方向とｚ方向に互いに異なる曲面形態を有することができる。すなわち、第１曲面Ｃ１のｘ方向曲面成分Ｃ１ｘは、ｚ方向曲面成分Ｃ１ｚと互いに異なる形態を有し、第２曲面Ｃ２のｘ方向曲面成分Ｃ２ｘは、ｚ方向曲面成分Ｃ２ｚと互いに異なる形態を有することができる。ここで、ｘ方向曲面成分Ｃ１ｘ、Ｃ２ｘは、光軸ＯＸを含む平面においてｘ方向に平行であり、ｚ方向に垂直な平面に沿う第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２の断面であって、入射光をｘ方向に屈折させる。また、ｚ方向曲面成分Ｃ１ｚ、Ｃ２ｚは、光軸ＯＸを含む平面においてｚ方向に平行であり、ｘ方向に垂直な平面に沿う第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２の断面であって、入射光をｚ方向に屈折させる。
【0051】
したがって、ｘ方向に沿う第１倍率は、第１曲面Ｃ１のｘ方向曲面成分Ｃ１ｘの形態と、第２曲面Ｃ２のｘ方向曲面成分Ｃ２ｘの形態によって決定され、ｚ方向に沿う第２倍率は、第１曲面Ｃ１のｚ方向曲面成分Ｃ１ｚの形態と、第２曲面Ｃ２のｚ方向曲面成分Ｃ２ｚの形態によって決定されうる。一般に、光学系の倍率は、光学系の有効焦点距離（effective focal length）によっても決定される。ところで、ｘ方向とｚ方向に光学系の焦点面（focal plane）の位置が異なると、観察者が仮想映像を鮮明に見える位置がｘ方向とｚ方向とで異なる。
【0052】
実施例によれば、ｘ方向とｚ方向に主平面（principal plane）の位置が異なるように第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とを構成することができる。主平面は、レンズに入射される平行光線が屈折され始めるように見える仮想の屈折面である。図３に図示されたように、光軸ＯＸ上においてｘ方向に沿う主平面Ｐｘの位置とｚ方向に沿う主平面Ｐｚの位置が異なってもいる。しかし、光軸ＯＸ上において、ｘ方向に沿う焦点面Ｐの位置とｚ方向に沿う焦点面Ｐの位置は同一でもある。その場合、ｘ方向とｚ方向に有効焦点距離、すなわち、倍率が異なりつつ、ｘ方向とｚ方向に沿う仮想映像の像面（image plnae）が一致しうる。ｘ方向に沿う主平面Ｐｘの位置と焦点面Ｐの位置は、ｘ方向曲面成分Ｃ１ｘ、Ｃ２ｘの形態によって決定され、ｚ方向に沿う主平面Ｐｚの位置と焦点面Ｐの位置は、ｚ方向曲面成分Ｃ１ｚ、Ｃ２ｚの形態によっても決定される。
【0053】
上述したように、ｘ方向とｚ方向に沿う主平面の位置が互いに異なり、焦点面の位置が一致するようにｘ方向とｚ方向に互いに異なる断面形態を有する第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とを用いることで、コンバイナ１２０は、仮想映像の縦横比を増加させ、ｘ方向の視野角を増加させうる。例えば、図４は、図２に図示されたコンバイナ１２０による仮想映像の縦横比増加を例示的に示す。図４を参照すれば、映像形成装置１１０が、例えば、１６：９の縦横比を有する仮想映像を形成する場合、コンバイナ１２０を通じて観察者に示す仮想映像は、シネマスコープ規格である２１：９の縦横比を有することができる。映像形成装置１１０は、ｘ方向に仮想映像が拡大される程度を考慮し、ｘ方向に圧縮された仮想映像を形成することができる。それにより、観察者には、仮想映像が正常の比率で示される。図４には、コンバイナ１２０が仮想映像の縦横比を１６：９から２１：９に変えると図示されたが、これは、ただの例示に過ぎず、必ずしもそれに限定されるものではない。映像形成装置１１０が形成する仮想映像の縦横比及びコンバイナ１２０を通じて観察者に示す仮想映像の縦横比は、ディスプレイ装置１００の設計によって異なって選択されうる。
【0054】
実施例によれば、コンバイナ１２０に複数の複雑な曲面を形成せず、ただ対向する第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２にのみ非対称的な第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とをそれぞれ形成することで、コンバイナ１２０の厚さを薄くすることができる。例えば、約３ｍｍ～６ｍｍ程度の薄厚を有するコンバイナ１２０にも、第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２とを形成することができる。したがって、薄厚のコンバイナ１２０でも、大きな縦横比を有する広い視野角の仮想映像を提供することができる。また、コンバイナ１２０を含むディスプレイ装置１００の大きさと重さとを低減することができる。
【0055】
前述したように、上述したディスプレイ装置１００は、拡張現実または混合現実を具現するところに適用されうる。例えば、図５は、実施例によるディスプレイ装置１００を採用した電子機器を例示的に図示する。図５を参照すれば、電子機器２００は、例えば、ウェアラブル（wearable）装置、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；head mounted display）、メガネ型ディスプレイ（glasses-type display）、またはゴーグル型ディスプレイ（goggle-type display）でもある。電子機器２００は、スマートフォン（smart phone）と連動されて動作されうる。電子機器２００は、仮想の現実を提供するか、または仮想の映像と外部の実際映像とを共に提供可能なヘッドマウント型、メガネ型またはゴーグル型仮想現実（ＶＲ）ディスプレイ装置、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイ装置、または混合現実（ＭＲ）ディスプレイ装置でもある。
