JP2020522024A - 投影対物レンズ及び導波路表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、投影対物レンズ及び導波路ディスプレイに関する。対物レンズは第１の平面から第２の平面に画像を投影するように適合され、第２の平面から順に、正の有効焦点距離を有する第１の光学素子群と、第１の平面と第１の光学素子群との間に配置され、負の有効焦点距離を有する第２の光学素子群と、第１の平面と第２の光学素子群との間に配置され、正の有効焦点距離を有する第３の光学素子群とを含む。第２の平面から数えて、第２の光学素子群の第１の屈折面は第２の平面に向かって凹状であり、第３の光学素子群の第２の屈折面は、第１の平面に向かって凸状である。この対物レンズは、回折光学ディスプレイに画像を投影するのによく適している。

Description

本発明は、投影対物レンズに関する。特に、本発明は、拡張現実（Ａｕｇｕｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）用途等のためのテレセントリック投影対物レンズに関する。

拡張現実アプリケーションおよび拡張現実システムへの最近の関心は、投影された画像と実際の背景との間のオーバーラップを達成するための異なる光学的方法の数を増加させている。

ＡＲシステムで使用される特定のタイプのディスプレイは導波路タイプのディスプレイであり、ここで、光はインカップリング領域でガラス片またはポリマー片に結合され、光はアウトカップリング領域において光ガイドから外に結合されるまで、内部全反射限界角度内でその中を伝播する。アウトカップリング領域での光線分割は、明るさを犠牲にしてシステムのアイボックスを効果的に拡張することができる。

導波路型ディスプレイは、主に２つの異なるグループに分割することができる。第１のグループでは、投影対物レンズ射出瞳が導波路において１つの次元のみに沿って拡大される。第２のグループでは、プロジェクタ射出瞳が導波路内の２次元に沿って拡大される。本発明は特に、入射光に対する要件がより厳しく、したがって、光学的により困難である第２のグループに関する。例えば、プロジェクタの射出瞳は一定の直径のものでなければならず、導波路の結合格子に近くなければならず、投影された光ビームは高度にコリメートされ、テレセントリックでなければならない。

導波路における射出瞳の拡大はいくつかの方法で達成することができ、回折素子および部分反射面が最も一般的である。

実際には、拡張現実アプリケーションでは投影システムの全体積ができるだけ小さいことが望ましい。一般に、多くの小容積対物レンズシステムが、携帯電話カメラ技術の分野から知られている。例えば、米国特許第７４５３６５４号、第７５０２１８１号、第７８２６１５１号、第７９６５４５５号、第８０３５７２３号、および第８９５３２６２号は固定焦点距離携帯電話カメラ用対物レンズを記載しており、ここで、開口絞りは、対物レンズのサイズを最小限に抑えるために、物体と第２のレンズ素子との間に配置され、典型的には第１のレンズ素子の直前に配置される。これらの対物レンズをコンパクトとするためには、第２のレンズ素子が負のレンズ素子であることを必要とする。さらに、これらの対物レンズのテレセントリック性は、典型的にはあまり高くない。携帯電話カメラの解決策は、導波路型ディスプレイの投影部には適用できず、特に、回折格子と組み合わせて２次元に沿って投影器の射出瞳を拡大するために使用することができない。

したがって、導波路ディスプレイのための改善されたプロジェクタ対物レンズが必要とされている。

米国特許第７４５３６５４号 米国特許第７５０２１８１号 米国特許第７８２６１５１号 米国特許第７９６５４５５号 米国特許第８０３５７２３号 米国特許第８９５３２６２号

本発明の目的は、上述の問題の少なくともいくつかを解決し、プロジェクタ射出瞳を２次元に沿って効果的に拡大する導波路に光を結合するために使用することができる新規な投影対物レンズを提供することである。

特定の目的は、回折インカップリング格子を有する導波路ベースのディスプレイのために、十分にコリメートされテレセントリックなビームを生成する投影対物レンズを提供することである。さらなる目的は、射出瞳を格子に十分に近づけることができる対物レンズを提供することである。

