JP6415608B2 - 目用投影システム - Google Patents
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Description
使用者の目に事実上の、および/もしくは増大したバーチャル・リアリティーを投影するための、頭部装着型の、またはそうでなければ着用できる画像投影システムの人気が高まってきている。そのようなシステムは、多くの場合、使用者の頭(use’s head)に装着可能であり、使用者にバーチャル・リアリティー画像/映像を提供するために、使用者の目に画像を投影するように作動可能な眼鏡として構成される。このため、公知のシステムのいくつかは、使用者の目に純粋なバーチャル・リアリティー画像投影を提供することを目的としており、そこでは外景からの光が目に到達することが阻止され、他のシステムは、増大したバーチャル・リアリティー認識を提供することを対象としており、そこでは外景からの光は目まで通ることが許容される一方でまた、画像投影システムにより目に投影される画像/映像フレームにより増大され/重ね合せられる。
使用者にバーチャルまたは増大したリアリティーを提供するための従来の投影システムは、概して使用者の目に向けた画像(例えば、ビデオ画像)の投影に基づき、画像が、目の前に特定の距離(例えば、典型的には目から約4ないし数メートル離れた距離)を置いて配置される中間像面(intermediate image plane)に配置される/焦点が合わせられるものとして認識されるようになっている。画像が投影される中間像面は、目の前の実像面(real image plane)(すなわち、画像を形成する投影される光線が、実際にそこで焦点を合わす)であっても、虚像面(virtual image plane)(すなわち、画像を形成する投影される光線が、そこで焦点を合わすと使用者の目により認識される)であってもよい。いずれにせよ、そのような従来の画像投影システムでは、中間像面は、使用者の目に光学的に中継されなければならない。言い換えれば、中間像面(実像面または虚像面)は、典型的には目の前に特定の有限の距離を置いて配置されるため、目のレンズがその特定の距離に焦点を合わす場合のみ、目の網膜に焦点が合う。
式(1) αin=Fopt(αscn)−β=Fopt(S({Px,Py}))−β 。
式(2) F’opt(αscn,β)=Fopt(αscn)+β 。
実際、本発明のいくつかの態様によれば、この解決策は、目用投影光モジュール中に、第二の調整可能な光偏向器(例えば、アドレス指定可能な(addressable)ミラーを含む)である、同調可能な視線追跡偏向器(gaze tracking deflector)を含むことにより実行される。視線追跡偏向器は、視線の方向βに従って光線の光伝搬路を偏向させるために、目の視線の方向βを示す信号に応答するように構成されかつ作動可能であり、前記光線が視線の方向に関して(瞳の光軸、すなわち、その視線に関して)前記角αinで瞳に入射するようになっている。
式(3) Fopt(S’({Px,Py},β))=Fopt(S({Px,Py}))+β 。
の範囲内のあらゆる角度であり得る。したがって、典型的な眼球の直径Dが25mmであるため、瞳は名目上の半径6mmの領域に配置され得る。したがって、視線の方向βの利用は、目に向けられる光線が、様々な視線の方向で実際に瞳に到達するように、同等の半径(例えば約8mm)を有することを必要とする。
式(4) F’opt(S’({Px,Py},β−β1),β1)=Fopt(αscn)+β 。
ここで、β1は、目用投影光モジュールの同調可能な視線追跡偏向器によって補償される視線の方向の角度βの部分であり、(β−β1)は、処理によって(マッピング関数S’を同調することによって)補償される視線の方向の角度βの部分である。
− 入力光線を提供する光モジュールを含み;
− 入力光線の光路に配置され、入力光線を一つ以上の光線部分に分割するように適合され、全体的な光伝播路に関して投影角αscnで伝播するように一つ以上の光線部分を方向付ける、画像スキャナーを含み;
− 入力光線および一つ以上の入力光線部分の少なくとも一つの光路に配置され、一つ以上の光線部分の強度を制御可能に調整するように適合される、光強度変調器を含み;かつ
− 光強度変調器モジュールに接続可能であり、目の網膜に投影される画像画素を示す画像データを獲得し、光線部分にそれぞれ対応する画像の画素の値に従って光線部分の強度を調整するために光強度変調器モジュールを作動させるように構成されかつ作動可能な、投影制御器を含む。
画像中の画素の強度値に対応する強度を有する入力光線を生成するために、光モジュールを作動させること;
前記視線の方向βに従って、使用者の目の瞳に入射するよう入力光線を方向付けるように偏向角を調整することにより、第一および第二の二次元光偏向器の少なくとも一つを作動させること;および