【0056】
特に、電子機器２００がメガネ型ニアアイディスプレイまたはゴーグル型ニアアイディスプレイである場合、コンバイナ１２０は、観察者の目の前に配置されてメガネスクリーンの役割を行い、ケース１３０は、コンバイナ１２０を支持するメガネのフレームの役割が行える。ケース１３０は、メガネのテンプル（temple）２３１に延びうる。テンプル２３１には、図示されていない映像処理プロセッサなどを含む制御回路が配置されうる。また、電子機器２００は、左眼と右眼にそれぞれ１つずつ配置された２個のディスプレイ装置１００を含み、または左眼と右眼とのいずれか１つにのみ配置されるただ１つのディスプレイ装置１００を含んでもよい。
【0057】
一方、上述したコンバイナ１２０の第１曲面Ｃ１と第２曲面Ｃ２のうち、第２曲面Ｃ２は、光学的に第２曲面Ｃ２と同じ役割が可能な回折パターンに代替されうる。その場合、透光板１２２を省略し、透明導波路１２１のみでコンバイナを構成することもできる。例えば、図６は、他の実施例によるコンバイナの概略的な形態を例示的に示す正面図である。図６を参照すれば、コンバイナ１２０ａは、透明導波路１２１ａ及び回折パターン１２５を含んでもよい。透明導波路１２１ａは、互いに対向して配置された第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２、及び第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間に対向して配置された第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とを含んでもよい。曲面は、第１表面Ｓ１にのみ形成され、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４は、屈折力を有さないように互いに平行に配置されうる。
【0058】
回折パターン１２５は、透明導波路１２１ａの第４表面Ｓ４の一部領域内に配置されうる。仮想映像を収めた光Ｌ０は、第１表面Ｓ１を介して透明導波路１２１ａの内部に入射された後、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とで全反射を介して透明導波路１２１ａの内部を進むことができる。その後、仮想映像を収めた光Ｌ０は、第４表面Ｓ４に配置された回折パターン１２５に入射することができる。
【0059】
回折パターン１２５は、傾斜して入射する仮想映像を収めた光Ｌ０を第３表面Ｓ３に向かって反射すると共に、仮想映像を収めた光Ｌ０をフォーカシングするように構成されうる。特に、回折パターン１２５は、第２曲面Ｃ２と同じ光学的効果を達成するようにも構成される。また、外部の風景を収めた光Ｌ１に対して回折パターン１２５は、単に透明な平板の役割が行える。そのために、回折パターン１２５は、傾斜して入射する光を法線方向に反射する第１表面１２５ａ、及び第１表面１２５ａに対向して配置され、垂直に入射する光を透過させる第２表面１２５ｂを含んでもよい。回折パターン１２５の第１表面１２５ａは、透明導波路１２１ａの第４表面Ｓ４と直接接するようにも配置される。
【0060】
そのような回折パターン１２５は、回折光学素子（diffractive optical element；ＤＯＥ）、ホログラフィック光学素子（holographic optical element；ＨＯＥ）、または、メタ表面からなりうる。回折光学素子（ＤＯＥ）は、多数の周期的な微細な格子パターンを含んでもよい。回折光学素子（ＤＯＥ）の多数の格子パターンは、回折格子の役割を行って入射光を回折させる。特に、格子パターンの大きさ、高さ、周期などによって、特定の角度範囲に入射する光を回折させて消滅干渉と補強干渉とを発生させることで、光の進行方向を変えてフォーカシングすることができる。ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）は、格子パターンの代わりに、屈折率の異なる材料の周期的な微細パターンを含んでもよい。ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）は、回折光学素子（ＤＯＥ）と単に構成の差のみあり、動作原理は、回折光学素子（ＤＯＥ）と同一でもある。また、回折パターン１２５は、メタ表面からもなる。メタ表面は、周辺よりも高い屈折率を有し、入射光の波長よりも小さな大きさを有するナノサイズのパターンを含んでもよい。そのようなナノサイズのパターンの大きさ、高さ、周期、配列分布、屈折率などによって、メタ表面は、特定の光学的効果を達成することができる。
【0061】
仮想映像を収めた光Ｌ０に対して回折パターン１２５が第２曲面Ｃ２と同じ光学的効果を有するために、第１表面Ｓ１に形成された曲面と回折パターン１２５は、図３での説明と同じ機能を遂行する光学系を構成することができる。したがって、図１に図示されたコンバイナ１２０の光学的機能に係わる前記説明は、図６に図示されたコンバイナ１２０ａにもそのまま適用されうる。
【0062】
