特許 7441443 光学システム及び複合現実装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-21

(45)【発行日】2024-03-01

(54)【発明の名称】光学システム及び複合現実装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240222BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20240222BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240222BHJP

   G02B 27/01 20060101ALN20240222BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G09F9/00 359

G02B5/18

G02B27/01

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021208369

(22)【出願日】2021-12-22

(65)【公開番号】P2022132274

(43)【公開日】2022-09-08

【審査請求日】2021-12-22

(31)【優先権主張番号】202110222101.3

(32)【優先日】2021-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】521559898

【氏名又は名称】南昌三極光電有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】袁俊旗

(72)【発明者】

【氏名】馬玉勝

【審査官】井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２９９６７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０１２２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２６４４３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２４２２４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１２３４６２５１（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８８０３０２２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０４６５３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１－２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの画像光を投射するための投影デバイスと、
下地層であって、前記投影デバイスからの２つの前記画像光をそれぞれ受信するための２つの側面及び前記下地層に入る２つの前記画像光を全反射するための２つの平面を有する下地層と、
少なくとも前記下地層の１つの平面に設けられ、前記下地層を伝播する２つの前記画像光を反射回折する又は透過回折するための回折格子層とを含み、前記回折格子層によって回折された目標画像光のエネルギーは均一に分布され、
前記回折格子層が前記下地層の１つの平面に設けられ、前記回折格子層の格子縞は前記回折格子層に垂直で且つ予め設定された位置点を通過する方向に対して、軸対称に分布され、ここで、前記予め設定された位置点が前記回折格子層に位置する、
ことを特徴とする光学システム。

【請求項2】

前記回折格子層によって透過回折され、前記下地層を伝送する前記画像光は、前記回折格子層のエッジから前記予め設定された位置点までの方向に、前記画像光の透過回折効率が次第に増加し、前記下地層を伝送する前記画像光は、前記予め設定された位置点から前記回折格子層の別のエッジまでの方向に、前記画像光の反射回折効率が次第に低減する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記画像光の透過回折効率及び前記画像光の反射回折効率は前記回折格子層に垂直で且つ予め設定された位置点を通過する方向に対して軸対称する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記下地層を伝送する前記画像光は、前記回折格子層のエッジから前記予め設定された位置点までの方向に、前記画像光の透過回折光強度値は定値であり、前記下地層を伝送する前記画像光は、前記予め設定された位置点から前記回折格子層の別のエッジまでの方向に、前記画像光の反射回折光強度値は前記透過回折光強度値よりも小さい、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。

【請求項5】

前記下地層を伝送する前記画像光は前記予め設定された位置点から前記回折格子層の別のエッジまでの方向に、前記画像光の反射回折光強度値は次第に低減する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光学システム。

【請求項6】

前記光学システムは、それぞれ前記下地層の２つの側面に設けられ、それぞれ前記投影デバイスからの２つの前記画像光を２つの前記側面によって前記下地層にカップリングして入り込むための、２つのカップリングプリズムをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

【請求項7】

前記光学システムは、
それぞれ前記投影デバイスの２つの画像光が前記カップリングプリズムに対応して入射された光路に設けられ、それぞれ前記投影デバイスからの２つの前記画像光を対応する前記カップリングプリズムに反射するための、２つの反射素子をさらに含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の光学システム。

【請求項8】

前記光学システムは、前記回折格子層によって回折された目標画像光から人の目までの光路に設けられ、前記回折格子層が回折された前記目標画像光を人の目に反射し、かつ環境光が前記半反射半透過素子によって人の目に透過するための半反射半透過素子をさらに含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の光学システム。

【請求項9】

データ処理モジュール及び請求項１～８のいずれか１項に記載の光学システムを含み、前記データ処理モジュールは表示する必要がある画像情報を前記光学システムの投影デバイスに伝送して、画像を表示する、
ことを特徴とする複合現実装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光電子の技術分野に属し、特に光学システム及び複合現実装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複合現実装置は仮想現実装置及び拡張現実装置を含み、仮想現実装置とは、ユーザに仮想画像情報のみを提示し、外部環境光が仮想現実装置によってユーザの眼に入ることができない。拡張現実装置は仮想画像情報と外部環境光を同時にユーザの眼に提示することができる。

