JP2019500649A - 拡張現実ニアアイウェアラブルディスプレイのためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ウェアラブル拡張現実ディスプレイシステムを提供する。１つ又は複数の発光型ディスプレイ素子は、眼鏡フレームのブリッジ領域に埋め込まれる。レンズに、透過型回折光学素子及び部分反射型回折光学素子のセットを設ける。ディスプレイ出力をレンズ素子に向けて配向し、次に回折素子が上記出力を、視認者のアイボックスに向けて配向する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月１８日出願の米国仮特許出願第６２／２６９，５１０号の優先権を主張するものであり、上記仮特許出願は、参照によりその全体が本出願に援用される。

本開示の一態様は、概してウェアラブル電子機器に関し、より詳細には拡張現実（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ：ＡＲ）ニアアイウェアラブルディスプレイに関する。

ウェアラブル光学電子装置は、集積回路及びディスプレイのサイズ、並びに関連するコストが縮小するに従って、一般化している。ウェアラブル光学電子装置は、多数の市販、軍事及び消費者向け用途を有する。従来のニアアイウェアラブルディスプレイによる解決策は、ユーザの快適さ又は審美性を考慮しない、煩わしく低解像度のアプローチを使用することが多い。

本明細書中の実施形態は、添付の図面の図において、限定ではなく例示として図示されており、これらの図では、同様の参照番号は同様の要素を示す。本開示中における、本発明の「ある（ａｎ）」又は「一（ｏｎｅ）」実施形態に対する言及は、必ずしも１つの同一の実施形態に対するものではなく、これらの言及は「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」を意味していることに留意されたい。また、図面を簡潔にし、また図面の総数を低減するために、ある１つの所与の図を用いて本発明の２つ以上の実施形態の特徴を図示する場合があり、また、ある１つの所与の実施形態にとって、このような図中の全ての要素が必要なわけではない場合がある。

図１は、本明細書中のある実施形態による、ニアアイディスプレイ眼鏡のブリッジ部分の両側に埋め込まれた２つのイメージャ又は光変調器を説明するための、及び上記２つのイメージャから生成され、眼鏡レンズによって２つのアイボックス（ｅｙｅ‐ｂｏｘ）へと再配向された、光の光線進路（ｒａｙ ｔｒａｃｅ）を説明するための、後方等角図である。 図２Ａ、２Ｂは、本明細書中のある実施形態による、ニアアイディスプレイの片側のイメージャから放出され、透過型回折光学素子（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ：ＴＤＯＥ）によって眼鏡レンズへと配向され、続いて部分反射型回折光学素子（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ：ＲＤＯＥ）によって瞳孔へと反射され、網膜上に集束する光線を説明するための、光線進路の図である。 図３は、眼鏡フレームのブリッジ部分内に２つのイメージャが埋め込まれ、２つのイメージャから生成された光の光線進路が眼鏡レンズによって２つのアイボックスへと再配向される実施形態を説明するための、ＡＲニアアイディスプレイの上面図である。 図４は、２つのイメージャが眼鏡フレームのブリッジ部分内に埋め込まれた実施形態を説明するための、ＡＲニアアイディスプレイの側面図である。 図５は、本明細書中のある実施形態による、眼鏡フレームのブリッジ部分内に埋め込まれた２つのイメージャと、２つのイメージャから生成され、眼鏡レンズによって２つのアイボックスへと再配向された、光の光線進路とを説明するための、ＡＲニアアイディスプレイの非透視等角断面図である。 図６は、本明細書中のある実施形態による、ＡＲニアアイディスプレイの視認者が知覚する、形成された仮想画像の位置を示す光線進路を説明するための図である。 図７は、本明細書中のある実施形態による、ＡＲニアアイディスプレイが形成する１対のアイボックスのサイズ及び位置を説明するための正面図である。 図８は、本明細書中のある実施形態による、イメージャが放出し、ＴＤＯＥによってＡＲニアアイディスプレイレンズへと配向され、続いてレンズ内に埋め込まれたＲＤＯＥ層によって視認者のアイボックスへと反射される光線の光線進路を説明するための図である。 図９は、本明細書中の１つの例示的実施形態によるＡＲニアアイディスプレイを説明するための概略図である。 図１０は、本明細書中のある実施形態による、２つのイメージャが眼鏡フレームのブリッジ部分の両側に埋め込まれ、２つのイメージャがＡＲニアアイディスプレイのアーム組立体に埋め込まれた実施形態を説明するため、及び上記４つのイメージャから生成され、眼鏡レンズによってＡＲニアアイディスプレイの２つのアイボックスへと再配向された光の光線進路を説明するための、透視等角背面図である。 図１１は、本明細書中のある実施形態による、眼鏡フレームのブリッジ部分内に埋め込まれた２つのイメージャ、及びＡＲニアアイディスプレイのアーム組立体に埋め込まれた２つのイメージャ、及び上記４つのイメージャから生成され、眼鏡レンズによって２つのアイボックスへと再配向された光の光線進路を示す、１つの例示的実施形態によるＡＲニアアイディスプレイを説明するための上面線図である。

