JP6833830B2 - マルチビーム回折格子ベースのニアアイディスプレイ - Google Patents
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Description
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に援用される、2015年10月16日に出願された米国仮特許出願第62/242,980号の優先権を主張する。
該当なし
[1]ニアアイディスプレイであって、
画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、
上記画像の上記複数の異なるビューを、上記ニアアイディスプレイの出力においてアイボックス内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成された光学系であって、上記アイボックス内の上記対応する複数の異なる位置に提供される上記複数の異なるビューは、上記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度キューを与えるように構成される、光学系と、
を備える、ニアアイディスプレイ。
[2]上記画像は3次元(3D)画像を含み、上記複数の異なるビューのうちの異なるビュー(views)は、上記3D画像の異なる斜視図を表す、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[3]上記画像の上記複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含む、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[4]上記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、上記光学系は入力開口を有し、上記全角度範囲は、上記入力開口のサイズに実質的に対応するように構成される、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[5]上記光学系は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する上記アイボックスからの距離の位置に上記画像の仮想画像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ
[6]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび上記光学系の双方が、ユーザの視野(FOV)の一部分を実質的にブロックするように上記FOV内に位置し、上記ニアアイディスプレイは、物理環境のビューを上記ブロックされたFOV部分内の上記画像と置き換えるように構成されたバーチャルリアリティーディスプレイである、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[7]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、ユーザの視野(FOV)の外側に位置し、上記光学系は、上記FOV内に位置し、上記ニアアイディスプレイは、上記FOV内の物理環境のビューを、上記画像を用いて拡張するように構成された拡張現実ディスプレイである、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[8]上記光学系は、自由形状プリズムを含む、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[9]上記光学系は、自由形状補正レンズを更に含む、上記[8]に記載のニアアイディスプレイ。
[10]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドと、
上記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、上記アレイのマルチビーム回折格子は、上記導波コリメート光ビームの一部分を、上記画像の上記複数の異なるビューの視認方向に対応する異なる複数の主角度方向を有する外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成されるアレイと、
を備える、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[11]上記マルチビーム回折格子は、線形チャープ回折格子である、上記[10]に記載のニアアイディスプレイ。
[12]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
上記コリメート光ビームを平板ライトガイド光に提供するように構成された光源と、
上記平板ライトガイド表面に隣接するライトバルブアレイであって、上記ライトバルブアレイは、上記外へ結合された光ビームを、上記画像の上記複数の異なるビューに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブアレイと、
を更に備える、上記[10]に記載のニアアイディスプレイ。
[13]上記光源は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光源を備え、上記複数の異なる光源は、光の上記異なる色の各々に対応するコリメート導波光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される、上記[12]に記載のニアアイディスプレイ。
[14]上記[1]に記載のニアアイディスプレイの対を備えるニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、上記対の第1のニアアイディスプレイは、第1の画像の第1の複数の異なるビューを第1のアイボックスに提供するように構成され、上記対の第2のニアアイディスプレイは、第2の画像の第2の複数の異なるビューを第2のアイボックスに提供するように構成され、上記第2のアイボックスは、上記第1のアイボックスから横方向にオフセットされ、上記第1の画像および上記第2の画像は画像の立体対を表す、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[15]ニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対であって、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、3次元(3Dの)シーンを表す立体画像の対の異なる画像を提供するように構成される、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対と、
上記立体画像対の上記異なる画像をアイボックスの対応する対に別個に中継するように構成された両眼光学系であって、上記アイボックスは互いに横方向に変位される、両眼光学系と、
