特表 2022-509114 近焦点の矯正ＡＲ眼鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-20

(54)【発明の名称】近焦点の矯正ＡＲ眼鏡

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20220113BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021527891

(86)(22)【出願日】2020-01-24

(85)【翻訳文提出日】2021-06-30

(86)【国際出願番号】 US2020014993

(87)【国際公開番号】W WO2020113245

(87)【国際公開日】2020-06-04

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】シュルツ， ロバート ジェイ．

【テーマコード（参考）】

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H199CA12

2H199CA42

2H199CA50

2H199CA66

2H199CA68

2H199CA74

2H199CA82

2H199CA88

(57)【要約】

拡張現実アプリケーション用のヘッドマウントディスプレイは、ヘッドマウントディスプレイのアイリム部の開口内に配置された画像光ガイドを含む。この画像光ガイドは、バーチャル対象をエンコードしてなる角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、アイボックスに向けて方向付けし、これにより、アイボックスまでの過焦点からほぼ無限遠の焦点距離で、バーチャル対象を見ることができるようにする。画像光ガイドの一方側とアイボックスの間の負パワー光学要素は、アイボックスの前で画像担持光ビームを発散させ、これにより過焦点距離よりもアイボックスに近い距離でバーチャル対象を見ることができるようにする。画像光ガイドの反対側にある正パワー光学素子は、上記負パワー光学素子の負の光学パワーを相殺し、これにより、実世界の対象をアイボックスまでの実際の距離で見ることができるようにする。画像光ガイドとアイボックスの間に配置された矯正光学系は、実世界の対象とバーチャル対象の両方を見るための視者の収差を低減する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

着用者が周囲環境内の実世界の対象を見ることができる開口が形成されたアイリム部を有するヘッドマウントディスプレイであって、
前記ヘッドマウントディスプレイの前記アイリム部の前記開口内に配置された画像光ガイドと、複機能光学系と、正パワー光学系とを備え、
前記画像光ガイドは、
平坦かつ平行な内面と外面を有する透過性の平面導波路と、
バーチャル対象をエンコードした角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、画像ソースから前記導波路へと向け、前記内面と外面での内部反射により伝播させるインカップリング光学要素と、
伝搬してきた前記画像担持光ビームを、前記導波路からアイボックスに向け、前記アイボックスから第１の焦点距離でバーチャル対象を見られるようにするアウトカップリング光学要素と、
を有し、
前記複機能光学系は、前記開口内において前記導波路の内面と前記アイボックスとの間の配置された単一の光学素子として形成されるとともに、
（ａ）前記アイボックスから、より近い第２の焦点距離でバーチャル対象を見るために、前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させる負の光学パワーの寄与と、
（ｂ）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記より近い第２の焦点距離で見ることに関して、視者の光学的収差を低減する矯正光学的寄与と、
を提供し、
前記正パワー光学系は、前記開口内において前記導波路の外面と周囲環境との間に配置され、実世界の対象を矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見るために、前記複機能光学系の矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の負の光学パワーの寄与を相殺する、ヘッドマウントディスプレイ。

【請求項2】

前記複機能光学系が単一の屈折レンズ要素である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項3】

前記第１の焦点距離が過焦点から無限遠に近い距離であり、前記より近い第２の焦点距離が前記過焦点距離よりも短い、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項4】

前記より近い第２の焦点距離が、１．５メートルから４メートルの間である、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項5】

前記より近い第２の集束距離が、０．０５メートルから１．５メートルの間である、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項6】

前記矯正光学的寄与が、前記より近い第２の焦点距離での視者の光学的収差を低減するように設定されている、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項7】

前記複機能光学系が、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記第１の複機能光学系が取り外し可能であり、表示を異なる光学処方に適合させるために第２の複機能光学系と交換可能である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項8】

前記複機能光学系が複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記正パワー光学系が複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系であり、前記第１の複機能光学系および前記第１の正パワー光学系がまとめて取り外し可能であり、前記より近い第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項9】

前記第２の複機能光学系が、前記異なる第３の焦点距離での視者の光学的収差を低減するための矯正光学的寄与を提供する、請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項10】

さらに、前記開口内において前記正パワー光学系と前記周囲環境との間に配置された透過性保護外側カバーを備える、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項11】

前記正パワー光学系が、周囲環境に臨む凸状の外面を有するレンズであり、この外面が保護コーティングで処理されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項12】

共通の視野内でバーチャル対象と実世界の対象についての視者のビューを管理するための拡張現実バーチャル像表示システムであって、
内面と外面を含み、バーチャル対象をエンコードした角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、アイボックスに向けて方向付けし、前記アイボックスから第１の焦点距離でバーチャル対象を見られるようにした画像光ガイドと、
単一の光学要素として形成され、前記画像光ガイドの内側と前記アイボックスとの間に配置された複機能光学系であって、
（ａ）前記アイボックスから、より近い第２の焦点距離でバーチャル対象を見るために、前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させる負の光学パワーの寄与と、
（ｂ）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記より近い第２の焦点距離で見ることに関して、視者の光学的収差を低減する矯正光学的寄与と、
を提供する複機能光学系と、
前記画像光ガイドの外側に配置され、実世界の対象を矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見るために、前記複機能光学系の矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の負の光学パワーの寄与を相殺する正パワー光学系と、
を備えた拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項13】

複機能光学系が単一の屈折レンズ要素である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項14】

前記第１の焦点距離が過焦点から無限遠に近い距離であり、前記より近い第２の焦点距離が前記過焦点距離よりも短い、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項15】

前記より近い第２の焦点距離が、１．５メートルから４メートルの間である、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項16】

前記より近い第２の集束距離が、０．０５メートルから１．５メートルの間である、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項17】

前記矯正光学的寄与が、前記より近い第２の焦点距離での視者の光学的収差を低減するように設定されている、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項18】

前記複機能光学系が、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記第１の複機能光学系が取り外し可能であり、表示を異なる光学処方に適合させるために第２の複機能光学系と交換可能である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項19】

前記第２の複機能光学系の負の光学パワーの寄与が、前記第１の複機能光学系の負の光学パワーの寄与と同じであり、前記第２の複機能光学系の矯正光学的寄与が前記第１の複機能光学系の矯正光学的寄与と異なる、請求項１８に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項20】

前記複機能光学系が複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記正パワー光学系が複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系であり、前記第１の複機能光学系および前記第１の正パワー光学系がまとめて取り外し可能であり、前記より近い第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項21】

前記第２の複機能光学系が、前記異なる第３の焦点距離での視者の光学的収差を低減するための矯正光学的寄与を提供する、請求項２０に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項22】

さらに、前記正パワー光学系と周囲環境との間に配置された透過性保護外側カバーを備え、この透過性保護外側カバーから周囲環境が見える、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項23】

前記正パワー光学系が周囲環境に臨む凸状の外面を有するレンズであり、この外面から周囲環境が見え、この外面が保護コーティングで処理されている、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項24】

前記画像光ガイドは、
平坦かつ平行な内面と外面を有する透過性の平面導波路と、
角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、画像ソースから前記導波路へと向け、前記内面と外面での内部反射により伝播させるインカップリング光学要素と、
伝搬してきた前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるアウトカップリング光学要素と、
を有する請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、バーチャル像を実世界のビューに重ねて表示するように動作可能なニアアイディスプレイを含む拡張現実システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として、周囲環境の遮るものの少ないビューとともにバーチャル像コンテンツを表示するために、目立たない光学系を備えた通常の眼鏡の形態の採用が増えてきている。画像発生器は眼鏡のテンプルに沿って支持することができ、実質的に透明な画像光ガイドは、生成された画像をバーチャル像として着用者の目に送る。このバーチャル像は、画像光ガイドを通して見ることができる着用者の実世界のビューに投影される。