これより、添付の図面を参照していくつかの実施形態を説明する。態様が明示的に定義されていない場合は常に、本開示の範囲は図示されている複数の部分のみに限定されず、これらの部分は単に説明を目的としたものである。また、数多くの詳細を記載するものの、いくつかの実施形態はこれらの詳細を用いずに実践され得ることが理解される。他の例では、公知の回路、構造及び技法は、本説明の理解を不明瞭にしないよう、詳細に示されていない。

本発明者らは、形状因子が小さく、また例えば美観上満足できるものである消費者向け眼鏡フレームでの使用に好適な、高解像度の拡張現実ニアアイウェアラブルディスプレイの必要を理解している。本明細書に記載の実施形態は、このような拡張現実ニアアイウェアラブルディスプレイを提供する。

本明細書中の実施形態は、１つ又は複数の発光型ディスプレイ素子（本明細書ではイメージャ又は光変調器と呼ばれる）を備えてよく、これらは一般的な眼鏡フレームのブリッジ又はフレームに埋め込むことができる。本明細書に記載の実施形態の１つ又は複数のレンズは、透過型回折光学素子（ＴＤＯＥ）及び部分反射型回折光学素子（ＲＤＯＥ）を備えてよい。ディスプレイ出力はレンズ素子に向かって配向され、次に回折素子が上記出力を視認者のアイボックスに向けて配向する。

一実施形態では、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイシステム（本明細書ではＡＲウェアラブルディスプレイと呼ばれる）を提供する能力を備えた、消費者向け眼鏡の一般的な（又は典型的な）見た目のセットとして構成できる、ニアアイウェアラブルディスプレイを開示する。一実施形態では、上記眼鏡は湾曲視認レンズを有する。

一実施形態では、本開示のＡＲウェアラブルディスプレイは、眼鏡の通常の（又は典型的な）見た目のセットのフレームシャーシ内に埋め込まれた、１つ又は複数の発光型マイクロピクセル光変調器を使用し、上記マイクロピクセル光変調器は、独立してアドレス指定できるフルカラー発光型マイクロピクセルのアレイと、上記発光型マイクロピクセルアレイを駆動するよう構成された電子回路とを備える、光電子半導体デバイスであり、これらは全て、眼鏡フレーム内に埋め込むために十分に小さい体積の単一の半導体チップ又はパッケージ内に集積される。

本明細書中の実施形態は、上述の光変調式発光型ディスプレイ素子の使用に限定されないこと、並びにＯＬＥＤ又は好適な電気的及び光学的特徴を有する同様のディスプレイ素子といったいずれの様式の電子ディスプレイ素子を用いてよく、これらは本開示の実施形態に関するいずれの請求項の精神及び範囲内であることを明記しておく。

１つの例示的実施形態では、ＡＲウェアラブルディスプレイ眼鏡のフレーム内に埋め込まれた発光型マイクロピクセル光変調器デバイスは、量子フォトニックイメージャ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ）、即ち「ＱＰＩ（登録商標）」イメージャをベースとしてよい。ＱＰＩ（登録商標）は、 Ｏｓｔｅｎｄｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．の登録商標である。Ｈ． Ｅｌ‐Ｇｈｏｒｏｕｒｙらが２０１０年３月１９日に出願した米国特許第８，０４９，２３１号を参照されたい。これは、高解像度ＧａＮ‐ＧａＡｓ積層ピクセルアレイの背面に集積された電源及び論理回路を有し、またピクセル積層体の上部に直接集積された超小型光学部品層を有する、超小型発光型固体光放出構造体技術である。この形態のイメージャは、極めて小さな体積しか占有しない、高電力効率ディスプレイを形成する。

本明細書に記載の実施形態と共に使用するために好適な、例示的なＱＰＩイメージャ（超小型発光型固体光放出ディスプレイ素子）としては、限定するものではないが、米国特許第７，６２３，５６０号；米国特許第７，８２９，９０２号；米国特許第８，５６７，９６０号；米国特許第７，７６７，４７９号；米国特許第８，０４９，２３１号；米国特許第８，２４３，７７０号に開示されているものが挙げられ、これらの特許はそれぞれ「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ」という名称であり、本出願人に譲渡されており、各特許の内容全体が参照により本出願に援用される。

上述のＱＰＩイメージャは、全ての必要なディスプレイ駆動回路構成を含む単一の発光型ディスプレイデバイスにおいて、高い輝度、非常に高速の光の多色強度、及び空間変調能力を特徴とする。本明細書に記載の実施形態の文脈において、用語「イメージャ」及び「光変調器デバイス」は、発光型マイクロスケール固体光（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌｉｇｈｔ：ＳＳＬ）放出ピクセルのアレイを備える光電子デバイスを包含することを意図したものである。このようなデバイスのＳＳＬ放出ピクセルは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はレーザダイオード（ＬＤ）、又は発光型マイクロスケールピクセルアレイがその上に形成された若しくは埋め込まれたＣＭＯＳ回路内に内包された駆動回路構成によってそのオン・オフ状態が制御されるいずれの固体光放出構造体であってよい。

