JP2020519935A - ディスプレイを備えた電子デバイス用光学システム - Google Patents

Abstract

電子デバイスは、画素アレイを有することができる。光源は、画素アレイを照らして画像光を生成することができる。画像光は、多素子レンズを通過することができ、プリズムなどの入力カプラを使用して導波管に結合することができる。回折格子などの出力カプラは、画像光を導波管からユーザに向けて結合することができる。ユーザは、画像光を見ることができ、導波管を通して現実世界オブジェクトを観察することができる。導波管は、多素子レンズの出射面から所定の距離で開口絞りを画定する局所的に変更された部分を有することができる。多素子レンズは、第１及び第２の色消しダブレットを有し、第１の色消しダブレットと第２の色消しダブレットとの間に第１及び第２のシングレットとを有してもよい。多素子レンズのレンズ素子は、非球面を有するレンズ素子を含むことができる。

Description

本出願は、２０１７年６月６日に出願された米国特許仮出願第６２／５１６，０１４号に対する優先権を主張するものであり、本明細書における参照によりその全体が本明細書内に組み入れられる。

本出願は、一般的には、電子デバイスに関し、より具体的には、ディスプレイを有する電子デバイスに関する。

電子デバイスは、多くの場合、ディスプレイを含む。例えば、一対の仮想現実眼鏡又は複合現実眼鏡などの頭部装着型デバイスは、ユーザに画像を表示するためのディスプレイを有していてもよい。光学システムを使用して、ディスプレイからの画像光をユーザの眼に向けることができる。

光学システムを使用して、頭部装着型デバイスのディスプレイからユーザの眼に画像を提供するプロセスには、画像歪みを生じる可能性がある。課題はまた、ユーザの頭部に装着するのに十分コンパクトな光学システムを形成する際にも生じ得る。注意を怠ると、電子デバイス用の光学システムは非常にかさばったものになり、満足のいく光学性能を発揮できない恐れがある。

頭部装着型デバイスなどの電子デバイスは、画素アレイを有することができる。光源は、画素アレイを照射して画像光を生成することができる。画素アレイを照射すると、光源からの光は、プリズムを通過することができる。反射した画像光は、プリズムを通過して多素子レンズに到達することができる。

画像光は、多素子レンズを通過することができ、かつプリズムなどの入力カプラを用いて導波管に結合され得る。回折格子などの出力カプラは、画像光を導波管からユーザに向けて結合することができる。ユーザは、画像光を見ることができ、同時に導波管を通して現実世界オブジェクトを観察することができる。

導波管は、厚みが有ってもよく、多素子レンズの出射面から所定の距離で開口絞りを画定する局所的に変更された横方向部分を有することができる。多素子レンズは、第１及び第２の色消しダブレットを有し、第１の色消しダブレットと第２の色消しダブレットとの間に第１及び第２のシングレットとを有することができる。多素子レンズのレンズ素子は、非球面を有するレンズ素子を含むことができる。

一実施形態に係るディスプレイを有する例示的な電子デバイスの図である。

一実施形態に係る、ディスプレイからユーザに画像光を提供する例示的な光学システムの図である。

一実施形態に係る、画像光が導波管内外にどのように結合され得るかを示す例示的な光学システムの図である。

一実施形態に係る、導波管の端部の図であり、導波管の一部を変更して光を横方向に閉じ込めて開口絞りを画定する方法を示す。

一実施形態に係る、光学システム用の例示的な多素子レンズの側面断面図である。

頭部装着型デバイス及び他の電子デバイスを、仮想現実及び複合現実（拡張現実）システムに使用することができる。これらのデバイスとしては、ポータブル家電（例えば、携帯電話、タブレットコンピュータ、眼鏡、他のウェアラブル機器などのポータブル電子デバイス）、コックピットのヘッドアップディスプレイ、車両等、表示ベースの機器（プロジェクタ、テレビなど）を挙げることができる。これらのデバイスには、ディスプレイ及び他の光学コンポーネントが含まれる場合がある。仮想現実及び／又は複合現実コンテンツが、頭部装着型ディスプレイを有するユーザ（視聴者）に提供されるデバイス構成は、本明細書では一例として説明される。しかし、これは単なる例示である。仮想現実及び／又は複合現実コンテンツなどのビジュアルコンテンツをユーザに提供する際に、任意の好適な装置を使用することができる。