【0003】

画像コンテンツは、角度的に関連付けられたビームの集合として画像光ガイドに沿って伝送することができる。２つの角度次元における各ビームの相対的な角度方向は、生成された画像内の異なる位置（例えば、ピクセル）に対応する。通常、ビーム自身は、視野内の固有の角度位置にある遠距離の光点に対応するかのように、コリメートされる。したがって、コリメートされたビームが共通のアイボックス内の重なり合う位置に向けられると、着用者の目は、アイボックスからの生成された画像を、無限遠に近い距離にあるバーチャル像としてみる。ただし、着用者が関心を持っている現実世界の対象は、はるかに近くに位置している可能性があり、焦点を合わせるために目の調節が必要である。同じシーン内で異なる焦点調節を必要とするバーチャル対象と実世界の対象を見ると、眼精疲労を引き起こす。

【0004】

近視、遠視、乱視などの屈折異常によって引き起こされる着用者の視力の問題も、従来の眼鏡に似た目立たないＨＭＤに課題をもたらす。目立たないＨＭＤに適合するために、矯正レンズを含む着用者の眼鏡を取り外すと、ＨＭＤを介した実世界の対象とバーチャル対象の両方の着用者の視界が、損なわれる可能性がある。

【発明の概要】

【0005】

本開示の実施形態は、ＨＭＤの着用者に提示される実世界の対象とバーチャル対象間の焦点の不一致および着用者自身の焦点能力に影響を与える視力の問題のいずれかまたは両方を管理するためのＨＭＤの改善を特徴とする。着用者の眼は、バーチャル像から実像へと移す必要があり、本開示は、同じ視野内で実世界の対象と一緒にバーチャル対象を見るための着用者の目に対する要求を低減する。

【0006】

本開示によるＨＭＤは、着用者が周囲環境内の実世界の対象を見ることができる開口を備えたアイリム部を有する。多くのＨＭＤは各眼に提供されるアイリム部で両眼視をサポートするように配置されているが、ここでは種々の改良例が単眼視をサポートする単一のアイリム部に関して記述されている。ただし、対称配置の第２のアイリム部を両眼視または立体視をサポートするために使用することができることを理解すべきである。

【0007】

ヘッドマウントディスプレイのアイリム部の開口内に配置された画像光ガイドは、平坦かつ平行な内面および外面を有する透過性の平面導波路と、インカップリング光学要素、およびアウトカップリング光学要素を含む。インカップリング光学要素は、バーチャル対象をエンコードした角度的に関連する画像担持光ビームを導波路に向け、これにより、画像担持光ビームを平行な内面と外面での内部反射により伝搬させる。アウトカップリング光学要素は、伝搬してきた画像担持光ビームを導波路からアイボックスに向け、これにより、アイボックスからの第１の焦点距離でバーチャル対象を見られるようにする。単一の光学要素として形成された複機能光学系が、開口内において導波路の内面とアイボックスの間に配置されている。この複機能光学系は、（a）前記アイボックスから、より近い第２の焦点距離でバーチャル対象を見るために、前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させる負の光学パワーの寄与と、（b）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記のより近い第２の焦点距離で見ることに関して、視者の光学的収差を低減する矯正光学的寄与と、を提供する。正パワー光学系が開口内において導波路の外面と周囲環境との間に配置されている。この正パワー光学系は、実世界の対象を矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見るために、前記複機能光学系の矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の負の光学パワーの寄与を相殺する、

【0008】

前記第１の焦点距離は、好ましくは、過焦点距離からほぼ無限遠までの距離であり、前記のより近い第２の焦点距離は、好ましくは、過焦点距離よりも短く、たとえば、１．５メートルから４メートルの間、または０.０５メートルから１．５メートルの間とすることができる。矯正光学的寄与は、前記のより近い第２の焦点距離での視者の光学収差を低減するために設定されることが好ましい。

【0009】

前記複機能光学系は、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系とすることができる。第１の複機能光学系は、ディスプレイを異なる光学処方に適合させるために、取り外し可能であり、第２の複機能光学系と交換可能である。前記正パワー光学系も、複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系とすることができる。第１の複機能光学系と第１の正パワー光学系は、まとめて取り外し可能であり、前記のより近い第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である。第２の複機能光学系も、異なる第３の焦点距離での観察者の光学的収差を低減するための矯正光学的寄与を提供することができる。複機能光学系と正パワー光学系の両方を、それぞれ単一の屈折レンズ要素として形成することができる。

【0010】

透過性の保護外側カバーは、開口内において正パワー光学系と周囲環境との間に配置することができる。あるいは、正パワー光学系を、周囲環境に面する凸状の外面を有するレンズとして形成し、この外面を保護コーティングで処理してもよい。

【0011】

本開示による拡張現実バーチャル像表示システムは、特に実世界の対象を過焦点距離よりも短い距離で見ることを意図している場合（この場合、目の大きな調節を必要とする）に、共通の視野内でバーチャル対象と実世界の対象についての視者の視界を管理する。画像光ガイドは、バーチャル対象をエンコードした角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、アイボックスに向けて方向付けし、前記アイボックスから第１の焦点距離でバーチャル対象を見られるようにする。複機能光学系は単一の光学要素として形成され、前記画像光ガイドの内側と前記アイボックスとの間に配置される。この複機能光学系は、（a）前記アイボックスから、より近い第２の焦点距離でバーチャル対象を見るために、前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させる負の光学パワーの寄与と、（b）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記のより近い第２の焦点距離で見ることに関して、視者の光学的収差を低減する矯正光学的寄与と、を提供する。正パワー光学系は、前記画像光ガイドの外側に配置され、実世界の対象を矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見るために、前記複機能光学系の矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の負の光学パワーの寄与を相殺する。

【0012】

複機能光学系は、好ましくは単一の屈折レンズ要素である。前記第１の焦点距離は、好ましくは、過焦点距離からほぼ無限遠までの距離であり、前記のより近い第２の焦点距離は、好ましくは、過焦点距離よりも短く、たとえば、１．５メートルから４メートルの間、または０.０５メートルから１．５メートルの間である。矯正光学的寄与は、前記のより近い第２の焦点距離での視者の光学収差を低減するために設定されることが好ましい。

【0013】

前記複機能光学系を複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系とすることができる。前記第１の複機能光学系は取り外し可能であり、表示システムを異なる光学処方に適合させるために第２の複機能光学系と交換可能である。前記第２の複機能光学系の負の光学パワーの寄与は、前記第１の複機能光学系の負の光学パワーの寄与と同じであり、前記第２の複機能光学系の矯正光学的寄与は前記第１の複機能光学系の矯正光学的寄与と異なる。

【0014】

前記複機能光学系を、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系とすることができ、前記正パワー光学系を、複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系とすることができる。前記第１の複機能光学系と前記第１の正パワー光学系は、好ましくはまとめて取り外し可能であり、前記のより近い第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である。第２の複機能光学系は、好ましくは、異なる第３の焦点距離での視者の光学収差を低減するために矯正光学的寄与を提供する。

【0015】

透過性の保護外側カバーを、正パワー光学系と実際の対象が見える周囲環境との間に配置することができる。あるいは、正パワー光学系をレンズとして構成し、レンズの周囲環境に面した凸状の外面を保護コーティングで処理してもよい。

【0016】

前記画像光ガイドは、平坦かつ平行な内面と外面を有する透過性の平面導波路と、角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、画像ソースから前記導波路へと向け、前記内面と外面で内部反射により伝播させるインカップリング光学要素と、伝搬してきた前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるアウトカップリング光学要素と、を有することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

