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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-03-30
(54)【発明の名称】ディスプレイシステム用の補正偏光補償光学系
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20230323BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20230323BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022532745
(86)(22)【出願日】2021-02-05
(85)【翻訳文提出日】2022-08-05
(86)【国際出願番号】 US2021016891
(87)【国際公開番号】W WO2021158970
(87)【国際公開日】2021-08-12
(31)【優先権主張番号】62/971,177
(32)【優先日】2020-02-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517160525
【氏名又は名称】バルブ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ハッドマン、ジョシュア マーク
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199CA03
2H199CA04
2H199CA12
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA29
2H199CA32
2H199CA34
2H199CA42
2H199CA44
2H199CA47
2H199CA53
2H199CA62
2H199CA63
2H199CA64
2H199CA65
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA91
2H199CA92
2H199CA94
2H199CA96
(57)【要約】
本開示は概して、ディスプレイシステム、例えば、レーザスキャンビームディスプレイシステムまたは他の種類のディスプレイシステム（例えば、マイクロディスプレイ）の性能および効率を向上させる手法に関連している。本開示のディスプレイシステムは、位置に応じて変動する位相遅延をもたらす、空間変動偏光子などの偏光補償光学系を含んでよく、これは、偏光補償をもたらし、ディスプレイシステムの偏光感受型光学系、例えば、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、コーティングベースの光学系などによく適している光をもたらす。本開示のディスプレイシステムは、ヘッドマウントディスプレイシステムの構成要素であっても、または他の種類のディスプレイシステムであってもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディスプレイ光源と、前記ディスプレイ光源からの第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系と
備えるディスプレイシステムであって、
前記瞳リレー系が
偏光感受型光学系と、
前記偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子と
を有する、ディスプレイシステム。
【請求項2】
前記空間変動偏光子がマルチツイストリターダを含む、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項3】
前記空間変動偏光子が、第１の位置で位相差をもたらさず、第２の位置で４分の１波長位相差をもたらす、請求項１または２に記載のディスプレイシステム。
【請求項4】
前記空間変動偏光子の位相差が、横方向の寸法または縦方向の寸法に応じて変動する、請求項１から３のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項5】
前記空間変動偏光子の位相差が、前記ディスプレイシステムの視野全体にわたって変動する、請求項１から３のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項6】
前記偏光感受型光学系が、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項7】
前記ディスプレイ光源がレーザ光源を有し、前記ディスプレイシステムがさらに、前記レーザ光源からの光ビームを受光して、受光した前記光ビームを前記瞳リレー系に向けてリレーするように配置されたスキャンミラーを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項8】
前記レーザ光源と前記スキャンミラーとの間に配置されたビーム形成光学系をさらに備える、請求項７に記載のディスプレイシステム。
【請求項9】
前記空間変動偏光子の少なくとも一部が、前記偏光感受型光学系の上に、これに隣接して、またはこの中に配置される、請求項１から８のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項10】
前記偏光感受型光学系が導波管を含み、前記空間変動偏光子が前記導波管の上に、前記導波管の内側に、または前記導波管のポートに近接して配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項11】
前記ディスプレイシステムがヘッドマウントディスプレイシステムのディスプレイシステムである、請求項１から１０のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項12】
前記空間変動偏光子に動作可能に連結された制御回路をさらに備え、前記制御回路が前記空間変動偏光子によってもたらされる位相差を選択的に調整するように動作可能である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項13】
前記ディスプレイ光源はマイクロディスプレイを有し、前記空間変動偏光子が前記マイクロディスプレイに隣接して配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項14】
前記空間変動偏光子が前記マイクロディスプレイに接着される、請求項１３に記載のディスプレイシステム。
【請求項15】
前記空間変動偏光子が、前記マイクロディスプレイが発する光にテレセントリック性をもたらす、請求項１３または１４に記載のディスプレイシステム。
【請求項16】
前記空間変動偏光子が、前記ディスプレイ光源および前記偏光感受型光学系のうちの少なくとも一方に対して偏光補償をもたらす表面位相マップを含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のディスプレイシステム。
【請求項17】
支持構造体と、前記支持構造体に連結されたディスプレイシステムと
を備えるヘッドマウントディスプレイシステムであって、
前記ディスプレイシステムが
ディスプレイ光源と、
前記ディスプレイ光源からの第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系と
を有し、
前記瞳リレー系が、
偏光感受型光学系と、
前記偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子と
を含む、ヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項18】
前記空間変動偏光子がマルチツイストリターダを含む、請求項１７に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項19】
前記空間変動偏光子の位相差が、前記ディスプレイシステムの横方向の寸法、縦方向の寸法、または視野に応じて変動する、請求項１７または１８に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項20】
前記偏光感受型光学系が、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項21】
支持構造体と、前記支持構造体に連結されたディスプレイシステムと
を備えるヘッドマウントディスプレイシステムであって、
前記ディスプレイシステムが、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光ビームを受光するように配置されたスキャンミラーと、
前記スキャンミラーから受光した第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系と
を有し、
前記瞳リレー系が、
偏光感受型光学系と、
