JP2020514830A - 広視野を有する導波管プロジェクタのための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、従来のシステムと比較して拡張される視野を有する、方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。眼鏡内に配置される導波管ディスプレイは、第１の視野によって画定された第１の画像を投影するように動作可能である、第１の瞳エクスパンダアセンブリと、前記第１の瞳エクスパンダアセンブリに隣接して配置され、第１の視野と異なる第２の視野によって画定された第２の画像を投影するように動作可能である、第２の瞳エクスパンダアセンブリとを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年３月２１日に出願され”Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ”と題された米国仮特許出願第６２／４７４，４９３号に対する優先権を主張するものであり、その開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書中に援用される。

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式で視認者に提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。

これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、従来のシステムと比較して拡張される視野を有する、方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

本発明のある実施形態によると、眼鏡内に配置される導波管ディスプレイが、提供される。導波管ディスプレイは、第１の視野によって画定された第１の画像を投影するように動作可能である、第１の瞳エクスパンダアセンブリを含む。導波管ディスプレイはまた、第１の瞳エクスパンダアセンブリに隣接して配置され、第１の視野と異なる第２の視野によって画定された第２の画像を投影するように動作可能である、第２の瞳エクスパンダアセンブリを含む。視野および第２の視野は、タイル状にされることができる、または第１の視野の一部は、第２の視野の一部と重複することができる。

ある実施形態では、第１の瞳エクスパンダアセンブリおよび第２の瞳エクスパンダアセンブリは、眼鏡の右レンズフレーム内に配置される。右レンズフレームは、鼻領域と、周辺領域と、鼻領域と周辺領域との間に配置される、中心とを有する。第１の視野は、中心と鼻領域との間の位置に中心合わせされる。第２の視野は、中心と周辺領域との間の位置に中心合わせされる。さらに、導波管ディスプレイはまた、第３の視野によって画定された第１の画像を投影するように動作可能である、第３の瞳エクスパンダアセンブリと、第３の瞳エクスパンダアセンブリに隣接して配置され、第３の視野と異なる第４の視野によって画定された第２の画像を投影するように動作可能である、第４の瞳エクスパンダアセンブリとを含むことができる。この場合、第３の瞳エクスパンダアセンブリおよび第４の瞳エクスパンダアセンブリは、眼鏡のセットの左レンズフレーム内に配置されることができる。

本発明の別の実施形態によると、眼鏡内に配置される導波管ディスプレイが、提供される。導波管ディスプレイは、入力データを第１のプロジェクタから受信するように動作可能である、第１の回折入力導波管と、入力データを第２のプロジェクタから受信するように動作可能である、第２の回折入力導波管とを含む。導波管ディスプレイはまた、第１の回折入力導波管と、第２の回折入力導波管とに光学的に結合され、中心法線を有する、回折出力導波管を含む。回折出力導波管は、第１のプロジェクタと関連付けられた画像データを中心法線に対して変位される第１の視野に向かって指向し、第２のプロジェクタと関連付けられた画像データを中心法線に対して変位される第２の視野に向かって指向するように動作可能である。

本発明の具体的実施形態によると、眼鏡内に配置される導波管ディスプレイが、提供される。導波管ディスプレイは、入力データを第１のプロジェクタから受信するように動作可能である、第１の回折入力導波管と、入力データを第２のプロジェクタから受信するように動作可能である、第２の回折入力導波管とを含む。導波管ディスプレイはまた、第１の回折入力導波管と、第２の回折入力導波管とに光学的に結合される、回折出力導波管を含む。回折出力導波管は、第１の屈折力によって特徴付けられる第１の波面を有する、第１の画像ビームを形成し、第１の屈折力と異なる第２の屈折力によって特徴付けられる第２の波面を有する、第２の画像ビームを形成するように動作可能である。

ある実施形態では、導波管ディスプレイはさらに、導波管ディスプレイと統合される、波面調節レンズと、導波管ディスプレイと統合される、補正レンズとを含む。波面調節レンズは、負のレンズであることができ、補正レンズは、正のレンズであることができる。実施例として、導波管ディスプレイは、世界側およびユーザ側によって特徴付けられることができ、第１の画像ビームおよび第２の画像ビームは、ユーザ側に向かって指向されることができ、波面調節レンズは、ユーザ側上に配置されることができ、補正レンズは、世界側上に配置されることができる。

多数の利点が、従来の技法に優る本発明の方法によって達成される。例えば、本発明の実施形態は、ディスプレイの視野を増加させ、ユーザ体験を改良するために使用され得る、方法およびシステムを提供する。ある実施形態では、複数の深度平面が、ディスプレイによって生産され、立体画像の生成をもたらす。本発明のこれらおよび他の実施形態は、その利点および特徴の多くとともに、下記の文章および添付の図と併せてより詳細に説明される。

図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）の光経路を図式的に図示する。

図２は、本発明のある実施形態による、２つのプロジェクタに光学的に結合される導波管ディスプレイを含む眼鏡を図示する、簡略化された斜視図である。

図３は、本発明のある実施形態による、双眼視野重複を図示する、簡略化された概略図である。

図４Ａは、本発明のある実施形態による、拡張視野を生産する導波管ディスプレイを図示する、簡略化された斜視図である。

図４Ｂは、本発明のある実施形態による、重複要素を伴う導波管ディスプレイを図示する、簡略化された分解斜視図である。

図５Ａは、本発明のある実施形態による、複数の深度平面を生産する導波管ディスプレイを図示する、簡略化された斜視図である。

図５Ｂは、図５Ａに図示される導波管ディスプレイとレンズの統合を図示する、簡略化された側面図である。

図６は、本発明のある実施形態による、タイル状視野を生産する導波管ディスプレイを図示する、簡略化された概略平面図である。

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む投影ディスプレイシステムに関連する、方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、従来のシステムと比較して拡張された視野を有する、方法およびシステムを提供する。本発明は、立体視システムを含む、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムおよびライトフィールド投影システム、光のビームレットをユーザの網膜に送達するシステム、または同等物における種々の用途に適用可能である。

