JP2021056535A - 仮想および拡張現実のための分離された瞳光学システムおよびそれを用いた画像表示の方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、本願は以下の項目を提供する。
(項目1)
イメージングシステムであって、前記システムは、
複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている光源と、
前記複数のビームを修正するように構成されている出射光学システムであって、前記出射光学システムから出て行く前記複数のビームのうちのビームによって形成されるそれぞれの瞳は、互いから空間的に分離されている、出射光学システムと、
内部結合格子を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記内部結合格子は、前記複数のビームのうちの第1のビームが前記光誘導光学要素の中に入ることを許すが、前記複数のビームのうちの第2のビームを前記光誘導光学要素から除外するように構成され、それによって、前記第1のビームが、前記光誘導光学要素を通した実質的全内部反射によって伝搬する、システム。
(項目2)
前記複数のビームのうちの各ビームは、少なくとも1つの光特性において、前記複数のビームのうちの他のビームと異なる、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記少なくとも1つの光特性は、色を含む、項目2に記載のシステム。
(項目4)
前記少なくとも1つの光特性は、偏光を含む、項目2に記載のシステム。
(項目5)
前記光源は、複数のサブ光源を備えている、項目1に記載のシステム。
(項目6)
前記複数のサブ光源は、互いから空間的に分離されている、項目5に記載のシステム。(項目7)
前記複数のサブ光源は、サブ光源の第1および第2の群を備え、前記第1の群のサブ光源は、前記イメージングシステムの光学経路に沿って前記第2の群のサブ光源から変位させられている、項目6に記載のシステム。
(項目8)
前記光源は、前記複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている一体型光源である、項目1に記載のシステム。
(項目9)
前記光源からの光を別個の放出エリアおよび位置に区画化するように構成されているマスクオーバレイをさらに備えている、項目8に記載のシステム。
(項目10)
前記複数のビームのうちの第1のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第1の空間光変調器をさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目11)
前記複数のビームのうちの第2のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第2の空間光変調器をさらに備えている、項目10に記載のシステム。
(項目12)
前記第1および第2の空間光変調器は、交互にアクティブにされるように構成されている、項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記第1および第2の空間光変調器は、互いから空間的に変位させられているそれぞれの画像フィールドを有する、項目11に記載のシステム。
(項目14)
前記第1および第2の空間光変調器は、異なる深度平面において画像を生成するように構成されている、項目11に記載のシステム。
(項目15)
それぞれの複数の内部結合格子を有する複数の光誘導光学要素をさらに備え、
前記光源は、複数のサブ光源を備え、
それぞれの複数のサブ光源および内部結合格子は、前記第1の空間光変調器に対して光学軸の周囲を回転させられる、項目10に記載のシステム。
(項目16)
前記光誘導光学要素に隣接する前記複数のビームのうちのビームによって形成される瞳の形状を修正するように構成されているマスクをさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目17)
前記光誘導光学要素に隣接する前記複数のビームのうちのビームによって形成される瞳のサイズを修正するように構成されている光学要素をさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目18)
前記出射光学システムは、前記イメージングシステムの光学経路に沿って偏心断面を有する、項目1に記載のシステム。
(項目19)
前記内部結合格子は、前記複数のビームのうちの前記第1のビームが前記内部結合格子に1回のみ遭遇するように構成されている、項目1に記載のシステム。
(項目20)
前記光源の開口数を増加させるように構成されている瞳エキスパンダをさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目21)
前記瞳エキスパンダは、フィルムを備え、前記フィルムは、その上に配置されているプリズムパターンを有する、項目20に記載のシステム。
(項目22)
前記光源および前記出射光学システムは、前記出射光学システムから出て行く前記複数のビームによって形成されるそれぞれの瞳が複数のサイズを有するように構成されている、項目1に記載のシステム。
(項目23)
光学システムを使用して画像を表示する方法であって、前記方法は、
光源が、第1の光ビームを生成することと、
空間光変調器が、前記第1のビームを第1の画像データを用いてエンコードすることと、
出射光学システムが、前記第1のビームが第1の光誘導光学要素上の第1の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第1の光誘導光学要素に入るが、第2の光誘導光学要素に入らないように、前記第1のビームを修正することと、
前記光源が、第2の光ビームを生成することと、
前記空間光変調器が、前記第2のビームを第2の画像データを用いてエンコードすることと、
前記出射光学システムが、前記第2のビームが前記第2の光誘導光学要素上の第2の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第2の光誘導光学要素に入るが、前記第1の光誘導光学要素に入らないように、前記第2のビームの焦点を合わせることと
を含む、方法。
(項目24)
