JP2020181198A - マルチビーム回折格子ベースのニアアイディスプレイ - Google Patents

マルチビーム回折格子ベースのニアアイディスプレイ Download PDF

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Abstract

【課題】ニアアイディスプレイおよび両眼ニアアイディスプレイシステムが、画像の複数の異なるビューをアイボックス内の異なる位置に提供し、焦点深度キューをユーザに与える。【解決手段】ニアアイディスプレイは、異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、異なるビューをアイボックス内の異なる位置に中継するように構成された光学系とを備える。両眼ニアアイディスプレイシステムは、3次元(3D)シーンを表す立体画像対を提供し、横方向に変位されたアイボックスの対応する対に中継するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび両眼光学系の対を含む。【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に援用される、2015年10月16日
に出願された米国仮特許出願第62/242,980号の優先権を主張する。
連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし
電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するための
、ほぼ至る所にある媒体である。最も一般に見られる電子ディスプレイには、陰極線管(
CRT)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、液晶ディスプレイ(LCD)、電子
発光ディスプレイ(EL)、有機発光ダイオード(OLED)およびアクティブマトリク
スOLED(AMOLED)ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ(EP)、ならびに電
気機械または電気流体光変調(modulation)(例えば、デジタルマイクロミラーデバイス
、エレクトロウェッティングディスプレイ等)を使用した様々なディスプレイがある。一
般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ(すなわち、光を放射するディスプ
レイ)またはパッシブディスプレイ(すなわち、別の発生源によりもたらされた光を変調
するディスプレイ)に分類することができる。アクティブディスプレイの最も明らかな例
には、CRT、PDP、およびOLED/AMOLEDがある。放射される光を考慮した
ときにパッシブとして通常分類されるディスプレイは、LCDおよびEPディスプレイで
ある。パッシブディスプレイは、多くの場合、本質的に消費電力が低いことを含めて、こ
れだけに限らず魅力的な性能特性を呈するが、光を放射する能力がないことを考えれば、
多くの実用的な用途においていくらか使用が制限される場合がある。
アクティブまたはパッシブとして分類されることに加えて、電子ディスプレイは、電子
ディスプレイの意図される視認距離に従って特徴付けることもできる。例えば、大多数の
電子ディスプレイは、人間の眼の正常なまたは「自然な」調節範囲内にある距離に位置す
ることが意図される。したがって、電子ディスプレイは、直接、かつ当然ながら追加の光
学素子なしで見ることができる。一方、いくつかのディスプレイは、正常調節範囲よりも
ユーザの眼の近くに位置するように特に設計される。これらの電子ディスプレイは、多く
の場合、「ニアアイ」ディスプレイと呼ばれ、一般に、視認を容易にするための何らかの
形態の光学素子を備える。例えば、光学素子は、物理的電子ディスプレイ自体が直接視認
可能でない場合があるにもかかわらず、快適な視認を可能にするように、正常調節範囲内
にある物理的電子ディスプレイの仮想画像を提供することができる。ニアアイディスプレ
イを用いる用途の例は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)および類似のウェアラブ
ルディスプレイ、ならびにいくつかのヘッドアップディスプレイであるが、これらに限定
されない。様々なバーチャルリアリティーシステムおよび拡張現実システムは、しばしば
ニアアイディスプレイを含む。なぜなら、ニアアイディスプレイは、そのような用途にお
ける従来のディスプレイよりも没入感のある体験をもたらすことができるためである。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同
様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容
易に理解することができる。
本明細書で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向(principal angular direction)を有する光ビームの角度成分{θ,φ}のグラフ図である。 本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイの光学素子の概略図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プリズムを含む光学系を有するニアアイディスプレイの断面図である。 [図5A]本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。[図5B]本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子の斜視図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイ両眼ディスプレイシステムのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作の方法のフローチャートである。
いくつかの例および実施形態は、上記で参照された図に示す特徴の追加または代替の1
つである他の特徴を有している。これらおよび他の特徴は、上記で参照される図を参照し
て以下で詳述される。
本明細書で説明する原理による実施形態および例は、調節サポートを提供するニアアイ
画像ディスプレイを提供する。特に、本明細書で説明する原理の様々な実施形態によれば
、ニアアイディスプレイは、マルチビューディスプレイを利用して、画像の複数の異なる
ビューを生成する。複数の異なるビューは、ニアアイ表示された画像が視認されるアイボ
ックス(eye box)内の異なる位置に投影またはマッピングされる。様々な実施形態によ
れば、異なる位置における異なるビューは、表示画像に対する調節をサポートする(すな
わち、眼の焦点を物体に合わせることをサポートする)ことができる。
様々な実施形態によれば、マルチビューディスプレイは、マルチビーム回折格子ベース
の背面照明を含む。マルチビーム回折格子ベースの背面照明は、マルチビーム回折格子を
用いたライトガイドからの光のマルチビーム回折カップリングを利用して、複数の異なる
ビューに対応する光ビームを生成する。いくつかの実施形態では、異なるビューは、マル
チビーム回折格子ベースの背面照明に基づく3次元(3D)電子ディスプレイ(例えば、
オートステレオスコピックまたは「裸眼」3D電子ディスプレイ)によって生成される異
なるビューと実質的に類似することができる。したがって、マルチビューディスプレイは
、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイと呼ぶことができる。
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、マルチビー
ム回折格子のアレイを有する。マルチビーム回折格子は、ライトガイドからの光をカップ
リングし、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイのピクセル、または等価には、表
示される画像の異なるビューのピクセルに対応する、カップリングして外へ出された(co
upled-out)光ビームを提供するのに用いられる。具体的には、様々な実施形態によれば
、カップリングして外へ出された光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する。更
に、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子によって生成されたこれらの異なる
方向に向けられた光ビームは、変調され、表示画像の異なるビューに対応するピクセルと
しての役割を果たすことができる。
本明細書では、「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造
体として定義される。具体的には、ライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実
質的に透明なコアを含んでいてもよい。「ライトガイド」という用語は一般に、ライトガ
イドの誘電体材料と、ライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光
を導波するための内部全反射を用いる誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のため
の条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈
折率より大きいことである。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、内部全反射を更
に容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んで
いてもよい。コーティングは、例えば反射コーティングとしてもよい。ライトガイドは、
平板(plate)またはスラブ(slab)ガイドおよびストリップ(strip)ガイドの一方また
は両方を含むがこれらに限定されない、いくつかのライトガイドのうちの任意のものとす
ることができる。
本明細書では更に、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイ
ドに適用された場合は、区分的(piecewise)または個別的(differentially)に平面状
の層またはシートとして定義され、場合によっては「スラブ」ガイドと呼ばれる。具体的
には、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面および下面(すなわち、反対の面)によ
り境界を画された2つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガ
イドとして定義される。更に、本明細書における定義上、上面および下面は共に互いに隔
てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行とすることができる。すなわち、
平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行
であるかまたは同一平面上にある(co-planar)。
いくつかの実施形態では、平板ライトガイドは、実質的に平坦(例えば平面に制限され
る)であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドとなる。他の実施
形態では、平板ライトガイドは、1つまたは2つの直交する寸法(dimension)において
湾曲していてもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成
するように、単一の寸法において湾曲していてもよい。しかしながら、いずれの曲率も、
光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするよ
うに、十分大きな曲率半径を有する。
本明細書において、「回折格子」、より詳細には「マルチビーム回折格子」は、回折格
子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数の特徴部(すなわち、回折特徴部
)として一般に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期
的に配置してもよい。例えば、回折格子の複数の特徴部(例えば、材料表面における複数
の溝)が、1次元(1D)アレイに配置されていてもよい。他の例では、回折格子は、複
数の特徴部の2次元(2D)アレイとしてもよい。例えば、回折格子は、材料表面の複数
の突起(bump)または穴の2Dアレイとしてもよい。
したがって、本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折
をもたらす構造である。光がライトガイドから回折格子に入射する場合、もたらされる回
折または回折散乱は、回折格子が、回折によって、光をカップリングして外へ出すことが
できるという点で、「回折カップリング」を結果として生じることができ、このため「回
折カップリング」と呼ばれる。回折格子はまた、回折により(すなわち、回折角度で)光
の角度を方向変更する(redirect)かまたは変化させる。具体的には、回折の結果として
、回折格子を出る光(すなわち、回折された光)は一般に、回折格子に対し入射する光(
すなわち、入射光)の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による
光の伝播方向の変化は、「回折的方向変更(diffractive redirection)」と呼ばれる。
したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を
含む構造体であると理解することができ、光がライトガイドから入射する場合には、回折
格子はライトガイドから光を回折によりカップリングして外へ出すこともできる。
更に、本明細書における定義上、回折格子の複数の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ
、表面(ここで、「表面」は、2つの材料間の境界を指す)、表面内、および表面上(at
, in and on)のうちの1つまたは複数にあるものとすることができる。この表面は、平
板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、溝、隆線、穴、および突起の
うちの1つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうち
の任意のものを含むことができ、これらの構造は、表面、表面内、または表面上のうちの
1つまたは複数にあるものとすることができる。例えば、回折格子は、材料表面における
複数の平行な溝を含むことができる。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がっ
た複数の平行な隆線を含むことができる。回折特徴部は(溝、隆線、穴、突起等を問わず
)、正弦波輪郭、長方形輪郭(例えば、バイナリ回折格子)、三角形輪郭、および鋸歯状
輪郭(例えば、ブレーズド回折格子)のうちの1つまたは複数を含むがこれらに限定され
ない、回折をもたらす様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができ
る。
本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含む、カッ
プリングして外へ出される光を生成する回折格子である。更に、本明細書における定義上
、マルチビーム回折格子によって生成される複数の光ビームは、互いに異なる主極大角度
方向を有する。具体的には、定義上、複数の光ビームは、マルチビーム回折格子による入
射光の回折カップリングおよび回折的方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの別
の光ビームと異なる所定の主極大角度方向を有することができる。複数の光ビームは、光
照射野を表すことができる。例えば、複数の光ビームは、8つの異なる主極大角度方向を
有する8つの光ビームを含むことができる。例えば、8つの光ビームを組み合わせること
により(すなわち、複数の光ビーム)、光照射野を表すことができる。様々な実施形態に
よれば、様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、格子ピッチまたは間隔と、マルチビ
ーム回折格子に入射する光の伝播方向に対するそれぞれの光ビームの原点におけるマルチ
ビーム回折格子の回折特徴部の向きまたは回転との組み合わせによって決定される。
具体的には、本明細書における定義上、マルチビーム回折格子により生成された各光ビ
ームは、角度成分{θ,φ}で与えられる1つの主極大角度方向を有する。角度成分θは
、本明細書では光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、本明
細書では光ビームの「方位角成分(azimuth component)」または「方位角(azimuth ang
le)」と呼ばれる。定義上、仰角θは、垂直面(vertical plane)(例えば、マルチビー
ム回折格子の平面に垂直)における角度であり、方位角φは、水平面(horizontal plane
)(例えば、マルチビーム回折格子平面に平行)における角度である。図1は、本明細書
で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向を有する光ビーム10の角度成分{
θ,φ}を示す。更に、本明細書における定義上、光ビーム10は、特定の点から放射ま
たは発散(emanate)される。すなわち、定義上、光ビーム10は、マルチビーム回折格
子内の特定の原点に関連付けられた中心光線(central ray)を有する。また、図1は、
光ビームの原点Oも示す。入射光の例示的な伝播方向は、図1において、原点Oに向かっ
て方向付けられた太線の矢印12を用いて示される。
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子およびその特徴部(すなわち「回折特
徴部(diffractive feature)」)の特性は、複数の光ビームの角度指向性(angular dir
ectionality)と、これらの光ビームのうちの1つまたは複数に対するマルチビーム回折
格子の波長または色選択性(selectivity)の一方または両方を制御するために用いるこ
とができる。角度指向性および波長選択性を制御するために用いることができる特性は、
格子長さ、格子ピッチ(特徴部間隔)、特徴部の形状、特徴部のサイズ(例えば、溝また
は隆線(ridge)の幅)、および格子の向きのうちの1つまたは複数を含むが、これらに
限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、光ビームの原
点の近傍に局所的な特性としてもよい。
更に本明細書で説明する様々な実施形態によれば、回折格子(例えば、マルチビーム回
折格子)によってライトガイドからカップリングして外へ出された光は、電子ディスプレ
イのピクセルを表す。具体的には、異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームを生成
するためのマルチビーム回折格子を有するライトガイドは、マルチビューディスプレイ、
「裸眼」3次元(3D)電子ディスプレイ(「ホログラフィック」電子ディスプレイまた
はオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる)等の電子ディスプレイのバック
ライトの一部とすることができるか、またはこれらと共に用いることができるが、これら
に限定されない。したがって、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波光を
カップリングして外へ出すことによって生成された、異なる方向に向けられた光ビームは
、表示されている画像(例えば、3D画像)の異なるビューとすることができるか、また
はこれらを表すことができる。更に、異なる方向に向けられた光ビームは、異なる画像ビ
ューの異なるビュー角度に対応する方向を有する。
本明細書において、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成される実質的に
任意の光学デバイスまたは装置として定義される。例えば、コリメータは、コリメートミ
ラーまたは反射器、コリメートレンズ、およびそれらの様々な組み合わせを含むことがで
きるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、コリメート反射器を備えるコ
リメータは、放物線または放物形によって特徴付けられる反射面を有することができる。
別の例では、コリメート反射器は、成形された放物面反射器(shaped parabolic reflect
or)を含むことができる。「成形された放物面」とは、成形された放物面反射器の湾曲し
た反射面が、所定の反射特性(例えば、コリメートの程度)を達成するように決定された
方式で、「真の」放物線から逸脱していることを意味する。同様に、コリメートレンズは
、球形に成形された面(例えば、両凸球形レンズ)を含むことができる。
いくつかの実施形態では、コリメータは、連続反射器または連続レンズ(すなわち、実
質的に平滑で連続した表面を有する反射器またはレンズ)とすることができる。他の実施
形態では、コリメート反射器またはコリメートレンズは、限定ではないがフレネル反射器
またはフレネルレンズ等の、光コリメートをもたらす実質的に不連続な表面を含む場合が
ある。様々な実施形態によれば、コリメータによってもたらされるコリメート量は、実施
形態によって、所定の度合いまたは量が変動する場合がある。更に、コリメータは、2つ
の直交する方向(例えば、垂直方向および水平方向)の一方または双方においてコリメー
トをもたらすように構成することができる。すなわち、いくつかの実施形態によれば、コ
リメータは、2つの直交する方向の一方または双方において光コリメートをもたらす形状
を含むことができる。
本明細書において、「光源」は、光の発生源(例えば、光を放射する装置またはデバイ
ス)として定義される。例えば、光源は、起動されると光を放射する発光ダイオード(L
ED)とすることができる。光源は、発光ダイオード(LED)、レーザ、有機発光ダイ
オード(OLED)、ポリマー発光ダイオード、プラズマベースの光学エミッタ、蛍光灯
、白熱灯、および実際上任意の他の光の発生源を含むが、これらに限定されない、実質的
に任意の光の発生源または光学エミッタとすることができる。光源によって生成される光
は、色を有してもよく、または特定の波長の光を含んでもよい。したがって、「異なる色
の複数の光源」は、本明細書において、光源のうちの少なくとも1つが、色を有する光を
生成するか、または等価には、複数の光源のうちの少なくとも1つの他の光源によって生
成される光の色もしくは波長と異なる波長を有する光を生成する、光源の組またはグルー
プとして明示的に定義される。更に、「異なる色の複数の光源」は、複数の光源のうちの
少なくとも2つの光源が異なる色の光源である(すなわち、少なくとも2つの光源が、異
なる光の色を生成する)限り、同じまたは実質的に類似した色の2つ以上の光源を含むこ
とができる。このため、本明細書における定義上、異なる色の複数の光源は、第1の色の
光を生成する第1の光源と、第2の色の光を生成する第2の光源とを含むことができ、こ
こで、第2の色は第1の色と異なる。
本明細書において用いられるとき、「調節」という語は、眼の光強度を変更することに
よって物体または画像要素に焦点を合わせるプロセスを指す。換言すれば、調節は、眼が
