JP6979489B2 - コンバイナーとしてのペリクルを有するニアアイディスプレイシステム - Google Patents

Description

ニアアイ（near-eye）ディスプレイの主なタイプには、デジタル画像のみを眼に提供するもの、及び現実世界ビュー（real-world view）と二次画像（コンバイナー又は結合光学系（combining optics）として知られる、デジタル画像など）とを組み合わせたもの、の２通りがある。デジタル専用ニアアイディスプレイの例には、暗視単眼鏡及び双眼鏡、並びに世界ビューを完全に遮るゲーム又はシミュレーションに対応した没入型ディスプレイ（ゴーグル、ヘルメット）に用いられるディスプレイが包含される。

本開示は、眼の視野内に位置決めされたペリクルとして配設される二色性反射器及び／又は反射偏光子を利用するニアアイコンバイナーディスプレイを提供するものである。このニアアイコンバイナーディスプレイでは、二次画像が、反射偏光子及び／又は二色性層から眼に向かって反射される。ペリクルの位置及び配向は、要望通りに個々に調整できる。一態様において、本開示は、第１の主表面及び反対側の第２の主表面を有し、眼の視野内に少なくとも部分的に配設できるペリクルと、ペリクルの第１の主表面に向かって画像光ビームを投影するように位置決めされた画像形成用デバイスと、を含む、ニアアイディスプレイシステムを提供するものである。ペリクルは、眼に向かって反対側の第２の主表面を通過する第１の光ビームを伝搬し、画像光ビームの少なくとも一部を眼に向かって反射させる。

別の態様において、本開示は、眼の視野内に少なくとも部分的に配設できる反射偏光子であって、第１の偏光方向に対し調心され、かつ第１の主表面及び反対側の第２の主表面を有する、反射偏光子と、反射偏光子の第１の主表面に向かって画像光ビームを投影するように位置決めされた画像形成用デバイスであって、画像化光ビームが第１の偏光方向に偏光された光を含む、画像形成用デバイスと、反射偏光子及び対向する画像形成用デバイスに隣接して位置決めされた光学素子と、を具備する、ニアアイディスプレイシステムを提供する。光学素子は、レンズと；反射偏光子の反対側の第２の主表面に隣接する反射面であって、レンズを通過する第１の光ビームを伝搬する機能を有する、反射面と；反射面と反射偏光子との間に位置決めされたリターダと；を含む。反射偏光子、リターダ、及び反射面は、共同して画像化光ビームの第１の部分及び第１の光ビームの第２の部分を眼に向かって方向付ける機能を有する。

上記の「課題を解決するための手段」は、開示された各実施形態、又は本開示の全ての実現形態を記載することを意図したものではない。以下の図面及び詳細な説明により、実例となる実施形態をより具体的に例示する。

本明細書の全体を通じて添付の図面を参照するが、図中、同様の参照番号は、同様の要素を示す。
ニアアイディスプレイシステムの概略断面図を示す。 ニアアイディスプレイシステムの概略断面図を示す。 ニアアイディスプレイシステムの概略断面図を示す。 ニアアイディスプレイシステムの概略断面図を示す。 ニアアイディスプレイシステムの斜視図を示す。

図面は、必ずしも寸法通りではない。図中に用いられる同様の数字は、同様の構成要素を示す。しかしながら、特定の図中のある構成要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその構成要素を限定しようとするものではないことは理解されるであろう。

本開示には、眼の視野内に位置決めされたペリクルとして配設される二色性反射器及び／又は反射偏光子を利用する、ニアアイコンバイナーディスプレイが記載されている。二次画像は、反射偏光子及び／又は二色性層から眼に向かって反射され、眼に視認される一次的な世界ビュー画像上に重畳され得る。ペリクルの位置及び配向は、要望通りに個々に調整できる。

以下の説明では、本明細書の一部を形成し、例示を目的として示される添付図面を参照する。本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく、他の実施形態が想定され、実施され得る点を理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で理解すべきではない。

本明細書で使用する全ての科学的及び技術的用語は、特に断らない限り、当該技術分野において一般的に用いられる意味を有する。本明細書において与えられる定義は、本明細書中で頻繁に使用される特定の用語の理解を助けるためのものであり、本開示の範囲を限定するためのものではない。

別途記載のない限り、本明細書及び「特許請求の範囲」で使用される特徴部の寸法、量、及び物理的特性を表す全ての数字は、いずれの場合においても「約」なる語によって修飾されているものとして理解すべきである。したがって、そうでない旨が示されない限り、上記の明細書及び添付の「特許請求の範囲」において示される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望される特性に応じて変わり得る近似値である。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するときに、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するときに、用語「又は」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、一般に「及び／又は」を含む意味で用いられる。

「下部」、「上部」、「〜の下」、「下側」、「上側」、及び「〜の上」などが挙げられるが、それらに限定されない、空間に関連する用語は、本明細書で使用される場合、ある要素（複数可）の別の要素に対する空間的関係を述べる説明を容易にするために使用される。そのような空間に関連する用語は、図面に示され、本明細書で説明される特定の配向に加えて、使用中又は動作中のデバイスの異なる配向を包含する。例えば、図面に示される物体が反転又は裏返された場合、その前に他の要素の下側又はその下にあるように説明されていた部分は、これらの他の要素の上側になるであろう。