本発明の実施形態は、典型的には、瞳エクスパンダアセンブリの視野を画定する射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）を含む、瞳エクスパンダアセンブリを利用する。ＥＰＥの側方寸法を増加させることは、視野を増加させ得るが、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）を含む、瞳エクスパンダアセンブリ内の他の光学要素は、典型的には、ＥＰＥに送達され得る、光の量を制約する。例えば、ＥＰＥのサイズを１０％増加させることは、例えば、ＯＰＥが、効率的様式において、光をＥＰＥにすでに送達している場合があるため、視野の１０％増加をもたらし得ない。言い換えると、ＯＰＥが、光送達のために最適化される場合、ＥＰＥのサイズの増加は、視野における合致増加をもたらし得ない。実施例として、導波管構造に関して、全内部反射（ＴＩＲ）は、光が導波管の中に投入され得る角度を限定し、ＥＰＥサイズの増加が視野における合致増加を生産することを妨害するであろう。さらに、例えば、より高い屈折率を伴う材料の選択は、投入される光が利用され得る、角度範囲を改良することができるが、コスト、重量、および他の要因が、実践的限界を材料選択肢に課す。

故に、本発明のいくつかの実施形態は、複数のＯＰＥを利用して、光を共通ＥＰＥに送達し、それによって、共通ＥＰＥによって提供される視野を増加させる。その結果、本発明のいくつかの実施形態は、それらが、ＥＰＥのサイズの増加の結果としてではなく、ＥＰＥに結合される複数のＯＰＥの使用を通して、ＥＰＥの視野における増加を達成するため、ユニークなソリューションを提供する。他の実施形態は、複数のＥＰＥを利用して、ユーザに提供される視野を増加させる。本明細書に説明されるように、複数のＯＰＥの使用は、ＥＰＥのサイズを増加させる機会を提供し、これは、視野における付加的増加をもたらすことができる。

図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、プロジェクタ１０１と、視認者の眼の周囲に装着され得る、接眼レンズ１００とを含む。いくつかの実施形態では、プロジェクタ１０１は、赤色ＬＥＤの群と、緑色ＬＥＤの群と、青色ＬＥＤの群とを含んでもよい。例えば、プロジェクタ１０１は、ある実施形態によると、２つの赤色ＬＥＤと、２つの緑色ＬＥＤと、２つの青色ＬＥＤとを含んでもよい。接眼レンズ１００は、１つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。一実施形態では、接眼レンズ１００は、３つの原色である、赤色、緑色、および青色の各々に対して１つの接眼レンズ層の３つの接眼レンズ層を含む。別の実施形態では、接眼レンズ１００は、６つの接眼レンズ層、すなわち、仮想画像を１つの深度平面に形成するために構成される、３つの原色の各々に対する１セットの接眼レンズ層と、仮想画像を別の深度平面に形成するために構成される３つの原色の各々に対する別のセットの接眼レンズ層とを含んでもよい。他の実施形態では、接眼レンズ１００は、３つ以上の異なる深度平面のために、３つの原色の各々に対して３つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。各接眼レンズ層は、平面導波管を備え、内部結合格子１０７と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１０８と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１０９とを含んでもよい。

依然として、図１を参照すると、プロジェクタ１０１は、画像光を接眼レンズ層１００内の内部結合格子１０７上に投影する。内部結合格子１０７は、プロジェクタ１０１からの画像光を、ＯＰＥ領域１０８に向かった方向に伝搬する、平面導波管の中に結合する。導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、画像光を水平方向に伝搬する。接眼レンズ層１００のＯＰＥ領域１０８はまた、導波管内を伝搬する内部結合格子からの画像光を増大させ、ＥＰＥ領域１０９に向かって再指向する、回折要素を含む。言い換えると、ＯＰＥは、ＥＰＥの異なる部分に送達される、ビームレットを直交方向に増大させる。ＥＰＥ領域１０９は、導波管内を伝搬する画像光の一部を外部結合し、接眼レンズ層１００の平面と略垂直方向に視認者の眼１０２に向かって指向する、回折要素を含む。本方式では、プロジェクタ１０１によって投影された画像は、視認者の眼１０２によって視認され得る。

上記に説明されるように、プロジェクタによって生成された画像光は、３つの原色、すなわち、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、および赤色（Ｒ）の光を含んでもよい。そのような画像光は、各構成色内の画像光が接眼レンズ内の個別の導波管に結合され得るように、構成色に分離される。

図２は、本発明のある実施形態による、２つのプロジェクタに光学的に結合される導波管ディスプレイを含む、眼鏡を図示する、簡略化された斜視図である。本明細書に議論されるように、システムの総視野は、複数のプロジェクタ、例えば、複数のファイバ走査プロジェクタの使用を通して増加され、ユーザの各眼と関連付けられた導波管ディスプレイを駆動することができる。第１の導波管ディスプレイ２０５は、２つの瞳エクスパンダアセンブリを利用し、これは、入力結合格子と、直交瞳エクスパンダと、射出瞳エクスパンダ、すなわち、第１の右瞳エクスパンダアセンブリ２１０と、第２の右瞳エクスパンダアセンブリ２３０とを含むことができる。第２の導波管ディスプレイ２０７は、２つの付加的瞳エクスパンダアセンブリ、すなわち、第１の左瞳エクスパンダアセンブリ２２０と、第２の左瞳エクスパンダアセンブリ２４０とを利用する。

