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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】2024-10-04
(54)【発明の名称】画像複製コンバイナを使用したアイボックスの対象設定
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240927BHJP
G02B 27/01 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B27/01
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024520935
(86)(22)【出願日】2022-10-06
(85)【翻訳文提出日】2024-06-03
(86)【国際出願番号】 EP2022077768
(87)【国際公開番号】W WO2023057543
(87)【国際公開日】2023-04-13
(31)【優先権主張番号】2114297.1
(32)【優先日】2021-10-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】2207876.0
(32)【優先日】2022-05-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521309824
【氏名又は名称】ヴィヴィッドキュー リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＶｉｖｉｄＱ Ｌｉｍｉｔｅｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100107456
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 成人
(74)【代理人】
【識別番号】100162352
【弁理士】
【氏名又は名称】酒巻 順一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100123995
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 雅一
(72)【発明者】
【氏名】ニューマン， アルフレッド ジェームズ
(72)【発明者】
【氏名】サリバン， ダリアス マーティン
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199CA45
2H199CA49
2H199CA53
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA96
2H199DA13
2H199DA18
2H199DA25
2H199DA26
(57)【要約】
画像複製コンバイナを使用して対象の光照射野を表示する方法が説明される。方法は、視聴位置に表示される対象の光照射野を決定することと、視聴位置と画像複製コンバイナの入力面に近い入力位置との間で、画像複製コンバイナを通る光の伝搬を記述する伝達関数を決定することと、決定された伝達関数を対象の光照射野に適用することによって入力光照射野を決定することと、入力位置に入力光照射野を表示することとを含む。対象の光照射野を表示するための表示システムも説明される。
【選択図】図８
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
画像複製コンバイナを使用して対象の光照射野を表示する方法であって、視聴位置に表示される対象の光照射野を決定することと、
前記視聴位置と前記画像複製コンバイナの入力面に近い入力位置との間で、前記画像複製コンバイナを通る光の伝搬を記述する伝達関数を決定することと、
前記決定された伝達関数を前記対象の光照射野に適用することによって入力光照射野を決定することと、
前記入力位置に前記入力光照射野を表示することと
を含む、方法。
【請求項2】
前記画像複製コンバイナの前記入力面に入射する光線の複数のコピーが、前記対象の光照射野に存在すると判断することと、前記入力光照射野から前記光線を除外することと
を含む、いずれかの請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記画像複製コンバイナの前記入力面に入射する光線の複数のコピーが、前記対象の光照射野に存在すると判断することと、前記光線の少なくとも２つのコピーが実質的に同等であると判断し、前記光線の前記少なくとも２つのコピーを前記入力光照射野に保持することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記対象の光照射野から前記画像複製コンバイナの入射瞳に逆伝搬された光線が、前記入力光照射野に存在しないと判断することと、前記対象の光照射野から前記光線を除外することと
を含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項5】
前記除外された光線を補償するために別の光線のパワーを増加させることを含む、請求項２または４に記載の方法。
【請求項6】
前記対象の光照射野が、前記視聴位置における視聴者の瞳孔と少なくとも同程度に大きい、いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項7】
前記対象の光照射野の面積が視聴者の瞳孔の面積に満たず、前記方法が、ゼロ振幅の要素を用いて前記対象の光照射野を拡大して、その結果、前記拡大した対象の光照射野が、少なくとも前記瞳孔の前記サイズの面積を有すること
を含む、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記対象の光照射野を決定することが、離散フーリエ変換を使用して前記対象の光照射野を平面波のセットに分解することと、
ゼロ振幅の要素を含むパディングを前記対象の光照射野の境界に適用することと
を含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項9】
視聴者の瞳孔のポジションを決定することを含み、
前記視聴位置が、前記視聴者の瞳孔の前記決定されたポジションである、
いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項10】
前記対象の光照射野が、それぞれが、各々の視聴位置を有する複数の別々の光照射野を含み、前記方法が、対象の光照射野を決定し、前記複数の別々の光照射野のそれぞれの入力光照射野を決定することと、
表示のために前記複数の別々の光照射野のそれぞれの前記入力光照射野を結合することと
を含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項11】
前記対象の光照射野及び前記入力光照射野が、ホログラフィックフィールドまたは４次元光照射野である、いずれかの先行請求項に記載の方法。
【請求項12】
前記対象の光照射野がホログラフィック光照射野であり、前記視聴位置が実質的に一定であり、
前記入力光照射野を決定することが、前記視聴位置と前記入力位置との間の前記伝搬に基づいた所定の定数を使用する、
請求項１～１０のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
前記入力位置が、前記画像複製コンバイナの前記入力面に平行ではない表面である、請求項１～１２のいずれかに記載の方法。
【請求項14】
前記伝達関数を決定することが、前記入力光照射野の少なくとも２つの異なる複製から受け取られた光線が、前記対象の光照射野を形成するものであると判断することを含む、請求項１～１３のいずれかに記載の方法。
【請求項15】
前記少なくとも２つの異なる複製から受け取られた光線が、仮想オブジェクト上の単一の点で一致する、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
表示システムであって、画像複製コンバイナと、
前記画像複製コンバイナに入力を提供するように配置された画像生成ユニットと、
請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法を実行し、前記画像生成ユニットに前記入力光照射野を表示させるように構成された処理システムと
を備える、前記表示システム。
【請求項17】
前記視聴ポジションを示すデータを前記処理システムに提供するように配置された視線追跡システムを備える、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項18】
前記画像複製コンバイナが、すべての複製が、同じ入力電力に対して実質的に同じ出力電力を有するように構成される、請求項１６または１７に記載の表示システム。
【請求項19】
前記画像複製コンバイナへの前記入力が、前記画像複製コンバイナの前記入力面に平行ではない、請求項１６～１８のいずれかに記載の表示システム。
【請求項20】
前記画像複製コンバイナが、前記入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され、隣接する複製画像間のギャップが、視聴者の瞳孔の直径よりも大きくない、請求項１６～１９のいずれかに記載の表示システム。
【請求項21】
前記画像複製コンバイナが、前記入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され、前記複数の複製画像の結合位相体積が、対象の位相体積の大部分をカバーする、請求項１６～２０のいずれかに記載の表示システム。
【請求項22】
前記複製画像の前記位相体積が、前記対象の位相体積のごく一部分で重複する、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記画像複製コンバイナの複製ピッチが、前記入力瞳孔の幅にほぼ等しい、請求項１６～２２のいずれかに記載の表示システム。
【請求項24】
前記画像複製コンバイナの複製ピッチが、前記視聴者の瞳孔の直径の半分よりも大きい、請求項１６～２３のいずれかに記載の表示システム。
【請求項25】
請求項１６～２４のいずれかに記載の表示システムを備える、ヘッドマウントディスプレイまたはヘッドアップディスプレイ。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、画像複製コンバイナによって対象の光照射野を生成及び表示するための方法及びシステムに関する。例は、コンピュータ生成ホログラフィ（ＣＧＨ）に適用される。
【背景技術】
【0002】
連続した深度範囲を有する画像を示すことが可能な表示システムは、集合的に光照射野ディスプレイとして知られている。そのようなディスプレイは、ＣＧＨ技術またはいわゆる４Ｄ光照射野技術のいずれかを広範に用い得る。両方の技術とも、通常、やや小さいアイボックスを備えたディスプレイを生じさせる。本明細書で使用する場合、「アイボックス」は、画像を見ることができる瞳孔の位置、つまり画像ソースから画像を見るために、視聴者の瞳孔を位置決めできる体積を定義する。画像を見るためには、視聴者の瞳孔は、瞳孔自体よりもそれほど大きくない場合があるアイボックス範囲内に位置していなければならない。これは、アイボックスを視聴者の瞳孔と位置合わせするという課題を提示している。
【0003】
いくつかの表示システムは、例えば、ヘッドマウントディスプレイ上で瞳孔間距離（ＩＰＤ）を調整すること、または視聴者がヘッドアップディスプレイを見ることができるように、ヘッドアップディスプレイの位置を機械的に調整することなど、アイボックスを物理的に移動させ、アイボックスを視聴者の瞳孔と位置合わせするための機械的な調整を含む。他のディスプレイは、特定のユーザー向けの特注品であり、Ｎｏｒｔｈ（登録商標）によって市販されているＦｏｃａｌｓ１．０は、カスタムフィッティング手順に従って、表示システムのアイボックスを視聴者の瞳孔に位置合わせするように設計されている。そのようなハードウェア方法は通常、拡張性がないか、またはアイボックスを瞳孔と正確に位置合わせするために、視聴者の側での多大な労力を必要とする。複数のユーザーが表示システムを使用することはまた、時間がかかる再調整を必要とするか、または単に不可能である。
【0004】
別の方式は、導波路コンバイナとしても知られる画像複製コンバイナを使用してアイボックスを拡大することである。これは、複数の空間的に分離された画像の複製を生成することによって、画像ソースによって提供されるアイボックスを拡大する。これにより、視聴者の瞳孔はより大きい領域に配置されても、依然として完全な画像を見ることができる。しかしながら、画像複製コンバイナは、焦点の拡散などの問題により画質の低下を被る。
【0005】
ディスプレイのアイボックスを視聴者の瞳孔と位置合わせする改善された方法を提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【0006】
本発明の第１の態様によれば、視聴位置に表示される対象の光照射野を決定することと、視聴位置と画像複製コンバイナの入力面に近い入力位置との間で、画像複製コンバイナを通る光の伝搬を記述する伝達関数を決定することと、決定された伝達関数を対象の光照射野に適用することによって入力光照射野を決定することと、入力位置に入力光照射野を表示することとを含む、画像複製コンバイナを使用して対象の光照射野を表示する方法が提供される。
【0007】
伝達関数は、任意の適切な方法で決定することができる。いくつかの例では、伝達関数は、画像複製コンバイナの特性、視聴位置、及び入力位置の知識に基づいた解析法及び／または数値法を使用して計算またはそれ以外の場合、決定され得る。他の例では、伝達関数は、入力位置、視聴位置、及び画像複製コンバイナの特性の所与の組み合わせについて、以前に決定された伝達関数を検索または使用することによって決定することができる。
【0008】
従来の画像複製コンバイナとは異なり、入力光照射野は、視聴ポジションの知識なしに複数の複製を生成するよりむしろ、視聴ポジションの知識をもって単一の対象の光照射野が生成されるように決定される。画像複製コンバイナの特性は、対象の光照射野が、画像複製コンバイナを通って異なる経路をたどった入力光照射野の要素から構成されることが可能にする。これにより、入力光照射野を変更することで対象の光照射野の位置を適所に調整することができる。他の複製は依然として、画像複製導波路によって形成されるが、見られないため、これらの他の複製が対象の光照射野を正確に反映しているかどうかは問題にならない。
【0009】
方法は、ハードウェアの調整またはカスタムフィッティングを必要とせずに、対象の光照射野を適所に調整することを可能にする（ただし、これらは、例えば、アイボックスを位置合わせするのではなく快適なフィット感を提供するために、または微調整を提供する方法による広範な調整を提供するために、依然として表示システムの一部として存在する場合がある）。
【0010】
光学システムを通る光の伝搬は、伝達関数によって決定され得る。伝達関数は、光学システムを通るコヒーレントな波面の伝搬を定義する光学伝達関数であってよい。代わりに、伝達関数は、それぞれ光学システムに入り、光学システムを出る入力４ｄ光照射野と出力４ｄ光照射野の光線間のマッピングの形を有し得る。
【0011】
光学システムを通して光照射野を伝搬した結果は、光学システムの伝達関数を光照射野に適用することによって計算され得る。したがって、用語「伝搬する」は、伝達関数を決定し、伝達関数を適用することと同義に使用される場合がある。
【0012】
