JP2020502573A - レーザービームスキャナーを用いたウェアラブルディスプレイの光学系 - Google Patents

Abstract

レーザービームスキャナーを有するシースルー画像表示システムは、レーザービームが直接目に投影されるときに非常に小さいアイボックスを有する。本発明は、射出瞳拡大器なしで高いNAを有する実像を作成するために自由形状ミラーを使用してアイボックスのサイズを拡大するための解決策を提供する。【選択図】図１２

Description

［関連する出願］
本出願は、２０１６年１２月１５日に出願され米国仮特許出願第６２／４９８，１４０号の優先日を主張する非仮出願である。本出願及び米国仮特許出願第６２／４９８，１４０は、２０１３年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／９５７，２５８の非仮出願で２０１４年６月２７日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０００１５３の一部継続出願（ＣＩＰ）である。

本発明は、シースルーディスプレイに画像を投影するためのディスプレイシステムに関する。本発明の目的は、ディスプレイの可視領域（アイボックス）を拡大するための、眼鏡型ディスプレイおよびヘッドアップディスプレイなどの投影ディスプレイ用のコンパクトで低コストのシースルーディスプレイを作成することである。

スマートフォンが市場で広く受け入れられてから、ウェアラブルディスプレイが近年注目を集めている。ウェアラブルディスプレイは、通常の視界と同じ距離で画像を表示するだけでなく、ハンズフリー操作を提供する。ウェアラブルディスプレイには大きなニーズがある。しかし、これまでは、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、眼鏡型ディスプレイなどのニアアイディスプレイは、しばしば重すぎる、大きすぎる、暗すぎる、低解像度、透過性が悪く、高価で、小さいサイズの画像しか見えなかったため、必ずしも視聴者を満足させるものではなかった。明るく、小さく、明るく、高解像度で、透過性が良く、ステルスで、安価で、大きなサイズの画像が必要とされている。本発明は、これらの必要性の全てを満たす新しい表示システムを提供する。

図１及び図１Ａに示すように、Kasaiらは、米国特許第７４６０２８６号明細書（特許文献１）において、ホログラフィック光学素子を用いてシースルー機能を実現する眼鏡型ディスプレイシステムを開示している。この表示システムは、表示装置から法線方向、より具体的にはＬＣＤディスプレイの表面に対して垂直方向に画像を投影し、画像を含む投影光は光導波路に導かれ、観察者の眼に向かって反射される。導波路のため、視野と解像度は非常に限られている。

図２と図２Ａに示すように、Ｍｕｋａｗａらは、ＳＩＤ ２００８ ＤｉｇｅｓｔのＩＳＳＮ／００８−０９６６Ｘ／０８／３９０１−００８９”Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”（非特許文献１）において、２枚のホログラフィック光学素子のプレートを通してシースルー機能を実現するメガネタイプのディスプレイシステムを開示している。このシステムはまた、解像度および視野を制限する導波路を使用する。

図３に示すように、Ｌｅｖｏｌａは、ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６−６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１−００６４，”Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”（非特許文献２）において、ＬＣＤ装置を２つの眼の中央に配置する別の実施態様を開示している。しかし、それはフォームファクタを拡大する大きな突出スペースを必要とする。上記３種類のディスプレイは、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）または回折光学素子（ＤＯＥ）のいずれかを使用しており、これらの全ては、大きな色収差、色のクロストーク、大きな像面湾曲収差および歪曲収差のいくつかの基本的な困難を有する。Ｍｕｋａｗａらは、複数導波路を用いて色のクロストークを低減する方法を説明したが、これはシステムをより重く、より厚くし、光の利用効率を低下させる。Ｋａｓａｉらは、他の収差は残っておりＦＯＢ（視野）はこれらの収差が目立たないように小さくなければならないが、光利用の効率を改善するための単一のＨＯＥを使用した。本発明はこれらの問題がどのように除去されるかを示す。

図４および図４Ａに示すように、Ｌｉらは、米国特許第７３６９３１７号明細書（特許文献２）に、眼鏡に取り付け可能な小型ディスプレイおよびカメラモジュールを開示した。これはまた、厚いＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を必要とし、ＦＯＢ（視野）はかなり小さく、これはステルスではなく、ディスプレイの存在は非常に明白である。

米国特許第７４６０２８６号明細書 米国特許第７３６９３１７号明細書

Ｍｕｋａｗａ ｅｔ ａｌ．，ＳＩＤ ２００８ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ／００８−０９６６Ｘ／０８／３９０１−００８９，"Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ" Ｌｅｖｏｌａ，ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６−６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１−００６４，"Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ"

