特許 7235887 仮想イメージを生成するための光学システムと、スマートグラス

(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】

(24)【登録日】2023-02-28

(45)【発行日】2023-03-08

(54)【発明の名称】仮想イメージを生成するための光学システムと、スマートグラス

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230301BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021552734

(86)(22)【出願日】2020-02-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-27

(86)【国際出願番号】 EP2020055052

(87)【国際公開番号】W WO2020182472

(87)【国際公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-09-03

(31)【優先権主張番号】102019106020.6

(32)【優先日】2019-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】516087698

【氏名又は名称】トーツ・テクノロジーズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＴＯＯＺ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＧＭＢＨ

【住所又は居所原語表記】Ｔｕｒｎｓｔｒａｓｓｅ ２７， ７３４３０ Ａａｌｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100170597

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 直樹

(72)【発明者】

【氏名】ハンス ユルゲン ドフシャル

(72)【発明者】

【氏名】マシアス ヒルエンブランド

【審査官】井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１６４５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３４３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６３２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７１１１６０７（ＤＥ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５７０９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１１００７８１１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４９０７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－２４０７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２２４４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０９１０４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１－２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イメージャ装置（１２）により提供される原画像の仮想画像を生成する光学システムにおいて、１つのライトガイド（１８）であって、眼（１９）の正面に装着されることになり、前記原画像から発せられ、前記１つのライトガイド（１８）へと結合される光ビームを、光伝搬方向に、前記光ビームを前記１つのライトガイド（１８）から前記眼（１９）に向かって出力結合するように設計された反射出力結合装置（２４）へと案内するように設計された１つのライトガイド（１８）を含み、前記原画像は、それぞれの場合に、前記イメージャ装置（１２）の第一のイメージャ領域（１６）と、前記第一のイメージャ領域（１６）に隣接する少なくとも１つの第二のイメージャ領域（１４）により提供されることと、前記１つのライトガイド（１８）は、前記第一のイメージャ領域（１６）から発せられる光ビームと前記第二のイメージャ領域（１４）から発せられる光ビームとを、前記光伝搬方向に前記反射出力結合装置（２４）へ案内し、前記出力結合装置（１８）は、それぞれの場合に、前記光伝搬方向に相互に離して配置される複数の個別ミラー（２６_１～２６_７）を含み、個別ミラー（２６_１、２６_３、２６_５、２６_７）の第一の群は前記第一のイメージャ領域（１４）から発せられる第一の光ビームを前記１つのライトガイド（１８）から前記眼に向かって出力結合し、個別ミラー（２６_２、２６_４、２６_６）の少なくとも１つの第二の群は前記少なくとも１つの第二のイメージャ領域（１６）から発せられる第二の光ビームを前記１つのライトガイド（１８）から前記眼に向かって出力結合すること、及び前記第一の群の前記個別ミラー（２６_１、２６_３、２６_５、２６_７）と前記少なくとも１つの第二の群の前記個別ミラー（２６_２、２６_４、２６_６）が前記光伝搬方向に交互に配置されることを特徴とする光学システム。

【請求項2】

前記個別ミラー（２６_１～２６_７）は、湾曲した光学イメージングミラー表面を有する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記個別ミラー（２６_１～２６_７）の前記ミラー表面はフリーフォーム表面として具現化される、請求項２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記個別ミラー（２６_１～２６_７）の焦点は、前記第一又は前記少なくとも１つの第二のイメージャ領域（１４、１６）の前記原画像が提供される平面内にある、請求項２又は３に記載の光学システム。

【請求項5】

前記第一の群の、前記光伝搬方向に相互に前後に配置されるそれぞれ２つの個別ミラー（２６_１、２６_３；２６_３、２６_５；２６_５、２６_７）の原画像側視野領域は分離され、前記少なくとも１つの第二の群の、前記光伝搬方向に相互に前後に配置されるそれぞれ２つの個別ミラー（２６_２、２６_４；２６_４、２６_６）の原画像側視野領域は分離される、請求項１～４の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項6】

前記第一の群のある個別ミラー（２６_７）の原画像側視野領域と前記少なくとも１つの第二の群に属し、この個別ミラーに直接隣接する個別ミラー（２６_６）の原画像側視野領域との間に重複部がある、請求項１～５の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項7】

前記第一の群の連続する個別ミラー（２６_１、２６_３；２６_３、２６_５；２６_５、２６_７）間の距離は、前記光伝搬方向に３ｍｍ～５ｍｍの範囲である、請求項１～６の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項8】