を備え、上記ディスプレイ対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、平板ライトガイドと、マルチビーム回折格子のアレイとを備え、上記アレイのマルチビーム回折格子は、上記平板ライトガイド内からの導波光を、外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成され、上記外へ結合された複数の光ビームは、上記立体画像対の上記異なる画像を提供するように構成される、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[16]上記立体画像対の上記異なる画像の各々は、上記3Dシーンの複数の異なるビューを含み、上記外へ結合された複数の光ビームは、上記外へ結合された複数の光ビームの上記異なるビューの3Dビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[17]上記両眼光学系は、上記アイボックス内の対応する複数の異なる位置に上記複数の異なるビューを中継するように構成され、上記アイボックス内の上記複数の異なる位置に提供される上記複数の異なるビューは、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムのユーザに、焦点深度キューを提供するように構成され、上記焦点深度キューは、上記立体画像対の上記異なる画像間の両眼視差に対応する、上記[16]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[18]上記両眼光学系は、第1の自由形状プリズムおよび第2の自由形状プリズムを含み、上記第1の自由形状プリズムは、上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第1のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される画像を上記アイボックス対の第1のアイボックスに中継するように構成され、上記第2の自由形状プリズムは、上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される異なる画像を、上記アイボックス対の第2のアイボックスに中継するように構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[19]上記両眼光学系は、物理環境の異なる画像を上記アイボックスの対に提供するように構成された自由形状補正レンズの対を更に含み、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、上記[18]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[20]上記立体画像対の上記提供される異なる画像は、上記アイボックス内の物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成され、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとして構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[21]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
光を提供するように構成される光源と、
上記光源によって提供される上記光をコリメートするように構成される光学コリメータと、
上記平板ライトガイドに隣接するライトバルブのアレイであって、上記ライトバルブアレイは、上記外へ結合された光ビームを、上記立体画像対の上記提供される画像のピクセルに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブのアレイと、
を更に備え、上記平板ライトガイドは、非ゼロの伝播角度で上記コリメート光をコリメート光ビームとして導波するように構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[22]ニアアイ画像ディスプレイ動作の方法であって、
非ゼロ伝播角度でライトガイド内でコリメート光ビームを導波することと、
マルチビーム回折格子を用いて、上記導波されたコリメート光ビームの一部分を回折により上記ライトガイドから外へ結合し、異なる複数の主角度方向で上記ライトガイドから離れる方向に向けられた、複数の外へ結合される光ビームを生成して、上記外へ結合された光ビームの上記複数の異なる主角度方向に対応する、画像の複数の異なるビューを提供する、ことと、
上記画像の上記複数の異なるビューを、光学系を用いてアイボックスに中継することと、
を含む、方法。
[23]上記複数の異なるビューを中継することは、上記異なるビューのうちの異なる各々を上記アイボックス内の異なる位置に中継し、上記異なる位置に提供される異なるビューは、上記アイボックス内の画像を視認するユーザに焦点深度キューを与える、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
[24]上記画像の上記複数の異なるビューを中継することは、上記アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように上記画像を拡大することを含む、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
[25]上記画像の上記複数の異なるビューを中継することは、上記画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイの一方または双方を提供する、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。
、外へ結合された光ビームは、互いに異なる主角度方向を有する。更に、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子によって生成されたこれらの異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、表示画像の異なるビューに対応するピクセルとしての役割を果たすことができる。
ectionality)と、これらの光ビームのうちの1つまたは複数に対するマルチビーム回折格子の波長または色選択性(selectivity)の一方または両方を制御するために用いることができる。角度指向性および波長選択性を制御するために用いることができる特性は、格子長さ、格子ピッチ(特徴部間隔)、特徴部の形状、特徴部のサイズ(例えば、溝または隆線(ridge)の幅)、および格子の向きのうちの1つまたは複数を含むが、これらに限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、光ビームの原点の近傍に局所的な特性としてもよい。
の複数の光源」は、本明細書において、光源のうちの少なくとも1つが、色を有する光を生成するか、または等価には、複数の光源のうちの少なくとも1つの他の光源によって生成される光の色もしくは波長と異なる波長を有する光を生成する、光源の組またはグループとして明示的に定義される。更に、「異なる色の複数の光源」は、複数の光源のうちの少なくとも2つの光源が異なる色の光源である(すなわち、少なくとも2つの光源が、異なる光の色を生成する)限り、同じまたは実質的に類似した色の2つ以上の光源を含むことができる。このため、本明細書における定義上、異なる色の複数の光源は、第1の色の光を生成する第1の光源と、第2の色の光を生成する第2の光源とを含むことができ、ここで、第2の色は第1の色と異なる。