添付の図面は明細書の一部としてここに組み込まれる。ここに記載された図面は、現在開示されている主題の実施形態を示し、本開示の選択された原理および教示を示している。しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

【0018】

【図1】本開示の一実施形態によるバーチャル像表示システムの画像光ガイドの上面図であり、画像ソースからの光が画像光ガイドに沿って、バーチャル像を見ることができるアイボックスへと伝送される様子を示している。

【0019】

【図2】本開示の一実施形態によるバーチャル像表示システムの画像光ガイドの斜視図であり、この画像光ガイドは、画像担持光ビームの伝送を管理するために、インカップリング回折光学要素、中間の回転回折光学要素、およびアウトカップリング回折光学要素を含む。

【0020】

【図3】本開示の一実施形態によるＨＭＤのアイリム部の概略上面図であり、このアイリム部は、拡張現実アプリケーション用に構成され、同じ視野内に実世界の対象とバーチャル対象を見るために、外側保護カバーと画像光ガイドを含む。

【0021】

【図4】図３のアイリム部に矯正光学系を加えたＨＭＤのアイリム部を示す概略上面図である。

【0022】

【図5】図３のアイリム部に、負パワー光学系と正パワー光学系の両方を加えたＨＭＤのアイリム部を示す概略上面図である。

【0023】

【図6】図５のアイリム部に図４の矯正光学系を加えたＨＭＤのアイリム部を示す概略上面図である。

【0024】

【図7】本開示の一実施形態による拡張現実アプリケーション用のＨＭＤにおいて、外側保護カバーと画像光ガイドを含むアイリム部を、右テンプル部および鼻ブリッジ部とともに示す平断面図である。

【0025】

【図8】図７のＨＭＤに負パワー光学系と正パワー光学素子の両方を追加したＨＭＤにおいて、画像光ガイドを含むアイリム部を右テンプル部および鼻ブリッジ部とともに示す平断面図である。

【0026】

【図9】図８のＨＭＤに矯正光学系を加えたＨＭＤにおいて、画像光ガイドを含むアイリム部を右テンプル部および鼻ブリッジ部とともに示す平断面図である。

【0027】

【図10】図９のＨＭＤの負パワー光学系と矯正光学系を、単一の光学要素で両方の機能を発揮する複機能光学系に置き換えたＨＭＤにおいて、画像光ガイドを含むアイリム部を右テンプル部および鼻ブリッジ部とともに示す平断面図である。

【0028】

【図11A】本開示の一実施形態によるＨＭＤにおいて、アイリム部内で１セットの光学系を別のセットの光学系と交換する方式で、正パワー光学系と複機能光学系の両方を収容する交換モジュールの正面図である。

【0029】

【図11B】本開示の一実施形態による交換モジュールの平断面図であり、共通のレンズハウジング内に設けられた正パワー光学系と複機能光学系を示す。

【0030】

【図11C】本開示の実施形態によるＨＭＤにおいて、右テンプル部と鼻ブリッジ部との間にスライド可能に取り付けられた交換モジュールと画像光ガイドを含むアイリム部の平断面図である。

【0031】

【図11D】図１１ＣのＨＭＤを交換用モジュールが取り外され状態で示す平断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

本発明は、明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の態様を想定し得ることを理解するべきである。添付の図面に示され、以下の明細書に記載される特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書で定義される本発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態について特定の寸法、方向、またはその他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、一般に、本出願において同様の参照番号で言及される。

【0033】

図１は、単眼型の画像光ガイド１０の従来構造の一つを簡略化して示す断面図であり、この画像光ガイド１０は、平面導波路１２（planer waveguide）と、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ(インカップリング回折光学素子；in-coupling diffractive optic)と、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯ(アウトカップリング回折光学素子；out-coupling diffractive optic)と、を備えている。平面導波路１２は、光学ガラスやプラスチックからなる透明な基板Ｓを有している。基板Ｓは、平行な平坦面からなる内側表面１４（内面）および外側表面１６（外面）を有している。この例では、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、平面導波路１２の内側表面１４に配置される透過型回折格子として示されている。しかしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、入光する画像担持光ＷＩを平面導波路１２へと回折するものであれば、反射型回折格子、または、体積ホログラムや他のホログラフィック回折素子等の他の回折光学要素であってもよい。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは平面導波路１２の内側表面１４に配置されても、外側表面１６に配置されてもよく、画像担持光ＷＩが平面導波路１２に近づく方向に応じて、透過型であっても、反射型であってもよい。

【0034】

バーチャル表示システムの一部として使用される場合、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、実像、バーチャル像、またはハイブリッド像のソース１８からの画像担持光ＷＩと結合して、平面導波路１２の基板Ｓに送り込む。画像ソース１８により形成された実際の画像又は画像の次元が、最初に、重なり合う角度的に関連付けられたビームのアレイに変換され（例えば、焦点に向かって集束され）、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに呈示される。角度的に関連付けられたビームは、バーチャル像の異なる位置をエンコードしている。典型的には、角度的に関連付けられたビームの１つを形成する各束内の光線は平行に延びるが、角度的に関連付けられたビームは、画像の線形ディメンジョンに対応する２つの角度ディメンジョンで定義することができる角度で、互いに相対的に傾斜している。

【0035】

画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯにより回折され（概ね１次回折され）、それにより、画像担持光ＷＧとして平面導波路２２内に再方向付けられる。画像担持光ＷＧは、平坦かつ平行をなす内側表面１４と外側表面１６での全内部反射（Total Internal Reflection：TIR）により、平面導波路１２の長手の次元Ｘに沿ってさらに伝送される。画像担持光ＷＧは、ＴＩＲにより定められた境界に合わせて、角度的に関連付けられたビームの異なる組み合わせになるように回折されるが、角度的にエンコードされた形態（インカップリング回折光学要素ＩＤＯのパラメータにより導かれる形態）で、画像情報を保持する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、エンコードされた画像担持光ＷＧを受け取り、これを回折して（これも概ね１次回折）、画像担持光ＷＯとして平面導波路１２の外へと送る。画像担持光ＷＯは、アイボックスＥとして言及される空間の近くの領域に向かう。このアイボックスＥ内において伝送されたバーチャル像を視者の目で見ることができる。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはインカップリング回折光学要素ＩＤＯに対して対称に設計され、これにより、出力された画像担持光ＷＯの角度的に関連付けられたビームにおいて、画像担持光ＷＩの元々の角度的関係を復元するようになっている。さらにアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、オリジナルの視野点の位置的角度的な関係（positional angular relationships）を修正して、有限距離で収束する出力バーチャル像を生成することができる。

【0036】

しかしながら、アイボックスＥ（このアイボックスＥは、バーチャル像を見ることができる領域のサイズを定義する）に存在する角度的に関連付けられたビーム間のオーバーラップの１つのディメンションを増大させるために、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、制限された厚みＴの平面導波路１２とともに配置されている。これにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＣと多数回遭遇し（multiple encounters）、各遭遇時において画像担持光ＷＧの一部だけを回折する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの長手に沿う多数回遭遇は、画像担持光ＷＯの角度的に関連付けられたビームの各々を一次元で拡大する効果を有し、これにより、ビームがオーバーラップするアイボックスＥの一次元を拡大する。拡大されたアイボックスＥは、バーチャル像を見るための観察者の目の位置に対する感度（精度）を減じる。