前記第一の群のある個別ミラー（２６_７）と、前記少なくとも１つの第二の群に属し、この個別ミラーに直接隣接する個別ミラー（２６_６）との間の距離は１～３ｍｍの範囲である、請求項１～７の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項9】

前記個別ミラー（２６_１～２６_７）の各々の前記光伝搬方向への縁辺寸法は０．５～２ｍｍの範囲である、請求項１～８の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項10】

前記個別ミラー（２６_１～２６_７）は全面が反射性を有する、請求項１～９の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項11】

前記個別ミラーは（２６_１～２６_７）一部が反射性及び一部が透過性を有する、請求項１～９の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項12】

前記出力結合装置（２４）は個別ミラー（２６_１～２６_７、２７_１～２７_７）の複数の行を有し、各行は前記光伝搬方向に延び、前記第一の群の個別ミラー（２６_１、２６_３、２６_５、２６_７、２７_１、２７_３、２７_５、２７_７）と前記少なくとも１つの第二の群の個別ミラー（２６_２、２６_４、２６_６；２７_２、２７_４、２７_６）は各行内で交互に配置される、請求項１～１１の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項13】

前記１つのライトガイド（１８）が眼鏡レンズである、請求項１～１２の何れか１項に記載の光学システム。

【請求項14】

前記眼鏡レンズは湾曲している、請求項１３に記載の光学システム。

【請求項15】

請求項１～１４の何れか１項に記載の光学システム（１０）を含むスマートグラス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージャ装置により提供される原画像の仮想画像を生成するための光学システムに関し、これは少なくとも１つのライトガイドを含み、これは片眼の正面に装着されることになり、原画像から発せられ、ライトガイドへと結合される光ビームを光伝搬方向に、ライトガイドからの光ビームを眼へと出力結合するように設計された反射出力結合装置へと案内するように設計される。

【0002】

本発明はさらに、このような光学システムを含むスマートグラスに関する。

【背景技術】

【0003】

冒頭に記した種類の光学システムとスマートグラスは、国際公開第２０１６／１０２１９０ Ａ１号パンフレットの文献から知られている。

【0004】

冒頭に記した種類の光学システムは、いわゆるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、すなわち頭部に装着される表示装置で使用できる。ＨＭＤｓの１つの従来の形態は、眼の正面に装着されるスクリーンを使用し、ユーザに対し、コンピュータで生成された画像又はカメラにより撮影された画像を提示する。このようなＨＭＤｓは嵩張ることが多く、周囲を直接認識できない。ユーザがＨＭＤを通じて注視できるようにすることにより、周囲の直接認識を妨害せずに、ユーザにカメラにより記録された画像又はコンピュータ生成画像を提示できるＨＭＤｓが開発されたのは最近になってからのことである。このようなＨＭＤｓは、スマートグラスとも呼ばれ、それによりこの技術の日常生活での使用が可能となる。

【0005】

このようなスマートグラスの光学システムは典型的に、イメージャ装置と、ライトガイドと、出力結合装置と、を含む。ライトガイド内を伝搬する光の結合は、典型的にはライトガイドの外面におけるライトガイドからユーザの眼に向かう全内部反射によるが、例えば反射、回折、屈折、ホログラフによる方式又はその組合せ等、様々な方法によって実現できる。スマートグラスは、比較的広い視野を持ちながら高いイメージング品質が要求されることで知られている。同時に、このような頭部装着システムの場合、軽量及び小型（小さい設置スペース）に主眼が置かれ、仮想画像を生成するために原画像をできるだけ少ない光学表面でイメージングする必要があり、しかしながら、その結果、今度は光学収差を補償するのに利用できる表面がわずかしかないことになる。このようなスマートグラスに対しては、ユーザによる受入れの面における要求もあり、これはスマートグラスの外観により少なからず影響を受ける。特に、スマートグラスの外観が従来の眼鏡と実質的に変わらないようにするために、ライトガイドの厚さには小さい数値が望ましい。

【0006】

冒頭で引用した文献から知られている光学システムの場合、ライトガイド内を伝搬する光は、複数の反射フレネルセグメントを有する連続的なフリーフォームフレネル表面での反射によって出力結合される。同文献に記載されているように、光学システムの光学イメージング品質は、光学システムの射出瞳に近く、眼の入射瞳に近い出力結合装置の相対位置から、フリーフォームフレネル表面の表面真度及び表面品質に非常に強く依存する。しかしながら、このようなフリーフォームフレネル表面の欠点は、フレネルセグメントのフレネル表面の限定的な光学イメージング機能と縮小された視野範囲、すなわちアイボックスにある。アイボックスとは、イメージングビーム経路内のライトチューブの、画像のビネットを生じさせずに眼の瞳孔が移動できる三次元領域である。眼のスマートグラスからの距離は実質的に一定であるため、アイボックスは眼の回旋運動のみを考慮した２次元アイボックスへと単純化することができる。この場合、アイボックスは実質的に眼の入射瞳の位置におけるスマートグラスの射出瞳に対応する。眼の入射瞳は一般に、眼の瞳孔によって得られる。

