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特表2024-534954導波路式アイウェアディスプレイにおける液晶アイボックス誘導
(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】2024-09-26
(54)【発明の名称】導波路式アイウェアディスプレイにおける液晶アイボックス誘導
(51)【国際特許分類】
G02F 1/13 20060101AFI20240918BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20240918BHJP
G02F 1/1343 20060101ALI20240918BHJP
G02F 1/1347 20060101ALI20240918BHJP
G02C 11/00 20060101ALI20240918BHJP
【ＦＩ】
G02F1/13 505
G02B27/02 Z
G02F1/1343
G02F1/1347
G02C11/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024515125
(86)(22)【出願日】2022-09-07
(85)【翻訳文提出日】2024-05-01
(86)【国際出願番号】 US2022042694
(87)【国際公開番号】W WO2023038928
(87)【国際公開日】2023-03-16
(31)【優先権主張番号】63/241,642
(32)【優先日】2021-09-08
(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】502208397
【氏名又は名称】グーグル エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】Ｇｏｏｇｌｅ ＬＬＣ
【住所又は居所原語表記】１６００ Ａｍｐｈｉｔｈｅａｔｒｅ Ｐａｒｋｗａｙ ９４０４３ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｖｉｅｗ， ＣＡ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】カクマクシ，オザン
(72)【発明者】
【氏名】ボディヤ，ティモシー・ポール
【テーマコード（参考）】
2H006
2H088
2H092
2H189
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H006CA00
2H088EA45
2H088EA47
2H088GA02
2H088HA02
2H088MA20
2H092GA03
2H092GA13
2H092HA03
2H092NA25
2H092RA10
2H189AA22
2H189HA16
2H189LA03
2H189MA15
2H199CA02
2H199CA06
2H199CA12
2H199CA27
2H199CA29
2H199CA30
2H199CA34
2H199CA42
2H199CA44
2H199CA53
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA92
2H199CA94
(57)【要約】
本明細書における開示は、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイのためのアイボックスエキスパンダを提示する。アイボックスエキスパンダは、第１の液晶層と、第１の液晶層に関連した配向を変化させるために第１の液晶層に電圧を印加するための電極配列と、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのアイボックスエキスパンダであって、第１の液晶層と、
前記第１の液晶層に関連した配向を変化させるために前記第１の液晶層に第１の電圧を印加するための電極配列と、
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を備える、アイボックスエキスパンダ。
【請求項2】
前記電極配列は、パターン付けされた電極を含む、請求項１に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項3】
前記パターン付けされた電極は、第１の電極と第２の電極との間に配置されている、請求項２に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項4】
前記第１の液晶層は、前記パターン付けされた電極と前記第２の電極との間に配置されている、請求項３に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項5】
前記第２の電極は、前記第１の液晶層から光を受け取り、前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記ＷＨＭＤに関連したアイボックスに向かって光を送信する、請求項３または請求項４に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項6】
前記パターン付けされた電極は、開口を形成するように配置された複数の電極セクションを含む、請求項２～請求項５のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項7】
前記電極配列は、前記パターン付けされた電極の前記複数の電極セクションを横断して前記第１の電圧を複数の電圧として印加する、請求項６に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項8】
前記電極配列は、前記第２の電極と前記パターン付けされた電極との間に前記第１の電圧を印加するように構成されている、請求項３～請求項６のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項9】
前記補償層は、前記第１の電極と前記パターン付けされた電極との間に配置されている、請求項３～請求項８のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項10】
前記補償層は、第２の液晶層である、請求項１～請求項９のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項11】
前記電極配列は、前記第１の液晶層に印加された前記第１の電圧に基づき、前記第２の液晶層に第２の電圧を印加するように構成されている、請求項１０に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項12】
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化は、前記ＷＨＭＤのアイボックスに関連した条件に基づく、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項13】
前記アイボックスに関連した前記条件は、前記ＷＭＨＤのユーザの瞳孔間距離のばらつき、前記ＷＨＭＤと前記ユーザとの間のアイレリーフのばらつき、または前記ユーザの目の動きのうちの少なくとも１つに基づく、請求項１２に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項14】
前記ＷＨＭＤの外から前記アイボックスエキスパンダに入力される光と、前記アイボックスエキスパンダからユーザの方向に出力される光とは、所定の差のマージン内の同じ角度を有する、請求項１～請求項１３のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項15】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのレンズであって、第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間のアイボックスエキスパンダと、を備え、
前記アイボックスエキスパンダは、
第１の液晶層と、
前記第１の液晶層に関連した配向を変化させるために前記第１の液晶層に電圧を印加するための電極配列と、
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を含む、レンズ。
【請求項16】
インカプラと、射出瞳エキスパンダと、アウトカプラとを含む導波路をさらに備え、前記導波路は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置されている、請求項１５に記載のレンズ。
【請求項17】
前記アイボックスエキスパンダは、前記インカプラ、前記射出瞳エキスパンダおよび前記アウトカプラの各々に一体化されているかまたは各々の上に部分的に配置されている、請求項１６に記載のレンズ。
【請求項18】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のアイボックスにおいて光線を誘導する方法であって、前記方法は、第１の液晶層に第１の電圧を印加し、前記第１の液晶層に関連した配向を変化させ、前記ＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導することと、
第２の液晶層に第２の電圧を印加し、前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記ＷＨＭＤのレンズを通過する光を方向転換することと、を含む、方法。
【請求項19】
