JP2003050374A - ヘッドマウント式表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い視野、および明瞭な解像度を与える、コ
ンパクトで、軽く、入手可能なヘッドマウント式ディス
プレイを提供する。 【解決手段】 非常に広い視野のひとみイメージングを
実現するヘッドマウント式光学装置１０。本ヘッドマウ
ント式光学装置１０は、曲面６８から左右の画像として
電子的に発生され投影される仮想画像の立体表示を実現
する光学部品の単心的構成を採用する。左右の画像の各
々のために、ボール・レンズ・アセンブリー３０は、曲
面表示表面６８からビームスプリッタ１６の方へ、表示
中間画像を投影するために用いられ、それは中間画像
を、画像をコリメートして仮想画像を形成する曲面鏡２
４の正面焦点表面へ向ける。ビームスプリッタ１６は、
観測者に、各々の目のための仮想画像を送り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、電子的に
生成された立体画像を見るヘッドマウント式表示システ
ムに関し、特に、非常に広い視野および大きい射出ひと
みを実現するヘッドマウント式光学装置を提供するため
の、光学部品の構成のための装置およびその方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】立体表示システムの持つ潜在的価値は、
娯楽およびシミュレーション分野で特に広く認められて
いる。その大方の目的は、特定アプリケーションの制約
の中で、可能なかぎり臨場感のあるディスプレイを提供
することと言えるだろう。リアルな立体ディスプレイ
は、多くの数量化しうる長所により特徴づけられてお
り、そこには、広い視野（水平および垂直）、明瞭な画
像解像度、および充分な輝度などが含まれる。

【０００３】立体イメージングに代わるものの１つとし
て、ヘッドマウント式ディスプレイ（ＨＭＤ）がある。
立体効果を実現する、コンパクトで、軽く、さらに安価
な、ヘッドマウント式表示装置を提供するために、ゴー
グル、眼鏡、および類似したアイウエアが、多くの方法
で用いられてきた。例えば、米国特許第６，０３４，７
１７号（Ｄｅｎｔｉｎｇｅｒ他）において開示されてい
るように、各々の目のための異なる分極化フィルタを有
するレンズの使用から、米国特許第４，０２１，８４６
号（Ｒｏｅｓｅ）において開示されているように、左右
の目の視界間を行き来するシャッタの使用までのアイウ
エア・レンジを用いる解決策。代わりのシャッタ機構
は、高周波でカラーフィルタを変化させる米国特許第
５，９０３，３９５号（Ｒａｌｌｉｓｏｎ他）にて開示
されているように、色シャッタである。特に多人数の視
聴者グループに対応すべき場合は、このタイプの解決策
は経済的である。しかしながら、この種の解決策は、例
えば、表示スクリーンまたはＣＲＴなど、別々の外部デ
ィスプレイ手段を必要とするため、必然的に大がかりと
なり、そのため、個々の目視にはあまり適していない。
こうした理由で、表示立体画像が、ヘッドマウント式デ
ィスプレイ自体の内部に含まれる、アイウエア構成の方
が有効であることが分かる。

【０００４】多くのＨＭＤおよびフェースマウント式装
置（ＦＭＤ）が市販されており、立体的もしくは非立体
的な画像を提供している。立体イメージングを実現する
ＨＭＤの１つの例は、カリフォルニア州ハーフムーンベ
イ（Ｈａｌｆ Ｍｏｏｎ Ｂａｙ）のｉＲｅａｌｉｔ
ｙ．ｃｏｍ社のＣｙｂｅｒ Ｅｙｅ ＣＥ ２００Ｓで
ある。他の例は、バージニア州マクレーン（ＭｃＬｅａ
ｎ）のｎ−ｖｉｓｉｏｎ社のＤａｔａｖｉｓｏｒ ８０
^ＴＭ Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ＶｉｅｗＨｅａｄ
Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙである。非立体的イ
メージングを実現するＨＭＤは、日本、東京都のオリン
パス光学工業株式会社製の製品であるＥｙｅ−Ｔｒｅｃ
ｋ^ＴＭである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在市販されているＨ
ＭＤ装置は、若干のアプリケーションに対して適切なイ
メージングを提供する反面、改良の余地も残されてい
る。例えば、リアルな立体的イメージングは広い視野を
必要とする。しかしながら、既存の装置は、この点で制
約を受けている。例えば、Ｃｙｂｅｒ Ｅｙｅ ＣＤ
２００Ｓ ＨＭＤでは、視野は水平２２．５度、鉛直１
６．８度に制限される。Ｅｙｅ−ＴｒｅｃｋＨＭＤは、
水平４０度未満、鉛直２２度未満の視野に制限される。
Ｄａｔａｖｉｓｏｒ ８０装置は、水平１２０度の視野
を実現しているが、かなり大きく、大部分のアプリケー
ションにとってはあまりにも高価である。市販の装置の
解像度もまた制約を受けている。したがって、画質レベ
ルが、例えばコンピュータ・モニタ表示用の若干のアプ
リケーションでは容認可能であっても、既存の装置によ
って実現される性能レベルは、仮想現実アプリケーショ
ンのより幅広い分野には、充分であるとは言い難い。