ＱＰＩイメージャの発光性マイクロスケールピクセルアレイ内のピクセルは、駆動ＣＭＯＳ回路構成によって空間、色、時間的に個々にアドレス指定可能であり、これによりＱＰＩイメージャは、空間、色、時間的に変調された光を放出できる。ＱＰＩイメージャが放出する複数の色が、同一のピクセルアパーチャを共有すると有益である。ＱＰＩイメージャは、コリメートされた（又は非ランバート）光を、約±５°〜約±４５°の発散角度で放出する。ＱＰＩイメージャの発光性アレイを構成するピクセルのサイズは典型的にはおよそ５〜２０マイクロメートルであり、このデバイスの典型的な発光表面積は、およそ１５〜１５０平方ミリメートルとなる。ＱＰＩイメージャは、その発光性ピクセルアレイと上記イメージャの物理的縁部との間に最小の間隙を備えるように設計でき、これにより、多数のＱＰＩイメージャを傾斜させて、任意のサイズの表示領域を生成できる。

投影に関わる距離（投射距離）が比較的小さくなるため、ＱＰＩイメージャを用いて投影されたディスプレイを、大きな電力を必要とすることなく、極めて高輝度のものとすることができる。上述の米国特許のＱＰＩイメージャの微小光学素子及び集束モジュールは明らかに、非直線状投影表面及び投射距離を考慮して設計される。当然のことながら、ＱＰＩイメージャを、イメージャ若しくは光変調器として、又はイメージャ若しくは光変調器内で使用することが理想的であるものの、本明細書中の実施形態はそのように限定されず、望ましい場合には、本開示のイメージャ若しくは光変調器として、又は本開示のイメージャ若しくは光変調器内で、他のイメージャを使用してもよい。

図１に示すように、少なくとも２つの発光型マイクロピクセル光変調器デバイス１１０ａ、１１０ｂを、眼鏡フレーム１００のブリッジ部分内に埋め込んでよく、少なくとも１つの上記デバイスが各側に存在し、また各デバイスは、その発光アパーチャ光軸が、それぞれの側の眼鏡レンズ１２０ａ、１２０ｂに向かって配向されるように位置決めされる。

各光変調器デバイスの発光アパーチャは、発光型マイクロピクセル光変調器デバイスが眼鏡ブリッジ部分の体積範囲内に完全に埋め込まれた状態を維持しながら、マイクロピクセル光変調器の光軸を、それぞれの側の眼鏡レンズに向かって配向するのを補助する、光学「カバー」を含んでよい。一実施形態では、各光変調器デバイスに関連する光学カバーは、光変調器デバイス及びその光学カバーを眼鏡ブリッジ部分の体積範囲内に完全に埋め込むことができるよう、体積が小さい。一実施形態では、光変調器デバイスを眼鏡ブリッジ部分の体積範囲内に完全に埋め込むことができるような体積効率を達成するために、光学カバーを透過型回折光学素子（本明細書中では「ＴＤＯＥ」と呼ぶ）として提供してよい。光変調器デバイスを回折光学素子と組み合わせる、ここで議論される構成により、湾曲したレンズを有する眼鏡を備える拡張現実ウェアラブルディスプレイを提供できる。よって、顔に近接してフィットする眼鏡フレームを、拡張現実ニアアイデバイスとして提供できる。ＴＤＯＥ光学カバーを有する眼鏡フレームの一例を、図２Ａ、２Ｂの例に示す。

図２Ａ及び２Ｂに移ると、眼鏡フレーム１００と同様、眼鏡フレーム２００は、光学レンズ２２０及び光変調器デバイス２１０を含む。図２Ａ、２Ｂの実施形態では、光変調器デバイス２１０の発光アパーチャは、光変調器２１０の光軸を眼鏡レンズ２２０に向けて配向するのを補助するための、ＴＤＯＥ光学カバー２１５を含む。ＴＤＯＥ２６０は、レンズ２２０の、眼球２３０に対面する表面に堆積される。光変調器２１０から放出された光は、光学カバー２１５によってＴＤＯＥ２６０に向かって配向され、次に、レンズ２２０の、周囲のシーンに対面する表面内に埋め込まれた、反射型回折光学素子（ＲＤＯＥ）２５０によって、部分的に反射される。ＲＤＯＥ２５０は、放出された光を眼球２３０の瞳孔に向かって反射し、これを網膜上に集束させる。図６は、ある例示的実施形態による、眼鏡フレーム６００を装着したＡＲニアアイディスプレイの視認者が知覚する、形成された仮想画像６１０の位置を示す。眼鏡フレーム６００は例えば、図１に示す眼鏡フレーム１００又は図２Ａ、２Ｂに示す眼鏡フレーム２００であってよい。

図２Ａ、２Ｂの実施形態に示すように、光学カバー２１５等のＴＤＯＥ光学カバーは、各光変調器デバイス２１０（例えば１１０ａ、１１０ｂ）に関連付けられる。ＴＤＯＥ光学カバー２１５は、各アレイ内の光変調器デバイス２１０の各ピクセルの主な光線を、所望の角度方向にマッピングするよう構成してよく、これにより、光変調器デバイスのピクセルから放出された主な光線は、レンズ２２０からの反射後に眼球２３０の中央を通過し、従って快適な視認に必要な瞳孔適合機能が達成される。このようにして、各光変調器デバイスから放出される光を、瞳孔に向かうように操作できる。図２Ａ、２Ｂに示す光線は、可視光スペクトル内の様々な色を表し得る。

更に、各光変調器デバイス（例えば２１０）に関連付けられた本記載のＴＤＯＥ光学カバー２１５は、光変調器デバイスの各ピクセルから放出された主な光線を、所望の方向にマッピングすることが望ましく、これによって、網膜に投影された仮想画像の歪みを、光学歪み及び収差に関して十分に補正する。

