特許 7454716 二重混合光照射フィールドデバイス

(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】2024-03-13

(45)【発行日】2024-03-22

(54)【発明の名称】二重混合光照射フィールドデバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240314BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240314BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【請求項の数】 17

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023002989

(22)【出願日】2023-01-12

(62)【分割の表示】P 2021187622の分割

【原出願日】2016-05-19

(65)【公開番号】P2023040226

(43)【公開日】2023-03-22

【審査請求日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】62/163,733

(32)【優先日】2015-05-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514108838

【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】７５００ Ｗ ＳＵＮＲＩＳＥ ＢＬＶＤ，ＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ，ＦＬ ３３３２２ ＵＳＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】エイドリアン ケーラー

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００９／０５０５０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０７８０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３０４２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３４６５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１ － ２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

Ｈ０４Ｎ １３／３４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、前記装置は、
プロセッサと、
透過型ディスプレイを含むウェアラブルヘッドデバイスであって、前記透過型ディスプレイは、
導波管であって、前記導波管は、
平面入力面と、
前記平面入力面の反対に配置される平面出力面であって、前記平面出力面は、出射場所を有する、平面出力面と
を有する、導波管と、
前記導波管を横断して形成された回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記ＤＯＥは、入力光を前記導波管に結合させることと、前記入力光を、全内部反射を介して前記出射場所に指向することとを行うように構成される、ＤＯＥと
を備える、ウェアラブルヘッドデバイスと、
前記導波管を介して前記入力光を受け取ることと、前記受け取られた入力光に対応するセンサ出力信号を生成することとを行うように構成される光センサと
を備え、
前記光センサは、走査ファイバを含み、前記センサ出力信号は、前記受け取られた入力光に対応する１つ以上の着信極座標ピクセルを備え、
前記プロセッサは、前記センサ出力信号に基づいて出力を生成するように構成され、前記出力は、前記１つ以上の着信極座標ピクセルから変換された直角座標ピクセルの直線アレイを備え、
前記出力を生成することは、直角座標ピクセルの前記直線アレイの第１の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在することを決定することと、前記対応する着信極座標ピクセルの値を前記第１の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、装置。

【請求項2】

前記プロセッサはさらに、前記出射場所に対する前記光センサの角度および位置を調節するように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する前記直線アレイの最も近接する直角座標ピクセルの値を前記第２の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する最も近接する直角座標ピクセルの値に対して補間を実行することによって前記第２の直角座標ピクセルの値を決定することとを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記出力を生成することはさらに、直角座標ピクセルの前記直線アレイと前記１つ以上の着信極座標ピクセルとの間の関係を事前算出することを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記出力は、画像プロセッサへの入力として提供される、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

方法であって、前記方法は、
光センサにおいて、透過型ディスプレイの導波管に結合させられ全内部反射を介して前記導波管の平面出力面の出射場所に指向させられた入力光を受け取ることであって、前記光センサは、走査ファイバを含む、ことと、
前記光センサから、前記入力光に基づいたセンサ出力信号を受け取ることであって、前記センサ出力信号は、前記入力光に対応する１つ以上の着信極座標ピクセルを備える、ことと、
前記センサ出力信号に基づいて出力を生成することであって、前記出力は、前記１つ以上の着信極座標ピクセルから変換された直角座標ピクセルの直線アレイを備える、ことと
を含み、
前記出力を生成することは、直角座標ピクセルの前記直線アレイの第１の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在することを決定することと、前記対応する着信極座標ピクセルの値を前記第１の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、方法。

【請求項8】

前記出射場所に対する前記光センサの角度および位置を調節することをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する前記直線アレイの最も近接する直角座標ピクセルの値を前記第２の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する最も近接する直角座標ピクセルの値に対して補間を実行することによって前記第２の直角座標ピクセルの値を決定することとを含む、請求項７に記載の方法。

【請求項11】

前記出力を生成することはさらに、直角座標ピクセルの前記直線アレイと前記１つ以上の着信極座標ピクセルとの間の関係を事前算出することを含む、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記出力を、画像プロセッサへの入力として提供することをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項13】

命令を記憶している非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記命令は、１つ以上のプロセッサによって実行されるときに、前記１つ以上のプロセッサに方法を実行させ、前記方法は、
光センサにおいて、透過型ディスプレイの導波管に結合させられ全内部反射を介して前記導波管の平面出力面の出射場所に指向させられた入力光を受け取ることであって、前記光センサは、走査ファイバを含む、ことと、
前記光センサから、前記入力光に基づいたセンサ出力信号を受け取ることであって、前記センサ出力信号は、前記入力光に対応する１つ以上の着信極座標ピクセルを備える、ことと、
前記センサ出力信号に基づいて出力を生成することであって、前記出力は、前記１つ以上の着信極座標ピクセルから変換された直角座標ピクセルの直線アレイを備える、ことと
を含み、
前記出力を生成することは、直角座標ピクセルの前記直線アレイの第１の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在することを決定することと、前記対応する着信極座標ピクセルの値を前記第１の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体。