本明細書において、ある要素、構成要素、又は層が、例えば、別の要素、構成要素、又は層と「一致する境界面」を形成する、これらの「上にある」、これらと「接続される」、「結合される」、若しくは「接触する」として述べられる場合、その要素、構成要素、又は層は、例えば、特定の要素、構成要素、又は層の直接上にあるか、これらと直接接続されるか、直接結合されるか、直接接触してもよく、又は介在する要素、構成要素、又は層が特定の要素、構成要素、又は層の上にあるか、これらと接続されるか、結合されるか、若しくは接触し得る。例えば、ある要素、構成要素、又は層が、別の要素の「直接上にある」か、別の要素に「直接接続される」、「直接結合される」、又は「直接接触する」ものとして表される場合、例えば介在する要素、構成要素、又は層は存在しない。

本明細書で使用されるところの「有する（have、having）」、「含む（include、including、comprise、comprising）」などは、非限定的（open ended）な意味で用いられており、一般に「含むが、これらに限定されない」ことを意味する。「〜からなる」及び「〜から本質的になる」なる語は、「〜を含む」なる語及び同様の語に含まれることが理解されよう。

結合又は「コンバイナー」ニアアイディスプレイは、概ね光学系の使用に依存して、ユーザーに対する現実世界のビューの伝搬、更には眼に対する二次的（例えば、デジタル）画像の投影の両方を行う。１つのタイプのコンバイナーデイスプレイには、５０％可視光線透過率（ＶＬＴ）ミラーなどの部分ミラーが使用される。このミラーによって、世界ビューの一部が伝搬され、更には二次画像の一部が反射される。別のタイプのコンバイナーデイスプレイでは、反射偏光子又は弱反射偏光子が使用される場合がある。これらの反射偏光子は、世界ビューの或る偏光状態をユーザーに対しほぼ完全に伝搬できると共に、偏光した二次画像をユーザーに対しほぼ完全に（あるいは、少なくとも部分的に）反射できる。別のタイプのコンバイナーデイスプレイでは、二色性「ノッチ（notch）」型、又は「コーム（comb）」型の反射器が使用される場合がある。これらの反射器は、光の波長帯（例えば、第１の光波長範囲）を或る程度まで反射できるが、更には、他の波長帯（例えば、第２又はそれ以降の光波長範囲）の伝搬、あるいは波長の反射帯の部分的伝搬も可能としている。本発明で有用なヘッドマウンテッドディスプレイに関する更なる説明としては、例えば、代理人整理番号７５０８３ＵＳ００２を有し、発明の名称「Ｌｏｗ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ｆｏｒ Ｎｅａｒ−Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓｓ」（２０１４年３月１８日に出願）である、及び代理人整理番号７５９７６ＵＳ００２を有し、発明の名称「Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｃｏｎｓｐｉｃｕｉｔｙ Ｐｕｐｉｌ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ」（本出願と同日付に出願）である、同時係属中の米国特許出願も挙げられる。

本明細書に記載されているニアアイ、ヘッドアップデイスプレイは、現実世界のビューをユーザーの眼に伝搬する機能を有すると共に、二次画像（デジタルディスプレイを介して生成されるものなど）の伝搬又は反射機能をも有するペリクルからなる。特定の一実施形態において、ペリクルは、二色性「ノッチ」型若しくは「コーム」型の伝搬及び反射プロファイルを有するコーティング又はフィルムを具備する。特定の一実施形態において、ペリクルは、或る偏光状態（例えば、第１の偏光方向）を反射し、別の偏光状態（例えば、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向）を様々な度合いにて通過させる、反射偏光子を具備する。幾つかの事例において、ペリクルはまた、四分の一波長リターダのような遅延層を備える場合もあれる、並びに／あるいは、反射層及び／又は遅延層も更に有するレンズと共に使用される場合もある。幾つかの事例では、レンズ及びペリクルを組み合わせた形状によって、二次画像若しくは実世界ビュー画像のいずれか一方、又はその両方の拡大を行うことが可能である。

ユーザーは、ペリクルのこの伝搬／反射プロファイルを使用することによって（偏光依存か、波長依存かそれとも非依存かに応じて）、現実世界及び第２の画像の波長及び／又は偏光状態に基づき、現実世界のビューを第２の画像と「組み合わせて」同時に見ることができる。ペリクル自体、あるいは別の屈折要素及び／又はフィルム及び／又はコーティングとの組み合わせにより、湾曲面を通しての屈折及び／又は湾曲面からの反射に基づいて、画像の拡大を行うことができる。

図１に、本開示の一態様による、ニアアイディスプレイシステム１００の概略断面図を示す。ニアアイディスプレイシステム１００は、ペリクル１１０の第１の主表面１１２に向かって方向付けされる主光線１２１を有する画像光ビームを投影するように位置決めされる、画像形成用デバイス１２０を具備する。幾つかの事例において、ペリクル１１０は、高分子反射偏光子のような反射偏光子を具備し得る。幾つかの事例において、ペリクル１１０は、部分ミラーを具備し得る。幾つかの事例において、ペリクル１１０には、ペリクル１１０の第１の主表面１１２、反対側の第２の主表面１１４、又はその両表面にコーティング又は接合された、１つ又は２つ以上の二色性層を含めてもよい。幾つかの事例では、ペリクル１１０の外周の周りに保護用の外側リム１１６を更に具備させ得る。この外側リムを、シリコーンゴムのようなコンプライアント材料から構成することによって、ペリクルが有し得る鋭利な縁部からユーザーを保護することが可能である。