他の実施形態ではＴＤＯＥ光学カバー２１５は任意であってよいことに留意されたい。例えば、光変調器デバイスの各ピクセルからの光錐が大きく、輝度のロールオフが許容可能なレベルである状況では、ＴＤＯＥ光学カバー２１５を省略してよい。

各光変調器デバイス２１０に関連付けられたＴＤＯＥ光学カバー２１５は、表面レリーフ又は体積レリーフナノインプリント技法を用いて実現してよい。一実施形態では、ＴＤＯＥ薄膜を、フォトリソグラフィプロセスを用いて実現してよい。一実施形態では、ＴＤＯＥ光学カバーの厚さは１０〜３０マイクロメートル（例えば１０、１３、１５、２０又は３０マイクロメートル）であってよい。一実施形態では、ＴＤＯＥ光学カバーは、ブラッグ格子（例えばファイバブラッグ格子）であってよい。一実施形態では、ＴＤＯＥは、体積ホログラフィック格子を備える。一実施形態では、上記格子は複数の直線で構成される。一実施形態では、上記格子は直線状ではない。一実施形態では、上記格子によって生成される面は、平面ではない。例えば上記格子は、高次多項式からなってよい。一実施形態では、上記格子は均一でなく、傾斜している。例えば上記格子は局在化されていてよく、及び／又は自由形状であってよく、形状は、眼鏡レンズの曲率半径及びニアアイディスプレイの視野によって規定される。一実施形態では、上記格子の上部及び底部は対称である。一実施形態では、上記格子の複数の線は、レンズの視認面全体にわたって連続していない（例えば不均一である）。一実施形態では、ＴＤＯＥは、眼鏡レンズの全表面を被覆しない。一実施形態では、上記格子の複数の線は、光学画像全体を横断しなくてよい。

少なくとも図１、２Ａ、２Ｂ、９に示すように、眼鏡のフレーム及びレンズ（例えば１００、２００）は、ヒトの前頭部の曲率半径と同一形状であってよく、光学カバーを通して光変調器デバイスのピクセルから放出された主な光線が、ヒトの眼の瞳孔と略共軸となる所定の位置において、眼鏡の湾曲したレンズと交差できるよう、十分な曲率半径を有する。図２Ａ、２Ｂの実施形態では、ＴＤＯＥ光学カバー２１５を通して光変調器デバイス２１０のピクセルから放出された光線は、眼鏡フレーム２００の湾曲したレンズに入射し、ニアアイディスプレイ装着者の瞳孔を名目上組み込んだニアアイディスプレイ２００の視認アイボックスに向かって反射される。

図２Ａ、２Ｂの光線進路において更に示されているように、一実施形態では、ニアアイディスプレイのアイボックスの直径２４０は約１６ｍｍであってよく、これは、ディスプレイ装着者の瞳孔の公称位置に眼球のサッカード（即ちある点から別の点へと焦点を変化させる瞳孔の運動）のためのマージンを加えたものを収容するために十分なものである。図７は、例示的な一実施形態による、ＡＲニアアイディスプレイによって形成される１対のアイボックス７３０ａ、７３０ｂのサイズ及び眼鏡フレーム２００に対する位置を示す、眼鏡フレーム２００の正面図である。

図３は、２つのイメージャを含む実施形態の上面図であり、イメージャ３１０ａ、３１０ｂがそれぞれ眼鏡フレーム３００のブリッジの一部分に埋め込まれている。眼鏡フレーム３００は、眼鏡フレーム１００又は眼鏡フレーム２００と同様であってよい。図４は、この実施形態の側面図を示し、各イメージャ３１０（それぞれ３１０ａ、３１０ｂ）が眼鏡フレーム３００のブリッジの一部分に埋め込まれている。図５は、一実施形態による、眼鏡フレームのブリッジの部分に埋め込まれた２つのイメージャ５１０ａ、５１０ｂの詳細な図であり、上記眼鏡フレームは眼鏡フレーム１００、２００又は３００と同様であってよく、光の光線進路は視認者のアイボックス５２０ａ、５２０ｂへと配向される。

図８は、イメージャ８１０が放出する光の光線進路が、視認者の眼球に対面する表面上にＴＤＯＥ層８３０を有するＡＲニアアイディスプレイレンズ８２０に向かって配向される様子を示す。放出された光は次に、レンズ８２０内に埋め込まれたＲＤＯＥ層８４０によって、視認者のアイボックスに向かって反射される。図８に示されている光線の束８５０（それぞれ８５０ａ、８５０ｂ、８５０ｃ）は、可視光スペクトル内の様々な色を表し得る。

一実施形態では、レンズ８２０、光変調器デバイス８１０、ＴＤＯＥ８３０、ＲＤＯＥ８４０は、光線の束（８５０ａ、８５０ｂ、８５０ｃ）がそれぞれ、図８に示されている略同一の地点で出会うように構成され、これにより眼が視野を増大させることができる。図８の実施形態では、光変調器８１０のピクセルの放出角度は平坦であり、従ってＴＤＯＥ光学カバー（図２Ａ、２Ｂに図示）が不要となっていると想定している。