【０００６】あるＨＭＤ製造者（www.ireality.com/hmd
s.htmlのｉＲｅａｌｉｔｙ．ｃｏｍ社）の製造文献で
は、明瞭な解像度と広い視野イメージングが、ＨＭＤ設
計にとって「相互に排他的である」と考えられると述べ
られている。確かに、コンパクトで軽いＨＭＤにおい
て、明瞭な解像度、広い視野イメージングを提供するこ
との難しさは、光学的設計技術ではよく知られているこ
とであり、従来の解決策は、現実的な立体イメージング
を得るために多少の改良を施した、という程度に過ぎな
い。光学的設計技術において、ＨＭＤ設計が、固定さ
れ、柔軟性のない多くの光学パラメータにより、多くの
厳しい制約を受けていることはよく理解される。この種
の光学的設計の課題への従来のアプローチを用い、Ｅｙ
ｅ−ＴｒｅｃｋＨＭＤの構成は、収差および画像歪曲を
最小とするコンパクトな大きさの光学経路を提供するた
めに、自由に形づくられた、非球面プリズムを用いてい
る。非球面設計アプローチが、特定の価値を有すること
は周知の事実であり、このアプローチを用いることによ
り、光学デザイナーは、従来の球面構造をより多く使用
する光学素子より、かなり多くの変数が使えるようにな
る。しかしながら、非球面設計は、コスト面、設計の複
雑さ、および設計解決策の全体的な柔軟性に関して、重
要な欠陥を表している。例えば、非球面設計解決策での
変更、もしくはスケーリングは、相当な再設計なしでは
可能とならない。非球面光学素子コンポーネントに基づ
くＨＭＤ装置の例は、回転非対称表面を有するプリズム
を使用するＨＭＤを開示する米国特許第６，０２８，７
０９号（Ｔａｋａｈａｓｈｉ）；米国特許第６，０９
７，３５４号（Ｔａｋａｈａｓｈｉ他）；非球面鏡の使
用を開示する米国特許第５，４３６，７６５号（Ｔｏｇ
ｉｎｏ）；米国特許第５，９５９，７８０号（Ｔｏｇｉ
ｎｏ他）；および、ＨＭＤ構成要素として非球面表面を
有するビームスプリッターの使用を開示する米国特許第
５，５９６，４３３号（Ｋｏｎｕｍａ）において示され
ている。

【０００７】他方、球面光学素子は、ＨＭＤデザイナー
にまた別の課題を与えている。最も明白なものは、観察
者に提示される画像が、従来から、平坦な表面に描かれ
るものだということである。球面光学素子は、実質的な
球面レンズを用いて、平坦な画像を投影することから生
じる画像収差、および歪曲を補償するため、相当な設計
を必要とすることになる。この困難性は、例えば、上記
の米国特許第５，９０３，３９５号（Ｒａｌｌｉｓｏｎ
他）において開示される設計に示されており、そこに
は、平坦な表面に画像を投影するための、従来のレンズ
設計アプローチが開示されている。しかしながら、同時
に、球面光学素子を用いることは、特に有効性、生産
性、およびコストの面で利点があると認めることができ
る。球面光学素子を用いる場合に、潜在的に非球面アプ
ローチより勝っていると考え得る追加点として、設計の
スケーラビリティおよび柔軟性があげられる。

【０００８】球面光学素子を利用しているＨＭＤデザイ
ンの１つの例は、米国特許第４，８５４，６８８号（Ｈ
ａｙｆｏｒｄ他）において開示されている、パイロット
のヘルメットであり、それは、非線形の経路に沿って、
非立体的な二次元画像を伝達することを目指しており、
それはパイロットのためのヘッドギアなどに装備されて
いる。Ｈａｙｆｏｒｄ他の特許での光学的構成におい
て、折りたたみ式の部品およびレンズとして採用された
ボール・レンズは、パイロットによる視認のために、光
学的無限距離において、比較的広い視野、コリメートさ
れた出力画像を実現している。これにより、パイロット
は、小さいＣＲＴスクリーンから投影された情報を、凝
視方向、および焦点を変えることなく見ることができ
る。ボール・レンズが、米国特許第４，８５４，６８８
号において開示される装置で、本質的に広い視野など、
いくつかの利点を実現させている一方で、このタイプの
設計には多くの欠点が存在している。米国特許第４，８
５４，６８８号に開示された装置の、傾斜した、偏心光
学経路は、本質的に相当な量の修正を必要とする画像収
差を生じさせる。反射するか部分反射するコリメータか
らの、軸を外れた画像を補償するために、光学経路に対
して、傾斜し、偏心した、複雑で高価なリレー・レンズ
・アセンブリーが必要となる。そのようなコンパクトな
構成のために必要とされる、Ｈａｙｆｏｒｄ他の特許で
開示されるこの種のリレー・レンズは、コストを高くす
るのみならず、ヘッドマウント式視覚装置の大きさおよ
び重量を増やすことになる。