【0007】

ミラー表面のフリーフォームフレネルセグメントの最適ではないイメージング特性は、眼の視線方向における個々のフレネル表面の相互に不連続なオフセットに起因する。このような視線方向における個々のフレネルセグメントの相互に不連続なオフセットにより、個々のフレネルセグメントは、原画像の同じ視点のイメージングに貢献する２つの隣接するフレネルセグメントにより十分に良好なイメージングを実現できるような方法で設計できない。その結果、個々のフレネル表面を平面ミラーとしてしか、又はせいぜい平面ミラーからわずかに逸脱したものとしてしか具現化せざるを得ない。フレネルセグメントの別の欠点は、直接隣接するフレネルセグメント間にあり、使用される光の出力結合用として提供されていない影領域が複数の反射を起こし、ゴースト画像を生成しかねないという点にある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の目的は、仮想画像を原画像からより高いイメージング品質で生成できるような冒頭に記した種類の光学システムを開発することであり、できるだけ大きい視野を実現しながらシステムの取付サイズは小さく保たれる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、この目的は、原画像がそれぞれの場合に、イメージャ装置の第一のイメージャ領域と、第一のイメージャ領域に隣接する少なくとも１つの第二のイメージャ領域により提供されることと、それぞれ光伝搬方向に相互に離して配置される複数の個別ミラーを含み、個別ミラーの第一の群は第一のイメージャ領域から発せられる第一の光ビームをライトガイドから眼に向かって出力結合し、個別ミラーの少なくとも１つの第二の群は少なくとも１つの第二のイメージャ領域から発せられる第二の光ビームをライトガイドから眼に向かって出力結合するような出力結合装置によって、及び第一の群の個別ミラーと少なくとも１つの第二の群の個別ミラーが光伝搬方向に交互に配置されることによって実現される。

【0010】

その結果、本発明による光学システムの出力結合装置は複数の個別ミラーを含み、これらは各々イメージャ装置から出力結合装置へと続くライトガイドの光伝搬方向に相互から離して配置される。光伝搬方向は、光学システムが所期の通りに頭部に装着されたときに水平方向となり得る。個別ミラーは好ましくは、別々のミラー、特にミニミラーとして具現化される。連結された隣接する複数のフレネルセグメントからなるフリーフォームフレネルミラー表面とは対照的に、離間された個別ミラーを用いた出力結合装置の構成は、個別ミラーが高いイメージング品質に必要な光学的イメージングパワーを有するように具現化できるという点で有利である。光学システムのイメージング機能全体が個別ミラーによって提供されるようにすることさえも可能である。その結果、追加のイメージング光学ユニットを、例えばイメージャ装置の領域からなくすことができる。

【0011】

さらに、本発明による光学システムは２つ以上のサブシステムに細分される。原画像はイメージャ装置の２つのイメージャ領域又は、サブシステムの数に対応して３つ以上のイメージャ領域により提供される。本発明の意味において、２つ以上のイメージャ領域とは、原画像が１つのイメージャの、隣接して配置される２つ以上のイメージャ領域により、又は隣接して配置される独立した２つ以上のイメージャにより提供されると理解されたい。ここで、原画像の全体が利用可能なイメージャ領域の各々によって提供でき、すなわち、原画像はイメージャ領域の数に応じて複数回提供され、又は各イメージャ領域は原画像の個々のセクションのみを提供し、これらが合体して全体の原画像を形成する。

【0012】

光学システムの２つ以上のサブシステムへの分割にしたがって、出力結合装置の個別ミラーは２つ以上の群に細分される。個別ミラーの各群は、複数のイメージャ領域のそれぞれのイメージャ領域に割り当てられ、このイメージャ領域から発せられた光ビームだけをライトガイドから眼に向かって出力結合する。さらに、個別ミラーの２つ以上の群の個別ミラーは、光伝搬方向に交互に配置される。これは、光伝搬方向において直に隣接する２つの個別ミラーは個別ミラーの２つの異なる群に属することを意味し、したがって、直に隣接する２つの個別ミラーは２つの異なるイメージャ領域から発せられるライトガイドからのライトビームを出力結合する。直に隣接する２つの個別ミラーは一般にユーザの眼で同時に見ることができるため、その結果として、原画像の仮想画像におけるギャップが確実に回避される。認識される光が一方のイメージャ領域か他方のイメージャ領域の何れから発せられるかに関係なく、ユーザにおいて常に同じ画像の印象が得られることだけを確実にすればよい。これは、イメージャ領域の１つ又は複数において、原画像の同じ視野地点から発せられる光ビームが、二重像及びスケール歪みを回避するために網膜上に確実に理想的に重なるようにするソフトウェアに記憶することによって実現できる。