ペリクル１１０は、フレーム１４０に取り付けられた支持体１１８を介して眼１６０の視野内に少なくとも部分的に位置決めできる。このフレームは、眼鏡と同様に、ユーザーの頭部（不図示）上に位置決めできる。支持体１１８は、ペリクル１１０の位置及び配向を眼１６０及び他の構成要素に対して固定し、ペリクル１１０と他の光学部品（optical component）（画像形成用デバイス１２０を含む）との間の旋回「Ｐ」、回転「Ｒ」、及び並進「Ｔ」に対応して調整を行うことができる。幾つかの事例では、ペリクル１１０を回転させて眼１６０の視野から外れるようにすることが可能である。特定の一実施形態では、ペリクル１１０は、図１に示すような湾曲面を有し得る。この湾曲面によって、眼１６０により受光される主光線１２１を有する画像光ビームに対し何らかの拡大を行うことが可能になる。幾つかの事例において、ニアアイディスプレイシステムには、レンズ１３０のような光学素子を更に具備させてもよい。この光学素子はまた、フレーム１４０に固着されていて、第１のレンズ主表面１３２と、反対側の第２のレンズ主表面１３４と、を有する。これらのレンズ表面によって、世界ビュー１５０に対し何らかの拡大又は他の眼の補正（eye-correction）が行われ得る。

二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する主光線１２１の波長帯が、二色性層の反射及び伝搬プロファイルに基づいて、部分的に反射される。同様に、ペリクル１１０を介して眼１６０に伝搬される世界ビュー１５０の波長帯は、二色性層によって減衰される。反射偏光子の事例では、反射偏光子の「高速（fast）」軸に直交する主光線１２１の偏光状態が反射される。同様に、世界ビュー１５０の偏光状態は、反射偏向層によって減衰される。主光線１２１は、ペリクル１１０に衝突した後、ペリクル１１０から眼１６０に向かって反射される。

このようにして、世界ビュー１５０は、世界ビュー光線１５１に沿って少なくとも部分的に伝搬され、画像形成用デバイス１２０により形成された主光線１２１と「組み合わされる」ことが可能である。ペリクル１１０は、眼１６０と別のレンズ１３０との間に配置され得る。別のレンズは、球面度数（power）ゼロ又は矯正的処方のどちらかを有し、かつ部分伝搬、カラー増強、コントラスト増強、フォトクロミズム、又は偏光フィルタのような他の機能性を有する又は有しないものである。偏光フィルタ（偏光サングラスなど）を備えるレンズ１３０の事例では、ペリクル１１０を介して世界ビュー１５０の伝搬を最大限に高めるには、偏光フィルタの高速軸を反射偏光子の高速軸に対して調心する必要がある。

図２に、本開示の一態様による、ニアアイディスプレイシステム２００の概略断面図を示す。ニアアイディスプレイシステム２００は、ペリクル２１０の第１の主表面２１２に向かって方向付けされる主光線２２１を有する画像光ビームを投影するように位置決めされる、画像形成用デバイス２２０を具備する。ペリクル２１０は、フレーム２４０に取り付けられた支持体２１８を介して眼２６０の視野内に少なくとも部分的に位置決めできる。このフレームは、眼鏡と同様に、ユーザーの頭部（不図示）上に位置決めできる。支持体２１８は、ペリクル２１０の位置及び配向を眼２６０及び他の構成要素に対して固定し、ペリクル２１０と他の光学部品（画像形成用デバイス２２０を含む）との間の旋回「Ｐ」、回転「Ｒ」、及び並進「Ｔ」に対応して調整を行うことができる。幾つかの事例では、ペリクル２１０を回転させて眼２６０の視野から外れるようにすることが可能である。特定の一実施形態では、ペリクル２１０は、図２に示すような平坦面を有する場合もあるが、代わりに、ペリクル２１０は、図１に示すような、画像光ビームに対し何らかの拡大を行うための、曲線状プロファイルを有する場合もある。幾つかの事例では、ペリクル２１０の外周の周りに保護用の外側リム２１６を更に具備させ得る。この外側リムを、シリコーンゴムのようなコンプライアント材料から構成することによって、ペリクルが有し得る鋭利な縁部からユーザーを保護することが可能である。

幾つかの事例において、ニアアイディスプレイシステムには、眼用レンズ又はメニスカスタイプのレンズ２３０のような光学素子を更に具備させてもよい。この光学素子はまた、フレーム２４０に固着されていて、第１のレンズ主表面２３２と、反対側の第２のレンズ主表面２３４と、を有する。これらのレンズ表面によって、世界ビュー２５０に対し何らかの拡大又は他の眼の補正が行われ得る。二色性反射層又は部分反射層のような部分反射器２３３は、レンズ２３０の表面上に配設される場合もあれば、又は該レンズの内部に埋め込まれる場合もある。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する主光線２２１の波長帯が、二色性層の反射及び伝搬プロファイルに基づいて、部分的に反射される。同様に、ペリクル２１０を介して眼２６０に伝搬される世界ビュー２５０の波長帯は、二色性層によって減衰される。部分反射器の事例では、主光線２２１の一部が反射される。同様に、世界ビュー１５０の一部は、部分反射器を介して減衰される。

特定の一実施形態では、ペリクル２１０は、第１の偏光方向に対し調心され、かつペリクル２１０の第１の主表面２１２に隣接する反射偏光子２１１を具備する。画像形成用デバイス２２０は、ペリクル２１０に向かって方向付けされた主光線２２１を有する画像を生成する。画像形成用デバイス２２０は、ランダム偏光の光又は実質的に直線偏光の光を放射し得る。実質的に直線偏光の光からなる画像の事例では、一次的な偏光状態を、ペリクル２１０の第１の主表面２１２に隣接する反射偏光子２１１の第１の偏光方向（すなわち、高速軸）に対し調心することによって、初期に画像が伝搬されるようにする必要がある。