【０００９】広い視野を持つＨＭＤ解決策を提供する場
合に、大きなひとみを形成するイメージングには特定の
効果がある。しかしながら、従来のレンズ設計アプロー
チでは、大きなひとみを形成することは、本質的に他の
課題を生じさせる。というのは、レンズ・デザインを、
広い視野のためのみならず、ひとみのためにも修正しな
ければならないからである。レンズ・システムは、軸上
収差（主に球面収差および軸の色収差）を修正するのみ
ならず、軸外収差も同様に修正しなければならず、これ
には、コマ収差、非点収差、像面彎曲収差並びに歪曲収
差、および色の横収差が含まれる。したがって、広い視
野と共に大きなひとみを実現しようとする場合、従来の
レンズ設計アプローチでは、収差修正のための単純な解
決策をもたらすことは出来ない。

【００１０】従来の光学システムを用いて、広い視野を
実現する際の他の周知の課題は、「コサイン四乗則」に
起因する輝度低下であり、そこにおいて画像輝度は、軸
外視野角のコサイン四乗に比例した率で低下する。この
効果は、臨場感を伴う視覚体験に要求される、リアルな
外観を損ねてしまう。

【００１１】単心的な光学設計は、直接光学装置を使用
し、良好なパフォーマンスを実現し、本質的に構成要素
を最小限にする有利な点がある。理想的には、単心装置
は、最小の歪曲、および画像収差で、最良のパフォーマ
ンスの視野を実現する。しかしながら、光学経路の単心
的な設計には、ＨＭＤ設計の制約が与える困難さがあ
り、それゆえ、従来のＨＭＤ設計の実務においても、成
功した用いられ方をされていない。これに代わり、既存
のＨＭＤ解決策は、米国特許第４，８５４，６８８号に
おいて与えられたもの、限られた視野、高いコスト、お
よび全体的な低画像解像度のように、複合光学経路によ
って特徴づけられている。

【００１２】若干のＨＭＤは、例えば米国特許第５，５
０６，７０５号（Ｙａｍａｍｏｔｏ他）において開示さ
れるゴーグルのように、ＨＭＤ自体の内部のスクリーン
表面に映される実像を表示させる。しかしながら、この
タイプのデザインは、概して潜在的な眼精疲労、よせ運
動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）の視覚の手がかりの適切な相互
関係、さらに、特にいかなる種類の表示表面であれ、観
察者の目の近傍に置かねばならないという設備面など、
本質的な短所がある。観察者に、実像に代わる仮想画像
を提供する代わりのアプローチに利点があると認識する
ことができる。仮想イメージングの視覚の手がかりは、
観察者に、より自然な焦点を提供し、本質的により現実
的な視覚条件を提供することを可能にする。

【００１３】このように、実質的に単心的な光学設計を
用い、仮想画像を、大きなひとみ、広い視野、および明
瞭な解像度で実現する、改良型の、コンパクト・ヘッド
マウント式ディスプレイの必要性が理解される。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、広い視
野、および明瞭な解像度を与える、コンパクトで、軽
く、入手可能なヘッドマウント式ディスプレイを提供す
ることである。この目的を思慮して、本発明は、合成仮
想画像を見るためのヘッドマウント式表示装置を提供す
るものであり、この合成仮想画像は、観察者の左の瞳で
目視されるべき左側の画像から形成された左仮想画像
と、観察者の右の瞳で目視されるべき右側の画像から形
成された右仮想画像とからなるものであり、このヘッド
マウント式表示装置は、以下のものから成る： （ａ） 場面内容データとして、左画像および右画像を
提供するための画像生成器； （ｂ） 画像生成器から、左画像のための場面内容デー
タを受け取り、そして、第１左中間画像を左曲面に表示
するための左画像ディスプレイ； （ｃ） 左曲面から間隔を置いて位置し、曲率の中心
が、実質的に左曲面の曲率の中心と一致し、左ボール・
レンズひとみを有し、第１左中間画像から第２左中間画
像を形成する左ボール・レンズ； （ｄ） 画像生成器から、右画像のための場面内容デー
タを受け取り、そして、第１右中間画像を右曲面に表示
するための右画像ディスプレイ； （ｅ） 右曲面から間隔を置いて位置し、曲率の中心
が、実質的に右曲面の曲率の中心と一致し、右ボール・
レンズひとみを有し、第１右中間画像から第２右中間画
像を形成する右ボール・レンズ； （ｆ） ビームスプリッタ手段は、以下を行うために配
置される： （１） 左ボール・レンズにより生成された第２左中間
画像を、光学上、左ボール・レンズと一致する曲率中心
を持ち、ビームスプリッタを通して、左視覚ひとみで、
左ボール・レンズひとみの実像、および第２左中間画像
の左仮想画像を形成するように配置されている左曲面鏡
に向ける； （２） 右ボール・レンズにより生成された第２右中間
画像を、光学上、右ボール・レンズと一致する曲率中心
を持ち、ビームスプリッタを通して、右視覚ひとみで、
右ボール・レンズひとみの実像、および第２右中間画像
の右仮想画像を形成するように配置されている右曲面鏡
に向ける。