第１の電極、パターン付けされた電極および第２の電極を含む電極配列を介して前記第１の液晶層に前記第１の電圧を一連のセグメント化された電圧で印加することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の液晶層は、前記パターン付けされた電極と前記第２の電極との間に配置されており、前記第２の液晶層は、前記第１の電極と前記パターン付けされた電極との間に配置されており、前記第１の液晶層は、前記第２の液晶層よりも前記ＷＨＭＤのユーザの方向により近く配置されている、請求項１９に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
背景
ユーザの広い集団のための満足できる体験を提供するために、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）装置に関連したアイボックスは、ユーザ頭部形状のばらつきに対応するために十分に大きくなければならない。例えば、ＷＨＭＤの設計は、一般的集団における目の間の距離（瞳孔間距離またはＩＰＤと呼ばれる）、頭部幅、耳頂点、および鼻の幅の、異なる潜在的ユーザの中での違いを考慮する必要がある。一般的に、ＷＨＭＤのアイボックスの幅は、これらの異なる頭部形状に対応するために少なくとも約１０ｍｍのオーダにあり、ＩＰＤ分布自体は、例えば、平均ＩＰＤの約２つの標準偏差内の±８ｍｍの範囲にあることができる。従来の導波路式ＷＨＭＤは、一般的に、異なるユーザ頭部サイズに対応するためにＷＨＭＤの導波路のアウトカプラ格子をサイズ決めすることによりこのような分布を考慮する。例えば、より広い範囲のユーザ頭部形状に対応するために、より大きなアウトカプラサイズが使用される。
ユーザの広い集団のための満足できる体験を提供するために、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）装置に関連したアイボックスは、ユーザ頭部形状のばらつきに対応するために十分に大きくなければならない。例えば、ＷＨＭＤの設計は、一般的集団における目の間の距離（瞳孔間距離またはＩＰＤと呼ばれる）、頭部幅、耳頂点、および鼻の幅の、異なる潜在的ユーザの中での違いを考慮する必要がある。一般的に、ＷＨＭＤのアイボックスの幅は、これらの異なる頭部形状に対応するために少なくとも約１０ｍｍのオーダにあり、ＩＰＤ分布自体は、例えば、平均ＩＰＤの約２つの標準偏差内の±８ｍｍの範囲にあることができる。従来の導波路式ＷＨＭＤは、一般的に、異なるユーザ頭部サイズに対応するためにＷＨＭＤの導波路のアウトカプラ格子をサイズ決めすることによりこのような分布を考慮する。例えば、より広い範囲のユーザ頭部形状に対応するために、より大きなアウトカプラサイズが使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
しかしながら、広い範囲のユーザ頭部形状のために１つのアウトカプラサイズを有することにより、製造の課題およびコスト増大に加え、ユーザにアウトカップルされる投影された光における効率および色均一性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【0003】
概要
本開示は、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのアイボックスエキスパンダの実施形態を説明する。
本開示は、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのアイボックスエキスパンダの実施形態を説明する。
【0004】
１つの例示的な実施形態では、ＷＨＭＤのためのアイボックスエキスパンダは、第１の液晶層と、第１の液晶層に関連した配向を変化させるために第１の液晶層に電圧を印加するための電極配列と、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を含む。
【0005】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダは、電極配列が、パターン付けされた電極を含むことを含む。いくつかの実施形態では、パターン付けされた電極は、第１の電極と第２の電極との間に配置されている。いくつかの実施形態では、第１の液晶層は、パターン付けされた電極と第２の電極との間に配置されている。いくつかの実施形態では、第２の電極は、第１の液晶層から光を受け取り、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、ＷＨＭＤに関連したアイボックスに向かって光を送信する。いくつかの実施形態では、パターン付けされた電極は、開口を形成するように配置された複数の電極セクションを含む。いくつかの実施形態では、電極配列は、パターン付けされた電極の複数の電極セクションを横断して第１の電圧を複数の電圧として印加する。いくつかの実施形態では、電極配列は、第２の電極とパターン付けされた電極との間に第１の電圧を印加するように構成されている。いくつかの実施形態では、補償層は、第１の電極とパターン付けされた電極との間に配置されている。いくつかの実施形態では、補償層は、第２の液晶層である。いくつかの実施形態では、電極配列は、第１の液晶層に印加された第１の電圧に基づき、第２の液晶層に第２の電圧を印加するように構成されている。いくつかの実施形態では、第１の液晶層に関連した配向の変化は、ＷＨＭＤのアイボックスに関連した条件に基づく。例えば、アイボックスに関連した条件は、ＷＨＭＤのユーザの瞳孔間距離のばらつき、ＷＨＭＤとユーザとの間のアイレリーフのばらつき、またはユーザの目の動きのうちの少なくとも１つに基づく。いくつかの実施形態では、ＷＨＭＤの外からアイボックスエキスパンダに入力される光（例えば、周囲光）と、アイボックスエキスパンダからユーザの方向に出力される光とは、所定の差のマージン内の同じ角度を有する。
【0006】
別の例示的な実施形態では、ＷＨＭＤのためのレンズは、第１の基板と、第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間のアイボックスエキスパンダとを含む。アイボックスエキスパンダは、第１の液晶層と、第１の液晶層に関連した配向を変化させるために第１の液晶層に電圧を印加するための電極配列と、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を含む。
【0007】
いくつかの実施形態では、ＷＨＭＤのためのレンズは、インカプラと、射出瞳エキスパンダと、アウトカプラとを含む導波路を含み、導波路は、第１の基板と第２の基板との間に配置されている。例えば、アイボックスエキスパンダは、インカプラ、射出瞳エキスパンダおよびアウトカプラの各々に一体化されているかまたは各々の上に部分的に配置されている。
【0008】
別の例示的な実施形態は、ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のアイボックスにおいて光線を誘導する方法を説明する。方法は、第１の液晶層に第１の電圧を印加し、第１の液晶層に関連した配向を変化させ、ＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導することと、第２の液晶層に第２の電圧を印加し、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、ＷＨＭＤのレンズを通過する光を方向転換することと、を含む。
【0009】
いくつかの実施形態では、方法は、第１の電極、パターン付けされた電極および第２の電極を含む電極配列を介して第１の液晶層に第１の電圧を一連のセグメント化された電圧で印加することをさらに含む。いくつかの実施形態では、第１の液晶層は、パターン付けされた電極と第２の電極との間に配置されており、第２の液晶層は、第１の電極とパターン付けされた電極との間に配置されており、第１の液晶層は、第２の液晶層よりもＷＨＭＤのユーザの方向により近く配置されている。
【0010】
添付の図面を参照することにより、本開示がより理解され、多数の特徴および利点が当業者に明らかになり得る。異なる図面における同じ参照符号の使用は、類似または同一のアイテムを指す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】いくつかの実施形態による、ユーザの目に向かって画像を投影するように構成された投影システムを収容する支持構造を有する例示的なディスプレイシステムを示す図である。
【図3】いくつかの実施形態による、アイボックスエキスパンダを備えるＷＨＭＤの一例を示す図である。
【図4】いくつかの実施形態による、液晶ビーム誘導のためのアイボックス考察を実証する図の一例を示す図である。
【図5】いくつかの実施形態による、アイボックスエキスパンダを示す概略図の一例を示す図である。
【図6】いくつかの実施形態による、アイボックスエキスパンダの電極配列におけるパターン付けされた電極の一例を示す図である。
【図7】いくつかの実施形態による、導波路に一体化されたアイボックスエキスパンダのワールドサイド図および斜視図の例を示す図である。
【図8】いくつかの実施形態による、現実世界からのシースルー光に対する補償層の補償効果の一例を示す図である。
【図9】いくつかの実施形態による、ＷＨＭＤのアイボックスへ光線を誘導するためのアイボックスエキスパンダのための方法を示すフローチャートである。
【図10】いくつかの実施形態による、第１の液晶層および／または補償層にそれぞれ印加するための第１の電圧および／または第２の電圧を決定するためのアイボックスエキスパンダのための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
