JP2020503543A - フーリエ光学法を用いたｄｏｅのゴースト像除去 - Google Patents

Abstract

ＤＯＥを有するシースルー画像表示システムは、ＤＯＥ表面の鋸歯形状の量子化のために、望ましくない光またはいわゆるゴースト画像を有することが多い。本発明はゴースト像を除去する方法を提供する。【選択図】図１１

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６２／４９８，１４４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、高解像度で広い視野を有するシースルーディスプレイを可能にする回折光学素子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。より具体的には、本発明は、非常に小さいフォームファクタを有するウェアラブルディスプレイに適したディスプレイに関する。

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。しかしながら、正確なホログラムを作成することは、光ビームの正確な位置合わせおよび厳しい精度での光学素子の設定を必要とする容易な作業ではなく、同じ結果を一貫して繰り返すことは容易ではない。一方、デジタルパターニング技術において非常に再現性のある方法で半導体ツールによって製造することができるＤＯＥ（回折光学素子）を利用する新しい方法が普及している。回折光学素子のパターンをデジタル化することは、量子化の周波数とＤＯＥの周波数が必ずしも同じではなく、その差が「ゴースト像」を作り出すので、不要なゴースト像を作り出すことが多い。本発明は、ＤＯＥからもたらされる「ゴーストイメージ」を排除するためのいくつかの方法を示す。

本発明の目的は、意図された画像および見えない他の高次ピークを除いてフーリエ伝達関数がゼロに近いＤＯＥを使用してシースルーディスプレイを作成することである。

図１１は、本発明の実施形態の一例を示す図である。焦点の合った画像を作成するには、反射光が正しい位置に集束するように、Ｃｏｄｅ−ＶやＺｅｍａｘなどの光学設計ツールを使用して位相シフト関数を設計する必要がある。次に、２＊ｐｉごとに関数をスライスすると、鋸波としての関数、スライスされた位相シフト関数を生成する。特定のツールで正確な形状を作ることは可能であるが、それは典型的な半導体製造工場には一般的ではない非常に特殊なツールを必要とする。この場合、一般的な半導体製造工場が一般的なツールで処理できるように、量子化方法がしばしば使用さる。しかしながら、この量子化は観察者の視野角内に不必要なフーリエピークを生成する。次に、位相シフト関数は、フーリエ伝達関数がほぼゼロになるように、ランダム化された位相加算または位相シフト関数を歪ませることを含む特定の方法で負の位相を加えることによって修正されなければならない。

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。 シースルー能力をうまく実証した実際のサンプルの写真である。これはシースルーディスプレイの可能性を実証するのに非常に成功したが、それは十分な視野角または解像度を提供しない。 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。しかしながら、より高い解像度およびより広い視野角が必要とされている。 従来技術の別の例であり、Ｌｅｖｏｌａらの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。このディスプレイはサンプルを示していない。 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。 は、同様の構成の光学系を用いた例である。しかし、視野角の大きさは十分に大きくない。 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であり、そのためディスプレイの存在は目立たない。 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であり、そのためディスプレイの存在は目立たない。 シースルーレンズ（７０２）としてＤＯＥを使用する本発明の一例である。 ＤＯＥ（８０２）による反射後のディスプレイから目への光路を示す。 補助現実ディスプレイとしての高解像度シースルーメガネディスプレイおよびその光学構造の一例を示す。ＤＯＥ（９０２）はシースルーレンズを提供する。 光路の例を図１０に示す。 ゴースト画像を除去するためにＤＯＥを作成するための手順を示す図である。 投影光を眼に向けて反射する位相関数の構造を示す図である。 図１３は、位相関数をスライスされた位相関数に変換するプロセスを示し、そのパターンは半導体プロセスによってウェハ上に作られる。 スライスされた位相関数の構造および光の反射方向を示す。１４０４とマークされた距離は、ＤＥＯの鋸歯のピッチである。 量子化ピッチ「ｑ」１５０７および１５０９を示し、これは、ＤＯＥの鋸歯のピッチに対する必ずしも整数の比ではない。この非整数比は、サイクルの長期間及び低い周波数を生成し、短い空間周波数に変換される（長さと空間周波数は反比例する）。この短い空間周波数は、主画像から小さな角度で反射するため、いわゆる「ゴースト画像」を生成する。 量子化スライス位相関数のフーリエ伝達関数を示しており、主画像を形成する「１」としてマークされた主ピークに近い多くのピークを含む。 フーリエ伝達関数のピークに対応する多くの光スポットを示す実験結果を示し、そのピークは測定されたスポットとよく一致したことを示す図である。 第２のピーク（１８０２および１８０４）を有する主画像（１８０１および１８０３）に近い望ましくないスポットまたは「ゴースト画像」（これは人間の目には見えないほど十分に遠い）を除去する、本発明の一例を示す。 位相の総和がゼロに近い上記のテストに使用された位相関数を示す。

