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JP2018060178A - ヘッドマウントディスプレイ装置及び光学系 - Google Patents

ヘッドマウントディスプレイ装置及び光学系 Download PDF

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智維 施
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義聖 李
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仲廷 魏
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Chuan-Te Cheng
權得 鄭
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Abstract

【課題】本発明は、光学系及びそれを用いるヘッドマウントディスプレイ装置を提供する。【解決手段】光学系は、第一光導波路素子及び第二光導波路素子を含む。第一光導波路素子は、第一光入射面、第一光射出面及び第一ビームスプリッターを含む。表示器からの映像光束は、第一光入射面を経由して第一光導波路素子に入射する。第二光導波路素子は、第二光入射面、第二光射出面、及び第二ビームスプリッターを含む。第二光入射面は、第一光射出面に面する。第二光入射面と第一光射出面との間には、隙間がある。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、表示装置及び光学システムに関し、特に、ヘッドマウントディスプレイ装置及び光学系に関する。
接眼ディスプレイ(Near Eye Display、NED)及びヘッドマウントディスプレイ(Head-Mounted Display、HMD)は、大きな発展潜在力を持つ次世代の非常に素晴らしい製品である。NED技術に関する応用は、拡張現実(Augmented Reality、AR)技術及び仮想現実(Virtual Reality、VR)技術を含む。AR技術について、当業者は、薄くてスリムな体積の前提での最適の映像品質を提供することに専念している。
AR技術を実装するHMDの従来の光学レンズモジュールでは、表示装置からの映像光束は、この光学レンズモジュールを通過して使用者の目に入射する。映像光束及び外部環境光束が同時に使用者の目に入射する時に、AR表示効果を実現することができる。しかし、HMDの従来の光学レンズモジュールは、必ず使用者の視野角（Angle of View、AOF）に現れ、また、一定の体積も有する。よって、HMDにより実際に表示される映像の視野(Field of View、FOV)は、かなり制限される。より広いFOVを実現するために、１つの光導波路素子におけるビームスプリッターアレイ(Beam Splitter Array)は、AR表示効果を実現するNED／HMDの光学構造の１つであり、それは、より広いFOV、フルカラーの映像及び光束、並びにスリムな体積といったファクターのバランスを取るためのもう１つの選択肢である。このような構造の光導波路素子は、投影装置の映像光束を使用者の目に導く方向上で該映像光束を拡張することができる複数のビームスプリッターを有する。しかし、ビームスプリッターが映像光束を一方向にしか拡張することができないため、バイコニックレンズ（biconic lens）を増設することで映像光束を拡張する必要があり、これにより、２つの方向上での映像光束は、使用者の目に入射することができる。また、バイコニックレンズは、製造がとても難しく、HMDに用いられる時に結像品質の制御もかなり難しい。よって、少なくとも１つのバイコニックレンズを使用するHMDは、製造難易度及びコストが極めて高い。
なお、この“背景技術”の部分が、本発明の内容への理解を助けるためだけのものであるため、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、当業者に知られていない技術を含む可能性がある。よって、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、該内容、又は、本発明の１つ又は複数の実施例が解決しようとする課題が本発明出願前に既に当業者に周知されていることを意味しない。
本発明の１つの目的は、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置を提供することにある。該HMD装置は、体積が小さく、重量が軽く、また、視野（FOV）が大きい。また、導波構造を含む該HMD装置は、製造難易度及びコストも比較的低い。
本発明のもう１つの目的は、光学系を提供することにある。該光学系がHMD装置に応用される時に、該HMD装置は、小さい体積、軽い重量、及び大きい視野（FOV）を有する。また、該HMD装置は、従来のHMDに比べ、製造難易度及びコストが比較的低い。
本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示されている技術的特徴からさらに理解することができる。