図２における正面斜視図から示される眼鏡によって図示されるように、眼鏡の右レンズフレーム２０１は、入力結合格子（ＩＣＧ）として実装され得る入力結合要素２１２を含む、第１の右瞳エクスパンダアセンブリ２１０を含む。明確性の目的のために、入力結合要素２１２は、本明細書では、ＩＣＧと称されるであろうが、他の回折構造も、本発明の実施形態によって利用されることができる。眼鏡の右レンズフレーム２０１内の瞳エクスパンダアセンブリ２１０はまた、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）２１４と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）２１６とを含む。図２に図示される設計では、プロジェクタ（図示せず）からの光は、右レンズフレーム２０１の下側リムにおいてＩＣＧ２１２上に衝突するが、これは、本発明によって要求されず、他の入力場所も、利用されることができる。ＩＣＧ２１２において第１の瞳エクスパンダアセンブリ２１０の中に結合される光は、ＯＰＥ２１４を通して伝搬し、ＥＰＥ２１６の中に結合される。レンズフレームの鼻領域に向かって伝搬後、光は、下記により完全に説明されるように、ＥＰＥ２１６から視認者またはユーザの右眼に向かって出力される。

ＥＰＥからの出力が瞳エクスパンダアセンブリの平面に対する法線入射である、いくつかの瞳エクスパンダアセンブリとは対照的に、ＥＰＥ２１６は、出力光がＥＰＥ２１６から非法線角度で出射するように設計される。実施例として、光は、光が、鼻領域からレンズフレーム２０１の中心に向かって移動する方向において、ＥＰＥ２１６から出射するように、法線に対して１５°の角度で出射することができる。したがって、ＥＰＥ２１６は、レンズフレームの鼻領域からの光をユーザの右眼に向かって指向し、左側視野、例えば、３０°×４０°（側方×垂直）の視野をユーザの視野の左側上に作成する。

眼鏡の左レンズフレーム２０２はまた、入力結合格子（ＩＣＧ）として実装され得る入力結合要素２２２を含む、第１の左瞳エクスパンダアセンブリ２２０を含む。明確性の目的のために、入力結合要素２２２は、本明細書では、ＩＣＧと称されるであろうが、他の回折構造も、本発明の実施形態によって利用されることができる。眼鏡の左レンズフレーム２０２内の第１の左瞳エクスパンダアセンブリ２２０はまた、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）２２４と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）２２６とを含む。図２に図示される設計では、第２のプロジェクタ（図示せず）からの光は、右レンズフレーム２０２の下側リムにおいてＩＣＧ２２２上に衝突するが、これは、本発明によって要求されず、他の入力場所も、利用されることができる。ＩＣＧ２２２において第１の左瞳エクスパンダアセンブリ２２０の中に結合される光は、ＯＰＥ２２４を通して伝搬し、ＥＰＥ２２６の中に結合される。レンズフレームの鼻領域に向かって伝搬後、光は、ＥＰＥ２２６から視認者またはユーザの左眼に向かって出力される。

第１の右瞳エクスパンダアセンブリ２１０に類似する様式であるが、鏡像構成において、ＥＰＥ２２６は、出力光が、非法線角度、例えば、法線に対して１５°の角度において、ＥＰＥ２２６から出射するように設計される。故に、光は、鼻領域からレンズフレーム２０２の中心に向かって移動する方向において、ＥＰＥ２２６から出射する。実施例として、放出の角度の制御は、格子周期性またはピッチを変動させることによって、達成されることができる。したがって、ＥＰＥ２２６は、レンズフレームの鼻領域からの光をユーザの左眼に向かって指向し、右側視野、例えば、３０°×４０°（側方×垂直）の視野をユーザの視野の右側上に作成するであろう。

瞳エクスパンダアセンブリの付加的セットが、図２に図示されるように、レンズフレームに提供される。右レンズフレーム２０１では、第２の右瞳エクスパンダアセンブリ２３０は、ＩＣＧ２３２と、ＯＰＥ２３４と、ＥＰＥ２３６とを含む。第３のプロジェクタ（ここで示される）からの光は、右レンズフレーム２０１の下側リムにおいてＩＣＧ２３２上に衝突するが、これは、本発明によって要求されず、他の入力場所も、利用されることができる。ＩＣＧ２３２において第２の右瞳エクスパンダアセンブリ２３０の中に結合される光は、ＯＰＥ２３４を通して伝搬し、ＥＰＥ２３６の中に結合される。レンズフレームの周辺領域に向かって伝搬後、光は、ＥＰＥ２３６から視認者またはユーザに向かって出力される。

光は、光が、周辺領域からレンズフレーム２０１の中心に向かって移動する方向において、ＥＰＥ２３６から出射するように、非法線角度、例えば、法線に対して１５°の角度において、ＥＰＥ２３６から出射する。したがって、ＥＰＥ２３６は、レンズフレームの周辺領域からの光をユーザの右眼に向かって指向し、右側視野、例えば、３０°×４０°（側方×垂直）の視野をユーザの視野の右側上に作成するであろう。

眼鏡の左レンズフレーム２０２はまた、ＩＣＧ２４２と、ＯＰＥ２４４と、ＥＰＥ２４６とを含む、第２の左瞳エクスパンダアセンブリ２４０を含む。第４のプロジェクタ（ここで示される）からの光は、左レンズフレーム２０２の下側リムにおいて、ＩＣＧ２４２上に衝突するが、これは、本発明によって要求されず、他の入力場所も、利用されることができる。ＩＣＧ２４２において第２の左瞳エクスパンダアセンブリ２４０の中に結合される光は、ＯＰＥ２４４を通して伝搬し、ＥＰＥ２４６の中に結合される。レンズフレームの周辺領域に向かって伝搬後、光は、ＥＰＥ２４６から視認者またはユーザに向かって出力される。