図１および図２のような例は、ホログラムおよび導波管を使用してシースルー画像を備えたウェアラブルディスプレイが可能であることを公に実証することに成功した。しかし、どちらもディスプレイとしてＬＣＤを使用していて、かさばるディスプレイと眼鏡の内部に収まらない光学部分を有していた。一方、図７および図８に示すように、静電力または磁力によって駆動される１つのミラーのみを使用する小型レーザービームスキャナー（ＬＢＳ）が開発され、それは２Ｄピクセルアレイと比較して実質的に小型である。しかし、ＬＢＳから投射されるビームは原理的に非常に狭く、図８に示すように観察者が画像を見ることができる非常に小さい可視領域（アイボックス）を作り出す。アイボックスは、図９に示すように、画像が観察者に見える空間内のボックス（幅×長さ×高さ）として定義される。アイボックスが小さいということは、ディスプレイが短い距離で動かされると、視聴者が画像を失うことを意味する。これは、視聴者がディスプレイを保持するための厳密な位置決めを必要とし、しばしば不快な視聴を引き起こす。ディスプレイに大きなアイボックスがある場合、視聴者は画像を失うことなくアイボックス内を自由に移動できる。ＬＢＳは非常に狭いビームを投射して高解像度画像を達成する。もしビームがスクリーンによって反射され散乱されると、視聴者にとって大きなアイボックスを提供することになる。しかし、それが直接網膜ディスプレイとして使用されるならば（狭いビームが直接目に導かれて観察者の網膜に当たることを意味する）、ビームのわずかなシフトは画像の損失を引き起こす。

ディスプレイのアイボックスを拡大するＥｘｉｔ Ｅｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ（ＥＰＥ）の例を図９に示す。図１０に示すように、一対のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）がＥＰＥに使用される。このようなＥＰＥを図９で説明したリレーレンズと組み合わせると、ＬＢＳのような小型の表示装置にもかかわらず、ヘッドマウントディスプレイのユニットは図１１のようにかなり大きくなる。

ＬＢＳを用いたウェアラブルディスプレイ用の光学系のサイズを縮小する必要がある。本発明は、ＥＰＥを使用せずにこの必要性に対する解決策を提供する。

本発明の目的は、ウェアラブルディスプレイのような低コストでコンパクトなシースルーディスプレイを達成するためにフリーフォームミラーを使用してＥＰＥ（射出瞳拡大器）なしでディスプレイを作成することである。

図１３に示すとおり、レーザービーム（１３０６）は、入射レーザービーム（１３０１）用のアパーチャを通ってＬＢＳ（レーザービームスキャナー）（１３０２）に向かって投射され、ＬＢＳ（レーザービームスキャナー）（１３０２）は、ミラーの角度を変えることによって反射してミラーから自由にする。ビームは、自由曲面ミラーによって平面に向かって反射され（１３０４）、その平面に実像を形成する。この実像は、直接またはリレーレンズを介してコンバイナに投影され、観察者の前に虚像を形成することができる。

米国特許第７，４６０，２８６号明細書に関連した彼の公開された技術報告においてＫａｓａｉらによって示された従来技術の画像表示システムの断面図である。 シースルー能力を実証した実際のサンプルの写真である。 ＭｕｋａｗａらのＳＩＤ ２００８ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ／００８−０９６６Ｘ／０８／３９０１−００８９，”Ａ Ｆｕｌｌ Ｃｏｌｏｒ Ｅｙｅｗｅａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｎａｒ”の形態を示す図である。 ウェアラブルディスプレイのサンプルは、シースルー機能を実証したものである。 従来技術の別の例であり、Ｌｅｖｏｌａ，ＳＩＤ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＳＳＮ０００６−６４・ＳＩＤ０６ＤＩＧＥＳＴ０９６６Ｘ／０６／３７０１−００６４，”Ｎｏｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｎｅａｒ ｔｏ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”に開示の形態を示す図である。 米国特許第７４６０２８６号明細書に記載されているディスプレイとカメラの両方を有するシースルー機能を有するウェアラブルディスプレイの別の従来技術を示す。図 同様の構成の光学系を用いた例である。 本発明のすべての光学系および電子機器を埋め込むのに十分に大きいテンプルを有する眼鏡の例を示す。 レーザービームスキャナ（ＬＢＳ）の一例であり、そこではビームを水平に走査するジンバルミラー（「水平走査フレクシャ」と表示）とビームを垂直に走査する「垂直走査フレクシャ」と表示される別のフレクシャがある。レーザービームを水平方向と垂直方向にスキャンして２次元の写真を作成する。 駆動回路を搭載したＬＢＳユニットの例を示す。 レーザービームを人間の目の網膜に直接投射する網膜ディスプレイの一例である。しかし、このディスプレイは非常に小さいアイボックスを有し、入射光ビームが非常に狭く観察者の瞳孔が非常に小さい（直径２〜３ｍｍ）ため、わずかな目の動きで画像が失われる。これはアイボックスを増やす必要がある。 観察者に大きなアイボックスを提供するためにＬＢＳ、射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）、および一組のリレーレンズを使用するディスプレイの一例を示す。この先行技術は、人間の目の前では大きすぎるので、シースルーディスプレイとして使用することは困難である。 ２つのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）がＥＰＥとして使用されることを示す。（ａ）は単一のマイクロレンズアレイであり、各マイクロレンズは入射光を発散させるが、強度の均一性（ｂ）はマイクロレンズの粗いピッチのために十分ではない。（ｄ）は二重マイクロレンズを示す。これと同じ方法で、強度（ｆ）の均一性の実質的な改善を示すレンズアレイ（ｄ）システムである。 ＬＢＳ、ＥＰＥ、リレーレンズを用いたヘッドマウントディスプレイの例を示す。 ＥＰＥ（１２０３）およびコンバイナレンズ（１２０６）の一例を示す。 コリメートされたレーザービームは、開口部（１３０１）を通して提供され、そしてレーザービームスキャナー（ＬＢＳ）（１３０２）に投射される。ＬＢＳは、平行ビーム（１３０７）を収束させて（１３０４）で実像を形成する自由形状ミラー（１３０３）に向かって入射ビーム（１３０６）を操作する。（１３０４）としてマークされた平面上の画像は大きなＮＡを有する実画像であるので、いかなる拡散器または射出瞳拡大器も必要ではない。 本発明の実施形態の一例を示す図である。自由曲面ミラー（１４０４）によって反射されたビームは、（１４０４）において高いＮＡを有する実像を形成する。実像は、画像（１４０４）と外形の画像とを組み合わせて距離を置いて虚像（１４０７）を生成するコンバイナ（１４０５）によって反射することができる。コンバイナによる反射の後、ビームは（１４０６）としてマークされた幅で眼に向かって投射され、そこで観察者は画像を見ることができる。この幅はアイボックスのサイズである。 図１３に記載のビーム集束システムを用いた本発明の実施形態の一例を示す。（１５０１）は対物レンズ（１５０３）の前に実像（１５０２）を形成する凸面鏡である。コンバイナ（１５０６）は、大きなアイボックス（１５０７）を用いて虚像を作成する。