上記の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明の一実施例は、映像画像を受けるための光学系を提供する。前記光学系は、第一光導波路素子及び第二光導波路素子を含む。前記第一光導波路素子は、第一光入射面、第一光射出面及び第一ビームスプリッターを含む。前記映像光束は、前記第一光入射面を通過して前記第一光導波路素子に入射する。前記第一光射出面は、前記第一光入射面に接続され、前記第一光入射面と前記第一光射出面との間の角度は、90°よりも小さい。前記第一ビームスプリッターは、前記第一光導波路素子内に配置される。前記第二光導波路素子は、前記第一光導波路素子の横に配置され、第二光入射面、第二光射出面及び第二ビームスプリッターを含む。前記第二光入射面は、前記第一光射出面に面する。前記第二光射出面は、前記第二光入射面に接続され、前記第二光入射面と前記前記第二光射出面との間の角度は、90°よりも小さい。前記第二ビームスプリッターは、前記第二光導波路素子内に配置される。前記第二光入射面と前記前記第一光射出面との間には、隙間（ギャップ）がある。
上記の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明の一実施例は、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置を提供する。前記HMD装置は、表示器、第一光導波路素子及び第二光導波路素子を含む。前記表示器は、映像光束を発するように構成される。前記第一光導波路素子は、第一光入射面、第一光射出面及び第一ビームスプリッターを含む。前記映像光束は、前記第一光入射面を通過して前記第一光導波路素子に入射する。前記第一光射出面は、前記第一光入射面に接続され、前記第一光入射面と前記第一光射出面との間の角度は、90°よりも小さい。前記第一ビームスプリッターは、前記第一光導波路素子内に配置される。前記第二光導波路素子は、前記第一光導波路素子の横に配置され、第二光入射面、第二光射出面及び第二ビームスプリッターを含む。前記第二光入射面は、前記第一光射出面に面する。前記第二光射出面は、前記第二光入射面に接続され、前記第二光入射面と前記前記第二光射出面との間の角度は、90°よりも小さい。前記第二ビームスプリッターは、前記第二光導波路素子内に配置される。前記第二光入射面と前記第一光射出面との間には、隙間（ギャップ）がある
上述により、本発明の実施例は、少なくとも以下の１つの利点又は効果を有する。即ち、本発明の実施例によるヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置及び光学系では、第一ビームスプリッターは、第一光導波路素子内に配置され、第二ビームスプリッターは、第二光導波路素子内に配置される。また、第二光導波路素子の第二光入射面は、第一光導波路素子の第一光射出面に面し、第二光入射面と第一光射出面との間には、隙間がある。従って、光学系がHMD装置に応用される時に、バイコニックレンズを増設することによってHMDの映像光束を拡張する必要がない。また、映像光束は、第一光導波路素子及び第二光導波路素子により、２つの異なる方向に沿って拡張することができ、これにより、該２つの異なる方向に沿って使用者の目に入射することができる。よって、このようなHMD装置は、小さい体積、軽い重量、及び大きい視野（FOV）を有し、また、製造されやすい。また、このようなHMD装置は、従来のHMDに比べ、コストも比較的低い。
本発明の上記の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げ、添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。
本発明の一実施例におけるヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置の概略斜視図である。 本発明の他の実施例におけるヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置の概略斜視図である。 図1Aに示す実施例におけるHMD装置の概略上面図である。 図1Aに示す実施例における第一光導波路素子内で伝播する映像光束の光路の概略図である。 図1Aに示す実施例における第二光導波路素子から瞳孔まで伝播する映像光束の光路の概略図である。
本発明の上記した及び他の技術の内容、特徴、機能及び効果は、添付した図面に基づく次のような好ましい実施例の詳細な説明により明確になる。なお、次の実施例に言及されている方向についての用語、例えば、上、下、左、右、前又は後などは、添付した図面の方向に過ぎない。よって、使用されている方向の用語は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定するためのものではない。