【請求項14】

前記方法は、前記出射場所に対する前記光センサの角度および位置を調節することをさらに含む、請求項１３に記載の非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体。

【請求項15】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する前記直線アレイの最も近接する直角座標ピクセルの値を前記第２の直角座標ピクセルに割り当てることとを含む、請求項１３に記載の非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体。

【請求項16】

前記出力を生成することはさらに、前記直線アレイの第２の直角座標ピクセルに対して、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在しないことを決定することと、前記１つ以上の着信極座標ピクセルにおいて対応する着信極座標ピクセルが存在する最も近接する直角座標ピクセルの値に対して補間を実行することによって前記第２の直角座標ピクセルの値を決定することとを含む、請求項１３に記載の非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体。

【請求項17】

前記方法は、前記出力を、画像プロセッサへの入力として提供することをさらに含む、請求項１３に記載の非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１５年５月１９日に出願された「ＤＵＡＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＬＩＧＨＴ ＦＩＥＬＤ ＤＥＶＩＣＥ」という題名の米国仮特許出願第６２／１６３，７３３号に対して優先権を主張する。上記文献は、その全体として参照することによって本明細書において援用される。

【0002】

（発明の分野）
本発明は、拡張現実システムにおいて使用される光学デバイスに関する。拡張現実システムは、世界の景色を伝送しながら、また、コンピュータ生成画像を生成し、ユーザに送達するための平面導波管を含むタイプである。本発明では、１つ以上の付加的導波管が、世界から画像を捕捉するために提供される。

【背景技術】

【0003】

（発明の背景）
ユーザに対して拡張現実を作り出すシステムを開発することが、大いに着目されている。そのようなシステムの一実施例では、ユーザは、外界を視認するためのウィンドウを含む、ヘッドマウントデバイスを提供されるであろう。ウィンドウは、画像情報を生成し、その画像情報をユーザの眼に投影する能力を有するであろう。そのようなシステムでは、仮想的な物体の画像が、生成され、現実世界の風景に追加され得る。

【0004】

拡張現実を作り出すためのデバイスの説明が、２０１５年１月１５日に公開された米国特許公開第２０１５／００１６７７７号（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出されることができる。

【0005】

本明細書の後の公開に説明され、図１に図示されるように、光学システム１００は、平面導波管１を含む主要導波管装置１０２を含むことができる。平面導波管は、平面導波管内の光の全内部反射を制御するための１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）２を提供される。光学システムはさらに、光学カプラシステム１０４と、制御システム１０６とを含む。

【0006】

図２に最良に図示されるように、主要平面導波管１は、第１の端部１０８ａと、第２の端部１０８ｂとを有し、第２の端部１０８ｂは、主要平面導波管１の長さ１１０に沿って第１の端部１０８ａに対向する。主要平面導波管１は、第１の面１１２ａと、第２の面１１２ｂとを有し、少なくとも第１および第２の面１１２ａ、１１２ｂ（集合的に１１２）は、主要平面導波管１の長さ１１０の少なくとも一部に沿って（矢印１１４ａおよび破線矢印１１４ｂ、集合的に１１４によって図示される）部分的内部反射光路を形成する。主要平面導波管１は、定義された臨界角未満で面１１２に衝突する光に対して略全内部反射（ＴＩＲ）を提供する種々の形態をとり得る。平面導波管１は、例えば、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネートの平板もしくは平面の形態をとり得る。

【0007】

ＤＯＥ２（点鎖二重線によって図１および２に図示される）は、ＴＩＲ光路１１４を中断させ、平面導波管１の長さ１１０の少なくとも一部に沿って延在する平面導波管１の内部１１８と外部１２０との間に（矢印１１６ａおよび破線矢印１１６ｂ、集合的に１１６によって図示される）複数の光路を提供する、多種多様な形態をとり得る。ＤＯＥ２は、有利なこととして、線形回折格子の位相関数を円形または半径方向対称ゾーンプレートのものと組み合わせ、見掛けの物体および見掛けの物体に対する焦点面の位置付けを可能にし得る。ＤＯＥは、導波管の表面上またはその内部に形成され得る。

