JP7190580B2 - ニアアイディスプレイのバーチャル像の色補正 - Google Patents

Description

本開示は、カラー画像プロジェクタから画像光ガイドを介して視者の目にバーチャルカラー画像を伝送するニアアイディスプレイ用の投射システムに関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に組み込まれることが多いニアアイディスプレイは、従来の眼鏡をモデル化して設計されているものがあり、一般に、プロジェクタなどの画像ソースと、画像ソースのバーチャル像を着用者の目に伝送するように特別に設計された光学系とを備えている。この特別に設計された光学系は、透明な導波路を有する画像光ガイドを含む。この導波路は、着用者の目へのバーチャル像の伝送と、着用者の周囲環境の自然な視界の両方をサポートすることができる。バーチャル像は着用者の視野に投影することができる。これは、拡張現実（ＡＲ）アプリケーションに特に役立つ。

このような従来の画像光ガイドでは、コリメートされ相対的角度的にエンコードされた画像プロジェクタからの光ビームは、回折光学要素等のインカップリング光学要素により、透明な平面導波路に光学的に結合される。このインカップリング光学要素は、平面導波路の表面に設けられ又は形成され、あるいは導波路内に埋め込まれている。角度的にエンコードされた光ビームは、平面導波路に沿って伝搬した後、同様のアウトカップリング光学要素によって平面導波路から視者の目に向けられる。角度的にエンコードされた光ビームは、導波路を出ると、「アイボックス」と呼ばれる空間領域内で重なり、このアイボックスの中で画像ソースのバーチャル像を見ることができる。角度的にエンコードされた光ビームを複数の空間的にオフセットされたビームレットに分割し、これらビームレットが集合してより大きな領域を占めるようにすることにより、アイボックスを拡大して、視者の目の位置に対する感度を下げることができる。ビームレットは、角度的にエンコードされたビームを、導波路に沿うアウトカップリング光学要素を含む光学系との複数の遭遇によって生成することができ、そのような遭遇の各々は、各ビームの光エネルギーの一部をそのようなビームレットに連続的に分配する。

画像プロジェクタからアイボックスへのカラー画像の伝送は、介在する光学構成要素の波長に対する感受性の差異の影響を受ける可能性がある。屈折と回折の両方の影響は、波長に対して敏感である。このような性能の差異の全体的な影響の1つは、視者に提示されるバーチャル像の色の変化（色シフト；color shift）である。たとえば、画像プロジェクタによって生成された完全に白い画像の場合、バーチャル像の片側（例えば右側）が赤みがかった色相に見え、バーチャル像の反対側（例えば左側）が青みがかった色相に見えることがある。

そのような水平方向のカラーグラデーションに加えて、他の方向のカラーグラデーション、例えば垂直の上下方向のカラーグラデーション、または斜め方向（左下から右上、または左上から右下）のカラーグラデーションが発生する可能性もある。カラーグラデーションは、バーチャル像内の孤立した領域に発生することもある。カラーグラデーションは、導波路および導波路の構成要素の製造誤差、及び／又はプロジェクタシステムおよびその構成要素の製造、ニアアイディスプレイの構成要素の動作環境（熱および／または湿気を含む）に起因して、発生することもある。

したがって、バーチャル像内の色分布を調整することができるニアアイディスプレイシステムには利点があることが理解されよう。

実施形態は、ニアアイディスプレイから見えるバーチャル像内の色分布をバランスし直す。その特徴は、拡張光源と部分ホモジナイザーを含む。拡張光源はセルに分割され、各セルは異なる色の光源を持っている。セルからの光フィールドを照明平面において部分的にのみオーバーラップさせる。この照明平面には、表示用の画像を生成するために空間光変調器が配置されている。異なる光フィールドはほとんど照明平面で重なるが、異なる光フィールドは、空間光変調器での照明パターンのわずかに異なる部分に寄与することができるほどに十分に変位している。個々のセルの相対的な色出力を制御することにより、ニアアイディスプレイに入力するために空間光変調器によって形成される画像は、色の不均衡（color imvalances）を伴って生成され、この色の不均衡が、（補償が無ければ）ニアアイディスプレイによって最終的に見られるバーチャル像に存在するであろう色の不均衡を、補償することができる。

ニアアイディスプレイ用のプロジェクタは、拡張光源を備えるようにして構成することができる。この拡張光源は、複数のセルを有し、個々のセルの相対的な色出力を変化させるために各セルが調節可能な異なる色の光源を含んでいる。部分ホモジナイザーは、異なる光テャンネル内の異なるセルからの光を集め、これら異なるセルからの光を照明平面で部分的にオーバーラップさせる。空間光変調器は、前記照明平面に配置され、前記照明平面で部分的に重ね合わされた光を選択的に変調することによって、実像を生成する。接眼光学系は、生成された上記実像のバーチャル像を視者に見せるべく伝送するために、前記空間光変調器からの変調光を瞳孔に向ける。前記拡張光源のコントローラは、1つまたは複数のセルの相対的な色出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面上の光の色分布を変更する。