図1Aは、本発明の一実施例におけるヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置の概略斜視図である。図1Aに示すように、本実施例では、HMD装置100は、表示器D及び光学系OSを含む。光学系OSは、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120を含み、第二光導波路素子120は、第一光導波路素子110の横に配置される。第一光導波路素子110は、その中に配置される複数の第一ビームスプリッター112を含み、複数の第一ビームスプリッター112は、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される（例えば、隣接する２つの第一ビームスプリッター112の間には、所定間隔を有する）。第二光導波路素子120は、その中に配置される複数の第二ビームスプリッター122を含み、複数の第二ビームスプリッター122は、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される（例えば、隣接する２つの第二ビームスプリッター122の間には、所定間隔を有する）。また、第一光導波路素子110は、第一光入射面ES1を含む。表示器Dは、映像光束ILを発するように構成され、映像光束ILは、第一光入射面ES1を通過して第一光導波路素子110に進入する。具体的には、表示器Dは、光学レンズOLを含み、映像光束ILは、光学レンズOLを通過した後に、第一光入射面ES1を経由して第一光導波路素子110に入射する。本実施例では、HMD装置100は、例えば、第一軸X、第二軸Y及び第三軸Zにより構成される座標系に位置し、そのうち、第一軸Xの方向は、第二ビームスプリッター122の配列方向に平行であり、第二軸Yの方向は、第一ビームスプリッター112の配列方向に平行である。また、第一軸Xの方向は、第二軸Yの方向と垂直であり（直交し）、第三軸Zの方向は、第一軸X及び第二軸Yの方向と垂直である。
図1Bは、本発明の他の実施例におけるヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置の概略斜視図である。図1Bに示すように、本実施例では、HMD装置100′は、図1Aに示すHMD装置100に類似したので、その詳しい説明が省略される。両者の相違点は、第一光導波路素子110は、その中に配置される１つのみの第一ビームスプリッター112を含み、第二光導波路素子120は、その中に配置される１つのみの第二ビームスプリッター122を含むことにある。これにより、HMD装置100′は、結像品質を保持しつつ、第一ビームスプリッター112及び第二ビームスプリッター122の製造難易度を下げることができる。
図2は、図1Aに示す実施例におけるHMD装置の概略上面図である。観察方向は、HMD装置100の第二光導波路素子120の第二光射出面ExS2に垂直である。図2に示すように、本実施例では、第一光導波路素子110は、さらに、第一光射出面ExS1を含み、第一光射出面ExS1は、第一光入射面ES1に接続される。また、第二光導波路素子120は、第二光入射面ES2及び第二光射出面ExS2を含む。第二光入射面ES2は、第一光射出面ExS1に面し、また、第二光入射面ES2に接続される。具体的には、第一光導波路素子110に入射した映像光束ILは、第一ビームスプリッター112により反射され、第一光射出面ExS1を通過して第一光導波路素子110から射出する。そして、第一光導波路素子110から離れた映像光束ILは、隙間G（図4参照）及び第二光入射面ES2を通過して第二光導波路素子120に入射する。映像光束ILは、さらに第二ビームスプリッター122により反射され、第二光射出面ExS2を通過して第二光導波路素子120から射出する。具体的には、映像光束ILは、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120内で全反射（Total Internal Reflection）されて伝播する。
図3は、図1Aに示す実施例における第一光導波路素子内で伝播する映像光束の光路の概略図である。図4は、図1Aに示す実施例における第二光導波路素子から瞳孔まで伝播する映像光束の光路の概略図である。図3に示すように、本実施例では、第一光導波路素子110は、さらに、第一光入射面ES1に接続される第一側面S1を含み、第一側面S1は、第一光射出面ExS1に平行である。第一ビームスプリッター112は、第一側面S1と第一光射出面ExS1との間に配置され、また、第一側面S1及び第一光射出面ExS1に平行でない。また、図4に示すように、第二光導波路素子120の第二光入射面ES2は、第一光導波路素子110の第一光射出面ExS1に面し、第二光入射面ES2と第一光射出面ExS1との間には、隙間Gがある（図4参照）。具体的には、第一光射出面ExS1は、第二光入射面ES2に平行であり、第二光入射面ES2と第一光射出面ExS1との間の隙間Gの幅は、2〜200マイクロメーターであり、好ましくは、例えば、12〜175マイクロメーターである。なお、他の実施例では、隙間Gの幅は、他の値の範囲にあっても良く、例えば、25〜100マイクロメーターであっても良いが、本発明は、これに限定されない。また、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120は、例えば、抵抗型又は容量型の光学透明接着剤（Optical Clear Adhesisi、OCA）により貼り合わせられても良いが、本発明は、これに限定されてない。