【0037】

アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路１２の内側表面１４に配置された透過型の回折格子として示されている。しかし、インカップリング回折光学要素ＩＤＯと同様に、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは平面導波路１２の内側表面１４に配置されても、外側表面１６に配置されてもよく、画像担持光ＷＧが平面導波路１２から出る方向に応じて、透過型であっても、反射型であってもよい。さらに、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＧをアイボックスＥに向かって伝播する画像担持光ＷＯとして平面導波路１２から回折するものであれば、体積ホログラムや他のホログラフィック回折素子等の他の回折光学要素であってもよい。

【0038】

図２の斜視図は、２次元で、すなわち画像のｘ軸及びｙ軸に沿ってアイボックスＥを拡大するように構成された画像光ガイド２０を示している。第２の次元のビーム拡大を達成するために、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、画像担持光ＷＧを格子ベクトル（grating vector）ｋ１を中心に平面導波路２２に沿い中間回転光学要素ＴＯ（intermediate turning optic）に向けて回折する。この中間回転光学要素の格子ベクトルｋ２は、画像担持光ＷＧを反射モードで平面導波路２２に沿いアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向けて回折するように、配向されている。画像担持光ＷＧの一部のみが、中間回転光学要素ＴＯとの多数の遭遇のうちの各遭遇により回折され、それにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって進む画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられたビームの各々を、横方向に拡大する。
中間回転光学要素ＴＯは画像担持光ＷＧを、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ３と少なくとも概ねアライメントする方向へと、方向転換する。画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられたビームを、画像担持光ＷＯとして平面導波路２２から出る前に、第２の次元で縦方向に拡大するためである。描かれた格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３等の格子ベクトルは、平面導波路２２の平行な平面上を延び、回折光学要素の回折フィーチャ（例えば、溝、線、又は罫線（ルーリング；ruling））と垂直な方向を向く。格子ベクトルは、それぞれの回折光学要素ＩＤＯ、ＴＯ、及びＯＤＯの周期又はピッチｄ（すなわち、溝間の中心距離）に反比例する大きさを有する。

【0039】

図２の画像光ガイド２０において、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、入力画像担持光ＷＩを受け取る。この画像担持光ＷＩは、プロジェクタ等のイメージソース１８によって生成された画像内における個々のピクセル又は等価な位置に対応する、角度的に関連付けられたビームの集合を含む。バーチャル像を作成するための角度的にエンコードされたビームの全範囲は、実際のディスプレイと集束光学系によって、又はビームの角度をより直接的に設定するためのビームスキャナーによって、又はスキャナーと共に用いられる一次元の実際のディスプレイ等の組合せによって、生成することができる。画像光ガイド２０は、画像担持光ＷＧと、配向の異なる中間回転光学要素ＴＯおよびアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯとの多数遭遇を提供することによって、画像の二次元において拡大された角度関連ビームの集合を出力する。平面導波路２２の示された方向において、中間回転光学要素ＴＯはｙ軸方向のビーム拡大を提供し、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはｘ軸方向に同様のビーム拡大を提供する。インカップリング回折光学要素ＩＤＯ、中間回転光学要素ＴＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの回折フィーチャの、それぞれの周期ｄ、並びにそれぞれの格子ベクトルの配向は、画像光ガイド２０から画像担持光ＷＯとして出力される画像担持光ＷＩの、角度的に関連付けられたビーム間の意図された関係を維持しながら、二次元のビーム拡大を提供する。

【0040】

すなわち、画像担持光ＷＩの画像光ガイド２０への入力は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯによって角度的に関連付けられたビームの異なる集合にエンコードされるが、画像を再構築するために必要な情報は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯの系統的な効果により、保持される。中間回転光学要素ＴＯはインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の中間に位置し、画像担持光ＷＧのエンコーディングに大きな変化を引き起こさないように構成される。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、通常、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに対して対称（symmetric）の態様で構成される。例えば同じ周期を共有する回折フィーチャを含む。同様に、中間回転光学要素ＴＯの周期も、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通の周期と一致する。中間回転光学要素ＴＯの格子ベクトルｋ２は、他の格子ベクトルに対して４５度を向くように図示されている。この配向は可能ではあるが、好ましくは、中間回転光学要素ＴＯの格子ベクトルｋ２はインカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ１、ｋ３に対して６０度に配向され、画像担持光ＷＧを１２０度回転させる。中間回転回折要素ＴＯの格子ベクトルｋ２をインカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ１、ｋ３に対して６０度に配向することによって、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ１、ｋ３もまた、互いに対して６０度に配向される。格子ベクトルの大きさは、回転光学要素ＴＯとインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通のピッチに基づくため、３つの格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３（線分として方向付けされる）が正三角形を形成し、その合計はゼロとなる。これにより、色分散を含む望ましくない収差を引き起こしかねない非対称の効果が避けられる。このような非対称効果は、３つの格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３の大きさが等しくなくても、３つの格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３の合計がゼロとなるような相対的な向きによっても回避できる。

【0041】

より広い意味で、平面導波路２２へと向けられる画像担持光Ｗ１は、インカップリング光学要素として格子、ホログラム、プリズム、ミラー、その他のメカニズムのいずれを用いるかに拘わらず、インカップリング光学要素によって有効にエンコードされる。入力時に実行される光の反射、屈折、及び／又は回折は、視者に提示されるバーチャル像を再形成するために、出力によってデコードをされなければならない。中間回転光学要素ＴＯとインカップリング回折光学要素ＩＤＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の対称性が維持されるか否か、画像担持光Ｗ１の角度的に関連付けられたビームのエンコーディングが平面導波路２２に沿って変化するか否かに拘わらず、中間回転光学要素ＴＯとインカップリング回折光学要素ＩＤＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは互いに関連付けられ、これにより、平面導波路２２から出力される画像担持光ＷＯが画像担持光ＷＩの当初のまたは所望の形態を維持し、意図するバーチャル像を生成するようになっている。

【0042】

文字「Ｒ」は、目がアイボックスＥ内にある視者に見えるバーチャル像の向きを表わしている。図示のとおり、表示されたバーチャル像の中の文字「Ｒ」の向きは、画像担持光ＷＩによりエンコードされた文字「Ｒ」の向きと一致している。ｘ－ｙ平面における入射画像担持光ＷＩのｚ軸周りの回転又は角度的配向の変化は、アウトカップリング回折光学要素（ＯＤＯ）から出射する光の回転又は角度的配向に、対応する対称の変化を引き起こす。画像の配向という観点では、中間回転光学要素ＴＯは光学リレーとして働き、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の１つの軸（例えば、ｙ軸）に沿って拡大する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＩによってエンコードされたバーチャル像の元の配向を維持しながら、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の別の軸（例えば、ｘ軸）に沿って拡大する。中間回転光学要素ＴＯは、典型的には傾斜又は四角形の回折格子であるが、ブレーズド回折格子でもよく、平面導波路２２の内側表面又は外側表面に配置することができる。

【0043】

インカップリング回折光学要素ＩＤＯ、回転回折光学要素ＴＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、好ましくは、オフセット位置から視者の目の近くまで画像光ガイド２０によって伝送する時に、一緒になって、バーチャル像を定義する異なる波長のビーム間の角度関係を維持する。そうしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ、回転回折光学要素ＴＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、異なる方法で相対的に配置されかつ配向され、これにより、平面導波路２２の全体形状ならびに角度的に関連付けられたビームが平面導波路２２に入る方向、平面導波路２２から出る方向をコントロールすることができる。