【0003】

光導波路技術は複合現実装置における光学システムのうちの１つとして、その軽薄及び外界光線の高透過性の特徴でますます高い人気度を取得する。

【発明の概要】

【0004】

本願の実施例は、まず、２つの画像光を投射するための投影デバイスと、下地層であって、前記投影デバイスからの２つの前記画像光をそれぞれ受信するための２つの側面及び前記下地層に入る２つの前記画像光を全反射するための２つの平面を有する下地層と、少なくとも前記下地層の１つの平面に設けられ、前記下地層を伝播する２つの前記画像光を反射回折する又は透過回折するための回折格子層とを含み、前記回折格子層によって回折された目標画像光のエネルギーは均一に分布される、
光学システムを提供する。

【0005】

本願の実施例は、上記の光学システムと、前記データ処理モジュールは表示する必要がある画像情報を前記光学システムの投影デバイスに伝送することにより画像を表示するデータ処理モジュールと、を含む、
複合現実装置をさらに開示する。

【0006】

本発明の目標及び特徴は、ある程度で後の明細書において説明され、かつある程度で、以下の考察及び研究に基づいて当業者にとって明らかであり、又は本発明の実践から教示を得ることができる。本発明の目標及び他の利点は以下の明細書、特許請求の範囲、及び図面に特に指摘された構造によって実現し取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

図面は本願の技術案又は従来の技術のさらなる理解を提供するために用いられ、かつ明細書の一部を構成する。ここで、本願の実施例を表す図面は本願の実施例と共に本願の技術案を説明するために用いられるが、本願の技術案を限定するものではない。

【図1】本発明の実施例に係る光学システムの構造模式図である。

【図2】本発明の別の実施例に係る光学システムの構造模式図である。

【図3】図２の別の角度の図である。

【図4】本発明の実施例に係る光学システムにおける下地層と回折格子層の構造模式図である。

【図5】本発明の実施例に係る光学システムにおける画像光線の回折効率図である。

【図6】本発明の実施例に係る光学システムにおける画像光線の回折絶対光強度図である。

【図7】本発明の実施例に係る複合現実装置の構造模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に図面及び実施例を参照して本発明の実施形態を詳細に説明することにより、本発明がどのように技術手段を応用して技術的な課題を解決して、且つ対応する技術的な効果を達成するがという実現過程を十分に理解すること及びそれによって実施することができる。本願の実施例及び実施例における各特徴は、衝突しない前提で相互に結合されることができ、形成された技術案はいずれも本発明の範囲内にある。

【0009】

図１を参照して、本願の実施例は、投影デバイス１０１、１０２、下地層４００及び回折格子層を含む光学システム１００を開示する。

【0010】

投影デバイスは２つの画像光を投射するために用いられるものである。１つの投影デバイスで２つの画像光を透過して、例えば光束分割の方式で１つの投影デバイスから投射された光を２つの画像光に分けてもよく、図１に示された方式のように、２つの投影デバイス１０１、１０２はそれぞれ１つの画像光を出射してもよい。２つの投影デバイス１０１、１０２は下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称に設けられてもよい。

【0011】

下地層４００は、投影デバイス１０１、１０２からの２つの画像光をそれぞれ受信するための２つの側面及び下地層４００に入る２つの画像光を全反射するための２つの平面を有する。図１を参照して、下地層４００は、例えば台形の断面を有してもよく、その２つの側面がそれぞれ２つの画像光を受信するために用いられ、２つの画像光がそれぞれ対向する２つの平面内で全反射して伝播する。具体的には、１つの画像光は１つの側面によって下地層４００に入射し、画像光は下地層４００の２つの対向する平面内で全反射の方式で他の側面に向かって伝播する。

【0012】

回折格子層５０１、５０２は、少なくとも下地層４００の１つの平面に設けられ、下地層４００を伝播する２つの画像光を反射回折する又は透過回折するために用いられる。ここで、回折格子層５０１、５０２によって回折された目標画像光１０００のエネルギーは均一に分布される。２つの画像光はいずれも光学システム１００によって射出されることができ、瞳が連続である（中国語：光瞳連続）効果を実現することができる。画像光は下地層４００内を伝播する時に、下地層４００に設けられた平面に遭遇する場合、反射回折又は透過回折の方式で出射され、出射された画像光は目標画像光１０００と呼ばれる。例えば、回折格子層は２つの層に分けられ、１つの層は下地層４００の下面の平面に設けられ、他の層は下地層４００の上面の平面に設けられ、そのうちの１つの層に対応する画像光は反射回折の方式で出射され、他の層に対応する画像光は透過回折の方式で出射される。また例えば、図１を参照し、回折格子層５０１、５０２は１つの層であり、１つの層の回折格子層５０１、５０２は下地層４００の１つの平面に貼り合わせ、画像光は透過回折の方式で出射され、画像光が回折格子層に遭遇する場合、透過回折の方式で出射され、出射された目標画像光１０００のエネルギーは均一に分布される。図１において、回折格子層の左部分を５０２、回折格子層の右部分を５０１と表記して、この２つの部分は実際に１つの層の全体の回折格子層であり、出射された目標画像光１０００のエネルギーは回折格子層に均一に分布され、即ち、回折格子層の異なる位置に対応する出射された目標画像光１０００のエネルギーは等しい。回折格子層５０１、５０２の中心位置は、下地層４００の中心位置と一致していてもよい。