詳細な説明
拡張現実（ＡＲ）用途のためのＷＨＭＤ設計において、課題は、異なるユーザ頭部形状の広いばらつきに対応するようにアイボックスをサイズ決めし、ユーザの視点からの現実世界の光景のひずみを最小限にしながら投影された画像をユーザへ有効に案内するように光学シースルーディスプレイを設計することを含む。図１～図１０は、光線を目標位置、例えば、ユーザの瞳孔へ誘導することによるＷＨＭＤにおけるアイボックス拡張のための技術を示す。加えて、図１～図１０は、光線をさらに誘導するための液晶層の使用によるなど、アイボックス拡張による現実世界のシースルー光景に対するひずみ効果を弱めるための技術を示す。したがって、本明細書に説明された技術は、現実世界の光景のひずみを最小限にしながら、改善された投影画像品質を提供するＷＨＭＤ装置を提供し、これにより、全体的なユーザ体験を改善する。
拡張現実（ＡＲ）用途のためのＷＨＭＤ設計において、課題は、異なるユーザ頭部形状の広いばらつきに対応するようにアイボックスをサイズ決めし、ユーザの視点からの現実世界の光景のひずみを最小限にしながら投影された画像をユーザへ有効に案内するように光学シースルーディスプレイを設計することを含む。図１～図１０は、光線を目標位置、例えば、ユーザの瞳孔へ誘導することによるＷＨＭＤにおけるアイボックス拡張のための技術を示す。加えて、図１～図１０は、光線をさらに誘導するための液晶層の使用によるなど、アイボックス拡張による現実世界のシースルー光景に対するひずみ効果を弱めるための技術を示す。したがって、本明細書に説明された技術は、現実世界の光景のひずみを最小限にしながら、改善された投影画像品質を提供するＷＨＭＤ装置を提供し、これにより、全体的なユーザ体験を改善する。
【0013】
例示するために、ＷＨＭＤのレンズエレメントは、アイボックスエキスパンダを含む。アイボックスエキスパンダは、第１の複数の結晶を有する第１の液晶層を含む。アイボックスエキスパンダは、ＷＨＭＤのアイボックスに関連した条件に基づき、第１の液晶層に関連した配向を変化させるために第１の液晶層に第１の電圧を印加するための電極配列をさらに含む。例えば、これは、第１の複数の液晶の配向を変化させることを含む。いくつかの実施形態では、印加された電圧は、第１の複数の結晶の配向を変化させ、ＷＨＭＤの光源において発生された光線を誘導する。いくつかの実施形態では、アイボックスに関連した条件は、ＷＨＭＤのユーザの検出された瞳孔位置に対応する目標位置である。したがって、第１の複数の液晶の配向の変化は、第１の液晶層の電気的に調節可能な特性に基づき光線を目標位置へ誘導する。いくつかの場合、第１の複数の結晶の配向の変化は、ＷＨＭＤのレンズを通過する現実世界からのシースルー光（入射光または周囲光とも呼ばれる）をひずませる可能性がある。このひずみ効果を弱めるために、アイボックスエキスパンダは、補償層も含む。補償層は、例えば、第２の複数の液晶を有する第２の液晶層を含む。いくつかの実施形態では、電極配列は、第１の液晶層に印加された第１の電圧に基づき、第２の液晶層に第２の電圧を印加し、これは、アイボックスエキスパンダを通過する現実世界からの光に対するひずみ効果を弱めるように第２の複数の結晶を変化させる。このように、アイボックスエキスパンダは、光線を目標位置へ誘導し、光線の誘導に起因する現実世界からの光に対するひずみ効果を弱める。その結果、より高い投影画像品質および現実世界の光景のより現実的な描写が得られ、これにより、複数レベルにおける全体的なユーザ体験を改善する。
【0014】
図１～図１０は、液晶層を利用するアイボックス誘導のための例示的なアイボックスエキスパンダおよび対応する技術の実施形態を示し、これにより、異なるユーザ頭部形状に適合するようにアウトカプラ格子のサイズを変化または増大させる必要なく、ＷＨＭＤのための拡張可能なアイボックスを提供する。しかしながら、本開示の装置および技術は、この特定のディスプレイシステムにおける実施に限定されず、その代わりに、本明細書に提供されたガイドラインを使用して様々なディスプレイシステムのうちのいずれかにおいて実施され得ることが認められるであろう。
【0015】
図１は、アーム１０４を含む支持構造１０２を有する例示的なディスプレイシステム１００を示し、アーム１０４は、ユーザの目に向かって画像を投影するように構成された投影システムを収容しており、これにより、ユーザは、レンズエレメント１０８、１１０のうちの一方または両方におけるディスプレイの視野（ＦＯＶ）に表示されるものとして、投影された画像を認識する。示された実施形態において、ディスプレイシステム１００は、ユーザの頭部に装着されるように構成された支持構造１０２を含みかつ眼鏡（例えば、サングラス）フレームの全体的形状および外観を有するＷＨＭＤである。レンズエレメント１０８、１１０を含む支持構造１０２は、レーザプロジェクタ、光学スキャナ、導波路、およびアイボックスエキスパンダなどの、使用者の目に向かってこのような画像の投影を容易にするための様々な構成要素を包含するまたはさもなければ含む。いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、１つまたは複数の前面カメラ、後面カメラ、その他の光センサ、運動センサ、加速度計などの、様々なセンサをさらに含む。いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）インターフェース、ＷｉＦｉインターフェースなどの、１つまたは複数の無線周波数（ＲＦ）インターフェースまたはその他のインターフェースをさらに含む。さらに、いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、ディスプレイシステム１００の電気部品に電力を供給するための１つまたは複数の電池またはその他のポータブル電源をさらに含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１００のこれらの構成要素のうちのいくつかまたは全ては、支持構造１０２の領域１１２におけるアーム１０４内など、支持構造１０２の内部容積内に完全にまたは部分的に収容されている。例示的なフォームファクタが示されているが、その他の実施形態では、ディスプレイシステム１００は、図１に示された眼鏡フレームとは異なる形状および外観を有し得ることが認められるであろうことに留意すべきである。
【0016】
レンズエレメント１０８、１１０のうちの一方または両方は、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイを提供するためにディスプレイシステム１００によって使用され、拡張現実ディスプレイでは、レンダリングされたグラフィックコンテンツが、レンズエレメント１０８、１１０を通してユーザによって認識された現実世界の光景上に重ね合わされるまたはさもなければ現実世界の形式に関連して提供され得る。例えば、認識可能な画像または一連の画像を形成するために使用される投影される光線は、対応するレンズエレメントにおいて少なくとも部分的に形成された導波路、１つまたは複数のスキャンミラー、１つまたは複数の光リレー、およびアイボックスエキスパンダなどの、一連の光学素子を介してユーザの目にディスプレイシステム１００のレーザプロジェクタによって投影されてよい。したがって、レンズエレメント１０８、１１０のうちの一方または両方は、導波路のインカプラによって受け取られたディスプレイ光を導波路のアウトカプラへ送る導波路の少なくとも一部を含み、導波路のアウトカプラは、ディスプレイ光をディスプレイシステム１００のユーザの目に向かって出力する。ディスプレイ光は、ユーザがディスプレイ光を画像として認識するように、ユーザの目に向かって変調およびスキャンされる。加えて、レンズエレメント１０８、１１０の各々は、ユーザがレンズエレメントを通して見ることができるように十分に透明であるため、ユーザの現実世界環境の視野を提供し、これにより、画像は、現実世界環境の少なくとも一部の上に重ね合わされて見える。いくつかの実施形態では、レンズエレメント１０８、１１０は、プロジェクタからの投影された光線を目標位置、例えば、ユーザの瞳孔へ方向転換するためのアイボックスエキスパンダを含む。さらに、いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダは、本明細書でさらに説明されるように、投影された光線の方向転換に起因する現実世界の光景のひずみ効果を弱めるように構成されている。
【0017】
いくつかの実施形態では、プロジェクタは、デジタルライトプロセッシング式プロジェクタ、スキャニングレーザプロジェクタ、あるいはレーザまたは１つもしくは複数のＬＥＤなどの変調性光源と、１つまたは複数のダイナミックスキャナまたはデジタルライトプロセッサなどのダイナミックリフレクタメカニズムとのあらゆる組合せである。いくつかの実施形態では、プロジェクタは、多数のレーザダイオード（例えば、赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオードおよび／または青色レーザダイオード）および少なくとも１つのスキャンミラー（例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式または圧電式であってよい２つの一次元スキャンミラー）を含む。プロジェクタは、制御装置と、制御装置によって実行されると制御装置にプロジェクタの動作を制御させるプロセッサ実行可能命令およびその他のデータを記憶する非一時的プロセッサ可読記憶媒体またはメモリとに通信可能に結合されている。いくつかの実施形態では、制御装置は、プロジェクタのためのスキャンエリアサイズおよびスキャンエリア位置を制御し、ディスプレイシステム１００に表示されるコンテンツを生成するプロセッサ（図示せず）に通信可能に結合されている。プロジェクタは、ディスプレイシステム１００の可変エリア、指定されたＦＯＶエリア１０６上で光をスキャンする。スキャンエリアサイズは、ＦＯＶエリア１０６のサイズに対応し、スキャンエリア位置は、ＦＯＶエリア１０６がユーザに見えるレンズエレメント１０８、１１０のうちの一方の領域に対応する。一般的に、広い角度範囲にわたる光のアウトカップリングに対応するためにディスプレイが広いＦＯＶを有することが望ましい。本明細書では、ディスプレイを見ることができる異なるユーザの目の位置の範囲が、ディスプレイのアイボックスと呼ばれる。