本発明の目的はまた、その光学系を小さな空間に適合させることができる投影対物レンズを提供することである。

本発明は、対物レンズの高いテレセントリック性及び光のコリメーションを可能にする特定の屈折面構成を有する正‐負‐正レンズ群を有する投影対物レンズを提供することに基づく。

より詳細には、本願の投影対物レンズは、第１の平面から第２の平面に画像を投影するように適合され、対物レンズは第２の平面から順に、正の有効焦点距離を有する第１の光学素子群と、第１の平面と第１の光学素子群との間に配置され、負の有効焦点距離を有する第２の光学素子群と、第１の平面と第２の光学素子群との間に配置され、正の有効焦点距離を有する第３の光学素子群とを含む。各群は、典型的にはレンズ面の形態の、少なくとも２つの屈折面を含む。第２の平面の方向から群の屈折面を数えると、第２の光学素子群の第１の屈折面は第２の平面に向かって凹状であり、第３の光学素子群の第２の屈折面は、第１の平面に向かって凸状である。

光学素子群および表面は、本明細書中では第２の平面の方向から第１の平面に向かって列挙されているが、本明細書で論じる投影用途では光は第１の平面から第２の平面に向かって進むことに留意されたい。

本発明の導波路ディスプレイ装置は、当たった光を導波路へ回折するように導波路に配置されたインカップリング格子を有する光導波路と、画像源からインカップリング格子へ画像を投影するように配置された本発明の態様の投影対物レンズとを備える。

インカップリング格子は、投影対物レンズの開口絞りの平面であってもよい第２の平面に配置することができる。プロジェクタは、対物レンズの第１の平面上に投影される画像を表示するように適合される。

特に、投影対物レンズは、その開口絞りによって決定される投影射出瞳を有する（すなわち、開口絞りの後ろにはさらなる結像光学系がない）。導波路ディスプレイの導波路は、投影射出瞳を２次元に沿って拡大するための手段、特に回折格子手段を含むことができる。

特に、本発明は、独立請求項に記載された内容を特徴とする。

本発明は、著しい利点を提供する。

第１に、本発明によって、投影対物レンズの射出瞳が導波路のインカップリング格子に近くなるように、投影光のコリメートされた光線を生成することができる、非常に小型の投影対物レンズを実現することができる。

さらに、本願の光学構成はテレセントリックまたは近投影対物レンズを製造することを可能にし、これは、最大視野主光線がほぼ垂直にディスプレイに到達することを意味する。これは、光エンジン効率に顕著なプラスの効果を有する。

従属請求項は、本発明の選択された実施形態を対象とする。

次に、本発明の実施形態およびその利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

本対物レンズの光学系の異なる実施形態を断面図で示す。 本対物レンズの光学系の異なる実施形態を断面図で示す。 本対物レンズの光学系の異なる実施形態を断面図で示す。 本対物レンズの光学系の異なる実施形態を断面図で示す。 本対物レンズの光学系の異なる実施形態を断面図で示す。 第３の光学素子群と第１の平面との間の光学構成を示す。

以下の議論では、対物レンズサイズを小さく保ち、設計に十分な後方焦点距離を組み込み、エッジフィールド光線にテレセントリック条件を課すことを可能にする本発明の様々な実施形態が導入される。

「前」、「後」、「最初」、および「最後」などの相対的な参照は特に明白でない限り、本明細書では、第１の平面（プロジェクタ）から第２の平面（導波路ディスプレイ）に向かう光の進行方向を参照して行われる。しかしながら、光学素子群、その中の光学素子、および屈折面は、第２の平面から第１の平面に向かって反対の順序で番号付けされる。