焦点を合わせる能力である。本明細書において、「調節範囲」または等価には、「調節距
離」は、焦点を達成することができる眼からの距離の範囲として定義される。調節範囲は
、人ごとに変動する場合があるが、ここでは、単純にするために、例えば、約25センチ
メートル(cm)の最小「正常」調節距離が想定される。したがって、いわゆる「正常」
調節範囲内に物体が存在するために、物体は通常、眼から約25cmよりも離れて位置す
ることが理解される。更に、本明細書における定義上、ニアアイディスプレイは、ディス
プレイの少なくとも一部分がニアアイディスプレイのユーザの眼から25cmよりも近く
に配置されたディスプレイである。
ここで、「アイボックス」は、ディスプレイまたは他の光学系(例えば、レンズ系)に
よって形成される画像を視認することができる空間の領域またはボリュームとして定義さ
れる。換言すれば、アイボックスは、ディスプレイシステムによって生成される画像を視
認するためにユーザの眼をその中に配置することができる空間内の位置を定義する。いく
つかの実施形態では、アイボックスは、空間の2次元領域(例えば、長さおよび幅を有す
るが実質的な深度を有しない領域)を表すことができるのに対し、他の実施形態では、ア
イボックスは、空間の3次元領域(例えば、長さ、幅および深度を有する領域)を含むこ
とができる。更に、「ボックス」と呼ばれるが、アイボックスは長方形形状のボックスに
限定されない場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、アイボックスは、空間の円
筒形状の領域を含むことができる。
更に、本明細書において用いられるとき、冠詞「a(1つ)」は、特許技術(patent ar
t)における通常の意味、すなわち、「1つまたは複数(one or more)」を有することが
意図される。本明細書では、例えば、「(1つの)格子(a grating)」は1つまたは複
数の格子を意味し、したがって「その(1つの)格子(the grating)」は「その1つま
たは複数の格子(the grating(s))」を意味する。また、本明細書における「上部(top
)」、「下部(bottom)」、「上側(upper)」、「下側(lower)」、「上向き(up)」
、「下向き(down)」、「正面(front)」、「背面(back)」、「第1の」、「第2の
」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するもので
はない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは一般にその値を生成
するために用いられる機器の許容差範囲(tolerance range)内を意味し、または他に明
示的に指定されない限り、±10%、または±5%、または±1%を意味する。更に、「
実質的に」という用語は、本明細書において用いられるとき、大多数、またはほとんど全
て、または全て、または約51%〜約100%の範囲内の量を意味する。更に、本明細書
における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが
意図される。
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイディスプレイが提供
される。図2は、本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディ
スプレイ100のブロック図を示す。ニアアイディスプレイ100は、ニアアイディスプ
レイ100のアイボックス102において画像(すなわち、表示画像)を提供するように
構成される。特に、ニアアイディスプレイ100は、表示画像の複数の異なるビュー10
4を提供するように構成することができる。更に、異なるビュー104は、アイボックス
102内の異なる位置において提供することができる。様々な実施形態によれば、アイボ
ックス102内の異なる位置において提供される異なるビュー104は、ニアアイディス
プレイ100のユーザに対し、焦点深度キューを与えるように構成される。焦点深度キュ
ーは、例えば、ユーザが、焦点深度キューに基づいて表示画像内の深度または距離を知覚
することを可能にすることができる。ニアアイディスプレイ100によってユーザに与え
られる焦点深度キューは、調節および網膜のぼけを含むことができるが、これらに限定さ
れない。
図2に示すように、ニアアイディスプレイ100は、マルチビーム回折格子ベースのデ
ィスプレイ110を備える。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、表示
画像の複数の異なるビュー104を提供するように構成される。更なる実施形態によれば
、実質的に任意の数の異なるビューを、複数の異なるビュー104として提供することが
できる。例えば、表示画像の複数の異なるビュー104は、2つ、3つ、4つ、5つ、6
つ、7つ、8つまたはそれ以上の異なるビューを含むことができる。他の例では、表示画
像の複数の異なるビュー104は、最大で、16個、32個、64個、128個または2
56個の異なるビューを含むが、これらに限定されない比較的多数の異なるビューを含む
。いくつかの実施形態では、複数の異なるビュー104は、少なくとも4つの異なるビュ
ーを含む。
いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ100によって提供または表示される
画像は、3次元(3D)画像またはその一部分を含む。例えば、表示画像は、完全な3D
または「マルチビュー」画像とすることができる。別の例では、表示画像は、2D画像部
分と共に3D画像部分を含むことができる。表示画像が3D画像を含むとき、複数の異な
るビュー104は、3D画像の異なる斜視図(すなわち、「3Dビュー」)を表すことが
できる。本明細書で説明する原理によれば、異なるビュー(例えば、3Dビュー)は、例
えば、網膜のぼけおよび調節のうちの一方または双方を通じて、表示画像内の深度につい
てのユーザの知覚を向上させることができる。いくつかの例(例えば、以下で説明するニ
アアイ両眼ディスプレイ)では、調節により、3D画像および3D表示においてしばしば
遭遇する、いわゆる調節輻輳矛盾の影響を軽減することができる。
図2に示すニアアイディスプレイ100は、光学系120を更に備える。様々な実施形
態によれば、光学系120は、表示画像を、ニアアイディスプレイ100のアイボックス
102に中継するように構成される。具体的には、様々な実施形態によれば、光学系12
0は、表示画像の複数の異なるビュー104を、アイボックス102内の対応する複数の
異なる位置に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス102
内の異なる位置に対する異なるビュー104の中継は、ニアアイディスプレイ100のユ
ーザに焦点深度キューを与えるように構成される。例えば、表示画像の第1のビューは、
光学系120によって第1の位置に中継することができるのに対し、第2のビューは、光
学系120によってアイボックス102内の、第1の位置と分離された第2の位置に中継
することができる。第1および第2の位置は、例えば、互いに横方向に分離することがで
きる。対応する第1および第2の位置における第1および第2のビューの分離により、例
えば、ユーザが、表示画像内でその2つのビューに対し、異なる形で調節を行うことを可
能にすることができる。
いくつかの実施形態によれば、光学系120の入力開口においてマルチビーム回折格子
ベースのディスプレイ110によって提供される複数の異なるビュー104の全角度範囲
(total angular extent)は、入力開口のサイズに対応するように構成される。具体的に
は、複数の異なるビュー104の組み合わせによって張られる角度は、異なるビュー10
4のうちの任意のビューのかなりの部分が入力開口の外側にまたは入力開口を越えて存在
しないように構成される。換言すれば、いくつかの実施形態によれば、異なるビュー10
4に関連付けられたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の実質的に全ての
出力光ビームは、光学系120の入力開口内に受け取られるように構成される。いくつか
の例において、複数の異なるビュー104の全角度範囲(すなわち、張られる角度)は、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110と光学系の入力開口との間の所定の距
離、およびマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される異なる
ビュー104の所定の角度広がり、のうちの一方または双方によって入力開口サイズに実
質的に対応するように構成することができる。
いくつかの実施形態によれば、光学系120は、拡大鏡を含む。いくつかの実施形態で
は、拡大鏡は、単純な拡大鏡を含む。単純な拡大鏡は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応
するアイボックス102からある距離に配置された表示画像の仮想画像を提供するように
構成される。更に、様々な実施形態によれば、単純な拡大鏡によって提供される仮想画像
は、表示画像の複数の異なるビュー104を含む。他の実施形態では、拡大鏡は、複雑な
拡大鏡(例えば、拡大をもたらすように構成された複数のレンズ)とすることができる。
本明細書において用いられるとき、「単純な拡大鏡」は、より小さな物体または画像の
拡大されたまたは大きくされた仮想画像を形成するレンズまたは類似の光学装置として定
義される(すなわち、単純な拡大鏡が、角倍率を提供する)。単純な拡大鏡によって形成
される仮想画像は、単純な拡大鏡の出力において、または等価には、単純な拡大鏡の出力
開口もしくは絞りにおいて(例えば、アイボックス102において)形成することができ
る。更に、本明細書における定義上、単純な拡大鏡は、物体の実際の距離よりも長い見か
けの距離または仮想距離において、大きくされた仮想画像を形成することができる。した
がって、単純な拡大鏡を用いて、ユーザまたは「閲覧者」に、ユーザの眼から正常調節範
囲または距離未満に位置する物体に焦点を合わせる能力を提供することができる。いくつ
かの実施形態によれば、本明細書において、「正常調節」は、一般に、ユーザの眼から約
25センチメートル(cm)よりも長い距離において達成可能であり、このため本明細書
においてそのように定義される。結果として、光学系120の単純な拡大鏡は、表示画像
を提供するマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110が、ユーザの眼(すなわち
、または等価には、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102)から正常調節距
離よりも近くにある(すなわち、約25センチメートルよりも近くにある)場合であって
も、表示画像(すなわち、「物体」)の複数の異なるビュー104が、ユーザによって焦
点が合った状態で快適に視認されることを可能にすることができる。
図3は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイデ
ィスプレイ100の光学素子の概略図を示す。示すように、光学系120は、焦点距離f
を有する単純な拡大鏡122を備える。図3における単純な拡大鏡122は、例として、
両凸レンズとして示されるが、これに限定されない。単純な拡大鏡122は、(例えば、
図3に示すように、)アイボックス102から、単純な拡大鏡122の焦点距離fに対応
する距離に位置することができる。更に、単純な拡大鏡122は、マルチビーム回折格子
ベースのディスプレイ110とアイボックス102との間に位置する。単純な拡大鏡12
2は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110からの複数の異なるビュー(例
えば、図2における異なるビュー104)によって形成される(すなわち、単純な拡大鏡
122を通じて視認したときにアイボックス102において見られるような)表示画像の
仮想画像106を提供するように構成される。単純な拡大鏡122によって提供される拡
大に起因して、仮想画像106は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110に
よって生成される実際のまたは物理的画像(すなわち、表示画像)の距離よりもアイボッ
クス102から遠い距離に位置する(または少なくとも位置するように見える)。具体的
には、いくつかの実施形態によれば、仮想画像106は、アイボックス102から視認し
たときの人間の眼の正常調節範囲または距離d内に位置することができる一方で、マル
チビーム回折格子ベースのディスプレイ110(または等価には、ディスプレイ110に
よって生成または表示される画像)は、正常調節範囲よりもアイボックス102の近くに
あることができる。このため、単純な拡大鏡122は、例えば、アイボックス102にお
いて、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110(または等価には、マルチビー
ム回折格子ベースのディスプレイ110の出力または仮想画像106)の快適な視認を容
易にすることができる。
図3において、実線および破線として更に示されるのは、以下で更に説明するような、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110から発散される光線108である。実
線は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される表示画像の
異なるビュー104に関連付けられた実際の光線108を示す一方で、破線は、仮想画像
106に対応する光線投影を表す。図3に示す光線108は、例えば、以下で説明するよ
うに、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって生成される様々なカッ
プリングして外へ出された光ビーム(すなわち、光線)に対応することができる。更に、
アイボックス102内の異なる点において収束するように示される光線108は、アイボ
ックス102内の異なる位置に異なる複数のビューが中継された後にマルチビーム回折格
子ベースのディスプレイ110によって提供される表示画像の異なるビューを表すことが
できる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110およ
び光学系120の双方が、ユーザの視野(FOV)の中に位置し、その一部を実質的にブ
ロックする。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ100は、バーチャルリ
アリティーディスプレイとすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ100
は、物理環境のビュー(すなわち、現実世界のビュー)を、ブロックされたFOV部分内
のニアアイディスプレイ画像と置き換えるかまたは少なくとも実質的に置き換えるように
構成することができる。すなわち、ニアアイディスプレイ画像は、物理環境ビューを、ブ
ロックされたFOV部分と実質的に交換することができる。様々な実施形態によれば、ブ
ロックされたFOV部分は、ユーザのFOVのうちのいくらかまたは全てを含む場合があ
る。物理環境ビューを置き換えることによって、ユーザは、物理環境ビューの代わりにニ
アアイディスプレイ画像(および関連付けられた複数の異なるビュー)によって提供され
るバーチャルリアリティービューを提供される。
本明細書において、「物理環境のビュー」または「物理環境ビュー」は、ユーザが、ニ
アアイディスプレイ100がない場合に有することになるビューとして定義される。等価
には、本明細書における定義上、物理環境は、ユーザに可視とすることができるニアアイ
ディスプレイ100の向こうの任意のものであり、物理環境「ビュー」は、ユーザのFO
V内の任意のものであるが、ユーザのビューに対しニアアイディスプレイ100が有する
ことができる任意の効果を除く。
他の実施形態において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、ユーザ
のFOVの外側に位置する一方で、光学系120またはその一部は、FOV内に位置する
。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ100は、拡張現実ディスプレイと
することができる。具体的には、ニアアイディスプレイ100は、物理環境のビューを、
ニアアイディスプレイ画像(および関連付けられた複数の異なるビュー104)で拡張す
るように構成することができる。更に、拡張現実ディスプレイとして、ニアアイディスプ
レイ100は、ユーザに、ニアアイディスプレイ画像と、ニアアイディスプレイ100の
向こうの物理環境のビューとの重ね合わせまたは組み合わせであるビューを提供するよう
に構成される。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成されたニアアイディスプレ
イ100の光学系120は、自由形状プリズムを含む。自由形状プリズムは、ユーザによ
る視認のために、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110からアイボックス1
02に、複数の異なるビュー104を含む表示画像を中継するように構成される。更に、
自由形状プリズムは、ユーザのFOVを越えてまたはユーザのFOVの外側に位置するマ
ルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110から表示画像を中継するように構成され
る。様々な実施形態によれば、自由形状プリズムは、自由形状プリズムの2つの表面(例
えば、前面および後面)間の内部全反射を用いて表示画像を中継する。いくつかの実施形
態では、自由形状プリズムは、単純な拡大鏡(例えば、単純な拡大鏡122)であるか、
または単純な拡大鏡としての役割を果たすことができる。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成された光学系120は、自
由形状補正レンズを更に含むことができる。自由形状補正レンズは、自由形状補正器と呼
ぶこともできる。具体的には、自由形状補正レンズは、光学系120を通過して、物理環
境から光学系120を越えてアイボックス102へ進む光に対し自由形状プリズムが有す
る影響を補正または修正するように構成される。すなわち、様々な実施形態によれば、自
由形状補正レンズは、自由形状プリズムによって生じる場合がある実質的な歪みなしで、
ユーザが物理的環境の(すなわち、ユーザのFOV内の)クリアなビューを有することを
可能にする。
図4は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プ
リズム124を含む光学系120を有するニアアイディスプレイ100の断面図を示す。
図4に示すように、光学系120の自由形状プリズム124は、マルチビーム回折格子ベ
ースのディスプレイ110と、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102(すな
わち、射出瞳)との間に位置決めされる。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ1
10によって提供される複数の異なるビュー104を含む表示画像を表す光は、自由形状
プリズム124によって、その入力開口からアイボックス102に中継される。マルチビ
ーム回折格子ベースのディスプレイ110からの光は、図4において光線108として示
される。様々な実施形態によれば、自由形状プリズム124の入力からその出力への光線
108の中継は、自由形状プリズム124内の内部全反射によって提供することができる
図4は、ユーザのFOVも示す。仮想画像106は、仮想画像106と、FOV内の物
理環境のビューとの重ね合わせを提供するために、FOV内にある。更に、図4に示すよ
うに、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、FOVの外側にある。した
がって、図4は、例えば、ニアアイディスプレイ100の拡張現実ディスプレイの実施形
態を示すことができる。
図4に示す光学系120は、自由形状補正レンズ126を更に備える。様々な実施形態
によれば、自由形状補正レンズ126は、(例えば、ユーザによって視認される)物理環
境とアイボックス102との間の光学経路内に提供することができる。具体的には、示さ
れるように、自由形状補正レンズ126は、自由形状プリズム124に隣接し、物理環境
と自由形状プリズム124との間に位置する。自由形状補正レンズ126は、光線(図示
せず)が実質的に直線状の経路に従って物理環境内の物体からアイボックス102に通過
する(すなわち、光線が実質的に歪んでいない)ように自由形状プリズム124の効果を
修正するように構成される。(示されるような)いくつかの実施形態では、部分的反射器
または部分的に反射性の表面128を、自由形状補正レンズ126と自由形状プリズム1
24との間に設けることができる。部分的に反射性の表面128は、自由形状プリズム1
24内から部分的に反射性の表面128上に入射する光を反射するように構成され、また
、物理環境からの光が部分的に反射性の表面128を通過することを可能にするように構
成される。
再び図2を参照すると、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子ベースのディ
スプレイ110は、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された
平板ライトガイドを備える。いくつかの実施形態において、マルチビーム回折格子ベース
のディスプレイ110は、平板ライトガイドの表面においてまたは平板ライトガイドの表
面に隣接してマルチビーム回折格子のアレイを更に備える。様々な実施形態によれば、ア
レイのマルチビーム回折格子は、導波されたコリメート光ビームの一部分を、表示画像の
複数の異なるビュー104のビュー方向に対応する異なる主極大角度方向を有するカップ
リングして外へ出された複数の光ビームとして、回折によりカップリングして外へ出すよ
うに構成される。
図5Aは、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビ
ーム回折格子ベースのディスプレイ110の断面図を示す。図5Bは、本明細書で説明す
る原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディ
スプレイ110の断面図を示す。様々な実施形態によれば、図5A〜図5Bに示すマルチ
ビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、「指向性の」光、すなわち、異なる主極
大角度方向を有する光ビームまたは光線を含む光を生成するように構成される。
例えば、図5A〜図5Bに示すように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ1
10は、異なる複数の所定の主極大角度方向におけるマルチビーム回折格子ベースのディ
スプレイ110から出て、そこから離れる方向に向けられた矢印として(例えば光照射野
として)示される複数の光ビームを提供または生成するように構成される。そして、複数
の光ビームは、以下で説明するように、情報の表示、すなわち、画像(例えば、表示画像
)の異なるビューを容易にするように変調することができる。いくつかの実施形態では、