【0018】
いくつかの実施形態では、プロジェクタは、第１および第２のスキャンミラー、第１および第２のスキャンミラーの間に配置された光リレー、および第２のスキャンミラーの出力部に配置された導波路を介して光を導く。いくつかの実施形態では、導波路のアウトカプラの少なくとも一部は、ＦＯＶエリア１０６に重なっていてよい。
【0019】
図２は、レーザ光を介して画像をユーザの目に直接投影する投影システム２００の簡略されたブロック図を示す。投影システム２００は、光学エンジン２０２、光学スキャナ２０４および導波路２０５を含む。示したように、光学スキャナ２０４は、第１のスキャンミラー２０６、第２のスキャンミラー２０８および光リレー２１０を含む。導波路２０５は、インカプラ２１２およびアウトカプラ２１４を含み、アウトカプラ２１４は、この例ではユーザの目２１６と光学的に整列させられている。いくつかの実施形態では、投影システム２００は、図１のディスプレイシステム１００などの、ＷＨＭＤまたはその他のディスプレイにおいて実施される。
【0020】
いくつかの実施形態では、光学エンジン２０２は、レーザ光２１８（例えば、赤色、青色および緑色のレーザ光などの可視レーザ光および／または赤外レーザ光などの非可視レーザ光）を生成および出力するように構成された１つまたは複数のレーザ光源を含む。いくつかの実施形態では、光学エンジン２０２は、ドライバまたはその他の制御装置（図示せず）に結合されており、このドライバまたは制御装置は、ユーザの目２１６の網膜へ出力されたときに画像として認識されるようにレーザ光２１８を変調するために、制御装置またはドライバに結合されたコンピュータプロセッサから制御装置またはドライバによって受信された命令に従って光学エンジン２０２のレーザ光源からのレーザ光の放出のタイミングを制御する。
【0021】
例えば、投影システム２００の動作中、それぞれ異なる波長を有する多数のレーザ光線が、光学エンジン２０２のレーザ光源によって出力され、次いで、ユーザの目２１６に向けられる前に、ビーム結合器（図示せず）を介して結合される。光学エンジン２０２は、結合されたレーザ光が画像の一連の画素を反映するようにレーザ光線のそれぞれの強度を変調し、あらゆる所与の時点における各々のレーザ光線の特定の強度が、その時点に結合されたレーザ光によって表される画素における対応する色内容および輝度の量に寄与する。
【0022】
光学スキャナ２０４のスキャンミラー２０６および２０８のうちの一方または両方は、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳミラーである。例えば、スキャンミラー２０６およびスキャンミラー２０８は、レーザ投影システム２００の能動的動作中に振動するようにそれぞれの作動電圧によって駆動されるＭＥＭＳミラーであり、スキャンミラー２０６および２０８にレーザ光２１８をスキャンさせる。スキャンミラー２０６の振動により、光学エンジン２０２によって出力されたレーザ光２１８が光リレー２１０を通過しかつ第２のスキャンミラー２０８の表面を横切ってスキャンされる。第２のスキャンミラー２０８は、スキャンミラー２０６から受け取られたレーザ光２１８を導波路２０５のインカプラ２１２に向かってスキャンする。いくつかの実施形態では、スキャンミラー２０６は第１のスキャニング軸線２１９に沿って振動し、これにより、レーザ光２１８は、第２のスキャンミラー２０８の表面を横切って一次元でのみ（即ち、一列に）スキャンされる。いくつかの実施形態では、スキャンミラー２０８は、第２のスキャニング軸線２２１に沿って振動またはさもなければ回転する。いくつかの実施形態では、第１のスキャニング軸線２１９は、第２のスキャニング軸線２２１に対して垂直である。
【0023】
いくつかの実施形態では、インカプラ２１２は、実質的に矩形の輪郭を有し、レーザ光２１８を受け取り、レーザ光２１８を導波路２０５内へ向けるように構成されている。インカプラ２１２は、より小さな寸法（即ち、幅）およびより大きな直交寸法（即ち、長さ）によって画定される。一実施形態では、光リレー２１０は、第１のスキャンミラー２０６によって第１の寸法においてスキャンされたレーザ光２１８を受け取り（例えば、第１の寸法はインカプラ２１２の小さな寸法に対応する）、レーザ光２１８を第２のスキャンミラー２０８へ送り、第２のスキャンミラー２０８を越えて射出瞳へ第１の寸法においてレーザ光２１８に収束を取り入れるライン－スキャン光リレーである。ここで、光学系における「射出瞳」は、光線が交差する光路に沿った位置を意味する。例えば、第１のスキャンミラー２０６による反射に続く、レーザ光２１８の可能な光路は、最初は第１のスキャニング軸線に沿って広がるが、後にこれらの経路は、光リレー２１０によって取り入れられた収束により第２のスキャンミラー２０８を越えて射出瞳において交差する。例えば、所与の射出瞳の幅（即ち、最も小さい寸法）は、その射出瞳に対応するレーザ光の直径にほぼ対応する。したがって、射出瞳は、「仮想開口」と考えることができる。様々な実施形態によれば、光リレー２１０は、第２のスキャンミラー２０８においてレーザ光２１８を成形および収束させる１つまたは複数のコリメーションレンズを含むか、または第２のスキャンミラー２０８へレーザ光２１８を成形しかつ向ける２つ以上の球面、非球面、放物線および／または自由形状レンズを含む成形反射リレーを含む。第２のスキャンミラー２０８は、レーザ光２１８を受け取り、第２の寸法においてレーザ光２１８をスキャンし、第２の寸法は、導波路２０５のインカプラ２１２の長い寸法に対応する。いくつかの実施形態では、第２のスキャンミラー２０８により、レーザ光２１８の射出瞳は第２の寸法に沿った線に沿ってスイープされる。いくつかの実施形態では、インカプラ２１２は、第２のスキャンミラー２０８の下流のスイープされる線またはその近くに位置決めされ、これにより、第２のスキャンミラー２０８は、レーザ光２１８をインカプラ２１２上で線または列としてスキャンする。
【0024】
いくつかの実施形態では、光学エンジン２０２は、端面発光レーザ（ＥＥＬ）を含み、端面発光レーザ（ＥＥＬ）は、実質的に楕円形の、非円形断面を有するレーザ光２１８を放出し、光リレー２１０は、その軌道長半径または軌道短半径に沿ってレーザ光２１８を拡大または最小化し、第２のスキャンミラー２０８におけるレーザ光２１８の収束の前にレーザ光２１８を円形にする。いくつかのこのような実施形態では、スキャンミラー２０６のミラープレートの表面は、楕円形でかつ非円形である（例えば、レーザ光２１８の断面積に形状およびサイズが類似する）。その他のこのような実施形態では、スキャンミラー２０６のミラープレートの表面は円形である。
【0025】
レーザ投影システム２００の導波路２０５は、インカプラ２１２およびアウトカプラ２１４を含む。本明細書において使用されるように、「導波路」という用語は、光をインカプラ（インカプラ２１２など）からアウトカプラ（アウトカプラ２１４など）へ伝送するために、全反射（ＴＩＲ）、特殊フィルタおよび／または反射面のうちの１つまたは複数を使用する結合器を意味すると理解される。いくつかのディスプレイ用途において、光はコリメートされた画像であり、導波路は、コリメートされた画像を目に伝送し、複製する。一般的に、「インカプラ」および「アウトカプラ」という用語は、回折格子、ホログラム、ホログラフィック光学素子（例えば、１つまたは複数のホログラムを使用する光学素子）、容量回折格子、容量ホログラム、表面レリーフ回折格子、および／または表面レリーフホログラムを含むが、これらに限定されない、あらゆるタイプの光学格子構造を意味すると理解される。いくつかの実施形態では、所与のインカプラまたはアウトカプラは、インカプラまたはアウトカプラに光を送信させかつ設計された光学機能を伝送中に光に適用させる透過型格子（例えば、透過型回折格子または透過型ホログラフィック格子）として構成される。いくつかの実施形態では、所与のインカプラまたはアウトカプラは、インカプラまたはアウトカプラに光を反射させかつ設計された光学機能を反射中に光に適用させる反射型格子（例えば、反射型回折格子または反射型ホログラフィック格子）である。この例では、インカプラ２１２において受け取られたレーザ光２１８は、ＴＩＲを使用する導波路２０５を介してアウトカプラ２１４へリレーされる。次いで、レーザ光２１８は、アウトカプラ２１４を介してユーザの目２１６へ出力される。上記で説明されているように、いくつかの実施形態では、導波路２０５は、眼鏡フォームファクタを有しかつレーザ投影システム２００を採用するディスプレイシステムのレンズ１０８またはレンズ１１０（図１）などの、眼鏡レンズの一部として実施される。
【0026】