前記偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子と
を含む、ヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項22】
前記空間変動偏光子がマルチツイストリターダを含む、請求項２１に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項23】
前記空間変動偏光子の位相差が、前記ディスプレイシステムの横方向の寸法、縦方向の寸法、または視野に応じて変動する、請求項２１または２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項24】
前記偏光感受型光学系が、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含む、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は概してディスプレイシステムに関し、より具体的には、ディスプレイシステムの効率および性能の向上に関する。
［関連技術の記載］
［関連技術の記載］
【0002】
１つの現世代の仮想現実（「ＶＲ」）体験がヘッドマウントディスプレイ（「ＨＭＤ」）を用いて生成され、ＨＭＤを据え置き型のコンピュータ（パーソナルコンピュータ（「ＰＣ」）、ラップトップ、またはゲーム機など）にテザー接続したり、スマートフォンおよび／もしくはその関連ディスプレイと組み合わせる且つ／または統合したり、または自己完結型にしたりすることができる。一般に、ＨＭＤは、ユーザの頭に装着されるディスプレイデバイスであり、一方の目（単眼ＨＭＤ）またはそれぞれの目（双眼ＨＭＤ）の前方に小型ディスプレイデバイスを有する。ディスプレイユニットは通常、小型化されており、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）、ＯＬＥＤ機器、またはレーザスキャンビームディスプレイを含み得る。双眼ＨＭＤには、それぞれの目に異なる画像を表示する可能性がある。この機能は、立体画像を表示するのに用いられる。
【0003】
性能を高めたディスプレイの需要が、スマートフォン、高解像度テレビ、および他の電子デバイスの発展と共に増加している。そのような需要は、仮想現実システムおよび拡張現実システム、特にＨＭＤを用いるシステムの人気の高まりによって、さらに増加している。仮想現実システムは通常、装着者の両目を完全に覆い、装着者の前方にある実際の視界または物理的な視界（または実際の現実）の代わりに「仮想」の現実を代用するものであり、一方、拡張現実システムは通常、実際の視界が追加情報で拡張されるように、装着者の両目の前方に１つまたは複数のスクリーンの半透明または透明のオーバーレイを提供するものであり、また媒介現実システムでは同様に、現実世界の要素と仮想要素とを組み合わせた情報を視聴者に提示することができる。
【発明の概要】
【0004】
ディスプレイシステムが、ディスプレイ光源と、ディスプレイ光源からの第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系とを含むものとして要約されてよく、瞳リレー系は、偏光感受型光学系と、偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子とを含む。
【0005】
空間変動偏光子は、マルチツイストリターダを含んでよい。空間変動偏光子は、第１の位置で位相差をもたらさなくてもよく、第２の位置で４分の１波長位相差をもたらしてよい。空間変動偏光子の位相差は、横方向の寸法または縦方向の寸法に応じて変動してよい。空間変動偏光子の位相差は、ディスプレイシステムの視野全体にわたって変動してよい。偏光感受型光学系は、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含んでよい。ディスプレイ光源はレーザ光源を含んでよく、ディスプレイシステムはさらに、レーザ光源からの光ビームを受光して、受光した光を瞳リレー系に向けてリレーするように配置されたスキャンミラーを含んでよい。
【0006】
ディスプレイはさらに、レーザ光源とスキャンミラーとの間に配置されたビーム形成光学系を含んでよい。
【0007】
空間変動偏光子の少なくとも一部が、偏光感受型光学系の上に、これに隣接して、またはこの中に配置されてもよい。偏光感受型光学系は導波管を含んでよく、空間変動偏光子は、導波管の上に、導波管の内側に、または導波管のポートに近接して配置されてもよい。ディスプレイシステムは、ヘッドマウントディスプレイシステムのディスプレイシステムであってよい。
【0008】
ディスプレイシステムはさらに、空間変動偏光子に動作可能に連結された制御回路を含んでよく、制御回路は、空間変動偏光子によってもたらされる位相差を選択的に調整するように動作可能である。
【0009】
ディスプレイソースはマイクロディスプレイを含んでよく、空間変動偏光子はマイクロディスプレイに隣接して配置されてよい。空間変動偏光子は、マイクロディスプレイに接着されてよい。空間変動偏光子は、マイクロディスプレイが発する光にテレセントリック性をもたらしてよい。空間変動偏光子は、ディスプレイソースおよび偏光感受型光学系のうちの少なくとも一方に対して偏光補償をもたらす表面位相マップを含んでよい。
【0010】
ヘッドマウントディスプレイシステムが、支持構造体と、支持構造体に連結されたディスプレイシステムとを含むものとして要約されてよく、ディスプレイシステムは、ディスプレイ光源と、ディスプレイ光源からの第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系とを有し、瞳リレー系は、偏光感受型光学系と、偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子とを含む。
【0011】
空間変動偏光子は、マルチツイストリターダを含んでよい。空間変動偏光子の位相差は、ディスプレイシステムの横方向の寸法、縦方向の寸法、または視野に応じて変動してよい。偏光感受型光学系は、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含んでよい。
【0012】
ヘッドマウントディスプレイシステムが、支持構造体と、支持構造体に連結されたディスプレイシステムとを含むものとして要約されてよく、ディスプレイシステムは、レーザ光源と、レーザ光源からの光ビームを受光するように配置されたスキャンミラーと、スキャンミラーから受光した第１の瞳を視聴者の目における第２の瞳にリレーするように配置された瞳リレー系とを有し、瞳リレー系は、偏光感受型光学系と、偏光感受型光学系に対して偏光補償をもたらすために、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子とを含む。
【0013】
空間変動偏光子は、マルチツイストリターダを含んでよい。空間変動偏光子の位相差は、ディスプレイシステムの横方向の寸法、縦方向の寸法、または視野に応じて変動してよい。偏光感受型光学系は、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、またはコーティングベースの光学系を含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【0014】
この図面では、同一の参照符号で同様の要素または動作が識別される。図面内の要素の大きさおよび相対位置は、必ずしも実寸に比例して描かれていない。例えば、様々な要素の形状および角度は、必ずしも実寸に比例して描かれておらず、これらの要素のいくつかが、図面の視認性を向上させるために任意に拡大されて配置されることがある。さらに、描かれた要素の特定の形状は、必ずしも特定の要素の実際の形状に関するあらゆる情報を伝えようとしているわけではなく、図面を認識しやすくするために選択されているだけであってよい。
【0015】
【図1】本開示で説明される少なくともいくつかの手法を行うのに好適な１つまたは複数のシステムを含む、ネットワーク化された環境の概略図である。
【0016】
【図2】ビデオレンダリングコンピューティングシステムにテザー接続されており且つ仮想現実表示をユーザに提供する例示的なヘッドマウントディスプレイデバイスと共に、説明される手法のうちの少なくともいくつかを用いる、例示的な環境を示す図である。
【0017】
【図3】双眼ディスプレイサブシステムを有する例示的なＨＭＤデバイスの前面絵図である。
【0018】
【図4】本開示の例示的な実施形態による、双眼ディスプレイサブシステムおよび様々なセンサを有するＨＭＤデバイスの平面図を例示した図である。
【0019】
【図5】１つの非限定的な例示的実装例による、空間変動偏光子を含むディスプレイシステムの概略ブロック図である。
【0020】
【図6】１つの非限定的な例示的実装例による、スキャンビームディスプレイシステムの概略図である。
