JP2013532297A - 埋め込み格子構造 - Google Patents

Abstract

実質的に同一の光屈折率の媒体間に埋め込まれた光格子構造を有し、該構造が上記２つの媒体間の境界に光学コーティングを有する光学装置であって、上記構造が、使用時においてコーティングによる異常光学効果が実質的に減少されるように前記境界の面に対して傾斜された格子ファセットを有する光学装置。

Description

本発明は、光学装置内に埋め込まれた構造に関する。

埋め込み構造は、多年にわたり、眼鏡レンズ内で光を再指向（方向変更）させることができるものとして知られている。従って、埋め込み構造は、当該眼鏡が通りすがりの観察者に対して通常の眼鏡のように見えることが重要となる拡張現実（augmented reality）の用途にとり有用であると認識されている。

このような構造の一例は特許出願公開第２００２−２８７０７７号公報に開示されており、該例においてレンズ内に埋め込まれた格子エレメントは該レンズの側部（フレームの脚部領域）からの光を目の方向に、瞳に垂直に再指向（方向変更）させる。従って、このシステムは上記格子からの光の反射を可能にしている。しかしながら、特許出願公開第２００２−２８７０７７号公報の構造のような眼鏡レンズに埋め込まれた既存の格子構造の問題点は、これら格子構造が通りすがりの観察者に対して見えるということである。

更に、レンズの前面に対する更なる補正が用いられない限り、特許出願公開第２００２−２８７０７７号公報に開示された格子は通過画像を妨害する。特許出願公開第２００２−２８７０７７号公報によっては教示又は示唆はされてはいないが、このような妨害は、格子の両側の屈折率が一致された場合は回避することができる。しかしながら、格子の両側の屈折率を一致させることは、該格子から目への光の反射を妨げる。

反射率を上昇させるために、上記格子構造はコーティングすることができる。例えば、米国特許第６３５３５０３号公報はレンズ内の２つの光学面の境界におけるコーティングを開示しており、該コーティングは固有の光波長を反射し、その結果、反射により単一又は複数の色を見ることができる。しかしながら、米国特許第６３５３５０３号公報の境界は、特許出願公開第２００２−２８７０７７号公報に記載された格子構造というよりは、単一の湾曲である。

従って、妨害しない態様によりレンズ内で光を再指向させることが可能な、改良された埋め込み格子構造に対する要求が存在する。特に、眼鏡レンズに埋め込まれた格子構造を含む眼鏡を装着した人の通りすがりの観察者にとり実質的に見えないような埋め込み格子構造に対する需要が存在する。同時に、該埋め込み格子構造は、妨害されない通過画像を可能にすると共に、異常光学効果を最小にしなければならない。

本発明によれば、実質的に同一の光屈折率の媒体間に埋め込まれた光学格子構造を有する光学装置であって、上記構造が上記２つの媒体間の境界に光学コーティングを有し、該構造が、使用時にコーティングによる異常光学効果が実質的に（大幅に）減少されるように上記境界の面に対して傾斜された格子ファセットを有する光学装置が提供される。

本発明によれば、更に、画像を表示する方法であって、
実質的に同一の光屈折率の媒体間に埋め込まれた光格子構造を有する光学装置を設けるステップであって、上記構造が上記２つの媒体間の境界に光学コーティングを有し、該構造が、使用時にコーティングによる異常光学効果が実質的に（大幅に）減少されるように上記境界の面に対して傾斜された格子ファセットを有するようなステップと、
プロジェクタ（投影機）及び該プロジェクタと前記光学装置との間に配置されるカラーフィルタを設けるステップと、
前記プロジェクタからの画像を前記格子構造上に、これら画像が当該システムを見るユーザにより見られ得るように投影するステップと、
を有する方法が提供される。

本発明によれば、前記格子の表面上の前記コーティングは、通りすがりの観察者に対して実質的に見える光学効果は生じない。更に、上記格子は眼鏡レンズの背面を介して通過する光の非点収差を補正するように形成され、従って投影光学系との組み合わせで更なる光学機能（画像拡大及びピント合わせ等）を提供する。