図７は、他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図７を参照すれば、ディスプレイ装置１００ａは、映像形成装置１１０、コンバイナ１２０ｂ、及びケース１３０を含んでもよい。コンバイナ１２０ｂは、透明導波路１２１ｂ及び透光板１２２を含んでもよい。透明導波路１２１ｂは、互いに対向して配置された第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２、及び第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間に対向して配置された第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とを含んでもよい。曲面は、第２表面Ｓ２にのみ形成され、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４は、屈折力を有さないように互いに平行に配置されうる。第１表面Ｓ１は、屈折力を有さない平面形態を有することができる。また、第１表面Ｓ１は、第１表面Ｓ１を透過した仮想映像を収めた光Ｌ０を、透明導波路１２１ｂ内に傾斜して進行させる扁平な傾斜面でもある。映像形成装置１１０、ケース１３０、及び透光板１２２は、図１の説明と同一なので、詳細な説明は省略する。
【0063】
図７に図示されたコンバイナ１２０ｂの場合、透明導波路１２１ｂの第２表面Ｓ２に形成された１つの曲面のみで仮想映像を収めた光Ｌ０の縦横比を増加させうる。その場合、曲面によって観察者の目にフォーカシングされる仮想映像のｘ方向像面位置とｚ方向像面位置とが互いに異なってもいる。観察者がｘ方向像面位置とｚ方向像面位置との差が認知できないように曲面のｘ方向倍率とｚ方向倍率との差が小さい。例えば、透明導波路１２１ｂの第２表面Ｓ２に形成された曲面のｘ方向倍率は、ｚ方向倍率の約１．０５倍～１．１５倍でもある。図７に図示されたコンバイナ１２０ｂは、製作が容易であり、設計費用が安い。
【0064】
図８は、さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図８を参照すれば、ディスプレイ装置１００ｂは、映像形成装置１１０、コンバイナ１２０ｃ、及びケース１３０を含んでもよい。コンバイナ１２０ｃは、透明導波路１２１ｃ及び透光板１２２を含んでもよい。透明導波路１２１ｃは、互いに対向して配置された第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２、及び第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間に対向して配置された第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４とを含んでもよい。第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２には、仮想映像を収めた光Ｌ０をフォーカシングするための曲面が形成されており、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４は、互いに平行に配置されうる。
【0065】
映像形成装置１１０は、第３表面Ｓ３の一部領域に対向して配置されうる。例えば、映像形成装置１１０は、第３表面Ｓ３の上部領域に対向して配置されうる。図８には、映像形成装置１１０と第３表面Ｓ３との間に間隔があると図示されたが、映像形成装置１１０が第３表面Ｓ３に密着して配置されうる。映像形成装置１１０で形成された仮想映像を収めた光Ｌ０は、＋ｙ方向に沿って第３表面Ｓ３を透過して第１表面Ｓ１に入射することができる。その後、仮想映像を収めた光Ｌ０は、第１表面Ｓ１によって傾斜して反射することができる。そのために、第１表面Ｓ１には、反射コーティングが形成されうる。したがって、第１表面Ｓ１に形成された曲面は、凹状の反射面でもある。第１表面Ｓ１の反射面は、第３表面Ｓ３に向かって傾斜して配置されうる。
【0066】
【0067】
０ｂと類似した構成を有し、単に映像形成装置１１０の位置が互いに異なり、コンバイナ１２０ｄの透明導波路１２１ｄの第１表面Ｓ１が図８に図示された透明導波路１２１ｃの第１表面Ｓ１と左右反転された形態を有する。映像形成装置１１０は、透明導波路１２１ｄの第４表面Ｓ４の上部領域に対向して配置されうる。それにより、映像形成装置１１０で形成された仮想映像を収めた光Ｌ０は、－ｙ方向に沿って第４表面Ｓ４を透過して第１表面Ｓ１に入射することができる。第１表面Ｓ１の反射面は、第４表面Ｓ４に向かって傾斜して配置されうる。
【0068】
図１０は、さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図１０を参照すれば、ディスプレイ装置１００ｄは、映像形成装置１１０、投射光学系１４０、コンバイナ１２０ｅ、及びケース１３０を含んでもよい。投射光学系１４０は、映像形成装置１１０とコンバイナ１２０ｅとの間に配置され、映像形成装置１１０と共に、ケース１３０内に配置されうる。
【0069】
コンバイナ１２０ｅは、透明導波路１２１ｅ及び透光板１２２を含んでもよい。透明導波路１２１ｅの第２表面Ｓ２には、曲面が形成されており、第３表面Ｓ３と第４表面Ｓ４は、互いに平行に配置されうる。透明導波路１２１ｅの第１表面Ｓ１は、屈折力を有さない扁平な傾斜面であり、第３表面Ｓ３に向かって傾斜して配置されうる。
【0070】
映像形成装置１１０と投射光学系１４０は、第３表面Ｓ３の上部領域に対向して配置されうる。映像形成装置１１０で形成された仮想映像を収めた光Ｌ０は＋ｙ方向に沿って第３表面Ｓ３を透過して第１表面Ｓ１に入射することができる。その後、仮想映像を収めた光Ｌ０は、第１表面Ｓ１によって傾斜して反射することができる。そのために、透明導波路１２１ｅの第１表面Ｓ１には、反射コーティングが形成されうる。
【0071】