第２の右瞳エクスパンダアセンブリ２３０に類似する様式であるが、鏡像構成において、ＥＰＥ２４６は、出力光が、非法線角度、例えば、法線に対して１５°の角度において、ＥＰＥ２４６から出射するように設計される。故に、光は、周辺領域からレンズフレーム２０２の中心に向かって移動する方向において、ＥＰＥ２４６から出射する。したがって、ＥＰＥ２４６は、レンズフレームの周辺領域からの光をユーザの左眼に向かって指向し、左側視野、例えば、３０°×４０°（側方×垂直）の視野をユーザの視野の左側上に作成するであろう。

第１の右瞳エクスパンダアセンブリ２１０と第２の右瞳エクスパンダアセンブリ２３０の組み合わせは、ユーザの右眼に、各接眼レンズによって生産された個々の視野を組み合わせる、拡張視野を提供する。実施例として、右視野の左側は、左視野の右側と整合され、タイル状ディスプレイを提供することができる。本構成では、視野の周辺部分は、重複せずに、相互に当接し、共通境界を画定する。ＥＰＥ２１６およびＥＰＥ２３６が３０°×４０°の視野を提供する、実施形態では、組み合わせられた視野は、６０°×４０°となり、ユーザに利用可能な視野を事実上２倍にすることができる。視野における類似増加は、左眼に関しても達成される。視野が重複を伴わずにタイル状にされる、本構成に加え、他の構成も、本明細書でより完全に説明されるように、本発明の範囲内に含まれる。

図３は、本発明のある実施形態による、双眼視野重複を図示する、簡略化された概略図である。図３では、左眼と関連付けられた拡張視野は、６０°×４０°（側方×垂直）であって、左視野３１０（水平６０°範囲にわたる３１０Ａおよび４０°垂直範囲にわたる３１０Ｂ）によって図示される。右眼と関連付けられた拡張視野もまた、６０°×４０°（側方×垂直）であって、右視野３２０（水平６０°範囲にわたる３２０Ａおよび４０°垂直範囲にわたる３２０Ｂ）によって図示される。周辺縁における非重複視野の２０°を伴う、４０°の双眼重複領域は、本実装において達成される。本実装は、データの双眼処理が視野３３０の内側４０°内で生じることを可能にし、これは、双眼処理の大部分が生じる領域であることが、研究によって示されている。４０°双眼重複が、本実施例では提供されるが、完全重複を含む、付加的重複、または低減された重複も、実装されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図３に図示されるように、８０°×４０°のアンビノキュラー（ａｍｂｉｎｏｃｕｌａｒ）（すなわち、総）視野３４０が、両眼を横断して提供され、８９°の対角線アンビノキュラー視野をもたらす。２つの重複視野が、図３に図示されるが、本発明は、本特定の実装に限定されず、他の数の視野も、タイル状にされる、または重複される、またはそれらの組み合わせであることができる。例えば、２つ以上の視野が、中心領域内で重複され得、２つ以上の付加的視野が、周辺領域内でタイル状にされ得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図４Ａは、本発明のある実施形態による、拡張視野を生産する導波管ディスプレイ４００を図示する、簡略化された斜視図である。回折出力要素とも称され得る、共有ＥＰＥ４０５が、２つを上回るプロジェクタによって提供される光と併せて作用する、導波管ディスプレイの要素として提供される。図４Ａに図示されるように、２つのＯＰＥが、いくつかの実装では、第１のＯＰＥが、第１の方向（例えば、ｘ−方向）に沿って中心法線から第１の距離に位置付けられ、第２のＯＰＥが、反対方向（例えば、負のｘ−方向）に沿って中心法線から第２の距離に位置付けられるように、共有ＥＰＥの反対側上に配置される。いくつかの実施形態では、ＥＰＥのサイズは、単一ＯＰＥからの光を受け取る従来のＥＰＥと比較して、増加されることができる。共有ＥＰＥ４０５は、略平面であって、放出表面４０６によって特徴付けられる。中心法線４０７は、放出表面４０６に対して法線方向であって、共有ＥＰＥ４０５の中心に中心合わせされる、ベクトルである。図４Ａに図示される実施形態では、中心法線は、ｚ−軸と整合される。下記により完全に説明されるように、２つの視野は、中心法線に対して変位されるように生成される。その結果、第１のプロジェクタと関連付けられた画像データは、中心法線に対して第１の方向に変位される第１の視野を形成するように投影されることができ、第２のプロジェクタと関連付けられた画像データは、中心法線に対して第２の反対方向に変位される第２の視野を形成するように投影されることができる。

第１のＩＣＧ４１０は、第１のプロジェクタ（図示せず）からの光を受け取り、光を伝搬経路４１４に沿って導波管の平面の中に指向する。光が、第１のＯＰＥ４１２を通して伝搬するにつれて、光は、共有ＥＰＥ４０５に向かって回折される。第２のＩＣＧ４２０は、第２のプロジェクタ（図示せず）からの光を受け取り、光を伝搬経路４２４に沿って導波管の平面の中に指向する。光が、第２のＯＰＥ４２２を通して伝搬するにつれて、光は、共有ＥＰＥ４０５に向かって回折される。