【0021】
【図7】１つの非限定的な例示的実装例による、空間変動偏光子を含むスキャンビームディスプレイシステムの概略図である。
【0022】
【図8】１つの非限定的な例示的実装例による、導波管ベースの光学系と空間変動偏光子とを含むディスプレイシステムの概略図である。
【0023】
【図9】１つの非限定的な例示的実装例による、偏光補正およびテレセントリック性のうちの少なくとも一方を提供する、ディスプレイパネルに隣接して配置された補償光学系を含むＨＭＤデバイスの概略図である。
【0024】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下の説明には、開示される様々な実装例の十分な理解をもたらすために、特定の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者であれば、こうした具体的な詳細のうちの１つまたは複数を用いずに、または他の方法、構成要素、材料などを用いて、これらの実装例を実施できることを認識するであろう。他の例では、コンピュータシステム、サーバコンピュータ、および／または通信ネットワークに関連した、よく知られた構造が、実装例の説明を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細に示されてもなく、説明されてもいない。
【0027】
文脈上他の解釈が必要な場合を除き、本明細書および続く特許請求の範囲全体を通じて、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」という単語は、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」と同義であり、包括的または非限定的である（すなわち、追加の、記載されていない要素または方法の動作を除外しない）。
【0028】
本明細書全体を通じて「１つの実装例」または「一実装例」への言及は、この実装例に関連して説明される特定の特徴、構造体、または特性が少なくとも１つの実装例に含まれることを意味している。したがって、本明細書全体を通じて様々な箇所に「１つの実装例では」または「一実装例では」という表現が現れても、必ずしも全てが同じ実装例に言及しているわけではない。さらに、１つまたは複数の実装例では、特定の特徴、構造体、または特性を任意の好適な方式で組み合わせてもよい。
【0029】
本明細書および添付した特許請求の範囲においては、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」が付いた単数形は、文脈上特に明記されていない限り、複数の指示対象を含む。用語「または」は一般に、文脈上特に明記されていない限り、その意味に「および／または」を含むものとして使われることにも留意されたい。
【0030】
本明細書において提供される各項目および要約書は便宜のみを目的としたものであり、実装例の範囲または意味を解釈するものではない。
【0031】
本開示は概して、ディスプレイシステム、例えばレーザスキャンビームディスプレイシステムまたは他の種類のディスプレイシステム（例えば、マイクロディスプレイ）などの性能および効率を向上させる手法に関連している。以下でさらに説明するように、本開示の少なくともいくつかの実施形態が、位置に応じて変動する位相遅延をもたらす空間変動偏光子を提供することにより、ディスプレイシステムの性能を向上させる。これは、偏光補償をもたらし、ディスプレイシステムの偏光感受型光学系、例えば、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、コーティングベースの光学系などによく適している光を生じさせる。そのような手法は、偏光感受型光学系を通過する光の強度を大幅に向上させるとともに、望ましくない迷光も抑制する。
【0032】
初めに、図１～図４を参照して、本明細書で説明する手法の例示的なヘッドマウントディスプレイデバイスの応用例について説明する。次に、図５～図８を参照して、偏光補償光学系を含むディスプレイシステムの例示的な実装例について説明する。
［例示的なヘッドマウントディスプレイシステムおよび環境］
［例示的なヘッドマウントディスプレイシステムおよび環境］
【0033】
図１は、ローカルメディアレンダリング（ＬＭＲ）システム１１０（例えば、ゲーム機）を含むネットワーク化された環境１００の概略図であり、本システムには、本明細書で説明する少なくともいくつかの手法を実行するのに好適なローカルコンピューティングシステム１２０およびディスプレイデバイス１８０（例えば、２つのディスプレイパネルを備えたＨＭＤデバイス）が含まれる。図示した図１の実施形態では、ローカルコンピューティングシステム１２０は、伝送リンク１１５を介してディスプレイデバイス１８０に通信可能に接続されている（ディスプレイデバイスは、図２に例示されているような１つまたは複数のケーブル（ケーブル２２０）を介するなどして有線接続もしくはテザー接続されてもよく、またはその代わりに無線接続されてもよい）。他の実施形態では、ローカルコンピューティングシステム１２０は、エンコードされた表示用画像データを有線リンクまたは無線リンクを介して、ＨＭＤデバイス１８０に加えてであろうと、その代わりであろうと、パネルディスプレイデバイス（例えば、ＴＶ、コンソール、またはモニタ）に提供してよく、ディスプレイデバイスはそれぞれ、１つまたは複数のアドレス指定可能な画素アレイを含む。様々な実施形態において、ローカルコンピューティングシステム１２０は、汎用コンピューティングシステム、ゲーム機、ビデオストリーム処理デバイス、モバイルコンピューティングデバイス（例えば、携帯電話、ＰＤＡ、または他のモバイルデバイス）、ＶＲ処理デバイスもしくはＡＲ処理デバイス、または他のコンピューティングシステムを含んでよい。
【0034】
例示した実施形態では、ローカルコンピューティングシステム１２０は、１つまたは複数のハードウェアプロセッサ（例えば、中央演算処理装置すなわち「ＣＰＵ」）１２５、メモリ１３０、様々なＩ／Ｏ（「入力／出力」）ハードウェア構成要素１２７（例えば、キーボード、マウス、１つまたは複数のゲームコントローラ、スピーカ、マイク、ＩＲ送信機および／または受信機など）、１つまたは複数の専用ハードウェアプロセッサ（例えば、グラフィックス処理装置すなわち「ＧＰＵ」）１４４およびビデオメモリ（ＶＲＡＭ）１４８を含むビデオサブシステム１４０、コンピュータ可読ストレージ１５０、ならびにネットワーク接続１６０を含む構成要素を有している。また、例示した実施形態では、アイトラッキングサブシステム１３５の一実施形態が、説明した手法のうちの少なくともいくつかを行うために、説明したこれらの手法を実施する自動化処理を行うのにＣＰＵ１２５および／またはＧＰＵ１４４を用いるなどしてメモリ１３０で実行され、メモリ１３０は任意選択でさらに（例えば、表示されるビデオまたは他の画像を生成する、ゲームプログラムなどの）１つまたは複数の他のプログラム１３３を実行してよい。本明細書で説明される少なくともいくつかの手法を実施する自動化処理の一部として、メモリ１３０で実行されるアイトラッキングサブシステム１３５および／またはプログラム１３３は、ストレージ１５０の例示的なデータベースのデータ構造体内にあるものを含む様々な種類のデータを格納しても検索してもよく、この例では、用いられるデータは、データベース（「ＤＢ」）１５４内にある様々な種類の画像データ情報、ＤＢ１５２内にある様々な種類のアプリケーションデータ、ＤＢ１５７内にある様々な種類の構成データを含んでよく、またシステムデータもしくは他の情報などの追加情報を含んでよい。
【0035】
ＬＭＲシステム１１０も、図示した実施形態では、画像生成プログラム１３３に加えてであろうと、その代わりであろうと、１つまたは複数のコンピュータネットワーク１０１およびネットワークリンク１０２を介して、表示のためにＬＭＲシステム１１０にコンテンツをさらに提供し得る例示的なネットワークアクセス可能なメディアコンテンツプロバイダ１９０に通信可能に接続される。メディアコンテンツプロバイダ１９０は、それぞれローカルコンピューティングシステム１２０のものと同様の、１つまたは複数のハードウェアプロセッサ、Ｉ／Ｏ構成要素、ローカルストレージデバイス、およびメモリを含む構成要素を有し得る１つまたは複数のコンピューティングシステム（不図示）を含み得るが、簡単にするために、ネットワークアクセス可能なメディアコンテンツプロバイダについては、いくつかの詳細を例示していない。
【0036】
ディスプレイデバイス１８０は、図１の例示した実施形態におけるローカルコンピューティングシステム１２０と異なる且つそこから分離しているものとして図示されているが、特定の実施形態では、ローカルメディアレンダリングシステム１１０の一部または全部の構成要素が、１つのデバイス、例えば、携帯ゲーム機、携帯型ＶＲエンターテイメントシステム、ＨＭＤデバイスなどの中に統合されても収容されてもよいことが理解されるであろう。そのような実施形態では、伝送リンク１１５は、例えば、１つまたは複数のシステムバスおよび／またはビデオバスアーキテクチャを含んでよい。