投射光学系１４０は、透明導波路１２１ｅの第２表面Ｓ２に形成された曲面と共に、仮想映像の縦横比を増加させる役割を行う。すなわち、投射光学系１４０は、図２に図示された第１曲面Ｃ１と同じ役割を行う。したがって、投射光学系１４０と透明導波路１２１ｅの第２表面Ｓ２に形成された曲面は、図３の説明と同じ機能を行う光学系を構成することができる。投射光学系１４０は、映像の歪曲または収差を補償するために複数のレンズ要素を含んでもよい。
【0072】
図７ないし図１０に図示された実施例は、図６に図示された実施例と結合されうる。例えば、図７ないし図１０において透明導波路の第２表面に形成された曲面は、いずれも図６に図示された回折パターン１２５に代替されうる。
【0073】
以上、コンバイナが全反射方式の透明導波路を含んでいると説明した。しかし、透明導波路を使用せず、空気中に仮想映像を直接伝達してもよい。例えば、図１１は、さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図１１を参照すれば、ディスプレイ装置１００ｅは、映像形成装置１１０、投射光学系１５０、及びコンバイナ１２０ｆを含んでもよい。コンバイナ１２０ｆは、曲面を有する半透過コーティング１２３を含んでもよい。また、コンバイナ１２０ｆは、半透過コーティング１２３を支持及び固定する透光板１２４をさらに含んでもよい。透光板１２４は、互いに接合された第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂとを含んでもよい。半透過コーティング１２３は、透光板１２４の第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂとの接合面に配置されうる。透光板１２４の第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂとの接合面は、互いに相補的な曲面を有することができる。
【0074】
投射光学系１５０は、仮想映像を収めた光Ｌ０を半透過コーティング１２３に直接提供するように配置されうる。図１１には、便宜上、映像形成装置１１０が投射光学系１５０に直接光を伝達すると図示されているが、中継光学系が映像形成装置１１０と投射光学系１５０との間にさらに配置されうる。投射光学系１５０を介して空気中において仮想映像を投射させるために、映像形成装置１１０の位置自由度が増加しうる。
【0075】
投射光学系１５０と半透過コーティング１２３の曲面は、共に仮想映像の縦横比を増加させる役割を行う。すなわち、投射光学系１４０は、図２に図示された第１曲面Ｃ１と同じ役割を行い、半透過コーティング１２３の曲面は、図２に図示された第２曲面Ｃ２と同じ役割を行う。投射光学系１５０と半透過コーティング１２３の曲面は、図３の説明と同じ機能を遂行する光学系を構成することができる。
【0076】
図１１に図示された半透過コーティング１２３は、回折パターンに代替されうる。例えば、図１２は、さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図１２を参照すれば、ディスプレイ装置１００ｆのコンバイナ１２０ｇは、半透過コーティング１２３の代わりに、回折パターン１２５を含んでもよい。また、コンバイナ１２０ｇは、回折パターン１２５を支持及び固定する透光板１２４をさらに含んでもよい。透光板１２４は、第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂとを含み、回折パターン１２５は、透光板１２４の第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂとの間に固定されうる。
【0077】
投射光学系１５０は、仮想映像を収めた光Ｌ０を回折パターン１２５に直接提供するように配置されうる。回折パターン１２５は、投射光学系１５０から傾斜して入射する仮想映像を収めた光Ｌ０を観察者の目に向かって反射し、フォーカシングするように構成されうる。また、回折パターン１２５は、外部の風景を収めた光Ｌ１に対して透明な平板の役割を行う。そのような回折パターン１２５の構成と動作は、図６で説明した回折パターン１２５と同一でもある。また、投射光学系１５０と回折パターン１２５は、図３の説明と同じ機能を遂行する光学系を構成することができる。
【0078】
図１３は、さらに他の実施例によるディスプレイ装置の概略的な構成を示す断面図である。図１３を参照すれば、ディスプレイ装置１００ｇのコンバイナ１２０ｈは、回折パターン１２５及び回折パターン１２５を支持及び固定する透光板１２４を含んでもよい。図１２に図示された実施例と異なって、図１３に図示された透光板１２４は、一体に構成された１つの平板であり、回折パターン１２５は、１つの透光板１２４の表面に取り付けることができる。それ以外のディスプレイ装置１００ｇの構成と動作は、図１２に図示されたディスプレイ装置１００ｆと同一でもある。
【0079】
上述した非対称的な倍率を有するコンバイナを含むディスプレイ装置は、図面に図示された実施例を参照に説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野で通常の知識を有する者であれば、それにより、多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点が理解できるであろう。よって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。権利範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に開示されており、それと同等な範囲内にある全ての相違点は、権利範囲に含まれていると解釈されねばならない。