【0013】

投影デバイス１０１、１０２、下地層４００及び回折格子層５０１、５０２を設けることによって、光学システム１００から出射された目標画像光１０００のエネルギーが均一に分布され、光学システム１００がよりコンパクトになり、光学システム１００から出射された目標画像光１０００はそれぞれユーザの両目に対応することができ、ユーザの目ごとに異なる２つの光学システムをそれぞれ設ける必要がなく、この光学システム１００を利用する複合現実装置の没入感がよりよい。

【0014】

いくつかの実施例において、投影デバイス１０１、１０２は具体的には投射レンズ及び表示スクリーンを含んでもよく、表示スクリーンは表示対象である画像情報をロードするために用いられ、さらに、対象である画像情報を光の形式で投射レンズに送信し、投射レンズは光の形式の画像情報（画像光）をコリメートして光路の下流に伝送するために用いられることができる。投影デバイス１０１、１０２はそれぞれ下地層４００の２つの側面に貼り合わせることができる。

【0015】

いくつかの実施例において、図１を参照し、光学システム１００は、それぞれ下地層４００の２つの側面に設けられ、それぞれ投影デバイス１０１、１０２からの２つの画像光を２つの側面によってカップリングして下地層４００に入り込むために用いられる、２つのカップリングプリズム３０１、３０２をさらに含んでもよい。投影デバイス１０１から出射された画像光はカップリングプリズム３０１を経過して下地層４００の１つの側面によって下地層４００に入射することができ、投影デバイス１０２から出射された画像光はカップリングプリズム３０２を経過して下地層４００の別の側面によって下地層４００に入射することができる。ここで、２つのカップリングプリズム３０１、３０２はそれぞれ下地層４００の２つの側面に接着してもよく、投影デバイス１０１、１０２はそれぞれ２つのカップリングプリズム３０１、３０２に貼り合わせる。２つの投影デバイス１０１、１０２は下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称的に設けられてもよく、２つのカップリングプリズム３０１、３０２も下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称に設けられてもよい。

【0016】

いくつかの実施例において、それぞれ投影デバイス１０１、１０２の２つの画像光がカップリングプリズム３０１、３０２に対応して入射された光路に設けられ、投影デバイス１０１、１０２からの２つの画像光をそれぞれ対応するカップリングプリズム３０１、３０２に反射するために用いられる、光学システム１００は２つの反射素子２０１、２０２をさらに含む。投影デバイス１０１、１０２から出射された画像光は反射素子２０１、２０２で反射された後にカップリングプリズム３０１、３０２に入り、カップリングプリズム３０１、３０２は画像光を下地層４００にカップリングして入射する。ここで、２つのカップリングプリズム３０１、３０２はそれぞれ下地層４００の２つの側面に貼り合わせてもよく、投影デバイス１０１、１０２は下地層４００の平面と平行に設けられてもよい。投影デバイス１０１、１０２が設けられた位置が下地層４００のエッジ又は下地層４００の外側に近接すると、環境光が下地層４００及び回折格子層５０１、５０２によって人の目に入射することに影響を与えず、光学システム１００は画像光線及び外部環境光がいずれも人の目に入射するという効果を実現することができる。下地層４００及び回折格子層５０１、５０２は例えば透明な材質の光学ガラス及び光学プラスチックで製造されてもよい。高透過率の下地層４００及び回折格子層５０１、５０２は光線が下地層４００及び回折格子層５０１、５０２によって吸収されることを減少することができる。図１を参照し、投影デバイス１０１、１０２が設けられた位置が下地層４００の中心位置に近接すると、環境光が下地層４００及び回折格子層５０１、５０２によって人の目に入射することに影響を与え、光学システム１００は画像光線が人の目に入射するという効果のみを実現することができる。２つの反射素子２０１、２０２はそれぞれ２つの投影デバイス１０１、１０２及び２つのカップリングプリズム３０１、３０２に対して一定の角度を呈し、これにより、投影デバイス１０１、１０２から出射された画像光線をカップリングプリズム３０１、３０２に反射する。２つの投影デバイス１０１、１０２は下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称的に設けられてもよく、２つのカップリングプリズム３０１、３０２も下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称的に設けられてもよく、２つの反射素子２０１、２０２も下地層４００の２つの平面中心位置の垂線に対して対称に設けられてもよい。２つの投影デバイス１０１、１０２、２つの反射素子２０１、２０２、２つのカップリングプリズム３０１、３０２は共通の下地層４００及び回折格子層５０１、５０２を共用し、光学システム１００はよりコンパクトであり、体積がより小さい。