図８は、光変調器デバイス８１０から放出された光のイメージング経路が眼鏡レンズ８２０と交差して眼へと戻る様子を示す。図８には、眼鏡レンズの前面を通って眼へと伝達される周囲環境からの光が図示されていない。これを補償するために、一実施形態では、上述のＴＤＯＥ光学カバー８３０に加えて、眼鏡フレームは、眼鏡レンズ８２０の外側表面（例えば眼鏡レンズの、周囲環境に対面する表面）上に設けられた、別のＴＤＯＥを有する。この第２のＴＤＯＥは、第１のＴＤＯＥ８３０の光学的相補物であってよい。例えば第２のＴＤＯＥは、第１のＴＤＯＥ８３０とは逆の傾斜及び方向を有してよい。従って第２のＴＤＯＥは、レンズを通して伝達された光の光学的効果を打ち消すことができる。

再び図２Ａ、２Ｂを参照すると、一実施形態では、眼鏡フレーム２００に対する眼球２３０の寸法（例えば角度、長さ）も決定してよい。直径２４０を含むアイボックスの寸法も決定される。これらの寸法を、眼鏡フレームのブリッジ上の光変調器デバイスの位置、及び選択された画像倍率と共に用いて、視野を算出する。光変調器デバイスが放出した光線は眼球内へと配向されてコリメートされるものと仮定して、光線及び眼鏡の表面の方向を考慮する。一実施形態では、上述の基準を用いて、ＴＤＯＥ及びＲＤＯＥを設計するためのパラメータを算出する。一実施形態では、最適化アルゴリズムを用いて上記パラメータを算出する。一実施形態では、光線眼鏡レンズの視認領域全体にわたるＴＤＯＥ又はＲＤＯＥの特徴を包含又はサンプリングするために、多数の光線を追跡し、各位置における特徴を算出する。

１６ｍｍのアイボックスを有する上述の例示的実施形態では、ニアアイディスプレイの全視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）はおよそ１０°である。しかしながら、アイボックスのサイズを例えば８ｍｍまで低減すると、ニアアイディスプレイのＦＯＶは１５°超まで増大する。なお、８ｍｍのアイボックスは、ディスプレイ装着者の瞳孔の公称位置にサッカードを加えたものを収容するために十分な大きさである。

ニアアイディスプレイ眼鏡の湾曲したレンズの反射性の態様は、眼鏡の湾曲したレンズ内に、図８の例においてＲＤＯＥ８４０によって、及び図２Ａ、２Ｂの例においてＲＤＯＥ２５０によって示される部分反射型回折光学素子（ＲＤＯＥ）薄膜を埋め込むことによって、実現できる。眼鏡の湾曲したレンズ内へのＤＯＥの埋め込みは、眼鏡の湾曲したレンズの片側上をコーティングした後、ポリマーの保護薄層で更にコーティングされる薄膜として、ＤＯＥを提供することによって実現できる。一実施形態では、ＲＤＯＥ薄膜を、眼鏡の視認用レンズの外側表面（例えばレンズの、周囲環境又はシーンに対面する表面）上に設ける。

一実施形態では、ニアアイディスプレイの湾曲したレンズ内に埋め込まれたＲＤＯＥ薄膜は、ニアアイディスプレイの湾曲したレンズを通して周囲環境を見ることができるようにするために十分な透過性を有し、これにより本実施形態のニアアイディスプレイは、ＡＲ性能を有する、光学的に「シースルーの」（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｅ‐ｔｈｒｏｕｇｈ：ＯＳＴ）拡張現実（ＡＲ）システムとなる。一実施形態では、ＲＤＯＥ薄膜は部分的に反射性である。一実施形態では、ＲＤＯＥは３０％の反射率特性を有してよい。一実施形態では、ＲＤＯＥの反射率は２０〜６０％であってよい。ＲＤＯＥの反射率特性が高すぎると、ニアアイディスプレイ装着者による周囲環境の視認が限定される場合があることに留意されたい。しかしながら、ＲＤＯＥは、光変調器デバイスから放出された光を効果的に反射するために十分な大きさの反射率特性を有していなければならない。従って一実施形態では、体積格子として実装されたＲＤＯＥを、シースルー光経路に対しては略透過性であるまま、光変調器デバイスからの光経路内の高反射率部品として挙動するように構成できる。この構成により、周囲シーンの輝度の効率が高まり、ほとんど低下しないことが保証される。

ニアアイディスプレイの湾曲したレンズ内に埋め込まれたＲＤＯＥ薄膜は、表面レリーフ又は体積レリーフナノインプリント技法を用いて実現してよい。一実施形態では、ＲＤＯＥ薄膜を、フォトリソグラフィプロセスを用いて実現してよい。一実施形態では、ＲＤＯＥ光学カバーの厚さは１０〜３０マイクロメートル（例えば１０、１３、１５、２０又は３０マイクロメートル）であってよい。一実施形態では、ＲＤＯＥ光学カバーは、ブラッグ格子であってよい。一実施形態では、ＲＤＯＥは、体積ホログラフィック格子を備える。一実施形態では、上記格子は複数の直線で構成される。一実施形態では、上記格子は直線状ではない。一実施形態では、上記格子によって生成される面は、平面ではない。例えば上記格子は、高次多項式からなってよい。一実施形態では、上記格子は均一でなく、傾斜している。例えば上記格子は局在化されていてよく、及び／又は自由形状であってよく、形状は、眼鏡レンズの曲率半径及びニアアイディスプレイの視野によって規定される。一実施形態では、上記格子の上部及び底部は対称である。一実施形態では、上記格子の複数の線は、レンズの視認面全体にわたって連続していない（例えば不均一である）。一実施形態では、ＲＤＯＥは、眼鏡レンズの全表面を被覆しない。一実施形態では、上記格子の複数の線は、光学画像全体を横断しなくてよい。