【符号の説明】
【0080】
１００ ディスプレイ装置
１１０ 映像形成装置
１２０ コンバイナ
１３０ ケース
１２１ 透明導波路
１２２ 透光板
Ｌ０、Ｌ１ 光
Ｓ１、 Ｓ２、 Ｓ３、 Ｓ４ 第１～第４表面
１１０ 映像形成装置
１２０ コンバイナ
１３０ ケース
１２１ 透明導波路
１２２ 透光板
Ｌ０、Ｌ１ 光
Ｓ１、 Ｓ２、 Ｓ３、 Ｓ４ 第１～第４表面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【手続補正書】
【提出日】2022-03-18
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含む、ディスプレイ装置。
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる曲面を含む、ディスプレイ装置。
【請求項2】
前記コンバイナは、前記仮想映像を伝達する透明導波路を含み、前記透明導波路の表面に前記曲面が形成されている、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項3】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記曲面は、前記第１表面に形成された第１曲面及び前記第２表面に形成された第２曲面を含み、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記曲面は、前記第１表面に形成された第１曲面及び前記第２表面に形成された第２曲面を含み、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項4】
前記第１曲面と第２曲面は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる前記第２方向に沿う断面を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項5】
前記第１曲面と第２曲面は、前記第２方向に前記コンバイナの全体幅よりも狭幅を有する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項6】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置されており、
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項7】
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項8】
前記映像形成装置は、前記第４表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第４表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項9】
前記コンバイナは、透光板をさらに含み、前記透光板は、
前記第２表面に接し、前記第２表面に形成された第２曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、請求項３に記載のディスプレイ装置。
前記第２表面に接し、前記第２表面に形成された第２曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項10】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記第１表面は、扁平な傾斜面であり、
前記第２表面に前記曲面が形成され、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、扁平な傾斜面であり、
前記第２表面に前記曲面が形成され、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項11】
前記コンバイナは、透光板をさらに含み、前記透光板は、
前記曲面に接し、前記曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、透光板をさらに備える、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
前記曲面に接し、前記曲面と相補的な形状を有する第５表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第６表面と、
前記第３表面と第４表面から延びる第７表面と、
を含む、透光板をさらに備える、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
【請求項12】
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面は、前記第１表面を透過した仮想映像が前記透明導波路の内部を進むように配置されている、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
【請求項13】
前記映像形成装置は、前記第３表面の一部領域に対向して配置されており、前記第１表面は、前記第３表面を透過した仮想映像を反射するように配置されている、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
【請求項14】
前記映像形成装置と前記第３表面との間に配置された投射光学系をさらに含み、
前記曲面と前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