画像形成用デバイス２２０からの主光線２２１を有する画像光ビームの第１の偏光方向は、ペリクル２１０の反射偏光子２１１を介して伝搬され、反射偏光子２１１に隣接する四分の一波長リターダ２１３、及びペリクル２１０に備わる反対側の第２の主表面２１４に遭遇する。四分の一波長リターダ２１３は、主光線を、第１の円偏光の光線２２２に変換する。他の箇所で説明されているように、四分の一波長リターダ２１３は反射偏光子２１１に隣接しており、ペリクル２１０の、反射偏光子２１１と反対側の第２の主表面２１４上にあってもよく、又は眼用レンズ若しくはメニスカスタイプレンズのいずれかの表面上にあってもよく、あるいは光学経路内の他のどこかに位置決めされてもよい。

第１の円偏光の光線２２２は、部分反射器２３３に遭遇する。この部分反射器は、レンズ２３０の表面上にある場合もあれば（図示あり）、又はそのレンズの内部に埋め込まれている場合もある（図示なし）。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する画像の波長帯が反射される。部分ミラーコーティングのような部分反射層の事例では、ミラーコーティングの反射度に対応する度合いにて画像が反射される。この層からの反射によって、第１の円偏光の光線２２２とは逆の円偏光の位相（左右像）を有する第２の円偏光の光線２２３が生成される。

第２の円偏光の光線２２３は、四分の一波長リターダ２１３に遭遇し、実質的に直線偏光の光線に変換される。ここで、偏光軸は、反射偏光子２１１の高速軸に対し実質的に直交している。光線は、反射偏光子２１１によって反射され、四分の一波長リターダ２１３を通過して、第３の円偏光の光線２２４になる。第３の円偏光の光線２２４は、部分反射器２３３から反射されて、第４の円偏光の光線２２５になる。この光線は、逆位相（左右像）を有し、四分の一波長リターダ２１３を通過する際、反射偏光子２１１の高速軸に対し実質的に調心された偏光状態を有する実質的に直線偏光の光線に変換され、画像光線２２６は、ペリクル２１０を介して眼２６０に向かって伝搬される。

このようにして、世界ビュー２５０を、世界ビュー光線２５１に沿って少なくとも部分的に伝搬させて、画像形成用デバイス２２０により形成された画像光線２２６と「組み合わせる」ことが可能である。ペリクル２１０は、眼２６０と別のレンズ２３０との間に配置される。別のレンズは、球面度数ゼロ又は矯正的処方のどちらかを有し、かつ部分伝搬、カラー増強、コントラスト増強、フォトクロミズム、又は偏光フィルタのような他の機能性を有する又は有しないものである。偏光フィルタ（偏光サングラスなど）を備えるレンズ２３０の事例では、ペリクル２１０を介した世界ビュー２５０の伝搬を最大限に高めるには、偏光フィルタの高速軸を反射偏光子２１１の高速軸に対し調心する必要がある。

特定の一実施形態では、反射偏光子２１１、部分反射器２３３、四分の一波長リターダ２１３、レンズ２３０、ペリクル２１０の湾曲、又はこれらの組み合わせによって、湾曲面を介する屈折及び／又は湾曲面からの反射によって原画像の拡大を行うことが可能である。

図３に、本開示の一態様による、ニアアイディスプレイシステム３００の概略断面図を示す。ニアアイディスプレイシステム３００は、ペリクル３１０の第１の主表面３１２に向かって方向付けされる主光線３２１を有する画像光ビームを投影するように位置決めされる、画像形成用デバイス３２０を具備する。ペリクル３１０は、フレーム３４０に取り付けられた支持体３１８によって眼３６０の視野内に少なくとも部分的に位置決めできる。このフレームは、眼鏡と同様に、ユーザーの頭部（不図示）上に位置決めできる。支持体３１８は、ペリクル３１０の位置及び配向を眼３６０及び他の構成要素に対して固定し、ペリクル３１０と他の光学部品（画像形成用デバイス３２０を含む）との間の旋回「Ｐ」、回転「Ｒ」、及び並進「Ｔ」に対応して調整を行うことができる。幾つかの事例では、ペリクル３１０を回転させて眼３６０の視野から外れるようにすることが可能である。特定の一実施形態では、ペリクル３１０は、図３に示すような平坦面を有する場合もあるが、代わりに、ペリクル３１０は、図１に示すような、画像光ビームに対し何らかの拡大を行うための、曲線状プロファイルを有する場合もある。幾つかの事例では、ペリクル３１０の外周の周りに保護用の外側リム３１６を更に具備させ得る。この外側リムは、ペリクルが鋭利な縁部を有する可能性がある場合にユーザーを保護するためのシリコーンゴムのようなコンプライアント材料から構成できる。

幾つかの事例において、ニアアイディスプレイシステムには、眼用レンズ又はメニスカスタイプのレンズ３３０のような光学素子を更に具備させてもよい。この光学素子はまた、フレーム３４０に固着されていて、第１のレンズ主表面３３２と、反対側の第２のレンズ主表面３３４と、を有する。これらのレンズ表面によって、世界ビュー３５０に対し何らかの拡大又は他の眼の補正が行われ得る。二色性反射層又は部分反射層のような部分反射器３３３は、レンズ３３０の表面上に配設される場合もあれば、又は該レンズの内部に埋め込まれる場合もある。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する主光線３２１の波長帯が、二色性層の反射及び伝搬プロファイルに基づいて、部分的に反射される。同様に、ペリクル３１０を介して眼３６０に伝搬される世界ビュー３５０の波長帯は、二色性層によって減衰される。部分反射器の事例では、主光線３２１の一部が反射される。同様に、世界ビュー１５０の一部は、部分反射器によって減衰される。