異なる所定の主極大角度方向を有する光ビームは、マルチビーム回折格子ベースのディス
プレイ110によって表示される3D画像の複数の3Dビューを形成する。更に、いくつ
かの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、いわゆる
「裸眼」3D電子ディスプレイ(例えば、マルチビュー、「ホログラフィック」またはオ
ートステレオスコピックディスプレイ)とすることができる。具体的には、ニアアイディ
スプレイ100に関して、異なる複数の所定の主極大角度方向は、表示画像の複数の異な
るビュー(例えば、図2に示す異なるビュー104)を形成する。したがって、変調され
た光ビームは、上記で説明した光線(rays or light rays)108とすることができる。
図5Aおよび図5Bに示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ1
10は、平板ライトガイド112を備える。平板ライトガイド112は、光を導波光ビー
ム(以下で更に説明されるように、平板ライトガイド112内を伝播する伸びた矢印とし
て示される)として導波するように構成される。例えば、平板ライトガイド112は、光
導波路として構成される誘電材料を含むことができる。誘電材料は、誘電光導波路を取り
囲む媒体の第2の屈折率よりも高い第1の屈折率を有することができる。屈折率の差異は
、例えば、平板ライトガイド112の1つまたは複数の導波モードに従って導波光の内部
全反射を容易にするように構成される。
様々な実施形態によれば、光は、平板ライトガイド112の長さによって、かつこの長
さに沿って導波される。更に、平板ライトガイド112は、非ゼロの伝播角度で、光を導
波光ビームとして導波するように構成される。導波光ビームは、例えば、内部全反射を用
いて、平板ライトガイド112内を非ゼロ伝播角度で導波することができる。具体的には
、導波光ビームは、非ゼロ伝播角度で平板ライトガイド112の上面と底面との間で反射
するかまたは「跳ね返る」ことによって伝播する(例えば、導波光ビームの光線を表す伸
びた角度を付けられた矢印によって示される)。
本明細書において定義されるとき、「非ゼロ伝播角度」は、平板ライトガイド112の
表面(例えば、上面または底面)に対する角度である。更に、様々な実施形態によれば、
非ゼロ伝播角度は、ゼロより大きく、かつ平板ライトガイド内の内部全反射の臨界角未満
である。例えば、導波光ビームの非ゼロ伝播角度は、約10度〜約50度、またはいくつ
かの例では、約20度〜約40度、または約25度〜約35度とすることができる。例え
ば、非ゼロ伝播角度は、約30度とすることができる。他の例では、非ゼロ伝播角度は、
約20度、または約25度、または約35度とすることができる。
平板ライトガイド112における導波光ビームとして導波される光は、非ゼロ伝播角(
例えば、約30度〜35度)において、平板ライトガイド112内に導入またはカップリ
ングすることができる。レンズ、ミラー、または類似の反射器(例えば、傾斜付きコリメ
ート反射器)、およびプリズム(図示せず)のうちの1つまたは複数により、例えば非ゼ
ロの伝播角における光ビームとして、光を平板ライトガイド112の入力端にカップリン
グすることを容易にすることができる。平板ライトガイド112内にカップリングされる
と、導波光ビームは、一般に入力端から離れる方向に、平板ライトガイド112に沿って
伝播する(例えば、図5A〜図5Bにおけるx軸に沿った方向を指す太線の矢印によって
示される)。
更に、様々な実施形態によれば、平板ライトガイド112内に光をカップリングするこ
とによって生成された導波光ビームは、コリメート光ビームとすることができる。具体的
には、「コリメート光ビーム」とは、導波光ビーム内の光の光線が導波光ビーム内で互い
に実質的に平行であることを意味する。本明細書における定義上、導波光ビームのコリメ
ートされた光ビームから発散または散乱する光線は、コリメート光ビームの一部分とみな
されない。コリメートされた導波光ビームを生成するための光のコリメートは、光を平板
ライトガイド112内にカップリングするのに用いられる、上記で説明されたレンズまた
はミラー(例えば、傾斜付きコリメート反射器等)を含むが、これらに限定されないコリ
メータによって提供することができる。
いくつかの実施形態では、平板ライトガイド112は、光学的に透明な誘電材料の伸び
た実質的に平坦なシートを含むスラブまたはプレート光導波路とすることができる。誘電
材料の実質的に平坦なシートは、内部全反射を用いて導波光ビームを導波するように構成
される。様々な実施形態によれば、平板ライトガイド112の光学的に透明な材料は、様
々なタイプのガラス(例えば、シリカガラス、アルミノケイ酸アルカリガラス、ホウケイ
酸ガラス等)、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー(例えば、ポ
リ(メチルメタクリレート)または「アクリルガラス」、ポリカーボネート等)のうちの
1つまたは複数を含むが、これらに限定されない、多岐にわたる誘電材料のうちの任意の
ものを含むか、またはこれらから作製することができる。いくつかの実施形態では、平板
ライトガイド112は、平板ライトガイド112の表面(例えば、上面および底面のうち
の一方または双方)の少なくとも一部分の上にクラッド層を更に含むことができる(図示
せず)。いくつかの例によれば、クラッド層を用いて、内部全反射を更に容易にすること
ができる。
図5Aおよび図5Bにおいて、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、
マルチビーム回折格子114のアレイを更に備える。図5Aおよび図5Bに示されるよう
に、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面(例えば、上面また
は前面)に位置する。他の例(図示せず)では、マルチビーム回折格子114のうちの1
つまたは複数が平板ライトガイド112内に位置することができる。更に他の例では(図
示せず)、マルチビーム回折格子112のうちの1つまたは複数が平板ライトガイド11
2の底面または背面(すなわち、マルチビーム回折格子114と共に示される表面に対し
反対の表面)に、あるいは底面上または背面上に位置することができる。組み合わせで、
平板ライトガイド112およびマルチビーム回折格子114のアレイは、マルチビーム回
折格子ベースのディスプレイ110のマルチビーム回折格子ベースの背面照明を提供する
か、またはその機能を果たす。
様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子114は、マルチビーム回折
格子ベースのディスプレイ110の異なるビューに対応する異なる主極大角度方向を有す
る複数の光ビームとして導波光ビームの一部分を散乱するかまたは回折によりカップリン
グして外へ出すように構成される。例えば、導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折
格子114によって、平板ライトガイド表面を通じて(例えば、平板ライトガイド112
の上面を通じて)回折によりカップリングして外へ出すことができる。更に、マルチビー
ム回折格子114は、導波光ビームの一部分をカップリングして外へ出された光ビームと
して回折によりカップリングして外へ出し、カップリングして外へ出された光ビームを、
平板ライトガイド表面から離れるように回折により方向変更するように構成される。上記
で論考したように、カップリングして外へ出された複数の光ビームの各々は、マルチビー
ム回折格子114の回折特徴の特性によって決定される異なる所定の主極大角度方向を有
することができる。
具体的には、アレイのマルチビーム回折格子114は、回折をもたらす複数の回折特徴
を含む。もたらされる回折は、平板ライトガイド112から導波光ビームの一部分を回折
によりカップリングする役割を果たす。例えば、マルチビーム回折格子114は、平板ラ
イトガイド112の表面における溝と、平板ライトガイド表面から突出する、回折特徴と
して機能する隆線との一方または双方を含むことができる。溝および隆線は、少なくとも
回折特徴に沿ったある点において、互いに平行に配置することができ、溝および隆線は、
マルチビーム回折格子114によってカップリングして外へ出される導波光ビームの伝播
方向に対し直交する。
いくつかの例において、溝または隆線は、平板ライトガイドの表面にエッチング、フラ
イス加工または成形することができる。したがって、マルチビーム回折格子114の材料
は、平板ライトガイド112の材料を含むことができる。図5Aに示すように、例えば、
マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面を貫通する実質的に平行
な溝を含む。図5Bにおいて、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112
の表面から突出する実質的に平行な隆線を含む。他の例(図示せず)では、マルチビーム
回折格子114は、平板ライトガイド表面に施されるかまたは貼られるフィルムまたは層
を含むことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子114は、チャープ回折格子とす
るか、またはチャープ回折格子を含むことができる。定義上、「チャープ」回折格子は、
例えば、図5A〜図5Bに示されるように、チャープ回折格子の広がりまたは長さにわた
って変動する回折特徴の回折間隔(すなわち、回折ピッチ)を呈するかまたは有する回折
格子である。本明細書において、様々な回折間隔が定義され、「チャープ」と呼ばれる。
チャープの結果として、平板ライトガイド112から回折によりカップリングして外へ出
される導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子にわた
って異なる原点に対応する異なる回折角度でカップリングして外へ出された光ビームとし
てチャープ回折格子から出るかまたは放射される。予め定義されたチャープにより、チャ
ープ回折格子は、複数の光ビームのうちの、カップリングして外へ出された光ビームの所
定の異なる複数の主極大角度方向に関与する。
いくつかの例では、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子は、距離と共に線
形に変動する回折間隔のチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チ
ャープされた回折格子は、定義上、「線形チャープ」回折格子である。図5A〜図5Bは
、限定ではなく例として、線形チャープ回折格子としてマルチビーム回折格子114を示
す。具体的には、示されるように、回折特徴は、マルチビーム回折格子114の第1の端
部よりも第2の端部において互いに近接している。更に、示される回折特徴の回折間隔は
、示されるように、第1の端部から第2の端部へと線形に変動する。
別の例(図示せず)において、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子は、回
折間隔の非線形チャープを呈することができる。マルチビーム回折格子114を実現する
のに用いることができる様々な非線形チャープは、指数チャープ、対数チャープ、または
別の実質的に非一様もしくはランダムであるが依然として単調に変動するチャープを含む
が、これらに限定されない。正弦曲線チャープまたは三角形もしくは鋸歯状チャープ等で
あるがこれらに限定されない非単調チャープも用いることができる。これらのタイプのチ
ャープのうちの任意のものの組み合わせも用いることができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子114は、湾曲およびチャープの
うちの一方または双方を受けた回折特徴を含むことができる。図5Cは、本明細書で説明
する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子114の斜視図
を示す。図5Cに示されるように、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド1
12の表面内に、表面に、または表面上にある。更に、示されるマルチビーム回折格子1
14は、湾曲およびチャープの双方を受けた回折特徴を含む(すなわち、図5Cにおける
マルチビーム回折格子114は、湾曲し、チャープされた回折格子である)。
図5Cに示されるように、導波光ビームは、マルチビーム回折格子114の第1の端部
において太線の矢印として示されるマルチビーム回折格子114に対する入射方向を有す
る。平板ライトガイド112の表面における、マルチビーム回折格子114から離れる方
に向いた矢印によって示される、カップリングして外へ出されたまたは放射された複数の
ビームも示される。光ビームは、複数の所定の異なる主極大角度方向において放射される
。具体的には、放出される光ビームの所定の異なる主極大角度方向は、示されるように、
方位角および仰角の双方において互いに異なる。様々な例によれば、回折特徴の所定のチ
ャープおよび回折特徴の曲線の双方が、放射される光ビームの所定の異なる主極大角度方
向に関与することができる。
具体的には、回折特徴の曲線に沿った複数の異なる点において、湾曲した回折特徴に関
連付けられたマルチビーム回折格子114の「基礎をなす回折格子」は、異なる方位配向
角(azimuthal orientation angle)を有する。「基礎をなす回折格子」とは、重ね合わ
せると、マルチビーム回折格子114の湾曲した回折特徴をもたらす、複数の湾曲してい
ない回折格子のうちの回折格子を意味する。湾曲した回折特徴に沿った所与の点において
、湾曲は、一般に、湾曲した回折特徴に沿った別の点における方位配向角と異なる特定の
方位配向角を有する。更に、特定の方位配向角の結果として、所与の点から放射される光
ビームの主極大角度方向の対応する方位成分が得られる。いくつかの例では、回折特徴の
湾曲(例えば、溝、隆線等)の湾曲は、円のセクションを表すことができる。円は、ライ
トガイド表面と同一平面にあることができる。他の例では、湾曲は、例えば、ライトガイ
ド表面と同一平面にある、楕円または別の湾曲形状のセクションを表すことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、
ライトバルブのアレイまたはライトバルブアレイ116を更に備える。ライトバルブアレ
イ116は、表示画像の異なるビューのピクセルに対応する複数のピクセル(すなわち、
変調されたピクセル)として、カップリングして外へ出された光を選択的に変調するよう
に構成することができる。例えば、図5Aおよび図5Bを参照すると、ライトバルブアレ
イ116は、平板ライトガイド表面に隣接して示される。様々な実施形態によれば、ライ
トバルブアレイ116は、表示画像の異なるビューに対応する異なる方向に向けられた光
ビーム(すなわち、マルチビーム回折格子114からの異なる所定の主極大角度方向を有
する複数の光ビーム)を変調するように構成される。具体的には、複数の光ビームのうち
の光ビームは、ライトバルブアレイ116の個々のライトバルブを通過し、これらのライ
トバルブによって変調される。様々な実施形態によれば、変調され、回折により方向付け
られた光ビーム(すなわち、光線108)は、カップリングして外へ出された光ビームの
異なる方向に依拠して表示画像の異なるビューのピクセルを表すことができる。様々な実
施形態において、液晶ライトバルブ、電気泳動バルブ、およびエレクトロウェッティング
に基づくライトバルブのうちの1つまたは複数を含むがこれらに限定されない、異なるタ
イプのライトバルブをライトバルブアレイ116において用いることができる。
(例えば、図5Aおよび図5Bに示すような)いくつかの実施形態によれば、マルチビ
ーム回折格子ベースのディスプレイ110は、光源118を更に含むことができる。光源
118は、コリメート光ビームを平板ライトガイド112に提供するように構成される。
具体的には、光源118は、平板ライトガイド110の入口面または端部(入力端)に隣
接して位置することができる。様々な実施形態において、光源118は、1つまたは複数
の発光ダイオード(LED)またはレーザ(例えば、レーザダイオード)を含むがこれら
に限定されない、実質的に任意の光源(例えば、光学エミッタ)を含むことができる。い
くつかの実施形態では、光源118は、特定の色によって表される狭帯域スペクトルを有
する実質的に単色の光を生成するように構成された光学エミッタを含むことができる。具
体的には、単色の光の色は、特定の色空間または色モデル(例えば、赤−緑−青(RGB
)色モデル)の原色とすることができる。いくつかの実施形態では、光源118は、異な
る色の光を提供するように構成された複数の異なる光学エミッタを含むことができる。異
なる光学エミッタは、光の異なる色の各々に対応する、コリメート光ビームの異なる色固
有の非ゼロの伝播角度を有する光を提供するように構成することができる。
いくつかの実施形態では、光源118は、(図5Aおよび図5Bにおいて影付きの領域
として示される)コリメータを更に含むことができる。コリメータは、光源118の光学
エミッタの1つまたは複数から、実質的にコリメートされていない光を受け取るように構
成することができる。コリメータは、実質的にコリメートされていない光を、コリメート
光ビームに変換するように更に構成される。いくつかの実施形態によれば、具体的には、
コリメータは、2つの実質的に直交する方向においてコリメートされたコリメート光ビー
ムを提供することができる。更に、異なる色の光エミッタが用いられるとき、コリメータ
は、異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有するコリメート光ビームを提供するように構成
することができる。コリメータは、上記で説明した非ゼロの伝播角度を有するコリメート
された導波光ビームとして伝播するように、コリメート光ビームを平板ライトガイド11
2に伝達するように更に構成することができる。
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイ両眼ディスプレイシ
ステムが提供される。図6は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例
におけるニアアイ両眼ディスプレイシステム200のブロック図を示す。ニアアイ両眼デ
ィスプレイシステム200は、3次元(3D)シーンの立体画像202の対を提供し、立
体画像202の対を、ユーザによって視認するために、対応するアイボックス204の対
に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、対のアイボックス204は、ユ
ーザの眼の位置に対応するように互いに横方向に変位される。具体的には、ユーザは、横
方向に変位されたアイボックス204の対において立体画像202の対を快適にかつ自然
に視認することができる。いくつかの実施形態によれば、更に、立体画像202の対は、
3D体験を提供し、かつ多くの場合にニアアイ立体ディスプレイに関連付けられた様々な
輻輳調節問題に対処することができる。
図6に示すように、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、マルチビーム回折格
子ベースのディスプレイ210の対を備える。様々な実施形態によれば、各マルチビーム
回折格子ベースのディスプレイ210は、対の他のディスプレイ210によって提供され
る画像202と異なる画像202を提供するように構成される。対の異なる画像202は
、3Dシーンの立体画像202である。いくつかの実施形態では、対のマルチビーム回折
格子ベースのディスプレイ210の一方または双方は、ニアアイディスプレイ100に関
して上記で説明されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110に実質的に類似
することができる。
具体的には、示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、
各々が、平板ライトガイド212およびマルチビーム回折格子214のアレイまたは(例
えば図示するように)単に「マルチビーム格子214」を含む。いくつかの実施形態では
、平板ライトガイド212は、平板ライトガイド112に実質的に類似することができ、
マルチビーム回折格子214のアレイは、マルチビーム回折格子ディスプレイ110のマ
ルチビーム回折格子114のアレイに実質的に類似することができる。具体的には、マル
チビーム回折格子214は、平板ライトガイド212の表面に位置するかまたは隣接する
ことができる。更に、いくつかの実施形態では、アレイのマルチビーム回折格子214は
、カップリングして外へ出された複数のビームとして、平板ライトガイド212内から導
波光を回折によりカップリングして外へ出すように構成することができる。いくつかの実
施形態では、マルチビーム回折格子214は、湾曲した回折特徴を有するチャープ回折格
子を備える。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子のチャープは線形チャープであ
る。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の対
によって提供される立体画像対の提供される画像202の各々は、3Dシーンの複数の異
なるビューを含む。異なるビューは、例えば、3Dシーンの異なる視点を表すことができ
る。更に、様々な実施形態において、カップリングして外へ出された複数の光ビームは、
3Dシーンの複数の異なるビュー(すなわち、3D斜視図)のうちの異なるビューの3D
ビュー方向に対応する異なる主極大角度方向を有することができる。
図6に示されるニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、両眼光学系220を更に
備える。両眼光学系220は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の対に
よって提供される立体画像対の異なる画像202を、アイボックス204の対応する対に
別個に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス204は、互
いに横方向に変位される。上述したように、アイボックス204の横方向の変位は、例え
ば、ユーザによる視認を容易にすることができる。図6に示されるアイボックス204間
の垂直の破線は、横方向の変位を示す。
いくつかの実施形態では、両眼光学系220は、ニアアイディスプレイ100の光学系
120と実質的に類似することができるが、ただし両眼構成で配置されている。具体的に
は、両眼光学系220は、アイボックス204内の複数の異なる位置に対応する複数の異
なるビュー(例えば、3Dビュー)を中継するように構成することができる。更に、アイ
ボックス204内の異なる位置は、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200のユーザに
深度焦点キューを提供するように構成される。様々な実施形態によれば、具体的には、深
度焦点キューは、立体画像対の提供された画像202間の両眼視差に対応することができ
る。
更に、いくつかの実施形態によれば、両眼光学系220は、第1の自由形状プリズムお
よび第2の自由形状プリズム(図6に示されていない)を含むことができる。第1の自由
形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第1のマルチビ
ーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を、アイボック