【0013】

本発明による光学システムはさらに、個別ミラーの複数の群の各個別ミラーの持つ光学イメージングの自由度が非常に高く、例えばそのフリーフォーム多項式の係数及び／又は個別ミラーの個々の傾きの数が多く、それによって非常に良好なイメージング品質と歪みがないことが本発明による光学システムを使用すれば達成できるという点で有利である。

【0014】

光学的イメージングパワーの全てを個別ミラーに伝送でき、さらに、個別ミラーの配列によってライトガイド内での光の案内方向を個別に適応させることができるため、最小限のコストで、広い視野範囲を有するごく狭小で小型のＨＭＤを提供することが可能となる。前述のように、理想的なケースでは、例えばイメージャの付近のライトガイドの外側の隅に、先行技術から知られているようなＨＭＤｓに必要となるその他のイメージング用光学コンポーネントを必要としない。

【0015】

ライトガイド内の光の伝搬は、ライトガイドの対向する表面での反射により実装できる。しかしながら、本発明の範囲内で、反射を経ずに個別ミラーに直接入射させることも可能である。

【0016】

本発明による光学システムの好ましい構成を以下に説明する。

【0017】

好ましくは、個別ミラーの全部又は一部は湾曲した光学的イメージングミラー表面を有する。高い光学的自由度は、個別ミラーの湾曲した光学的イメージングミラーの形状及び個別ミラーの表面の傾斜に利用できるため、最適な光学イメージング品質を達成できる。それゆえ、個別ミラーの一部又は全部のミラー表面をフリーフォーム表面として具現化することができる。

【0018】

個別ミラーの焦点は好ましくは、原画像が第一又は少なくとも１つの第二のイメージャ領域によって提供される平面内にある。別の表現をすれば、原画像はこの構成において、個別ミラーの焦点により画定される出力結合装置の焦点面内にある。その結果、原画像から発せられる光のライトガイドへの入力結合位置における光ビームの直径全体を小さく保持できる。原画像の個々の視野地点から発せられ、ライトガイド内へと入力結合される光ビームはしたがって、個別ミラーによって平行光ビームに変換される。すると、平行光ビームの全体が光学システムの射出瞳内で重なる。

【0019】

好ましくは、それぞれ光伝搬方向において前後に続く第一の群の２つの個別ミラーの原画像側の視野領域は分離され、それぞれ光伝搬方向において前後に続く少なくとも１つの第二の群の２つの個別ミラーの原画像側の視野領域も好ましくは同様に分離される。

【0020】

この構成では、それぞれのイメージャ領域で原画像の離散的に離間された原画像領域だけが必要であり、そのため、原画像全体が各イメージャ領域上に提供されなくてよい。個別ミラーの距離、したがって焦点距離はイメージャ領域ごとに異なるため、これらの焦点距離の差がそれぞれのイメージャ領域上のソフトウェアに保存されれば有利である。

【0021】

さらに好ましくは、第一の群の個別ミラーの原画像側視野領域と少なくとも１つの第二の群に属し、この個別ミラーに磁気に隣接する個別ミラーの原画像側視野領域との間に重複部がある。

【0022】

前述のように、イメージャ領域の少なくとも１つにおけるソフトウェアへの記憶によって、原画像の同じ視野地点からの２つのイメージャ領域から発せられる光ビームは確実に理想的に網膜上に重なり、それによって二重像及びスケール歪みが回避される。

【0023】

第一の群の連続する個別ミラー間の好ましい距離は、光伝搬方向に３ｍｍ～５ｍｍの範囲であり、例えば４ｍｍとすることができる。

【0024】

このような距離は、人の成人の眼の瞳孔の典型的な大きさである約３ｍｍとよく一致する。指定された範囲内の距離によって、眼は常に一度に各群の１つの個別ミラーのみを見る。