【００１５】本発明の特徴は、各々の目によって見られ
る画像を投影するためのボール・レンズ・アセンブリー
の使用である。

【００１６】本発明の更なる特徴は、球状湾曲を有する
中間画像の生成であり、それは、球状湾曲を有する鏡上
へ、ボール・レンズが中間画像を投影するのに適合して
いる。

【００１７】本発明の他の特徴は、ボール・レンズが投
影する中間画像に、球状湾曲を加えるための光学部品の
使用である。

【００１８】観察者に仮想画像を提供することが、本発
明の利点である。観察者は、広い視野を享受し、その投
影された画像は、最小の歪曲、および最小の収差しか持
たない。

【００１９】本発明の更なる利点は、大きなひとみサイ
ズをもって、ＨＭＤアプリケーションのためのひとみイ
メージングを実現することである。

【００２０】本発明の更なる利点は、単心的な光学構成
を用い、本質的に、画像収差および歪曲を最小化するこ
とである。好ましい実施例の設計では、観測者の各々の
目のための別々の光学経路に、本質的に同心となった光
学部品の配置を可能にさえしている。

【００２１】本発明の更なる利点は、ＨＭＤ装置におい
て、合理的なコストで従来利用可能な視野よりも広い視
野を実現することである。さらに、本発明の構成は、ボ
ール・レンズ光学素子を用いているため、従来の広視野
イメージング光学素子に共通した、「コサイン四乗則」
に起因する輝度低下の影響を受けない。

【００２２】本発明の、これらの、そしてまた他の、目
的、特徴および利点は、そこに示された本発明の実施例
が示され、説明される図面を参照すれば、以下の詳細な
説明を読むことによって、当業者に明らかなものとなる
だろう。

【００２３】明細書が、特許請求の範囲で終わり、特に
本発明の主題を指摘し、明確に請求する一方で、添付の
図面を参照する場合には、以下の説明が本発明をより良
く理解する一助になると思われる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下の説明は、特に本発明に関す
る装置の一部、もしくは、装置にさらに直接関与する物
についてなされている。ここに特に示されていない、も
しくは記載されていない要素が、当業者にとって周知
の、さまざまな形で変化し得るのは、言うまでもないこ
とである。

【００２５】図１を参照して、ここには、本発明のヘッ
ドマウント式光学装置１０の斜視図が示されている。ヘ
ッドマウント式光学装置１０を着用した観察者の、左目
１２ｌ、および右目１２ｒの相対的な位置は、図１に示
される通りである。図１に示されるように、左目１２ｌ
および右目１２ｒのための光学経路には、同様の構成要
素が用いられている。画像を右目１２ｒに提供するため
に、右画像ディスプレイ１８ｒは、右光学繊維面板５６
ｒに連結した右平面画像形成放射表面８４ｒから成って
おり、右ビームスプリッタ１６ｒの方へ、右ボール・レ
ンズ・アセンブリー３０ｒから投影された画像を表示す
る。右曲面鏡２４ｒへ向かった画像は、それから右目１
２ｒに表示される。対応して、画像を左目１２ｌに提供
するために、左画像ディスプレイ１８ｌは、左光学繊維
面板５６ｌに連結した左平面画像形成放射表面８４ｌか
ら成っており、左ビームスプリッタ１６ｌの方へ、左ボ
ール・レンズ・アセンブリー３０ｌから投影された画像
を表示する。左曲面鏡２４ｌに向かった画像は、それか
ら左の目１２ｌに表示される。

【００２６】以下の説明は、一般に、ヘッドマウント式
光学装置１０の、左右の光学経路の双方に同様に適用さ
れる。この理由のため、明確に述べる必要がある場合を
除き、添付される左「ｌ」もしくは右「ｒ」のデシグネ
イターは、この説明以降省略される。さらに、以下のこ
とを強調しておくことは、有益だろう。好ましい実施例
では、左右別々のビームスプリッタ１６ｌおよび１６ｒ
を用いているが、単一の構成要素は、左右の光学経路の
双方のためのビームスプリッタ１６として働くよう使用
可能である。