【0008】

図１を参照すると、光学カプラサブシステム１０４は、光を導波管装置１０２に光学的に結合させる。図１に図示されるように、光学カプラサブシステムは、光を主要平面導波管１の縁１２２に光学的に結合させるために、光学要素５、例えば、反射面、ミラー、ダイクロイックミラー、またはプリズムを含み得る。光はまた、前面または後面１１２のいずれかを通して導波管装置に結合されることができる。光学カプラサブシステム１０４は、加えて、または代替として、光を平行化させる平行化要素６を含み得る。

【0009】

制御サブシステム１０６は、１つ以上の光源と、空間的および／または時間的に変動する光の形態においてエンコードされる画像データを生成する駆動電子機器とを含む。上記に留意されるように、平行化要素６は、光を平行化させ得、平行化された光は、１つ以上の主要平面導波管１（１つの主要導波管のみが図１および２に図示される）に光学的に結合される。

【0010】

図２に図示されるように、光は、ＴＩＲ伝搬からもたらされる少なくともある程度の反射または「跳ね返り」とともに主要平面導波管に沿って伝搬する。いくつかの実装は、反射を促進し得る、１つ以上のリフレクタ、例えば、薄フィルム、誘電コーティング、金属化コーティング等を内部光路において採用し得ることに留意されたい。導波管１の長さ１１０に沿って伝搬する光は、長さ１１０に沿った種々の位置でＤＯＥ２と交差する。ＤＯＥ２は、主要平面導波管１内に組み込まれる、または主要平面導波管１の面１１２のうちの１つ以上と当接もしくは隣接し得る。ＤＯＥ２は、少なくとも２つの機能を遂行する。ＤＯＥ２は、光の角度を偏移させ、光の一部をＴＩＲから逃散させ、主要平面導波管１の１つ以上の面１１２を介して内部１１８から外部１２０に出現させる。ＤＯＥ２はまた、出力結合された光線を指向させ、所望の見掛け視距離における物体の仮想場所を制御するように構成されることができる。したがって、主要平面導波管１の面１１２ａを通して見る人は、１つ以上の視距離においてデジタル画像を見ることができる。

【0011】

いくつかの実装では、走査光ディスプレイが、光を１つ以上の主要平面導波管に結合させるために使用される。走査光ディスプレイは、画像を形成するために、経時的に走査される単一ビームを形成する単一光源を備えることができる。本走査された光のビームは、異なる輝度レベルのピクセルを形成するために強度変調され得る。代替として、複数の光源が、複数の光のビームを生成するために使用され得、これらは、画像を形成するために、共有走査要素または別個の走査要素のいずれかを用いて走査される。これらの光源は、可視および／または不可視の異なる波長を備え得、それらは、異なる幾何学的起点（Ｘ、Ｙ、またはＺ）を備え得、それらは、異なる入射角において走査装置に入射し得、１つ以上の画像（平坦画像または立体画像、動画像または静止画像）の異なる部分に対応する光を作り出し得る。

【0012】

光は、例えば、米国特許出願第１３／９１５，５３０号、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０４５２６７号、および米国仮特許出願第６１／６５８，３５５号に議論されるように、例えば、振動する光ファイバを用いて画像を形成するように走査され得る。光ファイバは、圧電アクチュエータによって二軸で走査され得る。代替として、光ファイバは、一軸または三軸で走査され得る。さらなる代替として、１つ以上の光学構成要素（例えば、回転する多角形リフレクタまたはミラー、発振するリフレクタまたはミラー）が、光ファイバの出力を走査するために採用され得る。

【0013】

他の実施形態では、画像は、アレイにおいて形成されるＬＣＯＳ（シリコン上の液晶）ミラーを使用して生成されることができる。

【0014】

図３は、一図示される実施形態による、導波管装置と、導波管装置に、またはそれからの光を光学的に結合させるための光学カプラサブシステムと、制御サブシステムとを含む、光学システム３００を示す。

【0015】

図３の光学システム３００の構造の多くは、図１の光学システム１００のものと類似する、またはさらには同じである。簡潔化のために、多くの事例では、有意な差異のみが、以下に議論される。

【0016】

光学システム３００は、分配導波管装置を採用し、第１の軸（図３に照らして垂直またはＹ軸）に沿って光を中継し、第１の軸（例えば、Ｙ軸）に沿って光の有効出射瞳を拡張し得る。分配導波管装置は、例えば、分配平面導波管３と、分配平面導波管３と関連付けられる少なくとも１つのＤＯＥ４（二重点鎖線によって図示される）とを含み得る。分配平面導波管３は、それとは異なる配向を有する主要平面導波管１と少なくともいくつかの点において類似する、または同じであり得る。同様に、ＤＯＥ４は、ＤＯＥ２と少なくともいくつかの点において類似する、または同じであり得る。例えば、分配平面導波管３および／またはＤＯＥ４は、それぞれ、主要平面導波管１および／またはＤＯＥ２と同一の材料から成り得る。