各ゾーン内の異なる色の光源が、少なくとも３つの異なる波長帯を出力する光源を含むことができ、異なる波長帯の相対的な光出力が相対的に調整可能である。前記コントローラは、前記セルの第１の集合内での１つの波長帯の出力を相対的に減少させ、前記セルの第２の集合内の前記１つの波長帯の出力を相対的に増大させることができる。前記セルの前記第１、第２の集合からの光は、前記照明平面内で相対的にオフセットすることができる。

前記部分ホモジナイザーがコンデンサを含むことができ、このコンデンサは、異なる光テャンネルからの光を、このコンデンサの焦点面からオフセットされた位置にある前記照明平面で部分的にオーバーラップさせる。前記部分ホモジナイザーは、異なるセルからの光を異なる光テャンネル内で伝送するための第１アレイレンズと第２アレイレンズを含むことができる。前記第１アレイレンズと前記第２アレイレンズは、それぞれレンズレットのアレイを含むことができ、前記第１アレイレンズは、異なるセルから収集された光を、前記第２アレイレンズのレンズレットのそれぞれのアパーチャに向けることができる。コンデンサは、前記第１アレイレンズアレイのレンズレットのアパーチャを、前記照明平面からオフセットされた均質化平面でオーバーラップするようにして画像化するために、前記第１、第２アレイレンズに対して配置することができる。全体的に、前記部分ホモジナイザーは、異なる光テャンネル内の異なるセルから光を収集し、異なる光テャンネルを前記照明平面において少なくとも６０パーセントでオーバーラップさせ、異なる光テャンネルの少なくともいくつかを前記照明平面において９０パーセント以下でオーバーラップさせることを提供できる。

照明平面で色分布を調整するために個々のセルの相対的色出力を制御することに加えて、前記コントローラは、１つまたは複数のセルの放射エネルギー出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面にわたる光強度分布を変更することを提供できる。前記コントローラは、画像形成に使用されていない前記空間光変調器の部分を照明する１つまたは複数の光セルを暗くすることも提供できる。

ニアアイディスプレイは、照明器を装備するように構成することができる。この照明器は、複数のセルを有し各セルが異なる色の光源を含む拡張光源と、前記複数のセルからの光を照明平面で部分的にオーバーラップさせる部分ホモジナイザーと、を含む。空間光変調器は、前記照明平面に配置され、前記照明平面で部分的に重ね合わされた光を選択的に変調することによって、実像を生成する。接眼光学系は、前記空間光変調器からの変調光を、複数の相対的角度的にエンコードされた複数の光ビームとして瞳孔に向ける。画像光ガイドは、インカップリング光学系要素とアウトカップリング光学要素を備えた透過型の導波路を含み、前記インカップリング光学系要素が角度的にエンコードされた光ビームを前記導波路内に向け、前記導波路に沿って前記アウトカップリング光学要素へ伝播させ、前記アウトカップリング光学要素では、角度的にエンコードされた光ビームが前記導波路から出てアイボックスに向かい、このアイボックス内で、前記空間光変調器により生成された実像のバーチャル像を見ることができる。前記拡張光源のコントローラは、1つまたは複数のセルの相対的な色出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面上の光の色分布を変更し、これによりバーチャル像内の色シフトを補償する。

前記部分ホモジナイザーは、異なる光テャンネル内の異なるセルから光を収集し、異なる光テャンネルを前記照明平面において少なくとも６０パーセントでオーバーラップさせ、異なる光テャンネルの少なくともいくつかを前記照明平面において９０パーセント以下でオーバーラップさせることができる。前記部分ホモジナイザーがコンデンサを含むことができ、このコンデンサは、異なるセルからの光を、このコンデンサの焦点距離からオフセットされた位置にある前記照明平面で部分的にオーバーラップさせる。加えて、前記部分ホモジナイザーは、第１アレイレンズと第２アレイレンズを有し、前記第１アレイレンズは個々のセルからの光を集めるレンズレットを備え、第２アレイレンズは個々のセルから集められた光がそれぞれ向かうアパーチャを有するレンズレットを備えている。前記コンデンサは、前記第１アレイレンズのレンズレットのアパーチャを、前記照明平面からオフセットされた均質化平面でオーバーラップするようにして画像化するために、前記第１、第２アレイレンズに対して配置することができる。

各ゾーン内の異なる色の光源は、少なくとも３つの異なる波長帯を出力する光源を含むことができ、異なる波長帯の相対的な光出力が相対的に調整可能である。前記コントローラは、前記セルの第１の集合内での１つの波長帯の出力を相対的に減少させ、前記セルの第２の集合内の前記１つの波長帯の出力を相対的に増大させることができる。前記セルの第１、第２の集合からの光が、照明平面内で相対的にオフセットされている。

前記コントローラは、１つまたは複数のセルの放射エネルギー出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面にわたる光強度分布を変更し、これによりバーチャル像にわたる光強度分布を調整することができる。前記コントローラは、画像形成に使用されていない前記空間光変調器の部分を照明する１つまたは複数の光セルを暗くし、これにより表示コントラストを増大させることができる。

添付の図面は、仕様の一部として本明細書に組み込まれる。本明細書に記載の図面は、現在開示されている主題の実施形態を例示し、本開示の選択された原理および教示を例示している。しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