特定の一実施形態では、ペリクル３１０は、第１の偏光方向に対し調心され、かつペリクル３１０の第１の主表面３１２に隣接する反射偏光子３１１を具備する。画像形成用デバイス３２０は、ペリクル３１０に向かって方向付けされた主光線３２１を有する画像を生成する。画像形成用デバイス３２０は、ランダム偏光の光又は実質的に直線偏光の光を放射し得る。実質的に直線偏光の光からなる画像の事例では、一次的な偏光状態を、ペリクル３１０の第１の主表面３１２に隣接する反射偏光子３１１の第１の偏光方向（すなわち、高速軸）に対し調心することによって、初期に画像が伝搬されるようにする必要がある。

画像形成用デバイス３２０からの主光線３２１を有する画像光ビームの第１の偏光方向は、ペリクル３１０の反射偏光子３１１を介して伝搬され、第１のレンズ主表面３３２に隣接する部分反射器３３３上に配設された四分の一波長リターダ３３５に遭遇する。四分の一波長リターダ３３５及び／又は部分反射器３３３のそれぞれは、レンズ３３０の表面上に存在する場合もあれば（図示あり）、又は該レンズの内部に埋め込まれる場合もある（図示なし）。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する画像の波長帯が、反射される。部分ミラーコーティングのような部分反射層の事例では、ミラーコーティングの反射度に対応する度合いにて画像が反射される。この層からの反射によって、第１の円偏光の光線３２２とは逆の円偏光の位相（左右像）を有する第２の円偏光の光線３２３が生成される。

四分の一波長リターダ３３５は、主光線３２１を円偏光の光線に変換する。この光線は、部分反射器３３３から反射されて円偏光の方向を変え、四分の一波長リターダ３３５を再び通過し、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する回転光線３２２になる。回転光線３２２が、反射偏光子３１１から反射され、四分の一波長リターダ３３５を再び通過すると、このリターダは、回転光線３２１を円偏光の光線に変換する。この光線は、部分反射器３３３から反射されて、円偏光の方向を変え、四分の一波長リターダ３３５を再び通過し、偏光方向を有する画像光線３２３になった後、反射偏光子３１１を通過して、眼３６０に向かって方向付けされる。

このようにして、世界ビュー３５０を、世界ビュー光線３５１に沿って少なくとも部分的に伝搬させて、画像形成用デバイス３２０により形成された画像光線３２３と「組み合わせる」ことが可能である。ペリクル３１０は、眼３６０と別のレンズ３３０との間に配置される。別のレンズは、球面度数ゼロ又は矯正的処方のどちらかを有し、かつ部分伝搬、カラー増強、コントラスト増強、フォトクロミズム、又は偏光フィルタのような他の機能性を有する又は有しないものである。偏光フィルタを備えるレンズ３３０の事例（偏光サングラスなど）では、ペリクル３１０を介した世界ビュー３５０の伝搬を最大限に高めるには、偏光フィルタの高速軸を反射偏光子２１１の高速軸に対し調心する必要がある。

特定の一実施形態では、反射偏光子３１１、部分反射器３３３、四分の一波長リターダ３１３、レンズ３３０、ペリクル３１０の湾曲、又はこれらの組み合わせによって、湾曲面を介する屈折及び／又は湾曲面からの反射によって原画像の拡大を行うことが可能である。

図４に、本開示の一態様による、ニアアイディスプレイシステム４００の概略断面図を示す。ニアアイディスプレイシステム４００は、ペリクル４１０の第１の主表面４１２に向かって方向付けされる主光線４２１を有する画像光ビームを投影するように位置決めされる、画像形成用デバイス４２０を具備する。幾つかの事例において、ペリクル４１０は、眼４６０の視野内に少なくとも部分的に位置決めされてもよく、フレーム４４０に対し脱着可能に取り付けられてもよい。このフレームは、一対の眼鏡と同様に、ユーザーの頭部（不図示）上に位置決めできる。幾つかの事例において、ペリクル４１０は、フレーム４４０に取り付けられるのに加えて又はその代わりに、眼用レンズ又はメニスカスタイプのレンズ４３０に対し脱着可能に取り付けられることができる。特定の一実施形態では、ペリクル４１０は、図４に示すような平坦面を有する場合もあるが、代わりに、ペリクル４１０は、図１に示すような、画像光ビームに対し何らかの拡大を行うための、曲線状プロファイルを有する場合もある。幾つかの事例では、ペリクル４１０の外周の周りに保護用の外側リム（不図示）を更に具備させ得る。この外側リムは、ペリクルが有し得る鋭利な縁部からユーザーを保護するための、シリコーンゴムのようなコンプライアント材料から構成してもよい。

幾つかの事例において、ニアアイディスプレイシステムは、眼用レンズ又はメニスカスタイプのレンズ４３０のような光学素子を更に具備する。この光学素子はまた、フレーム４４０に固着されていて、第１のレンズ主表面４３２と、反対側の第２のレンズ主表面４３４と、を有する。これらのレンズ表面によって、世界ビュー４５０に対し何らかの拡大又は他の眼の補正が行われ得る。二色性反射層又は部分反射層のような部分反射器４３３は、レンズ４３０の表面上に配設される場合もあれば、又は該レンズの内部に埋め込まれる場合もある。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する主光線４２１の波長帯が、二色性層の反射及び伝搬プロファイルに基づいて、部分的に反射される。同様に、ペリクル４１０を介して眼４６０に伝搬される世界ビュー４５０の波長帯は、二色性層によって減衰される。部分反射器の事例では、主光線４２１の一部が反射される。同様に、世界ビュー１５０の一部は、部分反射器によって減衰される。

