JP7053622B2 - シースルーディスプレイシステム - Google Patents

Description

［関連する出願］
本出願は、２０１６年１２月１５日に出願され米国仮特許出願第６２／４９８，１４０号の優先日を主張する非仮出願である。本出願及び米国仮特許出願第６２／４９８，１４０は、２０１３年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／９５７，２５８の非仮出願で２０１４年６月２７日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０００１５３の一部継続出願（ＣＩＰ）である。

本発明は、シースルーディスプレイに画像を投影するためのディスプレイシステムに関する。本発明の目的は、ディスプレイの可視領域（アイボックス）を拡大するための、眼鏡型ディスプレイおよびヘッドアップディスプレイなどの投影ディスプレイ用のコンパクトで低コストのＥＰＥ（射出瞳拡大器）を作成することである。

スマートフォンが市場で広く受け入れられてから、ウェアラブルディスプレイが近年注目を集めている。ウェアラブルディスプレイは、通常の視界と同じ距離で画像を表示するだけでなく、ハンズフリー操作を提供する。ウェアラブルディスプレイには大きなニーズがある。しかし、これまでは、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、眼鏡型ディスプレイなどのニアアイディスプレイは、しばしば重すぎる、大きすぎる、暗すぎる、低解像度、透過性が悪く、高価で、小さいサイズの画像しか見えなかったため、必ずしも視聴者を満足させるものではなかった。明るく、小さく、明るく、高解像度で、透過性が良く、ステルスで、安価で、大きなサイズの画像が必要とされている。本発明は、これらの必要性の全てを満たす新しい表示システムを提供する。

図１及び図１Ａに示すように、Kasaiらは、米国特許第７４６０２８６号明細書（特許文献１）において、ホログラフィック光学素子を用いてシースルー機能を実現する眼鏡型ディスプレイシステムを開示している。この表示システムは、表示装置から法線方向、より具体的にはＬＣＤディスプレイの表面に対して垂直方向に画像を投影し、画像を含む投影光は光導波路に導かれ、観察者の眼に向かって反射される。導波路のため、視野と解像度は非常に限られている。

図２と図２Ａに示すように、Ｍｕｋａｗａらは、ＳＩＤ ２００８ ＤｉｇｅｓｔのＩＳＳＮ／００８－０９６６Ｘ／０８／３９０１－００８９”Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”（非特許文献１）において、２枚のホログラフィック光学素子のプレートを通してシースルー機能を実現するメガネタイプのディスプレイシステムを開示している。このシステムはまた、解像度および視野を制限する導波路を使用する。

図３に示すように、Ｌｅｖｏｌａは、ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６－６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１－００６４，”Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”（非特許文献２）において、ＬＣＤ装置を２つの眼の中央に配置する別の実施態様を開示している。しかし、それはフォームファクタを拡大する大きな突出スペースを必要とする。上記３種類のディスプレイは、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）または回折光学素子（ＤＯＥ）のいずれかを使用しており、これらの全ては、大きな色収差、色のクロストーク、大きな像面湾曲収差および歪曲収差のいくつかの基本的な困難を有する。Ｍｕｋａｗａらは、複数導波路を用いて色のクロストークを低減する方法を説明したが、これはシステムをより重く、より厚くし、光の利用効率を低下させる。Ｋａｓａｉらは、他の収差は残っておりＦＯＢ（視野）はこれらの収差が目立たないように小さくなければならないが、光利用の効率を改善するための単一のＨＯＥを使用した。本発明はこれらの問題がどのように除去されるかを示す。

図４および図４Ａに示すように、Ｌｉらは、米国特許第７３６９３１７号明細書（特許文献２）に、眼鏡に取り付け可能な小型ディスプレイおよびカメラモジュールを開示した。これはまた、厚いＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を必要とし、ＦＯＢ（視野）はかなり小さく、これはステルスではなく、ディスプレイの存在は非常に明白である。

米国特許第７４６０２８６号明細書 米国特許第７３６９３１７号明細書

Ｍｕｋａｗａ ｅｔ ａｌ．，ＳＩＤ ２００８ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ／００８－０９６６Ｘ／０８／３９０１－００８９，"Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ" Ｌｅｖｏｌａ，ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６－６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１－００６４，"Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ"