伝搬は、「順方向伝搬」と呼ばれることもある入力位置と視聴位置との間である場合もあれば、視聴位置に向かう方向である場合もある。伝搬はまた、「逆伝搬（ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）」または「逆伝搬（ｂａｃｋ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）」と呼ばれることもある視聴位置と入力位置との間である場合もあれば、視聴位置から遠ざかる方向である場合もある。これは、光線の伝搬の方向が可逆であるためである。伝搬は、フーリエ変換技術またはレイトレーシング技術によってなど、任意の適切な方法で実施することができる。
【0013】
方法は、画像複製コンバイナの入力面に入射する光線の複数のコピーが、対象の光照射野に存在すると判断することと、入力光照射野から光線を除外することとを含み得る。追加のコピーは、ノイズまたは画像アーチファクトとして視聴者によって知覚されるため、これにより画質を向上させることができる。
【0014】
複数のコピーを有するすべての光線を除外してよいわけではない。例えば、方法は、画像複製コンバイナの入力面に入射する光線の複数のコピーが、対象の光照射野に存在すると判断することと、光線の少なくとも２つのコピーが実質的に同等であると判断し、光線の少なくとも２つのコピーを入力光照射野に保持することとを含み得る。光線が実質的に同等である場合、画質に悪影響を与えずに、光線を保持することができる。実質的に同等な光線の例は、異なる経路によって移動したものの、実質的には同じ経路長を有する光線を含む。
【0015】
いくつかの例では、対象の光照射野に複数のコピーが存在する光線は、選択的に保持または除外され得る。例えば、実質的に同等であると判断される光線のコピーは保持され得、他は除外され得る。
【0016】
方法は、対象の光照射野から画像複製コンバイナの入射瞳に逆伝搬された光線が、入力光照射野に存在しないと判断することと、対象の光照射野から光線を除外することとを含み得る。また、これにより、画質を向上させることができる。
【0017】
光線が対象の光照射野または入力光照射野から除外されると、方法は、除外された光線を補償するために別の光線のパワーを増加させることを含み得る。これにより、単に光線を除外することと比較して、知覚される画質を向上させることができる。例えば、これは、より正確な明るさを維持するために役立つ可能性がある。
【0018】
対象の光照射野は、視聴位置における視聴者の瞳孔と少なくとも同程度に大きい場合がある。その場合、他の複製から迷光を受け取る可能性は減少し、画質を向上させる。
【0019】
対象の光照射野の面積が視聴者の瞳孔の面積に満たない場合、方法は次に、ゼロ振幅の要素を用いて対象の光照射野を拡大して、その結果、拡大した対象の光照射野が、少なくとも瞳孔のサイズの面積を有することを含み得る。ゼロ振幅の要素は、不確定な光線が視聴者の瞳孔に到達することを低減させるように作用し、画質を向上させる。
【0020】
対象の光照射野を決定することは、離散フーリエ変換を使用して対象の光照射野を平面波のセットに分解することと、ゼロ振幅の要素を含むパディングを対象の光照射野の境界に適用することとを含み得る。対象の光照射野の境界をパディングすると、伝搬中のタイル表示されたコピーからの潜在的にスプリアスなスピルオーバーが減少する。
【0021】
方法は、視聴者の瞳孔のポジションを決定することを含み得、視聴位置は、視聴者の瞳孔の決定されたポジションである。ポジションを決定することは、例えば、視線追跡システムを使用することによってなど、視聴中に動的に起こる場合もあれば、初期較正プロセスの一部である場合もあれば、視聴者の要求に応じて実行される場合もある。
【0022】
対象の光照射野は、それぞれが、各々の視聴位置を有する複数の別々の光照射野を含み得、方法は、対象の光照射野を決定し、複数の別々の光照射野のそれぞれの入力光照射野を決定することと、表示のために複数の別々の光照射野のそれぞれの入力光照射野を結合することとを含み得る。例えば、視聴者の瞳孔のそれぞれに配置された別々の光照射野がある場合があり、次にこれにより単一のディスプレイからの両眼の視聴が可能になる。入力光照射野を結合することは、加算によってなど、任意の適切な方法で行うことができる。
【0023】
入力位置は、画像複製コンバイナの入力面に平行ではない表面である場合がある。これは、射出瞳画像間のギャップを最小限に抑えることによって、目で見たときの画像の均一性を改善し得る。さらに、これは、隣接する射出瞳画像間の光路長を最小限に抑えることによって、目で見たときの画像の解像度を改善し得、その結果、画像生成ユニットの照明源が低いコヒーレンス長を有するとしても、射出瞳画像全体にわたってコヒーレンスが維持され得る。入力位置の表面は、所望の対象の光照射野に応じて平面的である場合もあれば、曲線状である場合もある。入力位置にある表面を画像複製コンバイナの入力面と非平行にできるいくつかの方法がある。これは、入力面に対して入力位置を傾斜させること、高さを調節すること（ｐｉｔｃｈｉｎｇ）、及び／または歪ませること、ならびに入力面の平面内の軸に平行な軸の周りで入力位置の表面を回転させることの１つ以上を含む。
【0024】
入力位置が、入力面に平行ではない表面であるとき、方法は、入力光照射野に対して予歪を加えること、または伝達関数の一部として、非平行関係により導入される歪みを補償することを含み得る。例えば、予歪は、中心の出力複製が、視聴位置で見られるときに実質的に歪みなしで表示されるほどであってよい。
【0025】
上述の方法では、入力光照射野は、ホログラフィックフィールドまたは４次元光照射野であってよい。
【0026】
入力光照射野がホログラフィック光照射野であり、視聴ポジションが実質的に一定であるとき、入力光照射野を決定することは、視聴ポジションと入力位置との間の伝搬に基づいた所定の一定の伝達関数を使用し得る。視聴ポジションが一定の場合、対象の光照射野から入力光照射野への変換の一部は一定であり、計算負荷及び処理リソースを低減させることが判明している。
【0027】
伝達関数を決定することは、入力光照射野の少なくとも２つの異なる複製から受け取られる光線が、対象の光照射野を形成するものであると判断することを含み得る。例えば、対象の光照射野のある部分は、１つの複製からの光線から形成され得、対象の光照射野の別の部分は、別の複製からの光線から形成され得る。これにより、対象の光照射野は、２つ以上の複製に広がる領域を有することが可能になり、その結果、対象の光照射野は任意のポジションにあり得る。いくつかの例では、少なくとも２つの異なる複製からの光線は、仮想オブジェクト上の単一の点で一致する。いくつかの例では、少なくとも２つの異なる複製からの光線は、単一の仮想オブジェクト点で一致する。
【0028】
第２の態様によれば、画像複製コンバイナと、画像複製コンバイナに入力を提供するように配置された画像生成ユニットと、上述の第１の態様による方法を、同様に説明されたあらゆる任意選択の特徴を用いてまたは用いずに実行し、画像生成ユニットに入力光照射野を表示させるように構成された処理システムとを含む、表示システムが提供される。
【0029】
第３の態様によれば、入力面及び出力面を有する画像複製コンバイナと、入力面の近くに入力光照射野を提供するための表示ユニットと、処理システムとを含む、表示システムが提供される。処理システムは、視聴のための所望の光照射野を決定することと、視聴ポジションにある所望の光照射野と、入力面に近い入力ポジションとの間で画像複製コンバイナを通して伝搬することによって入力光照射野を決定することと、表示ユニットに入力光照射野を表示させることとを行うように配置される。第１の態様の方法の特徴のいずれも、この第３の態様に適用することができる。
【0030】
第２の態様または第３の態様のいずれかは、視聴ポジションを示すデータを処理システムに提供するように配置された視線追跡システムを含み得る。
【0031】
第２の態様または第３の態様のいずれかでは、画像複製コンバイナは、すべての複製が同じ入力電力に対して実質的に同じ出力電力を有するように調整される。これは、光線が画像複製コンバイナを通って対象の光照射野までたどった経路に関わりなく、光線の知覚された明るさが実質的に同じであり、画質を向上させることを意味する。別の言い方をすると、光線が画像複製コンバイナ内でどれほど多く跳ね返るのかに関わりなく、出力電力は実質的に同じである。
【0032】
第２の態様または第３の態様のいずれかでは、入力位置は、画像複製コンバイナの入力面に平行ではない表面であってよい。これにより、目で見たときの画像の均一性及び解像度は改善し得る。第２の態様または第３の態様のいずれかでは、表示システムは、画像生成ユニットと、画像複製コンバイナの入力面との間の光路に配置された光学システムを含み得る。光学システムは、画像生成ユニットから入力を受け取り、入力光照射野が入力面に平行にならないように、入力光照射野を入力面に提供するように配置され得る。光学システムは、回折格子及びプリズムの１つ以上を含み得る。
【0033】
いくつかの例では、画像複製コンバイナは、入力結合回折格子と、リダイレクション回折格子と、出力結合回折格子とを含む可能性がある。リダイレクション回折格子及び出力結合回折格子の結合効率は、入力結合回折格子によって結合される所与の光線の場合、出力結合回折格子で抽出される各光線が、実質的に等しい強度になるように構成される。
【0034】
画像複製コンバイナは、入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され得、隣接する複製画像間のギャップは、視聴者の瞳孔の直径よりも大きくない。「ギャップ」は、光線が実質的に存在しない複製間の空間を指す。例えば、光線が実質的に存在しない領域が複製間にあるように、複製は互いから離間され得る。これらのギャップを有することによって、（入力された光はすべての複製にわたって保存されるので）より大きい範囲が可能になり得、ギャップが視聴者の瞳孔のサイズよりも大きくないことを確実にすることによって、視聴者の瞳孔のすべてのポジションについて、光線が可視であることを確実にする。いくつかの例では、視聴者の瞳孔の直径は４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、５．５ｍｍ、または６ｍｍであると想定され、したがって、直接的に隣接する複製間の空間は４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、５．５ｍｍ、または６ｍｍ以下であってよい。
【0035】
画像複製コンバイナは、入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され得、複数の複製画像の結合位相体積は、対象の位相体積の大部分をカバーする。いくつかの例では、複製画像の位相体積は、対象の位相体積のごく一部分で重複する。
【0036】
画像複製コンバイナの複製ピッチは、視聴者の瞳孔の直径の半分よりも大きい場合がある。上述のように、視聴者の瞳孔の直径は、４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、５．５ｍｍ、または６ｍｍであると想定され得るため、複製ピッチは、２ｍｍ、２．２５ｍｍ、２．５ｍｍ、２．７５ｍｍ、または３ｍｍより大きい場合がある。代わりにまたはさらに、画像複製コンバイナの複製ピッチは、入力瞳孔の幅にほぼ等しい場合がある。
【0037】
表示システムは、画像が視聴者の瞳孔と位置合わせされる必要がある任意のディスプレイの一部を形成し得る。例は、拡張現実ヘッドセットまたは仮想現実ヘッドセットなどのヘッドマウントディスプレイ、または自動車用ヘッドアップディスプレイなどのヘッドアップディスプレイを含む。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】２ｄ光照射野の位相体積の概略表示である。
【図2A】２ｄ光照射野の位相体積のさらなる概略表示である。
【図2B】２ｄ光照射野のなおさらなる位相体積の概略表示である。
【図3】従来の画像複製コンバイナの動作の概略図である。
【図4】従来の画像複製コンバイナの動作の代替の概略図である。
【図5】表示のための例示的なシーンを示す。
【図6】画像複製コンバイナを含む従来の表示システムを通して表示される例示的なシーンを示す。
【図7A】本開示による例示的な画像複製コンバイナによって生成される第１の複製の概略図である。
【図7B】本開示による例示的な画像複製コンバイナによって生成される第２の複製の概略図である。
【図7C】本開示による例示的な画像複製コンバイナによって生成される第３の複製の概略図である。
【図8】本開示による例示的な画像複製コンバイナによって生成される画像の概略図である
【図9】本開示による例示的な画像複製コンバイナの別の例によって生成されるホログラフィック画像の概略図である。
【図10A】一実施形態による入力光照射野を計算する方法を示す。
【図10B】一実施形態による入力光照射野を計算する別の方法を示す。
【図11】入力光照射野を対象の光照射野に変換する例示的な画像複製コンバイナの概略図を示す。
【図12】画像複製コンバイナを通る光線の伝搬の概略図である。
【図14A】画像複製コンバイナによって生成された複製の幾何学形状を示す例示的な表示システムの概略図を示す。
【図14B】画像複製コンバイナによって生成された複製の幾何学形状を示す例示的な表示システムのさらなる概略図を示す。
【図14C】画像複製コンバイナによって生成された複製の幾何学形状を示す例示的な表示システムのなおさらなる概略図を示す。
【図14D】画像複製コンバイナによって生成された複製の幾何学形状を示す例示的な表示システムのなおさらなる概略図を示す。
【図15】入力光線及び出力光線の同じ対形成が、コンバイナを通る複数の経路を介して達成され得るという特性を備えた、画像複製コンバイナ内の光線が横断可能な例示的な経路の表示を示す。
【図16】例示的な画像複製コンバイナによって生成される２つの対象の光照射野の概略図である。
【図17】入力光照射野を２つの対象の光照射野に変換する例示的な画像複製コンバイナを示す。
【図19】一実施形態による表示システムの概略図である。
【図20】画像生成ユニットが、画像複製コンバイナに対して傾斜している撮像システムの例示的な概略図を示す。
【図21】本明細書に記載の技術を使用せずに表示された例示的な画像を示す。
【図22】本明細書に記載の技術を使用して表示された例示的な画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0039】
画像複製コンバイナは、視聴者のために画像の可視領域のサイズを拡大する。画像複製コンバイナは、入力画像に対応する光線を受け取るために、入力カプラまたは入射瞳としても知られる入力面を含む。入射瞳という概念は、画像複製コンバイナの入力における制限開口に相当する。入力面は、外部から伝搬する光波を画像複製コンバイナの内部に結合する結合機構である。結合機構は、例えば、ミラーのアレイ、プリズムのアレイ、回折光子、またはホログラムであってよい。さらなる可能性のある結合機構は、埋め込みミラー、マイクロプリズム、表面レリーフ傾斜格子、表面レリーフブレーズド回折格子、表面レリーフバイナリ格子、マルチレベル表面レリーフ格子、薄い体積ホログラム、薄いフォトポリマーホログラム、分散型ホログラフィックポリマー液晶（Ｈ－ＰＤＬＣ）体積ホログラフィックカプラ、厚いフォトポリマーホログラム、共振導波路回折格子、メタサーフェスカプラ、及び埋め込みハーフトーンミラーを含む。画像複製コンバイナは、入力画像に対応する光を出力するために、出力カプラとも呼ばれる出力面をさらに含む。出力面は、入力面と同じ技術を使用し得るさらなる結合機構である。画像複製コンバイナは、広範囲の内部入射角にわたって全内部反射をサポートする高屈折率を有する材料から製造され得る。例えば、Ｓｃｈｏｔｔ（商標）製のＮ－ＬＡＳＦ４６などのランタン高密度フリントガラスは、波長λ＝５３０ｎｍでθｃ＝３１°の臨界角を有する。画像複製コンバイナは、臨界角を超えるすべての内角で全内部反射によって波を伝搬する。