特定の一実施形態において、ペリクル４１０は、第１の偏光方向に対し調心され、かつペリクル４１０の第１の主表面４１２に隣接する反射偏光子４１１を具備する。画像形成用デバイス４２０は、ペリクル４１０に向かって方向付けされた主光線４２１を有する画像を生成する。画像形成用デバイス４２０は、ランダム偏光の光又は実質的に直線偏光の光を放射し得る。実質的に直線偏光の光からなる画像の事例では、一次的な偏光状態を、ペリクル４１０の第１の主表面４１２に隣接する反射偏光子４１１の第１の偏光方向（すなわち、高速軸）に対し調心することによって、初期に画像が伝搬されるようにする必要がある。

画像形成用デバイス４２０からの主光線４２１を有する画像光ビームの第１の偏光方向は、ペリクル４１０の反射偏光子４１１を介して伝搬され、反射偏光子４１１に隣接する四分の一波長リターダ４１３、及びペリクル４１０に備わる反対側の第２の主表面４１４に遭遇する。四分の一波長リターダ４１３は、主光線を、第１の円偏光の光線４２２に変換する。他の箇所で説明されているように、四分の一波長リターダ４１３は反射偏光子４１１に隣接しており、ペリクル４１０の、反射偏光子４１１と反対側の第２の主表面４１４上にあってもよく、又は眼用レンズ若しくはメニスカスタイプレンズのいずれかの表面上にあってもよく、あるいは光学経路内の他のどこかに位置決めされてもよい。当然のことながら、四分の一波長リターダ４１３は、代わりに、図３に示すように（すなわち、部分反射器４３３に隣接させて）位置決めすることが可能であり、この場合、ペリクル４１０は、反射偏光子４１１を具備するが、隣接する四分の一波長リターダ４１３は具備しない。

第１の円偏光の光線４２２は、部分反射器４３３に遭遇する。この部分反射器は、レンズ４３０の表面上にある場合もあれば（図示あり）、又は該レンズの内部に埋め込まれている場合もある（図示なし）。二色性反射層の事例では、二色性層の反射帯に対応する画像の波長帯が反射される。部分ミラーコーティングのような部分反射層の事例では、ミラーコーティングの反射度に対応する度合いにて画像が反射される。この層からの反射によって、第１の円偏光の光線４２２とは逆の円偏光の位相（左右像）の第２の円偏光の光線４２３が生成される。

第２の円偏光の光線４２３は、四分の一波長リターダ４１３に遭遇し、実質的に直線偏光の光線に変換される。ここで、偏光軸は、反射偏光子４１１の高速軸に対し実質的に直交している。光線は、反射偏光子４１１によって反射され、四分の一波長リターダ４１３を通過して、第３の円偏光の光線４２４になる。第３の円偏光の光線４２４は、部分反射器４３３から反射されて、第４の円偏光の光線４２５になる。この光線は、逆位相（左右像）を有し、四分の一波長リターダ４１３を通過する際、反射偏光子４１１の高速軸に対し実質的に調心された偏光状態を有する実質的に直線偏光の光線に変換され、画像光線４２６は、ペリクル４１０を介して眼４６０に向かって伝搬される。

このようにして、世界ビュー４５０を、世界ビュー光線４５１に沿って少なくとも部分的に伝搬させて、画像形成用デバイス４２０により形成された画像光線４２６と「組み合わせる」ことが可能である。ペリクル４１０は、眼４６０と別のレンズ４３０との間に配置される。別のレンズは、球面度数ゼロ又は矯正的処方のどちらかを有し、かつ部分伝搬、カラー増強、コントラスト増強、フォトクロミズム、又は偏光フィルタのような他の機能性を有する又は有しないものである。偏光フィルタを備えるレンズ４３０の事例（偏光サングラスなど）では、ペリクル４１０を介して世界ビュー４５０の伝搬を最大限に高めるには、偏光フィルタの高速軸を反射偏光子４１１の高速軸に対し調心する必要がある。

特定の一実施形態では、反射偏光子４１１、部分反射器４３３、四分の一波長リターダ４１３、レンズ４３０、ペリクル４１０の湾曲、又はこれらの組み合わせによって、湾曲面を介する屈折及び／又は湾曲面からの反射によって原画像の拡大を行うことが可能である。

図５に、本開示の一態様による、ニアアイディスプレイシステム５００の斜視図を示す。図５に示す要素５１０〜５４０及び５１０’〜５４０’のそれぞれは、上記の図１に示す同様の番号が付された要素１１０〜１４０に対応している。例えば、図５に示すペリクル５１０は、図１に示すペリクル１１０などに対応している。他の箇所で説明したように、それぞれのペリクル、レンズ、及び他の構成要素を修正することも可能であるし、その構成要素に層又はコーティングを塗布することも可能である。