【0037】
ローカルメディアレンダリングシステム１２０によってローカルに行われる処理を伴う１つの例として、ローカルコンピューティングシステムは、アプリケーションデータ１５２がメモリ１３０を用いてＣＰＵ１２５によって実行される１つまたは複数のゲームアプリケーションを含み、また様々なビデオフレーム表示データが、ビデオサブシステム１４０のＧＰＵ１４４と連携するなどして、画像生成プログラム１３３によって生成される且つ／または処理されるような、ゲームコンピューティングシステムであると仮定する。高品質のゲーム体験を提供するために、（ビデオフレームごとの高い画像解像度、およびそのようなビデオフレームの毎秒約６０～１８０という高い「フレームレート」に対応する）大量のビデオフレームデータが、ローカルコンピューティングシステム１２０によって生成され、有線または無線の伝送リンク１１５を介してディスプレイデバイス１８０に提供される。
【0038】
コンピューティングシステム１２０およびディスプレイデバイス１８０は、一例に過ぎず、本開示の範囲を限定しようとしているわけではないことも理解されるであろう。コンピューティングシステム１２０は、代わりに、互いに作用する複数のコンピューティングシステムまたはデバイスを含んでよく、また、インターネットなどの１つまたは複数のネットワークを通じて、ウェブを経由して、またはプライベートネットワーク（例えば、移動体通信ネットワークなど）を経由してなどにより、例示していない他のデバイスに接続されてよい。より一般的には、コンピューティングシステムまたは他のコンピューティングノードが、互いに作用して説明した種類の機能を実行できるハードウェアまたはソフトウェアのあらゆる組み合わせを含んでよく、その中には、限定しないが、デスクトップまたは他のコンピュータ、ゲーム機、データベースサーバ、ネットワークストレージデバイスおよび他のネットワークデバイス、ＰＤＡ、携帯電話、無線電話、ページャ、電子手帳、インターネット機器、（例えば、セットトップボックスおよび／またはパーソナル／デジタルビデオレコーダを用いる）テレビベースのシステム、および適切な通信機能を含む様々な他の消費者製品が含まれる。ディスプレイデバイス１８０は、同様に、様々な種類および形態の１つまたは複数のディスプレイパネルを備えた１つまたは複数のデバイスを含んでよく、任意選択で、様々な他のハードウェア構成要素および／またはソフトウェア構成要素を含んでよい。
【0039】
様々なアイテムがメモリまたはストレージに格納されるとともに用いられるものとして例示されているが、これらのアイテムまたはその一部は、メモリ管理またはデータ整合性の目的で、メモリと他のストレージデバイスとの間で転送されてよいことも理解されるであろう。こうして、いくつかの実施形態では、説明した手法の一部または全部は、１つまたは複数のソフトウェアプログラムおよび／またはデータ構造体により構成される場合などに、１つまたは複数のプロセッサまたは他の構成されたハードウェア回路またはメモリまたはストレージを含むハードウェアにより（例えば、１つもしくは複数のソフトウェアプログラムのソフトウェア命令を実行することにより、且つ／またはそのようなソフトウェア命令および／もしくはデータ構造体を格納することにより）行われてよい。構成要素、システム、およびデータ構造体の一部または全部は、（例えば、ソフトウェア命令または構造化データとして）非一時的コンピュータ可読記憶媒体、例えば、ハードディスクもしくはフラッシュドライブまたは他の不揮発性ストレージデバイス、揮発性メモリまたは不揮発性メモリ（例えば、ＲＡＭ）、ネットワークストレージデバイス、あるいは適切なドライブによってまたは適切な接続を介して読み出される携帯型メディア物品（例えば、ＤＶＤディスク、ＣＤディスク、光ディスクなど）にも格納されてよい。システム、構成要素、およびデータ構造体はまた、いくつかの実施形態では、生成されたデータ信号として（例えば、搬送波または他のアナログもしくはデジタルの伝搬信号の一部として）、無線ベースの媒体および有線／ケーブルベースの媒体を含む様々なコンピュータ可読伝送媒体で伝送されてよく、（例えば、１つもしくは多重化したアナログ信号の一部として、または複数の個別のデジタルパケットもしくはフレームとして）様々な形態を取ってよい。そのようなコンピュータプログラム製品は、他の実施形態では他の形態も取ってよい。したがって、本発明は、他のコンピュータシステム構成を用いて実施されてよい。
【0040】
図２は、ビデオレンダリングコンピューティングシステム２０４にテザー接続２２０（または他の実施形態では無線接続）を介して連結された例示的なＨＭＤデバイス２０２と共に、説明した手法のうちの少なくともいくつかを用いて、仮想現実表示を人間のユーザ２０６に提供する例示的な環境２００を例示している。ユーザは、ＨＭＤデバイス２０２を装着し、コンピューティングシステム２０４からＨＭＤデバイスを介して実際の物理環境と異なる模擬環境の表示情報を受信し、コンピューティングシステムは、模擬環境の画像（例えば、コンピューティングシステム上で実行されるゲームプログラムおよび／または他のソフトウェアプログラムにより生成された画像）をユーザへの表示のためにＨＭＤデバイスに供給する画像レンダリングシステムとして働く。この例では、ユーザはさらに、実際の物理環境２００の追跡対象体積２０１内を動き回ることができ、ユーザがさらに模擬環境とやり取りするのを可能にする１つまたは複数のＩ／Ｏ（「入力／出力」）デバイス（この例ではハンドヘルドコントローラ２０８および２１０を含む）をさらに有してよい。
【0041】
例示した例では、環境２００には、ＨＭＤデバイス２０２またはコントローラ２０８および２１０の追跡を容易にし得る１つまたは複数の基地局２１４（基地局２１４ａおよび２１４ｂとラベル付けされた２つが示されている）が含まれてよい。ユーザが場所を移動する、またはＨＭＤデバイス２０２の向きを変えると、模擬環境の対応する部分がＨＭＤデバイスを装着したユーザに表示されるのを可能にするなどのために、ＨＭＤデバイスの位置が追跡され、コントローラ２０８および２１０はさらに、コントローラの位置を追跡するのに用いるために（また任意選択で、ＨＭＤデバイスの位置を判定するまたは確認するのに役立つ情報を用いるために）同様の手法を使用してよい。ＨＭＤデバイス２０２の追跡位置が分かった後に、対応する情報がテザー（ｔｅｔｈｅｒ）２２０または無線を介してコンピューティングシステム２０４に伝送される。コンピューティングシステムは、追跡した位置情報を用いて模擬環境の１つまたは複数の次の画像を生成し、ユーザに表示する。
【0042】
本開示の様々な実装例で用いられ得る位置追跡には多数の異なる方法があり、その中には、限定しないが、音響追跡、慣性追跡、磁気追跡、光学追跡、これらの組み合わせなどが含まれる。
【0043】
少なくともいくつかの実装例では、ＨＭＤデバイス２０２は、本開示の追跡機能または他の態様を実装するのに用いられ得る１つまたは複数の受光器またはセンサを含んでよい。例えば、基地局２１４はそれぞれ、追跡対象体積２０１全体にわたって光信号を掃引してよい。それぞれの特定の実装例の要件に応じて、各基地局２１４は、１つより多くの光信号を生成してよい。例えば、６自由度トラッキングには、通常、１つの基地局２１４で十分であるが、ＨＭＤデバイスおよび周辺機器に対して安定なルームスケールの追跡をもたらすには、複数の基地局（例えば、基地局２１４ａ、２１４ｂ）がいくつかの実施形態では必要または望ましいことがある。この例では、受光器がＨＭＤデバイス２０２および／または他の追跡対象物（コントローラ２０８および２１０など）に組み込まれている。少なくともいくつかの実装例では、それぞれの追跡対象デバイス上で、受光器が加速度計およびジャイロスコープ慣性計測装置（「ＩＭＵ」）と組み合わされて、低遅延センサフュージョンがサポートされてよい。
【0044】
少なくともいくつかの実装例では、各基地局２１４が、線状ビームを追跡対象体積２０１全体にわたり垂直軸に沿って掃引する２つのロータを含む。各掃引サイクルの開始時に、基地局２１４は、追跡対象物に付いている全てのセンサに可視である全方向性光パルス（「同期信号」と呼ばれている）を発してよい。こうして、各センサは、同期信号とビーム信号との間の持続時間を計ることにより、掃引対象体積における独自の角位置を計算する。センサの距離および向きが、１つの固定物体に取り付けた複数のセンサを用いて求められてよい。
【0045】
追跡対象物（例えば、ＨＭＤデバイス２０２、コントローラ２０８および２１０）に配置された１つまたは複数のセンサは、ロータからの変調光を検出できるオプトエレクトロニクスデバイスを含んでよい。可視光または近赤外（ＮＩＲ）光の場合、シリコンフォトダイオードおよび好適な増幅器／検出器回路が用いられてよい。環境２００は、基地局２１４信号の信号と同様の波長を有する静的信号および時変信号（光ノイズ）を含み得るため、少なくともいくつかの実装例では、基地局の光が、あらゆる干渉信号との区別を容易にする且つ／または基地局信号の波長以外のあらゆる放射波長からセンサを選別するのを容易にするような方法で変調されてよい。