当該格子が埋め込まれる２つの媒体の間の境界の面に対して傾斜された格子壁（非垂直格子壁）を用いることは、下記の利点を提供する。

第１に、作製される非垂直格子壁の表面品質が、前記境界面に対して直交する格子壁（垂直格子壁）と比較して高くなる。従って、斯かる壁面は滑らかであり、反射特性はより模範的なものとなる（即ち、望ましくない可視的効果の原因となる鏡面反射が少なくなる）。

第２に、非垂直格子壁のコーティング厚は増加させることが一層容易であり、従って、性能は当該格子面の能動領域に近いもののようになり、これにより可視的効果を少なくする。

更に、幾らかの可視異常光学挙動が存在する角度は、観察される装着者の横側のみに（垂直壁の場合のように真っ直ぐにというよりは）斯かる角度が生じるように設計することができる。

本構造の更なる利点は、格子壁が真っ直ぐである必要が無く、従って湾曲させることができることである。当該格子のエッジを丸めることは、加工エッジに沿う潜在的な粗さによる異常格子反射を更に低減するよう作用する。

対称な格子構造を形成するために当該格子の両部分（能動面及び戻り面）に同一の角度を使用することができる。当該格子が当該画像化システムの瞳面に近く、且つ、上記角度が戻り面からの光が目から離れるように向けられるようなものである場合、性能の主たる低下は、反射で見られる画像の強さ（amplitude）であろう。

従って、非垂直な壁を有することの主たる利点は、より良好なコーティング品質、及び可視光学異常が存在するような角度を相対的に重要でない角度に、即ち観察される装着者の側部に移動させる能力である。同様の能動及び戻り角度を用いることにより、当該コーティングの光学的性能は同様になり、該格子は見ることが一層困難となる。

図１は、本発明による眼鏡に使用するための埋め込み格子構造を示す。 図２は、垂直に近い壁エッジを持つ従来のフレネルレンズ構造を示す。 図３は、横の角度からの光を方向変更させるために使用されるフレネル構造を示す。 図４は、本発明による埋め込み格子構造を示す。 図５は、ゼロの戻り角を持つ本発明による埋め込み格子構造を示す。 図６は、格子の角度より小さな戻り角を持つ本発明による埋め込み格子構造を示し、当該格子は各格子構造周期の後に同じ高さに戻ることはない。 図７は、格子の角度より小さな戻り角を持つ本発明による埋め込み格子構造を示し、当該格子は各格子構造周期の後に同じ高さに戻る。 図８は、異なる技術的利点を提供するために異なる格子角を持つ３例の格子のうちの１つを示す。 図９は、異なる技術的利点を提供するために異なる格子角を持つ３例の格子のうちの他の１つを示す。 図９は、異なる技術的利点を提供するために異なる格子角を持つ３例の格子のうちの更に他の１つを示す。

以下、本発明を、添付図面を参照して説明する。

本発明による、眼鏡に使用するための埋め込み格子の一例が図１に示されている。選択的反射構造１が、めがねレンズ等のレンズ２に組み込まれ又はレンズ２の背面に固定されている。格子構造１が通りすがりの観察者から実質的に隠されるのを可能にするために、該格子の両側の屈折率は、非垂直な視角において歪が見られないように一致する必要がある。

反射構造１上に画像を投影して該画像がユーザの目に向かって反射されるように、プロジェクタ（投影機）アセンブリ３を当該眼鏡のフレームに固定し又は該フレームに組み込むことができる。この構成において、投影された画像は、ユーザの目に快適な視距離で現れることになる。