ス対のうちの第1のアイボックス204に中継するように構成することができる。同様に
、第2の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第
2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を
、アイボックス対のうちの第2のアイボックス204に中継するように構成することがで
きる。他の実施形態(図示せず)では、両眼光学系220は、拡大鏡の対(例えば、上記
で説明した単純な拡大鏡122に実質的に類似した単純な拡大鏡の対)を含むことができ
る。
いくつかの実施形態では、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、バーチャルリ
アリティーディスプレイシステムとなるように構成される。具体的には、立体対の提供さ
れる異なる画像202は、少なくともアイボックス204内で、物理環境の両眼ビューを
置き換えるように構成することができる。他の実施形態では、図6に示すニアアイ両眼デ
ィスプレイシステム200は、拡張現実ディスプレイシステムとなるように構成すること
ができる。拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるとき、立体対の提供される異
なる画像202は、例えば、アイボックス204内の物理環境ビューを拡張することがで
きるが、一般に置き換えることはない。すなわち、拡張現実ディスプレイシステムとして
構成されるニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、ユーザに、立体画像対と物理環
境のビューとの光学的重ね合わせを提供する。更に、拡張現実ディスプレイシステムとし
て構成されるとき、両眼光学系220は、自由形状補正レンズの対を更に含むことができ
る。様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズは、アイボックス204の対に、物理
環境の画像を提供するように構成することができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、
ライトバルブ216のアレイおよび光源218を更に備えることができる。いくつかの実
施形態では、ライトバルブ216のアレイは、ニアアイディスプレイ100のマルチビー
ム回折格子ベースのディスプレイ110に関して上記で説明したライトバルブ116のア
レイと実質的に類似することができる。例えば、ライトバルブ216のアレイは、平板ラ
イトガイド212の表面に隣接して位置することができる。様々な実施形態によれば、ラ
イトバルブ216は、マルチビーム回折格子214からカップリングして外へ出された光
ビームを、立体画像対の提供された画像202のピクセルに対応する複数のピクセルまた
は変調された光ビームとして選択的に変調するように構成される。いくつかの実施形態で
は、アレイのライトバルブ216は、液晶ライトバルブを含む。他の実施形態では、ライ
トバルブアレイのライトバルブ216は、例えば、エレクトロウェッティングライトバル
ブ、電気泳動ライトバルブ、それらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のライト
バルブタイプとの組み合わせを含むがこれらに限定されない、別のライトバルブを含むこ
とができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、
光源218を更に備えることができる。光源218、平板ライトガイド212に光を提供
するように構成される。いくつかの実施形態では、光源218は、光源218によって提
供される光をコリメートするように構成された光学コリメータを含むことができる。様々
な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の平板ライトガ
イド212は、コリメート光を、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームとして導波する
ように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、光源218は、ニアアイデ
ィスプレイ100に関して上記で説明したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ1
10の光源118に実質的に類似することができる。
いくつかの実施形態では、光源218は、異なる色の光(論考を簡単にするために「異
なる色のLED」と呼ばれる)を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード
(LED)を含むことができる。いくつかの実施形態では、異なる色のLEDは、互いに
オフセットする(例えば、横方向にオフセットする)ことができるか、または平板ライト
ガイド212内のコリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するよう
にコリメータと併せて他の形で構成することができる。更に、異なる色固有の非ゼロの伝
播角度は、光源218によって提供される光の異なる色の各々に対応することができる。
いくつかの実施形態(図示せず)によれば、光の異なる色は、赤−緑−青(RGB)色
モデルの赤色、緑色および青色を含むことができる。更に、平板ライトガイド212は、
平板ライトガイド212内の異なる色に依拠した非ゼロの伝播角度でコリメート光ビーム
として異なる色を導波するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、
例えば、第1のカラー導波光ビーム(例えば、赤色光ビーム)は、第1の色に依拠した非
ゼロの伝播角度で導波することができ、第2のカラー導波光ビーム(例えば、緑色光ビー
ム)は、第2の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができ、第3のカラー導波
光ビーム(例えば、青色光ビーム)は、第3の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波する
ことができる。
本明細書で説明する原理の他の実施形態によれば、ニアアイディスプレイ動作の方法が
提供される。図7は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における
ニアアイディスプレイ動作の方法300のフローチャートを示す。図7に示すように、ニ
アアイディスプレイ動作の方法300は、非ゼロ伝播角度でライトガイド内にコリメート
光ビームを導波すること(310)を含む。様々な実施形態によれば、コリメート光ビー
ムは、ニアアイディスプレイ100に関して上記で説明した平板ライトガイド112と実
質的に類似した平板ライトガイドにおいて導波することができる。更に、コリメート光ビ
ームは、ニアアイディスプレイ100に対し、上記で説明した非ゼロ伝播角度で導波する
(310)ことができる。
ニアアイディスプレイ動作の方法300は、マルチビーム回折格子を用いてライトガイ
ドから導波されたコリメート光ビームの一部分を回折によりカップリングして外へ出し(
320)、異なる複数の主極大角度方向でライトガイドから離れる方向に向けられた、カ
ップリングして外へ出された複数の光ビームを生成して光照射野を形成することを更に含
む。様々な実施形態によれば、光照射野は、カップリングして外へ出された光ビームの異
なる複数の主極大角度方向に対応する画像(例えば、表示画像)の複数の異なるビューを
提供する。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ1
00に関して上記で説明したマルチビーム回折格子114に実質的に類似している。具体
的には、コリメート光ビームを導波する(310)際に用いられるライトガイド、および
コリメート光ビーム部分を回折によりカップリングして外へ出す(320)際に用いられ
るマルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ100のマルチビーム回折格子ベース
のディスプレイ110と実質的に類似したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの
一部とすることができる。
図7に示すように、ニアアイディスプレイ動作の方法300は、光学系を用いて、画像
の複数の異なるビューをアイボックスに中継すること(330)を更に含む。いくつかの
実施形態では、光学系は、上記で説明したニアアイディスプレイ100の光学系120に
実質的に類似することができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、画像の複数
の異なるビューを中継すること(330)は、異なる複数のビューのうちの異なる各々を
アイボックス内の異なる位置に中継し、アイボックス内の画像を視認するユーザに深度焦
点キューを与える。深度焦点キューは、例えば、ユーザの眼の画像調節を容易にすること
ができる。
いくつかの実施形態では、中継される画像は、3次元(3D)画像を含むことができ、
複数の異なるビューのうちの異なるビューは、3D画像の異なる斜視ビューを表すことが
できる。いくつかの実施形態では、中継画像は、画像の立体対の画像である。更に、いく
つかの例では、画像の複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含むこと
ができる。いくつかの実施形態では、画像の複数の異なるビューを中継すること(330
)は、アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像
を提供するように画像を拡大することを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビ
ューを中継すること(310)は、画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリ
ティーディスプレイのうちの一方または双方を提供する。
このため、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイを用いて画像の複数の異なるビ
ューを提供する、ニアアイディスプレイ、両眼ニアアイディスプレイシステム、およびニ
アアイディスプレイ動作の方法の例および実施形態が説明された。上述の例は、本明細書
で説明する原理を表す多数の特定の例のいくつかを単に例示するものであることが理解さ
れるべきである。明らかに当業者は、添付の特許請求の範囲により定義される範囲から逸
脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。
10 光ビーム
12 矢印
100 ニアアイディスプレイ
102 アイボックス
104 複数の異なるビュー
106 仮想画像
108 光線
110 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
112 平板ライトガイド
114 マルチビーム回折格子
116 ライトバルブアレイ
118 光源
120 光学系
122 拡大鏡
124 自由形状プリズム
126 自由形状補正レンズ
128 部分的に反射性の表面
200 ニアアイ両眼ディスプレイシステム
202 画像
204 アイボックス
210 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
212 平板ライトガイド
214 マルチビーム回折格子
216 光バルブ
218 光源
220 両眼光学系
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に援用される、2015年10月16日に出願された米国仮特許出願第62/242,980号の優先権を主張する。
連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし
電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するための、ほぼ至る所にある媒体である。最も一般に見られる電子ディスプレイには、陰極線管(CRT)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、液晶ディスプレイ(LCD)、電子発光ディスプレイ(EL)、有機発光ダイオード(OLED)およびアクティブマトリクスOLED(AMOLED)ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ(EP)、ならびに電気機械または電気流体光変調(modulation)(例えば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイ等)を使用した様々なディスプレイがある。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ(すなわち、光を放射するディスプレイ)またはパッシブディスプレイ(すなわち、別の発生源によりもたらされた光を変調するディスプレイ)に分類することができる。アクティブディスプレイの最も明らかな例には、CRT、PDP、およびOLED/AMOLEDがある。放射される光を考慮したときにパッシブとして通常分類されるディスプレイは、LCDおよびEPディスプレイである。パッシブディスプレイは、多くの場合、本質的に消費電力が低いことを含めて、これだけに限らず魅力的な性能特性を呈するが、光を放射する能力がないことを考えれば、多くの実用的な用途においていくらか使用が制限される場合がある。
アクティブまたはパッシブとして分類されることに加えて、電子ディスプレイは、電子ディスプレイの意図される視認距離に従って特徴付けることもできる。例えば、大多数の電子ディスプレイは、人間の眼の正常なまたは「自然な」調節範囲内にある距離に位置することが意図される。したがって、電子ディスプレイは、直接、かつ当然ながら追加の光学素子なしで見ることができる。一方、いくつかのディスプレイは、正常調節範囲よりもユーザの眼の近くに位置するように特に設計される。これらの電子ディスプレイは、多くの場合、「ニアアイ」ディスプレイと呼ばれ、一般に、視認を容易にするための何らかの形態の光学素子を備える。例えば、光学素子は、物理的電子ディスプレイ自体が直接視認可能でない場合があるにもかかわらず、快適な視認を可能にするように、正常調節範囲内にある物理的電子ディスプレイの仮想画像を提供することができる。ニアアイディスプレイを用いる用途の例は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)および類似のウェアラブルディスプレイ、ならびにいくつかのヘッドアップディスプレイであるが、これらに限定されない。様々なバーチャルリアリティーシステムおよび拡張現実システムは、しばしばニアアイディスプレイを含む。なぜなら、ニアアイディスプレイは、そのような用途における従来のディスプレイよりも没入感のある体験をもたらすことができるためである。
本開示は以下の[1]から[25]を含む。
[1]ニアアイディスプレイであって、
画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、
上記画像の上記複数の異なるビューを、上記ニアアイディスプレイの出力においてアイボックス内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成された光学系であって、上記アイボックス内の上記対応する複数の異なる位置に提供される上記複数の異なるビューは、上記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度キューを与えるように構成される、光学系と、
を備える、ニアアイディスプレイ。
[2]上記画像は3次元(3D)画像を含み、上記複数の異なるビューのうちの異なるビュー(views)は、上記3D画像の異なる斜視図を表す、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[3]上記画像の上記複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含む、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[4]上記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、上記光学系は入力開口を有し、上記全角度範囲は、上記入力開口のサイズに実質的に対応するように構成される、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[5]上記光学系は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する上記アイボックスからの距離の位置に上記画像の仮想画像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ
[6]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび上記光学系の双方が、ユーザの視野(FOV)の一部分を実質的にブロックするように上記FOV内に位置し、上記ニアアイディスプレイは、物理環境のビューを上記ブロックされたFOV部分内の上記画像と置き換えるように構成されたバーチャルリアリティーディスプレイである、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[7]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、ユーザの視野(FOV)の外側に位置し、上記光学系は、上記FOV内に位置し、上記ニアアイディスプレイは、上記FOV内の物理環境のビューを、上記画像を用いて拡張するように構成された拡張現実ディスプレイである、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[8]上記光学系は、自由形状プリズムを含む、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[9]上記光学系は、自由形状補正レンズを更に含む、上記[8]に記載のニアアイディスプレイ。
[10]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドと、
上記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、上記アレイのマルチビーム回折格子は、上記導波コリメート光ビームの一部分を、上記画像の上記複数の異なるビューの視認方向に対応する異なる複数の主角度方向を有する外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成されるアレイと、
を備える、上記[1]に記載のニアアイディスプレイ。
[11]上記マルチビーム回折格子は、線形チャープ回折格子である、上記[10]に記載のニアアイディスプレイ。
[12]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
上記コリメート光ビームを平板ライトガイド光に提供するように構成された光源と、
上記平板ライトガイド表面に隣接するライトバルブアレイであって、上記ライトバルブアレイは、上記外へ結合された光ビームを、上記画像の上記複数の異なるビューに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブアレイと、
を更に備える、上記[10]に記載のニアアイディスプレイ。
[13]上記光源は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光源を備え、上記複数の異なる光源は、光の上記異なる色の各々に対応するコリメート導波光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される、上記[12]に記載のニアアイディスプレイ。
[14]上記[1]に記載のニアアイディスプレイの対を備えるニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、上記対の第1のニアアイディスプレイは、第1の画像の第1の複数の異なるビューを第1のアイボックスに提供するように構成され、上記対の第2のニアアイディスプレイは、第2の画像の第2の複数の異なるビューを第2のアイボックスに提供するように構成され、上記第2のアイボックスは、上記第1のアイボックスから横方向にオフセットされ、上記第1の画像および上記第2の画像は画像の立体対を表す、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[15]ニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対であって、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、3次元(3Dの)シーンを表す立体画像の対の異なる画像を提供するように構成される、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対と、
上記立体画像対の上記異なる画像をアイボックスの対応する対に別個に中継するように構成された両眼光学系であって、上記アイボックスは互いに横方向に変位される、両眼光学系と、
を備え、上記ディスプレイ対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、平板ライトガイドと、マルチビーム回折格子のアレイとを備え、上記アレイのマルチビーム回折格子は、上記平板ライトガイド内からの導波光を、外へ結合された複数の光ビームとして回折により外へ結合するように構成され、上記外へ結合された複数の光ビームは、上記立体画像対の上記異なる画像を提供するように構成される、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[16]上記立体画像対の上記異なる画像の各々は、上記3Dシーンの複数の異なるビューを含み、上記外へ結合された複数の光ビームは、上記外へ結合された複数の光ビームの上記異なるビューの3Dビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[17]上記両眼光学系は、上記アイボックス内の対応する複数の異なる位置に上記複数の異なるビューを中継するように構成され、上記アイボックス内の上記複数の異なる位置に提供される上記複数の異なるビューは、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムのユーザに、焦点深度キューを提供するように構成され、上記焦点深度キューは、上記立体画像対の上記異なる画像間の両眼視差に対応する、上記[16]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[18]上記両眼光学系は、第1の自由形状プリズムおよび第2の自由形状プリズムを含み、上記第1の自由形状プリズムは、上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第1のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される画像を上記アイボックス対の第1のアイボックスに中継するように構成され、上記第2の自由形状プリズムは、上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される異なる画像を、上記アイボックス対の第2のアイボックスに中継するように構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[19]上記両眼光学系は、物理環境の異なる画像を上記アイボックスの対に提供するように構成された自由形状補正レンズの対を更に含み、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、上記[18]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[20]上記立体画像対の上記提供される異なる画像は、上記アイボックス内の物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成され、上記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとして構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[21]上記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