【0017】

いくつかの実施例において、図２及び図３を参照し、光学システム２００は、回折格子層５０１、５０２によって回折された目標画像光１０００から人の目７００までの光路に設けられ、回折格子層５０１、５０２から回折された目標画像光１０００を人の目に反射し、かつ環境光が半反射半透過素子６００によって人の目７００に透過するために用いられる、半反射半透過素子６００をさらに含んでもよい。光学システム１００は画像光線が人の目に入射する効果のみ実現できる場合、光学システム１００を基に半反射半透過素子６００を増加して、これにより、光学システム１００から射出された目標画像光１０００は半反射半透過素子６００の反射によって画像光１００１を得て、画像光１００１は人の目７００に入射することができ、環境光は半反射半透過素子６００を透過して人眼７００に入射することができる。光学システム２００は、画像光線と外部環境光がいずれも人の目７００に入射するという効果を実現できる。人の目７００には、矩形の射出瞳を有する。

【0018】

以上の光学システムにおいて、図４を参照し、回折格子層５０１、５０２が下地層４００の１つの平面に設けられる場合、例えば下地層４００の上面に設けられる場合、回折格子層５０１、５０２（その全体が１つの層の回折格子層である）の格子縞は、回折格子層５０１、５０２に垂直で且つ予め設定された位置点を通過する方向（図４に示されたＺ軸）に対して、軸対称に分布され、ここで、予め設定された位置点（図４に示された０点）が回折格子層５０１、５０２に位置する。図４におけるＸ軸は下地層４００と回折格子層５０１、５０２との間に位置し、０点は回折格子層５０１、５０２の中心位置（０点が回折格子層５０１部分と回折格子層５０２部分との境界に位置する）に位置し、Ｚ軸は０点から回折格子層５０１、５０２に垂直な方向に沿った方向である。ここで、回折格子層５０１、５０２はホログラム回折格子であってもよく、表面レリーフ型回折格子であってもよい。

【0019】

図５を参照し、回折格子層５０１、５０２によって透過回折された場合、下地層４００を伝送する画像光は回折格子層５０１、５０２のエッジから予め設定された位置点までの方向に沿って、画像光の透過回折効率が次第に増加する。下地層４００を伝送する画像光は予め設定された位置点から回折格子層５０１、５０２の別のエッジまでの方向に、画像光の反射回折効率が次第に低減する。図４に示す入射光線１（その－１次の透過回折及び反射回折の光線はいずれも下地層４００の平面に垂直する）は回折格子層５０２部分から回折格子層５０１部分までの方向に沿って伝播し、それは図５における回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔ及び回折格子層５０１部分の反射回折効率Ｒの分布から分かるように、回折効率が０点で最も高く、０点から離れるほど、回折効率が低く、エッジから０点まで、回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔ及び回折格子層５０１部分の反射回折効率Ｒが次第に増加する。回折効率は段階的に増加してもよく、例えば、エッジから０点まで、回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔと回折格子層５０１部分の反射回折効率Ｒは段階的に増加する。図４に示された入射光線２は回折格子層５０１の部分から回折格子層５０２部分までの方向に沿って伝播し、それは入射光線１と類似し、ここでは説明を省略する。