【００２７】この二重構成を留意して、図２および図４
は、ヘッドマウント式光学装置１０の、構成要素の２つ
の代替的な構成の概略ブロック図を示している。図２お
よび図３は、ビームスプリッタ１６および曲面鏡２４
が、協動してひとみ１４を形成する、それぞれ異なる実
施例を示している。図２の好ましい実施例を参照して、
画像生成器７０は、パソコンまたは他のデジタル的に制
御された電子画像処理装置などであり、画像ソース（図
示せず）から左右の画像経路用の場面内容を生成する。
各々の画像経路のために、画像生成器７０は、画像ディ
スプレイ１８に画像データを送る。ここでは、１つの画
像経路のための構成要素が示されており、上記のよう
に、左右の目の双方の画像のために、それぞれ同等の構
成要素が使われる。図１、図２および図３において示唆
されるように、各々の画像ディスプレイ１８は、ボール
・レンズ・アセンブリー３０による投影のために、生成
画像を表示中間画像として表示する、曲面表示表面６８
を備えていることが望ましい。ここに示される実施例で
は、ボール・レンズ３０は、鏡面表面を有する半球とし
て形成してもよく、光学上、それは真球として作用す
る。後述のように、曲面上に表示中間画像を形成するこ
とは、従来の平面表面上の画像ディスプレイに勝る利点
がある。ボール・レンズ・アセンブリー３０は、ビーム
スプリッタ１６の方へ曲面表示表面６８からの表示中間
画像を投影する折りたたみ、および投影光学素子として
作用する。ビームスプリッタ１６は、光学上、ボール・
レンズ・アセンブリー３０の曲率中心と光学的に一致す
る曲率中心を有する投影中間画像７６、実像、を形成す
るために、投影された光を反射する。明確に、投影中間
画像７６は、光学上、曲面鏡２４の焦点表面、又はその
近傍に形成される。その結果、曲面鏡２４は、仮想画像
を形成するために、投影中間画像７６を、図２および図
３で示されている仮想画像位置３４に存在しているかの
ようにコリメートする。そのため、観察者にとり、目視
された場面内容は、曲面鏡２４のさらに後方にあるよう
に見え、視覚上、画像は曲面鏡２４と無限遠との間に位
置するように見える。観察者の目１２は、実質的に視覚
ひとみ１４の位置にある。広い視野、および通常の眼球
運動に対応するには、ひとみ１４ができる限り大きいほ
うが有利である。

【００２８】図３を参照して、代わりの実施例は、ボー
ル・レンズ・アセンブリー３０からの投影された光を伝
送し、および曲面鏡２４からの光を反射するために、ビ
ームスプリッタ １６を用いている。垂直に配置された
曲面鏡２４を装備している図２の構成は、従来のＨＭＤ
デザインのための図３の構成に勝る利点がある。しかし
ながら、図３の構成も、シースルー・アプリケーション
には利点がある。

【００２９】単心的な光学設計上の若干の利点は、上の
背景材にみられる。図２および図３の側面図を参照し
て、左右の光学経路の双方が、本質的に、光学的に同心
であることが分かる。図２および図３において示される
ように、ビームスプリッタ１６および曲面鏡２４は、協
動してボール・レンズ３０のボール・レンズひとみ６２
の実像を視覚ひとみ１４に形成する。（以下に続く説明
は、ボール・レンズひとみ６２が形成される方法につい
て追加的な詳細を述べている。）この光学要素の同心配
置は、曲面ディスプレイ表面６８上に最初に形成される
リアル中間画像を、仮想画像として表示するための、理
想的な構成を提供する。この種の光学要素の同心配置が
持つ利点は、この種の装置が、画像収差および歪曲を最
小化するとともに、必要な光学要素の最小限の数を要求
するための、本来の利点ゆえ、認められるものである。

【００３０】本発明の好ましい実施例の同心構成を保つ
のに曲面鏡２４は球状曲面を備えている。しかしなが
ら、光学経路の他の要求条件を満たすため、曲面鏡２４
を非球面として提供する利点があるなら、この特徴的な
曲面を変更しても差し支えはない。曲面鏡２４は、実際
に曲面反射する表面をエミュレートするために、必要な
効果的な光学湾曲を有するフレネル鏡として、交互に統
合されることが可能である。

【００３１】画像生成器７０は、画像ディスプレイ１８
に、電子画像データを提供する。発生される画像データ
は、多くのソースのいずれからとられてもよく、例え
ば、コンピュータ生成の画像、フィルムもしくはデジタ
ル・カメラからの画像、もしくは、ビデオ・カメラから
の画像などが含まれる。好ましい実施例において、左右
の目の画像は、立体的な関係にある。図１を参照して、
これは、左右の見かけの仮想画像位置、３４ｌおよび３
４ｒに形成された仮想画像が、合成仮想画像を形成する
ことを意味する。しかしながら、ヘッドマウント式表示
装置１０の構成は、非立体的な画像の表示も可能である
ことに、注意を向ける必要がある。

【００３２】ボール・レンズ・アセンブリー３０の動作
ボール・レンズ・アセンブリー３０ｌ／３０ｒは、関連
する左または右の光学システムの、投影レンズとして機
能する。図４を参照して、各々のボール・レンズ・アセ
ンブリー３０のために、同心構成が設けられている。中
心球面レンズ４６は、メニスカス・レンズ４２、４４の
間に配置され、そこにおいて、メニスカス・レンズ４
２、４４は、屈折指標、および、光学設計技術では周知
の、軸上球状ならびに色の収差を最小化するための、他
の特徴を有している。