【0017】

中継および出射された瞳拡張光は、分配導波管装置から１つ以上の主要平面導波管１に光学的に結合される。主要平面導波管１は、好ましくは、第１の軸に直交する第２の軸（例えば、図３に照らして水平またはＸ軸）に沿って光を中継する。とりわけ、第２の軸は、第１の軸に非直交の軸であり得る。主要平面導波管１は、その第２の軸（例えば、Ｘ軸）に沿って光の有効出射瞳を拡張する。例えば、分配平面導波管３は、垂直またはＹ軸に沿って光を中継および拡張し、その光を主要平面導波管１に伝達させることができ、これは、水平またはＸ軸に沿って光を中継および拡張する。図３に示されるシステム３００の残りの要素は、図４に関して以下に議論されるであろう。

【0018】

図４は、光学無限遠よりも近接して位置付けられることが可能な単一焦点面のそれによる生成を図示する、光学システム３００を示す。

【0019】

光学システム３００は、赤色、緑色、および青色光の１つ以上の源１１を含み得、これは、単一モード光ファイバ９の近位端に光学的に結合され得る。光ファイバ９の遠位端は、圧電材料の中空管８を通して螺着または受容され得る。遠位端は、一端固定可撓性片持ち梁７として管８から突出する。圧電管８は、四象限電極（図示せず）と関連付けられる。電極は、例えば、管８の外側、外面、または外側周辺もしくは外径上にめっきされ得る。コア電極（図示せず）もまた、管８のコア、中心、内側周辺、または内径内に位置する。

【0020】

例えば、ワイヤ１０を介して電気的に結合される駆動電子機器１２は、対向する電極の対を駆動し、圧電管８を２つの軸において独立して屈曲させる。光ファイバ７の突出する遠位先端は、機械的共振モードを有する。共振の周波数は、光ファイバ７の直径、長さ、および材料性質に依存する。ファイバ片持ち梁７の第１の機械的共振モードに近接して圧電管８を振動させることによって、ファイバ片持ち梁７は、振動させられ、大きい撓みを一掃することができる。２つの軸において共振振動を刺激することによって、ファイバ片持ち梁７の先端は、２Ｄ走査を充填する面積において二軸で走査される。ファイバ片持ち梁７の走査と同期して光源１１の強度を変調することによって、ファイバ片持ち梁７から出現する光が、画像を形成する。

【0021】

コリメータ６が、ファイバ片持ち梁７の走査から出現する光を平行化させる。平行化された光は、鏡面５によって、少なくとも１つの回折光学要素（ＤＯＥ）４を含有する狭小分配平面導波管３に反射され得る。平行化された光は、全内部反射によって分配平面導波管３に沿って垂直に（すなわち、図４の図に対して）伝搬し、その際、ＤＯＥ４と繰り返し交差する。ＤＯＥ４は、好ましくは、低回折効率を有する。これは、ＤＯＥ４との各交差点において、ある割合（例えば、１０％）の光がより大きい主要平面導波管１の縁に向かって回折されるようにし、ある割合の光をＴＩＲを介して分配平面導波管３の長さを通してその元々の軌跡上に継続させる。ＤＯＥ４との各交差点において、付加的光が、主要導波管１の入口に向かって回折される。入射光を複数の出力結合されたセットに分割することによって、光の出射瞳は、分配平面導波管３内のＤＯＥ４によって垂直に拡張される。分配平面導波管３から結合される本垂直に拡張される光は、主要平面導波管１の縁に入射する。

【0022】

主要導波管１に入射する光は、ＴＩＲを介して主要導波管１に沿って水平に（すなわち、図４の図に対して）伝搬する。光がＴＩＲを介して主要導波管１の長さの少なくとも一部に沿って水平に伝搬するにつれて、これは、複数の点においてＤＯＥ２と交差する。ＤＯＥ２は、有利なこととして、線形回折格子および半径方向対称回折レンズの合計である位相プロファイルを有するように設計または構成され得る。ＤＯＥ２は、有利なこととして、低回折効率を有し得る。伝搬する光とＤＯＥ２との間の各交差点において、ある割合の光が、主要導波管１の隣接する面に向かって回折され、光がＴＩＲから逃散し、主要導波管１の面から出現することを可能にする。ＤＯＥ２の半径方向対称レンズ側面は、加えて、設計された焦点レベルに合致する角度においてビームを操向する。図４は、焦点１３に幾何学的に延在する４つのビーム１８、１９、２０、２１を図示し、各ビームは、有利なこととして、焦点１３に半径の中心を伴う凸波面プロファイルを付与され、所与の焦点面において画像または仮想物体を生産する。