本開示の実施形態によるニアアイディスプレイ用プロジェクタ内の照明システムの一部として、コンピュータの制御下にある拡張光源のレイアウトである。

図１の拡張光源を組み込んだニアアイディスプレイ用プロジェクタの光学的構成図である。

実世界の視野内でバーチャル像を見るために、図２のプロジェクタを用いて配置されたニアアイディスプレイの側面図である。

図３Ａのニアアイディスプレイの上面図であり、画像光ガイドの構成要素と相互作用するプロジェクタを示す。

プロジェクタによって生成された画像の異なる色帯を視者の目に伝送するために２つの積み重ねられた画像光ガイドを備えた、本開示の一実施形態によるニアアイディスプレイの上面図である。

着用者の両眼用に独立したニアアイディスプレイを備えた眼鏡の形態をなす、本開示の一実施形態によるヘッドマウントディスプレイの斜視図である。

本開示の一実施形態による方法および装置のフロー図である。

本開示の一実施形態による方法および装置のフロー図である。

本開示の一実施形態による方法および装置のフロー図である。

本発明は、明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の配向および工程順序を想定し得ることが理解されるべきである。添付の図面に示され、以下の明細書に記載される特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書で定義される発明概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、そうではない場合もあるが、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、本明細書において同様の参照番号で言及される。

本明細書において、「第１」、「第２」などの用語は、特に指定のない限り、序数、順序、または優先関係を示すのではなく、単にある要素または要素の集合を別の要素からより明確に区別するために用いられる。

本開示の文脈において、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「ユーザ」という用語は均等であると見なされ、電子デバイスを着用する人及び又は電子デバイスを用いて見る人を指す。

本明細書で使用される「集合」という用語は、集合の要素の集まりの概念として初等算数で広く理解されているように、空でない集合を指す。「部分集合」という用語は、特に明記しない限り、本明細書では、空でない適切な部分集合、すなわち、１つまたは複数の要素を有する、より大きな集合の部分集合を指すために使用される。集合Ｓに対して、部分集合は完全な集合Ｓを含み得る。しかしながら、集合Ｓの「適切な部分集合」は、集合Ｓに厳密に含まれ、集合Ｓの少なくとも１つの要素を除外する。

図１は、ニアアイディスプレイのバーチャル像のカラーバランスをとるために照明器の一部としてコンピュータ１２に接続された拡張光源１０（広げられた光源；extended light source）を示している。コンピュータ１２は、コンピュータ処理ユニット（ＣＰＵ）１４とメモリ１６を含む。コンピュータ１２は、拡張光源１０のコントローラ２０とＣＰＵ１４との間の通信経路１８を介して、拡張光源１０と相互接続されている。

拡張光源１０は、コントローラ２０に加えて、複数の光源セル３０を含んでいる。光源セルは、ここでは垂直方向に交互にずらされた（ジグザグにずらされた）列（columns）２８ａ～２８ｆを有する２次元アレイ２６で示されている。各光源セル３０は、赤色光源３２、緑色光源３４、青色光源３６を含み、これらは、発光ダイオード（ＬＥＤ）または当業者に知られている他の光源の形態をとることができる。コントローラ２０は、通信経路２２に沿って、各光源セル３０の個々の光源３２、３４、３６のそれぞれの放射エネルギー出力を制御する。このようにして、各セル３０の相対的な色出力が制御され、ならびに拡張光源１０の２次元アレイ２６内を横切るカラーグラデーションが制御される。例えば、拡張光源１０は、光源セル３０の左端の垂直列２８ａから光源セル３０の右端の垂直列２８ｆまでの水平方向のカラーグラデーションを生成することができる。そのようなカラーグラデーションは、例えば、左端の垂直列２８ａの赤の色合いから、右端の垂直列２８ｆの青の色合いまで変化し得る。他の方向のカラーグラデーションも可能である。たとえば、上から下への垂直方向のカラーグラデーション、または左下から右上、左上から右下への斜め方向のカラーグラデーションである。また、二次元アレイ２６内の孤立した領域において、二次元アレイ２６内の垂直方向及び／又は水平方向の広がりにわたり、他のカラーグラデーションのパターンで現すこともできる。さらに、カラーグラデーションは、二次元アレイ２６の一部、例えば、二次元アレイ２６の左下領域、または二次元アレイ２６の中央領域にのみに広がることもできる。一般に、グラデーションは波長の関数として描かれ、例えば、より短い波長からより長い波長へと描かれるが、他の色の変化も可能である。

白色光は、次の式で表されるように、特定の比率の赤「Ｒ」、緑「Ｇ」、青「Ｂ」の光の組み合わせで、視者により知覚される。
白色光＝ NRW R ＋ nGW G ＋ nBW B
ここで、nRW、nGW、nBWは、知覚される白色光を生成するために各成分色Ｒ、Ｇ、Ｂに必要なそれぞれの比率である。拡張光源１０の各光源セル３０は、赤色光源３２、緑色光源３４、および青色光源３６の放射エネルギー出力をそれぞれの比率に従って調整することにより、白色光を生成することができる。可視スペクトルの他の色は、Ｒ、Ｇ、Ｂの出力を異なる比率で調整することによって、個々のセル３０によって再現することができる。デジタル色変換を支援するために、追加の色光源を各セル３０に追加することができる。