ユーザの頭部に装着される一対の拡張現実眼鏡などの頭部装着型デバイスを使用して、現実世界のコンテンツの上に重ねられたコンピュータ生成コンテンツをユーザに提供することができる。現実世界のコンテンツは、光学システムの透明部分を介してユーザが直接見ることができる。光学システムは、ディスプレイシステム内の１つ以上の画素アレイからユーザの眼に画像を転送するために使用することができる。ガラス又はプラスチックなどの透明材料のシートから形成された薄い平面導波管又は他の光ガイドなどの導波管は、光学システム内に含まれて、画素アレイからの画像光をユーザに伝送することができる。ディスプレイシステムは、反射型液晶方式ディスプレイなどの反射型ディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）ディスプレイ、又は他のディスプレイを含んでもよい。

頭部装着型デバイスなどの例示的な電子デバイスの概略図を図１に示す。図１に示すように、頭部装着型デバイス１０は、支持構造体１５などの頭部装着可能な支持構造体を有してもよい。頭部装着型ディスプレイ１０の構成要素は、支持構造体１５によって支持することができる。ハウジングと呼ばれることもある支持構造体１５は、一対の眼鏡のフレーム（例えば、左右のテンプル及び他のフレーム部材）を形成するように構成されていてもよく、ヘルメットを形成するように構成されていてもよく、一対のゴーグルを形成するように構成されていてもよく、又は他の頭部装着可能な構成とされてもよい。

デバイス１０の動作は、制御回路１６を用いて制御されてもよい。制御回路１６は、頭部装着型ディスプレイ１０の動作を制御するための記憶及び処理回路を含むことができる。制御回路１６は、例えば、ハードディスクドライブ記憶装置、不揮発性メモリ（例えば、ソリッドステートドライブを形成するように構成された電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ）、揮発性メモリ（例えば、静的又は動的ランダムアクセスメモリ）などの記憶装置を含むことができる。制御回路１６の処理回路は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、ベースバンドプロセッサ、電力管理ユニット、音声チップ、グラフィック処理ユニット、特定用途向け集積回路及び他の集積回路に基づくことができる。ソフトウェアコードは、回路１６の記憶装置に格納され、回路１６の処理回路上で作動されて、頭部装着型ディスプレイ１０の動作（例えば、データ収集動作、制御信号を用いて構成要素の調整を伴う動作、ユーザに画像コンテンツを表示するための画像レンダリング動作など）を実行することができる。

頭部装着型デバイス１０は、入出力デバイス１２などの入出力回路を含むことができる。入出力デバイス１２は、頭部装着型ディスプレイ１０によって外部機器（例えば、デザリングされたコンピュータ、ハンドヘルドデバイス若しくはラップトップコンピュータなどのポータブルデバイス、又は他の電子機器）からデータを受信可能にし、ユーザが頭部装着型デバイス１０にユーザ入力を与えることを可能にするために使用されてもよい。入出力デバイス１２はまた、頭部装着型デバイス１０が動作している環境についての情報を収集するために使用されてもよい。デバイス１２の出力コンポーネントにより、頭部装着型デバイス１０はユーザに出力を提供することができ、外部電子機器との通信に使用することができる。