図２の例には示されていないが、いくつかの実施形態では、追加的な光学部品が、光学エンジン２０２とスキャンミラー２０６との間、スキャンミラー２０６と光リレー２１０との間、光リレー２１０とスキャンミラー２０８との間、スキャンミラー２０８とインカプラ２１２との間、インカプラ２１２とアウトカプラ２１４との間、および／またはアウトカプラ２１４と目２１６との間（例えば、ユーザの目２１６によって見るためにレーザ光を成形するために）の光路のうちのいずれかに含まれている。いくつかの実施形態では、光をスキャンミラー２０８からインカプラ２１２へ誘導するためにプリズムが使用され、これにより、光は適切な角度でインカプラ２１２に結合され、ＴＩＲによる導波路２０５における光の伝播を促進する。また、いくつかの実施形態では、フォールド格子などの射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）が、インカプラ２１２とアウトカプラ２１４との間の中間段階に配置されており、これにより、インカプラ２１２によって導波路２０５内に結合された光を受け取り、光を拡張し、光をアウトカプラ２１４に向かって方向転換し、次いで、アウトカプラ２１４は、導波路２０５からのレーザ光を（例えば、ユーザの目２１６に向かって）結合する。
【0027】
いくつかの実施形態では、投影システム２００は、少なくとも部分的に導波路２０５に重なるまたは導波路２０５内に統合されたアイボックスエキスパンダ（図示せず）も含む。例えば、アイボックスエキスパンダは、第１の液晶層と、電極配列と、インカプラ２１２、アウトカプラ２１４、および導波路２０５のＥＰＥの各々に少なくとも部分的に重なる補償層とを含む。アイボックスエキスパンダは、投影システム２００によって生成された光線を、ユーザの目２１６などの目標位置へ誘導する。さらに、アイボックスエキスパンダは、導波路２０５を通過する現実世界からの光線を、ユーザの目２１６などの目標位置へ誘導する。
【0028】
図３は、図２において上記で説明された投影システム２００などの投影システムを含むＷＨＭＤ３００の一部を示す。いくつかの実施形態では、ＷＨＭＤ３００は、図１のディスプレイシステム１００を表す。光学エンジン２０２、光学スキャナ２０４、インカプラ２１２、および導波路２０５の一部は、この例では、ＷＨＭＤ３００のアーム３０２に含まれている。
【0029】
ＷＨＭＤ３００は、第１の基板３０６と、第２の基板３０８と、導波路２０５とを含む光学結合器レンズ３０４を含み、導波路２０５は、第１の基板３０６と第２の基板３０８との間に配置されている。アウトカプラ２１４を通じて出てくる投影された光３１８は、第２の基板３０８（例えば、ディスプレイシステム１００のレンズエレメント１００に対応する）を通過する。使用時、第２の基板３０８から出てくる投影された光３１８は、ＷＨＭＤ３００を装着するユーザの目２１６の瞳孔に入り、光学エンジン２０２によって出力されたレーザ光によって伝達される表示される画像をユーザに認識させる。光学結合器レンズ３０４は、実質的に透明であるため、ＷＨＭＤ３００の周囲の環境に対応する現実世界シーンからの光３２０（入射光または周囲光とも呼ばれる）が、第１の基板３０６と、第２の基板３０８と、導波路２０５を通過して、ユーザの目２１６まで届く。このように、投影システム２００によって出力される画像またはその他のグラフィカルコンテンツは、ユーザにＡＰ体験を提供するために、ユーザの目２１６へ投影されるときにユーザの環境の現実世界画像と組み合わされる（例えば、重ね合わされる）。
【0030】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ３３０（以下でさらに詳細に説明される）は、導波路２０５と少なくとも部分的に重なっているまたは導波路２０５に統合されている。例えば、一般的に、アイボックスエキスパンダ３３０は、光学結合器レンズ３０４の第１の基板３０６と第２の基板３０８との間に配置されている。アイボックスエキスパンダ３３０は、第１の液晶層を含み、この第１の液晶層は、オンデマンドで、例えば、ユーザの目２１６の瞳孔の検出された位置に基づいて、ＷＨＭＤ３００に対応するアイボックスへ光線を誘導するために第１の印加された電圧に基づいて「プリズム状の」相を実現する。第１の印加された電圧は、言い換えれば、第１の液晶層における第１の複数の液晶の配向を変化させ、配向の変化は、光線を目標位置へ誘導する。いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ３３０は、さらに、補償層を含み、補償層は、第１の液晶層における第１の複数の液晶の配向の変化によって生じた現実世界シーンからの光３２０に対するひずみ効果を弱める。例えば、補償層は、第２の液晶層に配置された第２の複数の液晶の配向を変化させるために第２の電圧が印加される第２の液晶層である。したがって、アイボックスエキスパンダ３３０は、第１の液晶層および補償層にそれぞれ第１および第２の電圧を印加するための電極配列をさらに含む。
【0031】
図４は、液晶ビーム誘導のためのアイボックス考慮を実証する図４００の一例を示す。いくつかの実施形態では、投影システム４０２は、前の図面に示されたＷＨＭＤの投影システム２００に対応する。２つのアイボックス４０４が示されており、各アイボックスは、投影システム４０２がユーザに画像を表示することができる体積に対応する。加えて、２つの例示的な瞳孔位置４０６が示されている。
【0032】
図４００に示されているように、投影システム４０２は、光を、例えばアウトカプラから、放射円錐の形式でアイボックス４０４へ投影する。一般的に言えば、アイボックスは、ディスプレイコンテンツが比較的小さい量のひずみまたはその他の視覚的アーチファクトで観察され得るディスプレイの前方における体積である。例えば、アイボックスの外側で、ディスプレイコンテンツはゆがめられる場合があるか、または色が不正確に表示される場合がある。分かりやすくするために二次元ボックスとして示されているが、アイボックスは、投影システム４０２に対する距離が増大するにつれて薄くなる円錐型三次元体積として説明することもできる。いくつかの実施形態では、放射円錐のエタンデュは、例えば、１０ｍｍ瞳孔および１０×１０度フィールドに一致させられる。さらに、いくつかの実施形態では、例えば、±１５度の範囲の誘導角度で、投影システム４０２の連続的な数の誘導状態が存在する。アイレリーフ４１２（投影システム４０２から瞳孔位置４０２までの距離）およびＩＰＤ距離４１４も図４００に示されている。したがって、ＷＨＭＤディスプレイのためのアイボックス４０４は、アイレリーフ４１２、ＩＰＤ距離４１４、その他のユーザ頭部形状変数（例えば、耳頂点、鼻幅）、および投影システム４０２におけるアウトカプラの面積を含む、多数の変数の関数として規定され得る。
【0033】
本明細書において説明された技術は、前の図面に示されたものなどのＷＨＭＤの投影システムが、ＷＨＭＤに関連したアイボックスのサイズを拡張させるように光線を誘導し、それにより、ＷＨＭＤがユーザのより広い範囲に画像を有効に表示することができるようにする。したがって、より広いアイボックス範囲に光を表示するように画像をアウトカップルするために、より小さなアウトカプラサイズを使用することができ、これにより、製造コストを減じながら、広いユーザベースのための増大した効率および色均一性を可能にする。
【0034】
図５は、いくつかの実施形態によるアイボックスエキスパンダ５００の概略図の断面図を示す。いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ５００は、図３のアイボックスエキスパンダ３３０に対応する。図５に示されているように、正のｚ方向は、ユーザの目２１６に対応するアイボックスの方向を指す。
【0035】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ５００は、第１の液晶層５０２および補償層５０４を含む。第１の液晶層５０２は、第１の複数の液晶を含む。例えば、第１の複数の液晶は、ネマチック液晶の第１のセットである。補償層５０４は、いくつかの実施形態では、第２の複数の液晶、例えば、ネマチック液晶の第２のセットを含む第２の液晶層である。いくつかの実施形態では、第１の複数の液晶における液晶は、第２の複数の液晶におけるものと同じタイプのものである。その他の実施形態では、液晶のタイプは異なる。いくつかの実施形態では、第１の液晶層５０２および補償層５０４の各々は、少なくとも部分的に光学的に透明であり、光線を通過させる。
【0036】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ５００は、第１の電極５１２、パターン付けされた電極５１４および第２の電極５１６を含む電極配列５１０を含む。電極配列５１０における電極の各々は、光を通過させるために少なくとも部分的に光学的に透明な材料から形成されている。加えて、電極配列５１０における電極の各々は、第１の電圧を第１の液晶層５０４に印加するおよび／または第２の電圧を補償層５０４に印加するために少なくとも部分的に導電性の材料から形成されている。例えば、いくつかの実施形態では、電極配列における第１の電極５１２、パターン付けされた電極５１４および第２の電極５１６の各々は、透明な伝導性酸化物膜などの少なくとも部分的に光学的に透明な金属酸化物からなる。
【0037】
図５に示されているように、第１の液晶層５０２は、いくつかの実施形態では、パターン付けされた電極５１４と第２の電極５１６との間に配置されている。補償層５０４は、いくつかの実施形態では、第１の電極５１２とパターン付けされた電極５１４との間に配置されている。
【0038】