図２は、ニアアイディスプレイの画像光ガイド５０に入射されるバーチャル像のカラーバランスをとるためのプロジェクタ４０の例を示している。プロジェクタ４０は、上記拡張光源１０を含む照明器（illuminator）４２と、画像を生成するためにコンピュータ１２の制御下にある空間光変調器（spatial light modulator）４４と、瞳孔（瞳；pupil）４８を形成するための接眼光学系（接眼光学要素、接眼光学部品；eyepiece optic）４６を有している。この瞳孔は、バーチャル像として生成された画像を見るために、画像光ガイド５０によって伝送され拡張される。

照明器４２は、液晶ディスプレイ（ＬＤＣ）などの透過型の空間光変調器４４を背後から照らすために構成されている。照明器４２はまた、デジタルマイクロミラーアレイ（ＤＭＤ）などの反射型の空間光変調器４４を前方から照らすために構成してもよい。照明器４２内には、部分ホモジナイザー５２（partial homogenizer）が含まれている。部分ホモジナイザー５２は、イメージング型（imaging type）ホモジナイザーとして示されており、２つのアレイレンズ５４、５６と、第１アレイレンズ５４への入力を均質化平面（homogenization plane）６０でオーバーラップさせるためのコンデンサ５８とを備えている。しかしながら、空間光変調器４４は、均質化平面６０からプロジェクタ４０の光軸６４に沿ってオフセットされた照明平面(illumination plane)６２内に配置されており、これにより部分的均質化(partial homogenization)のみが空間光変調器４４で生じる。アレイレンズ５４、５６は、フライアイまたはマイクロレンズアレイとして構成することができ、二次元アレイに配置されたアレイレンズのレンズレット(小レンズ)を有している。

図示のレンズレット６６ａ～６６ｄは、第１のアレイレンズ５４の複数の列のうちの１列を構成している。レンズレット６６ａ～６６ｄの各々は、複数の光テャンネル６８ａ～６８ｄを確立するために、拡張光源１０の１つまたは複数の光源セル３０から光を集める。第２のアレイレンズ５６は、コンデンサ５８とともに、異なる光テャンネル６８ａ～６８ｄからの光を照明平面６２で部分的にオーバーラップさせる（重ねる）。照明平面６２は、チャネル６８ａ～６８ｄがより完全に重なるであろう均質化平面６０からオフセットされている。図を明瞭にするために、２つのチャネル６８ａ、６８ｄだけが、部分ホモジナイザー５２を通って、照明平面６２での部分的重なり位置まで描かれている。均質化平面６０は、コンデンサ５８の焦点面に配置することができる。空間光変調器４４の位置によって定義される照明平面６２は、空間光変調器４４でのチャンネル６８ａ～６８ｄの重なりの量を減らすために、この焦点面からオフセットされる。好ましくは、チャネル６８ａ～６８ｄは照明平面６２において少なくとも６０パーセント重なっているが、少なくともいくつかのチャネルは、９０パーセント以下で重なっている。

イメージング型ホモジナイザーとしての部分ホモジナイザー５２では、第１アレイレンズ５４が個々のセル３０から集められた光を第２アレイレンズ５６のレンズレットのそれぞれのアパーチャに向ける。コンデンサ５８は、第１のアレイレンズ５４のレンズレットのアパーチャを均質化平面６０（照明平面６２はこの均質化平面６０からオフセットされている）で重なり合うようにイメージングするために、第１、第２のアレイレンズ５４、５６に対して配置されている。拡張光源１０と関連する追加の光学系を、異なるセル３０または異なるセル群からの光を第１のアレイレンズ５４の異なるレンズレットのアパーチャに向けるために配置することができ、これにより、照明平面で部分的に重なる異なる光テャンネル６８ａ～６８ｄを確立することができる。ディフューザーおよび他の形態の混合光学系を使用して、個々のセル３０の赤、緑、青の光源３２、３４、３６からの異なる色の光出力を組み合わせることができる。

照明平面６２に配置された空間光変調器４４は、照明平面６２で部分的に重なり合う光を、ピクセル毎に選択的に変調することによって画像を生成する。接眼光学系４６は、空間光変調器４４からの変調された光を瞳孔４８に向けさらに画像光ガイド５０内に向け、これにより、空間光変調器出力のバーチャル像を視者に見える形で伝送する。一般に、空間光変調器４４の各変調ピクセルは、実質的にコリメートされたビームとして瞳孔４８を満たす。このコリメートされたビームは、空間位置（この位置でピクセルが空間光変調器４４内で変調される）に従って、２つの直交する次元で角度的にエンコードされる。例えば、接眼光学系４６は、空間光変調器４４の一方側のピクセル７２を、プロジェクタ４０の光軸６４に対して第１の傾斜角８２で瞳孔４８を満たすコリメートビーム７４に変換し、空間光変調器４４の反対側のピクセル７６を、光軸６４に対して逆の傾斜をなす第２の傾斜角８４で瞳孔４８を満たすコリメートビーム７８に変換する。

空間光変調器４４で部分的に重なる異なる光テャンネル６８ａ～６８ｄ内の色混合を制御することにより、空間光変調器４４にわたりカラーグラデーションをプログラムにしたがって生成し、これにより、視者に提示されるバーチャル像に存在する色の不均衡を補償することができる。