例えば、OCAは、第一光射出面ExS1と第二光入射面ES2を貼り合わせることにより、第一光導波路素子110と第二光導波路素子120を固着することができる。具体的には、OCAは、例えば、第一光射出面ExS1及び第二光入射面ES2のエッジに近い位置に塗布され、又は、隙間Gを形成する第一光射出面ExS1及び第二光入射面ES2のコーナーに塗布されても良い。また、第一光導波路素子110と第二光導波路素子120との相対位置は、第一光射出面ExS1と第二光入射面ES2との間に隙間Gが形成されるよう、他の固定部品により固定されても良いが、本発明は、これに限定されない。隙間Gには、例えば、空気で満たされても良い。なお、他の実施例では、隙間Gには、透明材料、例えば、屈折率が空気に近い、又は、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120よりも低い透明材料で満たされても良いが、本発明は、これに限定されない。
再び図３を参照する。本実施例では、第一光導波路素子110は、第一本体部114及び第一楔部116を含む。第一楔部116は、第一本体部114に貼り合わせられる。なお、第一本体部114及び第一楔部116は、一体形成されても良いが、本発明は、これに限定されない。第一ビームスプリッター112は、第一本体部114内に配置される。第一楔部116の第一光入射面ES1は、第一本体部114から離れ、第一光射出面ExS1は、第一本体部114及び第一楔部116の両方により形成される。また、第一光入射面ES1と第一光射出面ExS1との間の角度θaは、90°よりも小さい。大部分の映像光束ILは、第一光入射面ES1を通過して第一光導波路素子110に入射し、そして、第一側面S1と第一光射出面ExS1との間の全反射によって第一ビームスプリッター112に伝播する。具体的には、第一光導波路素子110に入射する大部分の映像光束ILは、第一側面S1及び第一光射出面ExS1に入射する入射角が全反射の臨界角よりも大きく、これにより、全反射の方式で第一ビームスプリッター112に伝播することができる。その後、一部の映像光束ILは、少なくとも１つの第一ビームスプリッター112に反射され、第一光射出面ExS1を通過して第一光導波路素子110から射出する。本実施例では、少なくとも一部の第一ビームスプリッター112は、一部の映像光束ILを反射し、他の部分の映像光束ILは、第一ビームスプリッター112を通過する。
再び図４を参照する。本実施例では、第二光導波路素子120は、さらに、第二光入射面ES2に接続される第二側面S2を含み、第二側面S2は、第二光射出面ExS2に平行である。第二ビームスプリッター122は、第二側面S2と第二光射出面ExS2との間に配置され、また、第二側面S2及び第二光射出面ExS2に平行でない。具体的には、第二光導波路素子120は、第二本体部124及び第二楔部126を含む。第二楔部126は、第二本体部124に貼り合わせられる。なお、第二本体部124及び第二楔部126は、一体形成されても良いが、本発明は、これに限定されない。第二ビームスプリッター122は、第二本体部124内に配置される。第二楔部126の第二光入射面ES2は、第二本体部124から離れ、第二光射出面ExS2は、第二本体部124及び第二楔部126の両方により形成される。また、第二光入射面ES2と第二光射出面ExS2との間の角度θｂは、90°よりも小さい。本実施例では、大部分の映像光束ILは、第一光導波路素子110から離れた後に、第二入射面ES2を通過して第二光導波路素子120に入射し、そして、第二側面S2と第二光射出面ExS2との間の全反射によって第二ビームスプリッター122に伝播する。具体的には、第二光導波路素子120に入射する大部分の映像光束ILは、第二側面S2及び第二光射出面ExS2に入射する入射角が全反射の臨界角よりも大きく、これにより、全反射の方式で第二ビームスプリッター122に伝播することができる。その後、一部の映像光束ILは、少なくとも１つの第二ビームスプリッター122により反射され、第二光射出面ExS2を通過して第二光導波路素子120から射出する。本実施例では、少なくとも一部の第二ビームスプリッター122は、一部の映像光束ILを反射し、他の部分の映像光束ILは、第二ビームスプリッター122を通過する。第二光導波路素子120から離れた映像光束ILは、瞳孔Pに入射する。本実施例では、瞳孔Pは、使用者の目であるが、本発明は、これに限定されない。
本実施例では、映像光束ILは、第二光射出面ExS2において全反射され、両者の間には、第一角度θ1を有し、また、各第二ビームスプリッター122と第二光射出面ExS2との間には、第二角度θ2を有する。具体的には、第一角度θ1は、90°よりも小さく、第二角度θ2も90°よりも小さい。また、第一角度θ1と第二角度θ2の2倍との和は、90°である。本実施例では、第二光導波路素子120の第二楔部126の屈折率は、第二光導波路素子120の第二本体部124の屈折率と同じである。また、第二光入射面ES2と第二光射出面ExS2との間には、第三角度θ3を有する。具体的には、第三角度θ3は、角度θbである。第二角度θ2は、90°よりも小さく、第三角度θ3も90°よりも小さい。また、第三角度θ3は、第二角度θ2の２倍に等しい。なお、他の実施例では、第二楔部126の屈折率は、第二本体部124の屈折率と異なっても良い。第一角度θ1と第二角度θ2の2倍との和は、依然として90°に等しい。本発明は、これに限定されない。