いくつかの実施形態では、電極配列５１０は、制御装置５６０に結合されている。制御装置５６０は、電極配列５１０における異なる電極を横断して電圧を制御するように構成されている。例えば、第１の電源５３２が、パターン付けされた電極５１４と第２の電極５１６との間に配置されている。いくつかの実施形態では、第２の電源５３４が、第１の電極５１２と第２の電極５１６との間に配置されている。制御装置５６０は、第１の液晶５０２および／または補償層５０４に印加される電圧をそれぞれ変化させるために、第１の電源５３２および第２の電源５３４のうちの一方または両方を制御するように構成されている。このように、制御装置５６０は、光がそれぞれの層を通過する形式に影響するようにそれぞれの構造を変化させるために、第１の液晶層５０２および補償層５０４の各々に印加される電圧を制御する。例えば、第１の電圧が第１の電源５３２を介して印加され、第１の液晶層５０２における第１の複数の結晶の配向を変化させ、光線、例えば、出力光５５４を、ユーザの目２１６の検出された瞳孔などの目標位置へ向ける。第１の電圧に基づき、制御装置５６０は、いくつかの実施形態では、第２の電圧を第２の電源５３４を介して補償層５０４に印加し、補償層５０４の構造を変化させ、補償層５０４を通過する光を方向転換するようにさらに構成されている。例えば、補償層５０４が第２の液晶層である場合、これは、第２の液晶層における結晶の配向を変化させることを含む。
【0039】
いくつかの実施形態では、第２の電圧は、制御装置５６０によって印加される第１の電圧に依存する。例えば、第１の電圧は、アイボックスエキスパンダ５００に対応するアイボックスに関連した条件に基づく。この条件は、例えば、ユーザの目２１６の瞳孔の検出された位置である。制御装置５０６は、いくつかの実施形態では、処理回路を含み、この処理回路は、異なる位置のためのエントリを有するルックアップテーブル（ＬＵＴ）および異なる位置の各々に対応する第１の電圧を記憶したメモリを含むまたはメモリに通信可能に結合されている。例えば、異なる位置は、ユーザの目２１６の検出された瞳孔の位置に対応する（ｘ，ｙ）座標を含む。したがって、ＬＵＴは、アイボックスエキスパンダ５００に関連したアイボックス内の瞳孔の位置の異なる可能性のためのエントリを記憶している。ＬＵＴにおける各々の位置エントリは、光線をそれぞれの位置へ向けるために第１の液晶層５０２における第１の複数の液晶の配向を変化させるための対応する第１の電圧を含む。いくつかの実施形態では、ＬＵＴは、第１の電圧に依存する第２の電圧のための情報も含む。例えば、第１の電圧がゼロである場合、第２の電圧もゼロであってよい。第１の電圧が第１の電圧値である場合、第２の電圧は、第１の電圧値とは異なる第２の電圧値であってよい。いくつかの実施形態では、第２の電圧は、アイボックスエキスパンダ５００（図９においてさらに詳細に説明される）を通過する光に対する第１の液晶層５０２の効果を弱めるように補償層５０４の構造を変化させるための第１の電圧に基づく所定の量である。例示的なＬＵＴが以下に表１に示されている。いくつかの実施形態では、エントリの数は、アイボックスエキスパンダ５００に対応するアイボックスにおける広範囲な可能な目標位置をカバーする完全なカバー範囲をアイボックスエキスパンダ５００に提供するように拡張可能である。
【0040】
【表1】
【0041】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ５００は、ユーザの目２１６の瞳孔などの目標位置へ光線を誘導するための以下の技術を実施する。第１に、目標位置が決定される。例えば、目標位置は、ＷＨＭＤ、例えば、ＷＨＭＤ３００におけるアイトラッキングハードウェアおよび／またはソフトウェアを利用して決定される。目標位置は、次いで、制御装置５６０に送られ、制御装置５６０は、表１において上に示されたものなどのＬＵＴから目標位置座標を調べる。検出された目標位置と最も良く相互に関連するＬＵＴにおける目標位置座標のセットに基づき、第１の電圧が、対応するＬＵＴエントリから回収される。この第１の電圧は、第１の電源５３２を介して第１の液晶層５０２に印加され、第１の液晶層５０２における第１の複数の液晶の配向を変化させる。次に、対応する第２の電圧が、ＬＵＴから回収される。第２の電圧は、第２の電源５３４を介して補償層５０４に印加され、例えば、補償層５０４における液晶の配向を変化させることにより、補償層５０４の構造を変化させる。
【0042】
したがって、入射（または周囲）光５５２がアイボックスエキスパンダ５００に進入すると、光５５２は、第１の電極５１２を通過し、第２の電源５３４によって補償層５０４に印加される第２の電圧に基づいて補償層５０４によって方向転換され、パターン付けされた電極５１４を通過し、次いで、最後に第２の電極５１６を通ってアイボックスエキスパンダ５００から出る前に、第１の電源５３２によって印加された第１の電圧に基づいて第１の液晶層５０２によって目標位置の方向へ方向転換される。
【0043】
いくつかの実施形態では、電極配列５１０によって第１の液晶層５０２に印加される第１の電圧は、パターン付けされた電極５１４によって印加される複数の電圧を含む。複数の電圧を第１の液晶層５０２に印加することにより、第１の複数の液晶は配向を変化させ、これにより、第１の液晶層５０２を通過する光を変調し、光を出力光５５４の波面に変換する。言い換えれば、出力光５５４は、変調され、電気的に調節可能な収束特性およびビーム誘導特性を示す。
【0044】
図６は、パターン付けされた電極５１４のワードサイド図を示す。示されているように、パターン付けされた電極５１４は、中央に開口６０４を形成した複数の幾何学的セグメント６０２（明確にするために１つが示されている）を含み、複数の異なる幾何学的セグメント６０２の各々に個々に電圧を印加することができる。開口６０４のサイズは、例えば、直径が約５ｍｍ～２０ｍｍの範囲、例えば、約１０ｍｍである。この例において、パターン付けされた電極５１４は、円形の開口６０４を形成する４つの幾何学的セグメント６０２を含む。しかしながら、図４に示された４つの幾何学的セグメント６０２は例示的な構成であり、幾何学的セグメント６０２のためのその他の量（例えば、５つ以上）およびその他の形状が同様に考えられる。複数の幾何学的セグメント６０２を介して第１の液晶層に電圧（例えば、Ｖ１～Ｖ４）を印加することにより、パターン付けされた電極５１４は、第１の液晶層における複数の第１の液晶の配向を変化させ、出力光線を有効に誘導する。したがって、パターン付けされた電極５１４を含むアイボックスエキスパンダは、ユーザの検出された瞳に対応する位置などの目標位置へビームを誘導することによりアイボックスを拡張させることができる。
【0045】
図７は、いくつかの実施形態による一体化されたアイボックスエキスパンダを備える導波路７０２の第１の図７００および第２の図７５０を示す。第１の図７００は、ワールドサイド図に対応し、第２の図７５０は、ユーザの目７５２の部分図を備える斜視図に対応する。
【0046】
いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダは、３つの格子のセット、即ちインカプラ（ＩＣ）７１４、射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）７１２、およびアウトカプラ（ＯＣ）７１０とともに導波路７０２に完全に一体化されている。これらの３つの格子の配向および期間は、光子Ｋベクトルが合計でゼロになるように設計されている。図８に示されているように導波路全体を横断するアイボックスエキスパンダを適用することは、ＷＨＭＤのレンズを通過する現実世界からの入射（または周囲）光に均一性を提供し、これにより、より正確な現実世界の光景を提供し、全体的なユーザ体験を高める。
【0047】
図８は、いくつかの実施形態による現実世界の光景からのシースルー光に対する補償効果を実証するアイボックスエキスパンダ８００の概略的な平面図を示す。いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダ８００は、図３におけるアイボックスエキスパンダ３００、図５におけるアイボックスエキスパンダ５００および／または図７に関して説明された一体化されたアイボックスエキスパンダに対応する。明確さおよびこの説明のために、第１の液晶層８０２および補償層８０４が、下記の説明においてフィーチャされるが、いくつかの実施形態では、アイボックスエキスパンダは、図５において説明された電極配列などのその他の構成要素を含むことが認められる。
【0048】
いくつかの実施形態では、第１の液晶層８０２は、第１の複数の結晶８０２ａ（明確さのために１つが示されている）を含み、補償層８０４は、第２の複数の結晶８０４ａ（明確さのための１つが示されている）を含む。第１の液晶層８０２における複数の結晶８０２ａの配向は、電極配列（図示せず）を介した第１の電圧（Ｖ１）８２２の印加によって変化させられる。第１の液晶層８０２への第１の電圧（Ｖ１）８２２の印加に基づき、電極配列は、第２の電圧（Ｖ２）８２４を補償層８０４に加え、第２の複数の結晶８０４ａの配向を変化させる。このように、アイボックスエキスパンダは、アイボックスエキスパンダを通過する光に対するひずみ効果を改善しながら、ユーザの検出された瞳などの目標位置８３０へ光線を誘導することができる。
【0049】
例示するために、入力ビーム８１０は、アイボックスエキスパンダ８００によって受け取られる外部現実世界の光景からの光線を表す。入力ビーム８１０はまず、第２の複数の液晶８０４ａを含む補償層８０４を通過する。補償層８０４を通過するとき、入力光線８１０は、光線８１２に対応する方向へ誘導される。次いで、この光線は、第１の複数の液晶８０２ａを含むダイ１の液晶層８０２に衝突する。第１の液晶層８０２を通過するとき、光線８１２は、光線８１４に対応する方向へ方向転換される。第１の液晶層８０２から出るとき、光線は、出力光線８２０に対応する方向へ方向転換される。このように、補償層８０４は、出力光線８２０の角度および入力光線８１０の角度が、アイボックスエキスパンダ８００が補償層８０４を含まない場合と比較して、同じであるかまたは所定の差のマージン内にあることを保証する。この差のマージンは、例えば、現実世界の光景から生じるシースルー光に対するアイボックスエキスパンダ８００の効果がユーザにとって明らかでないような許容できる差のマージンである。例えば、入力光線８１０と出力光線８２０との間のこの許容できる差のマージンは、約０．３３ジオプターである。