【0023】

図５は、多焦点立体ディスプレイ、画像、または光照射フィールドのそれによる生成を図示する、光学システム３００を示す。図４のように、４つのビーム１８、１９、２０、２１の第１のセットが、焦点１３に幾何学的に延在し、各ビーム１８、１９、２０、２１は、有利なこととして、焦点１３に半径の中心を伴う凸波面プロファイルを付与され、個別の焦点面において、眼２２によって視認されるべき画像または仮想物体の別の部分を生産する。図５はさらに、焦点２３に幾何学的に延在する４つのビーム２４、２５、２６、２７の第２のセットを図示し、各ビーム２４、２５、２６、２７は、有利なこととして、焦点２３に半径の中心を伴う凸波面プロファイルを付与され、個別の焦点面において画像または仮想物体２２の別の部分を生産する。

【0024】

図６は、一図示される実施形態による、光学システム６００を示す。光学システム６００は、光学システム１００および３００といくつかの点において類似する。簡潔化のために、いくつかの差異のみが、議論される。

【0025】

光学システム６００は、導波管装置１０２を含み、これは、上記に説明されるように、１つ以上の主要平面導波管１と、関連付けられるＤＯＥ２（図６に図示せず）とを備え得る。図３－５の光学システム３００と対照的に、光学システム６００は、複数のマイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２ａ－６０２ｅ（５つのみが示され、集合的に６０２）を採用し、個別の画像データを主要平面導波管１に提供する。マイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２は、主要平面導波管１の面に沿って、またはその縁１２２に沿って整列もしくは配列されることができる。例えば、平面導波管１の数とマイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２の数との間に、１対１（１：１）の比率または相関が存在し得る。マイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２は、画像を主要平面導波管１に提供することが可能な種々の形態のいずれかをとり得る。例えば、マイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２は、光走査装置または他のディスプレイ要素、例えば、先に説明された片持ちファイバ７またはＬＣＯＳミラーセットの形態をとり得る。光学システム６００は、加えて、または代替として、主要平面導波管１に入射することに先立って、マイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２から提供される光を平行化させる平行化要素６を含み得る。

【0026】

光学システム６００は、（例えば、図６のＺ軸に沿ってスタック構成において配列される）２つ以上の主要平面導波管１を使用するのではなく、単一の主要平面導波管１の使用を可能にすることができる。複数のマイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２は、例えば、視認者の頭部のこめかみに最も近接する主要平面導波管の縁１２２に沿って線形アレイにおいて配置されることができる。各マイクロディスプレイまたはプロジェクタ６０２は、サブ画像データをエンコードする変調された光を異なる個別の位置から主要平面導波管１に投入し、したがって、光の異なる経路を生成する。これらの異なる経路は、光が多数のＤＯＥ２によって異なる角度、焦点レベルで主要平面導波管１から結合されるようにする、および／または出射瞳において異なる充填パターンをもたらすことができる。射出瞳における異なる充填パターンは、有益なこととして、光照射フィールドディスプレイを作り出すために使用されることができる。スタックにおける、またはスタックにおける層のセット（例えば、３つの層）における各層は、個別の色（例えば、赤色、青色、緑色）を生成するように採用され得る。したがって、例えば、３つの隣接する層の第１のセットが、第１の焦点深度において、それぞれ、赤色、青色、および緑色光を生産するように採用され得る。３つの隣接する層の第２のセットが、第２の焦点深度において、それぞれ、赤色、青色、および緑色光を生産するように採用され得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0027】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００１６７７７号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0028】

（発明の簡単な要約）
上記に議論される実施形態のそれぞれでは、光源が、画像情報を導波管に投入し、ＤＯＥを使用し、光を装着者に分配するために提供される。以下に議論されるように、本発明では、平面導波管および回折光学要素を含む類似する組み合わせが、導波管の平面のうちの１つに入射する光を捕捉し、次いで、センサを用いて捕捉された光を測定するために使用される。収集導波管は、単独で、または出力導波管との組み合わせにおいて使用されることができる。