【0040】
一例では、画像複製コンバイナは、実質的に平面シートの形をとる。平面シートは、ガラスなどの透明な材料から構築され得る。この場合、入力面及び出力面の１つの配置は、光が平面シートの同じ側に出入りするように、平面シートの同じ側に入力面及び出力面を配置することである。別の配置では、入力面及び出力面は、平面シートの両側に配置され得る。特定の配置は、画像複製コンバイナの機能に基づいて選択されてよい。他の例では、コンバイナは非平面シートの形をとる。そのようなコンバイナは、例えば眼鏡の一対のレンズとして使用される場合がある。非平面コンバイナでは、上述のように、コンバイナの入力面及び出力面は、コンバイナの機能に応じてシートの同じ側または反対側にある場合がある。
【0041】
画像複製コンバイナの特徴は、内部光線が反射光線及び透過光線に繰り返し分割されることである。したがって、出力光線アンサンブルのエタンデュは、入力アンサンブルのエタンデュよりも大きい。位相空間の観点では、考えられる出力光線のポジション及び角度の位相体積は、考えられる入力光線のポジション及び運動量の位相体積よりも大きい。発明者は、所望の光照射野の位相体積が、入力光照射野よりも大きくないならば、画像複製コンバイナを通した伝搬後に、所望の光照射野を生成することが可能であることを発見した。
【0042】
一例では、これは、典型的な平面的な画像複製コンバイナを通る伝搬後の出力光照射野の最大有効アイボックス及び視野（またはより具体的には、位相体積）が、それぞれ、瞳孔及び入力光照射野の視野（または具体的には位相体積）よりも大きくないことを意味する。用語「有効なアイボックス」は、ここで、実質的にノイズ及び／またはアーチファクトがないアイボックスを指す。これは、明確にするために、２Ｄ光照射野の異なる位相体積の概略表示１００である図１で表される。図１が、単一の空間次元及び角度次元を有する２Ｄ光照射野を示しているが、概念が、２つの空間次元及び２つの角度次元を有する４Ｄ光照射野などのさらなる次元にどのように拡張するのかを容易に確かめることができることに留意されたい。図１は、４Ｄ光照射野の２Ｄ断面と見なし得る。
【0043】
通常、位相空間は４次元であり、２つの空間次元及び２つの角度次元を含む。位相空間表現は、所与の平面を通る各光線に（光線が平面と交差する点を表す）空間座標、及び（光線が平面に対して進んでいる方向を表す）角座標でラベルを付ける。光照射野は、この位相空間内の各点の強度を説明する。入力光照射野は、位相空間内のなんらかの体積１０２（「位相体積」）に広がり、出力光照射野は、複製プロセスのため、入力よりも大きい位相体積１０４に広がる。「複製現象」により、第２の体積１０４は、第１の体積１０２と比較して光線位置（空間）軸に沿って細長く見える。本発明者は、位相空間１０６内でのその体積が第１の体積１０２よりも大きくなく、第２の体積１０４内のどこでも対象に設定できる対象の光照射野を生成できることを発見した。
【0044】
図２Ａは、画像複製コンバイナの入力面に入射する光照射野２０２の位相空間、及び出力面（すなわち、出力アイボックス）を出た結果として生じた光照射野２０４の位相空間の概略図を提供する。図１と同様に、明確にするために、位相体積は、２Ｄ空間（ｘ、θ）で示される。
【0045】
図２Ａに示される画像複製コンバイナの働きは、ｘ次元で空間的に分離された入力光照射野の複数のコピーを生成することである。さらに、入力光照射野の複製は、出力アイボックスの平面からｚ方向に偏位される。さらに、異なる複製は、互いに対してｚ方向に偏位される。基本的な画像複製コンバイナのこの説明は、図３に図示される。
【0046】
位相空間表現では、ｚでの偏位は、（ｘ、θ）平面でのせん断に相当するため、図２Ａの出力で複製された光照射野は、このようにせん断されていることが分かる。複製はまた、ｚ方向で互いから偏位されているため、せん断の程度は、複製ごとにわずかに異なることが示される。個々の出力複製の位相体積のサイズは、入力光照射野の位相体積のサイズに等しい。画像複製コンバイナは、複製された画像間の重複及びギャップを最小限に抑えるために選ばれた複製ピッチを有し得る。
【0047】
図２Ｂは、複製コンバイナ入力面に入射する予歪を受けた入力光照射野２０６の位相空間の概略図を提供する。予歪を受けた入力光照射野２０６は、本開示の方法に従って計算され得る。特に、予歪は、中心の出力複製が、出力アイボックス２０８の位相体積のサブセットで正確に表示されるように選ばれ得る。入力光照射野は、出力アイボックス内の選ばれた位置にある対象の光照射野に伝達関数を適用することによって生成され得る。
【0048】
入力光照射野２０６は、１つのポジションで良質の画像を生成し、他のポジションでは良質の画像を生成しないように計算される。画像複製コンバイナのアイボックスは、カスタムフィッティング手順または機械的調整を必要とせずに高品質の画像を提供するために、視聴者の瞳孔と位置合わせすることができる。
【0049】
図１、図２Ａ、及び図２Ｂを参照する上記説明は、簡略にするために、２Ｄ位相体積に対する１Ｄ複製導波路の変換を説明する。ただし、概念を２Ｄ複製導波路、及び４Ｄ位相体積に直接移行できることを理解されたい。さらに、４Ｄ位相体積の概念は、光線方向及び光線ポジションの概念を、局所化された領域内の空間周波数の範囲の概念に置き換えることによって（例えば、各光線を、光線と同じ指向方向及びポジションを有するガウスビームに置き換え、このガウスビームのセットで定義される基底でホログラムを拡大することによって）ホログラム画像及び４Ｄ光照射野に適用することができる。
【0050】
図３は、従来の動作及び制限の理解を助けるための画像複製コンバイナ３０４を備えた従来の表示システム３００の概略図である。表示システムは、入力光照射野３１０を生成するように構成された画像生成ユニット３０２と、入力面３０６及び出力面３０８を含む画像複製コンバイナ３０４とを含む。入力光照射野３１０の複数の複製は、出力面３０８で生成される。画像生成ユニットは、好ましくは、画像生成ユニット３０２の射出瞳が入力面３０６と一致するように配置される。図３では、３つの複製３１２、３１４、３１６が示されており、それぞれが、画像複製コンバイナ３０４内で異なる回数の内部反射を受けた光に相当する。
【0051】
図３から観察できるように、入力光照射野３１０に相当する光は、（定義によって）画像生成ユニット３０２の射出瞳に収束する。複製された入力瞳孔が、複製された光照射野３１２、３１４、３１６のそれぞれの一部を形成することが分かる。光は、射出瞳を越えて、画像複製コンバイナの入力面を通って移動するにつれ、分岐する。この結果、複製３１２、３１４、３１６のそれぞれは、画像複製コンバイナ３０４の出力面３０８での抽出時に分岐する。したがって、複製３１４と位置合わせされた視聴者の目３２４の瞳孔はまた、隣接する複製３１２及び３１６からの光線も受け取る。図３からさらに観察できるように、複製３１２、３１４、３１６のそれぞれは、画像複製コンバイナ３０４に沿った異なる水平ポジションに位置しており、結果的に、視聴者は、入力光照射野３１０の複数のコピーを観察する。複製３１２、３１４、３１６のそれぞれは、同じ入力光照射野を図に対して水平に平行移動させて表している。画像生成ユニット３０２によって表示される画像が、有限深さで仮想オブジェクトを含むとき、視差のために結果として生じる複製に顕著な効果が観察され得、視聴者は、異なる知覚可能なポジションで仮想オブジェクトの（この例では）３つのコピーを知覚するであろう。これは、画像複製コンバイナ３０４に入射するすべての光線が無限遠の共通点から発するように見える遠視野画像と対照的である。したがって、連続する複製間の水平距離は、画像内のオブジェクトの知覚可能なポジションにほとんど影響を与えない。視差のため、各複製における有限深さでの仮想オブジェクトのポジションの違いは、オブジェクトがそれぞれの瞳孔のより近くに移動するにつれて、より顕著になる。すなわち、知覚可能な効果は、瞳孔からの仮想オブジェクトの距離の関数である。
【0052】
さらに、各複製３１２、３１４、３１６は、抽出前に異なる回数の内部反射を受ける光、したがって異なる光路長から生じるため、各複製は、異なる焦点深度を有するとして知覚される。言い換えれば、複製３１２、３１４、３１６は、異なる深度に現れるため、異なる見かけサイズを有する。したがって、視聴者は、光照射野３１０内の仮想オブジェクトの３つのコピーをわずかに異なる深度／サイズで見て、結果的に、満足のいかない視聴経験が生じる。これは「焦点の拡散」として知られている。
【0053】
例えば、ＣＧＨ画像など、画像内に深度情報を含めるためには、（画像内の仮想オブジェクトに対応する）画像の領域は、視聴者の近くに表示される必要がある場合がある。いくつかの例では、画像の領域を、視聴者から１００ｍｍの近さまで表示する必要がある場合がある。上述のように、表示システム３００は、満足のいく画像を生成するには十分ではない。（異なる見かけサイズ及び知覚されるポジションの複製画像からなどの）満足のいかない画質は、無限遠以外のすべての深度で当てはまるが、視聴者からの画像領域の見かけの距離が近いほどより大きい影響を与えることを理解されたい。したがって、５０ｍｍ～３００ｍｍの範囲、さらには１ｍまたは２ｍの表示深度での画質も、満足のいかない画質から悪影響を受ける可能性がある。
【0054】
図４は、入力光照射野内の仮想オブジェクト上の単一の点からの光線に何が起こるのかに焦点を当てるのかによって、画像複製コンバイナを通して有限深さで画像を表示しようと素朴に試みることで、どのように不必要な二重画像が生じるのかを示している。表示システム４００は、図３に示される表示システム３００と同じであり、対応する部分の参照番号は、「３」ではなく「４」で始まる。画像生成ユニット４０２は、好ましくは、画像生成ユニット４０２の射出瞳が入力面４０６と一致するように配置される。入力光照射野４１０内の仮想オブジェクト点４３０からの（斜めの斜線領域によって示される）光線の円錐が、画像生成ユニット４０２の射出瞳を満たすように示されている。これは、従来の表示システムがどのように動作するのかと一致している。
【0055】
画像複製コンバイナは、複製４１２、４１４、４１６を生成する。各複製は、画像生成ユニット４０２の射出瞳における光照射野の複製に相当する。一次元瞳孔拡大を実行する表示システム４００が示されている。二次元瞳孔拡大を実行する画像複製コンバイナは、複製された入力瞳孔及び光照射野の２Ｄグリッドを生成する。
【0056】
水平斜線領域によって示されるように、複製された光照射野からの光線のサブセットだけが、アイボックス４２６を通って目の瞳孔４２４に到達する。目の瞳孔４２４に達する光線は、異なる複製４１６及び４１４から発しており、仮想オブジェクト点４３０に対応する２つの別々の複製点４３６及び４３４から分岐するように見える。したがって、２つの別々の画像（つまり「ゴースト」）は、１つの単一の画像の代わりに知覚される。目の瞳孔によって同時に見ることができる複製の数に対して本質的な制限はないため、ゴースト画像の数は、２つ以上である可能性がある。複製された画像／光照射野の斜めの斜線領域が、複製された瞳孔で切り取られて示されていることに留意されたい。それらの光線が、コンバイナ出力面４０８から伝搬することは言うまでもないが、それらの光線は目の瞳孔４２４に到達しない。例えば、仮想オブジェクト点４３０に対応する複製された点４３２から伝搬する光線は、目の瞳孔４２４に到達しない。
【0057】
二次元的に複製されたシステムでは、４つ以上のゴースト画像が観察される場合がある。多くの画像複製コンバイナでは、目の瞳孔から見ると、複製された光照射野と瞳孔はかなり重複している。この状況では、より多くのゴースト画像が観察される場合がある。
【0058】
図４は、仮想オブジェクト上の単一の点から発する光線の状況を示す。他のオブジェクト点は、異なって挙動する異なる光線の円錐を生成する。具体的には、複製された光線の異なるサブセットが目の瞳孔に到達する。
【0059】
図５は、異なる深度でのオブジェクトを含む例示的なシーン５００を示す。図６は、図３及び図４に示される従来の表示システムを備えた画像複製コンバイナを通して見られるときに、このシーンがどのように見えるのかを示す。
【0060】
シーン５００の惑星５０２は、無限深さでのオブジェクトである。このオブジェクト上の任意の点から発する光線が平行にされる。したがって、オブジェクトは、画像複製コンバイナを通して見られるときに正確に表示されると期待される。シーン５００の宇宙飛行士５０４は、有限深さを有するオブジェクトである。このオブジェクト上の任意の点から発する光線は、平行にされていない。
【0061】
ホログラフィック画像生成ユニットは、異なる深度にオブジェクトがあるこのようなシーンを表示できるシステムの一例である。人間の目で直接的に見られるとき、表示されるシーンは正確であり、目は、異なるオブジェクトを見るためには異なって適応しなければならない。
【0062】
しかしながら、直接視聴では正確に見えるシーン５００は、画像複製コンバイナを通して見られると不正確に見える。これは、図６に示される。シーン６００では、惑星６０２は無限深さに置かれているため、惑星６０２は正確に見える。宇宙飛行士６０４は有限深さに置かれているため、複数のゴースト画像として現れる。これは、本明細書に説明される例示的な技術が対処する焦点の拡散の問題である。
【0063】
画像複製コンバイナは、ＣＧＨ画像のアイボックスを拡大するために不十分な選択であるように見えるであろう。しかしながら、発明者は、入力光照射野を制御することによって、対象に設定される光照射野を視聴者の瞳孔に位置決めし、上記問題の１つ以上に対処できることを発見した。
【0064】
図７Ａ～図７Ｄは、画像生成ユニット７０２からの入力光照射野が、画像複製コンバイナ７０４を通して、ゴースト画像または焦点の拡散なしに、有限深さで画像内の単一の点を表示するようにどのように構成され得るのかを示す例示的な表示システム７００を示す。
【0065】
図７Ａ～図７Ｃは、画像生成ユニット７０２によって生成された光照射野の個々の複製を示す。画像生成ユニット７０２は、この例では、２つの光線の円錐が、２つの点７３０から分岐するように見える光照射野を生成する。どちらの光線の円錐も、好ましくは、画像複製コンバイナ７０４の入力面７０６と一致するように配置され得る、画像生成ユニット７０２の射出瞳を満たしていない。画像生成ユニット７０２は、仮想オブジェクトの点源の位置だけではなく、それらの点光源から発する光線の方向も制御する能力を有さなければならない。ホログラフィックディスプレイ及び４Ｄ光照射野ディスプレイは、このタイプの制御を提供する。
【0066】
図７Ａは、入力光照射野７１０の第１の複製７１６を示す。仮想オブジェクト点７３６から分岐し、斜めの斜線領域によって表される光線の円錐だけが、有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４に到達する。第２の点仮想オブジェクト点７３７から分岐し、水平斜線領域によって表される第２の光線の円錐からの点線は、光線が有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４をどのように見逃しているのかを示すために示されている。
【0067】
図７Ｂは、入力光照射野の第２の複製７１４を示す。この場合、仮想オブジェクト点７３５から分岐し、水平斜線領域によって表される光線の円錐だけが、有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４に到達する。第２の点仮想オブジェクト点７３４から分岐し、斜めの斜線領域によって表される第２の光線の円錐からの点線は、光線が有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４をどのように見逃しているのかを示すために示されている。