プロジェクタアセンブリ３はピクセルマトリクス６を有し、該ピクセルマトリクスは例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ、ＯＬＥＤアレイ、バックライト液晶表示器（ＬＣＤ）又は切換／走査ビームにより形成することができる。収束力を付与するために、ピクセルマトリクス６と反射構造１との間においてプロジェクタアセンブリ３内に投影レンズ４を用いることができる。投影される画像を反射構造１に到達する前にフィルタ処理するために、光源４と反射構造１との間に狭帯域フィルタ５を配置することができる。格子に入射するフィルタ処理された光と光学コーティングとの該組み合わせは、上記のフィルタ処理された光が上記コーティングから殆ど透過されることなく反射されることを可能にし、従って、更に当該眼鏡が目立たないように見えることを可能にする。

図２は、従来のフレネル格子構造を示している。ベースラインへの断面輪郭（プロファイル）の戻りは、レンズの能率を維持するために該レンズの輪郭に沿う短い距離にわたり起こり、これにより、実質的に垂直なエッジ１００を形成することになる。従って、この構成は当該ユーザ及び真正面の観察者への視線に実質的に沿った構造を含んでいる。

横の角度からの光を方向変更させるために使用されるフレネル構造の場合、該フレネル構造の全表面が使用されることはない。この軸外れ画像化は、図３に示されるように、“陰領域”を生じる。

格子上のコーティングによる異常光学効果の問題は、図４に示されるように、格子の垂直でない壁２００を用いることにより大幅に（実質的に）小さくすることができる。

図２の従来の構造とは対照的に、図４に示されるような非垂直壁２００を用いる軸外れ画像化は、投影される画像の品質の変化につながることはない。角度の例示的な範囲は、０°と７０°との間である。

図４において、観察者１及び２は当該格子を異常挙動なしで見ることが予測される一方、観察者３は眼鏡装着者の一方の側部に関して小さな角度範囲のみからではあるが、
戻り面からの幾らかの異常挙動を見ることが予測される。当該眼鏡を装着した人に向かっての観察者からの殆どの通りすがり的視方向に対しては、本発明による該格子は実質的に見えることはない。

個別の傾斜角及び表面輪郭の採用を、当該システムにおける他の光学系との組み合わせで用いるための焦点、倍率、非点収差補正又は他の光学収差補正を得るために使用することができる。

前記非垂直壁２００は、格子表面上の光学コーティングの見掛けの光学的異常挙動を実質的に低減するために湾曲させることができる。斯かる異常挙動は、より均等なコーティング特性を促進する、又は前記可視的効果の角度を通りすがりの観察者にとり目立たなくなりそうな角度へ移動させることにより低減される。

ユーザが適切な波長における反射光の略１００％を見るようになり、これら波長の透過が略ゼロとなって観察者が斯かる波長に概ね気付かなくなるように、前記光学コーティングは特定の帯域の又は複数の帯域の可視又は近可視光を反射するように設計され、及び／又は画像源がカラーフィルタを通過される。上記反射光の帯域は、当該光学装置が実質的に無色に見えるように当該スペクトルの赤又は青の端部に向かうものとすることができるか、又は当該光学装置が低下された平均透過度によるものであるが実質的に無色に見えるように複数の帯域の光が存在し得る。

対称な格子構造を形成するために当該格子の両方の部分（能動面及び戻り面）において同一の角度を用いることができる。格子が当該画像化システムの瞳面の近くにあり、且つ、角度が戻り面からの光が目から離れるように向けられるようなものである場合、性能の主たる低下は、反射で見られる画像の強さ（amplitude）である。従って、上記能動及び戻りの角度を一層同様のものにすることにより、当該コーティングの光学性能は同様のものとなり、当該格子は見るのが一層困難となる。