【0044】

上述した画像光ガイド１０、２０は、拡張現実（ＡＲ）アプリケーション用に設計されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）での使用に適した画像光ガイドの例として提示されている。拡張現実では、バーチャル像コンテンツが透明な平面導波路１２、２２を通して見られる現実世界のビューに重ね合わされる。バーチャル像表示システムを単一の平面導波路を備えたものとして描いたが、表示システムは、積み重ねられた形態の複数の平面導波路を備えることができる。これら複数の平面導波路は、画像を異なる色で伝送し、あるいは画像の異なる部分を伝送する。より一般的な意味で、バーチャル像を着用者の目に向けることができる本明細書で企図される画像光ガイドは、様々な形態をとることができ、導波路を通した周囲環境のビューを保持しながら、導波路への光の入射方法、導波路からの光の出射方法を種々採用することができる。つまり、アウトカップリング光学要素と導波路自身は、着用者の導波路を通した周囲環境の視界を過度に妨害しないように構築する必要がある。画像光ガイドによって伝達されるバーチャル対象と、画像光ガイドを通して見られる実世界の対象の両方が、着用者にはっきりと見える必要がある。重ねられたバーチャルコンテンツにより、着用者の周囲環境へのさらなる交流をサポートすることができる。

【0045】

図３は、拡張現実アプリケーション用に構成されたＨＭＤのアイリム部３０（eye rim section）の概略図である。アイリム部３０は、前述の画像光ガイド１０、２０等のような画像光ガイド４０を含み、画像光ガイド４０を通して実世界の視界（ビュー；view）を提供しながら、バーチャル像を着用者の眼３２に伝送する。このようにして、着用者の眼３２に、画像光ガイド４０を通して見ることができる実世界の対象３６の中で、バーチャル対象３４を提示することができる。画像ソース（図示せず）で生成された画像担持光ビームは、通常、それぞれコリメートされたビーム（バーチャル像を形成するために互いに角度的に関連付けられたビーム）として、画像光ガイドに沿って伝送され画像光ガイドから伝送される。上記のようなバーチャル像表示システムの一部として、画像光ガイド４０から出射される画像担持光ビーム４２は、あたかも、過焦点から無限遠に近い焦点距離（hyperfocal to near infinite focusing distance;例えば着用者の目から６～７メートルの距離～ほぼ無限遠）で、バーチャル像３４から発せられバーチャル像担持光ビーム４４を介して伝送されたかのように見える。この状況において、着用者の眼３２の瞳孔は、着用者がバーチャル像を見ることができるアイボックス３８内に位置している。過焦点距離は、通常の眼または矯正された眼で、調節（すなわち、目の焦点距離の変化）をする必要なく対象を見ることができる最短対象距離を設定する。

【0046】

着用者の眼３２に直接出射される画像担持光ビーム４２とは対照的に、実世界の対象３６からの光ビーム４６は、着用者の眼３２に到達する前に、透明の保護外側カバー４８および画像光ガイド４０の両方を透過する。透明の保護外側カバー４８は、バーチャル対象３４の着用者の視界に影響を与えることなく、実世界の対象３６の着用者の視界に影響を与えるフィルタリングや他の光学機能を提供することができる。

【0047】

図４は、ＨＭＤのアイリム部５０の概略図である。アイリム部５０は、アイリム部３０と同様に、バーチャル像ディスプレイシステムの一部としての画像光ガイド４０と、透明の保護外側カバー４８の両方を有する。ＨＭＤの一部の着用者は、近視と呼ばれる状態にあり、焦点が合っている遠くの物体を見るのが難しい。この状態は、着用者から所定の距離を超えた実際の対象と、着用者から所定の距離を超えて配置されているように見えるバーチャル対象の両方に、着用者が明確に焦点を合わせる能力に影響を与える。

【0048】

交換可能でカスタマイズ可能な矯正光学系５２（光学手段、光学要素、光学部材、光学素子；optic）が、画像光ガイド４０の１つまたは複数の導波路と着用者の眼３２との間に配置されている。矯正光学系５２は、透過光を改質（reformate）するために、屈折または回折のメカニズムを利用することができる。矯正光学系５２は、ＨＭＤのアイリム部５０内に取り外し可能に装着され、着用者の長い距離の視力を正常化するために、所望の光学的矯正（例えば、負の集束パワー（屈折力））を提供する。これは光学処方により評価される。

【0049】

遠方の実世界の対象３６からの光ビーム４６は、透過性の保護外側カバー４８と画像光ガイド４０の両方を透過してから、矯正光学系５２に遭遇する。矯正光学系５２は、光ビーム４６を光ビーム５４へと再配向または再配置する所望の量の光学パワー（optical power;屈折力）を有し、これにより、着用者の眼３２が、重大な収差なしに実世界の対象３６に対してより明確に焦点を合わせることができる。同様に、画像光ガイド４０から放出された画像担持光ビーム４２（この光ビームは、遠方のバーチャル対象３４からのバーチャル像担持光ビーム４４を擬している）は矯正光学系５２に遭遇し、矯正光学系５２は画像担持光ビーム４２を画像担持光ビーム５６へと再配向または再配置し、これにより、着用者の眼３２が、重大な収差なしに遠くのバーチャル対象３４に対してより明確に焦点を合わせることができる。矯正光学系５２は、好ましくは、アイリム部５０への取り付けとアイリム部５０からの取り外しの両方が可能である。矯正光学系５２は近視を矯正するのに特に適しているが、乱視を含む他のタイプの系統的収差（systematic aberration）も矯正することができる。例えば、矯正光学系は、異なる距離での収差を矯正するための多焦点または二焦点光学系として構成することができる。

【0050】

図５は、ＨＭＤのアイリム部６０の概略図であり、このアイリム部６０は、バーチャル対象３４（このバーチャル対象はバーチャル像表示システムにより過焦点からほぼ無限遠の焦点距離で生成される）が、はるか近くに見られるようになっている。たとえば、ＨＭＤの着用者が通常、所定の目の調節を必要とする範囲内で実世界の対象を見る状況では、同じシーン内でより一層長い焦点距離にあるバーチャル対象を、目の調節を少なくして知覚することが困難である。ＨＭＤの着用者は、バーチャル対象と実世界の対象を見るために必要な異なる調節量の間（例えば、調節を殆ど又は全くしない場合と、目の焦点距離の顕著な変化を伴って調節する場合との間）で、切り替えるため、眼精疲労を覚える。

【0051】

アイリム部６０は、負パワー光学系または発散光学系６２を含む。この発散光学系６２は、画像光ガイド４０から出力される画像担持光ビーム４２に作用し、この画像担持光ビーム４２を発散画像担持光ビーム７２に変換する。この発散画像担持光ビーム７２は、バーチャル像担持光ビーム４４によってトレースされた見かけの焦点位置を有するバーチャル対象３４がより近くに見えるような効果を発揮する。しかしながら、同様にして実世界の対象３６までの集束距離を短くすると、バーチャル対象３４と実世界の対象３６との間の広がった焦点距離の問題は解決されないであろう。さらに、実世界の対象３６は、周囲環境内の真の位置に現れないであろう。

【0052】

アイリム部６０を通して所望の実世界の視界（ビュー）を復元するために、アイリム部６０は、画像光ガイド４０と透過性保護外側カバー４８との間に配置された正パワー光学系（正屈折力光学系）または収束光学系６４を含む。バーチャル対象３４および実世界の対象３６の両方の視界（ビュー）に影響を与える負パワー光学系６２とは対照的に、正パワー光学系６４は、実世界の対象３６のビューにのみ影響を与える。実世界の対象３６からの光ビーム４６は、最初に正パワー光学系６４によって収束されて光ビーム７６となり、次に負パワー光学系６２によって発散されて光ビーム７８になる。この光ビーム７８では、光ビーム４６の元の構成が復元される。