【００３３】絞り４８は、ボール・レンズ・アセンブリ
ー３０の範囲内で、入口ひとみを制限する。絞り４８
は、物理的である必要はなく、代わりに、全反射のよう
な光学的効果を用いてインプリメントされることができ
る。光学経路に関して、絞り４８は、ボール・レンズ・
アセンブリー３０のためのボール・レンズひとみ６２
（図２）を定めるのに役立つ。図２および図３に示すよ
うに、ボール・レンズ３０は、光学経路の折りたたみ要
素として使われる半球でもよい。

【００３４】好ましい実施例において、メニスカス・レ
ンズ４２、４４は、画像収差を減少させ、曲面鏡２４に
投影される画像の画質を最適化するために選択される。
ボール・レンズ・アセンブリー３０が、中心球面レンズ
４６を囲む、いかなる数の補助レンズからも構成可能で
あることに、注意を向ける必要がある。これらの補助レ
ンズの表面は、いかに多数が使用されようとも、共通の
曲率中心Ｃを、中心球面レンズ４６と共有することにな
る。さらに、ボール・レンズ・アセンブリー３０のレン
ズ構成要素に使用される屈折素材は、本発明の範囲内で
変更可能である。例えば、標準のガラス・レンズに加え
て、中心球面レンズ４６は、アプリケーションの必要条
件に合わせて選択される、プラスチック、油もしくはそ
の他の液体物質、または他のいかなる屈折素材からなる
ことができる。ボール・レンズ・アセンブリー３０のメ
ニスカス・レンズ４２、４４、および他のいかなる追加
的な補助レンズも、全て本発明の範囲内である、ガラ
ス、プラスチック、封入された液体、または他の適切な
屈折素材でも作成可能である。その最も単純な実施例で
は、ボール・レンズ・アセンブリー３０は、追加的な補
助的屈折要素のない、単一中心球面レンズ４６から成る
ことができる。

【００３５】再び図４を参照して、ボール・レンズ・ア
センブリー３０が、最小の画像収差または歪曲を伴う広
視野イメージングを提供する方法を示す。曲面表示表面
６８上のいかなる点光源５０からも、ボール・レンズ・
アセンブリー３０は、光学的に「軸上」と考えることが
でき、そのため、各々の点光源５０からの光は、投影中
間画像７６内の対応箇所に投影される。曲面表示表面６
８が、その曲率中心を、ボール・レンズ・アセンブリー
３０の曲率中心Ｃと共有する場合、結果として生じる投
影中間画像７６の収差も、曲率中心をボール・レンズ・
アセンブリー３０と共有するので、本質的に最小のもの
となる。

【００３６】再び図４を参照して、ボール・レンズ・イ
メージングの他の利点が、広視野にわたる画像輝度に関
連していることが分かる。曲面表示表面６８の全てのオ
ブジェクト点が光学的に軸上であるため、輝度低下の起
因となる「コサイン四乗則」は影響しない。現実的な輝
度レベルは、画像視野の「端」においてさえ、同等に維
持可能である。加えて、イメージング光学素子に起因す
る、画像視野の最縁端での固有ビネットも存在しない。
さらに、有効ひとみ形状が、極端な軸外位置のために楕
円形となる、従来の広視野光学素子と異なり、ボール・
レンズひとみ６２（図２および図３に示すように）は、
曲面６８の全てのオブジェクト点に関して円形のままで
ある。

【００３７】曲面ディスプレイ表面６８：好ましく、お
よび代わりの解決策光学部品の単心的な構成を可能とす
るため、画像ディスプレイ１８は、曲面表示表面６８上
に、効果的に表示中間画像を提供する。好ましい実施例
において、曲面表示表面６８は、図９に示すように平坦
な画像形成放射表面８４、および光学繊維面板５６から
成る組合せを用いて形成される。平坦な画像形成放射表
面８４は、例えば、ニューヨーク州ホープウェル・ジャ
ンクション（Ｈｏｐｅｗｅｌｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）の
ｅＭａｇｉｎ社から入手可能なＯｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇ
ｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ（ＯＬＥＤ）ディ
スプレイのような装置でありうる。同様に、Ｐｏｌｙｍ
ｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ（Ｐ
ＬＥＤ）技術も用いることが出来る。本出願のために、
ＯＬＥＤまたはＰＬＥＤアレイ表示技術は、平坦な表面
８６で利用可能な画像を提供する。画像に湾曲を与える
ために、マサチューセッツ州チャールトンのＩｎｃｏｍ
社製の面板のような装置を用いる光学繊維面板５６は、
画像を、平坦な表面８６から出力凹面６０に移動させ
る。出力凹面６０は、ボール・レンズ３０に向かってお
り、ボール・レンズ・アセンブリー３０の中心Ｃと同心
を成している。加えて、光学繊維面板５６は、曲面ディ
スプレイ表面６８のための拡散性の表面を提供するため
に、コーティング、もしくは粗面処理など、何らかの方
式で処理されてもよい。