図１に示すように、入出力デバイス１２は、ディスプレイ（単数又は複数）１４などの１つ以上のディスプレイを含むことができる。ディスプレイ（複数可）１４は、頭部装着型デバイス１０のユーザに画像を表示するために使用することができる。ディスプレイ（単数又は複数）１４は、光学システムを介してユーザに提示される画像を生成する画素アレイ（単数又は複数）を有する。光学システムは、導波管、光カップラー、及びレンズなどの光学コンポーネントを含むことができる。光学システムは、ディスプレイ（単数又は複数）１４上にコンピュータ生成画像を作成することによって、コンピュータ生成コンテンツを現実世界オブジェクトの上に重ね合わせながら、ユーザ（視聴者）が現実世界オブジェクトを観察することができる透明な部分を有してもよい。

図２は、ディスプレイ１４上の画像をユーザ３７の眼に提示するための例示的な光学的システムの図である。図２に示すように、ディスプレイ３５は、光源２２などの照明源を含むことができる。光源２２は、出力光を生成するための１つ以上の発光コンポーネント２４を有することができる。発光コンポーネント２４は、例えば、発光ダイオード（例えば、赤色、緑色、及び青色の発光ダイオード、白色の発光ダイオード、及び／又は他の色の発光ダイオード）であってもよい。照明は、レーザー又はランプなどの光源を用いて提供することもできる。

例示的なディスプレイ１４などのデバイス１０のディスプレイは、反射型液晶方式ディスプレイなどの反射型ディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）ディスプレイ（デジタルマイクロミラーデバイスと呼ばれることもある）、又は他のディスプレイであってもよい。プリズム２０などの光学コンポーネントは、ディスプレイ１４の光源２２と画素アレイ１８との間に挿入することができる。光線２６によって例示されるように、プリズム２０は光源２２からディスプレイ１４への照明を結合するために使用することができ、ディスプレイ１４の画素アレイ１８からの反射画像光をレンズ３０に結合するために使用できる。レンズ３０は、ディスプレイ１４（例えば、反射光２６）から光学コンポーネント３２への画像光を提供するために使用することができる。レンズ３０は、比較的広い視野（例えば、少なくとも５２°×５２°、少なくとも５２°×３０°など）を有してもよい。

光学コンポーネント３２は、導波管（例えば、透明なガラス又はプラスチックの透明層から形成された導波管）、画像光（光２６）を導波管に結合するための入力カプラ、及び（例えば、ユーザ３７に見える放射光３３を生成するために）導波管から画像光を結合するための出力カプラとを含むことができる。

図３は、明確にするためにプリズム２０が省略されている、図２の光学システム３５の図である。図３に示すように、各画素１８から反射された光線の束は、主光線２６Ｃ及び周辺光線２６Ｍによって特徴付けられてもよい。主光線２６Ｃは、画素１８に対して垂直（例えば、１°以内）であってもよい。レンズ３０は、（テレセントリック光線を受け入れるように構成されている）テレセントリックであってもよい。レンズ３０を通過する際、各画素からの光線の束をコリメートすることができる。光学システム３５のための１つの例示的な構成では、ディスプレイ１４の任意の所与の画素１８の周辺光線及び主光線は、０．５分未満だけ角度方向が変化する。

レンズ３０を出ると、光線２６は、プリズム３４などの入力カプラを使用して導波管３６に結合されてもよい。図３に示すように、光線２６は、例えば、導波管３６の表面４０及びプリズム３４の同一平面４２に入り、その後、内部全反射の原理に従って導波管３６の長さに沿って（例えば、図３の例の寸法Ｚに沿って伝搬することができる。）導波管３６に結合されたディスプレイ１４からの画像光が、このように出力カプラ３８（例えば、導波管３６内に組み込まれ、かつ／又は導波管３６及び／若しくは他の出力カプラ構造体の表面上のコーティング内に形成された回折格子）に到達すると、出力カプラ３８は、ユーザ３７によって見られる放射光３３として導波管３６から画像光を結合するために使用することができる。所望であれば、導波管３６は透明であってもよく、そのため、ユーザ３７は、方向５２を見たときに、導波管３６を通してオブジェクト５０などの実世界オブジェクトを見ることができる。