本発明の実施形態では、対物レンズが１つ以上の光学素子、特にレンズを含むことができる３つのグループに分割される。素子は非球面であってもなくてもよい。図１Ａ〜１Ｅでは、３つのグループが第２の平面から始まるＧ１、Ｇ２、およびＧ３で示されている。第２の平面は参照番号１０Ａ〜１０Ｅで示され、第１の平面はそれぞれ２０Ａ〜２０Ｅで示される。液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）またはデジタル光処理（ＤＬＰ）ディスプレイなどのプロジェクタディスプレイ（投影される対象）は、第１の平面２０Ａ〜２０Ｅに配置される。プロジェクタディスプレイの保護ガラスは、符号１９Ａ〜１９Ｅで示されている。導波路ディスプレイのインカップリング格子は、典型的には第２の平面１０Ａ〜１０Ｅに配置される。インカップリング格子から、光は導波路に結合され、導波路において、光は全内部反射を介して伝播する。

一般的に言って、対物レンズの開口絞りは、第２の平面又は第２の平面と第２の光学素子群Ｇ２との間、典型的には第２の平面又は第２の平面と第１の光学素子群Ｇ１との間に配置される。図示の例では、開口絞りの平面がインカップリング格子が配置される第２の平面と一致する。特に、開口絞りは第１の群Ｇ１のレンズ素子の後に存在するが、これはこれが単純なインカップリング格子設計の使用を可能にするからである。

第１の素子群Ｇ１は第２および第３の群Ｇ２、Ｇ３と同様に、単一のレンズ素子または２つ以上のレンズ素子を一緒に含み、群に必要な有効焦点距離を提供することができる。例えば、ダブレットまたはトリプレットを形成するために、レンズ間に空隙を設けずに２つ以上の素子を互いに取り付けることができる。

図１Ａ、図１Ｃおよび図１Ｄの実施形態では、第１の群Ｇ１に両凸レンズ１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄが設けられている。図１Ｂの実施形態では、第１の群は平凸レンズ１１Ｂを含む。図１Ｅに示す代替実施形態では両凸レンズまたは平凸レンズの代わりに、第１の群Ｇ１は正のメニスカスレンズまたはレンズダブレット１１Ｅを含むか、またはそれからなる。

第１の群Ｇ１には、プリズムなどの追加の素子（図示せず）を設けることができる。追加の素子はレンズまたはレンズ群１１Ａ〜１１Ｅの片側または両側、例えば、第２の平面１０Ａ〜１０Ｅの開口絞りとレンズとの間にあってもよい。図１Ｅの実施形態では、プリズムはレンズ１１Ｅと第２の群Ｇ２との間に配置された、厚いガラス板１２Ｅによって概略的に示されている。いくつかの実施形態ではそのような追加の素子はなく、それによって、レンズまたはレンズ群１１Ａ〜１１Ｅは群Ｇ１の唯一の素子であり、開口絞りにおける導波路の前の投影対物レンズの最後の素子でもある。

第２の群Ｇ２は、負の有効焦点距離を共に提供する負の屈折力レンズ素子１４Ａ〜１４Ｅまたは複数の素子を含む。このグループは光線の最も速い拡大を提供し、これは、第３の正の群Ｇ３と共に、ほぼ必要な像高で視野主光線を遮ることによってテレセントリック性要件を満たす。したがって、負レンズは主光線が光軸から遠くに導かれるように短い距離内で光ビームを広げ、次いで、正の群はビームを屈折させて、実質的に垂直角度でディスプレイ素子のインカップリング格子に当たるようにする。

負の屈折力を有する第２の群Ｇ２の第１の屈折面は、可能な最短距離において最大のテレセントリック拡大を提供する。また、第２の群Ｇ２は、投影対物レンズの全焦点距離よりも短い有効焦点距離を有することが好ましい。このように、第２光学素子群Ｇ２は、投影対物レンズの小型化に大きく寄与する。例えば、携帯電話カメラレンズの場合、厳密なテレセントリック性の要件はなく、それによって、その負の光学素子も、典型的には、最大の負の屈折力を有するレンズ素子の物体側面の代わりに、像側面を有する、異なる種類の設計を有することに留意されたい。