光を提供するように構成される光源と、
上記光源によって提供される上記光をコリメートするように構成される光学コリメータと、
上記平板ライトガイドに隣接するライトバルブのアレイであって、上記ライトバルブアレイは、上記外へ結合された光ビームを、上記立体画像対の上記提供される画像のピクセルに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブのアレイと、
を更に備え、上記平板ライトガイドは、非ゼロの伝播角度で上記コリメート光をコリメート光ビームとして導波するように構成される、上記[15]に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
[22]ニアアイ画像ディスプレイ動作の方法であって、
非ゼロ伝播角度でライトガイド内でコリメート光ビームを導波することと、
マルチビーム回折格子を用いて、上記導波されたコリメート光ビームの一部分を回折により上記ライトガイドから外へ結合し、異なる複数の主角度方向で上記ライトガイドから離れる方向に向けられた、複数の外へ結合される光ビームを生成して、上記外へ結合された光ビームの上記複数の異なる主角度方向に対応する、画像の複数の異なるビューを提供する、ことと、
上記画像の上記複数の異なるビューを、光学系を用いてアイボックスに中継することと、
を含む、方法。
[23]上記複数の異なるビューを中継することは、上記異なるビューのうちの異なる各々を上記アイボックス内の異なる位置に中継し、上記異なる位置に提供される異なるビューは、上記アイボックス内の画像を視認するユーザに焦点深度キューを与える、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
[24]上記画像の上記複数の異なるビューを中継することは、上記アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように上記画像を拡大することを含む、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
[25]上記画像の上記複数の異なるビューを中継することは、上記画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイの一方または双方を提供する、上記[22]に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。
本明細書で説明する原理の一例による、特定の主角度方向(principal angular direction)を有する光ビームの角度成分{θ,φ}のグラフ図である。 本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイの光学素子の概略図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プリズムを含む光学系を有するニアアイディスプレイの断面図である。 [図5A]本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。[図5B]本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子の斜視図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイ両眼ディスプレイシステムのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作の方法のフローチャートである。
いくつかの例および実施形態は、上記で参照された図に示す特徴の追加または代替の1つである他の特徴を有している。これらおよび他の特徴は、上記で参照される図を参照して以下で詳述される。
本明細書で説明する原理による実施形態および例は、調節サポートを提供するニアアイ画像ディスプレイを提供する。特に、本明細書で説明する原理の様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイは、マルチビューディスプレイを利用して、画像の複数の異なるビューを生成する。複数の異なるビューは、ニアアイ表示された画像が視認されるアイボックス(eye box)内の異なる位置に投影またはマッピングされる。様々な実施形態によれば、異なる位置における異なるビューは、表示画像に対する調節をサポートする(すなわち、眼の焦点を物体に合わせることをサポートする)ことができる。
様々な実施形態によれば、マルチビューディスプレイは、マルチビーム回折格子ベースの背面照明を含む。マルチビーム回折格子ベースの背面照明は、マルチビーム回折格子を用いたライトガイドからの光のマルチビーム回折結合を利用して、複数の異なるビューに対応する光ビームを生成する。いくつかの実施形態では、異なるビューは、マルチビーム回折格子ベースの背面照明に基づく3次元(3D)電子ディスプレイ(例えば、オートステレオスコピックまたは「裸眼」3D電子ディスプレイ)によって生成される異なるビューと実質的に類似することができる。したがって、マルチビューディスプレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイと呼ぶことができる。
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、マルチビーム回折格子のアレイを有する。マルチビーム回折格子は、ライトガイドからの光を結合し、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイのピクセル、または等価には、表示される画像の異なるビューのピクセルに対応する、外へ結合された(coupled-out)光ビームを提供するのに用いられる。具体的には、様々な実施形態によれば
外へ結合された光ビームは、互いに異なる主角度方向を有する。更に、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子によって生成されたこれらの異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、表示画像の異なるビューに対応するピクセルとしての役割を果たすことができる。
本明細書では、「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造体として定義される。具体的には、ライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実質的に透明なコアを含んでいてもよい。「ライトガイド」という用語は一般に、ライトガイドの誘電体材料と、ライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するための内部全反射を用いる誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のための条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率より大きいことである。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、内部全反射を更に容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んでいてもよい。コーティングは、例えば反射コーティングとしてもよい。ライトガイドは、平板(plate)またはスラブ(slab)ガイドおよびストリップ(strip)ガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されない、いくつかのライトガイドのうちの任意のものとすることができる。
本明細書では更に、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイドに適用された場合は、区分的(piecewise)または個別的(differentially)に平面状の層またはシートとして定義され、場合によっては「スラブ」ガイドと呼ばれる。具体的には、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面および下面(すなわち、反対の面)により境界を画された2つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガイドとして定義される。更に、本明細書における定義上、上面および下面は共に互いに隔てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行とすることができる。すなわち、平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行であるかまたは同一平面上にある(co-planar)。
いくつかの実施形態では、平板ライトガイドは、実質的に平坦(例えば平面に制限される)であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドとなる。他の実施形態では、平板ライトガイドは、1つまたは2つの直交する寸法(dimension)において湾曲していてもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成するように、単一の寸法において湾曲していてもよい。しかしながら、いずれの曲率も、光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするように、十分大きな曲率半径を有する。
本明細書において、「回折格子」、より詳細には「マルチビーム回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数の特徴部(すなわち、回折特徴部)として一般に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置してもよい。例えば、回折格子の複数の特徴部(例えば、材料表面における複数の溝)が、1次元(1D)アレイに配置されていてもよい。他の例では、回折格子は、複数の特徴部の2次元(2D)アレイとしてもよい。例えば、回折格子は、材料表面の複数の突起(bump)または穴の2Dアレイとしてもよい。
したがって、本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらす構造である。光がライトガイドから回折格子に入射する場合、もたらされる回折または回折散乱は、回折格子が、回折によって、光を外へ結合することができるという点で、「回折結合」を結果として生じることができ、このため「回折結合」と呼ばれる。回折格子はまた、回折により(すなわち、回折角度で)光の角度を方向変更する(redirect)かまたは変化させる。具体的には、回折の結果として、回折格子を出る光(すなわち、回折された光)は一般に、回折格子に対し入射する光(すなわち、入射光)の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による光の伝播方向の変化は、「回折的方向変更(diffractive redirection)」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を含む構造体であると理解することができ、光がライトガイドから入射する場合には、回折格子はライトガイドから光を回折により外へ結合することもできる。
更に、本明細書における定義上、回折格子の複数の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面(ここで、「表面」は、2つの材料間の境界を指す)、表面内、および表面上(at, in and on)のうちの1つまたは複数にあるものとすることができる。この表面は、平板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、溝、隆線、穴、および突起のうちの1つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうちの任意のものを含むことができ、これらの構造は、表面、表面内、または表面上のうちの1つまたは複数にあるものとすることができる。例えば、回折格子は、材料表面における複数の平行な溝を含むことができる。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がった複数の平行な隆線を含むことができる。回折特徴部は(溝、隆線、穴、突起等を問わず)、正弦波輪郭、長方形輪郭(例えば、バイナリ回折格子)、三角形輪郭、および鋸歯状輪郭(例えば、ブレーズド回折格子)のうちの1つまたは複数を含むがこれらに限定されない、回折をもたらす様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができる。
本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含む、外へ結合される光を生成する回折格子である。更に、本明細書における定義上、マルチビーム回折格子によって生成される複数の光ビームは、互いに異なる主角度方向を有する。具体的には、定義上、複数の光ビームは、マルチビーム回折格子による入射光の回折結合および回折的方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの別の光ビームと異なる所定の主角度方向を有することができる。複数の光ビームは、光照射野を表すことができる。例えば、複数の光ビームは、8つの異なる主角度方向を有する8つの光ビームを含むことができる。例えば、8つの光ビームを組み合わせることにより(すなわち、複数の光ビーム)、光照射野を表すことができる。様々な実施形態によれば、様々な光ビームの異なる主角度方向は、格子ピッチまたは間隔と、マルチビーム回折格子に入射する光の伝播方向に対するそれぞれの光ビームの原点におけるマルチビーム回折格子の回折特徴部の向きまたは回転との組み合わせによって決定される。
具体的には、本明細書における定義上、マルチビーム回折格子により生成された各光ビームは、角度成分{θ,φ}で与えられる1つの主角度方向を有する。角度成分θは、本明細書では光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、本明細書では光ビームの「方位角成分(azimuth component)」または「方位角(azimuth angle)」と呼ばれる。定義上、仰角θは、垂直面(vertical plane)(例えば、マルチビーム回折格子の平面に垂直)における角度であり、方位角φは、水平面(horizontal plane)(例えば、マルチビーム回折格子平面に平行)における角度である。図1は、本明細書で説明する原理の一例による、特定の主角度方向を有する光ビーム10の角度成分{θ,φ}を示す。更に、本明細書における定義上、光ビーム10は、特定の点から放射または発散(emanate)される。すなわち、定義上、光ビーム10は、マルチビーム回折格子内の特定の原点に関連付けられた中心光線(central ray)を有する。また、図1は、光ビームの原点Oも示す。入射光の例示的な伝播方向は、図1において、原点Oに向かって方向付けられた太線の矢印12を用いて示される。
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子およびその特徴部(すなわち「回折特徴部(diffractive feature)」)の特性は、複数の光ビームの角度指向性(angular dir
ectionality)と、これらの光ビームのうちの1つまたは複数に対するマルチビーム回折格子の波長または色選択性(selectivity)の一方または両方を制御するために用いることができる。角度指向性および波長選択性を制御するために用いることができる特性は、格子長さ、格子ピッチ(特徴部間隔)、特徴部の形状、特徴部のサイズ(例えば、溝または隆線(ridge)の幅)、および格子の向きのうちの1つまたは複数を含むが、これらに限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、光ビームの原点の近傍に局所的な特性としてもよい。
更に本明細書で説明する様々な実施形態によれば、回折格子(例えば、マルチビーム回折格子)によってライトガイドから外へ結合された光は、電子ディスプレイのピクセルを表す。具体的には、異なる主角度方向を有する複数の光ビームを生成するためのマルチビーム回折格子を有するライトガイドは、マルチビューディスプレイ、「裸眼」3次元(3D)電子ディスプレイ(「ホログラフィック」電子ディスプレイまたはオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる)等の電子ディスプレイのバックライトの一部とすることができるか、またはこれらと共に用いることができるが、これらに限定されない。したがって、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波光を外へ結合することによって生成された、異なる方向に向けられた光ビームは、表示されている画像(例えば、3D画像)の異なるビューとすることができるか、またはこれらを表すことができる。更に、異なる方向に向けられた光ビームは、異なる画像ビューの異なるビュー角度に対応する方向を有する。
本明細書において、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成される実質的に任意の光学デバイスまたは装置として定義される。例えば、コリメータは、コリメートミラーまたは反射器、コリメートレンズ、およびそれらの様々な組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、コリメート反射器を備えるコリメータは、放物線または放物形によって特徴付けられる反射面を有することができる。別の例では、コリメート反射器は、成形された放物面反射器(shaped parabolic reflector)を含むことができる。「成形された放物面」とは、成形された放物面反射器の湾曲した反射面が、所定の反射特性(例えば、コリメートの程度)を達成するように決定された方式で、「真の」放物線から逸脱していることを意味する。同様に、コリメートレンズは、球形に成形された面(例えば、両凸球形レンズ)を含むことができる。
いくつかの実施形態では、コリメータは、連続反射器または連続レンズ(すなわち、実質的に平滑で連続した表面を有する反射器またはレンズ)とすることができる。他の実施形態では、コリメート反射器またはコリメートレンズは、限定ではないがフレネル反射器またはフレネルレンズ等の、光コリメートをもたらす実質的に不連続な表面を含む場合がある。様々な実施形態によれば、コリメータによってもたらされるコリメート量は、実施形態によって、所定の度合いまたは量が変動する場合がある。更に、コリメータは、2つの直交する方向(例えば、垂直方向および水平方向)の一方または双方においてコリメートをもたらすように構成することができる。すなわち、いくつかの実施形態によれば、コリメータは、2つの直交する方向の一方または双方において光コリメートをもたらす形状を含むことができる。
本明細書において、「光源」は、光の発生源(例えば、光を放射する装置またはデバイス)として定義される。例えば、光源は、起動されると光を放射する発光ダイオード(LED)とすることができる。光源は、発光ダイオード(LED)、レーザ、有機発光ダイオード(OLED)、ポリマー発光ダイオード、プラズマベースの光学エミッタ、蛍光灯、白熱灯、および実際上任意の他の光の発生源を含むが、これらに限定されない、実質的に任意の光の発生源または光学エミッタとすることができる。光源によって生成される光は、色を有してもよく、または特定の波長の光を含んでもよい。したがって、「異なる色
の複数の光源」は、本明細書において、光源のうちの少なくとも1つが、色を有する光を生成するか、または等価には、複数の光源のうちの少なくとも1つの他の光源によって生成される光の色もしくは波長と異なる波長を有する光を生成する、光源の組またはグループとして明示的に定義される。更に、「異なる色の複数の光源」は、複数の光源のうちの少なくとも2つの光源が異なる色の光源である(すなわち、少なくとも2つの光源が、異なる光の色を生成する)限り、同じまたは実質的に類似した色の2つ以上の光源を含むことができる。このため、本明細書における定義上、異なる色の複数の光源は、第1の色の光を生成する第1の光源と、第2の色の光を生成する第2の光源とを含むことができ、ここで、第2の色は第1の色と異なる。
本明細書において用いられるとき、「調節」という語は、眼の光強度を変更することによって物体または画像要素に焦点を合わせるプロセスを指す。換言すれば、調節は、眼が焦点を合わせる能力である。本明細書において、「調節範囲」または等価には、「調節距離」は、焦点を達成することができる眼からの距離の範囲として定義される。調節範囲は、人ごとに変動する場合があるが、ここでは、単純にするために、例えば、約25センチメートル(cm)の最小「正常」調節距離が想定される。したがって、いわゆる「正常」調節範囲内に物体が存在するために、物体は通常、眼から約25cmよりも離れて位置することが理解される。更に、本明細書における定義上、ニアアイディスプレイは、ディスプレイの少なくとも一部分がニアアイディスプレイのユーザの眼から25cmよりも近くに配置されたディスプレイである。
ここで、「アイボックス」は、ディスプレイまたは他の光学系(例えば、レンズ系)によって形成される画像を視認することができる空間の領域またはボリュームとして定義される。換言すれば、アイボックスは、ディスプレイシステムによって生成される画像を視認するためにユーザの眼をその中に配置することができる空間内の位置を定義する。いくつかの実施形態では、アイボックスは、空間の2次元領域(例えば、長さおよび幅を有するが実質的な深度を有しない領域)を表すことができるのに対し、他の実施形態では、アイボックスは、空間の3次元領域(例えば、長さ、幅および深度を有する領域)を含むことができる。更に、「ボックス」と呼ばれるが、アイボックスは長方形形状のボックスに限定されない場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、アイボックスは、空間の円筒形状の領域を含むことができる。