ＥＰＥ４０５は、第１のＯＰＥ４１２からＥＰＥに進入する光が、第１の出力経路４１６上に中心合わせされる第１の放出錐台４１８を形成するように回折され、第２のＯＰＥ４２２からＥＰＥに進入する光が、第２の出力経路４２６上に中心合わせされる第２の放出錐台４２８を形成するように回折されるように設計される。図４Ａに図示されるように、出力経路は、ＥＰＥの放出表面に対して非法線の方向に沿って存在することができる。実施例として、第１の出力経路４２６は、ＥＰＥの放出表面に対する法線の片側に対して１５°で指向されることができ、第２の出力経路４２８は、ＥＰＥの放出表面に対する法線に対して−１５°で指向されることができる。本実装では、第１の視野および第２の視野は、タイル状にされ、中心法線４０７は、第１の視野および第２の視野のそれぞれの境界を通して通過する。図４Ａを参照すると、第１の視野を画定する第１の放出錐台４１８と、第２の視野を画定する第２の放出錐台４２８は、それぞれ、放出表面に対する法線と整合されるその視野の片側と、法線に対して±３０°で配向されるその視野の反対側とを有する。

したがって、図４Ａに図示されるように、共有ＥＰＥは、第１のプロジェクタと関連付けられた視野と第２のプロジェクタと関連付けられた第２の視野とを組み合わせることによって、総視野を増加させるために使用されることができる。図４Ａに図示される実施形態では、視野は、重複を伴わずにタイル状にされるが、他の実施形態では、図３に図示されるような中心双眼重複の領域が、特定の用途の必要に応じて、提供されることができる。本発明によって要求されないが、いくつかの実施形態では、複数のプロジェクタおよびＯＰＥと関連付けられた角度の範囲は、増加され、それによって、組み合わせられた視野のサイズを増加させることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図４Ｂは、本発明のある実施形態による、重複要素を伴う導波管ディスプレイを図示する、簡略化された分解斜視図である。図４Ｂに図示される導波管ディスプレイ４５０は、図４Ａに図示される導波管ディスプレイといくつかの類似性を共有し、図４Ａに関連して提供される説明は、必要に応じて、図４Ｂに適用可能である。図４Ａに示される分解図に図示されるように、ＯＰＥ４１２および４２２は、共有ＥＰＥ４０５と空間的に重複し、ＯＰＥは、第１のｚ−次元に位置付けられ、共有ＥＰＥは、第２のｚ−次元に位置付けられる。

図４Ｂに図示される実施形態では、ＩＣＧ４１０および４２０において受け取られた光は、導波管の平面の中に指向される。ＩＣＧは、ｘ−ｙ平面において相互に隣接して位置付けられる、部分的に重複される、または完全に重複されることができる。ＩＣＧを画定する回折要素の配向および／またはピッチを回転させることによって、光がｘ−ｙ平面内を伝搬する角度は、修正されることができる。その結果、ＩＣＧ内の回折格子の配向を修正することによって、並列に搭載される２つのプロジェクタの視野は、相互に対して角偏移されることができる。格子ピッチを修正することによって、より高い周波数ピッチを伴う格子は、プロジェクタからの光を異なる角度で偏向し、異なる配向を伴うプロジェクタの使用を可能にすることができる。図４Ｂに関連して議論されるこれらの変動は、必要に応じて、図４Ａおよび図６に図示される実施形態に適用可能であることを理解されたい。

伝搬経路４２４が、ＯＰＥ４２２に関して図示される。ＯＰＥ４１２のための類似伝搬経路も、存在するが、共有ＥＰＥ４０５によって隠されている。光が、ＯＰＥを通して伝搬するにつれて、光は、共有ＥＰＥ４０５に向かって回折される。図４Ｂに図示されるように、ＩＣＧおよびＯＰＥは、光を導波管の平面内で同一方向に、すなわち、負のｙ−方向に指向するように配向される。光は、ＯＰＥ内で同一方向に伝搬するため、格子ラインの配向は、光を共有ＥＰＥに向かって指向するために、ＯＰＥ内で異なるであろう（例えば、鏡像）。ＯＰＥ４１２およびＯＰＥ４２２が、それらがｘ−ｙ平面において重複するように位置付けられる場合、各ＯＰＥの回折格子の重畳は、各ＯＰＥの鏡像格子ラインの重複から生じる菱形形状の回折パターンを形成することができる。ある実施形態では、ＯＰＥのための回折要素（例えば、菱形パターン格子ライン）は、導波管層の１つの表面上に形成されることができ、共有ＥＰＥのための回折要素（例えば、格子ライン）は、導波管層の反対側上に形成されることができる。

比較として、図４Ａでは、ＩＣＧ４１０は、光を負のｙ−方向に指向し、ＩＣＧ４２０は、光を正のｙ−方向に指向する。故に、本実施形態では、格子ラインの配向は、回折される光を共有ＥＰＥに向かって指向するために、整合されることができる。

図５Ａは、本発明のある実施形態による、複数の深度平面を生産する導波管ディスプレイを図示する、簡略化された斜視図である。図５Ａに図示される導波管ディスプレイ５００は、いくつかの類似性を図４Ａに図示される導波管ディスプレイと共有し、図４Ａに関連して提供される説明は、必要に応じて、図５Ａに適用可能である。

共有ＥＰＥ５０５は、２つを上回るプロジェクタによって提供される光と併せて作用する、導波管ディスプレイ上に提供される。第１のＩＣＧ５１０は、第１のプロジェクタ（図示せず）からの光を受け取り、光を伝搬経路５１４に沿って導波管の平面の中に指向する。光が、第１のＯＰＥ５１２を通して伝搬するにつれて、光は、共有ＥＰＥ５０５に向かって回折される。第２のＩＣＧ５２０は、第２のプロジェクタ（図示せず）からの光を受け取り、光を伝搬経路５２４に沿って導波管の平面の中に指向する。光が、第２のＯＰＥ５２２を通して伝搬するにつれて、光は、共有ＥＰＥ５０５に向かって回折される。