他の箇所で説明したように、ニアアイディスプレイシステム５００は、画像光を第１のペリクル５１０に向かって投影するように位置決めされる第１の画像形成用デバイス５２０と、第２の画像光を任意選択的な第２のペリクル５１０’に向かって投影するように位置決めされる任意選択的な第２の画像形成用デバイス５２０’と、を具備する。第１及び任意選択的な第２のペリクル５１０、５１０’のそれぞれは、第１及び第２のフレーム５４０、５４０’に取り付けられた第１及び任意選択的な第２の支持体５１８、５１８’によって、ユーザーの眼の視野（不図示）内に少なくとも部分的に位置決めできる。このフレームは、眼鏡と同様に、ユーザーの頭部（不図示）上に位置決めできる。第１及び任意選択的な第２の支持体５１８、５１８’は、第１及び任意選択的な第２のペリクル５１０、５１０’の位置及び配向を、眼及び他の構成要素に対して固定する。他の箇所で説明したように、第１及び任意選択的な第２の支持体５１８、５１８’は、第１及び任意選択的な第２のペリクル５１０、５１０’と他の光学部品（第１及び任意選択的な第２の画像形成用デバイス５２０、５２０’を含む）との間の旋回「Ｐ」、回転「Ｒ」及び、並進「Ｔ」に対応して調整を行うことができる。幾つかの事例では、例えば、図５に示すように、任意選択的な第２のペリクル５１０’のようなペリクルを回転させて眼の視野から外れるようにすることが可能である。ニアアイディスプレイシステム５００は、第１及び第２のレンズ５３０、５３０’のような光学素子を更に具備する。これらの光学素子はまた、第１及び第２のフレーム５４０、５４０’に固着されており、第１及び第２のレンズ５３０、５３０’を一体的に接続するブリッジ５４５も具備する。

当然のことながら、本明細書に記載されているニアアイディスプレイシステムはいずれも、代理人整理番号７４９７６ＵＳ００２を有する、発明の名称「Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｃｏｎｓｐｉｃｕｉｔｙ Ｐｕｐｉｌ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ」（本出願と同日付に出願）である、同時係属中の米国特許出願に記載されているものなどの、眼モニタリングデバイスと組み合わせることが可能である。検出可能な眼モニタリング属性は、眼の視程方向、瞳孔の直径及び直径の変化、眼瞼のまばたき、物体を追跡する眼球、及びサッケード運動、のうちの１つ又は２つ以上を含み得る。眼球追跡パラメータとしては、眼球の回転速度、及び物体運動と眼球運動との間のズレ又は位相を挙げることができる。サッケード運動は、持続時間、速度、及び運動パターンを含み得る。当業者に容易に理解できるように、本明細書に記載されているペリクルは、瞳孔照明器及び画像受光素子の反射面を提供する目的にだけでなく、ニアアイディスプレイの反射面を提供する目的にも有用であり得る。

以下に、本開示の実施形態を列挙する。

項目１は、第１の主表面及び反対側の第２の主表面を有し、眼の視野内に少なくとも部分的に配設できるペリクルと、ペリクルの第１の主表面に向かって画像光ビームを投影するように位置決めされた画像形成用デバイスと、
を含み、ペリクルが、眼に向かって反対側の第２の主表面を通過する第１の光ビームを伝搬し、画像光ビームの少なくとも一部を眼に向かって反射させる、ニアアイディスプレイシステムである。

項目２は、ペリクルが、少なくとも第１の光波長範囲を反射させる機能及び他の光波長範囲を伝搬する機能を有する二色性層を含む、項目１に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目３は、ペリクルが、第１の光波長範囲及び第２の光波長範囲を反射させる機能並びに他の光波長範囲を伝搬する機能を有する二色性層を含む、項目１又は項目２に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目４は、ペリクルが、第１の光波長範囲、第２の光波長範囲、及び第３の光波長範囲を反射させる機能並びに他の光波長範囲を伝搬する機能を有する二色性層を含む、項目１〜項目３に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目５は、ペリクルが、第１の光偏光状態を反射させる機能及び直交する第２の光偏光状態を伝搬する機能を有する反射偏光子を含む、項目１〜項目４に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目６は、画像光ビームが第１の光偏光状態を含み、第１の光ビームが直交する第２の光偏光状態を含む、項目５に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目７は、ペリクルが、画像ビームの約半分を反射させる機能を有する広帯域部分ミラーを含む、項目１〜項目６に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目８は、ペリクルが拡大反射光学系を含む、項目１〜項目７に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目９は、第２の主表面に隣接して位置決めされた光学素子を更に含む、項目１〜項目８に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１０は、光学素子が、レンズ、部分的に光透過性のフィルム若しくはコーティング、カラー増強フィルム若しくはコーティング、コントラスト増強フィルム若しくはコーティング、フォトクロミックフィルム若しくはコーティング、偏光フィルム若しくはコーティング、又はこれらの組み合わせを含む、項目９に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１１は、第１の光ビームが世界ビュー画像の視認可能部分である、項目１〜項目１０に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１２は、ペリクルが保護用の弾性縁部を含む、項目１〜項目１１に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１３は、保護用の弾性縁部が、ブチルゴム、シリコーンゴム、ポリウレタン、及びこれらに類するものを含む、項目１２に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１４は、ペリクルが取り外し可能かつ再配置可能である、項目１〜項目１３に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１５は、眼の視野内に少なくとも部分的に配設できる反射偏光子であって、
第１の偏光方向に対し調心され、かつ第１の主表面及び反対側の第２の主表面を有する、反射偏光子と；
反射偏光子の第１の主表面に向かって画像光ビームを投影するように位置決めされた画像形成用デバイスであって、画像化光ビームが第１の偏光方向に偏光された光を含む、画像形成用デバイスと；
反射偏光子及び対向する前記画像形成用デバイスに隣接して位置決めされた光学素子と；
を具備し、光学素子が、
レンズと；
反射偏光子の反対側の第２の主表面に隣接する反射面であって、レンズを通過する第１の光ビームを伝搬する機能を有する、反射面と；
反射面と反射偏光子との間に位置決めされたリターダと；
を含む、ニアアイディスプレイシステムであって、反射偏光子、リターダ、及び反射面が、共同して画像化光ビームの第１の部分及び第１の光ビームの第２の部分を眼に向かって方向付ける機能を有する、ニアアイディスプレイシステムである。