光変調器デバイスから放出された光を装着者の眼に向かって配向するのに加えて、ニアアイディスプレイの湾曲したレンズ内に埋め込まれたＲＤＯＥ薄膜は、ニアアイディスプレイ装着者が知覚する仮想画像の十分な補正を保証するために、光学的倍率及びチルト収差補正を提供してよい。

一実施形態では、ニアアイディスプレイの、ナノインプリントされたＴＤＯＥ及びＲＤＯＥ層は、広域光を回折させるよう設計される。一実施形態では、ニアアイディスプレイの、ナノインプリントされたＴＤＯＥ及びＲＤＯＥ層は、可視光スペクトルを包含する広域光を回折させるよう設計される。

ＤＯＥによって達成される回折角度は、典型的には波長に左右され、また、各光変調器デバイスに関連付けられたＴＤＯＥ光学カバーを通って伝達される光、及びニアアイディスプレイの湾曲したレンズ内に埋め込まれたＲＤＯＥによって反射された光の、色分離を引き起こす。この色分離は、ＴＤＯＥ及びＲＤＯＥそれぞれを、可視スペクトルのある１つの部分帯域の光を回折させるよう設計された多層として実現することによって、緩和できる。

本明細書中の実施形態のニアアイディスプレイの新規の特徴は、ＴＤＯＥ及びＲＤＯＥを用いて互いの色分離を補償する点である。この色分離補償アプローチでは、ＴＤＯＥ及びＲＤＯＥの両方を、可視光スペクトルの中央の波長、およそ５５０ｎｍの波長をベースとして設計し、そしてＴＤＯＥの回折軸を、ＲＤＯＥの対向する軸内となるように整列させ、これにより、５５０ｎｍ未満の波長の光をＴＤＯＥによってある方向に回折させた後で、ＲＤＯＥによって、上記５５０ｎｍの光の角度と同一の角度に向かって戻るように回折させる。同様の効果が、５５０ｎｍ超の波長を有する光に関しても発生する。この光はまず、ＴＤＯＥによって、上記５５０ｎｍの光の反対側において回折させられ、その後ＲＤＯＥによって、上記５５０ｎｍの光の角度と同一の角度に向かって戻るように回折させられる。

本明細書中の実施形態のニアアイディスプレイの更なる新規の特徴は、光変調器デバイスを用いた補正をデジタル方式で実施して、色分離を補償するために、赤色及び青色ソース画像のデジタルワーピング及びスケーリングを利用する点である。

本明細書中の実施形態のＡＲニアアイウェアラブルディスプレイは更に、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの入力画像アパーチャに結合された少なくとも１つの画像ソース（又はイメージャ）を備え、各イメージャは、複数の多色ピクセルを備えるデジタル画像を生成でき、また、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイのレンズの入力画像アパーチャの面積及び必要な発散角度に概ね一致する光出力アパーチャを有する。

１つ又は複数のイメージャを、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合することにより、単一ビュー画像又はマルチビュー光照射野画像を変調できる。ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されたイメージャは、ＡＲウェアラブルディスプレイの視認者の視野を妨害する大きな突出を引き起こさずにレンズに結合できるよう、十分に小型である。

一実施形態では、ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されたイメージャは、これを発光タイプとし、ＡＲウェアラブルディスプレイの装着者の視野を妨げる突出をもたらす嵩高い光学素子を備える光学的インタフェース（又はリレー）を必要とすることなく、その発光表面から直接、レンズの入力画像アパーチャの面積及び必要な発散角度と概ね一致する画像を生成できるようにすることにより、必須のコンパクトさを達成する。

ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されるイメージャは、約１〜１５ルーメンの範囲内においてデジタル方式で制御可能な輝度を有するビデオ画像を生成するよう構成してよい。一実施形態では、ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されるイメージャは、ＡＲウェアラブルディスプレイの小型構成内に実用上統合できる最小の電力消費で、約１〜１５ルーメンの範囲内においてデジタル方式で制御可能な輝度を有するビデオ画像を生成するよう構成してよい。

イメージャの制御可能な輝度レベルを用いて、ＡＲウェアラブルディスプレイの動作モードに適合した適切な輝度レベルを生成できる。ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されたイメージャは、（変調されて入力アパーチャに結合されるピクセルの数及び境界に関して）デジタル制御可能な画像サイズ及び形状を生成でき、この制御可能な画像サイズ及び形状を用いて、可変制御サイズ及び形状を有する画像を、ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズの出口アパーチャに結合させる。

一実施形態では、画像の輝度の均一性を、光変調器デバイスの励起によって制御してよい。

図１０、１１に移ると、これらの図は、２つのイメージャ１１００ａ、１１００ｂがブリッジ部分の両側に埋め込まれ、２つのイメージャ１２００ａ、１２００ｂがＡＲニアアイディスプレイのアーム組立体に埋め込まれた、実施形態を示す。図１０、１１はまた、眼鏡レンズによってＡＲニアアイディスプレイ１０００の２つのアイボックス１３００ａ、１３００ｂ内へと再配向される、上記４つのイメージャから生成された光の光線進路を示す。