格子の戻り角を公称格子角より小さくすることにより、該格子の表面積、従って該格子の視認性を実効的に減少させることによって、該格子の視認性を更に低減することができる。極端な場合、図５に示されるようなゼロの戻り角を備える格子を想定することができる。この場合、能動格子構造の間に平らな領域が出現し、該格子を“まばらな（疎な）”格子として見えるようにさせる。この構成は、当該格子構造が実質的に瞳面にある場合、画像品質に大きく影響を与えることはないであろう。もっとも、反射画像の強さの減少はあるであろう（当該画像を能動格子領域のみを介して投影するための対策がとられない限り）。目が異なる方向を向いた際に反射光の振幅に大した変化がないように、如何なる好適な視角においても視聴者の瞳を介して見える幾つかの格子構造が存在するであろう。格子構造の深さ（奥行き）は、この例では単調に増加するが、典型的な状況では、このことは大きな制限とはならないであろう。例えば、１４°なる角度及び３３３μｍなる格子エレメントの幅を持つ格子構造は、８３μｍなる格子深さを有する。格子構造の間に６６６μｍの間隙が存在する場合、全体の構造の高さはｍｍ当たり８３μｍだけ増加するであろう。レンズ内の３０ｍｍ幅の観察面積（ビューイング面積）の場合、全格子高は２.５ｍｍとなり、市販の眼鏡において許容可能な厚さである。

この深さを更に減少させるために（もし必要なら）、小さな戻り角を選択することができ、斯かる小さな戻り角は当該格子の深さを元の（オリジナルの）高さまで部分的に戻すか（図６参照）、又は該格子の深さを元の高さまで完全に戻す（図７参照）。更に、格子ベースラインが湾曲をたどるような湾曲した境界上で疎格子概念を用いることもできる。

図８ないし９は、受光される光の入射角が、該角度を屈折により法線に対して２８°に変化させる光学構造、ガラス又は他の物質に対して４５°であるような構成を示している。この場合、これら構造の各々は、異なる効果を持つ異なる格子構造を示している。

図８において、格子角は、当該格子の戻りエッジ２００が如何なる入射光も受けないように選定されている。この構成は、本例では、当該格子に対して９０°から６２°の範囲内の戻り角を有している。６２°の角度では、当該戻り壁上に光がすれすれに入射する。

図９は他の構成を示し、該構成において戻り角の範囲は６２°〜２４°であり、入射光は当該戻り壁で反射し、当該格子に少なくとも部分的に当たる（本例においては、１４°においてである）。

図１０は２４°から０°の戻り角を示し、斯かる戻り角は入射光が戻り壁で反射し、当該格子には当たらず、次いでユーザの視野外へと反射するような構成を提供する。

図８ないし１０に示される構成は、異なるタイプの装置に対して異なる機能を提供する。図８の構成においては、光の強さの損失はないが、格子がより見える可能性が存在する。図９の構成では、格子のコーティングを、該格子の本例の角度を適切な効果のために用いるように設計することができるが、光に対して幾らかの強さの損失を有し得る。図１０の例は、理解されるように、より大きな強さの損失を有するが、本例の角度は小さいので当該格子に対しては低い視認性を有するであろう。

格子自体は、眼鏡レンズの背面を通過する際に生じる光の非点収差を補正するように形成することができると共に、画像源より後の光学系との組み合わせで他の光学的機能（倍率／収束等の）を提供することができる。平面レンズを備えた眼鏡の場合、又は目に最も近い面が平らである場合、湾曲入射面による非点収差の問題は大幅に減少され、レンズの設計及び製造は一層容易になる。

装着者が投影画像を見ることに加えて、当該眼鏡のフレームには格子構造を介して装着者の瞳をリアルタイムに撮像するために小さなカメラを埋め込むことができ、非侵襲的な目の追跡（もし必要なら両眼の）を可能にする。この構成は、表示される画像と装着者との間の対話を、瞳の位置及び起動動作（強いまばたき又は他の指示的動作）を介して可能にすることができる。

当該格子は、マスタ（親型）をダイヤモンド・フライカッティングし又はダイヤモンド刻線し、次いで該マスタは副マスタを製造するために複製することができ、該副マスタにより鋳造、エンボス加工又は射出成形を用いて適切な材料中に格子を作製することができる。特に、格子が作製されるのと同じ材料を用いてコーティングした後にレンズをコ・モールディングすることは、屈折率を一致させることを大いに助ける。