図１および図２のような例は、ホログラムおよび導波管を使用してシースルー画像を備えたウェアラブルディスプレイが可能であることを公に実証することに成功した。しかし、どちらもディスプレイとしてＬＣＤを使用していて、かさばるディスプレイと眼鏡の内部に収まらない光学部分を有していた。一方、図７および図８に示すように、静電力または磁力によって駆動される１つのミラーのみを使用する小型レーザービームスキャナー（ＬＢＳ）が開発され、それは２Ｄピクセルアレイと比較して実質的に小型である。しかし、ＬＢＳから投射されるビームは原理的に非常に狭く、図８に示すように観察者が画像を見ることができる非常に小さい可視領域（アイボックス）を作り出す。アイボックスは、図９に示すように、画像が観察者に見える空間内のボックス（幅×長さ×高さ）として定義される。アイボックスが小さいということは、ディスプレイが短い距離で動かされると、視聴者が画像を失うことを意味する。これは、視聴者がディスプレイを保持するための厳密な位置決めを必要とし、しばしば不快な視聴を引き起こす。ディスプレイに大きなアイボックスがある場合、視聴者は画像を失うことなくアイボックス内を自由に移動できる。ＬＢＳは非常に狭いビームを投射して高解像度画像を達成する。もしビームがスクリーンによって反射され散乱されると、視聴者にとって大きなアイボックスを提供することになる。しかし、それが直接網膜ディスプレイとして使用されるならば（狭いビームが直接目に導かれて観察者の網膜に当たることを意味する）、ビームのわずかなシフトは画像の損失を引き起こす。

ディスプレイのアイボックスを拡大するＥｘｉｔ Ｅｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ（ＥＰＥ）の例を図９に示す。図１０に示すように、一対のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）がＥＰＥに使用される。このようなＥＰＥを図９で説明したリレーレンズと組み合わせると、ＬＢＳのような小型の表示装置にもかかわらず、ヘッドマウントディスプレイのユニットは図１１のようにかなり大きくなる。

したがって、ＬＢＳを用いたウェアラブルディスプレイ用のＥＰＥおよび光学系のサイズを縮小する必要がある。本発明は、この必要性を満たすための解決策として新規のそして改良された装置および方法を提供する。

本発明の目的は、ディスプレイのアイボックスを拡大するための、眼鏡ディスプレイおよびヘッドアップディスプレイなどの投影ディスプレイ用のコンパクトで低コストのＥＰＥ（射出瞳拡大器）を作成することである。

図１１に示されるように、本発明の実施形態の１つは、入射光ビームが穴を通って発散するように、遮光内にフラウンホーファー回折を引き起こす複数の微***を含むＥＰＥである。

別の例は、一対のコヒーレントビームで記録されたホログラムを使用するＥＰＥであり、一方のビームは収束し、他方のビームは図１４に示すように同じ方向からコリメートされる。

他の例は、一対のコヒーレントビームで記録されたホログラムで作られたＥＰＥであり、一方のビームは収束し、他方のビームはコリメートされるが、ホログラムへの入射角は露光位置ごとに制御される。Ｆθレンズを用いた例を図１５から図１５Ｃに示す。

米国特許第７，４６０，２８６号明細書に関連した彼の公開された技術報告においてＫａｓａｉらによって示された従来技術の画像表示システムの断面図である。 シースルー能力を実証した実際のサンプルの写真である。 ＭｕｋａｗａらのＳＩＤ ２００８ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ／００８－０９６６Ｘ／０８／３９０１－００８９，”Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ”の形態を示す図である。 のウェアラブルディスプレイのサンプルは、シースルー機能を実証したものである。 従来技術の別の例であり、Ｌｅｖｏｌａ，ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６－６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１－００６４，”Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”に開示の形態を示す図である。 米国特許第７４６０２８６号明細書に記載されているディスプレイとカメラの両方を有するシースルー機能を有するウェアラブルディスプレイの別の従来技術を示す。 は、同様の構成の光学系を用いた例である。 ディスプレイの存在が目立たないように、本発明のすべての光学系および電子機器を埋め込むのに十分に大きいテンプルを有する眼鏡の例を示す。 レーザビームスキャナ（ＬＢＳ）の一例であり、そこではビームを水平に走査するジンバルミラー（「水平走査フレクシャ」と表示）とビームを垂直に走査する「垂直走査フレクシャ」と表示される別のフレクシャがある。レーザビームを水平方向と垂直方向にスキャンして２次元の写真を作成する。 駆動回路を搭載したＬＢＳユニットの例を示す。 レーザビームを人間の目の網膜に直接投射する網膜ディスプレイの一例である。しかし、このディスプレイは非常に小さいアイボックスを有し、入射光ビームが非常に狭く観察者の瞳孔が非常に小さい（直径２～３ｍｍ）ため、わずかな目の動きで画像が失われる。これはアイボックスを増やす必要がある。 観察者に大きなアイボックスを提供するためにＬＢＳ、射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）、および一組のリレーレンズを使用するディスプレイの一例を示す。この先行技術は、人間の目の前では大きすぎるので、シースルーディスプレイとして使用することは困難である。 ２つのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）がＥＰＥとして使用されることを示す。（ａ）は単一のマイクロレンズアレイであり、各マイクロレンズは入射光を発散させるが、強度の均一性（ｂ）はマイクロレンズの粗いピッチのために十分ではない。（ｄ）は二重マイクロレンズを示す。強度（ｆ）の均一性の実質的な改善を示すレンズアレイ（ｄ）システムである。 ＬＢＳ、ＥＰＥ、リレーレンズを用いたヘッドマウントディスプレイの例を示す。 図９のような従来技術と比較して非常に小さいＥＰＥ（１２０３）およびコンバイナレンズ（１２０６）を提供する本発明の一例を示す。ＥＰＥ（１２０３）は、図１３においてより詳細に説明される。 入射レーザビームをフラウンホーファー回折によって回折させるのに十分に小さい複数の孔（１３０６）を有するＥＰＥ（１３０１）と、コリメートするホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）とを有する本発明の一例を示す。入ってくる発散光ビーム。 本発明の実施形態の一例を示す図である。平行光ビームを受け取り、発散光ビームを透過する微小ホログラムのアレイを含むホログラムからなるＥＰＥを示す。図１４は、そのようなホログラムをどのように記録することができるかを示す。１４０１及び１４０２とマークされたレーザビームは入射コヒーレントビームであり、それらの一方は収束しており、他方はコリメートされた光ビームであり、それらの両方は同じ方向からホログラムに入射し、ＥＰＥは透過性である。１４０４はハーフミラーであるため、２つの入射光が合波される。 図１５Ａの１５１１、図１５Ｂの１５１２および図１５Ｃの１５１３に示すように、１５０５でマークされたＥＰＥが静止集束ビームおよびＭＥＭＳスキャナによって移動される移動コリメートビームで記録するために露光されるホログラムで作られる本発明の実施形態の別の例を示す。