【0053】

正パワー光学系６４は、光学パワー（屈折力）の大きさ（すなわち、絶対値）が負パワー光学系６２と同じであるが、負パワー光学系６２とは光学パワーの符号が逆である光学系として定義することができる。例えば、正パワー光学系６４の光学パワーは、＋ｎＤ（正のｎディオプター（視度；diopter）の光学パワー）として表すことができる。負パワー光学系６２の光学パワーは、－ｍＤ（負のｍディオプターの光学パワー）として表すことができる。２つの光学系６２、６４は、（ｎ－ｍ）Ｄの結合された光学パワーを有し、この結合された光学パワーが実世界の対象３６からの光ビーム４６に作用する。「ｎ」と「ｍ」が等しく設定される場合、結合された光学パワーはゼロとすることができる。 つまり、（ｎ－ｍ）Ｄ =０Ｄ（ディオプター）である。負パワー光学系６２の効果は、実対象３６を見るためにキャンセルすることができるが、負パワー光学系６２は、より近い距離でバーチャル対象３４を見る光学パワーを保持する。

【0054】

好ましくは、画像光ガイド４０の導波路は、実世界の対象３６への焦点距離を著しく変化させる重大な光学パワーを与えない。例えば、光学パワーを与えることを回避するために、１つまたは複数の透過性導波路は、アイリム部の開口内において平坦な表面を有するように形成することができる。さらに、１つまたは複数の出力結合光学系は、好ましくは、バーチャル対象３４を過焦点から無限遠に近い集束距離で提示する形態で、画像担持光ビームを出力するように構成される。

【0055】

屈折能力において、負パワー光学系６２は例えば、平凹レンズ、両凹レンズ、または負メニスカスレンズとして形成することができ、正パワー光学系６４は例えば、平凸レンズ、両凸レンズ、または正メニスカスレンズとして形成することができる。あるいは、負パワー光学系６２と正パワー光学系６４の一方または両方を、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）として形成することができる。正パワー光学系６４の凸状の外側の面は、透過性の保護外側カバー４８を代替することができる。コーティングを、フィルタリングやその他の保護などの目的で、上記凸状の外面に塗布することができる。

【0056】

図６は、図５のアイリム部６０の特徴を組み込んだアイリム部８０の概略図である。このアイリム部８０は、自己相殺する負パワー光学系６２と正パワー光学系６４を含むが、図４の矯正光学系５２も組み込んでいる。負パワー光学系６２は、バーチャル対象３４の焦点距離を着用者の眼３２に近づけ、正パワー光学系６４は、アイリム部８０を通して見える実世界の対象３６に対する負パワー光学系６２の効果を打ち消す。負パワー光学系６２と着用者の眼３２との間に位置する交換可能かつカスタマイズ可能な矯正光学系５２は、遠距離視力等の着用者の視力を正常化するために、光学的処方によって得られる所望の光学的矯正を提供する。矯正光学体５２について前述したような他のタイプの収差もまた矯正することができる。

【0057】

矯正光学系５２は、復元された光ビーム７８を光ビーム８４に再配向または再配置し、これにより、着用者の眼３２が、重大な収差なしに実世界の対象３６に対してより明確に焦点を合わせることができるようにする。さらに、矯正光学系５２は、バーチャル対象３４をより近い焦点距離で見えるようにした画像担持光ビーム７２を、画像担持光ビーム８６へと再配向または再配置し、これにより、着用者の眼３２は、重大な収差なく、上記のより近い距離のバーチャル対象３４に、より明確に焦点を合わせることができる。

【0058】

矯正光学系５２は、負パワー光学系６２および正パワー光学系６４と同様に、屈折レンズ、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）またはそれらの組み合わせとして形成することができる。負パワー光学系６２と矯正光学系５２は、屈折または回折の形態またはそれらの組み合わせの形態で、単一の光学要素に組み込むことができる。このような矯正光学系５２と負パワー光学系６２の機能を実行する単一の光学要素は、好ましくは、アイリム部８０に取り付け可能であり、アイリム部８０から取り外し可能である。正パワー光学系６４は、特に凸状の外面を有する場合、透過性保護外側カバー４８を代替することができる。フィルタリングやその他の保護などの目的で、上記の凸状の外面にコーティングを塗布することができる。

【0059】

好ましくは、実世界の対象３６のビューに影響を与えるための光学パワーは、画像光ガイド４０からではなく、負パワー光学系６２と正パワー光学系６４の自己相殺効果と組み合わせて、矯正光学系５２によって提供される。画像光ガイドの構築は、画像担持光ビームのそれぞれを実質的にコリメートされた形態で（バーチャル対象３４を過焦点から無限遠に近い集束距離で提示する形態で）伝送することによって単純化することができる。負パワー光学系６２を矯正光学系５２と一緒に配置し、これにより、バーチャル対象３４が実世界の対象３６の中で着用者の眼３２に対して提示される焦点距離を、短縮することができる。

【0060】

図７は、着用者の眼３２に対して配向されるようにしたアイリム部１００を、ＨＭＤの右テンプル部１０２および鼻ブリッジ部１０４とともに示す上面図である。アイリム部１００は、内側端部でＨＭＤの鼻ブリッジ部１０４と結合し、外側端部で右テンプル部１０２と結合する。

【0061】

前述のような画像光ガイド４０は、画像光ガイド４０を通して実世界のビューを提供しながら、バーチャル像を着用者の眼３２に伝送する。画像光ガイド４０は、アイリム部１００内に固定されているが、右テンプル部分１０２に設けられた画像ソースとしてのプロジェクタ１０６からの画像担持光ビームを、結合メカニズム１０８を通して受ける。前述したように、結合メカニズム１０８はインカップリング光学要素を含む。

【0062】

アイリム部１００はまた、開口１１０を画成する。この開口１１０は、取り外し可能および交換可能な透過性保護外側カバー１１２によって、覆われるか又は少なくとも実質的に覆われる。画像光ガイド４０は、単一の透明な平面導波路で描かれているが、アイリム部１００は、積み重ねられた（重なり合う）構造で、複数の平面導波路を収容するように構成することができる。

【0063】

図８は、図７のＨＭＤと同様に、アイリム部１２０をＨＭＤの右テンプル部１０２および鼻ブリッジ部１０４とともに示す上面図である。右テンプル部１０２は、図７で使用されたものと同じプロジェクタ１０６および結合メカニズム１０８を含み、角度的に関連付けられた画像担持光ビームを画像光ガイド４０の平面導波路に向ける。また、図７のアイリム部１００と同様に、アイリム部１２０は透過性保護外側カバー１１２を含む。この保護外側カバー１１２は、残りのアイリム部１２０に取り付け可能または取り外し可能である。

【0064】

アイリム部１２０はまた、図５のアイリム部６０のように、負パワー光学系１２２と正パワー光学系１２４の両方を含む。負パワー光学系１２２は、過焦点からほぼ無限遠の集束距離で画像担持光ガイド４０から出力された画像担持光ビームを、発散する画像担持光ビームに変換する。この発散する画像担持光ビームにより、バーチャル対象が着用者の眼３２の近くに見えるようになる。正パワー光学系１２４は、周囲環境から開口１１０を通過する光ビームに対して負パワー光学系の効果を打ち消し、着用者が実際の位置にある実世界の対象を見ることができるようにする。図５のアイリム部６０と同様に、適切なコーティングを有する正パワー光学系１２４の凸面は、透過性保護外側カバー１１２に代わって用いることができる。