更に、本明細書において用いられるとき、冠詞「a(1つ)」は、特許技術(patent art)における通常の意味、すなわち、「1つまたは複数(one or more)」を有することが意図される。本明細書では、例えば、「(1つの)格子(a grating)」は1つまたは複数の格子を意味し、したがって「その(1つの)格子(the grating)」は「その1つまたは複数の格子(the grating(s))」を意味する。また、本明細書における「上部(top)」、「下部(bottom)」、「上側(upper)」、「下側(lower)」、「上向き(up)」、「下向き(down)」、「正面(front)」、「背面(back)」、「第1の」、「第2の」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは一般にその値を生成するために用いられる機器の許容差範囲(tolerance range)内を意味し、または他に明示的に指定されない限り、±10%、または±5%、または±1%を意味する。更に、「実質的に」という用語は、本明細書において用いられるとき、大多数、またはほとんど全て、または全て、または約51%〜約100%の範囲内の量を意味する。更に、本明細書における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイディスプレイが提供される。図2は、本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ100のブロック図を示す。ニアアイディスプレイ100は、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102において画像(すなわち、表示画像)を提供するように構成される。特に、ニアアイディスプレイ100は、表示画像の複数の異なるビュー104を提供するように構成することができる。更に、異なるビュー104は、アイボックス102内の異なる位置において提供することができる。様々な実施形態によれば、アイボックス102内の異なる位置において提供される異なるビュー104は、ニアアイディスプレイ100のユーザに対し、焦点深度キューを与えるように構成される。焦点深度キューは、例えば、ユーザが、焦点深度キューに基づいて表示画像内の深度または距離を知覚することを可能にすることができる。ニアアイディスプレイ100によってユーザに与えられる焦点深度キューは、調節および網膜のぼけを含むことができるが、これらに限定されない。
図2に示すように、ニアアイディスプレイ100は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110を備える。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、表示画像の複数の異なるビュー104を提供するように構成される。更なる実施形態によれば、実質的に任意の数の異なるビューを、複数の異なるビュー104として提供することができる。例えば、表示画像の複数の異なるビュー104は、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、7つ、8つまたはそれ以上の異なるビューを含むことができる。他の例では、表示画像の複数の異なるビュー104は、最大で、16個、32個、64個、128個または256個の異なるビューを含むが、これらに限定されない比較的多数の異なるビューを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビュー104は、少なくとも4つの異なるビューを含む。
いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ100によって提供または表示される画像は、3次元(3D)画像またはその一部分を含む。例えば、表示画像は、完全な3Dまたは「マルチビュー」画像とすることができる。別の例では、表示画像は、2D画像部分と共に3D画像部分を含むことができる。表示画像が3D画像を含むとき、複数の異なるビュー104は、3D画像の異なる斜視図(すなわち、「3Dビュー」)を表すことができる。本明細書で説明する原理によれば、異なるビュー(例えば、3Dビュー)は、例えば、網膜のぼけおよび調節のうちの一方または双方を通じて、表示画像内の深度についてのユーザの知覚を向上させることができる。いくつかの例(例えば、以下で説明するニアアイ両眼ディスプレイ)では、調節により、3D画像および3D表示においてしばしば遭遇する、いわゆる調節輻輳矛盾の影響を軽減することができる。
図2に示すニアアイディスプレイ100は、光学系120を更に備える。様々な実施形態によれば、光学系120は、表示画像を、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102に中継するように構成される。具体的には、様々な実施形態によれば、光学系120は、表示画像の複数の異なるビュー104を、アイボックス102内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス102内の異なる位置に対する異なるビュー104の中継は、ニアアイディスプレイ100のユーザに焦点深度キューを与えるように構成される。例えば、表示画像の第1のビューは、光学系120によって第1の位置に中継することができるのに対し、第2のビューは、光学系120によってアイボックス102内の、第1の位置と分離された第2の位置に中継することができる。第1および第2の位置は、例えば、互いに横方向に分離することができる。対応する第1および第2の位置における第1および第2のビューの分離により、例えば、ユーザが、表示画像内でその2つのビューに対し、異なる形で調節を行うことを可能にすることができる。
いくつかの実施形態によれば、光学系120の入力開口においてマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される複数の異なるビュー104の全角度範囲(total angular extent)は、入力開口のサイズに対応するように構成される。具体的には、複数の異なるビュー104の組み合わせによって張られる角度は、異なるビュー104のうちの任意のビューのかなりの部分が入力開口の外側にまたは入力開口を越えて存在しないように構成される。換言すれば、いくつかの実施形態によれば、異なるビュー104に関連付けられたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の実質的に全ての出力光ビームは、光学系120の入力開口内に受け取られるように構成される。いくつかの例において、複数の異なるビュー104の全角度範囲(すなわち、張られる角度)は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110と光学系の入力開口との間の所定の距離、およびマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される異なるビュー104の所定の角度広がり、のうちの一方または双方によって入力開口サイズに実質的に対応するように構成することができる。
いくつかの実施形態によれば、光学系120は、拡大鏡を含む。いくつかの実施形態では、拡大鏡は、単純な拡大鏡を含む。単純な拡大鏡は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応するアイボックス102からある距離に配置された表示画像の仮想画像を提供するように構成される。更に、様々な実施形態によれば、単純な拡大鏡によって提供される仮想画像は、表示画像の複数の異なるビュー104を含む。他の実施形態では、拡大鏡は、複雑な拡大鏡(例えば、拡大をもたらすように構成された複数のレンズ)とすることができる。
本明細書において用いられるとき、「単純な拡大鏡」は、より小さな物体または画像の拡大されたまたは大きくされた仮想画像を形成するレンズまたは類似の光学装置として定義される(すなわち、単純な拡大鏡が、角倍率を提供する)。単純な拡大鏡によって形成される仮想画像は、単純な拡大鏡の出力において、または等価には、単純な拡大鏡の出力開口もしくは絞りにおいて(例えば、アイボックス102において)形成することができる。更に、本明細書における定義上、単純な拡大鏡は、物体の実際の距離よりも長い見かけの距離または仮想距離において、大きくされた仮想画像を形成することができる。したがって、単純な拡大鏡を用いて、ユーザまたは「閲覧者」に、ユーザの眼から正常調節範囲または距離未満に位置する物体に焦点を合わせる能力を提供することができる。いくつかの実施形態によれば、本明細書において、「正常調節」は、一般に、ユーザの眼から約25センチメートル(cm)よりも長い距離において達成可能であり、このため本明細書においてそのように定義される。結果として、光学系120の単純な拡大鏡は、表示画像を提供するマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110が、ユーザの眼(すなわち、または等価には、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102)から正常調節距離よりも近くにある(すなわち、約25センチメートルよりも近くにある)場合であっても、表示画像(すなわち、「物体」)の複数の異なるビュー104が、ユーザによって焦点が合った状態で快適に視認されることを可能にすることができる。
図3は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ100の光学素子の概略図を示す。示すように、光学系120は、焦点距離fを有する単純な拡大鏡122を備える。図3における単純な拡大鏡122は、例として、両凸レンズとして示されるが、これに限定されない。単純な拡大鏡122は、(例えば、図3に示すように、)アイボックス102から、単純な拡大鏡122の焦点距離fに対応する距離に位置することができる。更に、単純な拡大鏡122は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110とアイボックス102との間に位置する。単純な拡大鏡122は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110からの複数の異なるビュー(例えば、図2における異なるビュー104)によって形成される(すなわち、単純な拡大鏡122を通じて視認したときにアイボックス102において見られるような)表示画像の仮想画像106を提供するように構成される。単純な拡大鏡122によって提供される拡大に起因して、仮想画像106は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって生成される実際のまたは物理的画像(すなわち、表示画像)の距離よりもアイボックス102から遠い距離に位置する(または少なくとも位置するように見える)。具体的には、いくつかの実施形態によれば、仮想画像106は、アイボックス102から視認したときの人間の眼の正常調節範囲または距離d内に位置することができる一方で、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110(または等価には、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって生成または表示される画像)は、正常調節範囲よりもアイボックス102の近くにあることができる。このため、単純な拡大鏡122は、例えば、アイボックス102において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110(または等価には、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の出力または仮想画像106)の快適な視認を容易にすることができる。
図3において、実線および破線として更に示されるのは、以下で更に説明するような、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110から発散される光線108(光線)である。実線は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される表示画像の異なるビュー104に関連付けられた実際の光線108を示す一方で、破線は、仮想画像106に対応する光線投影を表す。図3に示す光線108は、例えば、以下で説明するように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって生成される様々な外へ結合された光ビーム(すなわち、光線)に対応することができる。更に、アイボックス102内の異なる点において収束するように示される光線108は、アイボックス102内の異なる位置に異なる複数のビューが中継された後にマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される表示画像の異なるビューを表すことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110および光学系120の双方が、ユーザの視野(FOV)の中に位置し、その一部を実質的にブロックする。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ100は、バーチャルリアリティーディスプレイとすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ100は、物理環境のビュー(すなわち、現実世界のビュー)を、ブロックされたFOV部分内のニアアイディスプレイ画像と置き換えるかまたは少なくとも実質的に置き換えるように構成することができる。すなわち、ニアアイディスプレイ画像は、物理環境ビューを、ブロックされたFOV部分と実質的に交換することができる。様々な実施形態によれば、ブロックされたFOV部分は、ユーザのFOVのうちのいくらかまたは全てを含む場合がある。物理環境ビューを置き換えることによって、ユーザは、物理環境ビューの代わりにニアアイディスプレイ画像(および関連付けられた複数の異なるビュー)によって提供されるバーチャルリアリティービューを提供される。
本明細書において、「物理環境のビュー」または「物理環境ビュー」は、ユーザが、ニアアイディスプレイ100がない場合に有することになるビューとして定義される。等価には、本明細書における定義上、物理環境は、ユーザに可視とすることができるニアアイディスプレイ100の向こうの任意のものであり、物理環境「ビュー」は、ユーザのFOV内の任意のものであるが、ユーザのビューに対しニアアイディスプレイ100が有することができる任意の効果を除く。
他の実施形態において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、ユーザのFOVの外側に位置する一方で、光学系120またはその一部は、FOV内に位置する。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ100は、拡張現実ディスプレイとすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ100は、物理環境のビューを、ニアアイディスプレイ画像(および関連付けられた複数の異なるビュー104)で拡張するように構成することができる。更に、拡張現実ディスプレイとして、ニアアイディスプレイ100は、ユーザに、ニアアイディスプレイ画像と、ニアアイディスプレイ100の向こうの物理環境のビューとの重ね合わせまたは組み合わせであるビューを提供するよう
に構成される。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成されたニアアイディスプレイ100の光学系120は、自由形状プリズムを含む。自由形状プリズムは、ユーザによる視認のために、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110からアイボックス102に、複数の異なるビュー104を含む表示画像を中継するように構成される。更に、自由形状プリズムは、ユーザのFOVを越えてまたはユーザのFOVの外側に位置するマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110から表示画像を中継するように構成される。様々な実施形態によれば、自由形状プリズムは、自由形状プリズムの2つの表面(例えば、前面および後面)間の内部全反射を用いて表示画像を中継する。いくつかの実施形態では、自由形状プリズムは、単純な拡大鏡(例えば、単純な拡大鏡122)であるか、または単純な拡大鏡としての役割を果たすことができる。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成された光学系120は、自由形状補正レンズを更に含むことができる。自由形状補正レンズは、自由形状補正器と呼ぶこともできる。具体的には、自由形状補正レンズは、光学系120を通過して、物理環境から光学系120を越えてアイボックス102へ進む光に対し自由形状プリズムが有する影響を補正または修正するように構成される。すなわち、様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズは、自由形状プリズムによって生じる場合がある実質的な歪みなしで、ユーザが物理的環境の(すなわち、ユーザのFOV内の)クリアなビューを有することを可能にする。
図4は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プリズム124を含む光学系120を有するニアアイディスプレイ100の断面図を示す。図4に示すように、光学系120の自由形状プリズム124は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110と、ニアアイディスプレイ100のアイボックス102(すなわち、射出瞳)との間に位置決めされる。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって提供される複数の異なるビュー104を含む表示画像を表す光は、自由形状プリズム124によって、その入力開口からアイボックス102に中継される。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110からの光は、図4において光線108として示される。様々な実施形態によれば、自由形状プリズム124の入力からその出力への光線108の中継は、自由形状プリズム124内の内部全反射によって提供することができる。
図4は、ユーザのFOVも示す。仮想画像106は、仮想画像106と、FOV内の物理環境のビューとの重ね合わせを提供するために、FOV内にある。更に、図4に示すように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、FOVの外側にある。したがって、図4は、例えば、ニアアイディスプレイ100の拡張現実ディスプレイの実施形態を示すことができる。
図4に示す光学系120は、自由形状補正レンズ126を更に備える。様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズ126は、(例えば、ユーザによって視認される)物理環境とアイボックス102との間の光学経路内に提供することができる。具体的には、示されるように、自由形状補正レンズ126は、自由形状プリズム124に隣接し、物理環境と自由形状プリズム124との間に位置する。自由形状補正レンズ126は、光線(図示せず)が実質的に直線状の経路に従って物理環境内の物体からアイボックス102に通過する(すなわち、光線が実質的に歪んでいない)ように自由形状プリズム124の効果を修正するように構成される。(示されるような)いくつかの実施形態では、部分的反射器または部分的に反射性の表面128を、自由形状補正レンズ126と自由形状プリズム124との間に設けることができる。部分的に反射性の表面128は、自由形状プリズム124内から部分的に反射性の表面128上に入射する光を反射するように構成され、また、物理環境からの光が部分的に反射性の表面128を通過することを可能にするように構成される。
再び図2を参照すると、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドを備える。いくつかの実施形態において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、平板ライトガイドの表面においてまたは平板ライトガイドの表面に隣接してマルチビーム回折格子のアレイを更に備える。様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子は、導波されたコリメート光ビームの一部分を、表示画像の複数の異なるビュー104のビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する外へ結合された複数の光ビームとして、回折により外へ結合するように構成される。
図5Aは、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の断面図を示す。図5Bは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の断面図を示す。様々な実施形態によれば、図5A〜図5Bに示すマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、「指向性の」光、すなわち、異なる主角度方向を有する光ビームまたは光線を含む光を生成するように構成される。
例えば、図5A〜図5Bに示すように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、異なる複数の所定の主角度方向におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110から出て、そこから離れる方向に向けられた矢印として(例えば光照射野として)示される複数の光ビームを提供または生成するように構成される。そして、複数の光ビームは、以下で説明するように、情報の表示、すなわち、画像(例えば、表示画像)の異なるビューを容易にするように変調することができる。いくつかの実施形態では、異なる所定の主角度方向を有する光ビームは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110によって表示される3D画像の複数の3Dビューを形成する。更に、いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、いわゆる「裸眼」3D電子ディスプレイ(例えば、マルチビュー、「ホログラフィック」またはオートステレオスコピックディスプレイ)とすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ100に関して、異なる複数の所定の主角度方向は、表示画像の複数の異なるビュー(例えば、図2に示す異なるビュー104)を形成する。したがって、変調された光ビームは、上記で説明した光線(rays or light rays)108とすることができる。
図5Aおよび図5Bに示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、平板ライトガイド112を備える。平板ライトガイド112は、光を導波光ビーム(以下で更に説明されるように、平板ライトガイド112内を伝播する伸びた矢印として示される)として導波するように構成される。例えば、平板ライトガイド112は、光導波路として構成される誘電材料を含むことができる。誘電材料は、誘電光導波路を取り囲む媒体の第2の屈折率よりも高い第1の屈折率を有することができる。屈折率の差異は、例えば、平板ライトガイド112の1つまたは複数の導波モードに従って導波光の内部全反射を容易にするように構成される。
様々な実施形態によれば、光は、平板ライトガイド112の長さによって、かつこの長さに沿って導波される。更に、平板ライトガイド112は、非ゼロの伝播角度で、光を導波光ビームとして導波するように構成される。導波光ビームは、例えば、内部全反射を用いて、平板ライトガイド112内を非ゼロ伝播角度で導波することができる。具体的には、導波光ビームは、非ゼロ伝播角度で平板ライトガイド112の上面と底面との間で反射