【0025】

第一の群の個別ミラーと、少なくとも１つの第二の群に属し、この個別ミラーに直に隣接する個別ミラーとの間の光伝搬方向への距離は、好ましくは１～３ｍｍの範囲である。

【0026】

その結果、典型的な眼の瞳孔の大きさが３ｍｍである場合、ライトガイドのある領域内の複数の異なる群の各々からの１つの個別ミラーが、ユーザの眼により固視方向に常に同時に捕捉され、そのため、全てのイメージャ領域からの光ビームが同じ視野地点の原画像から眼への伝送に同時に寄与する。

【0027】

個別ミラーは好ましくは小型化された実施形態を有し、各々の光伝搬方向への縁辺寸法は０．５～２ｍｍの範囲である。個別ミラーは長方形、より具体的には正方形、又は丸形とすることができる。後者の場合、縁辺寸法とは個別ミラーの直径を意味すると理解すべきである。個別ミラーは、光伝搬方向に垂直でライトガイドの外面に平行な方向に２ｍｍより大きい寸法を有することができ、すなわち個別ミラーはストライプ状の実施形態を有することができる。

【0028】

画像表現の十分に高い解像度は、上に明記した個別ミラーの寸法設定により得られる。第二に、個別ミラーは光学システムの「シースルー」機能をほとんど損なわず、そのため、ユーザはライトガイドを通して容易に凝視し、周囲を認識することができる。

【0029】

個別ミラーは全面が反射性を有するものとすることができ、それには仮想イメージ内のコントラストが高いという利点がある。しかしながら、個別ミラーはまた、一部が反射性、一部が透過性を有することもでき、これは個別ミラーがライトガイドを通した周囲の認識を損なう程度がさらに大きく低減されるという点で有利である。

【0030】

個別ミラーは、ライトガイドの材料の屈折率の局所的ジャンプにより実現でき、これらの部分的な反射性及び部分的な透過性が得られる。しかしながら、個別ミラーはまた、ライトガイド内に埋め込まれた反射板様の要素によっても実現できる。

【0031】

出力結合装置は個別ミラーの群列を有することができ、群列は個別ミラーの複数の行を有し、各行は光伝搬方向に延び、第一の群の個別ミラーと少なくとも１つの第二の群の個別ミラーは、各行内で交互に配置される。前述のように、ストライプ状個別ミラーの１行の配置もまた、複数の行の配置の代わりに選択できる。

【0032】

好ましくは、ライトガイドは眼鏡レンズである。このような眼鏡レンズはプラスチックでも製作されてよいと理解されたい。

【0033】

眼鏡レンズは典型的に湾曲している。限定することなく、本発明による光学システムでは、前述のような個別ミラーの出力結合装置の構成から、湾曲したライトガイドを使用することができる。その結果、本発明による光学システムは、非常に審美性が高く、ユーザの受入れに貢献している点でも優れている。

【0034】

さらに、本発明によれば、前述の構成の１つ又は複数による光学システムを有するスマートグラスも提供される。

【0035】

本発明によるスマートグラスは、本発明による前述の光学システムと同じ利点及び特徴を有する。

【0036】

その他の利点と特徴は、以下の説明と添付の図面から明らかとなる。

【0037】

言うまでもなく、前述の特徴及び以下でさらに説明する特徴は、それぞれ具体的に記された組合せにおいてだけでなく、その他の組合せにおいても、又は独自にも使用でき、これらも本発明の範囲から逸脱しない。

【0038】

本発明の例示的な実施形態を図面に示し、それを参照しながら以下に詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】原画像から仮想画像を生成するための光学システムの上から見た図を示す。

【図2】光学システムの正から見た図を示す。

【図3】光ビーム経路を含めた図１の光学システムの別の上から見た図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0040】

図１は、イメージャ装置１２により提供される原画像の仮想画像を生成するための光学システムを示し、全体的な参照符号１０が付されている。光学システム１０は、所期のとおりに使用される際、ユーザの頭部に装着される。図１は、頭部に装着された場合の光学システム１０の上から見た図を示す。

【0041】

イメージャ装置１２は、第一のイメージャ領域１４及び第二のイメージャ領域１６を含む。第一及び第二のイメージャ領域１４及び１６は相互に隣り合わせに配置され、２つの別々のディスプレイとすることも、又は２つのイメージャ領域１４及び１６は１つのディスプレイの２つの隣接して配置された領域とすることもできる。図１の線１５は、２つのイメージャ領域１４及び１６間の分離線を示す。

【0042】

原画像はイメージャ領域１４及び１６上に、カメラ（図示せず）により生成される画像若しくはビデオとして、又はコンピュータ生成画像若しくはビデオとして提供できる。原画像は、それぞれの場合に全体として、すなわち全面画像で両方のイメージャ領域１４及び１６上に提供でき、又は個々の原画像領域だけが２つのイメージャ１４及び１６上に提供されて、これらの原画像領域の合体により全面原画像を得られる。