ＥＰＥ５０５は、屈折力を含むように設計される。故に、第１のＯＰＥ５１２からＥＰＥに進入する光は、発散波面を有する第１の放出錐台５１８を形成するように回折される。同様にＥＰＥ５０５の表面５０６に対して法線方向である、第１の放出錐台の中心光線５０７は、ＥＰＥからユーザの方向に離れるように指向されるように図示される。図５Ａでは、第１の放出錐台５１８は、ＥＰＥの中心に位置付けられるように図示されるが、放出が、ＥＰＥ５０５の表面５０６を横断して生じ、図示される錐台が、明確性の目的のために、中心領域のみに限定されることが、当業者に明白となるであろう。

図５Ａに図示されるように、第１の放出錐台５１８は、ＥＰＥの放出表面に対して法線方向に沿って指向され（すなわち、中心光線５０７は、放出表面に対して法線方向である）、第１の放出錐台５１８の仮想源は、導波管およびＥＰＥ５０５の平面の下方の位置に位置する。ＥＰＥから放出される光は、放出表面に対して法線方向であるように図示されるが、これは、本発明によって要求されず、他の放出角度は、本発明の範囲内に含まれる。

第２のＯＰＥ５２２からＥＰＥに進入する光は、収束波面を有する第２の放出錐台５２８を形成するように回折される。第２の放出錐台５２８の中心光線はまた、ＥＰＥからユーザの方向に離れるように指向されるように図示される。図５Ａにさらに図示されるように、第２の放出錐台の焦点は、導波管の平面またはＥＰＥの放出表面の正面に位置する。図示される実施形態では、両放出錐台は、導波管の放出表面に対して法線上に中心合わせされ、ＥＰＥの中心および／または導波管ディスプレイの中心と整合されることができる。故に、第２の放出錐台５２８は、ＥＰＥ上に中心合わせされるように図示されるが、放出が、ＥＰＥを横断して生じ、図示される錐台が、明確性の目的のために、中心領域のみに限定されることが、当業者に明白となるであろう。

図５Ｂは、図５Ａに図示される導波管ディスプレイとレンズの統合を図示する、簡略化された側面図である。導波管ディスプレイ５００は、光を眼５５０に向かって放出し、１つの発散ビームは、負の屈折力（例えば、屈折力−０．３３ジオプタ）を有し、１つの収束ビームは、正の屈折力（例えば、屈折力＋０．３３ジオプタ）を有する。レンズ５４０は、導波管ディスプレイと統合され、負のまたは正のレンズのいずれかであることができる。図５Ｂに図示される実装では、レンズ５４０は、負のレンズである（例えば、屈折力−０．６６ジオプタを有する）。第１の放出錐台５１８が、レンズ５４０を通して通過するにつれて、屈折力は、例えば、−１．０ジオプタに修正され、第２の放出錐台５２８が、レンズ５４０を通して通過するにつれて、屈折力は、例えば、−０．３３ジオプタに修正されるであろう。その結果、本実施例では、第１の放出錐台は、１メートルの深度平面と関連付けられ、第２の放出錐台は、３メートルの深度平面と関連付けられるであろう。

正のレンズであり得る、第２のレンズ５４２は、導波管ディスプレイと統合され、レンズ５４０の屈折率を補償することができる。図５Ｂに図示されるように、レンズ５４０の屈折力の絶対値と等しい屈折力を伴う、正のレンズは、世界からの光が、世界からのビューを改変せずに、ユーザの眼５５０に通過するように使用される。レンズ５４０および５４２の使用は、導波管ディスプレイをカプセル化し、信頼性を提供することができる。加えて、レンズのうちの１つ以上のものは、ユーザのために適切な処方箋を提供するように修正されることができる。

屈折レンズ５４０および５４２が、図５Ｂに図示されるが、本発明の実施形態は、これらの実装に限定されず、ホログラフィック要素、回折表面、メタ表面、および同等物が、本発明の実施形態に従って利用されることができる。例えば、レンズ５４０は、回折表面、メタ表面、または同等物であり得る。さらに、図５Ｂに図示されるレンズの１つ以上のものはまた、回折構造または回折および／または屈折構造の組み合わせを使用して実装されることができる。実施例は、色収差を補償するための回折構造および世界から受け取られた光を合焦させるための屈折構造であろう。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

ＲＧＢシステムのための複数の深度平面を提供するために、３つの導波管ディスプレイデバイスが、利用されることができ、それぞれ、ＲＧＢ色のうちの１つにおいて、２つの深度平面を提供する。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図６は、本発明のある実施形態による、タイル状視野を生産する導波管ディスプレイを図示する、簡略化された概略平面図である。図６に図示される導波管ディスプレイは、いくつかの類似性を図４に図示される導波管ディスプレイと共有し、図４に関連して提供される説明は、必要に応じて、図６に適用可能である。

図６を参照すると、４つのプロジェクタ（図示せず）が、共有ＥＰＥ６０５を駆動するために使用される。４つのＩＣＧ６１０、６２０、６３０、および６４０が、対応するプロジェクタからの光を４つのＯＰＥ６１２、６２２、６３２、および６４２に指向するために使用される。ＯＰＥ６３２および６４２の動作が鏡像方式において類似するため、明確性の目的のために、ＯＰＥ６１２および６２２の動作のみが、議論されるであろう。