【0046】
インサイドアウト追跡も、ＨＭＤデバイス２０２および／または他の対象物（例えば、コントローラ２０８および２１０、タブレットコンピュータ、スマートフォン）の位置を追跡するのに用いられ得る種類の位置追跡である。インサイドアウト追跡は、カメラまたは他のセンサの位置を用いてＨＭＤの位置を判定するという点でアウトサイドイン追跡と異なる。インサイドアウト追跡では、カメラまたはセンサがＨＭＤまたは追跡されている対象物に位置しているが、アウトサイドアウト方式の追跡では、カメラまたはセンサが環境内の固定位置に配置される。
【0047】
インサイドアウト追跡を利用するＨＭＤは、その位置が環境に対してどのように変化しているかを判定するために、１つまたは複数の「外を見る」カメラを利用する。ＨＭＤが動くと、センサは部屋の中の自地点を再調整し、これに応じて仮想環境がリアルタイムに応答する。この種類の位置追跡は、環境内に配置されるマーカの有無にかかわらず実現され得る。ＨＭＤに配置されたカメラは、周囲環境の特徴を観察する。マーカを用いる場合、マーカは、追跡システムによって容易に検出されるように設計されており、特定の領域に配置される。「マーカを用いない」インサイドアウト追跡では、ＨＭＤシステムは、環境内に元々存在している顕著な特徴（例えば、地勢）を用いて、位置および向きを判定する。ＨＭＤシステムのアルゴリズムは、特定の画像または形状を識別し、これらを用いて、空間内のデバイスの位置を計算する。加速度計およびジャイロスコープからのデータも、位置追跡の精度を高めるのに用いられ得る。
【0048】
図３は、ユーザ３４２の頭に装着されたときの、例示的なＨＭＤデバイス３４４の正面図を例示する情報３００を示している。ＨＭＤデバイス３４４は、前面または前方カメラ３４６と１つまたは複数の種類の複数のセンサ３４８ａ～３４８ｄ（集合的に３４８）とを支える前面構造体３４３を含む。１つの例として、センサ３４８の一部または全部、例えば、１つまたは複数の外部デバイス（示されていないが、例えば、図２の基地局２１４）から発せられた光情報を検出してそれを用いる光センサが、空間内のデバイス３４４の位置および向きを判定するのに役立ち得る。示されているように、前方カメラ３４６およびセンサ３４８は、ユーザ３４２がＨＭＤデバイス３４４を操作する実際のシーンまたは環境（不図示）に向かって前方に向けられている。実際の物理環境には、例えば、１つまたは複数の対象物（例えば、壁、天井、家具、階段、車、樹木、追跡マーカ、または任意の他の種類の対象物）が含まれ得る。特定の数のセンサ３４８は、図示されているセンサの数より少なくても多くてもよい。ＨＭＤデバイス３４４はさらに、前面構造体に取り付けられていない（例えば、ＨＭＤデバイスの内部にある）１つまたは複数の追加構成要素、例えば、ＨＭＤデバイス３４４の特定の力、角速度、および／またはＨＭＤデバイスを取り囲む磁場を（例えば、加速度計とジャイロスコープと、任意選択で磁力計との組み合わせを用いて）測定して報告するＩＭＵ（慣性計測装置）電子デバイス３４７を含んでよい。ＨＭＤデバイスはさらに、示されていない追加構成要素を含んでよく、その中には、１つまたは複数のディスプレイパネルおよび光学レンズ系が含まれ、これらは、ユーザの両目（不図示）の方を向いており、また任意選択で、ＨＭＤデバイス内の光学レンズ系および／またはディスプレイパネルのうちの一方または両方の位置合わせまたは他の位置決めを変えるための１つまたは複数の付属内蔵モータを有する。これについては、図４に関して以下でより詳細に説明する。
【0049】
例示したＨＭＤデバイス３４４の例は、ＨＭＤデバイス３４４のハウジングに取り付けられ且つユーザの頭を囲むように全体的または部分的に延びる１つまたは複数のストラップ３４５に少なくとも部分的に基づいて、ユーザ３４２の頭に支えられている。ここに例示していないが、ＨＭＤデバイス３４４はさらに、ストラップ３４５のうちの１つまたは複数に取り付けられるなどした１つまたは複数の外部モータを有してよく、ユーザの頭にあるＨＭＤデバイスの位置合わせまたは他の位置決めを修正するために、そのようなモータを用いてそのようなストラップを調整することが、自動補正動作に含まれてよい。ＨＭＤデバイスは、例示したストラップに加えてでも、その代わりであっても、ここに例示していない他の支持構造体（例えば、鼻当て、あごひも、など）を含んでよく、いくつかの実施形態は、モータが取り付けられた１つまたは複数のそのような他の支持構造体を含み、同様に、その形状および／または位置を調整して、ユーザの頭にあるＨＭＤデバイスの位置合わせまたは他の位置決めを修正してよいことが理解されるであろう。ユーザの頭に取り付けられていない他のディスプレイデバイスが同様に、ディスプレイデバイスの位置決めに影響を与える１つもしくは複数の構造体に、またはその一部に取り付けられてよく、そのような他のデバイスは、少なくともいくつかの実施形態では、モータまたは他の機械式アクチュエータを含み、同様にその形状および／または位置を修正して、ディスプレイデバイスの１人または複数のユーザの１つまたは複数の瞳に対するディスプレイデバイスの位置合わせまたは他の位置決めを修正してよい。
【0050】
図４は、一対のニアツーアイ（ｎｅａｒ－ｔｏ－ｅｙｅ）ディスプレイシステム４０２および４０４を含むＨＭＤデバイス４０５の簡略化した平面図４００を例示している。ＨＭＤデバイス４０５は、例えば、図１～図３に例示したＨＭＤデバイスと同じもしくは同様であってもよく、または異なるＨＭＤデバイスであってもよく、ここで説明するＨＭＤデバイスはさらに、以下でさらに説明する例に用いられてよい。図４のニアツーアイ・ディスプレイシステム４０２および４０４はそれぞれ、ディスプレイパネル４０６および４０８（例えば、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ）と、それぞれが１つまたは複数の光学レンズを有するそれぞれの光学レンズ系４１０および４１２とを含む。ディスプレイシステム４０２および４０４は、ハウジング（またはフレーム）４１４に設置されても、または別の方法でその中に配置されてもよく、ハウジングには、前面部分４１６（例えば、図３の前面表面３４３と同じまたは同様）、左テンプル４１８、右テンプル４２０、およびユーザ４２４がＨＭＤデバイスを装着したときに装着者であるユーザの顔に接触または近接する内面４２１が含まれる。装着者であるユーザ４２４の頭４２２に装着され得る２つのディスプレイシステム４０２および４０４は、眼鏡構成においてハウジング４１４に固定されてよく、左テンプル４１８および右テンプル４２０はそれぞれ、ユーザの耳４２６および４２８の上に置かれ、鼻当て部４９２はユーザの鼻４３０の上に置かれてよい。図４の例では、ＨＭＤデバイス４０５は、鼻当て部および／または左右のオーバーイヤー型テンプルによって部分的にまたは全体的にユーザの頭に支えられてよいが、いくつかの実施形態では図２および図３に示す実施形態のように、ストラップ（不図示）または他の構造体を用いて、ＨＭＤデバイスをユーザの頭に固定してもよい。ハウジング４１４は、２つの光学レンズ系４１０および４１２のそれぞれをユーザの目４３２および４３４の一方の前方にそれぞれ配置するような形状および大きさに作られてよく、これにより、それぞれの瞳４９４の目標位置は、それぞれの光学レンズ系および／またはディスプレイパネルの前方で縦方向にも横方向にも中心に置かれることになる。ハウジング４１４は、説明を目的として、眼鏡と同様の簡略化した方式で示されているが、実際にはもっと精巧な構造体（例えば、ゴーグル、一体型ヘッドバンド、ヘルメット、ストラップなど）を用いて、ディスプレイシステム４０２および４０４を支えて且つユーザ４２４の頭４２２に配置することができることを理解されたい。
【0051】
図４のＨＭＤデバイス４０５、およびここで説明したその他のＨＭＤデバイスは、仮想現実表示をユーザに、毎秒３０または６０または９０フレーム（または画像）などの表示速度で提示される対応するビデオを介するなどして提示することができ、同様のシステムの他の実施形態では、拡張現実表示がユーザに提示されてよい。図４のディスプレイ４０６および４０８はそれぞれ、それぞれの光学レンズ系４１０および４１２を通って運ばれた後にこの光学レンズ系によってユーザ４２４の目４３２および４３４の上にそれぞれ焦点を結ぶ光を生成してよい。それぞれの目の瞳４９４の開口は、そこを通って光が目に入るが、通常、瞳の大きさの範囲は非常に明るい状態で直径２ｍｍ（ミリメートル）から暗い状態では８ｍｍにもなり、中に瞳を含むより大きい虹彩の大きさは約１２ｍｍになり得る。瞳（および取り囲む虹彩）はさらに、通常、まぶたが開いた状態で目の可視部分内を横方向および／または縦方向に数ミリメートル動くことができ、これは、眼球がその中心を旋回する（その結果、瞳が動くことができる３次元体積がもたらされる）と、異なる横方向の位置および縦方向の位置に対して、瞳をディスプレイの光学レンズまたは他の物理的要素から異なる深さにも動かすことになる。ユーザの瞳に入る光を、画像および／または映像としてユーザ４２４が目にする。いくつかの実装例では、光学レンズ系４１０および４１２のそれぞれと、ユーザの目４３２および４３４との間の距離は比較的短くてよく（例えば、３０ｍｍ未満、２０ｍｍ未満）、これによって、光学レンズ系およびディスプレイシステムの重量がユーザの顔に比較的近いため、ＨＭＤデバイスがユーザにはより軽く感じられることになり、より大きな視野をユーザに提供することもできるのは有利である。ここに例示していないが、そのようなＨＭＤデバイスのいくつかの実施形態には、様々な追加の内蔵センサおよび／または外部センサが含まれることがある。