このシステムの応用は、これらに限定されるものではないが、拡張現実用眼鏡の実施化を含む。この技術を使用し得る拡張現実用眼鏡の応用例は、下記のものを含む。

一つは、Ｅメイル等のテキスト、文書、テキストメッセージ及びビデオ等を見るための消費者用の用途である。当該情報は、ロードし、コンピュータ又は携帯電話等の他の装置を用いて眼鏡に伝達することができる。これは、実際の電子ブックを必要とすることなしに、視聴者に対してテキストが表示されるような仮想電子ブックを生じさせる１つの方法である。

眼鏡を介して見るためにカメラに適切なカラーフィルタが取り付けられた場合の、リアルタイムな製品価格設定のための消費者用用途。

例えば、リアルタイムＧＰＳ及びナビゲーション、又は運動の応用例のための位置追跡等のための消費者用用途。

外科医が眼鏡を介して投影された血圧及び心拍数等の患者情報を見ることができる手術用途。目追跡及び頭追跡カメラを用いて、ＭＲＩ／ＣＡＴ／ＰＥＴ走査、ハイパースペクトル画像化による／ハイパースペクトル画像化により血液を介して見る組織のタイプ又は状態等の他の情報を患者にリアルタイムに重畳させることができる。

地図を視野にリアルタイムに重畳させ、これにより、懐中電灯を用いて地図を物理的に見、視野の位置を潜在的に逸らすことが必要とされない軍事的用途。頭部に装着する暗視カメラを用い、該カメラから眼鏡にビデオが供給される暗視。注目すべきは、投影される波長は、光が目に見える近赤外であって、暗視を妨害しないほど当該赤外から離れていることであり得る（天体観察者は、暗視を妨害するのを回避するために、この技術を使用している）。この構成は、３６０度光景を含む情報を兵士にリアルタイムに表示する複数の用途も含む。

完全な没入型３Ｄ環境をシミュレーションするために当該環境の仮想２Ｄスライスを異なる焦点距離離れて表示すべく、十分に高速な多焦点レンズを用いて完全な３Ｄ体積（立体）眼鏡を製造することが可能な場合の、３Ｄゲーム。

また、３Ｄゲーム眼鏡と同様の原理を用いた３Ｄテレビジョン。この発明は、通常の眼鏡（即ち偏光子を有さない）に非常に類似して見える軽量の眼鏡を可能にし、これにより３Ｄテレビジョンのために眼鏡を装着することに対する受容性を増加させる一方、３Ｄ体験を著しく改善する。

消防士は、これらの眼鏡を、熱源又は熱がないことを検出すべく赤外線画像を重畳させるために、又は煙を通して見ることを補助すべく赤外線等の非可視波長を用いるために使用することができ、これにより進路案内を支援すると共に危険の発見を補助する。これは、建物の地図、又は出口経路を監視するために建物を経る経路に沿って置かれたカメラからの画像を表示することもできる。

カメラの出力又は分光法を用いてユーザに環境情報の源のリアルタイム重畳画像を供給する、熱源又は化学物質に関する環境監視における使用。

以上に述べたように、本発明による埋め込み格子構造の一応用例を説明した。

従来の３Ｄ眼鏡／ゴーグルは、２つの異なる視点の２Ｄ画像を観察者の目に投影して、両眼視（立体）効果を生成する。この技術は３Ｄ映画に使用され、典型的には、スクリーンから反射され眼鏡に設けられる偏光子を通過する２つの異なる偏光の画像を使用する。従って、３Ｄ眼鏡は各目に正しい画像が通過するように働く。