【0050】
したがって、補償層８０４は、第１の液晶層８０２における第１の複数の結晶８０２ａの変化に基づき、第２の複数の液晶８０４ａの配向を変化させることによって第１の液晶層８０２がシースルー光に対して有するその後の効果を弱める。例えば、アイボックスエキスパンダは、第１の液晶層８０２に印加される第１の電圧（Ｖ１）８２２に基づき、補償層８０４に第２の電圧（Ｖ２）８２４を印加する。したがって、入力ビーム８１０および出力ビーム８２０は実質的に同じ角度（即ち、同じ方向におけるポイント）を有するため、現実世界のより正確な描写がユーザへ提供され、これにより、全体的なユーザ体験を改善する。
【0051】
図９は、アイボックスエキスパンダを収容するＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導するためのアイボックスエキスパンダのための方法を詳述するフローチャート９００を示す。９０２において、方法は、アイボックスエキスパンダの第１の液晶層に第１の電圧を印加し、第１の液晶層に関連した配向を変化させ、ＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導することを含む。例えば、第１の液晶層に関連した変化は、第１の液晶層における第１の複数の結晶の配向を変化させることを含む。１００４において、方法は、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、アイボックスエキスパンダの第２の液晶層に第２の電圧を印加し、アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換することを含む。
【0052】
例えば、ＷＨＭＤにおけるアイボックスエキスパンダは、ユーザの目の瞳孔が第１の位置から第２の位置へ移動したことを決定することに応答してステップ９０２を行う。アイボックスエキスパンダは、電極配列を介して第１の液晶層に電圧を印加し、第１の液晶層内の液晶の配向を変化させ、光を第１の位置から第２の位置へ誘導する。したがって、ＷＨＭＤは、ユーザの目の動きおよび／または回転に基づき調整された画像を表示する。加えて、アイボックスエキスパンダは、ステップ９０２における第１の複数の結晶の配向の変化に基づき、ステップ９０４を行い、アイボックスエキスパンダを通過する光（例えば、ＷＨＭＤの外の現実世界の光景から生じる光）を方向転換する。
【0053】
図１０は、第１の液晶層および／または補償層にそれぞれ印加するための第１の電圧および／または第２の電圧を決定するためのアイボックスエキスパンダのための方法を詳述するフローチャート１０００を示す。１００２において、方法は、目標位置を特定することを含む。目標位置は、例えば、アイボックスエキスパンダが光線をそこへ向けて動的に誘導する検出された瞳孔位置に対応する。いくつかの実施形態では、目標位置は、ＷＨＭＤにおけるアイトラッキングハードウェアおよび／またはソフトウェアを利用して検出される。いくつかの実施形態では、目標位置は、アイボックスエキスパンダとは別個の構成要素（例えば、アイトラッキングフィーチャがＷＨＭＤの別個の処理構成要素の一部である場合）によって検出され、次いで、アイボックスエキスパンダへ通信される。１００４において、方法は、特定された目標位置に対応する目標位置座標を調べる。例えば、目標位置座標の複数のエントリを記憶したＬＵＴテーブルが利用され、特定された目標位置に最も近い目標位置座標を有するエントリが使用される。いくつかの実施形態では、特定された目標位置のためのデータを線形に補間するために、２つの目標位置座標が使用される。１００６において、方法は、第１の電圧および／または第２の電圧を回収することを含む。例えば、第１の電圧および／または第２の電圧は、１００４からのそれぞれの目標位置座標に対応するエントリにおいてＬＵＴから回収される。第１の電圧は、第１の液晶層に印加される電圧であり、第２の電圧は、第１の液晶層に印加される第１の電圧に基づいて補償層に印加される電圧である。１００８において、方法は、図５における電極配列５１０などの電極配列を介して第１の液晶層および／または補償層に第１の電圧または第２の電圧の一方または両方を印加することを含む。いくつかの実施形態では、第１の電圧および／または第２の電圧がゼロである場合、これは、第１の液晶層および／または補償層に印加されるあらゆる電圧を除去することを含む。
【0054】
いくつかの実施形態では、上記で説明された技術のある態様は、ソフトウェアを実行する処理システムの１つまたは複数のプロセッサによって実施されてよい。ソフトウェアは、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶またはさもなければ有形的に具体化された実行可能な命令の１つまたは複数のセットを含む。ソフトウェアは、１つまたは複数のプロセッサによって実行されると、上記で説明された技術の１つまたは複数の態様を実行するように１つまたは複数のプロセッサを操作する、命令およびデータを含むことができる。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、磁気または光学ディスク記憶装置、ソリッドステート記憶装置、例えば、フラッシュメモリ、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または１つもしくは複数のその他の不揮発性メモリ装置などを含むことができる。非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された実行可能な命令は、ソースコード、アセンブリ言語コード、オブジェクトコード、または１つもしくは複数のプロセッサによって解釈されるもしくはさもなければ実行可能なその他の命令フォーマットであってよい。
【0055】
コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータシステムに命令および／またはデータを提供するために使用中にコンピュータシステムによってアクセス可能な、あらゆる記憶媒体、または記憶媒体の組合せを含んでよい。このような記憶媒体は、光媒体（例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク）、磁気媒体（例えば、フロッピーディスク、磁気テープ、または磁気ハードドライブ）、揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはキャッシュ）、不揮発性メモリ（読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）またはフラッシュメモリ）、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）方式記憶媒体を含むことができるが、これらに限定されない。コンピュータ可読記憶媒体は、コンピューティングシステム（例えば、システムＲＡＭまたはＲＯＭ）に埋め込まれるか、コンピューティングシステム（例えば、磁気ハードドライブ）に固定して取り付けられるか、コンピューティングシステム（例えば、光ディスクまたはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）式フラッシュメモリ）に取外し可能に取り付けられるか、有線または無線ネットワーク（例えば、ネットワークアクセシブルストレージ（ＮＡＳ））を介してコンピュータシステムに結合されてよい。
【0056】
概要において上記で説明された動作または要素の全てが必要とされるわけではなく、特定の動作または装置の一部は必要とされない場合があり、説明されたものに加えて、１つまたは複数のさらなる動作が行われても、または要素が含まれてもよいことに留意されたい。さらに、動作が列挙された順序は、必ずしもそれらが実行される順序ではない。また、概念は、特定の実施形態を参照して説明されている。しかしながら、当業者は、添付の特許請求の範囲に示される本開示の範囲から逸脱することなく様々な修正および変更をなすことができることを認める。したがって、明細書および図面は、制限的な意味ではなく例示的な意味で見なされるべきであり、全てのこのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【0057】
利益、その他の利点、および問題に対する解決手段は、特定の実施形態に関して上記で説明されている。しかしながら、利益、利点、問題に対する解決手段、あらゆる利益、および利点または解決手段を生じさせ得るまたはより顕著なものにし得るあらゆる特徴は、あらゆるまたは全ての請求項の決定的な、必要な、または必須の特徴として解釈されるべきではない。さらに、上記に開示された特定の実施形態は、例示的でしかない。なぜならば、開示された主題は、本明細書における教示の利益を有する当業者に明らかな、異なるが同等の形式で、修正および実施され得るからである。添付の特許請求の範囲に記載されているもの以外は、本明細書に示された構造または設計の詳細に対する限定は意図されていない。したがって、上記で開示された特定の実施形態は変更または修正されてよく、全てのこのような変化態様は、開示された主題の範囲内であると考えられることが明白である。したがって、本明細書において求められる保護は、添付の特許請求の範囲に示されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【手続補正書】