【0029】

好ましい実施形態では、本装置は、対向する平面入力および出力面を有する導波管を含む。回折光学要素（ＤＯＥ）が、導波管を横断して形成される。ＤＯＥは、導波管を通過する光の一部を導波管に結合させるように構成される。導波管に結合された光は、全内部反射を介して、導波管上の出射場所に指向される。本装置はさらに、光センサを含み、光センサは、導波管の出射場所から出射する光を捕捉するためにそこに隣接して位置付けられる入力を有し、それに対応する出力信号を生成する。プロセッサが、出力信号に基づいて、導波管の入力面に対する結合された光の角度および位置を判定する。本装置は、導波管と整合される狭帯域波長フィルタを含み得る。

【0030】

本装置はさらに、対向する平面入力および出力面を有する、第２の導波管を含み得、第２の導波管は、第１の導波管と整合され、それに平行であり得る。ＤＯＥが、第２の導波管を横断して形成され得る。ＤＯＥは、第２の導波管の面を横断する場所において反射率のレベルを制御するように構成され得る。本装置はさらに、光を第２の導波管に投入するために、第２の導波管に隣接して位置付けられる出力を有する、光発生器を含み得る。プロセッサが、第２の導波管に投入される光を制御し、全内部反射を介して第２の導波管に入射する光を誘導し、第２の導波管の出力面を横断する特定の位置で導波管から出射させ得る。

【0031】

本装置はさらに、第１の導波管の縁に沿って延在する、第３の導波管を含み得る。第３の導波管は、第１の導波管の出射場所から出射する光を捕捉し、光をセンサに送達し得る。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
装置であって、
対向する平面入力および出力面を有する第１の導波管と、
前記第１の導波管を横断して形成された回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記ＤＯＥは、前記導波管を通過する光の一部を前記導波管に結合させるためのものであり、前記導波管に結合された光は、全内部反射を介して、前記導波管上の出射場所に指向される、ＤＯＥと、
前記第１の導波管の出射場所から出射する光を捕捉するためにそこに隣接して位置付けられた入力を有し、かつ、それに対応する出力信号を生成する、光センサと
を備える、装置。
（項目２）
前記第１の導波管と整合された狭帯域波長フィルタをさらに含む、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記第１の導波管の出射場所に対する前記センサの角度および位置は、移動可能であり、プロセッサの制御下にある、項目１に記載の装置。
（項目４）
対向する平面入力および出力面を有する第２の導波管であって、前記第２の導波管は、前記第１の導波管と整合され、前記第１の導波管に平行である、第２の導波管と、
前記第２の導波管を横断して形成されたＤＯＥであって、前記ＤＯＥは、前記第２の導波管の面を横断する場所において反射率のレベルを制御するためのものである、ＤＯＥと、
光を前記第２の導波管に投入するために、前記第２の導波管に隣接して位置付けられた出力を有する光発生器であって、プロセッサは、前記第２の導波管に投入される光を制御し、全内部反射を介して前記第２の導波管に入射する光を誘導し、前記第２の導波管の出力面を横断する特定の場所において前記導波管から出射させる、光発生器と
をさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記第１の導波管の縁に沿って延在する第３の導波管をさらに含み、前記第３の導波管は、前記第１の導波管の出射場所から出射する光を捕捉し、前記光を前記センサに送達するためのものである、項目１に記載の装置。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】図１は、一図示される実施形態による、導波管装置と、導波管装置に、またはそれからの光を結合するためのサブシステムと、制御サブシステムとを含む、光学システムを示す、概略図である。

【図2】図２は、一図示される実施形態による、平面導波管と、平面導波管内に位置付けられる少なくとも１つの回折光学要素とを含む導波管装置を示し、全内部反射光路と、平面導波管の外部と内部との間の光路とを含むいくつかの光路を図示する、立面図である。

【図3】図３は、一図示される実施形態による、導波管装置と、導波管装置に、またはそれからの光を光学的に結合するための光学カプラサブシステムと、制御サブシステムとを含む光学システムを示す、概略図である。

【図4】図４は、一図示される実施形態による、光学無限遠よりも近接して位置付けられることが可能な単一焦点面の生成を図示する、図３の光学システムの概略図である。

【図5】図５は、一図示される実施形態による、多焦点立体ディスプレイ、画像、または光照射フィールドの生成を図示する、図３の光学システムの概略図である。

【図6】図６は、一図示される実施形態による、導波管装置と、主要平面導波管に光を光学的に結合するための複数のプロジェクタを含む光学カプラサブシステムとを含む光学システムを示す、概略図である。