【0052】
例示した実施形態では、図４のＨＭＤデバイス４０５はさらに、（例えば、１つまたは複数のＩＭＵユニットの一部として）１つまたは複数の加速度計および／またはジャイロスコープ４９０を含むなどのために、ハードウェアセンサおよび追加構成要素を含む。本明細書のどこか他の箇所でより詳細に説明されるように、加速度計および／またはジャイロスコープからの値がＨＭＤデバイスの向きをローカルに判定するのに用いられてよい。さらに、ＨＭＤデバイス４０５は、１つまたは複数の前面カメラ、例えば、前部４１６の外面上にカメラ４８５を含んでよく、その情報が、ＡＲ機能または測位機能を提供するためなどに、ＨＭＤデバイスの演算の一部として用いられてよい。さらに、ＨＭＤデバイス４０５は他の構成要素４７５（例えば、ディスプレイパネル４０６および４０８への画像の表示を制御する電子回路、内蔵ストレージ、１つまたは複数のバッテリ、外部基地局とやり取りする位置追跡デバイスなど）をさらに含んでよく、これについては本明細書のどこか他の箇所でより詳細に説明される。他の実施形態が、構成要素４７５、４８５、および／または４９０のうちの１つまたは複数を含まなくてもよい。ここに例示していないが、そのようなＨＭＤデバイスのいくつかの実施形態には、ユーザの体、目、コントローラなどの様々な他の種類の動きおよび位置を追跡するなどのために、様々な追加の内蔵センサおよび／または外部センサが含まれてよい。
【0053】
例示した実施形態では、図４のＨＭＤデバイス４０５はさらに、ユーザの瞳または視線の方向を判定するために、説明した手法の一部として、開示した実施形態により用いられ得るハードウェアセンサおよび追加構成要素を含み、これは、ＨＭＤデバイスと関連した１つまたは複数の構成要素に当該構成要素が使用するために提供されてよい。これについては、本明細書のどこか他の箇所で説明される。この例でのハードウェアセンサには、ユーザの瞳４９４の実際の位置に関する情報を、例えば、この例では瞳ごとに別々に取得するのに用いるために、ディスプレイパネル４０６および４０８に、もしくはその近くに設置されている、且つ／または光学レンズ系４１０および４１２の近くの内面４２１に位置している、アイトラッキングサブシステムの１つまたは複数のアイトラッキングアセンブリ４７２が含まれている。
【0054】
アイトラッキングアセンブリ４７２のそれぞれには、１つまたは複数の光源（例えば、ＩＲ ＬＥＤ）と、１つまたは複数の光検出器（例えば、シリコンフォトダイオード）とが含まれてよい。さらに、明確にするために、図４にはアイトラッキングアセンブリ４７２が合計で４つしか示されていないが、実際には、異なる数のアイトラッキングアセンブリが提供されてもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、合計で８つのアイトラッキングアセンブリ４７２、つまりユーザ４２４のそれぞれの目に対して４つのアイトラッキングアセンブリが提供されている。さらに、少なくともいくつかの実装例では、それぞれのアイトラッキングアセンブリには、ユーザ４２４の目４３２および４３４の一方に向けられた光源と、ユーザのそれぞれの目によって反射された光を受光するように配置された光検出器と、鏡面反射によって反射された光が光検出器に伝わらないように配置され且つそのように構成された偏光子とが含まれる。
【0055】
本明細書のどこか他の箇所でより詳細に説明されるように、アイトラッキングアセンブリ４７２からの情報が、ＨＭＤデバイス４０５の使用時に、ユーザの視線方向を判定して追跡するのに用いられてよい。さらに、少なくともいくつかの実施形態では、ＨＭＤデバイス４０５は、ＨＭＤデバイス４０５のハウジング内にある光学レンズ系４１０および４１２ならびに／またはディスプレイパネル４０６および４０８のうちの一方または両方の位置合わせおよび／または他の位置決めを（例えば、縦方向、水平左右方向、および／または水平前後方向に）動かす（４３９）のに用いられ得る１つまたは複数の内蔵モータ４３８（または他の動き機構）を含んでよく、これは、瞳４９４の一方または両方の実際の位置に対応するニアツーアイ・ディスプレイシステム４０２および４０４の一方または両方の目標瞳位置をパーソナル化する、または別の方法で調整するなどのためである。そのようなモータ４３８は、例えば、ハウジング４１４上の１つもしくは複数の制御ボタン４３７をユーザが操作することによって、且つ／または１つもしくは複数の関連した別個のＩ／Ｏコントローラ（不図示）をユーザが操作することによって制御されてよい。他の実施形態では、ＨＭＤデバイス４０５は、そのようなモータ４３８を用いずに、例えば、ユーザが制御ボタン４３７を用いて手動で変えられる調整可能な位置決め機構（例えば、ネジ、スライダ、ラチェットなど）を用いて、光学レンズ系４１０および４１２ならびに／またはディスプレイパネル４０６および４０８の位置合わせおよび／または他の位置決めを制御することができる。さらに、図４にはニアツーアイ・ディスプレイシステムの一方だけにモータ４３８が例示されているが、いくつかの実施形態では、それぞれのニアツーアイ・ディスプレイシステムが独自の１つまたは複数のモータを有してよく、いくつかの実施形態では、１つまたは複数のモータを用いて、複数のニアツーアイ・ディスプレイシステムのそれぞれを（例えば、独立して）制御してよい。
【0056】
説明した手法が、いくつかの実施形態では、例示したものと同様のディスプレイシステムと共に用いられてよいが、他の実施形態では、他の種類のディスプレイシステムが用いられてよく、例えば、１つの光学レンズおよびディスプレイデバイスを有するもの、または複数のそのような光学レンズおよびディスプレイデバイスを有するものが含まれる。他のそのようなデバイスの非排他的な例には、カメラ、望遠鏡、顕微鏡、双眼鏡、スポッティングスコープ、測量スコープなどが含まれる。さらに、説明した手法は、画像を形成するのに光を発する多種多様なディスプレイパネルまたは他のディスプレイデバイスと共に用いられてよく、本明細書のどこか他の箇所で説明されるように、その画像を、１人または複数のユーザが１つまたは複数の光学レンズを通して見る。他の実施形態では、ユーザは、ディスプレイパネル以外の方式で、別の光源からの光（例えば、レーザスキャンビーム）を部分的にまたは全体的に反射する表面上などに生成される１つまたは複数の画像を１つまたは複数の光学レンズを通して見ることができる。
［例示的なディスプレイシステム］
［例示的なディスプレイシステム］
【0057】
図５は、１つの非限定的な例示的実装例によるディスプレイシステム５００の概略ブロック図である。ディスプレイシステム５００は、ヘッドマウントディスプレイシステム、例えば、上述したヘッドマウントディスプレイシステムのディスプレイシステムであっても、または任意の他の種類のディスプレイシステム（例えば、装着型または非装着型のディスプレイシステム）であってもよい。ディスプレイシステム５００は、スキャンビームディスプレイシステム、または別の種類のディスプレイシステム（例えば、マイクロディスプレイ）を含んでよい。少なくともいくつかの実装例では、ディスプレイシステム５００は、ヘッドマウントディスプレイデバイスなどのデバイスに設けられた２つの実質的に同一のディスプレイシステムの一方であってよい。
【0058】
ディスプレイシステム５００は、瞳リレー系５０４に光学的に連結されたディスプレイ光源５０２を含む。ディスプレイ光源５０２は、レーザスキャンビーム光源、マイクロディスプレイ、または任意の他の好適なディスプレイ光源を含んでよい。瞳リレー系５０４は、ディスプレイ光源５０２からの第１の瞳を視聴者の目５０６（または他の像面、表面、または材料）における第２の瞳にリレーするように配置される。瞳リレー系５０４は偏光感受型光学系５０８（例えば、ポストスキャン光学系）を含み、この光学系には、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、コーティングベースの光学系、または他の光学系のうちの１つまたは複数が含まれてよい。偏光感受型光学系５０８は、１つまたは複数の構成要素を含んでよい。偏光感受型光学系５０８の効率は、通過する光の偏光に対して非常に敏感であってよい。すなわち、異なる偏光では、強度と偏光感受型光学系５０８から出る迷光とが大幅に変化することになる。