図3及び図4を参照する。本実施例では、映像光束ILは、第一光導波路素子110に入射する前に、(図3に示すように)第一方向D1上での第一入射瞳オープニングアングル（entrance pupil opening angle）θep1を有し、また、第二光導波路素子120に入射する前に、(図4に示すように)第二方向D2上での第二入射瞳オープニングアングルθep2を有する。また、第二光導波路素子120から射出する映像光束ILと、瞳孔Pに入射する映像光束ILとは、(図3に示すように)第三方向D3上での第一収束角（light convergence angle）θc1及び(図4に示すように)第四方向D4上での第二収束角θc2を有する。本実施例では、第一方向D1は、第二方向D2に垂直であり、第三方向D3は、第四方向D4に垂直である。第一方向D1は、例えば、第一光入射面ES1に平行であり、第二方向D2は、例えば、第二光入射面ES2に平行である。第三方向D3は、例えば、第二軸Yに平行であり、第四方向D4は、例えば、第一軸Xに平行である。具体的には、映像光束ILが第一光導波路素子110内で伝播する時に、映像光束ILの第二入射瞳オープニングアングルθep2と第二収束角θc2は、実質的に同じである。また、映像光束ILが第二光導波路素子120内で伝播する時に、第一入射瞳オープニングアングルθep1と、第一収束角θc1とは、実質的に同じである。異なる方向上での入射瞳オープニングアングル及び収束角を明らかに示すために、図3に示す第一入射瞳オープニングアングルθep1及び図4に示す第二入射瞳オープニングアングルθep2は、それぞれ、第一方向D1上での第一光導波路素子110に入射する前の映像光束ILの第一入射瞳オープニングアングルθep1及び第二方向上D2での第一光導波路素子110に入射する前の映像光束ILの第二入射瞳オープニングアングルθep2を表すことができる。また、図3に示す第一収束角θc1及び図4に示す第二収束角θc2は、それぞれ、第三方向D3上での瞳孔Pに入射する映像光束ILの第一収束角θc1及び第四方向D4上での瞳孔Pに入射する映像光束ILの第二収束角θc2を表すことができる。
図3に示すように、映像光束ILは、それぞれ映像光束ILのエッジに位置する映像光束IL1及び映像光束IL2を含み、これにより、映像光束ILの第一入射瞳オープニングアングルθep1及び第一収束角θc1は、明らかに示すことができる。本実施例では、第一光導波路素子110に入射する前に、第一方向D1上での第一入射瞳オープニングアングルθep1は、映像光束IL1及び映像光束IL2により両者の間に形成される。映像光束IL1及び映像光束IL2は、全反射されて第一ビームスプリッター112に伝播し、そして、映像光束IL1及び映像光束IL2の一部は、少なくとも１つの第一ビームスプリッター112により反射されて反射光RLを形成する。その後、反射光RLは、第一光射出面ExS1を通過して第一光導波路素子110を離れる。第三方向D3上での第一収束角θc1は、第一光導波路素子110から離れた映像光束IL1及び映像光束IL2により両者の間に形成される。具体的には、第一入射瞳オープニングアングルθep1は、第一収束角θc1に実質的に等しい。
図4に示すように、映像光束ILは、さらに、それぞれ映像光束ILのエッジに位置する映像光束IL3及び映像光束IL4を含み、これにより、映像光束ILの第二入射瞳オープニングアングルθep2及び第二収束角θc2は、明らかに示すことができる。本実施例では、第二光導波路素子120に入射する前に、第二方向D2上での第二入射瞳オープニングアングルθep2は、映像光束IL3及び映像光束IL4により両者の間に形成される。映像光束IL3及び映像光束IL4は、全反射されて第二ビームスプリッター122に伝播し、そして、映像光束IL3及び映像光束IL4の一部は、少なくとも１つの第二ビームスプリッター122により反射されて反射光RLを形成する。その後、反射光RLは、第二光射出面ExS2を通過して第二光導波路素子120を離れ、また、反射光RL(映像光束IL3及び映像光束IL4)は、第二光導波路素子120を離れて瞳孔Pに入射する。第四方向D4上での第二収束角θc2は、第二光導波路素子120から離れ映像光束IL3及び映像光束IL4により両者の間に形成される。具体的には、第二入射瞳オープニングアングルθep2は、実質的に第二収束角θc2に等しい。