項目１６は、レンズが拡大レンズを含む、項目１５に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１７は、前記反射偏光子が、平坦面、湾曲面、又はこれらの組み合わせを有するペリクルを含む、項目１５又は項目１６に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１８は、ペリクルが保護用の弾性縁部を含む、項目１７に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目１９は、保護用の弾性縁部が、ブチルゴム、シリコーンゴム、ポリウレタン、及びこれらに類するものを含む、項目１８に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２０は、ペリクルが取り外し可能かつ再配置可能である、項目１７〜項目１９に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２１は、リターダが、反射偏光子の第２の主表面に固着されている、反射面に固着されている、反射偏光子の第２の主表面及び反射面の両方に固着されている、又は反射偏光子及び反射面の両方から変位している、項目１５〜項目２０に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２２は、リターダが、第１の偏光方向に対して約４５度調心される高速軸を有する四分の一波長リターダである、項目１５〜項目２１に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２３は、反射面が、二色性反射器又は広帯域部分ミラーを含む、項目１５〜項目２２に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２４は、二色性反射器が、少なくとも第１の光波長範囲を反射させる機能、及び他の光波長範囲を伝搬する機能を有する、項目２３に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２５は、二色性反射器が、第１の光波長範囲及び第２の光波長範囲を反射する機能、及び他の光波長範囲を伝搬する機能を有する、項目２３又は項目２４に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２６は、二色性反射器が、第１の光波長範囲、第２の光波長範囲、及び第３の光波長範囲を反射させる機能並びに他の光波長範囲を伝搬する機能を有する、項目２３〜項目２５に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２７は、レンズが、部分的に光透過性のフィルム若しくはコーティング、カラー増強フィルム若しくはコーティング、コントラスト増強フィルム若しくはコーティング、フォトクロミックフィルム若しくはコーティング、偏光フィルム若しくはコーティング、又はこれらの組み合わせを更に含む、項目１５〜項目２６に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２８は、眼に近接した固定フレームワークを更に含む、項目１〜項目２７に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目２９は、画像形成用デバイスが発光型マイクロデイスプレイを含む、項目１〜項目２８に記載のニアアイディスプレイシステムである。

項目３０が、発光型マイクロデイスプレイがＯＬＥＤディスプレイを含む、項目２９に記載のニアアイディスプレイシステムである。

特に断らない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される、特徴のサイズ、量、及び物理的特性を表す全ての数字は、「約」なる語によって修飾されているものとして理解すべきである。したがって、そうでない旨が示されない限り、上記の明細書及び添付の「特許請求の範囲」において示される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望される特性に応じて変わり得る近似値である。

本明細書に引用される全ての参考文献及び刊行物は、それらが本開示と直接矛盾し得る場合を除き、それらの全容を参照によって本明細書に明確に援用するものである。以上、本明細書において具体的な実施形態を図示、説明したが、様々な代替的及び／又は等価的な実現形態を、本開示の範囲を逸脱することなく、図示及び説明された具体的な実施形態に置き換えることができる点は、当業者であれば認識されるところであろう。本出願は、本明細書において検討される具体的な実施形態のいかなる適合例又は変形例をも網羅しようとするものである。したがって、本開示は、「特許請求の範囲」及びその等価物によってのみ限定されるものとする。

Claims (4)

1. 眼の視野内に少なくとも部分的に配設できる反射偏光子であって、第１の偏光方向に対し調心され、かつ第１の主表面及び反対側の第２の主表面を有する、反射偏光子と、
   前記反射偏光子の前記第１の主表面に向かって画像光ビームを投影するように位置決めされた画像形成用デバイスであって、前記画像光ビームが前記第１の偏光方向に偏光された光を含む、画像形成用デバイスと、
   前記反射偏光子及び対向する前記画像形成用デバイスに隣接して位置決めされた光学素子と、
   を具備し、前記光学素子が、
   レンズと、
   前記反射偏光子の前記反対側の第２の主表面に隣接する反射面であって、前記レンズを通過する第１の光ビームを伝搬する機能を有する、反射面と、
   前記反射面と前記反射偏光子との間に位置決めされたリターダと、
   を含む、ニアアイディスプレイシステムであって、
   前記反射偏光子、前記リターダ、及び前記反射面が、共同して前記画像光ビームの第１の部分及び前記第１の光ビームの第２の部分を前記眼に向かって方向付ける機能を有し、
   前記画像光ビームは、主光線を含み、前記主光線は、前記反射偏光子を通過し、前記反射面によって反射され、前記反射偏光子によって反射され、前記反射面によって再び反射され、前記反射偏光子を再び通過し、眼に向かって方向付けされ、
   フレームに取り付けられた支持体を介して、前記画像形成用デバイスに対する前記反射偏光子の位置を調整可能に構成されている、
   ニアアイディスプレイシステム。
2. 前記第１の光ビームが世界ビュー画像の視認可能部分を含み、前記第１の光ビームの第２の部分が前記レンズと、前記反射面と、前記リターダと、前記反射偏光子とを通過する、請求項１に記載のニアアイディスプレイシステム。
3. 前記反射偏光子が湾曲面を有するペリクルを含み、前記画像光ビームの拡大を行う、請求項１または２に記載のニアアイディスプレイシステム。
4. 前記画像形成用デバイスの位置又は配向を変えることなく、前記反射偏光子の前記画像形成用デバイスに対する位置及び配向を、フレームに取り付けられた支持体を介して、旋回、回転、及び並進に対応して調整可能に構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のニアアイディスプレイシステム。

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