【0059】
偏光感受型光学系５０８に提供される光の偏光を最適化するために、ディスプレイシステム５００の瞳リレー系５０４はさらに、位置に応じて空間的に変動する偏光を有する空間変動偏光子５１０を含み、これは、偏光の変化を補償して、均一な偏光、またはより一般的には最適化された偏光を偏光感受型光学系５０８に提供するように機能する。例えば、偏光感受型光学系５０８は、１つまたは複数のミラーまたは他の光学系が合成角から生成する偏光のいずれも補償するまたは「取り消す」ように構成されてよい。
【0060】
空間変動偏光子５１０は、複屈折材料で形成された波長リターダを含んでよい。複屈折とは、屈折率が光の偏光および伝搬方向に依存する材料の特性である。波長リターダは、波長リターダを通って進む光の偏光状態または位相を変える。波長リターダは、遅相軸（または異常軸）および進相軸（通常軸）を有してよい。偏光が波長リターダを通って進むと、進相軸に沿った光は遅相軸に沿った光より速く進む。
【0061】
上述したように、空間変動偏光子５１０は、位置、例えば、横方向の位置、縦方向の位置、径方向の位置に応じて、視野全体にわたって（例えば、軸上から軸外まで）変動する位相遅延をもたらしてよく、これが、ディスプレイ光源５０２から偏光感受型光学系５０８への光のより均一で効率的な供給を可能にする。空間変動偏光子５１０の位相差が変動する特定の方式は、ディスプレイシステム５００の光学系の特定の構成および材料、例えば、入射光の偏光状態、入射角、材料、様々な構成要素の形状などに依存し得る。
【0062】
一例として、空間変動偏光子５１０は、第１の位置で位相差をもたらさなくてよく、また空間変動偏光子の第２の位置で位相差を直線的に増やしてλ／４（または他の値）の位相差をもたらしてよい。概して、空間変動偏光子５１０は、いかなる方法によっても位置に応じて変動する位相差をもたらしてよく、位相差の量は任意の値（例えば、λ／２０、λ／１０、λ／４、λ、２λ）であってよい。さらに、位相差の量は、１つまたは複数の方向にだけ増加しても、１つまたは複数の方向にだけ減少しても、または増加および減少の両方が生じてもよい。位相差の量は、連続的に変動してもよく、または複数の段階で変動してもよい。位相差の量は、例えば、線形関数、多項式関数、指数関数、階段関数、他の種類の関数、またはこれらの組み合わせを含む任意の種類の関数に従って変動してよい。
【0063】
少なくともいくつかの実装例では、空間変動偏光子５１０は、マルチツイストリターダ（ＭＴＲ）で形成されてよく、これは、正確且つカスタマイズされたレベルの広帯域位相差、狭帯域位相差、または多重帯域位相差を１つの薄膜でもたらす波長板状の位相差フィルムである。より具体的には、ＭＴＲは、１つの基板上に１つの配向層と共に、２つまたはそれより多くのツイスト液晶（ＬＣ）層を有する。次のＬＣ層が前の層によって直接的に位置合わせされるので、シンプルな製造が可能になり、自動層間位置合わせが実現し、連続的に変動する光軸を備えたモノリシックフィルムがもたらされる。
【0064】
図６は、１つの非限定的な例示的実装例による、スキャンビームディスプレイシステムまたはプロジェクタ６００の概略図である。スキャンビームディスプレイシステム６００は光源６０２を含み、これはビーム６０４を発するレーザ光源であってよい。光源６０２は２つまたはそれより多くの光源、例えば、赤色光源、緑色光源、および青色光源を含んでよい。そのような例では、ビームコンバイナによって複数の光源を組み合わせて単一ビームにしてよい。少なくともいくつかの実装例では、光源６０２は、１つまたは複数のカラー光源（例えば、赤色、緑色、青色）および赤外線ビームまたは紫外線ビームなどの不可視ビームを発する光源を含んでよく、これらはアイトラッキングなどの様々な目的のために用いられ得る。
【0065】
ビーム６０４は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）基盤のスキャナを含み得るスキャンプラットフォーム６０６に入射し、プラットフォームのスキャンミラー６０８に反射して、制御された出力ビーム６１０を生成する。スキャンプラットフォーム６０６は、光回折格子、可動式光回折格子、光弁、回転ミラー、可動式シリコンデバイス、デジタル光プロジェクタデバイス、フライングスポットプロジェクタ、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）デバイス、または他のスキャンまたは変調用のデバイスを含んでよい。スキャンプラットフォーム６０６は、スキャンプラットフォームおよび光源６０２に連結されたコントローラ６１２によって選択的に制御される１つまたは複数の駆動回路に連結されてよく、このコントローラは１つまたは複数の構成要素を有する任意の好適な制御回路を含み得る。駆動回路は、スキャンミラー６０８が入射ビーム６０４を偏向させる方向を変調して、出力ビーム６１０にラスタースキャンなどのスキャンを発生させ、これにより、表示面または視聴者の目６１４などの像面上に表示画像が生成される。
【0066】
図７は、１つの非限定的な例示的実装例による、スキャンビームディスプレイシステムまたはプロジェクタ７００の概略図である。スキャンビームディスプレイシステム７００は、多くの面で図６のスキャンビームディスプレイシステム６００と同様または同一であってよい。そのため、同様の構成要素が同じ数字で参照されており、簡単にするために、そのような構成要素の説明をここで繰り返すことはしない。
【0067】
スキャンビームディスプレイシステム７００は、ポストスキャン補正光学系７０２（「ポストスキャン光学系」）とコリメーション光学系７０４とを含む。ポストスキャン光学系７０２は、スキャンプラットフォーム６０６の後の光路に配置された１つまたは複数の光学系を含んでよく、これは概して「ポストスキャン」と本明細書では呼ばれることがある。ポストスキャン補正光学系７０２は、投影される画像内の１つまたは複数の歪みアーチファクトを補正または調整するように設計されてよく、またそうするように構成されてよい。そのような歪みの例には、スマイル歪み、糸巻き型歪み、樽型歪み、軸外プロジェクションベースの歪みなどが含まれ得る。これらは、ポストスキャン補正光学系７０２が補正し得る非限定的な例示的種類の歪みでしかないことを理解されたい。
【0068】
ポストスキャン光学系７０２は、導波管ベースの光学系、パンケーキ光学系、バードバス光学系、コーティングベースの光学系などのうちの１つまたは複数を含んでよい。ポストスキャン光学系は、１つまたは複数の構成要素を含んでよい。ポストスキャン光学系７０２の効率は、通過する光の偏光に対して非常に敏感であってよい。すなわち、異なる偏光では、強度とポストスキャン光学系７０２から出る迷光とが大幅に変化することになる。少なくともいくつかの実装例では、ディスプレイシステム７００は、ポストスキャン光学系７０２により生じた無限焦点の損失を少なくとも部分的に取り戻すのに利用され得るコリメート光学系またはビーム形成光学系７０４も含んでよい。
【0069】
ディスプレイシステム７００はさらに、スキャンミラー６０８とポストスキャン光学系７０２との間に配置された空間変動偏光子７０６の形態で偏光補償光学系を含み、上述したように非常に偏光に敏感であってよいポストスキャン光学系７０２に対して偏光補償をもたらす。空間変動偏光子７０６は、例えば、ポストスキャン光学系７０２の上に、これに隣接して、またはこの内部に配置されてもよい。他の実装例では、空間変動偏光子７０６は、光源６０２と表示画像との間の光路におけるどこか他の箇所（例えば、プレスキャン、ポストスキャン、光源に隣接した箇所など）に配置される。
【0070】
少なくともいくつかの実装例では、コントローラ６１２は、任意の望ましい構成に対する、空間変動偏光子の空間依存性位相遅延を選択的に変えるために、空間変動偏光子７０６に動作可能に連結されてよい。そのような実装例では、空間変動偏光子７０６の空間依存性位相遅延がコントローラ６１２によって選択的に制御されるのを可能にする１つまたは複数の薄膜トランジスタ層が設けられてよい。コントローラ６１２は、位相遅延を任意の望ましい頻度で、例えば、一度だけ、定期的に、ディスプレイシステム７００のフレームレートと等しい頻度またはその何分の１かの頻度などで制御することができる。一例として、空間変動偏光子７０６は、複数（例えば、２、４、１０、１５）の層のスタックを含んでよく、これらの層のそれぞれは、アクティブ状態または非アクティブ状態になるように独立して選択的に制御されてよい。こうして、コントローラ６１２は次に、これらの層のうちの１つ、または互いに組み合わせた複数の層を選択的に作動させて、望ましい空間依存性位相遅延をもたらしてよい。
【0071】