また、本実施例では、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120は、透明材料(例えば、グラス、アクリル又は他の適切な材料)により形成されても良く、これにより、外部からの環境光束は、第二光導波路素子120を通過することができる。本実施例では、例えば、映像光束ILは、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120により伝播させられ、また、映像光束ILは、第二光射出面ExS2を通過して第二光導波路素子120から離れる。使用者の目が、例えば、第二光導波路素子120の第二光射出面ExS2の近くに位置する時に、第二光導波路素子120を離れた映像光束ILは、使用者の目に入射することができ、また、外部からの環境光束も、第二光導波路素子120を通過して使用者の目に入射することができる。よって、HMD装置100が使用者の目の前に配置され、映像光束IL及び環境光束が使用者の目に入射することを許す時に、使用者は、映像光束ILに対応する表示映像（図示せず）を見ることができ、また、環境光束に対応する外部映像（図示せず）を見ることもでき、これにより、AR表示効果を実現することができる。本実施例では、表示器Dは、例えば、液晶表示器(LCD)、プラズマ表示器、有機発光ダイオード(OLED)表示器、エレクトロウェッティング表示器(EWD)、電気泳動表示器(EPD)、エレクトロクロミック表示器(ECD)、デジタルミラーデバイス(DMD)、又は他の適切な表示器であっても良い。また、表示器Dは、投影光学装置と共同で映像光束ILを提供するために用いられても良いが、本発明は、これに限定されない。
本実施例では、第一ビームスプリッター112の反射率は、第一光入射面ES1から離れ且つ第一側面S1に平行である方向に沿って次第に増加する。また、第一ビームスプリッター112の透過率は、第一光入射面ES1から離れ且つ第一側面S1に平行である方向に沿って次第に減少する。具体的には、第一ビームスプリッター112の反射率は、第二軸Yの方向と逆の方向(例えば、図１に示す-Y方向)に沿って次第に増加し、第一ビームスプリッター112の透過率も、第二軸Yの方向と逆の方向に沿って次第に減少する。また、本実施例では、第二ビームスプリッター122の反射率は、第二光入射面ES2から離れ且つ第二側面S2に平行である方向に沿って次第に増加する。また、第二ビームスプリッター122の透過率は、第二光入射面ES2から離れ且つ第二側面S2に平行である方向に沿って次第に減少する。具体的には、第二ビームスプリッター122の反射率は、第一軸X(例えば、図2に示す+X方向)に沿って次第に増加し、第二ビームスプリッター122の透過率は、第一軸Xの方向に沿って次第に減少する。このような第一ビームスプリッター112及び第二ビームスプリッター122の反射率及び透過率の設計に基づいて、映像光束ILの光強度は、第一ビームスプリッター112及び第二ビームスプリッター122を連続して通過する間に次第に減少する。第一ビームスプリッター112により反射される映像光束ILの光強度は、第二軸Yの方向に沿って一定（consistent）と維持することができ、第二ビームスプリッター122により反射される映像光束ILの光強度は、第一軸Xに沿って一定と維持することができる。使用者が映像光束ILに対応する表示映像(図示せず)を見る時に、使用者が見た表示映像の光強度は均一でなく、即ち、表示映像の一部は、同時に現れることができない低輝度及び高輝度を有する。
また、本実施例では、第一光導波路素子110の第一ビームスプリッター112は、等間隔で配列され、第二光導波路素子120の第二ビームスプリッター122も、等間隔で配列される。なお、他の実施例では、第一光導波路素子110の第一ビームスプリッター112及び第二光導波路素子120の第二ビームスプリッター122は、光学装置の実際のニーズに応じて、不等間隔で配列されても良いが、本発明は、これに限定されない。また、映像光束ILは、第一光入射面ES1と第一ビームスプリッター112との間の入射角を適切に設計し、及び、第二光入射面ES2と第二ビームスプリッター122との間の入射角を適切に設計することにより、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120を通過して使用者の目に伝播することができる。
本実施例では、第二光導波路素子120の第二光入射面ES2は、第一光導波路素子110の第一光射出面ExS1に面し、また、隙間Gは、第二光入射面ES2と第一光射出面ExS1との間に形成される。隙間Gが第二光入射面ES2と第一光射出面ExS1との間に形成されるため、映像光束ILは、全反射されて第一光導波路素子110内で伝播することができる。映像光束ILは、第一ビームスプリッター112により反射されない時に、第二光導波路素子120に直接入射しない。よって、映像光束ILは、第一光導波路素子110及び第二光導波路素子120内に伝播する時に、２つの方向(例えば、第一方向X及び第二方向Y)上で拡張することができる。よって、この２つの方向上での入射瞳位置は、光学系OSの入り口、例えば、第一光入射面ES1に位置するように調整されても良く、これにより、HMD装置100の体積は、光学レンズモジュールを用いる従来のHMDに比べ、大幅に低減することができる。また、HMD装置100がより簡単な光学系を有するため、HMD装置100の重量を軽減することができ、HMD装置100の視野を拡張することもできる。例えば、HMD装置100の半視野(HFOV)は、0.24インチの表示パネルを用いる時に、20°に達することができる。これに対して、１つの導波路素子及びバイコニックレンズを含む従来のHMDは、HMDのHFOVを20°に拡張するために、0.37インチの表示パネルを使用する必要がある。結果として、本実施例におけるHMD装置100は、小さい体積、軽い重量、及び広い視野を有する。また、本実施例におけるHMD装置100の映像光束ILは、バイコニックレンズを増設することにより拡張される必要がなく、そのうち、バイコニックレンズは、製造の難易度が高く、結像品質の制御が難しい。よって、本実施例におけるHMD装置の製造難易度及びコストは、比較的低い。