するかまたは「跳ね返る」ことによって伝播する(例えば、導波光ビームの光線を表す伸びた角度を付けられた矢印によって示される)。
本明細書において定義されるとき、「非ゼロ伝播角度」は、平板ライトガイド112の表面(例えば、上面または底面)に対する角度である。更に、様々な実施形態によれば、非ゼロ伝播角度は、ゼロより大きく、かつ平板ライトガイド内の内部全反射の臨界角未満である。例えば、導波光ビームの非ゼロ伝播角度は、約10度〜約50度、またはいくつかの例では、約20度〜約40度、または約25度〜約35度とすることができる。例えば、非ゼロ伝播角度は、約30度とすることができる。他の例では、非ゼロ伝播角度は、約20度、または約25度、または約35度とすることができる。
平板ライトガイド112における導波光ビームとして導波される光は、非ゼロ伝播角(例えば、約30度〜35度)において、平板ライトガイド112内に導入または結合することができる。レンズ、ミラー、または類似の反射器(例えば、傾斜付きコリメート反射器)、およびプリズム(図示せず)のうちの1つまたは複数により、例えば非ゼロの伝播角における光ビームとして、光を平板ライトガイド112の入力端に結合することを容易にすることができる。平板ライトガイド112内に結合されると、導波光ビームは、一般に入力端から離れる方向に、平板ライトガイド112に沿って伝播する(例えば、図5A〜図5Bにおけるx軸に沿った方向を指す太線の矢印によって示される)。
更に、様々な実施形態によれば、平板ライトガイド112内に光を結合することによって生成された導波光ビームは、コリメート光ビームとすることができる。具体的には、「コリメート光ビーム」とは、導波光ビーム内の光の光線が導波光ビーム内で互いに実質的に平行であることを意味する。本明細書における定義上、導波光ビームのコリメートされた光ビームから発散または散乱する光線は、コリメート光ビームの一部分とみなされない。コリメートされた導波光ビームを生成するための光のコリメートは、光を平板ライトガイド112内に結合するのに用いられる、上記で説明されたレンズまたはミラー(例えば、傾斜付きコリメート反射器等)を含むが、これらに限定されないコリメータによって提供することができる。
いくつかの実施形態では、平板ライトガイド112は、光学的に透明な誘電材料の伸びた実質的に平坦なシートを含むスラブまたはプレート光導波路とすることができる。誘電材料の実質的に平坦なシートは、内部全反射を用いて導波光ビームを導波するように構成される。様々な実施形態によれば、平板ライトガイド112の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス(例えば、シリカガラス、アルミノケイ酸アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス等)、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー(例えば、ポリ(メチルメタクリレート)または「アクリルガラス」、ポリカーボネート等)のうちの1つまたは複数を含むが、これらに限定されない、多岐にわたる誘電材料のうちの任意のものを含むか、またはこれらから作製することができる。いくつかの実施形態では、平板ライトガイド112は、平板ライトガイド112の表面(例えば、上面および底面のうちの一方または双方)の少なくとも一部分の上にクラッド層を更に含むことができる(図示せず)。いくつかの例によれば、クラッド層を用いて、内部全反射を更に容易にすることができる。
図5Aおよび図5Bにおいて、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、マルチビーム回折格子114のアレイを更に備える。図5Aおよび図5Bに示されるように、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面(例えば、上面または前面)に位置する。他の例(図示せず)では、マルチビーム回折格子114のうちの1つまたは複数が平板ライトガイド112内に位置することができる。更に他の例では(図
示せず)、マルチビーム回折格子114のうちの1つまたは複数が平板ライトガイド112の底面または背面(すなわち、マルチビーム回折格子114と共に示される表面に対し反対の表面)に、あるいは底面上または背面上に位置することができる。組み合わせで、平板ライトガイド112およびマルチビーム回折格子114のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110のマルチビーム回折格子ベースの背面照明を提供するか、またはその機能を果たす。
様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子114は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の異なるビューに対応する異なる主角度方向を有する複数の光ビームとして導波光ビームの一部分を散乱するかまたは回折により外へ結合するように構成される。例えば、導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折格子114によって、平板ライトガイド表面を通じて(例えば、平板ライトガイド112の上面を通じて)回折により外へ結合することができる。更に、マルチビーム回折格子114は、導波光ビームの一部分を外へ結合された光ビームとして回折により外へ結合し、外へ結合された光ビームを、平板ライトガイド表面から離れるように回折により方向変更するように構成される。上記で論考したように、外へ結合された複数の光ビームの各々は、マルチビーム回折格子114の回折特徴の特性によって決定される異なる所定の主角度方向を有することができる。
具体的には、アレイのマルチビーム回折格子114は、回折をもたらす複数の回折特徴を含む。もたらされる回折は、平板ライトガイド112から導波光ビームの一部分を回折により結合する役割を果たす。例えば、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面における溝と、平板ライトガイド表面から突出する、回折特徴として機能する隆線との一方または双方を含むことができる。溝および隆線は、少なくとも回折特徴に沿ったある点において、互いに平行に配置することができ、溝および隆線は、マルチビーム回折格子114によって外へ結合される導波光ビームの伝播方向に対し直交する。
いくつかの例において、溝または隆線は、平板ライトガイドの表面にエッチング、フライス加工または成形することができる。したがって、マルチビーム回折格子114の材料は、平板ライトガイド112の材料を含むことができる。図5Aに示すように、例えば、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面を貫通する実質的に平行な溝を含む。図5Bにおいて、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面から突出する実質的に平行な隆線を含む。他の例(図示せず)では、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド表面に施されるかまたは貼られるフィルムまたは層を含むことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子114は、チャープ回折格子とするか、またはチャープ回折格子を含むことができる。定義上、「チャープ」回折格子は、例えば、図5A〜図5Bに示されるように、チャープ回折格子の広がりまたは長さにわたって変動する回折特徴の回折間隔(すなわち、回折ピッチ)を呈するかまたは有する回折格子である。本明細書において、様々な回折間隔が定義され、「チャープ」と呼ばれる。チャープの結果として、平板ライトガイド112から回折により外へ結合される導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子にわたって異なる原点に対応する異なる回折角度で外へ結合された光ビームとしてチャープ回折格子から出るかまたは放射される。予め定義されたチャープにより、チャープ回折格子は、複数の光ビームのうちの、外へ結合された光ビームの所定の異なる複数の主角度方向に関与する。
いくつかの例では、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子は、距離と共に線形に変動する回折間隔のチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープされた回折格子は、定義上、「線形チャープ」回折格子である。図5A〜図5Bは、限定ではなく例として、線形チャープ回折格子としてマルチビーム回折格子114を示す。具体的には、示されるように、回折特徴は、マルチビーム回折格子114の第2の端部よりも第1の端部において互いに近接している。更に、示される回折特徴の回折間隔は、示されるように、第1の端部から第2の端部へと(太字矢印の方向に)線形に変動する。
別の例(図示せず)において、マルチビーム回折格子114のチャープ回折格子は、回折間隔の非線形チャープを呈することができる。マルチビーム回折格子114を実現するのに用いることができる様々な非線形チャープは、指数チャープ、対数チャープ、または別の実質的に非一様もしくはランダムであるが依然として単調に変動するチャープを含むが、これらに限定されない。正弦曲線チャープまたは三角形もしくは鋸歯状チャープ等であるがこれらに限定されない非単調チャープも用いることができる。これらのタイプのチャープのうちの任意のものの組み合わせも用いることができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子114は、湾曲およびチャープのうちの一方または双方を受けた回折特徴を含むことができる。図5Cは、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子114の斜視図を示す。図5Cに示されるように、マルチビーム回折格子114は、平板ライトガイド112の表面内に、表面に、または表面上にある。更に、示されるマルチビーム回折格子114は、湾曲およびチャープの双方を受けた回折特徴を含む(すなわち、図5Cにおけるマルチビーム回折格子114は、湾曲し、チャープされた回折格子である)。
図5Cに示されるように、導波光ビームは、マルチビーム回折格子114の第1の端部において太線の矢印として示されるマルチビーム回折格子114に対する入射方向を有する。平板ライトガイド112の表面における、マルチビーム回折格子114から離れる方に向いた矢印によって示される、外へ結合されたまたは放射された複数のビームも示される。光ビームは、複数の所定の異なる主角度方向において放射される。具体的には、放出される光ビームの所定の異なる主角度方向は、示されるように、方位角および仰角の双方において互いに異なる。様々な例によれば、回折特徴の所定のチャープおよび回折特徴の曲線の双方が、放射される光ビームの所定の異なる主角度方向に関与することができる。
具体的には、回折特徴の曲線に沿った複数の異なる点において、湾曲した回折特徴に関連付けられたマルチビーム回折格子114の「基礎をなす回折格子」は、異なる方位配向角(azimuthal orientation angle)を有する。「基礎をなす回折格子」とは、重ね合わせると、マルチビーム回折格子114の湾曲した回折特徴をもたらす、複数の湾曲していない回折格子のうちの回折格子を意味する。湾曲した回折特徴に沿った所与の点において、湾曲は、一般に、湾曲した回折特徴に沿った別の点における方位配向角と異なる特定の方位配向角を有する。更に、特定の方位配向角の結果として、所与の点から放射される光ビームの主角度方向の対応する方位成分が得られる。いくつかの例では、回折特徴の湾曲(例えば、溝、隆線等)の湾曲は、円のセクションを表すことができる。円は、ライトガイド表面と同一平面にあることができる。他の例では、湾曲は、例えば、ライトガイド表面と同一平面にある、楕円または別の湾曲形状のセクションを表すことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、ライトバルブのアレイまたはライトバルブアレイ116を更に備える。ライトバルブアレイ116は、表示画像の異なるビューのピクセルに対応する複数のピクセル(すなわち、変調されたピクセル)として、外へ結合された光を選択的に変調するように構成することができる。例えば、図5Aおよび図5Bを参照すると、ライトバルブアレイ116は、平板ライトガイド表面に隣接して示される。様々な実施形態によれば、ライトバルブアレイ116は、表示画像の異なるビューに対応する異なる方向に向けられた光ビーム(すなわち、マルチビーム回折格子114からの異なる所定の主角度方向を有する複数の光ビーム)を変調するように構成される。具体的には、複数の光ビームのうちの光ビームは、ライトバルブアレイ116の個々のライトバルブを通過し、これらのライトバルブによって変調される。様々な実施形態によれば、変調され、回折により方向付けられた光ビーム(すなわち、光線108)は、外へ結合された光ビームの異なる方向に依拠して表示画像の異なるビューのピクセルを表すことができる。様々な実施形態において、液晶ライトバルブ、電気泳動バルブ、およびエレクトロウェッティングに基づくライトバルブのうちの1つまたは複数を含むがこれらに限定されない、異なるタイプのライトバルブをライトバルブアレイ116において用いることができる。
(例えば、図5Aおよび図5Bに示すような)いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110は、光源118を更に含むことができる。光源118は、コリメート光ビームを平板ライトガイド112に提供するように構成される。具体的には、光源118は、平板ライトガイド112の入口面または端部(入力端)に隣接して位置することができる。様々な実施形態において、光源118は、1つまたは複数の発光ダイオード(LED)またはレーザ(例えば、レーザダイオード)を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源(例えば、光学エミッタ)を含むことができる。いくつかの実施形態では、光源118は、特定の色によって表される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光学エミッタを含むことができる。具体的には、単色の光の色は、特定の色空間または色モデル(例えば、赤−緑−青(RGB)色モデル)の原色とすることができる。いくつかの実施形態では、光源118は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光学エミッタを含むことができる。異なる光学エミッタは、光の異なる色の各々に対応する、コリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有する光を提供するように構成することができる。
いくつかの実施形態では、光源118は、(図5Aおよび図5Bにおいて影付きの領域として示される)コリメータを更に含むことができる。コリメータは、光源118の光学エミッタの1つまたは複数から、実質的にコリメートされていない光を受け取るように構成することができる。コリメータは、実質的にコリメートされていない光を、コリメート光ビームに変換するように更に構成される。いくつかの実施形態によれば、具体的には、コリメータは、2つの実質的に直交する方向においてコリメートされたコリメート光ビームを提供することができる。更に、異なる色の光エミッタが用いられるとき、コリメータは、異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有するコリメート光ビームを提供するように構成することができる。コリメータは、上記で説明した非ゼロの伝播角度を有するコリメートされた導波光ビームとして伝播するように、コリメート光ビームを平板ライトガイド112に伝達するように更に構成することができる。
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイ両眼ディスプレイシステムが提供される。図6は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイ両眼ディスプレイシステム200のブロック図を示す。ニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、3次元(3D)シーンの立体画像202の対を提供し、立体画像202の対を、ユーザによって視認するために、対応するアイボックス204の対に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、対のアイボックス204は、ユーザの眼の位置に対応するように互いに横方向に変位される。具体的には、ユーザは、横方向に変位されたアイボックス204の対において立体画像202の対を快適にかつ自然に視認することができる。いくつかの実施形態によれば、更に、立体画像202の対は、3D体験を提供し、かつ多くの場合にニアアイ立体ディスプレイに関連付けられた様々な輻輳調節問題に対処することができる。
図6に示すように、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の対を備える。様々な実施形態によれば、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、上記対のその他のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202と異なる画像202を提供するように構成される。対の異なる画像202は、3Dシーンの立体画像202である。いくつかの実施形態では、対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の一方または双方は、ニアアイディスプレイ100に関して上記で説明されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110に実質的に類似することができる。
具体的には、示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、各々が、平板ライトガイド212およびマルチビーム回折格子214のアレイまたは(例えば図示するように)単に「マルチビーム格子214」を含む。いくつかの実施形態では、平板ライトガイド212は、平板ライトガイド112に実質的に類似することができ、マルチビーム回折格子214のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110のマルチビーム回折格子114のアレイに実質的に類似することができる。具体的には、マルチビーム回折格子214は、平板ライトガイド212の表面に位置するかまたは隣接することができる。更に、いくつかの実施形態では、アレイのマルチビーム回折格子214は、外へ結合された複数のビームとして、平板ライトガイド212内から導波光を回折により外へ結合するように構成することができる。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子214は、湾曲した回折特徴を有するチャープ回折格子を備える。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子のチャープは線形チャープである。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の対によって提供される立体画像対の提供される画像202の各々は、3Dシーンの複数の異なるビューを含む。異なるビューは、例えば、3Dシーンの異なる視点を表すことができる。更に、様々な実施形態において、外へ結合された複数の光ビームは、3Dシーンの複数の異なるビュー(すなわち、3D斜視図)のうちの異なるビューの3Dビュー方向に対応する異なる主角度方向を有することができる。
図6に示されるニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、両眼光学系220を更に備える。両眼光学系220は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の対によって提供される立体画像対の異なる画像202を、アイボックス204の対応する対に別個に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス204は、互いに横方向に変位される。上述したように、アイボックス204の横方向の変位は、例えば、ユーザによる視認を容易にすることができる。図6に示されるアイボックス204間の垂直の破線は、横方向の変位を示す。
いくつかの実施形態では、両眼光学系220は、ニアアイディスプレイ100の光学系120と実質的に類似することができるが、ただし両眼構成で配置されている。具体的には、両眼光学系220は、アイボックス204内の複数の異なる位置に対応する複数の異なるビュー(例えば、3Dビュー)を中継するように構成することができる。更に、アイボックス204内の異なる位置は、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200のユーザに焦点深度キューを提供するように構成される。様々な実施形態によれば、具体的には、焦点深度キューは、立体画像対の提供された画像202間の両眼視差に対応することができる。
更に、いくつかの実施形態によれば、両眼光学系220は、第1の自由形状プリズムお
よび第2の自由形状プリズム(図6に示されていない)を含むことができる。第1の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第1のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を、アイボックス対のうちの第1のアイボックス204に中継するように構成することができる。同様に、第2の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第2のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210によって提供される画像202を、アイボックス対のうちの第2のアイボックス204に中継するように構成することができる。他の実施形態(図示せず)では、両眼光学系220は、拡大鏡の対(例えば、上記で説明した単純な拡大鏡122に実質的に類似した単純な拡大鏡の対)を含むことができる。