よって、ＡＲウェアラブルディスプレイのレンズに光学的に結合されたイメージャは、（上述のような）各レンズに対する少なくとも１つのイメージャ、又は各レンズの複数の入力画像アパーチャに連結された複数のイメージャとして構成してよく、後者に関して、各イメージャはレンズアパーチャの異なる領域に結合される。複数のイメージャを伴う実施形態では、複数のＤＯＥ特徴部分を用いてよく、例えば各イメージャに対して１つのＤＯＥを用いてよい。これらのＤＯＥ特徴部分は、眼鏡レンズを覆う領域として分布してよく、又は空間的に重複若しくは混在していてもよい。

一実施形態では、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの複数の入力画像アパーチャに結合された複数のイメージャ（それぞれレンズアパーチャの異なる領域に結合される）と、上記複数のイメージャからレンズの部分領域を通る光経路との使用により、異なるイメージャから放出された光を、異なる複数の方向から視認者の各瞳孔に集束させ、ここで各部分領域に関連するイメージャは好ましくは、異なる視線からのビュー（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｖｉｅｗ）を変調し、これによりＡＲニアアイウェアラブルディスプレイにマルチビュー光照射野を表示させることができる。

ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの複数の入力画像アパーチャに結合された複数のマルチビュー光照射野イメージャの使用により、視認者の各瞳孔に十分な数のビュー（一実施形態では瞳孔１つに対して８〜１２個のビュー（ただし少なくとも６つのビューが水平視差に沿っている））を提供する光照射野を、いわゆる「輻輳調節矛盾（ｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｆｌｉｃｔ：ＶＡＣ）」効果（これは視認者の深刻な不快感を引き起こすものであり、また従来技術のニアアイ自動立体ディスプレイにおいて典型的に発生するものである）を実質的に排除する程度まで変調でき、従って本開示のＡＲニアアイウェアラブルディスプレイをＶＡＣフリーディスプレイとすることができる。

ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの複数の入力画像アパーチャに結合された複数のイメージャの使用により、例えば１つの眼に対して１００万ピクセルを実現するために、それぞれ５００，０００個の１０マイクロメートルのピクセルを有する２つのイメージャを用いて、各ディスプレイレンズに光学的に結合されるイメージャの数を増加させることにより、又は例えば１つの眼に対して１００万ピクセルという上述のものと同一のディスプレイ解像度を可能とするために、上述の例と同一の物理的サイズを有するものの１００万個の５マイクロメートルのピクセルを有するイメージャを１つの眼に対して１つ用いて、イメージャのピクセルサイズを低減することにより、（視認者に対して表示されるピクセルの数という点で）ディスプレイの解像度を更に上昇させることができる。

ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの複数の入力画像アパーチャに結合された複数のイメージャの使用により、１つの眼に対する高いピクセル解像度によって、視認者の各瞳孔に対して十分な数のビューを変調できるようになり、これにより、視認者に対するデジタルホログラフィック画像を変調できる。

一実施形態によるＡＲニアアイウェアラブルディスプレイは更に、１つの眼に対して少なくとも１つの眼追跡センサを備えてよく、この眼追跡センサの出力を用いて、各眼の角度位置（又は視角）、虹彩の直径、２つの瞳孔の間の距離を含むがこれらに限定されない、視認者の眼の複数の所定のパラメータが検出される。

一実施形態によるＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの眼追跡センサは、１つの眼に対してイメージングを行うようにそれぞれ位置決めされた１対のミニチュアカメラであってよい。一実施形態では、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの眼追跡センサは、眼鏡のブリッジ部分等、眼の視野（ＦＯＶ）を妨げない位置に配置してよい。

一実施形態によるＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの眼追跡センサは、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの複数のディスプレイ部分領域にわたる輝度及び色均一性を検出するよう構成してよく、眼追跡センサが捕捉した画像を分析して、各ディスプレイ部分領域の輝度及び色が決定され、その後、決定された値を比較して、ＡＲニアアイウェアラブルディスプレイの各レンズの複数の入力画像アパーチャに結合された複数のイメージャの輝度及び／又は色を、全ディスプレイアパーチャにわたる色及び輝度に従って調整することによって、所定の閾値、例えば１０％以内で均一となるようにすることができる。

当業者は、本明細書において議論した実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく、多数の改変及び修正を実施してよい。従って、図示されている実施形態は例示のみを目的として記載されていること、及び図示されている実施形態は、本明細書に記載の実施形態を、本出願に対する優先権を主張するいずれの後続の出願のいずれの請求項によって定義されるように限定するものとして解釈してはならないことを理解しなければならない。

例えば、いずれのこのような請求項の複数の要素がある特定の組み合わせで記載される場合があるという事実にもかかわらず、本開示の実施形態は、上で開示されている更に少ない、更に多い、又は異なる要素の他の組み合わせを、最初にはこのような組み合わせで請求されていない場合でさえ、含んでよいことを、はっきりと理解しなければならない。