図３Ａ、図３Ｂは、プロジェクタ４０および画像光ガイド５０の両方を組み込んだニアアイディスプレイ１００を直交する方向からそれぞれ見た図である。画像光ガイド５０は、プロジェクタ４０によって生成された画像をアイボックス１０２に送る。このアイボックス１０２内で、生成された画像は、視者の視野内に現れるバーチャル像Ｖ１として視者の眼０４によって見ることができる。

画像光ガイド５０は、インカップリング光学要素（in-coupling optic）ＩＤＯとアウトカップリング光学要素（out-coupling optic）ＯＤＯを支持する透明な導波路１０６を含む。これら光学要素は両方とも、格子またはホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）などの回折光学として形成することができる。インカップリング光学要素ＩＤＯは、プロジェクタ４０からの角度的にエンコードされた光ビームＷＩを導波路１０６内に向け、これにより、角度的にエンコードされたビームＷＧとして導波路１０６に沿って伝送し、アウトカップリング光学要素ＯＤＯに向ける。アウトカップリング光学要素ＯＤＯでは、角度的にエンコードされた光ビームが、角度的にエンコードされたビームＷＯとして導波路１０６から出てアイボックス１０２に向かう。このアイボックス１０２でバーチャル像ＶＩを見ることができる。導波路１０６は透過性であり、平坦かつ平行な外面１０８と内面１１０を有することができる。視者は周囲環境を見ることができる。バーチャル像ＶＩはこの周囲環境に現れる。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、プロジェクタからの角度的にエンコードされたビームをアイボックス１０２へ伝送するために、導波路１０６の外面１０８または内面１１０に配置することができ、透過型または反射型とすることができる。

例えば、プロジェクタ４０からの角度的にエンコードされたビームＷＩは、インカップリング光学要素ＩＤＯによって（ほぼ第１回折次数で）回折され、それによって、角度的にエンコードされたビームＷＧとして導波路１０６内へと方向転換される。このビームＷＧはさらに、平坦かつ平行をなす外面１０８と内面１１０での全内部反射（ＴＩＲ）により、導波路１０６の長手の次元ｘに沿って伝播する。ＴＩＲによって設定された境界に沿って角度的に関連するビームの異なる組み合わせで回折されるが、角度的にエンコードされたビームＷＧは、インカップリング光学要素ＩＤＯのパラメータから導かれた角度的にエンコードされた形式で、画像情報を保存する。アウトカップリング光学要素ＯＤＯは、角度的にエンコードされたビームＷＧを受けて、これを（ほぼ第１回折次数で）回折し、角度的にエンコードされたビームＷＯとして導波路１０６からアイボックス１０２に向かって出力する。このアイボックス１０２内で、視者の眼１０４により伝送されたバーチャル像を見ることができる。アウトカップリング光学要素ＯＤＯは、インカップリング光学ＩＤＯと対称に設計することができ、アイボックス１０２内での出力された角度的に関連付けられたビームＷＯにおいて、角度的にエンコードされたビームＷＩの元の角度関係を復元することができる。さらに、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、元の視野ポイントの位置角度関係を変更して、有限の焦点距離で出力バーチャル像を生成することもできる。

しかしながら、アイボックス１０２（このアイボックスはバーチャル像を見ることができる領域のサイズを定義する）に存在する角度的に関連するビームＷＯ間の一次元の重なりを増加させるために、アウトカップリング光学要素ＯＤＯは、導波路の限られた厚さとともに配置することができる。これにより角度的に関連付けられたビームＷＧのそれぞれに多数回遭遇し、各遭遇時に角度的に関連付けられたビームＷＧの一部のみを回折する。アウトカップリング光学ＯＤＯの長手方向に沿った多数回の遭遇は、導波路１０６を出る角度的に関連付けられたビームＷＯのそれぞれの１つの次元を拡大し、それによってビームＷＯが重なるアイボックス１０２の１つの次元を拡大する効果を有する。拡大されたアイボックス１０２は、バーチャル像ＶＩを見るための視者の目の位置に対する感度を低下させる。

回転光学要素などの追加の光学要素も、ビーム拡大などの追加の機能をサポートするために、導波路１０６に沿って配置することができる。例えば、回転光学要素は、導波路１０６に沿って異なる方向で伝搬してくる角度関連ビームＷＯとの多数回遭遇を介して、角度関連ビームＷＯを第２の次元で拡大するように、構成することができる。

これらの図では、導波路１０６を出る主光線の経路が実線で示されている。破線は、視者の目１０４に対するバーチャル像ＶＩの見かけの位置を示す主光線の延長を示している。つまり、破線はバーチャル像ＶＩを形成する変調光の見かけの光源を示す。