以上を纏めると、本発明の実施例は、少なくとも以下の1つの利点及び効果を有する。即ち、本発明の実施例によるHMD装置及び光学系では、複数の第一ビームスプリッターは、第一光導波路素子内に配置され、互いに平行であり、且つ所定間隔で配列される。複数の第二ビームスプリッターは、第二光導波路素子内に配置され、互いに平行であり、且つ所定間隔で配列される。また、第二光導波路素子の第二光入射面は、第一光導波路素子の第一光射出面に面し、第二光入射面と第一光射出面との間には、隙間が形成される。よって、光学系がHMD装置に応用される時に、HMD装置の映像光束は、バイコニックレンズを増設することにより拡張され必要がない。映像光束は、第一光導波路素子及び第二光導波路素子により２つの方向上で拡張することができ、これにより、２つの方向上での映像光束は、使用者の目に入射することができる。結果として、HMD装置は、光学レンズモジュールを用いる従来のHMDに比べ、小さい体積、軽い重量、及び広い視野を有する。また、HMD装置の製造難易度及びコストも、１つの導波路素子及び増設のバイコニックレンズを含む従来のHMDに比べ、比較的低い。
本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の一部と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及びしている「第一」、「第二」などの用語は、要素（element）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのもののみであり、要素の数量上の上限又は下限を限定するためのものでない。

Claims (17)

  1. ヘッドマウントディスプレイ（HMD）装置であって、
    映像画像を発するように構成される表示器；
    第一光導波路素子；及び
    前記第一光導波路素子の横に配置される第二光導波路素子を含み、
    前記第一光導波路素子は、
    第一光入射面であって、前記映像光束は、前記第一光入射面を通過して前記第一光導波路素子に入射する、第一光入射面；
    前記第一光入射面に接続される第一光射出面であって、前記第一光入射面と前記第一光射出面との間の角度は90°よりも小さい、第一光射出面；及び
    前記第一光導波路素子内に配置される第一ビームスプリッターを含み、
    前記第二光導波路素子は、
    前記第一光射出面に面する第二光入射面；
    前記第二光入射面に接続される第二光射出面であって、前記第二光入射面と前記第二光射出面との間の角度は90°よりも小さい、第二光射出面；及び
    前記第二光導波路素子内に配置される第二ビームスプリッターであって、第二光入射面と前記第一光射出面との間には隙間がある、第二ビームスプリッターを含む、HMD装置。
  2. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第一光導波路素子に入射した前記映像光束は、前記第一ビームスプリッターにおいて反射されて前記第一光射出面を通過して前記第一光導波路素子から離れ、前記第一光導波路素子から離れた前記映像は、前記第二光入射面を通過して前記第二光導波路素子に入射し、
    前記映像光束は、第二ビームスプリッターにおいて反射されて前記第二光射出面を通過して前記第二光導波路素子から離れる、HMD装置。
  3. 請求項２に記載のHMD装置であって、
    前記映像光束は、全反射されて第一光導波路素子及び第二光導波路素子内で伝播する、HMD装置。
  4. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第二光導波路素子から離れた前記映像光束は、瞳孔に入射し、
    前記第一光導波路素子に入射する前に、前記映像光束は、第一方向上での第一入射瞳オープニングアングル及び第二方向上での第二入射瞳オープニングアングルを有し、前記第二光導波路素子から離れた前記映像光束及び前記瞳孔に入射する前記映像光束は、第三方向上での第一収束角及び第四方向上での第二収束角を有し、
    前記第一方向は、前記第二方向に垂直し、前記第三方向は、前記第四方向に垂直し、前記第一入射瞳オープニングアングルは、前記第一収束角に等しく、前記第二入射瞳オープニングアングルは、第二収束角に等しい、HMD装置。
  5. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第一光導波路素子は、さらに、前記第一光入射面に接続される第一側面を含み、前記第一側面は、前記第一光射出面に平行であり、