様々な実施形態を説明するために本明細書中で使用される語句は、その一般的に定義された意味だけでなく、本明細書中での特別な定義によって、一般的に定義された意味を超える構造、材料、又は行為を含むものとして理解するべきである。従って、本明細書の文脈において、ある要素が２つ以上の意味を含むものとして理解できる場合、後続の請求項における上記要素の使用は、本明細書及びその語句自体がサポートするあらゆる可能な意味を包括するものとして理解しなければならない。

従って、本出願に対する優先権を主張するいずれの後続の出願のいずれの請求項の語句又は要素の定義は、逐語的に記載された要素の組み合わせだけでなく、略同一の結果を得るために略同一の方法で略同一の機能を実施するいずれの同等の構造、材料又は行為も含むものと定義するべきである。従ってこの意味において、以下の請求項中の要素のうちのいずれの１つに対して２つ以上の要素での置換を行うことができること、又はこのような請求項中の２つ以上の要素に対して単一の要素での置換を行うことができることが考えられる。

以上において、複数の要素が特定の組み合わせで作用するものとして説明されている場合があり、また以下でそのように請求されている場合があるが、請求されている組み合わせからの１つ又は複数の要素を、場合によっては上記組み合わせから削除できること、及びこのような請求されている組み合わせから部分組み合わせ又は部分組み合わせの変形例を導くことができることを、はっきりと理解されたい。

現時点で公知の又は将来考案される、いずれの以下で請求される主題からの、当業者から見て非現実的な変更は、同様にこのような請求項の範囲内であるものと明らかに考えられる。従って、現時点で又は将来において当業者に公知である明らかな置換は、定義されている要素の範囲内であるものとして定義される。

よって、本出願に対する優先権を主張するいずれの後続の出願のいずれの請求項は、以上で具体的に例示及び説明されたもの、概念的に同等であるもの、明確に置換可能なもの、及び本明細書に記載の実施形態の基本的着想を本質的に援用するものを含むものとして理解するべきである。

Claims (22)

1. 拡張現実ディスプレイシステムであって：
   前記拡張現実ディスプレイシステムは、少なくとも１つの光学レンズ素子を備え；
   前記光学レンズ素子は、少なくとも１つの透過型回折光学素子と、少なくとも１つの部分反射型回折光学素子とを備え；
   前記拡張現実ディスプレイシステムはまた、光学画像を出力するよう構成された発光型ディスプレイデバイスを備え；
   前記発光型ディスプレイデバイス、前記透過型回折光学素子、及び前記部分反射型回折光学素子は、前記光学画像を視認者のアイボックスへと反射するよう構成される、拡張現実ディスプレイシステム。
2. 前記発光型ディスプレイデバイスは、眼鏡フレームに埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記発光型ディスプレイデバイスは、前記眼鏡フレームのブリッジ領域に埋め込まれる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記部分反射型回折光学素子は、前記光学レンズ素子の、シーンに対面する表面に埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記部分反射型回折光学素子の反射率特性は２０〜６０％である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記透過型回折光学素子は、前記光学レンズ素子の、前記発光型ディスプレイデバイスに対面する表面上に堆積させられる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、薄膜を含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、ブラッグ格子を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、体積ホログラフィック格子を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、前記光学レンズ素子の視認表面にわたって連続していない、傾斜した格子を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記透過型回折光学素子の光学的相補物である第２の透過型回折光学素子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記眼鏡フレームのアームに埋め込まれた第２の発光型ディスプレイデバイスを更に備える、請求項２に記載のシステム。
13. 眼の角度位置、虹彩直径、及び２つの瞳孔間の距離のうちの少なくとも１つを得るための、少なくとも１つの眼追跡センサを更に備える、請求項１に記載のシステム。
14. 前記発光型ディスプレイデバイスは、第２の透過型回折光学素子を備える光学カバーを含む、請求項１に記載のシステム。
15. 発光型ディスプレイデバイスによって、光学画像を光学レンズ素子に出力するステップであって、前記光学レンズ素子は、少なくとも１つの透過型回折光学素子と、少なくとも１つの部分反射型回折光学素子とを備える、ステップ；
    前記透過型回折光学素子によって、前記光学画像を前記部分反射型回折光学素子へと配向するステップ；及び
    前記部分反射型回折光学素子によって、前記光学画像を視認者のアイボックスへと反射するステップ
    を含む、拡張現実ディスプレイシステムを提供する方法。
16. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、表面レリーフナノインプリントプロセスにおいて画定される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記透過型回折光学素子及び前記部分反射型回折光学素子は、体積レリーフナノインプリントプロセスにおいて画定される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記部分反射型回折光学素子の反射率特性は２０〜６０％である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記アイボックスの寸法を決定するステップ；並びに
    前記アイボックスの前記寸法及び選択された画像倍率に基づいて視野を算出するステップ
    を更に含む、請求項１５に記載の方法。
20. 第２の透過型回折光学素子によって、周囲環境からの光を前記部分反射型回折光学素子へと配向するステップを更に含み、
    前記第２の透過型回折光学素子は、前記透過型回折光学素子の光学的相補物である、請求項１５に記載の方法。
21. 第２の発光型ディスプレイデバイスによって、第２の光学画像を前記光学レンズ素子に出力するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
22. 眼の角度位置、虹彩直径、及び２つの瞳孔間の距離のうちの少なくとも１つを追跡するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。

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