図４に示すニアアイディスプレイ１２０は、プロジェクタ４０によって生成された画像の異なる色帯（color band）を伝送するための第１画像光ガイド１２２ａと第２画像光ガイド１２２ｂを含む。例えば、第１画像光ガイド１２２ａは、第１インカップリング光学要素ＩＤＯａと第１アウトカップリング光学要素ＯＤＯａを備えた第１透過型導波路１２４ａを含み、プロジェクタ４０からアイボックス１２６へ、赤および緑の色帯（例えば、赤よび緑の光源３２、３４からの光）を伝送するように構成することができる。第２画像光ガイド１２２ｂは、第２インカップリング光学要素ＩＤＯｂと第２アウトカップリング光学要素ＯＤＯｂを備えた第２透過導波路１２４ｂを含み、青の色帯（例えば、青色光源３６からの光）を伝送するように構成することができる。回折光学要素の形態において、たとえばインカップリング光学要素ＩＤＯａ、ＩＤＯｂおよびアウトカップリング光学要素ＯＤＯａ、ＯＤＯｂは、角度的にエンコードされたビームを異なる波長帯域で回折して、これら異なる波長帯域をそれぞれの導波路１２４ａ、１２４ｂに沿って視者の目１２８へと伝搬させるように、特別に適合させることができる。両導波路１２４ａ、１２４ｂは、多数の内部反射を通して角度的に関連付けられたビーム間の角度関係を維持するために、平坦かつ平行な前面および背面を有することができる。平坦かつ平行な面は、プロジェクタ４０から又は視者の視野内の周囲環境から導波路１２４ａ、１２４ｂを通る、より高い入射角の光の透過に対する屈折効果を低減する。

ニアアイディスプレイ１００、１２０などのニアアイディスプレイのバーチャル像ＶＩにおける系統的（体系的な；systematic）なカラーグラデーションは、多くの方法で識別することができる。一実施形態では、図６に示されるように、系統的なカラーグラデーションを識別する方法３００は、ステップ３０２でプロジェクタ４０を介して均一に白色の画像を投射し、ステップ３０４で着用者の目の位置（すなわち、アイボックス）にある色感知カメラを用いて、結果として生じるバーチャル像ＶＩにわたる色変化を記録することを含む。ステップ３０６ａで、ニアアイディスプレイの視野にわたるカメラで捕捉されたカラーグラデーションのマップが提供される。このカラーグラデーションのマップは、ステップ３０６ｂで色反転コンピュータアルゴリズムへの入力として使用することができ、色反転コンピュータアルゴリズムは、反転カラーグラデーションマップを生成することができる。この反転カラーグラデーションマップは、ステップ３０８で、図１に示す拡張光源１０に接続されたコンピュータ１２のメモリ１６に格納することができる。反転カラーグラデーションマップは、カメラで捕捉された元のカラーグラデーションマップと組み合わせると（元のカラーグラデーションに追加すると）、ＦＯＶ（視野）全体にわたり白色になるようなカラーマップである。ステップ３１０で、コントローラ２０は、図１に示す拡張光源１０の個々のセル３０の相対的な色出力を制御し、バーチャル像ＶＩ内の系統的なカラーグラデーションを補償するために用いることができる。

必要な反転カラーマップを定義する1つの方法は、各光源セル３０のＲ，Ｇ，Ｂ光源３２、３４、３６に独立して（個別に）電力を供給し、バーチャル像の範囲全体にわたる各色の強度を独立して（個別に）測定することである。バーチャル像全体にわたる（各画像ポイントでの）各成分の色の変化は、次のように表すことができる。
測定されたＲ光＝nＲＭ Ｒ
測定されたＧ光＝nＧＭ Ｇ
測定されたＢ光＝nＢＭ Ｂ

反転カラーマップは、測定された画像ポイントごとに、次のようにして決定される。
反転Ｒ＝nＲＷ－nＲＭ
反転Ｇ＝nＧＷ－nＧＭ
反転Ｂ＝nＢＷ－nＢＭ
ここで、nＲＭ、nＧＭ、nＢＭは、ＦＯＶの領域からの赤、緑、青の各成分の測定値であり、nＲＷ、nＧＷ、nＢＷは、白色画像を形成するために必要な赤、緑、青の各光の量である。図１に示すコンピュータ１２およびコントローラ２０は、空間光変調器４４の画像生成領域に対応するＦＯＶの領域ごとに反転カラーマップ、反転Ｒ、反転Ｇ、反転Ｂ値を用いてプログラムされる。コントローラ２０は、各光源セル３０で生成される光の各成分Ｒ、Ｇ、Ｂの量を調整して、空間光変調器４４の出力で反転カラーマップを再現することができる。そうしなければ、空間光変調器４４は完全に白い画像を生成するように設定される。すなわち、空間光変調器４４は白色画像を生成するように設定されているが、照明器４２は、空間光変調器４４によって生成された画像が反転カラーマップと一致するような光パターンを照明平面６２で生成できるように、構成されている。他の画像が空間光変調器４４によって生成されている間、同じ照明パターンを維持する。これにより、そうしなければ視者に提示されるバーチャル像を劣化させるであろう系統的なカラーグラデーションを、補償することができる。

視者の目の積分間隔内で異なる色を順次処理する空間光変調器の場合、照明器４２は、空間光変調器の順次動作（sequential operation）と同期して反転カラーマップを再現することができる。すなわち、一実施形態では図７に示されるように、ステップ４０２で、反転カラーマップは、各色（例えば、Ｒ、Ｇ、およびＢ）について別々のマップに分割することができる。ステップ４０４では、セルアレイ２６内の各セル３０の異なる色光源３２、３４、３６の相対光出力が、異なるカラーマップのそれぞれを生成するために別々に記録される。ステップ４０６では、各色について記録された出力がコントローラ２０により順次に再生される。同様に、それぞれの異なる色（例えば、Ｒ、Ｇ、およびＢ）毎に別々の空間光変調器が使用される場合には、拡張光源１０は、３つの異なる拡張光源に分割することができ、これら拡張光源の各々は、各セル内に単色の光源を有する。各拡張光源のコントローラは、空間光変調器の異なる1つを照らす各色のための個別のカラーマップを再生する。