【0065】

図９は、アイリム部１３０をＨＭＤの右テンプル部分１０２および鼻ブリッジ部１０４とともに示す上面図である。これら構成部は、図８のアイリム部１２０と対応する右テンプル１０２および鼻ブリッジ部１０４のすべての特徴を備えている。しかしながら、図６のアイリム部８０のように、アイリム部１３０は交換可能でカスタマイズ可能な矯正光学系１３２を含む。この矯正光学系１３２は、負パワー光学系１２２と着用者の眼３２との間に配置される。

【0066】

図６の矯正光学系５２のように。矯正光学部１３２により、着用者は、開口１１０を通して見える実世界の対象に対してより明確に焦点を合わせることができるとともに、バーチャル対象（プロジェクタにより生成され、画像光ガイド４０により伝送され、負パワー光学系１２２によって、着用者の眼３２に、より近い集束距離で提示されたバーチャル像）に対して、より明確に焦点を合わせることができる。

【0067】

上述したように、矯正光学系１３２は、負パワー光学系１２２および正パワー光学系１２４のように、屈折レンズ、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）またはそれらの組み合わせとして形成することができる。負パワー光学系１２２と矯正光学系１３２は組み合わされて、レンズダブレット１３４の形態で示される単一の光学要素にすることができる。他の屈折または回折形態またはそれらの組み合わせもまた、単一の要素として使用することができる。レンズダブレット１３４または矯正光学素子１３２と負屈折力レンズ１２２の機能を実行する単一の光学要素の別の形態は、好ましくは、残りのアイリム部１３０に取り付け可能であり、残りのアイリム部１３０から取り外し可能である。上述したように、正パワー光学系１２４の適切に処理された凸状の外面は、透過性の保護外側カバー１１２を代替することができる。

【0068】

矯正光学系１３２が負パワー光学系１２２と、レンズダブレット１３４などの複合光学要素に組み合わされる例として、着用者の眼３２から最も遠い正パワー光学系１２２が、＋１ディオプターの光学パワーに寄与すると仮定する。さらに、着用者が所望の視距離での矯正のために－２ディオプターの光学パワーの矯正を必要とすると仮定する。この場合、レンズダブレット１３４などの複合光学要素は、－３ディオプターの光学パワーに寄与するように構成することができる。－３ディオプターの光学パワーは、＋１ディオプターの光学パワーを補償（相殺）し、実世界の対象のビューに影響を与え、生成されたバーチャル対象をより近い焦点距離で提示するために必要な－１ディオプターの光学パワーを保持し、実世界の対象とバーチャル対象の両方に対する着用者のビジョンを、所望する視距離に矯正する。より一般的な意味では、これらの結果を達成するために、処方の光学パワー「ｃ」から正パワー光学系１２４の光学パワー「ｐ」を引いたものは、レンズダブレット１３４などの複合光学素子の光学パワー「ｓ」に等しい（すなわち、ｓ＝ｃ－ｐ）。

【0069】

図１０は、図９のアイリム部１３０と同様のアイリム部１４０の上面図であり、同様の構成要素には同様の番号が付されている。しかしながら、アイリム部１４０では、複合光学系の例としてのレンズダブレット１３４が複機能光学系１４２（多機能光学系；multifunction optic）によって置き換えられている。この複機能光学系１４２は、単一の光学要素の例としての単純なレンズ１４４の形態をなし、負パワー光学系１２２と矯正光学系１３２の両方の機能を実行する。単一の光学要素としての複機能光学系１４２は、屈折レンズ、回折格子、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）、またはそれらの組み合わせとして形成することができる。

【0070】

複機能光学系１４２は、着用者の眼３２の異なる光学処方に対応して交換可能かつカスタマイズ可能である。複機能光学系１４２に組み込まれた負の光学パワーによって提供されるより近い焦点距離で、バーチャル対象を見ることにより、着用者の光学的収差を低減する。さらに、複機能光学系１４２は、複機能光学系１４２に組み込まれる負の光学パワーの量を変更するようにカスタマイズし、これにより、バーチャル対象が着用者の目に提示される焦点距離を変更することもできる。好ましくは、複機能光学系１４２の矯正に関する寄与は、変更された焦点距離で実世界の対象とバーチャル対象の両方を見ることに関連して着用者の光学的収差を低減するように設定される。さらに、複機能光学系１４２の負の光学パワーの変化は、好ましくは、正パワー光学系１２４の正の光学パワーの対応する変化と合致する。この正パワー光学系１２４は、周囲環境から開口１１０を通る光ビームに対する複機能光学系１４２の負の光学パワーの影響を打ち消すために、同様に交換可能およびカスタマイズ可能である。これにより着用者は実世界の対象を実際の位置で見ることができる。

【0071】

図１１Ａ－１１Ｄは、複合レンズホルダー１５０の特徴を示す。この複合レンズホルダー１５０は、ＨＭＤの受容アイリム部１６０内において、正パワー光学系１２４と複機能光学系１４２の両方を支持しかつ一緒に交換できるようにする。図１１Ａにおいて、複合レンズホルダー１５０は、開口１５４を画成するリム状のハウジング１５２を備えている。開口１５４は、支持された正パワー光学系１２４および複機能光学系１４２を通して周囲環境の明確な視界を維持する。

【0072】

図１１Ｂの平断面図において、ハウジング１５２は、正パワー光学系１２４と複機能光学系１４２の外周に係合して、２つの光学系１２４、１４２間の所望の光学的アライメントを維持する。ハウジング１５２はさらにスロット１５６を備えている。このスロット１５６は、図１１Ｃに示される画像光ガイド４０等の画像光ガイドを収容するためのクリアランスを提供する。この画像光ガイド４０は、ＨＭＤのアイリム部１６０に、より恒久的に取り付けられている。

【0073】

先に提示した図と同様に、図１１Ｃの平断面図に示されるＨＭＤは、右テンプル部１７２および鼻ブリッジ部１７４を含む。右テンプル部１７２に設けられたプロジェクタ１０６および結合メカニズム１０８は、画像担持ビームを、右テンプル部１７２に支持された画像光ガイド４０に送る。しかしながら、右テンプル部１７２および鼻ブリッジ部１７４は、それぞれスロット１６２、１６４を備えている。これらスロット１６２，１６４は、複合レンズホルダー１５０の開口１５４とアイリム部１６０の開口１１０とをアライメントするようにして、複合レンズホルダー１５０をスライド可能に受け入れる。これにより、周囲環境および画像光ガイド４０の両方から着用者の眼３２への光路を受け入れる。好ましくは、複合レンズホルダー１５０は、正パワー光学系１２４および複機能光学系１４２と一緒に、アイリム部１６０内の画像光ガイド４０の事前配置を乱すことなく、右テンプル部１７２と鼻ブリッジ部１７４との間の所定の位置にスライドさせることができる。スロット１５６は、好ましくは、この目的のためのクリアランスを提供する。

【0074】

図１１Ｄは、画像光ガイド４０を含むアイリム部１６０の平断面図であり、複合レンズホルダー１５０が取り外された状態で示されている。この図では、右テンプル部１７２および鼻ブリッジ部１７４のそれぞれのスロット１６２、１６４（アイリム部１６０内に複合レンズホルダー１５０を受け入れるためのスロット）が、より明確に見える。カスタマイズされた正パワー光学系１２４と複機能光学系１４２を含む複合レンズホルダー１５０は、様々な方法でアイリム部１６０に固定することができる。例えば右テンプル部１７２及び／又は鼻ブリッジ部１７４にねじ込まれる固定ねじ（図示せず）や、可撓性ゴムガスケット（図示せず）等を用いる。