【0043】

光学システム１０はライトガイド１８をさらに含み、その中にイメージャ領域１４及び１６により提供される原画像から発せられる光が入力結合される。イメージャ１４及び１６から発せられ、ユーザの眼までの光ビーム経路について、図３を参照しながら以下にさらに説明する。

【0044】

ライトガイド１８は眼鏡レンズとして具現化され、これはガラス又はプラスチックで製造されてよい。所期のとおりに使用される場合、ライトガイド１８はユーザの眼１９の正面に装着される。図の例示的な実施形態ではこれはユーザの左眼である。図のように、ライトガイド１８は特に湾曲させることができ、これは従来の眼鏡レンズの場合と同様である。

【0045】

図１は、ライトガイド１８の上面図、すなわち眼鏡レンズの狭い上側を示す。説明を容易にするために、ｚ軸、ｘ軸、及びｙ軸の座標系が図１に示されており、ｙ軸は図１の図面の表面に垂直に延びる。ｘ軸はライトガイド１８内の光の光伝搬方向であり、光学システム１０がユーザの頭部に装着されたときに水平方向に延びる。ｚ方向はライトガイド１８を通じた眼１９の視線方向である。したがって、ｙ方向は縦方向を示す。

【0046】

ライトガイド１８は第一の外面２０と第二の外面２２を有する。光学システム１０がユーザの頭部に装着されると、外面２０はライトガイド１８の、眼１９とは反対に面する前側外面を形成し、外面２２はライトガイド１８の、ユーザの眼１９に面する後側外面を形成する。

【0047】

イメージャ１４及び１６から発せられた光は、ライトガイド１８に入力結合され、２つの外面２０及び２２間で、任意選択により外面２０及び２２での全反射の結果として、又は反射せずにライトガイド１８内を伝搬できる。光の主な伝搬方向（ｘ方向）は、この説明の中ではライトガイド１８の光伝搬と呼ばれる。

【0048】

さらに、光学システム１０は、イメージャ領域１４及び１６から発せられ、ライトガイド１８に入力結合される光ビームをライトガイド１８から眼１９に向かって出力結合する役割を果たす出力結合装置２４を含み、これについては後でさらに説明する。

【0049】

出力結合装置２４はまず、図２をさらに参照しながら説明する。イメージャ装置１２は図２には示されていない。

【0050】

図１及び２によれば、出力結合装置２４は複数の個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７を含む。この説明では、「ミラー」という用語は、ミラーのミラー表面と同義であると理解すべきであり、これは、個別ミラーがフレームもマウントも持たないからである。個別ミラー２６_１～２６_７及び個別ミラー２７_１～２７_７は、それぞれの場合にライトガイド１８の光伝搬方向に相互に離間されている。個別ミラー２６_１～２６_７は個別ミラーの第一の行を形成し、これはライトガイド１８の光伝搬方向に延び、個別ミラー２７_１～２７_７は個別ミラーの第二の行を形成し、これも同様にライトガイド１８の光伝搬方向に延び、個別ミラー２６_１～２６_７の第一の行から光伝搬方向に垂直に（ｙ方向に）離間されている。個別ミラーの全体の数と個別ミラーの行の数はどちらも、ここでは単に例であると理解すべきであり、個別ミラーの全体の数は図面に示されている全体の数より多く、又は少なくすることもでき、個別ミラーの行が２より多く、又は少なくなるようにすることができる。例えば、個別ミラー２７_１～２７_７の第二の行の代わりに、個別のミラー２６_１～２６_７の１行しか存在しなくてもよく、個別ミラー２６_１～２６_７はすると、好ましくはｙ方向に図に示されているものより広い範囲を有する。例えば、図の例示的な実施形態では、個別ミラー２６_１～２６_７はｙ方向に、個別ミラー２７_１～２７_７の（ｙ方向の）下辺のある地点まで延びることができる。

【0051】

個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７は、ライトガイド１８に埋め込まれ、ライトガイド１８の材料の屈折率のジャンプとして、又は、例えば、ライトガイド１８の材料に埋め込まれたきわめて薄い金属板等の反射板として具現化できる。