前記曲面と前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
【請求項15】
前記透明導波路は、互いに対向して配置された第１表面と第２表面、及び前記第１表面と第２表面との間に対向して配置された第３表面と第４表面とを含み、
前記第１表面に前記曲面が形成されており、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置され、
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記第１表面に前記曲面が形成されており、
前記第３表面と第４表面は、屈折力を有さないように互いに平行に配置され、
前記映像形成装置は、前記第１表面に向かって前記仮想映像を提供するように配置される、請求項２に記載のディスプレイ装置。
【請求項16】
前記コンバイナは、前記第４表面の一部領域に配置されて前記仮想映像を前記第３表面に向かって反射する回折パターンをさらに含む、請求項１５に記載のディスプレイ装置。
【請求項17】
前記回折パターンは、傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を含む、請求項１６に記載のディスプレイ装置。
【請求項18】
前記回折パターンは、ホログラム光学素子、回折光学素子、または、メタ表面である、請求項１６に記載のディスプレイ装置。
【請求項19】
前記映像形成装置は、前記曲面に向かって前記仮想映像を提供するように配置され、
前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記曲面との間に配置された投射光学系をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
前記ディスプレイ装置は、前記映像形成装置と前記曲面との間に配置された投射光学系をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項20】
前記コンバイナは、前記曲面に配置された半透過コーティングをさらに含む、請求項９または１９に記載のディスプレイ装置。
【請求項21】
前記コンバイナは、前記半透過コーティングを支持及び固定する透光板をさらに含む、請求項２０に記載のディスプレイ装置。
【請求項22】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、を含み、
前記コンバイナは、
傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を備える回折パターンと、
前記映像形成装置と前記回折パターンとの間に配置された投射光学系と、
を含み、
前記回折パターンと前記投射光学系は、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる、ディスプレイ装置。
外部環境に対応する光を前記仮想映像と混合して観察者に提供するコンバイナと、を含み、
前記コンバイナは、
傾斜して入射する前記仮想映像に対応する光を法線方向に反射する第１表面及び垂直に入射する前記外部環境に対応する光を透過させる第２表面を備える回折パターンと、
前記映像形成装置と前記回折パターンとの間に配置された投射光学系と、
を含み、
前記回折パターンと前記投射光学系は、前記仮想映像の大きさを第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第１倍率よりも小さい第２倍率ほど変化させる、ディスプレイ装置。
【請求項23】
前記回折パターンと前記投射光学系は、
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
第１方向に、光軸上の第１位置に第１主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させ、
第２方向に、光軸上の第１位置と互いに異なる第３位置に第２主平面を形成させ、光軸上の第２位置に焦点面を形成させる、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項24】
前記コンバイナは、前記回折パターンを支持する透光板をさらに含む、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項25】
仮想映像を形成する映像形成装置と、
コンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、
前記仮想映像の縦横比を第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第２倍率ほど変化させ、
外部環境に対応する光を前記変化された仮想映像と結合して拡張映像を形成し、
観察者に前記拡張映像を提供するように構成され、
前記第２倍率は、前記第１倍率と互いに異なる、ディスプレイ装置。
ディスプレイ装置。
コンバイナと、
を含み、
前記コンバイナは、
前記仮想映像の縦横比を第１方向に第１倍率、前記第１方向に垂直な第２方向に第２倍率ほど変化させ、
外部環境に対応する光を前記変化された仮想映像と結合して拡張映像を形成し、
観察者に前記拡張映像を提供するように構成され、
前記第２倍率は、前記第１倍率と互いに異なる、ディスプレイ装置。
ディスプレイ装置。
【請求項26】
前記コンバイナは、前記仮想映像の縦横比を変化させる曲面を含む、請求項２５に記載のディスプレイ装置。
【請求項27】
前記コンバイナは、前記仮想映像の縦横比を変化させる回折パターンを含む、請求項２５に記載のディスプレイ装置。