【図7】図７は、本発明の基本的実施形態による、平面導波管およびセンサを伴う光学システムを示す、概略図である。

【図8】図８は、３つの平面導波管と、関連付けられる色フィルタとを含む、本発明のシステムの概略図である。

【図9】図９は、２つの平面導波管を含み、導波管のうちの一方は、従来技術のように画像を眼に送達するために使用され、他方の導波管は、現実世界からの画像を捕捉するために使用される、本発明の好ましい実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

（発明の詳細な説明）
図７は、本発明のシステム７００の第１の実施形態の概略図である。システム７００は、その中に形成される少なくとも１つの回折光学要素７０４を有する、平面導波管７０２を含む。導波管７０２は、上記に議論される出力タイプの導波管のいずれかと類似する様式で構築され得ることが想定される。使用時、現実世界からの光線は、導波管を通してユーザの眼７０６に部分的に伝送されるであろう。

【0034】

本発明によると、導波管７０２に入射する光線の一部は、導波管によって閉じ込められ、全内部反射を介して導波管の長さに沿って７１０に示される出射場所に指向されるであろう。光出射場所７１０は、導波管の前面もしくは後面のいずれかの上、またはその側縁にあり得る。導波管から出射する光は、センサ７１２によって捕捉されることができる。センサによって生成される信号は、分析のためにプロセッサ７１４に結合される。

【0035】

種々のタイプのセンサが、使用され得る。例えば、センサは、出力デバイスとともに上記に議論されるような移動可能光ファイバを含むことができる。同様に、センサのアレイが、提供され得る。加えて、センサは、ＣＭＯＳまたはＣＣＤイメージャ等の付加的固定位置センサに光を選択的に指向させる、ＬＣＯＳシステムを含み得る。

【0036】

プロセッサ７１４は、入力信号を分析し、導波管によって捕捉され、出射場所７１０に送られた光線の入力位置および角度を判定するであろう。実践では、本分析は、単一の導波管のみが使用される場合、複雑であり得る。例えば、単一の導波管の実施形態は、導波管に到達する光の１つを上回る波長を組み合わせる信号を生産するであろう。

【0037】

故に、一好ましい実施形態では、３つの類似する導波管が、使用され、各導波管は、赤色、青色、または緑色光のいずれかを捕捉するように配列されるであろう。図８は、そのような配列の一実施例を図示する。図８では、３つの整合される導波管７０２ａ、７０２ｂ、および７０２ｃが、提供される。回折フィルタ７１６が、各導波管の前に提供され、導波管に入射する光を制御する。フィルタの順序は、導波管への光の分配を最適化するように選択され得る。例えば、フィルタ７１６ａは、赤色光の一部を導波管７０２ａに回折させるが、青色および緑色光を導波管７０２ａに通過させることが可能であり得る。フィルタ７１６ｂは、緑色光の一部を導波管７０２ｂに回折させ得る。フィルタ７１６ｃは、青色光の一部を導波管７０２ｃに回折させ得る。別個のセンサ７１２ａ、７１２ｂ、および７１２ｃが、それぞれ、導波管７０２ａ、７０２ｂ、および７０２ｃからの光を収集するであろう。センサによって生成された信号は、プロセッサによって分析されるであろう。

【0038】

導波管上の任意の特定の点から入射する光線は、同一のＴＩＲ経路上であるが、ある他の点においてセンサに戻るように入射する同一色の光と事実上合計されるであろうことに留意されたい。実際には、多くの源から光の重ね合わせを取得するであろう。プロセッサは、デジタル分析を介して本情報の重ね合わせを解明するように配列される必要があるであろう。実践では、アルゴリズムは、学習システムと併せた種々の統計分析を含み得る。具体的データ分析アプローチは、本願の主題ではない。

【0039】

本デバイスが平坦物体（例えば、写真）の画像を捕捉している場合、逆重畳問題は、はるかに単純であることに留意されたい。平坦物体に関して、逆重畳は、Ｎ個の変位画像を有し、Ｎは、エッジ要素上の入射瞳の数である。

【0040】

３次元風景を撮像するときの逆重畳問題に対処する１つの方法は、能動的に切替可能である、導波管を横断する複数のＤＯＥを利用することであろう。ＤＯＥの回折力を変動させるために電子制御装置を使用することで、選択的に、個々の入射瞳が選択的にオンまたはオフにされることを可能にし得る。本システム下では、プロセッサは、前もって、導波管によって送られ、センサによって測定される光の入射場所を把握するであろう。