に構成される。
するかまたは「跳ね返る」ことによって伝播する(例えば、導波光ビームの光線を表す伸びた角度を付けられた矢印によって示される)。
示せず)、マルチビーム回折格子114のうちの1つまたは複数が平板ライトガイド112の底面または背面(すなわち、マルチビーム回折格子114と共に示される表面に対し反対の表面)に、あるいは底面上または背面上に位置することができる。組み合わせで、平板ライトガイド112およびマルチビーム回折格子114のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110のマルチビーム回折格子ベースの背面照明を提供するか、またはその機能を果たす。
よび第2の自由形状プリズム(図6に示されていない)を含むことができる。第1の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第1のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を、アイボックス対のうちの第1のアイボックス204に中継するように構成することができる。同様に、第2の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を、アイボックス対のうちの第2のアイボックス204に中継するように構成することができる。他の実施形態(図示せず)では、両眼光学系220は、拡大鏡の対(例えば、上記で説明した単純な拡大鏡122に実質的に類似した単純な拡大鏡の対)を含むことができる。
12 矢印
100 ニアアイディスプレイ
102 アイボックス
104 複数の異なるビュー
106 仮想画像
108 光線
110 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
112 平板ライトガイド
114 マルチビーム回折格子
116 ライトバルブアレイ
118 光源
120 光学系
122 拡大鏡
124 自由形状プリズム
126 自由形状補正レンズ
128 部分的に反射性の表面
200 ニアアイ両眼ディスプレイシステム
202 画像
204 アイボックス
210 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
212 平板ライトガイド
214 マルチビーム回折格子
216 光バルブ
218 光源
220 両眼光学系
Claims (25)
- ニアアイディスプレイであって、
画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、
前記画像の前記複数の異なるビューを、前記ニアアイディスプレイの出力においてアイボックス内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成された光学系であって、前記アイボックス内の前記対応する複数の異なる位置に提供される前記複数の異なるビューは、前記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度キューを与えるように構成される、光学系と、
を備える、ニアアイディスプレイ。 - 前記画像は3次元(3D)画像を含み、前記複数の異なるビューのうちの異なるビュー(views)は、前記3D画像の異なる斜視図を表す、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記画像の前記複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含む、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、前記光学系は入力開口を有し、前記全角度範囲は、前記入力開口のサイズに実質的に対応するように構成される、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記光学系は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する前記アイボックスからの距離の位置に前記画像の仮想画像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、請求項1に記載のニアアイディスプレイ
- 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび前記光学系の双方が、ユーザの視野(FOV)の一部分を実質的にブロックするように前記FOV内に位置し、前記ニアアイディスプレイは、物理環境のビューを前記ブロックされたFOV部分内の前記画像と置き換えるように構成されたバーチャルリアリティーディスプレイである、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、ユーザの視野(FOV)の外側に位置し、前記光学系は、前記FOV内に位置し、前記ニアアイディスプレイは、前記FOV内の物理環境のビューを、前記画像を用いて拡張するように構成された拡張現実ディスプレイである、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記光学系は、自由形状プリズムを含む、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記光学系は、自由形状補正レンズを更に含む、請求項8に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドと、
前記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記アレイのマルチビーム回折格子は、前記導波コリメート光ビームの一部分を、前記画像の前記複数の異なるビューの視認方向に対応する異なる複数の主角度方向を有する外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成されるアレイと、
を備える、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。 - 前記マルチビーム回折格子は、線形チャープ回折格子である、請求項10に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
前記コリメート光ビームを平板ライトガイド光に提供するように構成された光源と、
前記平板ライトガイド表面に隣接するライトバルブアレイであって、前記ライトバルブアレイは、前記外へ結合された光ビームを、前記画像の前記複数の異なるビューに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブアレイと、
を更に備える、請求項10に記載のニアアイディスプレイ。 - 前記光源は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光源を備え、前記複数の異なる光源は、光の前記異なる色の各々に対応するコリメート導波光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される、請求項12に記載のニアアイディスプレイ。