【0068】
図７Ｃは、入力光照射野の第３の複製７１２を示す。この場合、仮想オブジェクト点７３３、７３２から分岐するいずれの円錐からの光線も、有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４に到達しない。
【0069】
図７Ｄは、図７Ａ～図７Ｃに示される３つすべての複製の複合効果を示す。２つの点７３０のポジションのおかげで、図７Ａの仮想オブジェクト点７３６及び図７Ｂの７３５は一致していることが分かる。したがって、有効なアイボックス７２６及び目の瞳孔７２４に到達するすべての光線は、仮想オブジェクト上の単一の点から分散しているように見える。これは、仮想画像内の単一の点が、ゴースト画像または焦点の拡散なしにどのように表示され得るのかを示す。単一の仮想オブジェクト点から分岐するように見える光線は、複数の複製（この例では、図７Ａ及び図７Ｂに示される２つの複製）からの光線を含む。
【0070】
あらゆる仮想オブジェクト点は、その点が正確に表示されるには異なる円錐のセットを必要とする。任意の仮想オブジェクトを含むシーンのために正確な光照射野を決定するためのプロセスが、本明細書に説明される。
【0071】
示されている画像複製コンバイナ７０４が、意図された画像の再構築を可能にするために複製を適切に配置していることに留意されたい。つまり、（ｉ）複製された画像の瞳孔は、大きく重複しないが、（ｉｉ）その全範囲間に大きなギャップを有していない。大きな重複またはギャップは、目の瞳孔の直径に匹敵するであろう。例えば、複製された画像の瞳孔は、重複する場合もあれば、４ｍｍ未満、３ｍｍ未満、２ｍｍ未満、１ｍｍ未満、または０．５ｍｍ未満のギャップによって分離される場合もある。一般に、（ｉ）無限遠に仮想オブジェクトを表示するために第１の特性は必要とされないため、画像複製コンバイナは第１の特性を有していない。
【0072】
図８は、上述のゴーストまたは焦点の拡散の問題に対処する例示的な配置８００の概略図である。そのような配置８００により、図７Ｄに示されるシステム７００を複製することが可能である。配置８００は、コンバイナ８０２の入射瞳８０４における光照射野が、コンバイナ８０２の有効なアイボックス８０６における対象の光照射野に変換されている画像複製コンバイナ８０２を含む。有効なアイボックスは、アドレス指定可能なアイボックス８０８の体積内のどこにでも位置決めすることができ、瞳孔の位置決めの自由度を高めることを可能にする。
【0073】
入力光照射野は、関連する画像内の深度情報が、コヒーレント光源の位相及び／または振幅の変調によって表現されるホログラフィック光照射野であってよい。代わりに、入力光照射野は、ｘ、ｙ、θ、φ空間の光線の強度を表す４Ｄ光照射野であってよい。
【0074】
この例では、コンバイナ８０２の有効なアイボックス８０６は、コンバイナ８０２のいずれの部分も含まない所定の体積８０８内に位置する。対象の光照射野の中心は、コンバイナ８０２の入射瞳８０４における入力光照射野の中心から距離｜ｓ｜に位置し、ｓは、三次元変位ベクトルである。さらに、対象の光照射野の変位は、位相体積を増加させることなく達成され得、その結果、対象の光照射野のエタンデュは、入力光照射野のエタンデュと同じである。
【0075】
生成された入力光照射野に基づいて対象の光照射野をどこに配置するのかを事前に決定することによって、瞳孔間距離（ＩＰＤ）及び頂点距離などの特性は、コンバイナ８０２を含むヘッドセットでいかなる機械的な調整機能を必要とせずにソフトウェアに設定することができる。これらの特性は、例えば、ユーザーフィードバックを使用した較正ルーチンによって設定できる、及び／または視線追跡センサを介して自動的に設定できる。
【0076】
入力光照射野がホログラフィック光照射野であるとき、画像生成ユニット（図示せず）は、深度情報を含む入力光照射野を生成するように構成される。画像生成ユニットは、空間光変調器の形態の光変調素子を照明するように構成される、この場合はレーザーダイオードである少なくとも部分的にコヒーレントな光源を含む。レーザーダイオードは、例えば、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（商標）ＳＬＭ－ＲＧＢ－Ｔ２０－Ｆ－２レーザーダイオードであるが、他のレーザーダイオードも使用し得る。ＲＧＢダイオードは、異なる色のレーザー光の発出を迅速に切り替えることができ、赤色光、緑色光、及び青色光を連続して発する。異なる色が発せられる異なるときにレーザー光を変調することによって、残像性によって視聴者にカラーホログラフィック画像の見かけが作成され得る。他の例は、白黒である場合もあれば、赤色光、緑色光、青色光の光源を同時に使用する場合があること、ならびに本開示は特定の光源に限定されないことを理解されたい。
【0077】
例示的な空間光変調器は、Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（ＲＴＭ）ＤＰ１０８０ｐ２６マイクロディスプレイであり、光の位相を調整するように構成される。光の位相を制御することによって、干渉を使用してホログラフィック光照射野を作成することが可能である。本開示は、特定の空間光変調器技術またはコンポーネントに限定されない。ホログラフィック再生画像は、終端光学素子における画像生成ユニットから出力される。
【0078】
図９は、有効なアイボックス９０４に対象の光照射野を表示するための３次元シーンを生成するように配置された画像複製コンバイナ９０２を含む例示的な光学システム９００の一部を示す。例示的な光学システム９００では、入力光照射野Ｈｉｎは、コンバイナ９０２の入射瞳９０６で生成される。上述のように、Ｈｉｎは、適切な画像生成ユニットによって生成され得る。図９から、第１の深度にある第１の仮想オブジェクト９０８、及び第２の深度にある第２の仮想オブジェクト９１０に対応する光線が、入力光照射野Ｈｉｎが画像複製コンバイナ９０２を通して対象の光照射野から光線を逆伝搬することによってとらなければならない形態を決定することによって対象で生成されることが分かる。結果として生じる入力光照射野Ｈｉｎは、その表面上では、有効なアイボックス９０４で生成される画像に対応しないように見える光線の組み合わせとして現れる。しかしながら、画像複製コンバイナ９０２を通して光線を順方向伝搬すると、コンバイナ９０２から抽出された光線が、事実上、必要とされる深度で第１及び第２の仮想オブジェクト９０８、９１０を表すことが示される。第１及び第２の仮想オブジェクト９０８、９１０に対応する光線が、コンバイナ９０２から抽出され、有効なアイボックス９０４に到達する前にコンバイナ９０２内で異なる回数の内部反射を受けていることが分かる。さらに、対象の光照射野を形成する光線が、以下に詳細に説明されるいくつかの条件を満たすことを確実にすることによって、位置合わせされた瞳孔にとって可視のアイボックスは、実質的にスプリアスなノイズ及び／またはアーチファクトなしに画像を知覚する（したがって、アイボックスは「有効」である）。
【0079】
本開示は、所望の位置に所望の対象の光照射野（この場合、ホログラフィック光照射野Ｈであるが、本開示が対象のホログラフィックフィールドの生成に限定されないことを理解されたい）を生成するためにＨｉｎを決定するための方法を提供する。三次元空間内の任意の体積内に有効なアイボックスを生成する例示的なプロセスは、ここで図１０～図１２に関してより詳細に説明される。
【0080】
図１０Ａは、図８及び図９に示されるように、入力光照射野を所定の体積内の対象の光照射野に変換する例示的な方法１０００を示す。本方法１０００では、Ｈｉｎは、対象の光照射野Ｈからコンバイナ９０２を通してＨｉｎの位置への逆経路を考慮した結果生じる光照射野を計算することによって決定できる。
【0081】
ブロック１００２で、方法１０００は、対象の光照射野Ｈの必要とされる位置（すなわち、有効なアイボックス）を決定することを含む。これは、図８及び図９の変位ベクトルｓを決定することに相当する。これは、視聴者の瞳孔の既知の位置に従って設定され得る。例えば、１つ以上の視線追跡センサは、視聴者の瞳孔の中心の現在の３次元位置を決定するために使用され得る。この場合、視線追跡センサは、視聴者の瞳孔の中心の現在位置を示すデータを生成し、そのデータをコンピューティングデバイスに中継する。コンピューティングデバイスは、視聴者の瞳孔の中心の決定された位置と一致するようにＨの位置を決定するように構成され得る。
【0082】
別の例では、必要とされる位置は事前に決定されてよい。例えば、視聴者は、較正ルーチンを受ける場合がある。これは、画像生成ユニットが、様々な３次元位置にある一連の対象の光照射野を通過するように構成されることを含み得る。一連の対象の光照射野のうちの対象の光照射野が表示されるたびに、コンピューティングデバイスは、視聴者に、画像が許容可能な品質であるかどうかを尋ね得る。較正手順の最後に、コンピューティングデバイスは、視聴者によって知覚される最高の画質を生成する位置が、Ｈが生成されるべきである位置であると判断し得る。
【0083】
いくつかの例では、対象の光照射野は、対象の光照射野の必要とされる位置を決定することが、複数の光照射野のそれぞれの必要とされる位置を決定することを含むように、複数の光照射野（Ｈ１、Ｈ２、…）を含む。これは、視聴者の瞳孔の両方で対象の画像を生成するために、単一の画像生成ユニット及び画像複製コンバイナだけが必要とされる両眼ディスプレイで役立ち得る。この例は、図１６～図１８に関してさらに詳細に説明される。
【0084】
いくつかの例では、ブロック１００２は省略され得、所定のポジションの入力が（例えば、上記の較正プロセスから）使用され得る。
【0085】
ブロック１００４で、方法１０００は、コンバイナを通してコンバイナの入射瞳の近くの入力面へ、必要とされる位置での光照射野の伝搬のための伝達関数を決定することを含む。ブロック１００４は、ここで、例示的な画像複製コンバイナ１１００を示す図１１を参照することによって詳細に説明される。画像複製コンバイナ１１００の仕様は、表示システムの物理的な要件によって決定される。例えば、画像複製コンバイナ１１００は、広範囲の内部入射角にわたって全内部反射をサポートできる必要がある。例えば、Ｓｃｈｏｔｔ（商標）製のＮ－ＬＡＳＦ４６などのランタン高密度フリントガラスは、波長λ＝５３０ｎｍでθｃ＝３１°の臨界角を有する。画像複製コンバイナは、臨界角を超えるすべての内部入射角で全内部反射によって波を伝搬する。
【0086】
画像複製コンバイナ１１００は、ホログラフィック画像に対応する入力光照射野を受け取るために、入力面または入力カプラとしても知られる入力結合回折格子１１０２を含む。入力結合回折格子１１０２は、自由空間波が、回折によって入力結合回折格子１１０２においてコンバイナ１１００内に結合されるように表面レリーフ回折格子を表す。２５８０線／ｍｍの溝周波数を有する表面レリーフ回折格子は、Ｎ－ＬＡＳＦ４６内の自由空間と全内部反射との間の入力カプラまたは出力カプラとして機能できる。平行な等間隔の線形溝からの単純な回折に加えて光パワーを示す、より複雑な表面レリーフ回折格子が製造され得る。
【0087】
画像複製コンバイナ１１００は、入力光照射野の複数の複製を生成するために、出力面または出力カプラとしても知られる出力結合回折格子１１０６をさらに含む。画像複製コンバイナ１１００は、内部反射を受ける光を入力結合回折格子１１０２から出力結合回折格子１１０６に向けてリダイレクトするように配置された、射出瞳拡大器としても知られるリダイレクション回折格子１１０４をさらに含む。
【0088】
この例での画像複製コンバイナ１１００は、すべて同じ面上に入力結合回折格子１１０２と、リダイレクション回折格子１１０４と、出力結合回折格子１１０６とを有する。これは、１１１０で入射する光線によって明示されるように、すべての内部光線が、リダイレクション回折格子（存在する場合）によるリダイレクションの前に、及びコンバイナを出る前にも、偶数回コンバイナを横断することを意味する。他の実施形態は、出力結合回折格子に反対側の面に、入力結合回折格子及びリダイレクション回折格子のいずれかまたは両方を有する場合がある。これらの場合、内部光線は、リダイレクション回折格子によるリダイレクションの前に、及び／またはコンバイナを出る前に、奇数回コンバイナを横断し得る。
【0089】
図１１の例は、すべてコンバイナの同じ側（つまり、正のｚ方向）で、入力カプラ１１０２に対する入射光線及び出力カプラ１１０６からの出力光線と動作する画像複製コンバイナを示す。いくつかの構成では、入射光線は、負のｚ方向、つまり入射光線が出力カプラ回折格子で射出される場所の反対側からコンバイナに入射し得る。構成の最適な選択は、多くの場合、光学システムの全体的なレイアウトにおける制約によって決定される。
【0090】
図１１の例では、画像複製コンバイナ１１００は、結合機構として回折格子を含むが、他のタイプのカプラも考えられることを理解されたい。例えば、画像複製コンバイナに対する入力カプラは、ミラー、プリズム、またはホログラムを含み得る。他の例が、曲線状または非平面的な設計を含む他の形態の画像複製コンバイナを使用できることも理解されたい。
【0091】
図１１の回折格子などの回折格子の形態のカプラを含む典型的な画像複製コンバイナは、ｋｇｒａｔｉｎｇによってパラメータ化された回折格子ｋベクトルのセット、コンバイナの厚さｔ、及びコンバイナを含む材料の屈折率ｎによって特徴付けられる。回折格子ｋベクトルは、入力結合回折格子、リダイレクション回折格子、及び出力結合回折格子が、それぞれの回折格子に入射する光波にどのように影響を与えるのかを説明する。図１１に示される例示的な画像複製コンバイナ１１００では、回折格子毎の回折格子ｋベクトルは以下のとおりである。
入力結合回折格子では、ｋｉｎ＝（０，－ｋｇｒａｔｉｎｇ，０）、
リダイレクション回折格子では、ｋｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝（ｋｇｒａｔｉｎｇ，ｋｇｒａｔｉｎｇ，０）、
出力結合回折格子では、ｋｏｕｔ＝（－ｋｇｒａｔｉｎｇ，０，０）。
入力結合回折格子では、ｋｉｎ＝（０，－ｋｇｒａｔｉｎｇ，０）、
リダイレクション回折格子では、ｋｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝（ｋｇｒａｔｉｎｇ，ｋｇｒａｔｉｎｇ，０）、
出力結合回折格子では、ｋｏｕｔ＝（－ｋｇｒａｔｉｎｇ，０，０）。
【0092】
簡単に言うと、入力結合回折格子は、光線を下方へ（図１１のリダイレクション回折格子に向かって）リダイレクトする。リダイレクション回折格子は、次に、光線を水平に右にリダイレクトし、垂直リダイレクションを取り消す。最後に、出力結合回折格子は、コンバイナからの抽出時に水平リダイレクションを取り消す。
【0093】
リダイレクション回折格子及び出力結合回折格子１１０４、１１０６の結合効率は、入力結合回折格子１１０２によって内部に結合された所与の光線の場合、出力結合回折格子１１０６で抽出された各光線がほぼ等しい強度となるように調整することができる。
【0094】
さらに、画像複製コンバイナ１１００の記載された特性は、ｋベクトル（ｋｘ、ｋｙ）＝（０、０）を有する入力結合回折格子１１０２に入射する光線について、コンバイナ１１００内の光線が、ｓｉｎθ＝ｋｇｒａｔｉｎｇλ／２πｎを有する角度となり、結果的に、２ｔ ｔａｎθの複製ピッチ（最近傍の入力間瞳孔複製間の間隔）になるほどである。
【0095】