【0041】

能動ＤＯＥシステムが平坦画像を撮像するために使用される場合、各瞳は、物体の歪みのない画像全体を捕捉するであろうことに留意されたい。

【0042】

図９は、１つの出力導波管９１０と、１つの収集導波管９２０とを含む、実施形態９００の図である。出力導波管９１０は、本明細書の背景技術において上記に議論されるタイプであり、光画像源９２４と、導波管９１０に画像情報を送達するための光ファイバ９２９とを含むであろう。収集導波管９２０は、図７の実施形態と類似し、導波管９２０によって捕捉された光は、全内部反射によって出力場所９３０に送られ、センサ９３２によって測定されるであろう。センサ９３２からの出力は、プロセッサ９３４に供給される。上記に議論されるように、好ましい実施形態では、３つの出力導波管および３つの入力導波管が存在し、各導波管は、特定の色スペクトル（赤色、緑色、および青色）と関連付けられるであろう。図示の便宜上、各タイプの導波管のうちの１つのみが、図９に示される。

【0043】

システム９００の基本動作では、現実世界からの光線のいくつかが、導波管９１０および９２０の両方を通してユーザの眼に通過するであろう。導波管９１０は、付加的視覚画像を眼に送達し、拡張現実を達成するために使用されることができる。導波管９２０は、現実世界からの光線を捕捉および測定するために使用されることができる。本情報は、種々の方法において使用されることができる。

【0044】

例えば、現実世界から捕捉された情報は、出力導波管９１０のために生成された画像を修正するために使用されることができる。特に、導波管９１０からの光出力は、導波管９２０表面上の同一の座標で測定される入力のある具体的関数であり得る。本関数は、線形スケーリング、非線形スケーリング、およびクリップスケーリング、ならびにピクセル単位ベースで算出される、またはピクセル場所に関してローカルに算出されるような任意の他の具体的な強度の関数を含み得る。

【0045】

導波管９２０によって捕捉される画像情報はまた、導波管９１０によって生成される仮想画像を位置合わせすることに役立つように使用されることができる。多くの現在想定される拡張現実実装では、仮想物体は、３次元において位置し、複合投影が、導波管９１０上のその場所を算出するために成される。導波管９２０によって収集される情報は、物体が２次元画像に対して具体的に位置合わせされることを可能にし、したがって、画像内の他のランドマークに対するその正しい場所を保証する（すなわち、いかなる「ジッタ」もない）。

【0046】

別の実施例では、導波管９２０によって収集される画像情報は、現実世界における具体的画像要素を認識し、次いで、導波管９１０を介したユーザへの提示のための代用要素を算出するために使用されることができる。例えば、本システムは、人物の顔を認識し、次いで、修正された画像（例えば、髭を伴う顔）をユーザに対してレンダリングし得る。別の実施例では、建物の色が、変更され得る。さらに別の実施例では、現実世界においてある言語で書かれた標識が、異なる言語においてレンダリングされ得る。本概念は、画像認識またはモデル化を使用する「フィルタ」だけではなく、また、ブラー等のより単純なフィルタ、または上記の組み合わせにも拡大する。

【0047】

代替実施形態では、制御可能な減光層（例えば、ＬＣＤ、図示せず）が、ユーザの眼に到達しないように現実世界からの光を遮断するために、導波管９１０および９２０間に提供されることができる。代わりに、本入射光は、導波管９１０によって生成される光を用いて「代用」されることができる。

【0048】

導波管９２０によって捕捉され、時系列信号に変換される光をデコードするためのアルゴリズムは、状況依存的である。

【0049】

例えば、センサが走査ファイバであるシステムでは、信号は、多くの画像処理アルゴリズムによって予期される種類の２次元直線アレイに変換されることができる。いくつかの場合では、ピクセルをその固有の極形式で処理し、それらを同一の極形式で出力することが、より容易であり得る。

【0050】

一実装では、直接算出によって見出される、直角座標ピクセル（ＲＣＰ）への着信極座標ピクセル（ＩＰＣＰ）値の直接割当が存在し得る。別の実装では、全ての直角座標ピクセルを、対応する着信極座標ピクセルが見出され得る最も近接する直角座標ピクセルに割り当てることができる。別のアプローチでは、対応する着信極座標ピクセルが見出され得る最も近接する直角座標ピクセルの値への直角座標ピクセルの割当を補間することができる。後者のアプローチは、線形、二次、または任意の他のそのような補間を含む。最後に、直角座標ピクセルと、関連付けられる着信極座標ピクセル投影との間の関係を事前算出および記憶することが、可能である。

【0051】

本発明は、いくつかの好ましい実施形態を参照して説明されたが、種々の変更および修正が、添付される請求項によって定義されるような本発明の範囲ならびに精神から変動することなく、当業者によってそれに成され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】