前記出射光学システムから出て行く前記第1および第2のビームによって形成される第1および第2の瞳は、互いから空間的に分離されている、項目23に記載の方法。
(項目25)
前記出射光学システムから出て行く前記第1および第2のビームによって形成される第1および第2の瞳は、異なるサイズを有する、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記光源が、第3の光ビームを生成することと、
前記空間光変調器が、前記第3のビームを第3の画像データを用いてエンコードすることと、
前記出射光学システムが、前記第3のビームが第3の光誘導光学要素上の第3の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第3の光誘導光学要素に入るが、前記第1または第2の光誘導光学要素に入らないように、前記第3のビームの焦点を合わせることと
をさらに含み、
前記出射光学システムから出て行く前記第3のビームは、第3の瞳を形成し、
前記第1、第2、および第3の瞳は、互いから空間的に分離されている、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記第1、第2、および第3の瞳は、前記出射光学システムの光学経路に直交する平面内に三角形の頂点を形成する、項目26に記載の方法。
(項目28)
前記第1のビームは、青色光を含み、前記第1の瞳は、前記第2および第3の瞳より小さい、項目26に記載の方法。
(項目29)
前記第1のビームは、緑色光を含み、前記第1の瞳は、前記第2および第3の瞳より大きい、項目26に記載の方法。
(項目30)
前記第1および第2のビームを修正し、前記第1および第2の瞳のそれぞれの形状を細くすることをさらに含む、項目25に記載の方法。
(項目31)
前記光源は、前記第1および第2のビームを生成するように構成されている第1および第2の空間的に分離されたサブ光源を備え、前記方法は、第1のサブ光源をアクティブ状態に維持しながら、前記第2のサブ光源を非アクティブにすることによって、画像色を変化させることをさらに含む、項目23に記載の方法。
(項目32)
前記光源は、前記第1および第2のビームを生成するように構成されている第1および第2の空間的に分離されたサブ光源を備え、前記方法は、第1のサブ光源をアクティブ状態に維持しながら、前記第2のサブ光源を非アクティブにすることによって、画像深度を変化させることをさらに含む、項目23に記載の方法。
(項目33)
前記第1のビームは、赤色光および青色光の両方を含み、前記第2のビームは、緑色光を含む、項目23に記載の方法。
仮想画像を種々の深度において生成するための1つのタイプの光学システムは、3−D体験/シナリオの品質(例えば、イメージング面の数)および画像の品質(例えば、画像色の数)が向上するにつれて、その数が増加し、それによって、ARおよびVRシステムの複雑性、サイズ、ならびにコストを増加させる、多数の光学構成要素(例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、眼レンズ等)を含む。3−Dシナリオ/画質の向上に伴う光学システムのサイズの増加は、ARおよびVRシステムの最小サイズに限界を課し、効率が低下した煩雑なシステムをもたらす。
分離された瞳の発明の実施形態の詳細を説明する前に、本開示は、ここで、例証的光学システムの簡単な説明を提供するであろう。実施形態は、任意の光学システムと共に使用されることができるが、特定のシステム(例えば、ARシステム)が、実施形態の基礎となる技術を例証するために説明される。
ここで図5を参照して、光学システムの複雑性およびサイズの問題に対処する、分離された瞳ARシステム1000の例示的実施形態が、ここで説明されるであろう。システム1000は、前述のように、スタックされた光誘導光学要素アセンブリ1090を使用する。ARシステム1000は、概して、画像生成プロセッサ1010と、光源1020と、コントローラ1030と、空間光変調器(「SLM」)1040と、出射光学システム1060と、多平面焦点システムとして機能する、少なくとも1組のスタックされたLOE1090とを含む。システムはまた、眼追跡サブシステム1050を含み得る。他の実施形態は、複数の組のスタックされたLOE1090を有し得るが、以下の開示は、図5の例示的実施形態に焦点を当てるであろうことを理解されたい。
ARシステム2000内の光学構成要素の幾何学形状は、システムのサイズを減少させながら、下位瞳302の空間分離を維持するように選択されることができる。例えば、図17Aでは、出射光学システム2060の断面形状は、丸みを帯びた長方形(すなわち、丸みを帯びた角および丸みを帯びた短辺を伴う長方形)である。図17Aおよび17Bに示されるように、SLM2024にアドレスするビームが、互いから空間的に分離される場合、本実施形態における出射光学システム2060は、類似の空間的に分離された下位瞳302を形成するであろう。
前述のスタックされたDOE/光誘導光学要素1090、2090は、加えて、射出瞳エキスパンダ(「EPE」)として機能し、光源1020、2020の開口数を増加させ、それによって、システム1000、2000の分解能を増加させることができることを理解されたい。光源1020、2020は、小直径/スポットサイズの光を生成し、EPEは、光誘導光学要素1090、2090から出て行く光の見掛け瞳を拡張し、システム分解能を増加させることができる。ARシステムの他の実施形態では、システムは、EPEに加え、直交瞳エキスパンダ(「OPE」)をさらに備え、XおよびY方向の両方において光を拡張し得る。
図34Aは、図14Bおよび15Aに描写されるものに類似する上位瞳300内の下位瞳302の空間配列を示す。図34Aに示されるように、ARシステム2000は、それぞれの下位瞳302がX、Y平面において空間的に分離されるように構成されることができる。図34Aは、円形上位瞳300内の約1時の方向における下位瞳302cに対応する光ビームの回折によって形成されるアーチファクト308を描写する。光ビームは、SLM(例えば、DLPまたはLCOS)ピクセル境界および構造によって回折され、X軸およびY軸に沿って下位瞳302cと整列させられる一連のアーチファクト308を形成する。
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