本発明の目的は、ホログラムを用いたＥＰＥ（射出瞳拡大器）を含むディスプレイ装置を提供することである。具体的には、図５は、本発明のすべての光学系および電子機器を埋め込むのに十分に大きいテンプルを備える２つの例示的な眼鏡を示す。眼鏡は、眼鏡に埋め込まれた装着型ディスプレイが目立たないという利点を有する。

図６はレーザビームスキャナ（ＬＢＳ）の一例であり、そこではビームを水平に走査するジンバルミラー（「水平走査フレクシャ」として記される）およびビームを垂直に走査する「垂直走査フレクシャ」として記される別のフレクシャがある。レーザビームは、水平方向と垂直方向にスキャンして２次元画像を生成する。

図１２は、本発明の実施形態の一例を示す図である。ホログラムプレート（１２０３）は、ＬＢＳ（１２０１）からの投影像の射出瞳を拡大するために使用される。レーザ光源（１２０２）は多色（通常３色）ビーム（１２０４）を含み、ＬＢＳ（１２０１）に投射する。ビームは、画像が高解像度を達成することができるように、できるだけ狭くなければならない。ＬＢＳはビームを走査し（１２１５）、ホログラムプレート上に画像を作成する（１２０３）。ホログラムは、入射レーザビーム（１２１５）を図１２にΦとして示す角度で発散ビーム（１２１１、１２１２及び１２１３）に発散するように設計されている。この発散角（Φ）は、画像が観察者に見えるアイボックス（１２０７）のサイズを決定する。ホログラムは、マイクロレンズアレイとして入射ビームを発散させるように機能することができ、またリレーレンズとして機能することができる。発散ビームは、発散ビームを反射して観察者の前方の距離に虚像を形成するコンバイナ（１２０６）に投影される。コンバイナは、ホログラム、ＤＯＥまたはフレネルミラーとすることができる。解像度を向上させるために、コンバイナとＥＰＥの間に追加のレンズを追加することができる。

実施形態の別の例を図１３に示す。ＥＰＥプレート（１３０５）は、入射光ビーム（１３０３）がフラウンホーファー回折によって回折され、出射ビームが発散するように、遮光体（１３０６）と、サイズが数ミクロンほどの小さい多数の微細孔とを備える。発散角は穴の大きさによって決定される。サイズが小さいほど発散角は大きくなる。したがって、発散角を制御することができる。入射ビームを発散させるだけでなく、リレーレンズが追加されているかのように、ＥＰＥプレートにホログラムを追加することによって入射ビームを集束させることも可能である。