【0075】

複数の複合レンズホルダー１５０は、正パワー光学系１２４および複機能光学系１４２のカスタマイズされた組み合わせで、予め構成することができる。正パワー光学系１２４および複機能光学系１４２は、アイリム部１６０内に交換可能に配置することができる。カスタマイズ可能な正パワー光学系１２４および複機能光学系１４２は、個々の複合レンズホルダー１５０内でも取り外し可能に交換することができる。

【0076】

これらの図は、片方の眼用のアイリム部を備えたＨＭＤの一部のみを、単眼ＨＭＤに適合可能であるように、示しているが、フル装備のＨＭＤ装置の一部として、対称配置の第２のアイリム部を着用者の他方の眼用として装備することができる。このＨＭＤ装置は、着用者の視野内にバーチャル対象と実世界の対象の両方の、両眼視または立体視の視界（ビュー）を提供する。

【0077】

本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作成することができる。様々な実施形態を詳細に説明したが、それらは例示として提示されたものであり、限定ではないことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具体化され得ることは、関連技術の当業者には明らかであろう。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。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あるすべての変更は、その範囲に含まれることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【手続補正書】

【提出日】2021-07-05

【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】

開口を有しこの開口を介して周囲環境内の実世界の対象を見ることができるアイリム部と、前記開口内に配置された画像光ガイドと、複機能光学系と、正パワー光学系とを備え、
前記画像光ガイドは、
平坦かつ平行な内面と外面を有する透過性の平面導波路と、
バーチャル対象をエンコードした角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、画像ソースから前記平面導波路へと向けるように作用可能であり、前記画像担持光ビームが全内部反射により伝播するようにしたインカップリング光学要素と、
伝搬してきた前記画像担持光ビームを、前記平面導波路からアイボックスに向けるように作用可能であり、前記アイボックスからバーチャル対象が第１の焦点距離で見られるようにしたアウトカップリング光学要素と、
を有し、
前記複機能光学系は、前記開口内において前記平面導波路の内面と前記アイボックスとの間に配置されるとともに、
（ａ）前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させるように作用可能な負の光学パワーの寄与であって、バーチャル対象が前記アイボックスから第２の焦点距離で見られ、この第２の焦点距離が前記第１の焦点距離より近い、負の光学パワーの寄与と、
（ｂ）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記第２の焦点距離で見ることに関して、光学的収差を低減するように作用可能な矯正光学的寄与と、
を提供するように作用可能な単一の光学素子として形成され、
前記正パワー光学系は、前記開口内において前記平面導波路の外面と周囲環境との間に配置され、前記複機能光学系の前記矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の前記負の光学パワーの寄与を相殺するように作用可能であり、実世界の対象が矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見ることができるようにした、ヘッドマウントディスプレイ。

【請求項2】

前記複機能光学系が単一の屈折レンズ要素である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項3】

前記第１の焦点距離が過焦点から無限遠に近い距離であり、前記第２の焦点距離が前記過焦点距離よりも短い、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項4】

前記第２の焦点距離が、１．５メートルから４メートルの間である、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項5】

前記第２の集束距離が、０．０５メートルから１．５メートルの間である、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項6】

前記矯正光学的寄与が、前記第２の焦点距離での光学的収差を低減するように設定されている、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項7】

前記複機能光学系が、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記第１の複機能光学系が取り外し可能であり、表示を異なる光学処方に適合させるために第２の複機能光学系と交換可能である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項8】

前記複機能光学系が複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記正パワー光学系が複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系であり、前記第１の複機能光学系および前記第１の正パワー光学系がまとめて取り外し可能であり、前記第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項9】

前記第２の複機能光学系が、前記異なる第３の焦点距離での光学的収差を低減するための矯正光学的寄与を提供する、請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項10】

さらに、前記開口内において前記正パワー光学系と前記周囲環境との間に配置された透過性保護外側カバーを備える、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項11】

前記正パワー光学系が、周囲環境に臨む凸状の外面を有するレンズであり、この外面が保護コーティングで処理されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項12】

共通の視野内でバーチャル対象と実世界の対象についての視者の視界を管理するための拡張現実バーチャル像表示システムであって、
内面と外面を含み、バーチャル対象をエンコードした角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、アイボックスに向けて方向付けするように作用可能であり、バーチャル対象が前記アイボックスから第１の焦点距離で見られるようにした画像光ガイドと、
前記画像光ガイドの内側と前記アイボックスとの間に配置された複機能光学系であって、
（ａ）前記アイボックスの前で前記画像担持光ビームを発散させるように作用可能な負の光学パワーの寄与であって、バーチャル対象が前記アイボックスから第２の焦点距離で見られ、この第２の焦点距離が前記第１の焦点距離より近い、負の光学パワーの寄与と、
（ｂ）実世界の対象とバーチャル対象の両方を前記第２の焦点距離で見ることに関して、光学的収差を低減するように作用可能な矯正光学的寄与と、
を提供するように作用可能な単一の光学要素として形成された複機能光学系と、
前記画像光ガイドの外側に配置され、前記複機能光学系の前記矯正光学的寄与を相殺することなく、前記複機能光学系の前記負の光学パワーの寄与を相殺するように作用可能であり、実世界の対象が矯正された視力で前記アイボックスから実際の距離で見ることができるようにした正パワー光学系と、
を備えた拡張現実バーチャル像表示装置。

【請求項13】

複機能光学系が単一の屈折レンズ要素である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項14】

前記第１の焦点距離が過焦点から無限遠に近い距離であり、前記第２の焦点距離が前記過焦点距離よりも短い、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項15】

前記第２の焦点距離が、１．５メートルから４メートルの間である、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項16】

前記第２の集束距離が、０．０５メートルから１．５メートルの間である、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項17】

前記矯正光学的寄与が、前記第２の焦点距離での光学的収差を低減するように設定されている、請求項１４に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項18】

前記複機能光学系が、複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記第１の複機能光学系が取り外し可能であり、表示を異なる光学処方に適合させるために第２の複機能光学系と交換可能である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項19】

前記第２の複機能光学系の負の光学パワーの寄与が、前記第１の複機能光学系の負の光学パワーの寄与と同じであり、前記第２の複機能光学系の矯正光学的寄与が前記第１の複機能光学系の矯正光学的寄与と異なる、請求項１８に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項20】

前記複機能光学系が複数の複機能光学系のうちの第１の複機能光学系であり、前記正パワー光学系が複数の正パワー光学系のうちの第１の正パワー光学系であり、前記第１の複機能光学系および前記第１の正パワー光学系がまとめて取り外し可能であり、前記第２の焦点距離を異なる第３の焦点距離に変更するために、第２の複機能光学系および第２の正パワー光学系と交換可能である、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項21】

前記第２の複機能光学系が、前記異なる第３の焦点距離での光学的収差を低減するための矯正光学的寄与を提供する、請求項２０に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項22】

さらに、前記正パワー光学系と周囲環境との間に配置された透過性保護外側カバーを備え、この透過性保護外側カバーから周囲環境が見える、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項23】

前記正パワー光学系が周囲環境に臨む凸状の外面を有するレンズであり、この外面から周囲環境が見え、この外面が保護コーティングで処理されている、請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【請求項24】

前記画像光ガイドは、
平坦かつ平行な内面と外面を有する透過性の平面導波路と、
角度的に関連付けられた画像担持光ビームを、画像ソースから前記平面導波路へと向け、前記内面と外面での内部反射により伝播させるインカップリング光学要素と、
伝搬してきた前記画像担持光ビームを前記平面導波路からアイボックスに向けるアウトカップリング光学要素と、
を有する請求項１２に記載の拡張現実バーチャル像表示システム。

【国際調査報告】