【００３８】図１０を参照して、特に平坦な表面８６か
らの画像の拡大または非拡大が望ましい場合には、画像
は、先細りの光学繊維面板５６ｔを使用して形成するこ
とが可能である。例えば、マサチューセッツ州サウスブ
リッジのＳｃｈｏｔｔ社から入手可能なもののような、
先細りの光学繊維面板は、曲面表示表面６８と共に提供
されることができ、それによって、各々個々の光ファイ
バ５８からボール・レンズ・アセンブリー３０へと向か
う光は、実質的にボール・レンズ・アセンブリー３０の
表面に垂直である。この種の構成は、軸外の視野点での
ビネットを最小化し、もしくは除去するのを助ける。

【００３９】他の実施例において、そうでなければ放射
表面８４として使われるＯＬＥＤ、ＰＬＥＤ、もしく
は、他の構成要素に、直接湾曲を与えることは効果的で
ある。この種の構成は、例えば、光学繊維面板５６のよ
うな、湾曲を与えるために用いられる、別個の構成要素
の必要性をなくする。あるいは、適切な球状湾曲を有す
る放射装置をつくるために、ＯＬＥＤ装置を、光学繊維
面板５６に直接組み入れることもできる。

【００４０】しかしながら、画像ディスプレイ１８自体
に球状湾曲を与えることは、困難で、費用のかかること
かもしれない。こうした場合、必要な湾曲を曲面表示表
面６８に与えるために、画像ディスプレイ１８の出力を
修正する他の代替解決策があり、これにより、ボール・
レンズ・アセンブリー３０に与えられる表示中間画像
は、本質的に球状湾曲を有することになる。図５を参照
して、そこに代替実施例が示されている。ここでは、画
像ディスプレイ１８は円筒状に曲面をなしている。図５
の実施例のために、曲面表示表面６８は、所望の湾曲が
１本の軸だけに沿って備えられている。表示中間画像を
補い、所望の湾曲を与えるために、ドーナツ型レンズ９
２が、画像ディスプレイ１８と、ボール・レンズ・アセ
ンブリー３０との間に配置される。これが必要な湾曲を
提供し、それによって、投影中間画像７６は、球面形状
を有することになる。

【００４１】図６を参照して、ここには、図５の光学構
成の側面図が示される。図７を参照して、ここには、図
５の光学構成の上面図が示されている。

【００４２】代替タイプの画像形成放射表面８４とし
て、図８に示されているように、ミニチュア陰極線管
（ＣＲＴ）９０が、画像ディスプレイ１８として用いら
れることができる。曲面表示表面６８のための適当な形
状を提供するために、これは標準の市販ＣＲＴ製品に湾
曲の変形を施す必要がある。あるいは、光学繊維面板５
６を、平坦な陰極線管９０と組み合わせて使うことも可
能だろう。

【００４３】本発明は、最小限の構成要素を使用して、
高い性能およびローコストの軽量ヘッドマウント式表示
装置を提供する。本発明の装置は、ほぼ１２ｍｍのひと
みサイズで、ほぼ水平９０度および垂直５０度の広視野
を提供することができる。さらに、本発明装置の同心設
計は、設計上直接のスケーラビリティを許容し、それに
よって、本装置は、多くの可能なフェイスおよびヘッド
マウント式の構成で用いることができる。

【００４４】レンズ・システムがひとみイメージングと
広視野の実現との間に妥協点を見出さねばならない従来
のＨＭＤ設計と異なり、本発明の、ボール・レンズ・ア
センブリー３０を用いる光学的同心装置は、同一の光学
経路を、あらゆる視野点のために効果的に与えている。
その結果、本発明は、モノクロや色の収差のための修正
の必要性を、最小限にとどめた装置を提供する。

【００４５】他の代替実施例 本発明は、多くの他の代替実施例を許容する。例えば、
本発明は、ゴーグル、ヘルメットなどを含む、いかなる
数のヘッドマウント式、もしくは顔面マウント式装置で
も用いることができる。本発明の光学構成を用いたＨＭ
Ｄは、例えば、音声変換器の追加により、更に強化する
ことができる。

【００４６】画像ディスプレイ１８の一部として用いる
ことができる、多くの代替装置がある。ある代替装置と
しては、テキサス州ダラスのＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕ
ｍｅｎｔｓ社から入手可能なＤｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒ
ｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）でもよい。

【００４７】例えば、米国特許第５，９９１，０８５号
（Ｒａｌｌｉｓｏｎ他）において開示されているよう
に、頭部のトラッキングを備えることにより、基本的な
イメージングに改良を加えることも可能である。機械
式、磁気式、超音波式、あるいは光学式センサのような
センサを使用するトラッカー技術は、頭部の動きを検出
するために用いることが出来る。重量および慣性センサ
のような追加的なセンサは、シミュレータ装置における
ようなアプリケーションのために使用可能であり、そこ
では、加速、ピッチ、ヨー、およびロールの検出が有用
である。頭部の追跡、および関連したセンサ技術からの
データを用いて、画像生成器７０は、アプリケーション
のための画像場面内容を適切に調整するために、左右の
視覚ひとみ１４ｌ／１４ｒに表示された画像を適合させ
ることが出来る。