光が、ＯＰＥ６１２を通して伝搬するにつれて、光は、第１の角度オフセットで共有ＥＰＥ６０５に向かって回折される。光が、ＯＰＥ６２２を通して伝搬するにつれて、光は、第２の角度オフセットで共有ＥＰＥ６０５に向かって回折される。故に、ＯＰＥ６１２からの光は、共有ＥＰＥ内で回折され、第１の出力経路６１６上に中心合わせされる第１の放出錐台６１８を形成し、ＯＰＥ６２２から共有ＥＰＥに進入する光は、第２の出力経路６２６上に中心合わせされる第２の放出錐台６２８を形成するように回折される。放出錐台は、共有ＥＰＥの１つの角と重複するように図示されるが、光は、ＥＰＥの全体を横断してＥＰＥから外部結合され、図示される４つの放出錐台を形成するであろうことに留意されたい。図４Ａを参照すると、放出錐台と図６に図示されるＥＰＥの関係が、理解され得、ＥＰＥを横断してＥＰＥから外部結合される光は、対応するＯＰＥのそれぞれに対応する４つの図示される放出錐台のうちの１つを形成する。したがって、放出錐台は、対応するＯＰＥの視野と相関し、個々のＯＰＥの視野と比較して拡張された視野によって特徴付けられる、タイル状出力をもたらす。故に、第１の放出錐台６１８は、共有ＥＰＥ６０５の左上象限にわたって位置付けられるように図示されるが、これは、第１の放出錐内に含有される光が共有ＥＰＥの左上象限のみから生じることを含意することを意図するものではない。

図６の尺度において不可視であるが、回折特徴、例えば、格子歯が、ＯＰＥ６１２およびＯＰＥ６２２の陰影によって図示され、光を共有ＥＰＥ６０５に向かって回折するように配向される。ＯＰＥ６１２からの光は、共有ＥＰＥ内で回折され、第１の出力経路６１６上に中心合わせされる第１の放出錐台６１８を形成するように図示されるが、他の実施形態では、光は、共有ＥＰＥ内で回折され、対応するＯＰＥに隣接する放出錐台を形成する。本実施形態では、光は、以下の対応、すなわち、右下錐台に対応するＯＰＥ６１２、右上錐台に対応するＯＰＥ６２２、錐台６２８に対応するＯＰＥ６３２、および錐台６１８に対応するＯＰＥ６４２を用いて放出されるであろう。本構成では、共有ＥＰＥ内の伝搬経路は、低減され、潜在的に、画像明度を含む光学性能を改良するであろう。

図６を参照すると、ＯＰＥ６１２およびＯＰＥ６２２は、ｘ−ｙ平面において相互から空間的に分離される。他の実施形態では、ＯＰＥ６１２およびＯＰＥ６２２は、ＯＰＥの内側縁がＥＰＥ６０５の外側縁と整合されるように位置付けられる。したがって、種々の要素間の間隙は、要求されないが、必要に応じて、利用されることができる。さらに他の実施形態では、第１のＯＰＥの一部が第２のＯＰＥの一部と同一ｘ−ｙ位置に配置される、重複幾何学形状が、利用される。本重複幾何学形状では、第１のＯＰＥと関連付けられた回折格子および第２のＯＰＥと関連付けられた回折格子は、導波管層の片側または片面上に形成されることができる。他の実施形態では、これらの回折格子は、異なるｚ−次元に位置付けられることができる。さらに、ＯＰＥ６１２およびＯＰＥ６２２は、ｘ−ｙ平面において共有ＥＰＥ６０５から空間的に分離されるが、他の実施形態では、ＯＰＥのうちの１つ以上のものの一部は、共有ＥＰＥの一部と同一ｘ−ｙ位置に配置されることができる。重複幾何学形状の一実施形態では、ＯＰＥのうちの１つ以上のものの一部は、第１のｚ−次元に位置付けられ、共有ＥＰＥの一部は、第２のｚ−次元に位置付けられる。実施例として、ＯＰＥと関連付けられた回折格子は、導波管層の片側上に形成されることができる一方、共有ＥＰＥと関連付けられた回折格子は、導波管層の反対側上に形成されることができる。他の実施形態では、ＯＰＥの一部および共有ＥＰＥの一部のための回折格子は、同一表面上に形成されることができる。類似レイアウトは、ＯＰＥ６３２およびＯＰＥ６４２に適用可能である。したがって、本発明の実施形態は、ＯＰＥが相互に重複し得る、ＯＰＥが共有ＥＰＥと重複し得る、または同等物である、実装を提供する。

図６に図示されるように、放出錐台は、図示されるように視野を組み合わせる拡張視野を有する、タイル状出力を形成するように整合されることができる。共有ＥＰＥ６０５を伴う４つのＯＰＥを利用することは、視野の２×２タイル化を可能にし、ＯＰＥ６１２は、光が共有ＥＰＥによって左上に回折されるにつれて、放出錐台６１８を提供し、ＯＰＥ６２２は、光が共有ＥＰＥによって左下に回折されるにつれて、放出錐台６２８を提供し、ＯＰＥ６３２は、光が共有ＥＰＥによって右上に回折されるにつれて、第３の放出錐台を提供し、ＯＰＥ６４２は、光が共有ＥＰＥによって右下に回折されるにつれて、第４の放出錐台を提供する。視野は、特定の用途に応じて、整合された縁を伴って、相互に隣接し、個々の視野の和によって画定される拡張視野を提供することができる、または図３に図示されるように、重複されることができる。いくつかの実施形態では、アンビノキュラー対角線視野は、１３４°である。

本明細書に説明される実施例および実施形態は、例証目的のためだけのものであって、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および範囲および添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (20)