【0052】

イメージャの数、この場合は２つのイメージャ領域１４及び１６に応じて、個別ミラー２６_１～２６_７及び個別ミラー２７_１～２７_７は群、この場合は２つの群に分割される。個別ミラー２６_１、２６_３、２６_５、及び２６_７並びに個別ミラー２７_１、２７_３、２７_５、及び２７_７の第一の群は、２つのイメージャ領域１４又は１６のうちの一方から発せられた光ビームだけをライトガイド１８から眼１９へと出力結合し、個別ミラー２６_２、２６_４、２６_６及び個別ミラー２７_２、２７_４、２７_６の第二の群は、２つのイメージャ領域１４及び１６の他の一方から発せられ光ビームだけを眼に向かって出力結合するように設計される。区別しやすくするために、第一の群の個別ミラー２６_１、２６_３、２６_５、２６_７及び個別ミラー２７_１、２７_３、２７_５、２７_７は斜線付きで示され、第二の群の個別ミラー２６_２、２６_４、２６_６及び２７_２、２７_４、２７_６は白で示されている。

【0053】

図２からわかるように、個別ミラーの第一の群の個別ミラーはライトガイド１８の光伝搬方向（ｘ方向）に個別ミラーの第二の群の個別ミラーと交互に配置される。したがって、直に隣接する個別ミラー、例えば個別ミラー２６_６及び２６_７はそれぞれの場合に個別ミラーの２つの異なる群に属する。

【0054】

ライトガイド１８の光伝搬方向への第一の群の連続する個別ミラー２７_１、２７_３、２７_５、２７_７間の間隔ｄ_１は、個別ミラー２７_３及び２７_５について示されているように、３ｍｍ～５ｍｍの範囲であり、例えば４ｍｍである。この間隔ｄ_１は、約３ｍｍである人の成人の眼の瞳孔の大きさと同じかそれより大きい。ライトガイド１８の光伝搬方向への第二の群の連続する個別ミラー２６_２、２６_４、２６_６、又は２７_２、２７_４、２７_６間の間隔ｄ_２は、個別ミラー２６_４及び２６_６について示されているように、同様に３ｍｍ～５ｍｍの範囲、例えば４ｍｍである。

【0055】

第一の群のそれぞれの個別ミラーと、少なくとも１つの第二の群に属し、この個別ミラーに直接隣接する個別ミラーとの間の光伝搬方向への距離ｄ_３は、個別ミラー２６_６及び２６_７について示されているように、１～３ｍｍの範囲、例えば２ｍｍである。

【0056】

図２の円形の線２８は、固視方向（ｚ方向）の場合に約３ｍｍの瞳孔の大きさの眼１９により同時に捕捉される出力結合装置２４の領域を示す。その結果、円形の線２８により示されるこの領域の直径は、同じ群の隣接する個別ミラー間の距離ｄ_２又はｄ_１より小さい。それゆえ、眼１９にはライトガイド１８の光伝搬方向に同じ群の連続する２つの個別ミラーが同時に見えないが、基本的に、異なる群からの直に隣接する２つの個別ミラーは同時に見え、見ることになる。

【0057】

図２では、個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７は四角の個別ミラーとして示されているが、これは例にすぎない。一般に、個別ミラーは多角形又は丸い実施形態も有することができる。個別ミラーの大きさは小さくすることができ、例えば０．５～２ｍｍの範囲であるが、これは光伝搬方向への個別ミラーの縁辺寸法を意味すると理解されたい。例えば、個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７の各々の縁辺寸法は光伝搬方向に１ｍｍである。これらは特に個別ミラーが１行のみ存在する場合、ｙ方向により大きい寸法を有することができる。

【0058】

追加的に、光学システム１０のさらに詳細な事柄を図３を参照しながら説明する。図３は、イメージャ領域１４及び１６から発せられてから光学システム１０の射出瞳３０までの光ビーム経路全体を示している。光学システム１０がユーザの頭部に装着されると、射出瞳３０はユーザの眼１９（図１）の入射瞳又はアイボックスとほぼ一致する。ユーザには、原画像の仮想画像がライトガイド１８の外面２０を超えて実際に認識された周囲と重なって見える。

【0059】

図３は、７つの光ビームを例として示しており、イメージャ領域１６から発せられた光ビーム３２_１、３２_２、及び３２_３は破線により表現され、イメージャ領域１４から発せられた光ビーム３４_１、３４_２、３４_３、３４_４は実線を使って示されている。