本発明の目的は、視野像から外れている意図された画像および他の高次ピークを除いてフーリエ伝達関数がゼロに近いＤＯＥを使用してシースルーディスプレイを作成することである。

図１１は、本発明の実施形態の一例を示す図である。焦点の合った画像を作成するには、反射光が正しい位置に集束するように、Ｃｏｄｅ−ＶやＺｅｍａｘなどの光学設計ツールを使用して位相シフト関数を設計する必要がある。次に、２＊ｐｉごとに関数をスライスすると、鋸波としての関数、スライスされた位相シフト関数を生成する。特定のツールで正確な形状を作ることは可能であるが、それは典型的な半導体製造工場には一般的ではない非常に特殊なツールを必要とする。この場合、一般的な半導体製造工場が一般的なツールで処理できるように、量子化方法がしばしば使用される。しかしながら、この量子化は、図１６（計算されたフーリエ変換）および図１７（実際の実験結果）に示される例のように、観察者の視野角内に不要なフーリエピークを生成する。次に、位相シフト関数はフーリエ伝達関数がほぼゼロになるように、ランダム化された位相加算を一定ある方法で負の位相を加算するか、または位相シフト関数を修正することによって修正しなければならない。

負のフーリエ伝達関数の追加は、以下のステップとして行うことができる。
１）ＤＯＥに画像を投影するためのレンズとミラーを含む光学系を設計する。
２）図１１のステップに従って、量子化位相シフト関数のフーリエ伝達関数を図１６のように得る。
２）どのピークが視野角内で望ましくないピークであるかを識別する。
３）望ましくないピークを抽出し、抽出されたピークのフーリエ逆伝達を適用し、この逆伝達関数を元の位相シフト関数に加え、望ましくないピークが消えるまでプロセスを再計算する。

実施形態の別の例は、望ましくないピークがノイズに希釈されるように位相シフト関数をランダム化することである。図１４において「ｐ」としてマークされたピッチは、ゴーストピークを排除するためにランダム化することができる。平均値がゼロの正規分布を使用してＰ’＝Ｐ＋（乱数）を計算する。標準分散は、たとえばＰの約１０％である。このランダム化は、望ましくないゴースト画像のピークを減らすことになる。

他の実施形態は、図１８（フーリエ伝達分布）および図１９（等高線で示された位相シフト関数）に示されるように元の光学系の設計を修正することである。フーリエ変換（図１８）は望ましくないピークをほとんど有さない。

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 (8)

1. ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、マイクロミラー、マイクロシャッター、ＯＬＥＤおよびレーザービームスキャナーの群から選択されたディスプレイデバイスと、
   前記ディスプレイデバイスを駆動するための回路と、
   レーザー、ＬＥＤおよびＯＬＥＤから選択された群からの発光装置を有する光源と、
   眼鏡レンズおよびテンプルと、
   眼鏡に取り付けられる回折光学素子（ＤＯＥ）を使用するシースルー光学素子と、
   を備えるシースルーディスプレイシステムであって、
   前記ＤＯＥの表面形状のフーリエ変換のスペクトルのピークが意図された画像のピークを除いて視野角内でゼロに近いシースルーディスプレイシステム。
2. ＤＯＥの鋸歯のピッチは、ＤＥＯ表面の形状のフーリエスペクトルの望ましくないピークを減らすためにランダム化される請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。
3. において、
   フーリエスペクトルの望ましくないピークを減らすために、負のフーリエ変換スペクトルが追加される請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。
4. ＤＯＥの位相シフト関数は、視野角内の望ましくないピークが最小になるように設計されている請求項１に記載のシースルーディスプレイシステム。
5. ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、マイクロミラー、マイクロシャッター、ＯＬＥＤおよびレーザービームスキャナーの群から選択されたディスプレイデバイスと、
   前記ディスプレイデバイスを駆動するための回路と、
   レーザー、ＬＥＤおよびＯＬＥＤの群から選択された発光装置を有する光源と、
   光ビームを集束させるためのＤＯＥと、
   を備えるディスプレイシステムであって、
   前記ＤＯＥの表面形状のフーリエ変換のスペクトルのピークは、意図された画像のピークを除いて視野角内でゼロに近いディスプレイシステム。
6. ＤＯＥの鋸歯のピッチは、ＤＥＯ表面の形状のフーリエスペクトルの望ましくないピークを減らすためにランダム化されている請求項５に記載のディスプレイシステム。
7. フーリエスペクトルの望ましくないピークを減らすために、負のフーリエ変換スペクトルが追加される請求項５に記載のディスプレイシステム。
8. ＤＯＥの位相シフト関数は、視野角内の望ましくないピークが最小になるように設計されている請求項５に記載のディスプレイシステム。