【提出日】2024-07-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのアイボックスエキスパンダであって、第１の液晶層と、
前記第１の液晶層に関連した配向を変化させるために前記第１の液晶層に第１の電圧を印加するための電極配列と、
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を備える、アイボックスエキスパンダ。
【請求項2】
前記電極配列は、パターン付けされた電極を含む、請求項１に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項3】
前記電極配列は、第１の電極と第２の電極とを含み、
前記パターン付けされた電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている、請求項２に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項4】
前記第１の液晶層は、前記パターン付けされた電極と前記第２の電極との間に配置されている、請求項３に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項5】
前記第２の電極は、前記第１の液晶層から光を受け取り、前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記ＷＨＭＤに関連したアイボックスに向かって光を送信する、請求項３に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項6】
前記パターン付けされた電極は、開口を形成するように配置された複数の電極セクションを含む、請求項２に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項7】
前記電極配列は、前記パターン付けされた電極の前記複数の電極セクションを横断して前記第１の電圧を複数の電圧として印加する、請求項６に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項8】
前記電極配列は、前記第２の電極と前記パターン付けされた電極との間に前記第１の電圧を印加するように構成されている、請求項３に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項9】
前記補償層は、前記第１の電極と前記パターン付けされた電極との間に配置されている、請求項３に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項10】
前記補償層は、第２の液晶層である、請求項１に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項11】
前記電極配列は、前記第１の液晶層に印加された前記第１の電圧に基づき、前記第２の液晶層に第２の電圧を印加するように構成されている、請求項１０に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項12】
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化は、前記ＷＨＭＤのアイボックスに関連した条件に基づく、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項13】
前記アイボックスに関連した前記条件は、前記ＷＨＭＤのユーザの瞳孔間距離のばらつき、前記ＷＨＭＤと前記ユーザとの間のアイレリーフのばらつき、または前記ユーザの目の動きのうちの少なくとも１つに基づく、請求項１２に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項14】
前記ＷＨＭＤの外から前記アイボックスエキスパンダに入力される光と、前記アイボックスエキスパンダからユーザの方向に出力される光とは、所定の差のマージン内の同じ角度を有する、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載のアイボックスエキスパンダ。
【請求項15】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のためのレンズであって、第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間のアイボックスエキスパンダと、を備え、
前記アイボックスエキスパンダは、
第１の液晶層と、
前記第１の液晶層に関連した配向を変化させるために前記第１の液晶層に電圧を印加するための電極配列と、
前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換するための補償層と、を含む、レンズ。
【請求項16】
インカプラと、射出瞳エキスパンダと、アウトカプラとを含む導波路をさらに備え、前記導波路は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置されている、請求項１５に記載のレンズ。
【請求項17】
前記アイボックスエキスパンダは、前記インカプラ、前記射出瞳エキスパンダおよび前記アウトカプラの各々に一体化されているかまたは各々の上に部分的に配置されている、請求項１６に記載のレンズ。
【請求項18】
ウェアラブル頭部装着型ディスプレイ（ＷＨＭＤ）のアイボックスにおいて光線を誘導する方法であって、前記方法は、第１の液晶層に第１の電圧を印加し、前記第１の液晶層に関連した配向を変化させ、前記ＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導することと、
第２の液晶層に第２の電圧を印加し、前記第１の液晶層に関連した前記配向の前記変化に基づき、前記ＷＨＭＤのレンズを通過する光を方向転換することと、を含む、方法。
【請求項19】
第１の電極、パターン付けされた電極および第２の電極を含む電極配列を介して前記第１の液晶層に前記第１の電圧を一連のセグメント化された電圧で印加することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の液晶層は、前記パターン付けされた電極と前記第２の電極との間に配置されており、前記第２の液晶層は、前記第１の電極と前記パターン付けされた電極との間に配置されており、前記第１の液晶層は、前記第２の液晶層よりも前記ＷＨＭＤのユーザの方向により近く配置されている、請求項１９に記載の方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0039】
いくつかの実施形態では、第２の電圧は、制御装置５６０によって印加される第１の電圧に依存する。例えば、第１の電圧は、アイボックスエキスパンダ５００に対応するアイボックスに関連した条件に基づく。この条件は、例えば、ユーザの目２１６の瞳孔の検出された位置である。制御装置５６０は、いくつかの実施形態では、処理回路を含み、この処理回路は、異なる位置のためのエントリを有するルックアップテーブル（ＬＵＴ）および異なる位置の各々に対応する第１の電圧を記憶したメモリを含むまたはメモリに通信可能に結合されている。例えば、異なる位置は、ユーザの目２１６の検出された瞳孔の位置に対応する（ｘ，ｙ）座標を含む。したがって、ＬＵＴは、アイボックスエキスパンダ５００に関連したアイボックス内の瞳孔の位置の異なる可能性のためのエントリを記憶している。ＬＵＴにおける各々の位置エントリは、光線をそれぞれの位置へ向けるために第１の液晶層５０２における第１の複数の液晶の配向を変化させるための対応する第１の電圧を含む。いくつかの実施形態では、ＬＵＴは、第１の電圧に依存する第２の電圧のための情報も含む。例えば、第１の電圧がゼロである場合、第２の電圧もゼロであってよい。第１の電圧が第１の電圧値である場合、第２の電圧は、第１の電圧値とは異なる第２の電圧値であってよい。いくつかの実施形態では、第２の電圧は、アイボックスエキスパンダ５００（図９においてさらに詳細に説明される）を通過する光に対する第１の液晶層５０２の効果を弱めるように補償層５０４の構造を変化させるための第１の電圧に基づく所定の量である。例示的なＬＵＴが以下に表１に示されている。いくつかの実施形態では、エントリの数は、アイボックスエキスパンダ５００に対応するアイボックスにおける広範囲な可能な目標位置をカバーする完全なカバー範囲をアイボックスエキスパンダ５００に提供するように拡張可能である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0051】
図９は、アイボックスエキスパンダを収容するＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導するためのアイボックスエキスパンダのための方法を詳述するフローチャート９００を示す。９０２において、方法は、アイボックスエキスパンダの第１の液晶層に第１の電圧を印加し、第１の液晶層に関連した配向を変化させ、ＷＨＭＤのアイボックスにおいて光線を誘導することを含む。例えば、第１の液晶層に関連した変化は、第１の液晶層における第１の複数の結晶の配向を変化させることを含む。９０４において、方法は、第１の液晶層に関連した配向の変化に基づき、アイボックスエキスパンダの第２の液晶層に第２の電圧を印加し、アイボックスエキスパンダを通過する光を方向転換することを含む。
【国際調査報告】