    前記第二光導波路素子は、さらに、前記第二光入射面に接続される第二側面を含み、前記第二側面は、前記第二光射出面に平行であり、
    前記第一ビームスプリッターは、前記第一側面と前記第一光射出面との間に配置され、前記第二ビームスプリッターは、前記第二側面と前記第二光射出面との間に配置される、HMD装置。
  6. 請求項５に記載のHMD装置であって、
    前記第一ビームスプリッターは、前記第一側面及び前記第一光入射面に平行でなく、前記第二ビームスプリッターは、前記第二側面及び前記第二光入射面に平行でない、HMD装置。
  7. 請求項５に記載のHMD装置であって、
    前記映像光束は、全反射されて前記第一側面と前記第一光射出面との間に伝播し、前記映像光束は、全反射されて前記第二側面と前記第二光射出面との間に伝播し、
    前記第二光射出面と、前記第二光射出面において全反射される前記映像光束との間には、第一角度があり、前記第二ビームスプリッターと前記第二光射出面との間には、第二角度があり、前記第一角度と前記第二角度との和は、90°よりも小さく、前記第一角度と前記第二角度の2倍との和は、90°である、HMD装置。
  8. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第一光導波路素子は、第一本体部と、前記第一本体部に隣接する第一楔部を含み、前記第一ビームスプリッターは、第一本体部内に配置され、前記第一本体部から離れる前記第一楔部の表面は、前記第一光入射面であり、前記第一本体部及び前記第一楔部は、ともに、前記第一光射出面を形成する、HMD装置。
  9. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第二光導波路素子は、第二本体部と、前記第二本体部に隣接する第二楔部とを含み、前記第二ビームスプリッターは、前記第二本体部内に配置され、前記第二本体部から離れる前記第二楔部の表面は、前記第二光入射面であり、前記第二本体部及び前記第二楔部は、ともに、前記第二光射出面を形成する、HMD装置。
  10. 請求項９に記載のHMD装置であって、
    前記第二楔部の屈折率は、前記第二本体部の屈折率と同じであり、前記第二光入射面と前記第二光射出面との間には、第三角度があり、前記第二ビームスプリッターと前記第二光射出面との間には、第二角度があり、前記第二角度及び前記第三角度は、90°よりも小さく、第三角度は、第二角度の2倍に等しい、HMD装置。
  11. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記隙間の幅は、2マイクロメーター乃至200マイクロメーターの範囲内にある、HMD装置。
  12. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第一光射出面は、前記第二光入射面に平行である、HMD装置。
  13. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第一ビームスプリッターの数は、１よりも大きく、前記第一ビームスプリッターは、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される、HMD装置。
  14. 請求項１に記載のHMD装置であって、
    前記第二ビームスプリッターの数は、１よりも大きく、前記第二ビームスプリッターは、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される、HMD装置。
  15. 映像光束を受ける光学系であって、
    第一光導波路素子；及び
    前記第一光導波路素子の横に配置される第二光導波路素子を含み、
    前記第一光導波路素子は、
    第一光入射面であって、前記映像光束は、前記第一光入射面を通過して前記第一光導波路素子に入射する、第一光入射面；
    前記第一光入射面に接続される第一光射出面であって、前記第一光入射面と前記第一光射出面との間の角度は90°よりも小さい、第一光射出面；及び
    前記第一光導波路素子内に配置される第一ビームスプリッターを含み、
    前記第二光導波路素子は、
    前記第一光射出面に面する第二光入射面；
    前記第二光入射面に接続される第二光射出面であって、前記第二光入射面と前記第二光射出面との間の角度は90°よりも小さい、第二光射出面；及び
    前記第二光導波路素子内に配置される第二ビームスプリッターであって、第二光入射面と前記第一光射出面との間には隙間がある、第二ビームスプリッターを含む、光学系。
  16. 請求項１５に記載の光学系であって、
    前記第一ビームスプリッターの数は、１よりも大きく、前記第一ビームスプリッターは、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される、光学系。
  17. 請求項１５に記載の光学系であって、
    前記第二ビームスプリッターの数は、１よりも大きく、前記第二ビームスプリッターは、互いに平行であり且つ所定間隔で配列される、光学系。
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