図１１に示される例では、座標系１１０８の原点は、ブロック１００２で決定された対象の光照射野の位置に位置決めされる。この定義により、画像複製コンバイナ１１００の入射瞳は、Ｈの決定された位置に対して位置ｓｐｕｐｉｌ＝（ｘｐｕｐｉｌ、ｙｐｕｐｉｌ、ｚｐｕｐｉｌ）に位置する。上述のように、Ｈｉｎは、（ブロック１００２で決定された）決定された位置から、コンバイナ１１００を通して入射瞳へ（ブロック１００４で決定された）Ｈを逆伝搬することによって計算できる。ホログラフィック対象光照射野Ｈは、複素電界強度
で表し得る。実際には、振動の時間依存性は無視でき、代わりに振幅Ａ（ｘ，ｙ）及び位相φ（ｘ，ｙ）を有する全複素ホログラムを定義することが通常である。対象の光照射野Ｈは、ｋｚを排除するために、平面ｚ＝０で評価されるフーリエ変換（ＦＴ）を使用して無限範囲の平面波に分解できる。この平面の外側でのＨの評価のために、ｋｚは、制約
によってｋｘ及びｋｙ関数として暗黙的に定義され、上式で、ｎは媒体の屈折率であり、λは真空内の場の波長である。
【数1】
で表し得る。実際には、振動の時間依存性は無視でき、代わりに振幅Ａ（ｘ，ｙ）及び位相φ（ｘ，ｙ）を有する全複素ホログラムを定義することが通常である。対象の光照射野Ｈは、ｋｚを排除するために、平面ｚ＝０で評価されるフーリエ変換（ＦＴ）を使用して無限範囲の平面波に分解できる。この平面の外側でのＨの評価のために、ｋｚは、制約
【数2】
によってｋｘ及びｋｙ関数として暗黙的に定義され、上式で、ｎは媒体の屈折率であり、λは真空内の場の波長である。
【0096】
したがって、ポジション（ｘ、ｙ、ｚ）にある対象の光照射野Ｈは、方程式１に従って評価することができる。
方程式１
方程式１
【数3】
【0097】
この場合、積分に対する制限により、ｋｍｉｎ未満またはｋｍａｘより大きいｋの係数がゼロになるようにＨが定義されることが確実になる。これは、ホログラムの視野を制限することに相当する。実際に、この分解は離散フーリエ変換として実行され、積分はｋの離散値の合計に置き換えられる。この結果、Ｈのタイル表示が生じるため、伝搬中のタイル表示されたコピーからのスプリアスなスピルオーバーを回避するために、フーリエ分解の前にＨにゼロが埋め込まれ得る。
【0098】
座標系１１０８の原点から、ｋｚ０で示される出力結合回折格子１１０６への経路値ｋｚは、上述のように、関係
を使用して評価することができる。これにより、対象の光照射野Ｈは、座標系１１０８の原点から出力結合回折格子１１０６へｚ軸に沿って距離ｚｐｕｐｉｌだけ伝搬することができ、これは、方程式１にｚｐｕｐｉｌを代入することによって達成することができる。
【数4】
を使用して評価することができる。これにより、対象の光照射野Ｈは、座標系１１０８の原点から出力結合回折格子１１０６へｚ軸に沿って距離ｚｐｕｐｉｌだけ伝搬することができ、これは、方程式１にｚｐｕｐｉｌを代入することによって達成することができる。
【0099】
出力結合回折格子１１０６では、ｋベクトルｋｏｕｔによって表される回折格子の効果が、Ｈをコンバイナ１１００に結合するために適用される。これは、光照射野波動ベクトルｋのｘ成分及びｙ成分をｋ＋ｋｏｕｔの成分で置換し、次に再び関係
を使用して、ｋｚ１で示される出力結合回折格子１１０６におけるｋベクトルを評価することに相当する。出力結合回折格子１１０６で評価される光照射野により、光照射野は、距離－２ｎｘｔだけｚ軸に沿って伝搬することができ、ここで、ｎｘは、出力結合回折格子１１０６とリダイレクション回折格子１１０４との間でのコンバイナ内の内部横断回数である。
【数5】
を使用して、ｋｚ１で示される出力結合回折格子１１０６におけるｋベクトルを評価することに相当する。出力結合回折格子１１０６で評価される光照射野により、光照射野は、距離－２ｎｘｔだけｚ軸に沿って伝搬することができ、ここで、ｎｘは、出力結合回折格子１１０６とリダイレクション回折格子１１０４との間でのコンバイナ内の内部横断回数である。
【0100】
画像複製コンバイナ１１００を通してｚ軸に沿ってある距離を伝搬することは、光照射野がいずれの内部反射も受けない同等な状況を考慮することによって理解できる。この状況は、ここで、厚さｔを有する画像複製コンバイナ１２００、及びｋｉｎによってパラメータ化された回折格子ｋベクトルを有する結合回折格子を通して伝搬する光線の例を示す図１２に関して説明される。ｚ方向に成分を有する光線１２１０は、回折格子に垂直な方向で結合回折格子に入射する。光線１２１０は、結合回折格子によってコンバイナ１２００に結合される。コンバイナ１２００に入射すると、光線１２１０は、コンバイナ１２００の下面法線に対して角度θで偏向され、ｓｉｎθ＝ｋｉｎλ／２πｎである。θは、光線とコンバイナ１２００の下面の法線との間の角度である。光線は、ｚ方向に距離ｔを移動し、負のｘ方向に距離ｔ ｔａｎθを移動し、その点で、光線は反射の法則に従ってコンバイナ１２００の内面に対する第１の内部反射を受ける。実際には、光線は、光線がコンバイナ１２００に入った表面に向かって戻るが、これは、数学的には、光線が、コンバイナ１２００の上に積み重ねられ、コンバイナ１２００と同じ幾何学的特性を有する仮想体積１２０２の中へ正のｚ方向に沿って進み続けることと同等である。図１２に示されるように、正のｚ方向に進み続ける仮想光線は、連続する仮想体積１２０２、１２０４、１２０６を通過する点線矢印として示される。仮想光線が仮想体積１２０２～１２０６の水平内部境界と交差するたびに、仮想光線はコンバイナ１２００内で内部反射を受ける実際の光線と同等である。言い換えれば、２ｎ水平境界と交差した仮想光線は、コンバイナを２ｎ回横断した実際の光線と同等である。したがって、コンバイナの２ｎ回の横断の後、光線は、ｚ方向で２ｔの距離移動している。
【0101】
この論理を図１１に示す例に適用すると、光線が、ｚ軸に沿って距離－２ｎｘｔ移動した後に、リダイレクション回折格子１１０４に到達することが確認される。リダイレクション回折格子１１０４では、回折格子の効果が、ｋベクトルｋｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎによって表される光照射野に適用される。これは、ここでリダイレクション回折格子で評価され、ｋ１で示される光照射野波動ベクトルのｘ成分及びｙ成分を、ｋ’＋ｋｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎからの成分で置換し、ｋｚ１に関して上述されるように、関係
を使用してｋｚ２を評価することに相当する。
【数6】
を使用してｋｚ２を評価することに相当する。
【0102】
光照射野は、次に、ｚ軸に沿って距離－２ｎｙｔ伝搬し、ここでｎｙは、図１２に示されているのと同じロジックを使用して、入力結合回折格子１１０２とリダイレクション回折格子１１０４との間でのコンバイナ１１００の内部横断回数である。入力結合回折格子１１０２では、回折格子の効果が、ｋベクトルｋｉｎによって表される光照射野に適用される。これは、ここで入力結合回折格子で評価され、ｋ２で示される光照射野波動ベクトルのｘ成分及びｙ成分を、ｋ’’＋ｋｉｎからの成分で置換し、ｋｚ１に関して上述されるように、関係
を使用してｋｚ３を評価することに相当する。
【数7】
を使用してｋｚ３を評価することに相当する。
【0103】
上述のプロセスは、対象の光照射野Ｈを、コンバイナ１１００の入射瞳にｚ方向だけに伝搬している。ｘ方向及びｙ方向での光照射野の伝搬を完了するために、光照射野は、コンバイナ１１００の入射瞳孔へ距離（ｘｐｕｐｉｌ、ｙｐｕｐｉｌ、０）だけ伝搬される。
【0104】
これまで説明されたように、視聴者の瞳孔からの平面波のセットの伝搬が考慮されてきた。平面波のセットは、（各回折格子間の内部反射の回数によって設定される）画定された経路に沿ってコンバイナ１１００を通して、コンバイナ１１００の入射瞳へ伝搬されている。完全解のために、ｎｘ、ｎｙの値に限定されるコンバイナ１１００を通るすべての可能なルートを合計することが必要であり、Ｈｉｎは、コンバイナ１１００の入射瞳の範囲内のなんらかの閾値を超えるエネルギーを有する。
【0105】
可能なルートの合計は、照明のコヒーレンス長、及び異なるｎｘ、ｎｙの経路間の光路長の差などの要因に応じて、コヒーレントである場合もあれば、インコヒーレントである場合もある。
【0106】
コヒーレンス長が経路長の差よりもはるかに大きい場合、寄与はコヒーレントに合計される。異なる経路の複素振幅はともに加算され、干渉効果は異なるｎｘ、ｎｙ寄与間で可能である。
【0107】
コヒーレンス長が経路長の差よりもはるかに小さい場合、寄与はインコヒーレントに合計される。異なる経路の複素振幅は、合計の前に、時間とともに変化する無作為な位相係数で効果的に乗算される。位相係数は、人間の目の知覚時間に比べて迅速に変化し得るため、異なるｎｘ、ｎｙ寄与間の干渉効果は観察されない。
【0108】
コヒーレントな場合のＨｉｎの完全解は、方程式２によって与えられる。
方程式２
方程式２
【数8】
【0109】
プライム座標ｘ’、ｙ’、ｚ’は、プライム座標系１１１０の原点が変位ベクトルｓｐｕｐｉｌによって非プライム座標系１１０８の原点に関連付けられるように、入射瞳に対して定義される。したがって、方程式２は、適切な座標変換を使用して、非プライム座標系の観点から作成できるであろう。
【0110】
上述のように、方程式２は、決定された位置に対象の光照射野Ｈを生成するために、コンバイナ１１００の入射瞳で生成される必要とされる光照射野を表す。計算はソフトウェアで実行され得、その場合、積分が合計になる。計算は、一般的に新しいビデオフレームまたは静的なディスプレイ上の新しい情報など、新しい対象の光照射野Ｈが表示されることが必要とされるたびに実行できるであろう。
【0111】
上述の計算による伝達関数の決定は、入力光照射野の少なくとも２つの異なる複製から受け取られる光線が、対象の光照射野のそれぞれの部分を形成すると判断することを含み得る。言い換えれば、対象の光照射野Ｈの部分は１つの複製から形成され得、Ｈの別の部分は別の複製から形成され得る。これは、視聴者の瞳孔７２４に到達する光が、仮想オブジェクト７３０の異なる複製からの光を含む図７Ｄで理解できる。
【0112】
上記の例では、入力カプラ１１０２及び出力カプラ１１０６は、コンバイナ１１００の同じ面を共有する。入力カプラ及び出力カプラが、コンバイナの反対側の面に配置される場合、（ｉ）対象の光照射野の中心と（ｉｉ）入射瞳の中心に最も近くに面する出力カプラコンバイナ上の点との間の変位としてｓｐｕｐｉｌを定義することが必要である。
【0113】
入力カプラ、リダイレクションカプラ、及び出力カプラが、同じコンバイナ面を共有しないシステムでは、カプラ間の光路長は、コンバイナの奇数の横断によって定義され得る。この状況では、コンバイナ横断の正しい数が数えられるように、方程式２の指数の（ｎｘ＋１／２）をｎｘ、及び／または（ｎｙ＋１／２）をｎｙに置き換える必要がある場合がある。
【0114】
図１０Ａに戻って参照すると、ブロック１００６で、方法１０００は、決定された位置に表示される対象の光照射野Ｈを計算することを含む。すなわち、対象の光照射野の特性は、決定された位置に所望の画像を生成するために決定される。図９に示される例では、Ｈを決定することは、それぞれの深度で第１及び第２の画像９０８、９１０を生成するために光照射野の特性を決定することを含む。当業者は、この画像を決定するための技術を認識している。
【0115】
ブロック１００２及び１００６は、任意の特定の順序で発生する可能性があることを理解されたい。例示的な方法１０００では、対象の光照射野の位置を決定することは、対象の光照射野を計算する前に発生する。しかしながら、最初に対象の光照射野を計算してから、対象の光照射野を表示する位置を決定することも可能である。
【0116】
ブロック１００８で、方法１０００は、光学伝達関数を対象の光照射野Ｈに適用することによって、入力光照射野Ｈｉｎを計算することを含む。すなわち、方程式２を使用してＨｉｎを計算する。
【0117】
ブロック１０１０で、方法１０００は、適切なディスプレイを使用して、入力光照射野Ｈｉｎを表示することを含む。対象の光照射野がホログラフィック光照射野である場合、次にＨｉｎは、ホログラフィック光照射野を生成するように構成された画像生成ユニットを使用して生成される。図１１に示される例では、Ｈはホログラフィック光照射野であるため、Ｈｉｎを生成することは、コンバイナ１１００の入射瞳でＨｉｎに対応する光照射野を生成するために画像生成ユニットを使用することを含む。Ｈが４Ｄ光照射野である場合、次にＨｉｎは、適切な４Ｄ光照射野ジェネレータを使用して生成することができる。１つのそのような適切な４Ｄ光照射野ジェネレータは、２０１３年１１月１日に公開され、２０２０年１１月１４日にｗｅｂ．ａｒｃｈｉｖｅ．ｏｒｇによって最初にアーカイブに保管された、ｈｔｔｐｓ：／／ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｎｖｉｄｉａ．ｃｏｍ／ｓｉｔｅｓ／ｄｅｆａｕｌｔ／ｆｉｌｅｓ／ｐｕｂｓ／２０１３－１１＿Ｎｅａｒ－Ｅｙｅ－Ｌｉｇｈｔ－Ｆｉｅｌｄ／ＮＶＩＤＩＡ－ＮＥＬＤ．ｐｄｆから入手可能なＬａｎｍａｎ ｅｔ ａｌ．の「Ｎｅａｒ－ｅｙｅ ｌｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｐｌａｙｓ」に記載されている。Ｌａｎｍａｎ ４Ｄ光照射野ジェネレータは、ＯＬＥＤマイクロディスプレイと、マイクロディスプレイと視聴者の目との間の中間マイクロレンズアレイとから成る。
【0118】
方程式２に戻って参照すると、この式は方程式３で書き換えることが可能である。
方程式３
上式では、
方程式４
方程式３
【数9】
上式では、
方程式４
【数10】
【0119】
すなわち、合計及び積分の順序は入れ替えることができ、追加の伝搬項は、フーリエ係数の新しく定義されたセットに吸収することができる。特に、方程式４の合計部分は、光学伝達関数であり、Ｈｉｎのフーリエ係数とは関係なく評価できるため、ｓｐｕｐｉｌが変化する場合にだけ再計算される必要がある。これは、（ブロック１００２で）対象の光照射野の決定された位置がめったに変化しないとき、または時間の関数として完全に固定されるときに特に役立つ。これらの場合、計算の数は削減され、処理の効率は向上する。
【0120】
入力光照射野及び対象の光照射野の平面は互いに平行である場合があるが、コンバイナの入力カプラ及び出力カプラに対しては平行ではない。コンバイナが、入力光照射野及び対象の光照射野のｘ軸の周りで角度α、及びｙ軸の周りで角度β、回転される場合、コンバイナのローカル座標系内の回転された波動ベクトルｋ’は以下のとおり、定義される。
【数11】
【0121】
この場合、方程式４は、合計和項の波動ベクトルｋを回転された波動ベクトルｋ’で置換することによって修正される。これは方程式５に示される。
方程式５
方程式５
【数12】
【0122】
図１１に示される例では、画像複製コンバイナ１１００は、矩形平面シートの形をとる。しかしながら、本開示は任意の特定の形状を有する画像複製コンバイナに限定されない。特に、方法１０００は、コンバイナが非平面であるときに適用可能である。この場合、コンバイナを通して対象の光照射野を逆伝搬することによって入力光照射野を計算することは、図１１に関して説明された例に関してＨｉｎを計算した方法と同様に行われるが、コンバイナの特定の幾何学形状に対して考慮がなされている。
【0123】