しかしながら、このようなシステムは、ユーザが斯かる眼鏡を長時間使用することを負担に思うという大きな不利益を被る。これは、ユーザの目は２つの画像の相対変位から奥行き情報を知覚し、目を、これら２つの画像が収束する空間内の点に又は輻輳距離に向けるからである。しかしながら、鮮明な画像を生成ためには、ユーザはスクリーンの位置に焦点を合わさなければならず（焦点距離）、該位置は殆ど常に見掛け画像の位置とは相違する。このように、目の方向と目の焦点合わせとが矛盾し、このことが嫌悪感又は頭痛を生じさせ得る。

更に、偏光眼鏡の使用は望ましくない。何故なら、通常の眼鏡は約９０％を越える透過性であるのに対し、光のスループットが少なくとも５０％低下するからである。２Ｄ画像を目に投影することは、これまでのところ、相対的に嵩張る光学装置（より正確には、ゴーグルと呼ばれる）により達成されたものであり、３Ｄ環境を表す２つの２Ｄ画像と同様の問題を被る。

輻輳距離と焦点距離との間の矛盾に関する問題に対する解決策は、ユーザに対して、画像内の物体（オブジェクト）が正しい奥行きに存在するような仮想環境を提供することである。これは体積表示（volumetric display）により達成することができ、該体積表示においては３Ｄ環境が２Ｄ情報の奥行き面にスライスされ、斯かる２Ｄ情報の奥行き面が、ユーザに対して、画像の順次発生に気付かないほど十分に高速度で正しい仮想距離に提示される。

３Ｄ体積表示を行うべく多数の２Ｄ画像を正しい距離に提示するためには、当該オブジェクトの焦点位置を素早く変化させる必要がある。このことは、投影レンズの移動、ソース画像の移動、変形可能な鏡等を含む種々の方法で行うことができる。しかしながら、斯かる動きの速度（典型的には、１００Ｈｚ以上、理想的には２００Ｈｚ以上）は、質量を斯様な速度で振動させることにつながり、実施化することが困難である。

これらの限界を克服するために、高速多重切換可能型の固体レンズを用いることができる。更に、本発明による非可視格子構造と小型高速切換可能型レンズとの組み合わせは、市販の眼鏡レンズで通常に見られる寸法及び形態の制約内で、２Ｄ及び真の３Ｄ拡張現実機能を備える固体眼鏡レンズを構築する手段を提供するのに極めて有用である。

Claims (9)

1. 実質的に同一の光屈折率の媒体間に埋め込まれた光格子構造を有し、該構造が前記２つの媒体間の境界に光学コーティングを有する光学装置であって、前記格子構造が、使用時においてコーティングによる異常光学効果が実質的に減少されるように前記境界の面に対して傾斜された格子ファセットを有する光学装置。
2. 前記格子ファセットが前記境界の面に対して０°と７０°との間の角度で傾斜された請求項１に記載の光学装置。
3. 前記格子ファセットが湾曲されている請求項１又は請求項２に記載の光学装置。
4. 前記光学コーティングが可視又は近可視光を反射する請求項１ないし３の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記光学コーティングが実質的に赤色光を反射する請求項４に記載の光学装置。
6. 前記光学コーティングが実質的に青色光を反射する請求項４に記載の光学装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の光学装置と、
   使用時に前記格子構造上に画像を投影するように配置されるプロジェクタと、
   前記プロジェクタと前記格子構造との間に配置されるカラーフィルタと、
   を有するシステム。
8. 請求項７に記載のシステムを有する眼鏡。
9. 画像を表示する方法であって、
   実質的に同一の光屈折率の媒体間に埋め込まれた光格子構造を有する光学装置を設けるステップであって、該構造が前記２つの媒体間の境界に光学コーティングを有し、前記格子構造が、使用時においてコーティングによる異常光学効果が実質的に減少されるように前記境界の面に対して傾斜された格子ファセットを有するようなステップと、
   プロジェクタ、及び該プロジェクタと前記光学装置との間に配置されるカラーフィルタを設けるステップと、
   前記プロジェクタからの画像を前記格子構造上に、前記画像が当該システムを見るユーザにより見られ得るように投影するステップと、
   を有する方法。

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