本発明の目的は、ウェアラブルディスプレイのような低コストでコンパクトなシースルーディスプレイを達成するために自由形状ミラーを使用してＥＰＥ（射出瞳拡大器）なしでディスプレイを作成することである。具体的には、図５は、本発明のすべての光学系および電子機器を埋め込むのに十分に大きいテンプルを備える２つの例示的な眼鏡を示す。眼鏡は、眼鏡に埋め込まれた装着型ディスプレイが目立たないという利点を有する。

本発明の実施形態の一例を図１３に示す。レーザービーム（１３０６）は、入射レーザビーム（１３０１）用のアパーチャを通ってＬＢＳ（レーザービームスキャナー）（１３０２）に向かって投射され、ＬＢＳ（レーザービームスキャナー）（１３０２）は、ミラーの角度を変えることによって反射してミラーから自由にする。自由曲面ミラーは、任意の数学的形状の表面を有するミラーとして定義され、表面は必ずしも球形または楕円形ではない。ビームは、自由曲面ミラーによって平面に向かって反射され（１３０４）、その平面に実像を形成する。この実像は、直接またはリレーレンズを介してコンバイナに投影され、観察者の前に虚像を形成することができる。

本発明の実施形態の他の例を図１４に示す。自由曲面ミラー（１４０４または１３０４）によって形成された実像は、直接コンバイナ（１４０５）に投影される。ビームは観察者の眼に向かって反射される（１４０１）。ビーム軌道の反射線を反対方向に延ばすことによって、（１４０７）に示すように虚像を作成することができる。視聴者は遠くに虚像（１４０７）を見ることになり、眼（１４０１）は画像を失うことなくアイボックス（１４０６）内を移動することができる。

本発明の実施形態の他の例を図１５に示す。一組のリレーレンズおよびミラー（１５０３、１５０４、および１５０５）が、フリーフォームミラーからの実像とコンバイナ（１５０６）との間に配置され、反射ビームが観察者の眼に向かって投射される（１５０７）。平面（１５０２）はいかなる物理的物質も持たない。

図１５の光学系を使用したディスプレイの例を図１６に示す。コンバイナは目の前に配置されている。すべての光学素子は眼鏡のテンプルに配置される。

本発明を特定の好ましい実施形態および代替実施形態に関して説明してきたが、本出願を読めば当業者には多くの追加の変形形態および修正形態が明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなすべての変形形態および修正形態を含むように、先行技術に鑑みてできるだけ広く解釈されることを意図している。

Claims (5)

1. レーザービームスキャナーを含む表示装置と、
   前記表示装置を駆動するための回路と、
   レーザー、ＬＥＤおよびＯＬＥＤを含む群からの発光装置を有する光源と、
   外部画像と表示装置の画像とを組み合わせるコンバイナのレンズと、
   観察者が物理的な射出瞳拡大器なしに大きなアイボックス内に虚像を見ることができるような高いＮＡを有する実像を形成する自由曲面ミラーと、
   を備えるシースルーディスプレイシステム。
2. 実像のＮＡは０．１より大きい請求項1に記載のシースルーディスプレイシステム。
3. 前記虚像の解像度を向上させるために、前記コンバイナと前記実像との間に一組のリレーレンズがある請求項1に記載のシースルーディスプレイシステム。
4. シースルーディスプレイは眼鏡型ディスプレイである請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。
5. シースルーディスプレイはヘッドアップディスプレイである請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。

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