さらに、入力光照射野を計算することは、ホログラフィック光照射野を計算することに関して説明されているが、本開示は、ホログラフィに結び付けられていない。特に、本開示を使用すると、決定された位置に所望の対象の４Ｄ光照射野を生成するために入力４Ｄ光照射野を計算することが可能である。４Ｄ光照射野は、ｘ、ｙ、θ、φの関数として光の強度を指定しており、ｘ、ｙは視聴者の瞳孔の中心の位置における空間座標であり、θ、φはその位置での光の角座標である。コンバイナ（コンバイナ１１００など）を通した伝搬は、４Ｄ位相空間の再マッピングを必然的に伴い、Ｈでｘ、ｙ、θ、φの値を有する各光線は、Ｈｉｎで値ｘ’、ｙ’、θ’、φ’を有する一意の対応する光線を有する。このマッピングは、標準のレイトレーシング技術を使用して決定できる。ただし、典型的な光照射野ディスプレイは、これらがディスプレイの見かけの解像度を設定するため、ｘ、ｙで粗くサンプリングし、θ、φでは密にサンプリングする。Ｈｉｎでのｘ、ｙのこのまばらなサンプリングは、Ｈでの画像アーチファクトとして現れる場合があるため、ホログラフィック光照射野はより高い画質を有し得る。
【0124】
方法１０００は、所望の位置に対象の光照射野を生成するために必要とされる入力光照射野を計算するために使用することができる。いくつかの例では、所望の位置は時間の関数として変化する場合がある。例えば、１つ以上の視線追跡センサは、リアルタイムの視聴者の瞳孔の位置に基づいて、ブロック１００２でＨの必要とされる位置を決定するために使用され得る。視線追跡センサは、視聴者の瞳孔の現在位置についてのライブデータを生成し、これをコンピューティングデバイスに中継し得る。コンピューティングデバイスは次に、対象の光照射野が、視聴者の瞳孔の中心の現在位置に生成される必要があるようにｓを決定し得る。実際には、視聴者は、現在表示中である画像内の対象のオブジェクトのポジションの変化、表示画像の明るさの変化、及びユーザーが画像を見ているときのユーザー自身の動きなど、いくつかの要因に基づいて目を動かす場合がある。この場合、Ｈの必要とされる位置は時間の関数ｓ（ｔ）であり、決定されたＨの必要とされる位置は、時間の関数として相応して変化する。
【0125】
他の例では、対象の光照射野の決定された位置は、初期較正に基づいている場合がある。固定ポジションに対象の光照射野を表示することの利点は、方程式４の式が、決定された固定ポジションで評価される項だけに依存するため、一度計算するだけで十分であることである。これにより、プロセスの効率は向上し、同じ処理リソースまたは省電力動作でより高速のフレームレート及び／またはより高い解像度が可能になる。このことの欠点は、表示される対象の光照射野のポジションが固定されているため、視聴者の瞳孔の移動によって、対象の光照射野の少なくとも一部が、視聴者の瞳孔が占めている現在の領域に重複しない場合があることである。
【0126】
図１０Ｂは、図８及び図９に示されるように、入力光照射野を所定の体積内の対象の光照射野に変換する別の例示的な方法１０２０を示す。方法１０２０は、それが方法１０００のブロック１００２～１０１０を含む点で方法１０００に類似している。例示的な方法１０２０では、入力光照射野Ｈｉｎを表示した後、ブロック１０１２は、対象の光照射野の位置が変更されるべきかどうかを判断することを含む。例えば、対象の光照射野が異なる位置に表示されるべきであると判断される場合がある。これは、例えば、視聴者の瞳孔が移動し、その結果、対象の光照射野が、新しい瞳孔の位置に再配置されるべきであると判断したことに基づくであろう。
【0127】
ブロック１０１２で、光照射野の位置が変更されるべきであると判断された場合、方法１０２０は、対象の光照射野の更新された位置が決定されるブロック１００２に戻り、続いて、ブロック１００４で、その更新された位置のための伝達関数を決定する。
【0128】
ブロック１０１２で、光照射野の位置が変更されるべきではないと判断された場合、次に、方法１０２０は、対象の光照射野が、必要とされる位置に表示されるために（再）計算されるブロック１００６に戻る。
【0129】
したがって、図１０Ｂの方法では、ブロック１０１２での決定は、視聴位置が変化したために伝達関数が更新されるべきであるかどうかを判断する。他の例では、表示される対象の光照射野はまた、方法１０２０の連続ループで変化する場合がある。例えば、対象の光照射野の位置が変化した場合、入力光照射野はブロック１００８で再計算され得、その場合、新しい伝達関数はブロック１００４で決定され、対象の光照射野に適用される。代わりに、またはさらに、表示のためのデータの変化がある場合、入力光照射野が再計算され得る。例えば、表示システムは、方法１０２０の各ループ（１００２～１０１２または１００６～１０１２のいずれか）がビデオコンテンツの単一のフレームの表示に対応し得るように、ビデオコンテンツを表示するように構成され得る。方法１０２０がブロック１００６に進むたびに、対応する新しい対象の光照射野を有する新しいフレームが存在する場合がある。ブロック１００８で、入力光照射野は、伝達関数を対象の光照射野に適用することによって計算される。伝達関数は、対象の光照射野の位置の変化に基づいて再計算された可能性がある。したがって、方法１０２０は、対象の光照射野が、フレーム単位で変更されるだけではなく、対象の光照射野の位置が、視聴位置が変化するにつれ変更される場合があるビデオ更新ループで使用することができる。
【0130】
別の例では、表示システムは、対象の光照射野が、これらのループ間で変化し得ないように静止画像を表示し得、その場合、いくつかの例は、ブロック１００６及び１００８におけるＨ及びＨｉｎの計算を省略し得る。ただし、入力光照射野は、対象の光照射野の位置の変化に基づいて依然として再計算される場合がある。
【0131】
入力光照射野が、画像複製コンバイナの物理的な入力面と一致する必要がないことを理解されたい。例えば、入力面に近い入力光照射野を対象に設定すると、満足のいく対象の光照射野が得られる場合もある。この文脈では、「近い」は、入力光照射野が入力面と一致すること、または入力面からの入力照射野の特定の距離を含む。例では、特定の距離は、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、及び４０ｍｍであってもよい。特定の距離は、対象の光照射野の所望の画質に依存する場合がある。例えば、表示システムでの１つの考慮事項は、対象の光照射野の物理的な面積が、人間の瞳孔の面積とほぼ一致することを確実にすることである。このため、特定の距離は、対象の光照射野の面積に依存する場合がある。入力光照射野が入力面に近いほど、画像生成ユニット側では、光線がコンバイナを横断するときの光線の拡散により、対象の光照射野の面積は大きくなる。入力光照射野が入力面に近いほど、画像生成ユニットの反対側では、対象の光照射野の面積は小さくなる。
【0132】
対応する入力光照射野を計算するためのコンバイナ１１００を通る対象の光照射野の逆伝搬は、そのような入力光照射野をどのように計算できるのかの一例である。本開示は、そのような計算を実行するためのいかなる特定の方法にも限定されない。方法１０００は、コンバイナの入射瞳へコンバイナを通して対象の光照射野を逆伝搬することによって入力光照射野を計算することを説明しているが、入力光照射野はまた、入射瞳から対象の光照射野の位置へ光照射野を順方向伝搬することによって計算することもできる。例えば、順方向伝搬は、所与の入力照射野から対象の光照射野を決定するために逆問題解決プログラムと併せて使用され得る。入力光照射野は、所望の対象の光照射野を生成するためになんらかの形態の反復処理を受ける場合がある。これは、所与の数の内部反射の場合、伝搬が厳密に可逆であるため、伝搬の方向が任意となるためである。
【0133】
入力光照射野がどのように決定されるのかに関わりなく、対象の光照射野の結果として得られる画質を向上させるために、３つの条件の１つ以上が適用され得る。これらの条件は、ここで、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃに関して説明される。
【0134】
第１の条件は、Ｈｉｎから順方向伝搬される光線ごとに、Ｈに寄与する１つの光線しかないことを必要とする。コンバイナの特性の結果として、複数の複製が、コンバイナの出力カプラで抽出される。コンバイナの入射瞳に入射する光線の２つ以上のコピーがＨの部分を形成することが可能である。Ｈを形成する追加の意図されていない光線の結果が、画像ノイズまたはアーチファクトとして現れる。この条件を満たさない光線の一例は、図１３Ａに示される。この配置では、コンバイナ１３００に対する単一の入射光線１３０２により、２つの光線１３０４、１３０６が、コンバイナ１３００から抽出され、Ｈの部分を形成することが分かる。
【0135】
いくつかの例では、第１の条件は、実質的に同等である光線のコピーに適用しない。実質的に同等な光線は、実質的に同じ経路長を有するが、コンバイナを通る異なるルートをたどる光線を含む。これは、各光線１３０４、１３０６が異なる経路長を有する図１３Ａに示される状況ではない。これは、図１５に関して以下にさらに説明される。
【0136】
第２の条件は、Ｈが、視聴者の瞳孔を完全にカバーするほど十分に大きい面積にわたって定義されることを必要とする。Ｈの面積が視聴者の瞳孔よりも小さい場合、次に、Ｈを形成しない複製された光線が視聴者の瞳孔によって受け取られる場合があり、その結果、視聴者が見る未定義の光線が画像ノイズまたはアーチファクトとして現れる。これを克服するために、Ｈは、例えば、（光に順応した瞳孔の典型的なサイズに相当する）少なくとも直径４ｍｍもしくは少なくとも６ｍｍ、または（暗さに順応した、つまり暗所視の瞳孔の典型的なサイズに相当する）少なくとも直径８ｍｍもしくは少なくとも１０ｍｍなど、少なくとも視聴者の瞳孔の面積に広がると定義され得る。代わりに、Ｈによって定義される光照射野が、視聴者の瞳孔の面積よりも小さい場合、Ｈは、必要とされるエタンデュを低減させるために、この領域の一部の境界面積についてゼロであると定義され得る。第２の条件を満たさない光線１３０８の一例は、図１３Ｂに示される。この例では、Ｈは、視聴者の瞳孔の面積よりも小さい面積を占めるように定義される。結果的に、入射光線１３０８は、Ｈの部分を形成しないが、視聴者の瞳孔と交差するコピー１３１０を有する。
【0137】
第３の条件は、Ｈから逆伝搬される光線ごとに、Ｈｉｎに寄与する光線があることを必要とする。これが当てはまらない場合、次に、Ｈｉｎから開始する光線で光線を生成する可能性はないため、Ｈから欠落する光線がある。第３の条件を満たさない逆伝搬された光線１３１２の例が、図１３Ｃに示される。この例では、コンバイナ１３００の出力カプラに入射する逆伝搬光線１３１２によって、Ｈｉｎを形成しない反射光線が生じる。
【0138】
図１０Ａに示される方法１０００を実行する任意のプロセスの場合、上記の３つの条件は、満足のいく結果を達成するためにほぼ満たされる必要がある。光線ごとにすべての条件が満たされることは重要ではないが、これらの条件を満たしていない光線は画像内でエラーとして表示されるため、準拠していない光線（３つすべての条件を満たしていない光線）の合計割合は、１０％未満、５％未満、１％未満、０．５％未満、または０．１％未満など、小さくなければならない。いくつかの場合、特定の光線を含めることによって、条件の１つ（以上）が違反となるであろう場合、その光線は、Ｈから除外するように選ばれ得る。これが当てはまる場合、Ｈ内の他の光線は、準拠していない光線の除外を補償するための高められた強度を有するように任意選択で選ばれ得る。
【0139】
方法１０００または代替の方法に従って入力光照射野を計算し、上述の３つの条件をほぼ満たすことによって、画像複製コンバイナに対して任意の体積内に対象の光照射野を配置できるだけではなく、結果として得られる対象の光照射野は、スプリアスなノイズ及びアーチファクトが低減されて表示される。特に、通常、焦点の拡散など、画像複製コンバイナを使用して近視野の画像を表示することに関連する問題は、視聴者に表示される所望の光照射野を生成するために入力光照射野を明確に計算し、意図しない光線が所望の光照射野の一部を形成しないことを確実にすることによって回避される。これは、複数の複製を生成するために、入力光照射野が最初に計算され、コンバイナの入射瞳で表示される対象の光照射野を生成する通常の方法とは対照的である。
【0140】
ここで図２Ｂに戻り、上記の理解を踏まえると、出力での位相空間の所与の領域内で対象の光照射野が達成されるように、光照射野が入力でどのように選ばれ得るのかが分かる。これが最高の成功で達成されるためには、各別個の複製の位相体積の重複が、可能な限り少なくなることが必要である（これは、間接的には、入力での所与の光線の場合、出力で１つの光線しか存在してはならないという、図１３Ａに示される要件に相当する）。さらに、別個の複製の結合された位相体積は、指定された出力位相体積２０８の可能な限り大きい割合をカバーする必要がある（これは、図１３Ｃに示される、出力でのあらゆる光線は、入力での対応する光線でなければならないという要件に相当する）。
【0141】
説明されたように、これらの条件は正確に満たされる必要はなく、これらの条件からのわずかな逸脱は、特定の光線を除外し、光線を、同じオブジェクト点から発生する準拠した光線に置き換えることによって補償され得る。
【0142】
別個の複製が位相空間内でどのように現れるのかの幾何学形状は、画像複製コンバイナの特性である。上述の条件に概して準拠するためには、画像複製コンバイナが、位相空間内で複製された出力の最適なタイル表示を提供するように設計される必要があることは明らかである。具体的には、画像複製コンバイナは、１）対象の出力位相体積に必要とされる位相空間内の高い割合の体積に、別個の複製の結合された位相体積が広がり、２）対象の出力位相体積に必要とされる位相空間内の低い割合の体積が、複数の重複する別個の複製によってカバーされるように設計される必要がある。いくつかの例では、コンバイナは、別個の複製の結合された位相体積が、対象の出力位相体積に必要とされる位相空間内で体積の７５％、８０％、９０％、９５％、及び９９％と同程度に広がるように設計される必要がある。ただし、十分に高い割合は、光照射野及びユーザーの瞳孔のサイズの特性に依存する。特定の場合、許容可能な割合は、５％ほど低くなるであろう（例えば、まばらにサンプリングされた光照射野及び高度に拡張された瞳孔の場合）。複数の重複する別個の複製によってカバーされる位相空間内の体積は、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％など、いくつかの例では対象の出力位相体積の５０％と１０％との間であってよい。複数の重複する別個の複製によってカバーされる位相空間内の体積は、他の例では対象の出力位相体積の５％または１％など、より低い場合がある。
【0143】
ここで図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、及び図１４Ｄを使用して、画像複製コンバイナの幾何学形状を上記の条件との準拠に関して考慮する方法を説明する。図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、及び図１４Ｄは、１つの軸に沿った複製を示しているが、この概念を２方向での複製にどのように拡張し得るのかは容易に理解し得る。
【0144】
理想的な状況が上述されており、対象の位相体積の大部分は最小の重複で広がり、欠落または重複した光線に対する補正はほとんどまたは全く適用される必要はない。ただし、十分に大きい位相体積を有する画像生成ユニットを生成することも、複製間にギャップを有さない画像複製コンバイナを生成することも不可能または効率的ではない場合があり、したがって、好ましい設計は、実際的な制限を考慮する必要がある場合がある。
【0145】
図１４Ａを参照すると、法線入射の方向で移動する光線だけから成る入力光照射野１４１０が示されている。この入力光照射野は、１４１２、１４１４、１４１６として複数回複製される。単一の光線の複数の複製は、出力面１４０８において、複製ピッチと呼ぶ特定の間隔１４１８で画像複製コンバイナ１４０４から抽出される。制限開口１４０６の幅が複製ピッチ１４１８よりも小さい場合、複製間にギャップ１４２０があり、この入射角には光線は存在しない。システム１４００の制限開口が、どちらがより小さいのかに関わりなく、画像生成ユニット１４０２の射出瞳、または画像複製コンバイナ１４０４の入力瞳孔１４０６である場合があることに留意されたい（ただし、通常、両方ともほぼ同じサイズとなる設計となる）。