1. 眼鏡内に配置される導波管ディスプレイであって、前記導波管ディスプレイは、
   第１の視野によって画定された第１の画像を投影するように動作可能である第１の瞳エクスパンダアセンブリと、
   前記第１の瞳エクスパンダアセンブリに隣接して配置され、前記第１の視野と異なる第２の視野によって画定された第２の画像を投影するように動作可能である第２の瞳エクスパンダアセンブリと
   を備える、導波管ディスプレイ。
2. 前記第１の瞳エクスパンダアセンブリおよび前記第２の瞳エクスパンダアセンブリは、前記眼鏡の右レンズフレーム内に配置される、請求項１に記載の導波管ディスプレイ。
3. 前記右レンズフレームは、鼻領域と、周辺領域と、前記鼻領域と前記周辺領域との間に配置される中心とを有し、前記第１の視野は、前記中心と前記鼻領域との間の位置に中心合わせされる、請求項２に記載の導波管ディスプレイ。
4. 前記第２の視野は、前記中心と前記周辺領域との間の位置に中心合わせされる、請求項３に記載の導波管ディスプレイ。
5. 前記第１の視野および前記第２の視野は、タイル状にされる、請求項１に記載の導波管ディスプレイ。
6. 前記第１の視野の一部は、前記第２の視野の一部と重複する、請求項１に記載の導波管ディスプレイ。
7. 前記第１の瞳エクスパンダアセンブリは、
   画像データを第１のプロジェクタから受信するように動作可能である入力結合要素と、
   前記入力結合要素に光学的に結合される直交瞳エクスパンダと、
   前記直交瞳エクスパンダに光学的に結合される射出瞳エクスパンダと
   を備える、請求項１に記載の導波管ディスプレイ。
8. 前記第１の瞳エクスパンダアセンブリは、放出平面によって特徴付けられ、前記射出瞳エクスパンダは、光を前記放出平面に対して非ゼロ角度で放出するように動作可能である、請求項７に記載の導波管ディスプレイ。
9. 眼鏡内に配置される導波管ディスプレイであって、前記導波管ディスプレイは、
   入力データを第１のプロジェクタから受信するように動作可能である第１の回折入力導波管と、
   入力データを第２のプロジェクタから受信するように動作可能である第２の回折入力導波管と、
   前記第１の回折入力導波管および前記第２の回折入力導波管に光学的に結合され、中心法線を有する回折出力導波管であって、前記回折出力導波管は、
   第１のプロジェクタと関連付けられた画像データを前記中心法線に対して変位される第１の視野に向かって指向することと、
   第２のプロジェクタと関連付けられた画像データを前記中心法線に対して変位される第２の視野に向かって指向することと
   を行うように動作可能である、回折出力導波管と
   を備える、導波管ディスプレイ。
10. 前記第１の視野および前記第２の視野は、タイル状にされ、前記中心法線は、前記第１の視野および前記第２の視野のそれぞれの境界を通して通過する、請求項９に記載の導波管ディスプレイ。
11. 前記第１のプロジェクタと関連付けられた画像データは、第１の屈折力によって特徴付けられる第１の波面を有し、
    前記第２のプロジェクタと関連付けられた画像データは、前記第１の屈折力と異なる第２の屈折力によって特徴付けられる第２の波面を有する、
    請求項９に記載の導波管ディスプレイ。
12. 前記第１の回折入力導波管に光学的に結合される第１の入力結合要素と、前記第２の回折入力導波管に光学的に結合される第２の入力結合要素とをさらに備える、請求項９に記載の導波管ディスプレイ。
13. 前記第１の入力結合要素、前記第１の回折入力導波管、前記第２の入力結合要素、前記第２の回折入力導波管、および前記回折出力導波管は、同一平面にある、請求項１２に記載の導波管ディスプレイ。
14. 前記第１の回折入力導波管は、前記回折出力導波管の第１の側上に配置され、前記第２の回折入力導波管は、前記回折出力導波管の反対側上に配置される、請求項９に記載の導波管ディスプレイ。
15. 眼鏡内に配置される導波管ディスプレイであって、前記導波管ディスプレイは、
    入力データを第１のプロジェクタから受信するように動作可能である第１の回折入力導波管と、
    入力データを第２のプロジェクタから受信するように動作可能である第２の回折入力導波管と、
    前記第１の回折入力導波管および前記第２の回折入力導波管に光学的に結合される回折出力導波管であって、前記回折出力導波管は、
    第１の屈折力によって特徴付けられる第１の波面を有する第１の画像ビームを形成することと、
    前記第１の屈折力と異なる第２の屈折力によって特徴付けられる第２の波面を有する第２の画像ビームを形成することと
    を行うように動作可能である、回折出力導波管と
    を備える、導波管ディスプレイ。
16. 前記第１の屈折力は、正であり、前記第２の屈折力は、負である、請求項１５に記載の導波管ディスプレイ。
17. 前記回折出力導波管は、放出平面によって特徴付けられ、
    前記第１の画像ビームは、発散波面と、前記放出平面に対して法線方向の中心光線とを備え、
    前記第２の画像ビームは、収束波面と、前記放出平面に対して法線方向の中心光線とを備える、
    請求項１６に記載の導波管ディスプレイ。
18. 前記第１の画像ビームおよび前記第２の画像ビームは、共線である、請求項１５に記載の導波管ディスプレイ。
19. 前記第１の回折入力導波管に光学的に結合される第１の入力結合要素と、前記第２の回折入力導波管に光学的に結合される第２の入力結合要素とをさらに備える、請求項１５に記載の導波管ディスプレイ。
20. 前記第１の入力結合要素、前記第１の回折入力導波管、前記第２の入力結合要素、前記第２の回折入力導波管、および前記回折出力導波管は、同一平面にある、請求項１９に記載の導波管ディスプレイ。