本発明の実施形態の他の例を図１４に示す。この例は、前の例のように、遮光なしでホログラムを有するＥＰＥを製造する方法を示す。一対のコヒーレント及びコリメートされたレーザビーム（１４０１と１４０２）を用意する。一方のビーム（１４０１）は集束レンズを通って収束している。他方のビームはコリメートされた平行ビームである。両方のビームを結合し、記録用のホログラムに投影しなければならない。このホログラムは透過性であるため、参照ビームと物体ビームは同じ方向からホログラムに入射する必要がある。この例は、２つのビームを組み合わせるためにハーフミラー（１４０４）を使用する。１回の露光（ホログラムの記録）は１つの微小レンズを作り出し、レンズアレイを作り出すためにこのプロセスを繰り返さなければならず、そしてしばしば何百万回もの露光が必要とされる。各露光は短いパルスで行うことができ、数キロヘルツで露光することは困難ではない。ホログラムを円筒の周りに巻き付けることができ、円筒を一定速度で回転させることができ、図１４に示されるような光学設定によって、ホログラムをパルスレーザで露光することができる。１ｋＨｚのパルスレーザでさえ、１７分で１００万個のレンズを露光することができる。

本発明の実施形態の他の例を図１５に示す。この例は、入射ビームを発散させるためのマイクロレンズアレイの機能とリレーレンズ機能とを有するホログラムを可能にする。一対のコヒーレントビームおよびコリメートビームを（１５０１）及び（１５０９）として示されている。一方のビームは集束レンズ（１５０３）を通って収束している。他方のビームはＬＢＳ（１５０８）によって反射され、一対のＦθレンズ（１５０６及び１５０７）に導かれるので、コリメートされた光ビームは、入射角に関係なく最初のビームが露光する開口部（１５１４）を常に通過する（図１５Ａ、図１５Ｂおよび図１５Ｃ）。第２のビームの入射角は、ＬＢＳのミラーの角度（１５０８）によって決定され、それはアレイ内のマイクロレンズの各位置に対して任意に制御することができる。これは、何百万ものマイクロレンズを含むマクロレンズが自由形状レンズであり得ることを意味する。

本発明を特定の好ましい実施形態および代替実施形態に関して説明してきたが、本出願を読めば当業者には多くの追加の変形形態および修正形態が明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなすべての変形形態および修正形態を含むように、先行技術に鑑みてできるだけ広く解釈されることを意図している。
本願補正前の特許請求の範囲に記載された発明は以下のとおりである。
［１］
ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ、Ｍｉｃｒｏｓｈｕｔｔｅｒ、ＯＬＥＤおよびレーザービームスキャナーを含む群からのディスプレイデバイスと
前記ディスプレイデバイスを駆動するための回路と、
レーザ、ＬＥＤ及びＯＬＥＤを含む群からの発光デバイスを有する光源と、
外部画像と表示画像を合成するコンバイナレンズと、
ホログラムを含む画像のアイボックスを拡大するための射出瞳拡大器（ＥＰＥ）であって、前記ホログラムは一対のビームによってアレイ状に記録され、一方のビームは収束し、他方のビームはコリメートされこれら２つのビームは同じ側から露光されるシースルーディスプレイシステム。
［２］
コリメートされた光ビームの入射角は、ホログラムが入射ビームを任意の方向から曲げるように露光位置によって制御される［１］に記載のシースルーディスプレイシステム。
［３］
ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ、Ｍｉｃｒｏｓｈｕｔｔｅｒ、ＯＬＥＤおよびレーザービームスキャナーを含む群からのディスプレイデバイスと、
前記ディスプレイデバイスを駆動するための回路と、
レーザ、ＬＥＤ及びＯＬＥＤを含む群からの発光デバイスを有する光源と、
フラウンホーファー回折が入射ビームを発散させるのに十分小さいサイズの複数の穴を有する光シールドを含む画像のアイボックスを拡大するための射出瞳拡大器（ＥＰＥ）、を含んで構成されるシースルーディスプレイシステム。
［４］
ＥＰＥは、入射光の主光線を任意の方向に曲げるホログラムを有する［３］に記載のシースルーディスプレイシステム。
［５］
ＥＰＥは入射光を発散させる拡散板を有する［３］に記載のシースルーディスプレイシステム。

Claims (3)

1. レーザービームスキャナーであるディスプレイデバイスと、
   前記ディスプレイデバイスを駆動するための回路と、
   レーザの発光デバイスを有する光源と、
   フラウンホーファー回折が入射ビームを発散させるのに十分小さいサイズの複数の穴を有する光シールドを含む画像のアイボックスを拡大するための射出瞳拡大器（ＥＰＥ）、を含んで構成されるシースルーディスプレイシステム。
2. ＥＰＥは、入射光の主光線を任意の方向に曲げるホログラムを有する請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。
3. ＥＰＥは入射光を発散させる拡散板を有する請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。

Images