図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、第２の群Ｇ２が両凹レンズ１４Ａ、１４Ｂからなる。図１Ｃおよび図１Ｄの実施形態では、この群Ｇ２のレンズが負メニスカスレンズ１４Ｃ、１４Ｄである。図１Ｅの実施形態では、第２の群Ｇ２がダブレットレンズ、本明細書ではより具体的には負メニスカスレンズ１４Ｅおよび両凹レンズ１５Ｅダブレットを含む。

第３の群Ｇ３は第２の群と後続のプリズムまたはビームスプリッタアセンブリ１８Ａ〜１８Ｅとの間に、共に正の有効焦点距離を有する必要なレンズ素子の残りを含む。正の焦点距離は、発散が第２の群Ｇ２によって増大されると、光線を集束させることを可能にする。

いくつかの実施形態では第３の群Ｇ３が２つ以上のレンズ素子を含み、そのうちの第１のレンズ素子は２つの屈折面を有し、そのうちの第２のレンズ素子は第１の平面に向かって凸状であり、他のレンズ素子のうちの少なくとも１つは正のレンズ素子、例えば、平凸レンズ素子または非球面レンズ素子である。

図１Ａおよび図１Ｅの実施形態では、第３の群Ｇ３が１つの正の両凸素子１６Ａのみからなる。図１Ｂの実施形態では、２つの正の素子、すなわち、正のメニスカスレンズ１５Ｂおよび両凸レンズ１６Ｂが提供される。図１Ｃおよび図１Ｄの実施形態では、正メニスカスレンズ１５Ｃ、１５Ｄと、それに続くレンズ対１６Ｃと１７Ｃ; １６Ｄ、１７Ｄが設けられている。このレンズ対は、第１のレンズ１６Ｃ、１６Ｄがより高い屈折力を有するように設計することができる。特に、第３の光学素子群は２つ以上のレンズ素子を含むことができ、その第１のレンズ素子１６Ｃ、１６Ｄは、第１の平面２０Ｃ、２０Ｄに向かって凸である屈折面を有する。レンズ対の第２のレンズ素子１６Ｃ、１７Ｄは、第２の平面１０Ｃ、１０Ｄに向かって凸である屈折面を有することができる。レンズ１６Ｃ、１７Ｃ; １６Ｄ、１７Ｄの一方または両方は、非球面レンズとすることができる。これにより、波面を補正して画質（対物レンズの分解能）を向上させることができる。

図１Ｃおよび図１Ｄの構成は、投影ディスプレイのサイズが異なる点で異なる。図１Ｃは５０度システムを表し、図１Ｄは６０度システムを表す。

第３光学素子群Ｇ３の前には、素子１８Ａ〜１８Ｅとして、光線の光路を広げるプリズムを設けてもよい。プリズムは、特にＤＬＰディスプレイの場合に使用することができる。プリズムにより、第１の平面２０Ａ〜２０Ｅは、素子群Ｇ１〜Ｇ３の光軸に対して直角にすることができる。プリズムは好ましくは対物レンズの第１の素子であり、それによって、プリズムとプロジェクタディスプレイとの間の距離を可能な限り短く保つことができる。

いくつかの実施形態では、特にＬＣＯＳディスプレイを有する実施形態では素子１８Ａ〜１８Ｅがビームスプリッタプレートまたはキューブなどの偏光ビームスプリッタである。

典型的には画像領域全体をカバーする、投影対物レンズの比較的大きなプリズム、ビームスプリッタキューブ、またはビームスプリッタミラー１８Ａ〜１８Ｅは、投影対物レンズの後焦点距離内に収容される。これは、投影対物レンズの後方焦点距離要件を、例えば、そのような構成と光学的に互換性のない公知の携帯電話カメラシステムに比べて著しく増大させる。

本発明の好ましい実施形態では、以下の条件が満たされる:

開口絞りは、第２の群Ｇ２の後に、典型的には第１の群Ｇ１の後に、特に導波路ディスプレイのインカップリング格子が配置される第２の平面に配置される。

第１の群Ｇ１は正の有効焦点距離を有し、この群の第１の屈折面は第２の平面に向かって（すなわち、導波路ディスプレイのインカップリング格子に向かって）凸状または凹状である。

第２の群Ｇ２は負の有効焦点距離を有し、この群の第１の屈折面は、第２の平面に向かって凹状である。

第３の群Ｇ３は正の有効焦点距離を有し、この群の第２の屈折面は第１の平面に向かって（すなわち、プロジェクタディスプレイに向かって）凸状である。

本発明のさらなる実施形態では、以下の条件のうちの１つ以上が満たされる:

第２の群Ｇ２の有効焦点長ｆ₂と対物レンズの全有効焦点長ｆは、｜ｆ_２／ｆ｜＜０．７を満たす。これは、対物レンズのテレセントリック性を増加させ、同時に対物レンズを小さく保つことを可能にする。

第２の群Ｇ２と第３の群Ｇ３の有効焦点長は、０．３＜｜ｆ_２／ｆ_３｜＜１．５を満たす。これは、高いテレセントリック性および対物レンズの有用なサイズを維持しながら、群Ｇ３によって群Ｇ２から来る発散ビームの集束することを可能にする。

第３の群Ｇ３と第１の平面との間の距離として本明細書で定義される後方焦点距離（ＢＦＬ）と、対物レンズの全有効焦点距離ｆとは、０．４＜ＢＦＬ／ｆ＜１．５を満たす。これは、ビームスプリッタキューブ又はプリズムのような典型的に必要な追加の素子を後方焦点距離範囲内に確実に適合させることができるようにする。これは、例えば、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）プロジェクタディスプレイ、デジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタディスプレイ、及び有機ＬＥＤ(ＯＬＥＤ)プロジェクタディスプレイと共に使用される対物レンズの汎用性を増大させる。

第３の群から出るイメージ対角半径Ｒ_ｉｍｇとエッジフィールド周縁光線高さＭ_ｒｈＧ３は、
Ｒ_ｉｍｇ−ＢＦＬ＊０，４４ ＜ Ｍ_ｒｈＧ３ ＜ Ｒ_ｉｍｇ＋ＢＦＬ＊０，４４
を満たす。これは、システムの第１のレンズの半開き角度を、例えば、ＤＬＰディスプレイで使用可能な範囲に制限し、高い効率およびコントラストを可能にする。図２は、本明細書で使用される変数を示す（追加的なプリズムは示されていない）。

いくつかの特定の実施形態では、最後の２つの条件が同時に満たされる。これにより、十分に小さいがテレセントリックな対物レンズと、十分にコリメートされたビームとが保証される。さらなる実施形態では、４つの条件のすべてが同時に満たされる。

本投影対物レンズは、ニア・ツー・アイ・ディスプレイ（ＮＥＤ）または他のヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）などのパーソナル・マイクロディスプレイに使用するのに特に適している。特に、対物レンズは、回折導波路が画像形成のために使用され、プロジェクタ及びその光学系が非常に小さい空間に適合されなければならない拡張現実(ＡＲ)ＮＥＤ又はＨＭＤに適している。いくつかの実施形態では、本発明の対物レンズが眼鏡フォーマットのディスプレイ装置、特にそのテンプルに組み立てられ、画像形成装置およびディスプレイの導波路と光学的に結合される。一般に、ＡＲ用途では、導波路が、インカップリング格子に加えて、アウトカップリング格子を含み、ユーザがディスプレイを通して同時に見て投影画像を見ることを可能にする、透明な光ガイドを備える。

Claims (15)