バーチャル像ＶＩ全体のカラーバランスは、照明平面６２にわたる付加的色（additive color）（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ）間の比率を制御することによって達成することができるが、バーチャル像ＶＩ全体の光強度も、拡張光源１０の種々のセル３０の出力を調整することにより制御することができる。例えば、画像強度がバーチャル像ＶＩにわたりまたはバーチャル像ＶＩ内で望ましくない仕方で変化する場合、種々のセル３０の放射エネルギー出力は、照明平面６２で反転強度分配（inverse intensity distribution）を提供するようにコントローラ２０によって調整され、これによりバーチャル像ＶＩ全体にわたって所望の強度バランスを提供する。逆に、バーチャル像がバーチャル像フィールドの所定の部分内（空間光変調器４４のピクセルの部分集合またはクラスター内など）に制限される場合、上記ピクセルの部分集合に寄与しない光セル３０を、消された状態（turned off）まで暗くし、これにより、表示のコントラストを高め、バーチャル像フィールドの未使用部分への不要な光の浸透を減らすことができる。一実施形態では、図８に示されるように、反転光強度グラデーションマップは、ステップ５０２～５０６で説明されるように作成され、ステップ５１０でコンピュータメモリ１２に格納される。ステップ５１２では、コントローラ２０を介して、セル３０の第１の集合内で波長帯域の１つの出力を低減し、セル３０の第２の集合内で上記１つの波長帯域の出力を相対的に増大させることにより、バーチャル像ＶＩ全体の光強度を制御することができる。

図５の斜視図は、３次元（３Ｄ）の拡張現実表示を提供するための眼鏡の形態をなすヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）２００を示しており、左眼ニアアイディスプレイ２０２ｌおよび右眼ニアアイディスプレイ２０２ｒを備えている。ニアアイディスプレイ２０２１、２０２ｒのそれぞれのプロジェクタ２０４１、２０４ｒは、それぞれカラー画像を提供する。このカラー画像は、ニアアイディスプレイ２０２１、２０２ｒを通して着用者２０６によって見られる実世界のシーンコンテンツ内のバーチャル像として現れる。生成される画像は、バーチャル対象の３Ｄ表示のための立体的な画像の対であり得るが、これに限定されない。

拡張現実視覚化技術の当業者によく知られている構成要素を追加することができる。追加の構成要素には、シーンコンテンツを見るためまたは視者の視線追跡を見るためにＨＭＤのフレームに取り付けられた１つまたは複数のカメラなどがある。可能な代替の構成は、片方の目に画像を提供するためのディスプレイを含む。ＨＭＤ２００は、前の図および付随する説明で記述したようなカラーグラデーション調整を含めることができる。このようにして、カラーグラデーション補正を右目と左目の両方に個別に適用して、色補正された３Ｄバーチャル像を生成できる。

ＲＧＢの３色ディスプレイシステムは、本開示における例であり、バックライト及び／又はフロントライトプロジェクタシステム用の白色光を生成するために利用できる他のカラディスプレイ方式もあることを理解されたい。たとえば、４色スキームが存在し利用することができる。４色スキームでは、３色スキームに追加の光源として黄色の光が追加され、ＲＧＢＹと指定されている。上記の開示内容は、プロジェクタシステムに実装され得るそのような４色（またはそれ以上）スキームに拡張される。

本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作成することができる。様々な実施形態を詳細に説明してきたが、それらは、限定ではなく例として提示されたことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具体化され得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味および範囲内にあるすべての変更は、その範囲に含まれることが意図されている。

Claims (20)