- 請求項1に記載のニアアイディスプレイの対を備えるニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、前記対の第1のニアアイディスプレイは、第1の画像の第1の複数の異なるビューを第1のアイボックスに提供するように構成され、前記対の第2のニアアイディスプレイは、第2の画像の第2の複数の異なるビューを第2のアイボックスに提供するように構成され、前記第2のアイボックスは、前記第1のアイボックスから横方向にオフセットされ、前記第1の画像および前記第2の画像は画像の立体対を表す、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- ニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対であって、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、3次元(3Dの)シーンを表す立体画像の対の異なる画像を提供するように構成される、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対と、
前記立体画像対の前記異なる画像をアイボックスの対応する対に別個に中継するように構成された両眼光学系であって、前記アイボックスは互いに横方向に変位される、両眼光学系と、
を備え、前記ディスプレイ対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、平板ライトガイドと、マルチビーム回折格子のアレイとを備え、前記アレイのマルチビーム回折格子は、前記平板ライトガイド内からの導波光を、外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成され、前記外へ結合された複数の光ビームは、前記立体画像対の前記異なる画像を提供するように構成される、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。 - 前記立体画像対の前記異なる画像の各々は、前記3Dシーンの複数の異なるビューを含み、前記外へ結合された複数の光ビームは、前記外へ結合された複数の光ビームの前記異なるビューの3Dビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- 前記両眼光学系は、前記アイボックス内の対応する複数の異なる位置に前記複数の異なるビューを中継するように構成され、前記アイボックス内の前記複数の異なる位置に提供される前記複数の異なるビューは、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムのユーザに、焦点深度キューを提供するように構成され、前記焦点深度キューは、前記立体画像対の前記異なる画像間の両眼視差に対応する、請求項16に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- 前記両眼光学系は、第1の自由形状プリズムおよび第2の自由形状プリズムを含み、前記第1の自由形状プリズムは、前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第1のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される画像を前記アイボックス対の第1のアイボックスに中継するように構成され、前記第2の自由形状プリズムは、前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される異なる画像を、前記アイボックス対の第2のアイボックスに中継するように構成される、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- 前記両眼光学系は、物理環境の異なる画像を前記アイボックスの対に提供するように構成された自由形状補正レンズの対を更に含み、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、請求項18に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- 前記立体画像対の前記提供される異なる画像は、前記アイボックス内の物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成され、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとして構成される、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
- 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
光を提供するように構成される光源と、
前記光源によって提供される前記光をコリメートするように構成される光学コリメータと、
前記平板ライトガイドに隣接するライトバルブのアレイであって、前記ライトバルブアレイは、前記外へ結合された光ビームを、前記立体画像対の前記提供される画像のピクセルに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブのアレイと、
を更に備え、前記平板ライトガイドは、非ゼロの伝播角度で前記コリメート光をコリメート光ビームとして導波するように構成される、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。 - ニアアイ画像ディスプレイ動作の方法であって、
非ゼロ伝播角度でライトガイド内でコリメート光ビームを導波することと、
マルチビーム回折格子を用いて、前記導波されたコリメート光ビームの一部分を回折により前記ライトガイドから外へ結合し、異なる複数の主角度方向で前記ライトガイドから離れる方向に向けられた、複数の外へ結合される光ビームを生成して、前記外へ結合された光ビームの前記複数の異なる主角度方向に対応する、画像の複数の異なるビューを提供する、ことと、
前記画像の前記複数の異なるビューを、光学系を用いてアイボックスに中継することと、
を含む、方法。 - 前記複数の異なるビューを中継することは、前記異なるビューのうちの異なる各々を前記アイボックス内の異なる位置に中継し、前記異なる位置に提供される異なるビューは、前記アイボックス内の画像を視認するユーザに焦点深度キューを与える、請求項22に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
- 前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように前記画像を拡大することを含む、請求項22に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
- 前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイの一方または双方を提供する、請求項22に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
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