1. 第１の平面から第２の平面上の導波路素子のインカップリング格子に像を投影するための投影対物レンズであって、
   第２の平面から順に、
   正の有効焦点距離を有する第１の光学素子群と、
   前記第１の平面と前記第１の光学素子群との間に配置され負の有効焦点距離を有する第２の光学素子群と、
   前記第１の平面と前記第２の光学素子群との間に配置され正の有効焦点距離を有する第３の光学素子群、
   を含み、
   前記光学素子群は、前記第２の平面から順に、
   前記第２の光学素子群の第１の屈折面が前記第２の平面に向かって凹であり、
   第３の光学素子群の第２の屈折面が前記第１の平面に向かって凸である、
   ように屈折面を備え、
   前記第２の平面上、または第２の平面と第１の光学素子群との間に位置する開口絞りを含む、
   投影対物レンズ。
2. 前記第１の光学素子群の前記第１の屈折面は、前記第２の平面に向かって凸である、
   請求項１に記載の対物レンズ。
3. 前記第１の光学素子群の前記第１の屈折面は、前記第２の平面に向けて凹である、
   請求項１または２に記載の対物レンズ。
4. 前記第２の光学素子群は、負のメニスカス―両凸ダブレットレンズのような負のダブレットレンズを含む、またはこれから構成される、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の対物レンズ。
5. 前記第３の光学素子群と前記第１の平面との間に、好ましくは前記対物レンズの第１の素子として、プリズムまたはビームスプリッタを備える、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の対物レンズ。
6. 前記第２の光学素子群の有効焦点長（ｆ_２）が、前記対物レンズの有効全焦点長（ｆ）よりも小さく、焦点長の比の絶対値が好ましくは０．７未満である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の対物レンズ。
7. 前記第３の光学素子群の有効焦点長（ｆ_３）に対する前記第２の光学素子群の有効焦点長（ｆ２）の比の絶対値が０．３〜１．５である、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の対物レンズ。
8. 前記対物レンズの有効全焦点距離（ｆ）に対する、大気中で測定された、前記第３の光学素子群と前記第１の平面との間の前記対物レンズの後方焦点距離（ＢＦＬ）の比が、０．４〜１．５である、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の対物レンズ。
9. 前記対物レンズが、
   Ｒ_ｉｍｇ−ＢＦＬ×０．４４＜Ｍ_ｒｈＧ３＜Ｒ_ｉｍｇ＋ＢＦＬ×０．４４
   の条件を満たすように、前記第１の平面からＲ_ｉｍｇの画像半径、前記第３の光学素子群からエッジフィールド周縁光線高さ（Ｍ_ｒｈＧ３）を収集するように構成されており、
   ＢＦＬは、大気中で測定された前記第３の光学素子群と前記第１の平面との間の背面焦点長（ＢＦＬ）である、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の対物レンズ。
10. 前記第３の光学素子群は２つ以上のレンズ素子を含み、
    前記レンズ素子の１つは、前記第１の平面に向かって凸である前記第２の屈折面を有し、
    前記レンズ素子のうちの他の少なくとも１つは、正のレンズ素子である、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の対物レンズ。
11. 光導波路と、
    当たった光を前記導波路に対して回折させるように前記導波路に配置されたインカップリング格子と、
    画像を画像源からインカップリング格子に投影するように配置された投影対物レンズ、
    を備え、
    前記投影対物レンズは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の対物レンズであり、
    前記光導波路は、投影射出瞳を２次元に沿って拡大するための回折手段を備える、
    導波路ディスプレイ装置。
12. 前記インカップリング格子は、前記投影対物レンズの前記第２の平面に配置される、
    請求項１１に記載の導波路ディスプレイ装置。
13. 前記投影対物レンズの前記第１の平面上に画像を表示するための手段をさらに備える、
    請求項１１または１２に記載の導波路ディスプレイ装置。
14. 前記導波路は、投影された前記画像を表示するために、前記インカップリング格子に光学的に接続された、アウトカップリング格子をさらに備える、
    請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の導波路ディスプレイ装置。
15. ウェアラブルパーソナルディスプレイ装置、特に、ニアツーアイディスプレイ（ＮＥＤ）装置のようなヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）装置である、
    請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の導波路ディスプレイ装置。

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