導波管３６を通って伝搬する画像光は、導波管３６の厚さＴＷ（例えば、１．５ｍｍ、１〜２ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、３ｍｍ未満など）によって垂直に（図３の例の寸法Ｘに対して）封じ込めることができる。横方向画像光封じ込めは、導波管３６の特性を局所的に変更すること（例えば、導波管３６の選択領域に吸収材料を組み込むこと、導波管３６の選択部分を光吸収材料のコーティングで被覆すること、及び／又はそうでなければ光吸収材料、反射構造体、格子、並びに／あるいは他の構造体を導波管３６内に組み込むこと）によって提供することができる。図４に示すように、例えば、導波管３６の部分３６Ｂは、部分３６Ｃを透明にしたままで光伝搬を可能にしながら光伝搬を遮断する光制限構造体を含むことができる。具体的には、光を伝送するために使用される導波管３６の幅の一部は、導波管３６の全幅ＦＷ（厚さＴＷよりも概ね大きい）から低減幅ＣＷまで局所的に低減することができる。したがって、導波管３６に対するこの選択的な変更は、画像光を横方向に（図４の実施例における横方向寸法Ｙに沿って）封じ込めることができる。

導波管３６は、このようにして（部分３６Ｂを含む）導波管３６への入口で（例えば、入射面４０に隣接する導波管３６の長さＬで）変更することができる。Ｌの値は、少なくとも３ｍｍ、少なくとも７ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、１．５ｃｍ未満、５ｍｍ未満、又は他の好適な値であってもよい。導波管３６の厚さＴＷのサイズによる光制限部３６Ｂの横方向封じ込め（例えば、導波管３６の透明な入口部分３６Ｃの幅ＣＷ）及び垂直封じ込めは、システム３５の開口絞りを形成する。これらの導波管構造から形成された開口絞りは、レンズ３０の最後の表面と出力カプラ３８との間（例えば、レンズ３０とユーザ３７との間）に配置される。一例として、これらの構造体は、レンズ３０の出力面から６ｍｍ（又は少なくとも３ｍｍ、少なくとも４ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、１２ｍｍ未満、９ｍｍ未満など）の距離で、直径約２ｍｍ（又は少なくとも１ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ、２．５ｍｍ未満、３ｍｍ未満など）の開口部を形成することができる。

レンズ３０の品質は、レンズ３０内の複数のレンズ素子（レンズ）を使用し、これらのレンズ素子に複数の非球面を組み込むことによって向上させることができる。レンズ３０の例示的な構成を図５に示す。図５に示すように、レンズ３０は、非球面Ａ１を有するレンズ素子３０−１などの一次レンズ素子（例えば、画像光２６を受け入れるレンズ３０の入射面）を含むことができる。レンズ素子３０−１は、負レンズであってもよく、凹状の出力面Ｓ１を有してもよい。レンズ素子３０−１は、色消しダブレットを形成するために、正のレンズ素子３０−２に取り付けられてもよい。レンズ素子３０−２への入射面は、レンズ素子３０−１の凹状の出力面Ｓ１に一致する凸面であり得る。レンズ素子３０−２はまた、凸状である出力面Ｓ２を有してもよい。表面Ｓ１及びＳ２は球状であり得る。

レンズ３０の出口において、レンズ３０は、レンズ素子３０−５及び最終レンズ素子３０−６から形成された別の色消しダブレットを有してもよい。素子３０−５及び３０−６は、表面Ｓ６で接合される。レンズ素子３０−５は正のレンズ素子であってもよく、レンズ素子３０−６は負のレンズ素子であってもよい。レンズ素子３０−５の凸状入射面Ｓ５及びレンズ素子３０−６の凹状出射面Ｓ７は、球状であり得る。レンズ素子３０−５の凹状出射面を形成する表面Ｓ６、及びレンズ素子３０−６の整合する凸状入力面も球状であり得る。表面Ｓ７は、レンズ３０の出射面として機能し、導波管３６から形成された開口絞りから約６ｍｍ（又は少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも４ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、１０ｍｍ未満、又は他の好適な距離）に配置されてもよい。