【0146】
複製ピッチ１４１８、したがって、複製間のギャップ１４２０も、光が画像複製コンバイナ１４０４に入射する角度の関数である。図１４Ｂを参照すると、１４２８で示される入射角での光線だけから成る入力光照射野１４２６の場合、複製ピッチ１４３０は最大化され、１４３２として示される複製間の最大ギャップを生じさせる。
【0147】
視聴者の目１４２４の位置だけではなく、１４２２で示される視聴者の瞳孔のサイズも示される。視聴者の瞳孔の幅が複製間の最大ギャップよりも大きいのであれば、次に、すべての角度からの少なくとも１つの光線が目に入り、複製間のギャップのために表現できないいずれの光線も、他の光線の強度を高めることによって補償され得る。
【0148】
図１４Ｃを参照すると、１４３６で示される入射角での光線だけから成る異なる入力光照射野１４３４の場合、複製ピッチ１４３８は最小限に抑えられ、１４４０として示される複製間の最小ギャップを生じさせる。図１４Ｄに示される実施形態など、特定の実施形態では、最小複製ピッチ１４４２は、制限開口１４０６よりも小さい場合がある。これにより、複製間の最小ギャップ１４４４が負になり、隣接する複製間に、ギャップではなく重複があることを意味する。
【0149】
どちらの場合も、最小複製ピッチが視聴者の瞳孔の幅よりも大きいならば、視聴者は、任意の所与の光線の複製の１つだけしか見ない。視聴者の瞳孔のサイズが最小複製ピッチよりも大きい場合、次に、複数の複製が瞳孔に入る光線は除外され、他の光線の強度の増加により補償され得る。これにより、最大瞳孔サイズを最小複製ピッチの約２倍にすることが可能である。
【0150】
視聴者の瞳孔の幅は照明条件に依存し、さらに人により変わるため、考えられる瞳孔サイズの範囲を検討しなければならない。画像生成ユニット及び画像複製コンバイナの具体的な設計は、システムが連動するように指定された視聴者の瞳孔サイズの指定された範囲に依存する。
【0151】
典型的なアプリケーションは、２～８ｍｍの範囲の視聴者の瞳孔の名目上の幅のために設計され得る。これらの条件を満たすことは、複製間の最大ギャップが、２ｍｍという視聴者の最小瞳孔サイズ未満となり、最小複製ピッチが４ｍｍ以上（つまり、視聴者の最大瞳孔サイズの半分以上）になることを必要とするであろう。そのような画像複製コンバイナの出力は、瞳孔サイズの範囲にわたって許容可能な性能を提供しながらも、比較的に小さい割合の対象の位相体積にしか及ばない場合がある。
【0152】
【0153】
導波路は、厚さが４．０ｍｍ、及び屈折率が２．０のガラス基板を有する。入力結合回折格子は、入射角１４２８、１４３６がゼロであるときに、５．５ｍｍの制限開口幅１４０６に一致する複製ピッチ１４１８を有する。
【0154】
＋９°の入射角１４２８（図１４Ｂ）で、複製ピッチは６．７ｍｍとなるため、複製１４３２の間の最大ギャップは１．２ｍｍとなる。これは、人間の目の瞳孔の典型的な最小直径に満たない。
【0155】
－９°の入射角１４３６（図１４Ｄ）で、最小複製ピッチ１４４２は４．５ｍｍとなる。この距離は、周辺輝度が１Ｃｄ／ｍ２であるとき、典型的な人間の目の瞳孔の直径よりも大きい。
【0156】
これらのパラメータは、視野測定と同じ軸に沿った１次元の複製を考慮する。ただし、これらのパラメータは、当業者が自身で導き出すことができる２次元複製コンバイナの場合には、大きく変化しない。
【0157】
２Ｄ画像複製コンバイナの他の設計の場合、複製された位相体積が非直線グリッド上でモザイク状になるような設計になる可能性がある。
【0158】
入力光線と出力光線の同じ対形成が（例えば、ＷａｖｅＯｐｔｉｃｓ（登録商標）導波路においてのように）コンバイナを通る複数の別個の経路を介して達成され得る画像複製コンバイナ設計の場合、重複しない位相体積という条件は、互いにほぼ同一である重複する位相体積について無視してよい。このタイプのコンバイナ設計がどのように動作するのかの一例は、図１５に示される。特に、図１５は、そのようなコンバイナを通る別個の経路の表示、及び光線がどのように異なる経路に沿って移動するが、コンバイナの出力面上の同じ点１５０８に到達するのかを示す。例えば、１５０２及び１５０４とラベルが付けられたコンバイナを通る２つの別個の経路に沿って移動する光線は、コンバイナ上またはコンバイナ内の同じ点に到達する。その点１５０８で抽出された光線は、（コンバイナを通る他の考えられる経路だけではなく）経路１５０２及び１５０４の両方に沿って移動したことになる。
【0159】
図１５の画像複製コンバイナを用いるなど、いくつかの場合、入力光照射野の少なくとも２つの異なる複製から受け取られた光線は、対象の光照射野Ｈの単一の点で一致する。それらの光線は、一般にコンバイナを通して同じ経路長をたどっており、その結果、それらの光線は実質的に同等であるため、これは許容できる。いくつかの例では、第１の角度でＨの単一点で受け取られた光線は、第１の複製からである場合があり、第２の角度でＨの単一の点で受け取られた光線は、第２の複製からである場合がある。
【0160】
異なる経路をたどるが、実質的に同等である光線は、図１５に示されるコンバイナの構造に限定されない。
【0161】
両眼撮像
上記説明は、近視野表示用に所望の光照射野Ｈを生成するための入力光照射野の計算を含んでおり、Ｈは、単一の連続する瞳孔に相当する。実際に、両眼画像は、瞳孔ごとに１つずつ、２つのディスプレイを提供することによって形成することができる。そのような解決策は、例えば、ヘッドマウントディスプレイの様式の従来のメガネによく適しているだろう。
上記説明は、近視野表示用に所望の光照射野Ｈを生成するための入力光照射野の計算を含んでおり、Ｈは、単一の連続する瞳孔に相当する。実際に、両眼画像は、瞳孔ごとに１つずつ、２つのディスプレイを提供することによって形成することができる。そのような解決策は、例えば、ヘッドマウントディスプレイの様式の従来のメガネによく適しているだろう。
【0162】
上述の原理を拡張して、画像複製コンバイナの入射瞳に表示されるときに、コンバイナに対して任意の位置に複数の対象の光照射野を形成する入力光照射野を計算することも可能である。特に、逆伝搬瞳孔のための上述のプロセスは、依然として適用可能であり、Ｈは、ここで複数の逆伝搬された光照射野の合計となる。これは、特に、視聴者の瞳孔の両方に対応する２つの対象の光照射野を生成するために、ただ１つの画像生成ユニット及び１つの画像複製コンバイナが必要とされ、視聴者の瞳孔のポジションに対応する位置に表示される、ヘッドマウントディスプレイ及びヘッドアップディスプレイで役立ち得る。そのようなヘッドマウントディスプレイは、例えば、両眼を覆う単一のバイザーを含む可能性があり、一方、ヘッドアップディスプレイは、両眼が見るフロントスクリーンなどの単一のスクリーンを含む可能性がある。
【0163】
図１６は、コンバイナ１６００の入射瞳１６０２における光照射野が、コンバイナ１６００のそれぞれの有効なアイボックス１６０４、１６０６で２つの対象の光照射野、Ｈ１及びＨ２に変換されている例示的な画像複製コンバイナ１６００の概略図である。第１の有効なアイボックス１６０４は、コンバイナ１６００の入射瞳１６０２の中心から距離｜ｓ１｜に位置する。第２の有効なアイボックス１６０６は、コンバイナ１６００の入射瞳１６０２の中心から距離｜ｓ２｜に位置しており、ｓ１及びｓ２は、有効なアイボックス１６０４、１６０６の中心から入射瞳１６０２の中心への変位ベクトルである。視聴者の瞳孔と位置合わせするためにｓ１及びｓ２を選択すると、この配置が両眼ディスプレイの一部を形成することが可能になり、単一の入力光照射野Ｈｉｎは、コンバイナ１６００に対して所定の体積内に位置決めされる所望の光照射野Ｈ１及びＨ２を生成するために計算され、コンバイナ１６００の入射瞳１６０２に表示され得る。
【0164】
複数の対象の光照射野（Ｈ１、Ｈ２、…）の結合されたエタンデュが、Ｈで利用可能なエタンデュに満たないならば、次に解決策はまだ存在する場合がある。ただし、より複雑な幾何学形状は、すべての瞳孔に対して図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃを参照して上述された３つの条件を同時に満たすコンバイナがより複雑であることを意味する。
【0165】
図１７は、単一の入力光照射野から対象の光照射野Ｈ１及びＨ２を生成するために使用され得る回折格子幾何学形状を含む、例示的な画像複製コンバイナ１７００を示す。コンバイナ１７００は、コンバイナ１１００の対応する回折格子１１０２、１１０４、１１０６に類似した結合機構を有する入力結合回折格子１７０２と、リダイレクション回折格子１７０４と、出力結合回折格子１７０６とを含む。しかしながら、コンバイナ１７００の入射瞳の面積は、必要とされるエタンデュを達成するために、同じ視野を有する対象瞳孔の面積（Ｈ１及びＨ２のそれぞれの面積）の２倍である。この場合、これは、視聴者の目がコンバイナ１７００に対して水平であると仮定して、２：１のポートレートアスペクト比で達成される。図１７では、例えば、Ｈ１及びＨ２を結合する線とコンバイナ１７００の両方が、ｘ方向に沿って位置合わせされている。
【0166】
方法１０００は、対象の光照射野Ｈ１及びＨ２を生成するために、コンバイナの入射瞳に表示するための入力光照射野を計算するためにこの配置に適用され得る。すなわち、対象の光照射野Ｈ１及びＨ２のそれぞれの必要とされる位置は、コンバイナに対して決定され得る。必要とされる位置は、Ｈ１及びＨ２が瞳孔と位置合わせするように配置されるように、視聴者の瞳孔の決定された位置であってよい。
【0167】
必要とされる位置に表示される対象の光照射野Ｈ１及びＨ２が計算される。上述のように、Ｈ１及びＨ２を計算することは、それらの必要とされる位置を決定することの前に発生し得る。入力光照射野は、次に、コンバイナを通してコンバイナの入射瞳へ対象の光照射野Ｈ１及びＨ２を逆伝搬することによって計算される。これは、コンバイナ（コンバイナ１７００など）のより複雑な幾何学形状を考慮に入れ、図１１を参照して上述されたように達成することができる。計算された入力光照射野は、次に、適切な表示方法を使用してコンバイナの入射瞳に表示され得る。
【0168】
両眼視聴の視聴経験を改善するために、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃを参照して上述された３つの条件は、少なくともほぼ満たされるべきである。これは、コンバイナの設計によって達成できる。例えば、コンバイナの回折格子は、コンバイナの表面に垂直な線の周りで回転され、コンバイナの中心に位置決めされ得る。図１７の例では、コンバイナ１７００の回折格子１７０２、１７０４、１７０６は、コンバイナに対して回折格子１１０２、１１０４、１１０６に関して回転される。結果的に、複製は、コンバイナ１１００によって生成される複製と比較すると、コンバイナ１７００に対して回転されるグリッドを形成する。特に、回折格子の方向は、コンバイナ１７００の設計中に、所与のＩＰＤに対して逆正接（瞳孔直径／ＩＰＤ）となるように設定された角度だけ、回転される。人間の成人の大部分でのＩＰＤの典型的な値は５０～７５ｍｍの範囲にあり、研究によると、成人の平均ＩＰＤが約６３ｍｍであることが判明している。視聴者の目を結ぶ線がコンバイナ１７００に対して水平であるとき、これは、上述の必要とされる３つの条件を満たす光線の数を最大にする。すなわち、Ｈ１を通過する光線のすべての複製を考慮すると、最小数の意図しない光線もＨ２を通過し、その逆も同様である。
【0169】
この例は、ここで、コンバイナ１７００によって生成される複製１８００のアレイを示す図１８を参照することによりさらに説明される。Ｈ１を通過する所与のフィールドからの光線の束は、（長い破線の輪郭で示される）設定されたピッチで複製され、Ｈ２（短い破線の輪郭で示される）についても同様である。複製ピッチの角度及びアスペクト比によって、Ｈ１からの複製された光線は、一般にＨ２と交差せず、逆も同様である。複製ピッチは、一般に光線角度の関数であるため、一般にすべての光線に対して必要とされる条件を満たすことは可能ではない。しかしながら、上述のように、３つの条件を満たさない光線は、除外され、同じ像点から発生するが、可能であれば、条件を満たす他の光線に置き換えられ得る。
【0170】
上記の配置は、視聴者の瞳孔の両方による視聴のために対象の光照射野の表示を必要とする任意のシステムにおいて実装され得る。例は、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、ディスプレイパネル、または他のディスプレイタイプを含む。自動車用ＨＵＤの場合、本開示によるコンバイナは、コンバイナからの光を視聴者に反射する曲線状のフロントガラスの一部を形成し得る。このフロントガラスの影響は、方法１０００のブロック１００４（コンバイナを通る対象の光照射野の伝搬）中にモデル化され、考慮に入れられ得る。
【0171】
例示的な表示システム
図１９は、画像を生成し、視聴者に対して表示するために、上述のシステムのいずれかに実装され得る例示的な表示システム１９００の概略図を示す。表示システム１９００は、処理システム１９１０と、画像生成ユニット１９２０と、画像複製コンバイナ１９３０と、視線追跡システム１９４０とを含む。処理システム１９１０は、１つ以上のプロセッサと、メモリと、ソフトウェアコンポーネントとを含み得る。１つ以上のプロセッサは、データを処理するように構成され、メモリは、様々な動作及び／または機能を実行するための命令を格納するように構成されたコンピュータ可読媒体（例えば、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体、ソフトウェアコンポーネントの１つ以上がロードされたデータストレージ）を含むことができる。プロセッサは、メモリに格納された命令を実行して、動作の１つ以上を実行するように構成される。
図１９は、画像を生成し、視聴者に対して表示するために、上述のシステムのいずれかに実装され得る例示的な表示システム１９００の概略図を示す。表示システム１９００は、処理システム１９１０と、画像生成ユニット１９２０と、画像複製コンバイナ１９３０と、視線追跡システム１９４０とを含む。処理システム１９１０は、１つ以上のプロセッサと、メモリと、ソフトウェアコンポーネントとを含み得る。１つ以上のプロセッサは、データを処理するように構成され、メモリは、様々な動作及び／または機能を実行するための命令を格納するように構成されたコンピュータ可読媒体（例えば、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体、ソフトウェアコンポーネントの１つ以上がロードされたデータストレージ）を含むことができる。プロセッサは、メモリに格納された命令を実行して、動作の１つ以上を実行するように構成される。
【0172】
処理システム１９１０は、処理システム１９１０から受け取られた命令に従って光照射野を生成するように構成された画像生成ユニット１９２０に結合される。画像生成ユニット１９２０は、画像複製コンバイナ１９３０が視聴者への表示のために対象の光照射野を生成するように、画像複製コンバイナ１９３０の入射瞳の近くに入力光照射野を表示するように配置される。
【0173】