画像中の画素の位置に対応する瞳入射角αinで瞳に入射するよう入力光線を方向付け、それにより、目のレンズによって画像中の画素の位置に対応する網膜上の位置にある画素に関連する光線の部分に焦点を合わすことが可能になるように偏向角を調整することにより、第一および第二の二次元光偏向器の少なくとも一つを作動させること。
以下の詳細な説明において、目下開示される主題の完全な理解を提供するため、数多くの具体的詳細が説明される。しかしながら、目下開示される主題が、これら具体的詳細のいくつかがなくても実施され得ることは、当業者により理解されるであろう。他の例では、周知の方法、手順および構成要素は、目下開示される主題を曖昧にしないため、詳細には説明されていない。
Claims (33)
- 目用投影システムであって、当該目用投影システムは、画像生成器および目用投影光モジュールを有し、
前記画像生成器は、画像を示すデータを獲得し、前記画像の画素に対応する複数の光線部分を生成し、前記複数の光線部分の各単数の光線部分の強度を該各単数の光線部分に対応する前記画像の画素の値に従って調整し、該各単数の光線部分を全体的な光伝播路に沿って前記目用投影光モジュールに向って前記全体的な光伝播路に関して投影角αscnで伝播するよう方向付けるように適合されており、ここで、投影角αscnは、前記画像中の前記それぞれの画素の位置に従って決定され;かつ
前記目用投影光モジュールは、使用者の目の視線の方向βを示す入力信号に応答して、前記視線の方向βに従って前記使用者の目の瞳に向けて前記複数の光線部分の前記全体的な光伝播路を偏向させるように構成されかつ作動可能な視線追跡偏向器を有し;
ここで、前記視線追跡偏向器は、前記全体的な光伝播路を、前記画像の各画素に関連する前記複数の光線部分が、前記視線の方向βに関連する前記瞳の視線に関して前記投影角αscnに対応する、対応する瞳入射角αinで前記瞳に入射するように偏向させるように構成されかつ作動可能であり、前記瞳入射角α in が、前記目の前記視線の方向βに対して不変であるようになっており、そのことにより、前記瞳入射角α in が、前記目の網膜上の各位置に対応することを提供し;
そのことにより、前記画像を前記網膜上の実質的な固定位置に前記目の前記視線の方向βに関わらず直接的に投影する、
前記目用投影システム。 - 前記複数の光線部分が実質的に平行である一方で、前記瞳に入射するよう前記複数の光線部分のコリメーションをもたらし、それにより前記網膜への前記画像の直接的な投影を可能にするように適合される一つ以上の光線コリメーターを有する、請求項1に記載の目用投影システム。
- 前記網膜への前記画像の前記直接的な投影が、前記画像が前記目から無限の距離から生じるように前記目により認識されることにより特徴付けられる、請求項2に記載の目用投影システム。
- 前記複数の光線部分の幅を、前記幅が前記瞳の直径より小さくなるようにもたらし、そのことにより、延ばされる焦点深度で前記網膜への前記画像の投影を可能にするように適合される一つ以上の光モジュールを有する、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記視線追跡偏向器が、前記全体的な光伝播路に沿って配置されるアドレス指定可能な光偏向ユニット、および前記システムを通る光伝播方向に関して前記アドレス指定可能な光偏向ユニットの下流の前記光路に配置されるフィールド・セレクター光モジュールを有する、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記アドレス指定可能な光偏向ユニットが、前記視線の方向βを示す前記入力信号に応答し、そこに入射する光線を前記視線の方向βに対応するそれぞれの光路に沿って伝播するよう偏向させるためにその偏向角を調整するように作動可能であり;かつ、前記フィールド・セレクター光モジュールが、異なった視線の方向βに対応する様々なそれぞれの光路に沿って伝播する光束を受け取り、それらをそれぞれ前記異なった視線の方向βに関連する前記瞳の対応する位置に向けるように構成されかつ作動可能である、請求項5に記載の目用投影システム。
- 前記フィールド・セレクター光モジュールが、非球状光学系を有する、請求項6に記載の目用投影システム。
- 前記フィールド・セレクター光モジュールが、軸外放物面偏向器を有する、請求項7に記載の目用投影システム。
- 前記目用投影光モジュールがさらに、角度光線中継モジュールを有し、該角度光線中継モジュールは、前記画像生成器から様々な投影角αscnで伝播する各単数の光線部分を受け取り、対応する瞳入射角αinで前記瞳に投影されるよう前記複数の光線部分を中継するように構成されかつ作動可能である、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記角度光線中継モジュールが、それぞれ第一および第二の焦点距離に関連する第一および第二の光モジュールを有し、前記第一及び第二の光モジュールは、前記第一および第二の焦点距離の合計と実質的に等しい光学距離により、前記全体的な光伝播路に沿って互いに間隔を置いて離れている、請求項9に記載の目用投影システム。