図８は、１つの非限定的な例示的実装例による、ヘッドマウントディスプレイシステムに用いるための、導波管ベースの光学系および偏光補償光学系を空間変動偏光子の形態で含むディスプレイシステム８００の概略図である。ディスプレイシステム８００は、レンズまたは支持構造体８０２（例えば、度付き眼鏡レンズまたは度なし眼鏡レンズ）を含んでよい。平面導波管構造体８０４が、構造体８０２に少なくとも部分的に組み込まれても、またはこの構造体に近接して（例えば、構造体の前方または後方に）配置されてもよい。導波管８０４は、導波管内で全反射をもたらすために、周囲の構造体（例えば、構造体８０２）の屈折率と十分に異なる屈折率を有する材料で形成された長方形（または他の形状）の角柱構造体であってよい。
【0072】
光が導波管８０４の中に入るのを可能にするために、ディスプレイシステム８００は、導波管の第１の部分に物理的に連結されたインカプラ８０６を含む。同様に、光が導波管８０４から出て視聴者の目８１０に向かうのを可能にするために、ディスプレイシステム８００は、導波管の第２の部分に物理的に連結されたアウトカプラ８０８を含む。インカプラ８０６を通って入り、アウトカプラ８０８を通ってイン結合する（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｅ）ディスプレイ光は、上述したように、ディスプレイ光源、例えば、プロジェクタ、スキャン、レーザプロジェクタ、マイクロディスプレイ、または他のディスプレイ光源からアウト結合（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｅ）してよい。非限定的な例として、カプラ８０６および８０８は、回折格子、ホログラム、ホログラフィック光学素子、体積型回折格子、表面レリーフ型回折格子などのうちの１つまたは複数を含んでよい。カプラ８０６および８０８はまた、反射型カプラであっても、透過型カプラであってもよい。一例として、構造体８０２は右目用眼鏡レンズを含んでよく、インカプラ８０６はディスプレイソース（例えば、プロジェクタ）に近接した眼鏡レンズの縁部近くに配置されてよく、またアウトカプラは、視聴者がストレート領域またはほぼ真っすぐ前を見ながら導波管８０４からの光を見ることができるように、眼鏡レンズの中心に向かって配置されてよい。
【0073】
ディスプレイシステム８００はさらに、空間変動偏光子８１２の形態で偏光補償光学系を含み、その様々な例が、空間変動偏光子８１２ａ～８１２ｅとして図８に示されている。非限定的な例示した例では、空間変動偏光子８１２の事例８１２ａ～８１２ｅが、ディスプレイシステム８００のいくつかの非限定的な例示的位置に配置されるものとして示されている。具体的には、８１２ａは、導波管８０４に入る光に対して偏光補償をもたらすために、ディスプレイソースに向かう方の側にインカプラ８０６に隣接して配置された空間変動偏光子を示しており、これは、上述したように偏光に非常に敏感であってよい。空間変動偏光子８１２ｂは、例示的な空間変動偏光子８１２ａと比較すると、その向かい側にインカプラ８０６に隣接して配置されるものとして図８に示されている。同様に、空間変動偏光子８１２ｃは、ユーザの目８１０に面する側にアウトカプラ８０８に隣接して配置されて示されており、空間変動偏光子８１２ｄは、その向かい側にアウトカプラ８０８に隣接して配置されて示されている。空間変動偏光子８１２ｅは、インカプラ８０６とアウトカプラ８０８との間の位置で、導波管８０４の内側に配置されて示されている。空間変動偏光子８１２は、例えば、導波管８０４の上に、これに隣接または近接して、またはこの内側に配置されてもよいことを理解されたい。他の実装例では、空間変動偏光子８１２は、偏光補償をもたらすために、ディスプレイ光源と視聴者の目との間の光路におけるどこか他の箇所に配置される。
【0074】
図９は、１つの非限定的な例示的実装例による、ＨＭＤシステム９００の構成要素の側面図を図示している。ＨＭＤシステム９００は、ＯＬＥＤ、ＬＣＤ、または他の種類のディスプレイパネルなどのディスプレイパネル９０２と、ディスプレイからの画像情報をアイボックス９０６に提供する光学レンズ９０４とを含み、アイボックスの中にユーザの目を配置してディスプレイからの画像を見ることができる。レンズ９０４は、単一のレンズを含んでも、または複数のレンズを含んでもよい。ＨＭＤシステム９００は、２つのディスプレイパネルと２つのレンズとを、ユーザのそれぞれの目に対して１つずつ含んでよい。動作時には、ディスプレイパネル９０２から発した光９１０がレンズ９０４によって光学的に修正され（例えば、焦点を合わせて）、ユーザの目で見るためにアイボックス９０６に向けられた光９１２になってよい。
【0075】
偏光に基づく光学歪み現象の原因の一部は、レンズ９０４などの湾曲した光学レンズを通過するときの、様々な光線の様々な到来角である場合がある。したがって、ディスプレイパネルの中央領域に沿って位置する画素のセットでは、この画素から発する光は、様々な光線の曲がりがほとんどまたは全くない中心軸に沿って光学レンズを通過してよく、これは、光の偏光に対してある程度の効果を有し得る。反対に、ディスプレイパネル９０２の中央部分から遠くに位置する光線のうち光学レンズ９０４を通過する光線は、そのような位置での光学レンズの曲率の程度がより大きく、異なるように影響された偏光を有することがある。
【0076】
ディスプレイパネル９０２から発する光の偏光に対して変動する影響を補償するために、少なくともいくつかの実装例では、空間変動偏光補償光学系９０８が設けられてよい。例示した例では、偏光補償光学系９０８は、ディスプレイパネル９０２の前面に隣接して配置されてよく、任意選択で、好適な接着剤（例えば、光学透明接着剤（ＯＣＡ））によってディスプレイパネルに接着されても、または積層されてもよい。偏光補償光学系９０８は、本明細書のどこか他の箇所で説明されるように、マルチツイストリターダなどの位相リターダ材料（例えば、波長板）から形成されてよい。
【0077】
偏光補償光学系９０８は、位相マップで定められる空間変動偏光をもたらしてよい。図１０および図１１は、偏光補償光学系９０８に対する表面位相マップの２つの非限定的な例を示している。図１０の例示的な表面マップ１０００では、位相は、光学系の中心から外周に向かって、－０．４３３波長から＋０．４３３波長の間で同心円状に変動する。図１１の例示的な表面マップ１１００では、位相は、（図のように）光学系９０８の下限である－１．２５Ｅ＋００４から光学系の上限である＋１．２５Ｅ＋００４まで直線的に変動し、単位はそれぞれ２πラジアンの期間である。表面マップ１０００および１１００の位相変動は、簡潔にするために離散ステップとして示されているが、実際には、位相は光学系の表面全体にわたって連続的に変動し得ることに留意されたい。
【0078】
少なくともいくつかの実装例では、補償光学系９０８の表面位相マップは、ディスプレイパネル９０２またはレンズ９０４のうちの少なくとも一方によって生じた望ましくない偏光を相殺するまたは補償するように設計されてよい。そのような実装例では、光学系（例えば、レンズ、またはレンズおよびディスプレイパネル）の位相プロファイルまたはマップが最初に決定されてよい。決定した位相マップは次に、反転されて補償光学系９０８に適用されてよく、その結果、補償光学系は光学系の他の構成要素によって生じた望ましくない影響を相殺する。
【0079】
少なくともいくつかの実装例では、偏光補償光学系９０８は、低入射角での光に対して、ＨＭＤシステム９００の偏光性能を向上させ得る。
【0080】
偏光補償に加えて、またはその代替として、補償光学系９０８は、ディスプレイパネル９０２からの光をよりテレセントリックに形作るように構成されてよく、その結果、光はより均一且つテレセントリックに揃った角度でレンズ９０４に到来する。この特徴によって、アイボックス９０６全体にわたる性能の向上がもたらされるのは有利である。
【0081】
本明細書で説明した空間変動偏光子を利用することで、光学設計者にとっては、性能および効率が向上した光学系を作り出すための自由度が大幅に増しており、これにより、より優れた視聴体験を提供し、コストがかからず、大きさまたは重量がより小さく、電力をあまり消費せず、また当業者には明らかである他の利点を提供するディスプレイシステムが可能になる。
【0082】
上述した様々な実装例は、さらなる実装例を提供するために組み合わされてよい。上記の詳細な説明を踏まえて、これらの変更および他の変化を各実装例に対して行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、用いられる用語は、特許請求の範囲を本明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実装例に限定するものと解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲と併せて全ての実現可能な実装例を含むものと解釈されるべきである。したがって、特許請求の範囲は本開示によって限定されることはない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】