視線追跡システム１９４０は、処理システム１９１０に結合され、視聴者の瞳孔の位置を監視するように構成される。視線追跡システム１９４０は、視聴者の瞳孔の位置を示すデータを処理システム１９１０に提供する。視線追跡システム１９４０は、視聴者の瞳孔の位置を示す更新されたデータを、時間の関数として周期的に、非周期的に、または連続して提供し得る。処理システム１９１０は、提供されたデータを使用して、対象の光照射野を表示する位置を決定する（例えば、方法１０００のブロック１００２で）。処理システム１９１０はまた、決定された位置に表示される対象の光照射野も計算する（例えば、方法１０００のブロック１００６）。さらに、処理システム１９１０は、視聴位置にある対象の光照射野と画像複製コンバイナの入力面に近い入力位置との間で、画像複製コンバイナを通る光の伝搬を定義する伝達関数を最初に決定することによって、入力光照射野を計算し、入力光照射野を得るために対象の光照射野に伝達関数を適用し、入力位置に入力光照射野を表示するように構成される。処理システム１９１０は、画像生成ユニット１９２０に、計算された入力光照射野を表示するように命令するようにさらに構成される（例えば、方法１０００のブロック１０１０）。
【0174】
いくつかの例では、視線追跡システム１９４０は、初期較正手順の一部として視聴者の瞳孔の位置を示すデータを生成するように構成される。その初期較正手順の後、視線追跡システム１９４０は、視聴者の瞳孔の位置をさらに監視しない場合があり、その結果、位置は、別の較正が実行されるまで同じままとなる。
【0175】
傾斜画像生成ユニット
図１１では、画像生成ユニット（図示せず）は、（図７ａ～図７ｄに示される配置と同様に）画像生成ユニットの射出瞳が、コンバイナ１１００の入力カプラ１１０２とほぼ一致し、コンバイナ１１００の入力カプラ１１０２に概して平行になるように、入力光照射野を提供するように配置される。ただし、これは当てはまる必要はない。図２０は、画像生成ユニット２００２と、画像複製コンバイナ２００４と、画像生成ユニット２００２の射出瞳にある回折格子２００６とを有し、したがって、画像生成ユニット２００２の射出瞳が、画像複製コンバイナの入力面に対して傾斜している、例示的な光学システム２０００を示す。射出瞳の複製された画像は、コンバイナ出力アイボックスから見られるとき、単一平面上にある。したがって、射出瞳画像間のギャップを最小限に抑えることができる。これにより、目で見たときの画像の均一性は改善し得る。さらに、隣接する射出瞳画像間の光路長は最小限に抑えられ得、その結果、画像生成ユニットの照明源が低いコヒーレンス長を有するとしても、射出瞳画像全体にわたってコヒーレンスが維持され得る。これにより、目で見たときの画像の解像度は改善し得る。
図１１では、画像生成ユニット（図示せず）は、（図７ａ～図７ｄに示される配置と同様に）画像生成ユニットの射出瞳が、コンバイナ１１００の入力カプラ１１０２とほぼ一致し、コンバイナ１１００の入力カプラ１１０２に概して平行になるように、入力光照射野を提供するように配置される。ただし、これは当てはまる必要はない。図２０は、画像生成ユニット２００２と、画像複製コンバイナ２００４と、画像生成ユニット２００２の射出瞳にある回折格子２００６とを有し、したがって、画像生成ユニット２００２の射出瞳が、画像複製コンバイナの入力面に対して傾斜している、例示的な光学システム２０００を示す。射出瞳の複製された画像は、コンバイナ出力アイボックスから見られるとき、単一平面上にある。したがって、射出瞳画像間のギャップを最小限に抑えることができる。これにより、目で見たときの画像の均一性は改善し得る。さらに、隣接する射出瞳画像間の光路長は最小限に抑えられ得、その結果、画像生成ユニットの照明源が低いコヒーレンス長を有するとしても、射出瞳画像全体にわたってコヒーレンスが維持され得る。これにより、目で見たときの画像の解像度は改善し得る。
【0176】
この例では、画像生成ユニット２００２の射出瞳における回折格子２００６によって、画像複製コンバイナ２００４の出力面に垂直な軸上で視野を中心に置くことが可能になる。画像生成ユニット２００２によって発せられた光線の束を傾斜させる別の手段はプリズムである。そのような回折格子またはプリズムは、画像複製コンバイナ２００４の不可欠な部分となるであろう。
【0177】
実験結果
図２１は、図３に示される表示システム３００などの従来の表示システムによって生成された画像２１００を示す。この例では、画像生成ユニットは、１４ｍｍの射出瞳直径、及び約１０度の視野（対角線）を有する。画像２１００は、５ｍｍの入力瞳孔サイズを有するカメラを使用して取り込まれた。画像２１００は、図５及び図６に関して説明された例に類似しているが、宇宙飛行士５０４、６０４は、宇宙船２１０４に置き換えられている。再び、惑星２１０２は、惑星２１０２上の任意の点から発する光線が平行にされるように、無限深さにあるオブジェクトである。したがって、予想どおり、惑星２１０２は、アーチファクトなしで表示される。一方、宇宙船２１０４は、宇宙船２１０４のオブジェクト上の任意の点から発する光線が平行にされないように、有限深さを有するオブジェクトである。宇宙船２１０４の有限深さから生じるゴーストの影響は明確に見ることができ、結果的に、満足のいかないホログラフィック視聴経験となる。
図２１は、図３に示される表示システム３００などの従来の表示システムによって生成された画像２１００を示す。この例では、画像生成ユニットは、１４ｍｍの射出瞳直径、及び約１０度の視野（対角線）を有する。画像２１００は、５ｍｍの入力瞳孔サイズを有するカメラを使用して取り込まれた。画像２１００は、図５及び図６に関して説明された例に類似しているが、宇宙飛行士５０４、６０４は、宇宙船２１０４に置き換えられている。再び、惑星２１０２は、惑星２１０２上の任意の点から発する光線が平行にされるように、無限深さにあるオブジェクトである。したがって、予想どおり、惑星２１０２は、アーチファクトなしで表示される。一方、宇宙船２１０４は、宇宙船２１０４のオブジェクト上の任意の点から発する光線が平行にされないように、有限深さを有するオブジェクトである。宇宙船２１０４の有限深さから生じるゴーストの影響は明確に見ることができ、結果的に、満足のいかないホログラフィック視聴経験となる。
【0178】
図２２は、本明細書に説明される例に従って表示システムによって生成される画像２２００を示しており、伝達関数が決定され、表示前に対象の光照射野に適用される（表示システム７００、８００、９００、１６００、１９００のいずれかなど）。使用された画像生成ユニットは、図２１に示される画像２１００を生成するために使用された従来の表示システムで使用されたのと同じであった。図２１に示される画像２１００を取り込むために使用されたのと同じカメラはまた、図２２００に示される画像２２００を取り込むために使用された。方法１０００、１０２０のいずれかを適用する効果により、有限深さでのオブジェクトのゴーストが大幅に低減されたホログラフィック画像が得られることが観察できる。図２１においてのように、惑星２２０２は、平行にされた光線を使用して無限深さで表示されるため、惑星２２０２はゴーストなしで表示される。しかしながら、ここでまた、宇宙船２２０４は、著しいゴーストなしに単一のオブジェクトとして示される。したがって、本明細書に説明される技術は、ホログラフィック画像を生成するために使用することができ、従来の表示システムを使用して生成されたホログラフィック画像と比較して改善された視聴経験を提供することが分かる。
【0179】
本開示の一部が、光線の概念に言及していることに留意されたい。Ｈがホログラムを記述している場合、「光線を除外する」概念は、「Ｈの一部の局所化された領域から空間周波数を除去すること」を意味すると解釈され得る。
【0180】
上記実施形態は、本発明の例示的な例として理解されるべきである。例えば、画像複製コンバイナは、任意のタイプの画像複製コンバイナを含み得、その例は、導波路コンバイナ及びフリーフォームを含み、画像複製コンバイナは、いくつかの実施形態で使用される平面的な入力面及び出力面を有する２Ｄ画像複製導波路の特定な例に限定されない。
【0181】
詳細な説明は、対象の光照射野から入力光照射野に戻す逆伝搬に焦点を当てているが、方法は、入力光照射野から対象の光照射野への順方向伝搬にも等しく適用できる。
【0182】
本発明のさらなる実施形態は、例えば、同様の設計制約及び仮定を使用する方法などの代替設計方法を使用して想定される。任意の１つの実施形態に関連して説明された任意の特徴は、単独でまたは説明した他の特徴と組み合わせて使用し得、また、他の任意の実施形態の１つ以上の特徴、または任意の他の実施形態の任意の組み合わせと組み合わせて使用し得ることを理解されたい。さらに、添付の特許請求の範囲において定義される、本発明の範囲から逸脱することなく、上記説明されていない同等物及び修正も採用され得る。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【手続補正書】
【提出日】2024-06-03
【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】
画像複製コンバイナを使用して対象の光照射野を表示する方法であって、視聴位置に表示される対象の光照射野を決定することと、
前記視聴位置と前記画像複製コンバイナの入力面に近い入力位置との間で、前記画像複製コンバイナを通る光の伝搬を記述する伝達関数を決定することと、
前記決定された伝達関数を前記対象の光照射野に適用することによって入力光照射野を決定することと、
前記入力位置に前記入力光照射野を表示することと
を含む、方法。
【請求項2】
前記画像複製コンバイナの前記入力面に入射する光線の複数のコピーが、前記対象の光照射野に存在すると判断することと、前記入力光照射野から前記光線を除外することと
を含む、いずれかの請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記画像複製コンバイナの前記入力面に入射する光線の複数のコピーが、前記対象の光照射野に存在すると判断することと、前記光線の少なくとも２つのコピーが実質的に同等であると判断し、前記光線の前記少なくとも２つのコピーを前記入力光照射野に保持することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記対象の光照射野から前記画像複製コンバイナの入射瞳に逆伝搬された光線が、前記入力光照射野に存在しないと判断することと、前記対象の光照射野から前記光線を除外することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記除外された光線を補償するために別の光線のパワーを増加させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記対象の光照射野が、前記視聴位置における視聴者の瞳孔と少なくとも同程度に大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記対象の光照射野の面積が視聴者の瞳孔の面積に満たず、前記方法が、ゼロ振幅の要素を用いて前記対象の光照射野を拡大して、その結果、前記拡大した対象の光照射野が、少なくとも前記瞳孔の前記サイズの面積を有すること
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記対象の光照射野を決定することが、離散フーリエ変換を使用して前記対象の光照射野を平面波のセットに分解することと、
ゼロ振幅の要素を含むパディングを前記対象の光照射野の境界に適用することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
視聴者の瞳孔のポジションを決定することを含み、
前記視聴位置が、前記視聴者の瞳孔の前記決定されたポジションである、
請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記対象の光照射野が、それぞれが、各々の視聴位置を有する複数の別々の光照射野を含み、前記方法が、対象の光照射野を決定し、前記複数の別々の光照射野のそれぞれの入力光照射野を決定することと、
表示のために前記複数の別々の光照射野のそれぞれの前記入力光照射野を結合することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記対象の光照射野及び前記入力光照射野が、ホログラフィックフィールドまたは４次元光照射野である、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記対象の光照射野がホログラフィック光照射野であり、前記視聴位置が実質的に一定であり、
前記入力光照射野を決定することが、前記視聴位置と前記入力位置との間の前記伝搬に基づいた所定の定数を使用する、
請求項１に記載の方法。
【請求項13】
前記入力位置が、前記画像複製コンバイナの前記入力面に平行ではない表面である、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記伝達関数を決定することが、前記入力光照射野の少なくとも２つの異なる複製から受け取られた光線が、前記対象の光照射野を形成するものであると判断することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
前記少なくとも２つの異なる複製から受け取られた光線が、仮想オブジェクト上の単一の点で一致する、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
表示システムであって、画像複製コンバイナと、
前記画像複製コンバイナに入力を提供するように配置された画像生成ユニットと、
請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法を実行し、前記画像生成ユニットに前記入力光照射野を表示させるように構成された処理システムと
を備える、前記表示システム。
【請求項17】
前記視聴ポジションを示すデータを前記処理システムに提供するように配置された視線追跡システムを備える、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項18】
前記画像複製コンバイナが、すべての複製が、同じ入力電力に対して実質的に同じ出力電力を有するように構成される、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項19】
前記画像複製コンバイナへの前記入力が、前記画像複製コンバイナの前記入力面に平行ではない、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項20】
前記画像複製コンバイナが、前記入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され、隣接する複製画像間のギャップが、視聴者の瞳孔の直径よりも大きくない、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項21】
前記画像複製コンバイナが、前記入力光照射野の複数の複製画像を生成するように配置され、前記複数の複製画像の結合位相体積が、対象の位相体積の大部分をカバーする、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項22】
前記複製画像の前記位相体積が、前記対象の位相体積のごく一部分で重複する、請求項２１に記載の表示システム。
【請求項23】
前記画像複製コンバイナの複製ピッチが、前記入力瞳孔の幅にほぼ等しい、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項24】
前記画像複製コンバイナの複製ピッチが、前記視聴者の瞳孔の直径の半分よりも大きい、請求項１６に記載の表示システム。
【請求項25】
請求項１６に記載の表示システムを備える、ヘッドマウントディスプレイまたはヘッドアップディスプレイ。
【国際調査報告】