いくつかの実施形態では、ニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとなるように構成される。具体的には、立体対の提供される異なる画像202は、少なくともアイボックス204内で、物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成することができる。他の実施形態では、図6に示すニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、拡張現実ディスプレイシステムとなるように構成することができる。拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるとき、立体対の提供される異なる画像202は、例えば、アイボックス204内の物理環境ビューを拡張することができるが、一般に置き換えることはない。すなわち、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるニアアイ両眼ディスプレイシステム200は、ユーザに、立体画像対と物理環境のビューとの光学的重ね合わせを提供する。更に、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるとき、両眼光学系220は、自由形状補正レンズの対を更に含むことができる。様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズは、アイボックス204の対に、物理環境の画像を提供するように構成することができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、ライトバルブ216のアレイおよび光源218を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、ライトバルブ216のアレイは、ニアアイディスプレイ100のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110に関して上記で説明したライトバルブアレイ116と実質的に類似することができる。例えば、ライトバルブ216のアレイは、平板ライトガイド212の表面に隣接して位置することができる。様々な実施形態によれば、ライトバルブ216は、マルチビーム回折格子214から外へ結合された光ビームを、立体画像対の提供された画像202のピクセルに対応する複数のピクセルまたは変調された光ビームとして選択的に変調するように構成される。いくつかの実施形態では、アレイのライトバルブ216は、液晶ライトバルブを含む。他の実施形態では、ライトバルブアレイのライトバルブ216は、例えば、エレクトロウェッティングライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、それらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のライトバルブタイプとの組み合わせを含むがこれらに限定されない、別のライトバルブを含むことができる。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210は、光源218を更に備えることができる。光源218、平板ライトガイド212に光を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、光源218は、光源218によって提供される光をコリメートするように構成された光学コリメータを含むことができる。様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ210の平板ライトガイド212は、コリメート光を、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームとして導波するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、光源218は、ニアアイディスプレイ100に関して上記で説明したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110の光源118に実質的に類似することができる。
いくつかの実施形態では、光源218は、異なる色の光(論考を簡単にするために「異なる色のLED」と呼ばれる)を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード(LED)を含むことができる。いくつかの実施形態では、異なる色のLEDは、互いにオフセットする(例えば、横方向にオフセットする)ことができるか、または平板ライトガイド212内のコリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するようにコリメータと併せて他の形で構成することができる。更に、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、光源218によって提供される光の異なる色の各々に対応することができる。
いくつかの実施形態(図示せず)によれば、光の異なる色は、赤−緑−青(RGB)色モデルの赤色、緑色および青色を含むことができる。更に、平板ライトガイド212は、平板ライトガイド212内の異なる色に依拠した非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームとして異なる色を導波するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、例えば、第1のカラー導波光ビーム(例えば、赤色光ビーム)は、第1の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができ、第2のカラー導波光ビーム(例えば、緑色光ビーム)は、第2の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができ、第3のカラー導波光ビーム(例えば、青色光ビーム)は、第3の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができる。
本明細書で説明する原理の他の実施形態によれば、ニアアイディスプレイ動作の方法が提供される。図7は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作の方法300のフローチャートを示す。図7に示すように、ニアアイディスプレイ動作の方法300は、非ゼロ伝播角度でライトガイド内にコリメート光ビームを導波すること(310)を含む。様々な実施形態によれば、コリメート光ビームは、ニアアイディスプレイ100に関して上記で説明した平板ライトガイド112と実質的に類似した平板ライトガイドにおいて導波することができる。更に、コリメート光ビームは、ニアアイディスプレイ100に対し、上記で説明した非ゼロ伝播角度で導波する(310)ことができる。
ニアアイディスプレイ動作の方法300は、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波されたコリメート光ビームの一部分を回折により外へ結合し(320)、異なる複数の主角度方向でライトガイドから離れる方向に向けられた、外へ結合された複数の光ビームを生成して光照射野を形成することを更に含む。様々な実施形態によれば、光照射野は、外へ結合された光ビームの異なる複数の主角度方向に対応する画像(例えば、表示画像)の複数の異なるビューを提供する。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ100に関して上記で説明したマルチビーム回折格子114に実質的に類似している。具体的には、コリメート光ビームを導波する(310)際に用いられるライトガイド、およびコリメート光ビーム部分を回折により外へ結合する(320)際に用いられるマルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ100のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ110と実質的に類似したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの一部とすることができる。
図7に示すように、ニアアイディスプレイ動作の方法300は、光学系を用いて、画像の複数の異なるビューをアイボックスに中継すること(330)を更に含む。いくつかの実施形態では、光学系は、上記で説明したニアアイディスプレイ100の光学系120に実質的に類似することができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、画像の複数の異なるビューを中継すること(330)は、異なる複数のビューのうちの異なる各々をアイボックス内の異なる位置に中継し、アイボックス内の画像を視認するユーザに焦点深度キューを与える。焦点深度キューは、例えば、ユーザの眼の画像調節を容易にすることができる。
いくつかの実施形態では、中継される画像は、3次元(3D)画像を含むことができ、複数の異なるビューのうちの異なるビューは、3D画像の異なる斜視ビューを表すことができる。いくつかの実施形態では、中継画像は、画像の立体対の画像である。更に、いくつかの例では、画像の複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含むことができる。いくつかの実施形態では、画像の複数の異なるビューを中継すること(330)は、アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように画像を拡大することを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビューを中継すること(330)は、画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイのうちの一方または双方を提供する。
このため、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイを用いて画像の複数の異なるビューを提供する、ニアアイディスプレイ、両眼ニアアイディスプレイシステム、およびニアアイディスプレイ動作の方法の例および実施形態が説明された。上述の例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、添付の特許請求の範囲により定義される範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。
10 光ビーム
12 矢印
100 ニアアイディスプレイ
102 アイボックス
104 複数の異なるビュー
106 仮想画像
108 光線
110 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
112 平板ライトガイド
114 マルチビーム回折格子
116 ライトバルブアレイ
118 光源
120 光学系
122 拡大鏡
124 自由形状プリズム
126 自由形状補正レンズ
128 部分的に反射性の表面
200 ニアアイ両眼ディスプレイシステム
202 画像
204 アイボックス
210 マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
212 平板ライトガイド
214 マルチビーム回折格子
216 光バルブ
218 光源
220 両眼光学系

Claims (25)

  1. ニアアイディスプレイであって、
    画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースの
    ディスプレイと、
    前記画像の前記複数の異なるビューを、前記ニアアイディスプレイの出力においてアイ
    ボックス内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成された光学系であって、前
    記アイボックス内の前記対応する複数の異なる位置は、前記ニアアイディスプレイのユー
    ザに焦点深度キューを与えるように構成される、光学系と、
    を備える、ニアアイディスプレイ。
  2. 前記画像は3次元(3D)画像を含み、前記複数の異なるビューのうちの異なるビュー
    は、前記3D画像の異なる斜視図を表す、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
  3. 前記画像の前記複数の異なるビューは、少なくとも4つの異なるビューを含む、請求項
    1に記載のニアアイディスプレイ。
  4. 前記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、前記光学系は入力開口を有し、前記全角
    度範囲は、前記入力開口のサイズに実質的に対応するように構成される、請求項1に記載
    のニアアイディスプレイ。
  5. 前記光学系は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する前記アイボックスからの距離に前
    記画像の仮想画像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、請求項1に記載の
    ニアアイディスプレイ
  6. 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび前記光学系の双方が、ユーザの
    視野(FOV)の一部分を実質的にブロックするように前記FOV内に位置し、前記ニア
    アイディスプレイは、物理環境のビューを前記ブロックされたFOV部分内の前記画像と
    置き換えるように構成されたバーチャルリアリティーディスプレイである、請求項1に記
    載のニアアイディスプレイ。
  7. 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、ユーザの視野(FOV)の外側に
    位置し、前記光学系は、前記FOV内に位置し、前記ニアアイディスプレイは、前記FO
    V内の物理環境のビューを、前記画像を用いて拡張するように構成された拡張現実ディス
    プレイである、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
  8. 前記光学系は、自由形状プリズムを含む、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
  9. 前記光学系は、自由形状補正レンズを更に含む、請求項8に記載のニアアイディスプレ
    イ。
  10. 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
    非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドと

    前記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記ア
    レイのマルチビーム回折格子は、前記導波コリメート光ビームの一部分を、前記画像の前
    記複数の異なるビューの視認方向に対応する異なる複数の主極大角度方向を有するカップ
    リングして外へ出された複数の光ビームとして回折によりカップリングして外へ出すよう
    に構成されるアレイと、
    を備える、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
  11. 前記マルチビーム回折格子は、線形チャープ回折格子である、請求項10に記載のニア
    アイディスプレイ。
  12. 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
    前記コリメート光ビームを平板ライトガイド光に提供するように構成された光源と、
    前記平板ライトガイド表面に隣接するライトバルブアレイであって、前記ライトバルブ
    アレイは、前記カップリングして外へ出された光ビームを、前記画像の前記複数の異なる
    ビューに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバル
    ブアレイと、
    を更に備える、請求項10に記載のニアアイディスプレイ。
  13. 前記光源は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光源を備え、前記
    複数の異なる光源は、光の前記異なる色の各々に対応するコリメート導波光ビームの異な
    る色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される、請求項12に記載のニアアイ
    ディスプレイ。
  14. 請求項1に記載のニアアイディスプレイの対を備えるニアアイ両眼ディスプレイシステ
    ムであって、前記対の第1のニアアイディスプレイは、第1の画像の第1の複数の異なる
    ビューを第1のアイボックスに提供するように構成され、前記対の第2のニアアイディス
    プレイは、第2の画像の第2の複数の異なるビューを第2のアイボックスに提供するよう
    に構成され、前記第2のアイボックスは、前記第1のアイボックスから横方向にオフセッ
    トされ、前記第1の画像および前記第2の画像は画像の立体対を表す、ニアアイ両眼ディ
    スプレイシステム。
  15. ニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、
    マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対であって、各マルチビーム回折格子ベ
    ースのディスプレイは、3次元(3Dの)シーンを表す立体画像の対の異なる画像を提供
    するように構成される、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対と、
    前記立体画像対の前記異なる画像をアイボックスの対応する対に別個に中継するように
    構成された両眼光学系であって、前記アイボックスは互いに横方向に変位される、両眼光
    学系と、
    を備え、前記ディスプレイ対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、平板ライ
    トガイドと、マルチビーム回折格子のアレイとを備え、前記アレイのマルチビーム回折格
    子は、前記平板ライトガイド内からの導波光を、カップリングして外へ出された複数の光
    ビームとして回折によりカップリングして外へ出すように構成され、前記カップリングし
    て外へ出された複数の光ビームは、前記立体画像対の前記異なる画像を提供するように構
    成される、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
  16. 前記立体画像対の前記異なる画像の各々は、前記3Dシーンの複数の異なるビューを含
    み、前記カップリングして外へ出された複数の光ビームは、前記カップリングして外へ出
    された複数の光ビームの前記異なるビューの3Dビュー方向に対応する異なる主極大角度
    方向を有する、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
  17. 前記両眼光学系は、前記アイボックス内の対応する複数の異なる位置に前記複数の異な
    るビューを中継するように構成され、前記アイボックス内の前記異なるビューの前記異な
    る位置は、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムのユーザに、深度焦点キューを提供す
    るように構成され、前記深度焦点キューは、前記立体画像対の前記異なる画像間の両眼視
    差に対応する、請求項16に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
  18. 前記両眼光学系は、第1の自由形状プリズムおよび第2の自由形状プリズムを含み、前
    記第1の自由形状プリズムは、前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第1
    のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される画像を前記アイボック
    ス対の第1のアイボックスに中継するように構成され、前記第2の自由形状プリズムは、
    前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第2のマルチビーム回折格子ベース
    のディスプレイによって提供される異なる画像を、前記アイボックス対の第2のアイボッ
    クスに中継するように構成される、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステ
    ム。
  19. 前記両眼光学系は、物理環境の異なる画像を前記アイボックスの対に提供するように構
    成された自由形状補正レンズの対を更に含み、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは
    拡張現実ディスプレイシステムである、請求項18に記載のニアアイ両眼ディスプレイシ
    ステム。
  20. 前記立体画像対の前記提供される異なる画像は、前記アイボックス内の物理環境の両眼
    ビューを置き換えるように構成され、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは、バーチ
    ャルリアリティーディスプレイシステムとして構成される、請求項15に記載のニアアイ
    両眼ディスプレイシステム。
  21. 前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
    光を提供するように構成される光源と、
    前記光源によって提供される前記光をコリメートするように構成される光学コリメータ
    と、
    前記平板ライトガイドに隣接するライトバルブのアレイであって、前記ライトバルブア
    レイは、前記カップリングして外へ出された光ビームを、前記立体画像対の前記提供され
    る画像のピクセルに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、
    ライトバルブのアレイと、
    を更に備え、前記平板ライトガイドは、非ゼロの伝播角度で前記コリメート光をコリメー
    ト光ビームとして導波するように構成される、請求項15に記載のニアアイ両眼ディスプ
    レイシステム。
  22. ニアアイ画像ディスプレイ動作の方法であって、
    非ゼロ伝播角度でライトガイド内にコリメート光ビームを導波することと、
    マルチビーム回折格子を用いて、前記ライトガイドから前記導波コリメート光ビームの
    一部分を回折によりカップリングして外へ出し、異なる複数の主極大角度方向で前記ライ
    トガイドから離れる方向に向けられた、カップリングして外へ出された複数の光ビームを
    生成して、前記カップリングして外へ出された光ビームの前記複数の異なる主極大角度方
    向に対応する画像の複数の異なるビューを提供する光照射野を形成することと、
    前記画像の前記複数の異なるビューを、光学系を用いてアイボックスに中継することと

    を含む、方法。
  23. 前記複数の異なるビューを中継することは、前記異なるビューのうちの異なる各々を前
    記アイボックス内の異なる位置に中継し、異なるビューの前記異なる位置は、前記アイボ
    ックス内の画像を視認するユーザに深度焦点キューを与える、請求項22に記載のニアア
    イ画像ディスプレイ動作の方法。
  24. 前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記アイボックスから、ユーザ
    の眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように前記画像を拡大
    することを含む、請求項22に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
  25. 前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記画像の拡張現実ディスプレ
    イおよびバーチャルリアリティーディスプレイの一方または双方を提供する、請求項22
    に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
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