【００４８】また、偏光特性は、本発明の設計を用いて
いるＨＭＤのコントラストと光効率を改良するために用
いることができる。図２の側面図に戻って、例えば、偏
光ビームスプリッタを、曲面鏡２４の前に配置した１／
４波長リターダを伴うビームスプリッタ１６のために使
うことができる。偏光ビームスプリッタ上の入射光のた
めの偏光方向は、この光がビームスプリッタによって完
全に反射されるように選択される。１／４波長リターダ
を二度抜けた後、偏光は９０度回転させられ、それによ
って、光は、ビームスプリッタを完全に通って、観測者
１２に送られることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のヘッドマウント式表示装置のため
の、光学部品の配置を示す斜視図である。

【図２】 一実施例における主要光学経路構成要素と、
各々の目のためのデータ経路構成要素との相互作用を示
す側面図である。

【図３】 他の実施例における主要光学経路構成要素
と、各々の目のためのデータ経路構成要素との相互作用
を示す側面図である。

【図４】 装置の光学経路において用いられる、ボール
・レンズ・アセンブリーの切欠側面図である。

【図５】 本発明のヘッドマウント式表示装置のため
の、光学部品の他の配置を示す斜視図である。

【図６】 図５の他の配置のための、光学部品の関係を
示す側面図である。

【図７】 図５の他の配置のための、光学部品の関係を
示す上面図である。

【図８】 そこにおいて、陰極線管が、表示中間画像を
生成するために用いられる光学経路の表示部品の他の配
置を示す側面図である。

【図９】 そこにおいて、光学繊維面板が、表示中間画
像を生成するために用いられる光学経路の表示部品の他
の配置を示す側面図である。

【図１０】 先細りになった光学繊維面板を用いている
光学経路の表示部品の他の配置を示す側面図である。

【符号の説明】

１０…ヘッドマウント式光学装置、１２ｌ…左目、１２
ｒ…右目、１４…ひとみ、１６ｌ…ビームスプリッタ、
１６ｒ…ビームスプリッタ、１８１…左側画像ディスプ
レイ、１８ｒ…右側画像ディスプレイ、２４ｌ…左曲面
鏡、２４ｒ…右曲面鏡、３０ｌ…左ボール・レンズ・ア
センブリー、３０ｒ…右ボール・レンズ・アセンブリ
ー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・ケスラー アメリカ合衆国14618ニューヨーク州ロチ ェスター、ノース・カントリー・クラブ・ ドライブ20番 Ｆターム(参考） 2H087 KA00 TA01 TA03 TA05 2H088 EA10 HA20 HA24 MA07 MA20 2H091 FA10X FA26X LA11 LA19 LA30 MA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察者の左の瞳で目視されるべき左側の
   画像から形成された左仮想画像と、観察者の右の瞳で目
   視されるべき右側の画像から形成された右仮想画像とか
   らなる合成仮想画像を見るためのヘッドマウント式表示
   装置は、以下のものから成る： （ａ） 場面内容データとして、前記左画像および前記
   右画像を提供するための画像生成器； （ｂ） 前記画像生成器から、前記左画像のための場面
   内容データを受け取り、そして、第１左中間画像を左曲
   面に表示するための左画像ディスプレイ； （ｃ） 前記左曲面から間隔を置いて位置し、曲率の中
   心が、実質的に前記左曲面の曲率の中心と一致し、左ボ
   ール・レンズひとみを有し、前記第１左中間画像から第
   ２左中間画像を形成する左ボール・レンズ； （ｄ） 前記画像生成器から、前記右画像のための場面
   内容データを受け取り、そして、第１右中間画像を右曲
   面に表示するための右画像ディスプレイ； （ｅ） 前記右曲面から間隔を置いて位置し、曲率の中
   心が、実質的に前記右曲面の曲率の中心と一致し、右ボ
   ール・レンズひとみを有し、前記第１右中間画像から第
   ２右中間画像を形成する右ボール・レンズ； （ｆ） ビームスプリッタ手段は、以下を行うために配
   置される： （１） 前記左ボール・レンズにより生成された前記第
   ２左中間画像を、光学的に、前記左ボール・レンズと一
   致する曲率中心を持ち、前記ビームスプリッタを通し
   て、前記左視覚ひとみで、前記左ボール・レンズひとみ
   の実像、および前記第２左中間画像の左仮想画像を形成
   するように配置されている左曲面鏡に向ける； （２） 前記右ボール・レンズにより生成された前記第
   ２右中間画像を、光学的に、前記右ボール・レンズと一
   致する曲率中心を持ち、前記ビームスプリッタを通し
   て、前記右視覚ひとみで、前記右ボール・レンズひとみ
   の実像、および前記第２右中間画像の右仮想画像を形成
   するように配置されている右曲面鏡に向ける。
2. 【請求項２】 前記合成仮想画像が立体的な画像である
   請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
3. 【請求項３】 前記左画像ディスプレイが液晶装置から
   なる請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
4. 【請求項４】 前記ビームスプリッタが、左ビームスプ
   リッタと、右ビームスプリッタからなる請求項１に記載
   のヘッドマウント式表示装置。