【0020】

いくつかの実施例において、画像光の透過回折効率及び画像光の反射回折効率は回折格子層５０１、５０２に垂直で且つ予め設定された位置点を通過する方向に対して軸対称する。図５から分かるように、回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔと回折格子層５０１部分の反射回折効率ＲはＺ軸に対して軸対称に分布される。もちろん、いくつかの状況で、回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔと回折格子層５０１部分の反射回折効率ＲはＺ軸に対して軸対称に分布されなくてもよい。回折格子層５０２部分の透過回折効率Ｔと回折格子層５０１部分の反射回折効率Ｒはエッジから０点まで次第に増加してもよくが、増加する曲線は異なることであってもよい。

【0021】

図６を参照し、下地層４００を伝送する画像光は回折格子層５０１、５０２のエッジから予め設定された位置点までの方向に、画像光の透過回折光強度値は定値である。下地層４００を伝送する画像光は予め設定された位置点から回折格子層５０１、５０２の別のエッジまでの方向に、画像光の反射回折光強度値は透過回折光強度値よりも小さい。図６において、入射光線１の回折格子層５０２部分と回折格子層５０１部分での回折絶対光強度分布、つまり回折絶対光強度値の回折格子層５０２部分と回折格子層５０１部分での分布を示す。回折格子層５０２部分はほぼフラットな透過エネルギーｔ、つまり定値の透過回折光強度値を有する。類似的に、入射光線２は回折格子層５０１部分から回折格子層５０２部分に向かって伝播する時に、入射光線２は回折格子層５０１部分に同様に定値の透過回折光強度値を有する。入射光線１が回折格子層５０２の部分から回折格子層５０１に向かって伝播する時に、入射光線１は回折格子層５０２によって複数回に透過回折エネルギーを抽出し、回折格子層５０１部分まで伝播する時に、残る光線エネルギーが非常に弱く、かつ回折格子層５０１部分の入射光線１に対する透過回折効率は１－Ｒであり、回折格子層５０１部分の入射光線１に対する透過回折は非常に小さく、同様に、回折格子層５０２部分の入射光線２に対する透過回折も非常に小さく、回折格子層５０１、５０２の全域は均一な透過回折エネルギー分布を有する。

【0022】

いくつかの実施例において、下地層４００を伝送する画像光は予め設定された位置点から回折格子層５０１、５０２の別のエッジまでの方向に、画像光の反射回折光強度値は次第に低減する。画像光の反射回折光強度値が小さいほど、回折格子層５０１、５０２に対する透過回折効果が高い。

【0023】

回折格子層５０１、５０２の製造プロセスはホログラム露光によって異なる位置での露光時間を調整して必要な回折効率を獲得することであってもよい。

【0024】

図７を参照し、本願は複合現実装置をさらに提供し、それはデータ処理モジュール及び以上に説明した光学システム１００、２００を含み、データ処理モジュールは表示する必要がある画像情報を光学システム１００、２００の投影デバイス１０１、１０２に伝送して、画像を表示する。光学システム１００、２００を人の目に伝導するように、複合現実装置におけるデータ処理モジュールは表示する必要がある画像情報を提供し、かつそれを投影デバイス１０１、１０２に伝送するために用いられる。複合現実装置は仮想現実装置とする時に、画像情報のみを表示し、複合現実装置は拡張現実装置とする時に、画像情報と外部環境情報を表示する。複合現実装置は例えばメガネ式装置であってもよく、それは眼鏡フレーム３００及び眼鏡フレーム３００に接続された光学システム１００を含み、データ処理モジュールは眼鏡フレーム３００内に設けられてもよい。光学システム１００は一体的な全視レンズシートを提供することができ、これによりユーザが着用する時に、鼻梁にいかなる遮蔽もなく、拡張現実メガネのより軽薄な構造、より簡単な構造及びより高い没入視覚体験を提供することができる。ここで、回折格子層５０１部分は左の目に画像を提供することができ、回折格子層５０２部分は右の目に画像を提供することができ、回折格子層５０１部分と５０２部分はいずれも下地層４００に対応し、下地層４００は透明導波路であってもよい。光学システム１００全体は仮想的な画像が充満し、現在の拡張現実メガネと比べると、より大きなアイボックス（ｅｙｅ ｂｏｘ）を提供することができる。

【0025】

前記のように、本発明の好ましい具体的な実施形態だけであるが、本発明の保護範囲はこれに限定されるものではなく、当該技術に精通する任意の業者が本発明に開示された技術的な範囲内で、容易に想到できる変化又は置換は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。そこで、本発明の保護範囲は請求項の保護範囲を基準とすべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】