レンズ素子３０−３及びレンズ素子３０−４などの一対のシングレットは、レンズ３０の入口ダブレットと出口ダブレットとの間に配置されてもよい。レンズ素子３０−３は、球状の凸状入射面Ｓ３及び非球面出射面Ａ２を有する正のレンズ素子であってもよい。レンズ素子３０−４は、球状の凸状入射面Ｓ４及び非球面出射面Ａ３を有する正のレンズ素子であってもよい。

プリズム２０はＳＦ１ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−１はＳＦ６ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−２は、Ｎ−ＰＫ５１ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−３は、Ｌ−ＢＡＬ４２ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−４は、Ｌ−ＬＡＬ１３ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−５は、Ｈ−ＺＰＫ５ガラスから形成されてもよく、レンズ素子３０−６は、Ｎ−ＢＫ１０ガラスから形成されてもよい。ディスプレイ１４は、画素１８を覆うカバーガラス層を有することができる。ディスプレイ１４用カバーガラス層は、ＢＫ７ガラスから形成することができる。

光学システム３５についてこのタイプの光学構成を用いると、ひずみを５％未満にし、輝度均一性を少なくとも７５％にすることができる。所望であれば、システム３５について、他のタイプの構成を用いることができる。例えば、レンズ３０及びシステム３５の他の光学コンポーネントは、異なる眼鏡、ポリマー、結晶性材料、及び／又は他の透明なレンズ材料から形成されてもよい。所望であれば、レンズ３０を形成する際に、異なる数のレンズ素子（例えば、４〜８個、少なくとも５個、少なくとも６個、少なくとも７個、９個未満、８個未満、７個未満など）を使用することができる。図２、図３、図４、及び図５の構成は単なる例示に過ぎない。

一実施形態によれば、画素アレイと、画素アレイを照射して画像光を生成する光源と、画像光を受光する入射面を有する一次レンズ素子を含む複数のレンズ素子を有するレンズを含み、画像光が出る出射面を備えた最終レンズ素子と、レンズから画像光を受光し、出射面から所定の距離に位置する開口絞りを形成する導波管とを含む電子デバイスが提供される。

別の実施形態によれば、電子デバイスは、画像光をレンズから導波管に結合するように構成された入力カプラを含む。

別の実施形態によれば、電子デバイスは、画像光を導波管から結合するように構成された出力カプラを含む。

別の実施形態によれば、導波管は、厚みと、厚みよりも大きい幅とを有する断面プロファイルを有し、導波管は、開口絞りを形成するために前記幅を局所的に制限する変更部分を含む。

別の実施形態によれば、入力カプラはプリズムを含む。

別の実施形態によれば、出力カプラは格子を含む。

別の実施形態によれば、電子デバイスは、画素アレイを支持する頭部装着型支持構造体を含む。

別の実施形態によれば、画素アレイはデジタルマイクロミラーデバイスを含む。

別の実施形態によれば、レンズは少なくとも５つの素子を含む。

別の実施形態によれば、レンズは少なくとも２つのダブレットを含む。

別の実施形態によれば、レンズのレンズ素子は、少なくとも２つの非球面を含む。

別の実施形態によれば、レンズ素子は、第１の色消しダブレット、第２の色消しダブレット、並びに第１の色消しダブレットと第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットを含む。

別の実施形態によれば、第１の色消しダブレットは、非球面を有する負のレンズ素子を有する。

別の実施形態によれば、第１のシングレットは非球面を有する。

別の実施形態によれば、第２のシングレットは非球面を有する。

一実施形態によれば、画素アレイと、画素アレイを照射して画像光を生成する光源と、画像光を受光する複数のレンズ素子を有するレンズと、を含む光学システムが提供され、前記レンズ素子は、第１の色消しダブレット、第２の色消しダブレット、並びに第１の色消しダブレットと第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットを含む。