- 前記アドレス指定可能な光偏向ユニットが、前記角度光線中継モジュールの前記第一および第二の光モジュールの間の前記光路に沿って配置される、請求項10に記載の目用投影システム。
- 前記角度光線中継の前記第二の光モジュールおよび前記フィールド・セレクター光モジュールが、共通の光学素子中に統合される、請求項10または11に記載の目用投影システム。
- 前記投影角αscnと前記瞳入射角αinの対応が、前記瞳入射角αinが前記投影角αscnの単調関数となるようになっている、請求項1ないし12のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記画像生成器が、
− 入力光線を提供する光モジュールを有し;
− 前記入力光線の前記光路に配置され、前記入力光線を一つ以上の光線部分に分割し、前記光伝播路に関して前記投影角αscnで伝播するよう前記一つ以上の光線部分を方向付けるように適合される画像スキャナーを有し;
− 前記入力光線および前記一つ以上の入力光線部分の少なくとも一つの光路に配置され、一つ以上の光線部分の強度を制御可能に調整する光強度変調器を有し;かつ
− 前記光強度変調器モジュールに接続可能であり、前記網膜に投影される画像画素を示す画像データを獲得し、それぞれ前記複数の光線部分に対応する前記画像の画素の値に従って前記単数の光線部分の強度を調整するために前記光強度変調器モジュールを作動させるように構成されかつ作動可能である投影制御器を有する、請求項1ないし13のいずれか一項に記載の目用投影システム。 - 前記投影制御器が、前記画像スキャナーに接続可能であり、前記全体的な光伝播路に関して前記投影角αscnで伝播するよう前記単数の光線部分を方向付けるように作動可能である、請求項14に記載の目用投影システム。
- 前記光強度変調器が、前記入力光線をはっきりと異なるそれぞれの光路に沿って伝播する前記複数の光線部分に分割するように構成されかつ作動可能な空間的光変調器を有し、かつ、前記画像スキャナーが、異なった投影角αscnに向けて前記複数の光線部分を偏向させるように構成される静的光モジュールを有する、請求項14または15に記載の目用投影システム。
- 前記光強度変調器が、前記入力光線の強度を変調するように適合され、前記画像スキャナーが、前記入力光線をその時間的な部分である前記複数の光線部分に分割し、異なった
角度αscnに向けて伝播するようそれらを方向付ける走査ミラーを有する、請求項14ないし16のいずれか一項に記載の目用投影システム。 - 前記画像スキャナーが、入力光線を受け取り、前記複数の光線部分に分割し、前記投影角αscnで前記目用投影光モジュールに向けて伝播するようそれらを方向付けるように適合される少なくとも一つの走査光偏向器を有する、請求項14ないし17のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記少なくとも一つの走査光偏向器が、第一の調整可能な光偏向器であり、前記視線追跡偏向器が、第二の調整可能な光偏向器であり、ここで、前記第一および第二の調整可能な光偏向器は、異なった視線の方向βにおける前記瞳の位置に前記異なった視線の方向βにおける前記目の視線に関して所望の瞳入射角αinで入射するよう前記複数の光線部分を方向付けるために、前記複数の光線部分の前記伝播の二つ以上の自由度を制御する一方で、それぞれ前記複数の光線部分に関連する前記画像の前記それぞれの画素に対応するよう前記瞳入射角αinを調整するように作動する、請求項18に記載の目用投影システム。
- 前記視線追跡偏向器が、前記瞳に向けて伝播し、前記使用者の目が異なった方向を見るとき、前記瞳の考え得る位置を規定する仮想表面の実質的に球面上の部分を有する前記複数の光線部分の交差位置を制御するように構成されかつ作動可能である、請求項1に記載の目用投影システム。
- 前記第一の調整可能な光偏向器が、前記瞳の前記考え得る位置を規定する前記仮想表面の実質的に球面上の部分を有する前記複数の光線部分の交差角を制御するように構成されかつ作動可能である、請求項19に記載の目用投影システム。
- 前記一つ以上の光線コリメーターが、前記瞳に入射する前記単数の光線部分の平行度を制御するように適合される、請求項2ないし21のいずれか一項に記載の目用投影システム。
- 前記一つ以上の光線コリメーターが、前記単数の光線部分が前記瞳に入射するとき実質的に平行になるように構成される、請求項22に記載の目用投影システム。
- 前記一つ以上の光線コリメーターが、前記単数の光線部分が前記瞳に入射するとき、前記単数の光線部分の幅が前記瞳の直径より実質的に狭くなるように構成される、請求項22または23に記載の目用投影システム。
- 請求項1ないし24のいずれか一項に記載の目用投影システムを有する眼鏡。