【0060】

イメージャ領域１４及び１６により提供される原画像から発せられた後でライトガイド１８へと結合されると、光ビーム３２_１～３２_３及び３４_１～３４_４は、図の例示的な実施形態においては、外面２０及び２２での反射、特に全内部反射によりライトガイド１８の光伝搬方向に出力結合装置２４へと案内される。イメージャ領域１６から発せられた光ビーム３２_１、３２_２、３２_３はその後、個別ミラーの第二の群の個別ミラー２６_６、２６_４、２６_２に入射する。イメージャ領域１４から発せられた光ビーム３４_１、３４_２、３４_３、３４_４は、個別ミラーの第一の群の個別ミラー２６_７、２６_５、２６_３、２６_１に入射する。個別ミラー２７_１～２７_７は図３では見えないが、個別ミラー２６_１～２６_７と同じことが当てはまる。他の実施形態の変形型において、個々の光ビーム又は全ての光ビーム３２_１～３２_３及び３４_１～３４_４は、ライトガイド１８に入力結合された後、反射による１つ又は複数の偏向を経ずに、個別ミラーに直接入射できる。

【0061】

イメージャ領域１４から及びイメージャ領域１６からの原画像のほぼ同じ視野地点から発せられる光ビーム３２_１及び３４_１を考えた場合、これらの光ビームは直に隣接する個別ミラー２６_６及び２６_７に入射し、これらは前述のように個別ミラーの異なる群に属する。これら２つの個別ミラー２６_６及び２６_７は、図２の円形の線２８に関して既に説明したように、ユーザの眼１９により同時に捕捉されるライトガイド１８の領域内にある。イメージャ領域１４又は１６の一方又は両方においてソフトウェアに記憶することによって、原画像の同じ視野地点から発せられた光ビームがユーザの網膜上で理想的に重なり、二重像及びスケール歪みが回避されるのを確実にすることができる。

【0062】

図３に示されているように、個別ミラー２６_１～２６_７（個別ミラー２７_１～２７_７と全く同様に）の各々は、湾曲した光学イメージングミラー表面を有する。特に、全ての個別ミラーは湾曲した光学イメージングミラー表面を有するように具現化できる。個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７の個々のミラー又は全部のミラー表面は、フリーフォーム表面として具現化できる。個別ミラーを用いた出力結合装置２４の構成により、個別ミラーの光学設計における光学イメージングの自由度の範囲が非常に広くなり、そのため、原画像から生成された仮想画像の品質を最適化できる。

【0063】

さらに図３からわかるように、個別ミラー２６_１～２６_７の焦点は原画像の平面３６内にある（個別ミラー２７_１～２７_７についても同じことが当てはまる）。個別ミラーの距離及びしたがって焦点距離はイメージャ領域１４及び１６に関して異なるため、これらの焦点距離の差がそれぞれのイメージャ領域１４及び／又は１６上のソフトウェアに保存されれば有利である。

【0064】

眼の瞳孔の瞳孔大きさと等しいか、それより長く選択された、同じ群の連続する個別ミラー間の光伝搬方向への距離ｄ_１又はｄ_２により、それぞれの場合に同じ群の、光伝搬方向に続く２つの個別ミラーの原画像側視野領域は分離される。それに対して、第一及び第二の群に属する直に隣接する個別ミラーの原画像側視野領域間には重複部分がある。前述のように、イメージャ１４及び１６の一方のソフトウェアに記憶することにより、ユーザの眼１９により同時に捕捉されるこれらの視野領域が射出瞳３０上で最適に重なるのを確実にできる。

【0065】

複数の個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７による出力結合装置２４の構成により、これらの個別ミラーは好ましくは、原画像から仮想画像を生成するための光学イメージング効果全体を発展させる。

【0066】

個別ミラー２６_１～２６_７及び２７_１～２７_７は、可視スペクトルの光に対して全面的に反射性を有することも、一部が反射性／一部が透過性を有するものとすることができる。光学システム１０の「シースルー」機能は、個別ミラーの全面が反射性を有する場合と一部が反射性／一部が透過性を有する構成の場合のどちらにおいても確保される。

【0067】

一例では、ライトガイド１８は、眼鏡レンズとして具現化でき、その厚さ（ｚ方向）は約５ｍｍである。例えば、ライトガイド１８の曲率半径は１００ｍｍとすることができる。これらのパラメータによって、水平方向に４５°の光学システム１０の視野を達成でき、これはすでに非常に優れている。

【0068】

図１、２、及び３の図は実質的に拡大されていると理解されたい。実際には、ライトガイド１８全体の範囲は通常の眼鏡レンズの範囲に対応する。

【0069】

さらに、光学システム１０は、図中に示されているように２つのイメージャ領域と２つの個別ミラーの群を有する２つの部分的システムに細分されてよいだけでなく、対応する数のイメージャ領域及び個別ミラーの群を有する３つ以上の部分的システムにも細分されてよい。

【0070】

光学システム１０は好ましくはスマートグラスとして具現化され、又はスマートグラスはこのようなシステム１０を含む。

【図1】

【図2】

【図3】