1. ニアアイディスプレイ用のプロジェクタであって、
   複数のセルを有し、個々のセルの相対的な色出力を変化させるために各セルが調節可能な異なる色の光源を含む拡張光源と、
   複数の光チャンネル内の前記複数のセルからの光を集め、前記複数の光チャンネルからの光を照明平面で部分的にオーバーラップさせる部分ホモジナイザーと、
   前記照明平面に配置され、前記照明平面で部分的に重ね合わされた光を選択的に変調することによって、実像を生成する空間光変調器と、
   生成された上記実像のバーチャル像を視者に見せるべく伝送するために、前記空間光変調器からの変調光を瞳孔に向ける接眼光学系と、
   前記拡張光源に接続されたコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記複数のセルのうちの１以上のセルの相対的な色出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面上の光の色分布を変更するように動作可能である、プロジェクタ。
2. 前記複数のセルの各セル内の異なる色の光源が、少なくとも３つの異なる波長帯を出力するように動作可能であり、これら異なる波長帯の相対的な光出力が相対的に調整可能である、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記コントローラは、前記複数のセルの第１の集合内での１つの波長帯の出力を相対的に減少させ、前記複数のセルの第２の集合内の前記１つの波長帯の出力を相対的に増大させることを提供する請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記複数のセルの前記第１、第２の集合からの光が、前記照明平面内で相対的にオフセットされている、請求項３に記載のプロジェクタ。
5. 前記部分ホモジナイザーがコンデンサを含み、このコンデンサは、前記複数の光チャンネルからの光を、このコンデンサの焦点面からオフセットされた位置にある前記照明平面で部分的にオーバーラップさせるように動作可能である、請求項１に記載のプロジェクタ。
6. 前記部分ホモジナイザーが、前記複数のセルからの光を前記複数の光チャンネル内で伝送するための第１アレイレンズと第２アレイレンズを含む、請求項１に記載のプロジェクタ。
7. 前記第１アレイレンズと前記第２アレイレンズは、それぞれレンズレットのアレイを含み、前記第１アレイレンズは、前記複数のセルから収集された光を、前記第２アレイレンズのレンズレットのそれぞれのアパーチャに向ける、請求項６に記載のプロジェクタ。
8. コンデンサが、前記第１アレイレンズのレンズレットのアパーチャを、前記照明平面からオフセットされた均質化平面でオーバーラップするようにして画像化するために、前記第１、第２アレイレンズに対して配置される、請求項７に記載のプロジェクタ。
9. 前記部分ホモジナイザーが、前記複数の光チャンネル内の前記複数のセルから光を収集し、前記複数の光チャンネルを前記照明平面において少なくとも６０パーセントでオーバーラップさせ、前記複数の光チャンネルの少なくともいくつかを前記照明平面において９０パーセント以下でオーバーラップさせることを提供する、請求項１に記載のプロジェクタ。
10. 前記コントローラが、前記複数のセルのうちの１以上のセルの放射エネルギー出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面にわたる光強度分布を変更することを提供する、請求項１に記載のプロジェクタ。
11. 前記コントローラが、画像形成に使用されていない前記空間光変調器の部分を照明する前記複数のセルのうちの１以上のセルを暗くすることを提供する、請求項１０に記載のプロジェクタ。
12. ニアアイディスプレイであって、
    複数のセルを有し各セルが異なる色の光源を含む拡張光源と、前記複数のセルからの光を照明平面で部分的にオーバーラップさせる部分ホモジナイザーと、を含む照明器と、
    前記照明平面に配置され、前記照明平面で部分的に重ね合わされた光を選択的に変調することによって、実像を生成する空間光変調器と、
    前記空間光変調器からの変調光を、複数の角度的にエンコードされた光ビームとして瞳孔に向ける接眼光学系と、
    透過型の導波路と、前記導波路に沿って配置されたインカップリング光学要素と、前記導波路に沿って配置されたアウトカップリング光学要素と、を備え、前記インカップリング光学要素が前記角度的にエンコードされた光ビームを前記導波路内に向けるように動作可能であり、前記アウトカップリング光学要素が、前記角度的にエンコードされた光ビームを前記導波路から出てアイボックスに向けるように動作可能である画像光ガイドと、
    前記拡張光源に接続されたコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、前記複数のセルのうちの1以上のセルの相対的な色出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面上の光の色分布を変更するように動作可能である、ニアアイディスプレイ。
13. 前記部分ホモジナイザーが、複数の光チャンネル内の前記複数のセルから光を収集し、前記複数の光チャンネルを前記照明平面において少なくとも６０パーセントでオーバーラップさせ、前記複数の光チャンネルの少なくともいくつかを前記照明平面において９０パーセント以下でオーバーラップさせることを提供する、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
14. 前記部分ホモジナイザーがコンデンサを含み、このコンデンサは、前記複数のセルからの光を、このコンデンサの焦点距離からオフセットされた位置にある前記照明平面で部分的にオーバーラップさせるように動作可能である、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
15. 前記部分ホモジナイザーが、第１アレイレンズと第２アレイレンズとコンデンサを有し、前記第１アレイレンズは前記複数のセルからの光を集めるレンズレットを備え、第２アレイレンズは前記複数のセルから集められた光がそれぞれ向かうアパーチャを有するレンズレットを備え、前記コンデンサは、前記第１アレイレンズのレンズレットのアパーチャを、前記照明平面からオフセットされた均質化平面でオーバーラップするようにして画像化するために、前記第１、第２アレイレンズに対して配置される、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
16. 前記複数のセルの各セル内の異なる色の光源が、少なくとも３つの異なる波長帯を出力するように動作可能であり、異なる波長帯の相対的な光出力が調整可能である、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
17. 前記コントローラは、前記複数のセルの第１の集合内での１つの波長帯の出力を相対的に減少させ、前記複数のセルの第２の集合内の前記１つの波長帯の出力を相対的に増大させることを提供する請求項１６に記載のニアアイディスプレイ。
18. 前記複数のセルの第１、第２の集合からの光が、照明平面内で相対的にオフセットされている、請求項１７に記載のニアアイディスプレイ。
19. 前記コントローラが、前記複数のセルのうちの１以上のセルの放射エネルギー出力を調整して、前記空間光変調器に入射する前記照明平面にわたる光強度分布を変更し、これによりバーチャル像にわたる光強度分布を調整することを提供する、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
20. 前記コントローラが、画像形成に使用されていない前記空間光変調器の部分を照明する前記複数のセルのうちの１以上のセルを暗くすることを提供する、請求項１９に記載のニアアイディスプレイ。

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