- 増大したバーチャル・リアリティーを前記目に投影するために構成され、前記眼鏡のレンズが、前記目用投影システムからの光を前記使用者の目に向けて反射し、外景からの外部光を前記使用者の目に向けて伝達するように適合される光線分割器/結合器表面を有する、請求項25に記載の眼鏡。
- 光モジュールにより生成される前記入力光線が、一つ以上のスペクトル帯を有し、かつ、前記光線分割器/結合器表面が、前記使用者の目に向けて前記一つ以上のスペクトル帯を反射するように適合されるノッチ・フィルターとして構成される、請求項26に記載の眼鏡。
- 前記光モジュールにより生成される前記入力光線が、特定の偏光線で偏光し、かつ、前記光線分割器/結合器表面が、前記使用者の目に向けて前記特定の偏光線を反射するように適合される偏光板として構成される、請求項26または27に記載の眼鏡。
- 純粋なバーチャル・リアリティーを投影するように構成される、請求項25に記載の眼鏡。
- 使用者の網膜に画像を投影するための目用投影システムであって、当該目用投影システムは:
制御可能な強度を有する入力光線を生成するための光モジュールを有し;
前記入力光線の光路に配置される光学系を有し、該光学系は、第一および第二の二次元光偏向器を有し;かつ
前記使用者の目の網膜に投影される画像を示すデータおよび前記目の視線の方向βを示すデータを受け取り、前記網膜上の対応する位置に前記画像の画素を投影するように適合される制御器を有し、ここで、前記投影は、前記画像のそれぞれの画素の投影のために以下の事項を実行することを有し、該事項が:
前記画像中の前記画素の強度値に対応する強度を有する入力光線部分を生成するために、前記光モジュールを作動させること;
前記視線の方向βに従って前記入力光線部分を方向付けるために、その偏向角を調整することにより、前記第一および第二の二次元光偏向器の少なくとも一つを作動させることであり:(i)前記入力光線部分が、前記視線の方向において前記使用者の目の瞳の位置に入射し;かつ、(ii)前記入力光線部分が、前記視線の方向に関して瞳入射角αinで前記瞳に入射し、前記瞳入射角α in が、前記画像中の前記画素の位置に対応し、かつ、前記視線の方向βに対して不変であるようになっており、
それにより、目のレンズによる前記画像中の前記画素の前記位置に対応する前記網膜上の前記画素に関連する前記光線の部分の焦点合わせを可能にする、
前記目用投影システム。 - 目用投影システムであって、当該目用投影システムは、画像生成器および目用投影光モジュールを有し、
前記画像生成器は、画像を示すデータを獲得し、前記画像の画素に対応する複数の光線部分を生成し、前記複数の光線部分の各単数の光線部分の強度を該各単数の光線部分に対応する前記画像の画素の値に従って調整し、該各単数の光線部分を全体的な光伝播路に沿って前記目用投影光モジュールに向って前記全体的な光伝播路に関して投影角α scn で伝播するよう方向付けるように適合されており、ここで、投影角α scn は、前記画像中の前記それぞれの画素の位置に従って決定され;かつ
前記目用投影光モジュールは、使用者の目の視線の方向βを示す入力信号に応答して、前記視線の方向βに従って前記使用者の目の瞳に向けて前記複数の光線部分の前記全体的な光伝播路を偏向させるように構成されかつ作動可能な視線追跡偏向器を有し;
ここで、前記視線追跡偏向器は、前記全体的な光伝播路を偏向させるように構成されかつ作動可能であり、
− 前記光線部分が、前記視線の方向において関連する前記瞳の前記位置に向かって方向付けられ、かつ、
− 前記光線部分が、前記視線の方向βに関連する前記瞳の視線に関して前記投影角α scn に対応する瞳入射角α in で前記瞳に入射するように方向付けられるようになっており、
そのことにより、前記画像を前記網膜上の実質的な固定位置に前記目の前記視線の方向βに関わらず直接的に投影する、
前記目用投影システム。 - 前記視線追跡偏向器が、前記全体的な光伝播路に沿って配置されるアドレス指定可能な光偏向ユニット、および前記システムを通る光伝播方向に関して前記アドレス指定可能な光偏向ユニットの下流の前記光路に配置されるフィールド・セレクター光モジュールを有する、請求項31に記載の目用投影システム。
- 前記アドレス指定可能な光偏向ユニットが、前記視線の方向βを示す前記入力信号に応答し、そこに入射する光線を前記視線の方向βに対応するそれぞれの光路に沿って伝播するよう偏向させるためにその偏向角を調整するように作動可能であり;かつ、前記フィールド・セレクター光モジュールが、異なった視線の方向βに対応する様々なそれぞれの光路に沿って伝播する光束を受け取り、それらをそれぞれ前記異なった視線の方向βに関連する前記瞳の対応する位置に向けるように構成されかつ作動可能である、請求項32に記載の目用投影システム。
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