別の実施形態によれば、電子デバイスはプリズムを含み、光は光源からプリズムを通って画素アレイに入り、画像光はプリズムを通過してレンズに入る。

別の実施形態によれば、光学システムは、画像光を受光し、画像光の開口絞りを画定する光変更部分を有する導波管を含む。

一実施形態によれば、第１の色消しダブレットと、第２の色消しダブレットと、第１の色消しダブレットと第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットとを含むレンズが提供され、第１の色消しダブレットは非球面を有する負のレンズ素子を有し、第１のシングレットは非球面を有し、第２のシングレットは非球面を有する。

別の実施形態によれば、第１のシングレットの非球面は、第２のシングレットの球面に面する。

前述は、単なる例示に過ぎず、説明された実施形態に対して多様な変更を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組合せで実施することができる。

Claims (20)

1. 電子デバイスであって、
   画素アレイと、
   前記画素アレイを照射して画像光を生成する光源と、
   前記画像光を受光する入射面を有する一次レンズ素子、及び前記画像光が通過する出射面を有する最終レンズ素子を含む複数のレンズ素子を有するレンズと、
   前記レンズから前記画像光を受光し、前記出射面から所定の距離に位置する開口絞りを形成する導波管と、を備える電子デバイス。
2. 前記画像光を前記レンズから前記導波管に結合するように構成された入力カプラを更に備える、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記画像光を前記導波管から結合するように構成された出力カプラを更に備える、請求項２に記載の電子デバイス。
4. 前記導波管が、厚み及び前記厚みよりも大きい幅を有する断面プロファイルを有し、前記導波管が、前記開口絞りを形成するために前記幅を局所的に制限する変更部分を含む、請求項３に記載の電子デバイス。
5. 前記入力カプラがプリズムを含む、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 前記出力カプラが格子を含む、請求項４に記載の電子デバイス。
7. 前記画素アレイを支持する頭部装着型支持構造体を更に備える、請求項１に記載の電子デバイス。
8. 前記画素アレイがデジタルマイクロミラーデバイスを備える、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記レンズが少なくとも５つの素子を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
10. 前記レンズが少なくとも２つのダブレットを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
11. 前記レンズの前記レンズ素子が、少なくとも２つの非球面を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
12. 前記レンズ素子が、第１の色消しダブレットと、第２の色消しダブレットと、前記第１の色消しダブレットと前記第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットと、を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
13. 前記第１の色消しダブレットが非球面を有する負のレンズ素子を有する、請求項１２に記載の電子デバイス。
14. 前記第１のシングレットが非球面を有する、請求項１３に記載の電子デバイス。
15. 前記第２のシングレットが非球面を有する、請求項１４に記載の電子デバイス。
16. 光学システムであって、
    画素アレイと、
    前記画素アレイを照らして画像光を生成する光源と、
    前記画像光を受光する複数のレンズ素子を有するレンズと、を備え、前記レンズ素子が第１の色消しダブレットと、第２の色消しダブレットと、前記第１の色消しダブレットと前記第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットと、を含む、光学システム。
17. プリズムを更に備え、光が前記光源から前記プリズムを通過して前記画素アレイに到達し、前記画像光が前記プリズムを通過して前記レンズに到達する、請求項１６に記載の電子デバイス。
18. 前記画像光を受光し、かつ前記画像光の開口絞りを画定する光変更部分を有する導波管を、更に備える、請求項１６に記載の光学システム。
19. レンズであって、
    第１の色消しダブレット、
    第２の色消しダブレットと、
    前記第１の色消しダブレットと前記第２の色消しダブレットとの間の第１及び第２のシングレットと、を備え、
    前記第１の色消しダブレットが非球面を有する負のレンズ素子を有し、前記第１のシングレットが非球面を有し、前記第２のシングレットが非球面を有するレンズ。
20. 前記第１のシングレットの前記非球面が前記第２のシングレットの球面に面する、請求項１９に記載のレンズ。

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