JP2021076855A - 仮想および拡張現実のためのアドレス可能焦点を伴う自由形状光学システムを用いて立体視を表示する方法およびシステム - Google Patents
仮想および拡張現実のためのアドレス可能焦点を伴う自由形状光学システムを用いて立体視を表示する方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第62/005,865号(2014年3月30日出願、名称「METHODS AND SYSTEMS FOR DISPLAYING STEREOSCOPY WITH A FREEFORM OPTICAL SYSTEM WITH ADDRESSABLE FOCUS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY」)の利益を主張する。本願は、米国仮特許出願第62/005,807号(2014年3月30日出願、名称「METHODS AND SYSTEM FOR CREATING FOCAL PLANES IN VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY」、代理人事件番号ML 30017.00)、米国仮特許出願第62/005,8345号(2014年3月30日出願、名称「METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY」、代理人事件番号ML 30016.00)、米国特許出願第13/335,884号(2011年12月22日出願、名称「ERGONOMIC HEAD MOUNTED DISPLAY DEVICE AND OPTICAL SYSTEM」)に関連し、該米国特許出願は、米国仮特許出願第61,427,162号(2010年12月24日出願)、国際出願PCT/US2011/067033(2011年12月22日出願、名称「An Ergonomic Head Mounted Display Device and Optical System」、特許協力条約(PCT)の下で国際公開)、および米国仮特許出願第61,427,162号(2010年12月24日出願)に対する利益を主張する。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
タイル式自由形状光学表示システムであって、
光線を一次自由形状光学要素の中に投入する画像源と、
前記画像源からの光線を用いて仮想表示コンテンツを表示するためのタイル式自由形状光学表示デバイスを形成するために、第1のタイル式配置で前記一次自由形状光学要素に取り付けられている二次自由形状光学要素と、
前記画像源および前記タイル式自由形状光学表示デバイスに動作可能に結合されている可変焦点合わせ要素であって、前記可変焦点合わせ要素は、前記仮想表示コンテンツの少なくとも一部が焦点が合ってレンダリングされる焦点面の焦点距離を変化させる、可変焦点合わせ要素と
を備えている、タイル式自由形状光学表示システム。
(項目2)
前記一次自由形状光学要素および/または前記二次自由形状光学要素の少なくとも一部に取り付けられている補償レンズをさらに備え、前記補償レンズは、前記一次自由形状光学要素および/または前記二次自由形状光学要素の少なくとも一部を通して実世界場面から放出する光線の品質を改善する、項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目3)
前記一次自由形状光学要素は、1つ以上の中継レンズに動作可能に結合されている自由形状楔を含む、項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目4)
前記一次自由形状光学要素は、折り曲げ反射体にさらに結合され、前記反射体は、前記第1の光線を前記可変焦点合わせ要素から受信する、項目3に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目5)
前記可変焦点合わせ要素は、中間瞳を形成するための液体レンズを含む、項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目6)
前記可変焦点合わせ要素は、中間瞳を形成するための変形可能膜ミラーを含む、項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目7)
前記可変焦点合わせ要素は、前記変形可能膜ミラーに動作可能に結合されている結合レンズ群、2つ以上のビームスプリッタを含む、項目6に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目8)
前記一次自由形状表示要素および前記二次自由形状表示要素は、同一である2つの視野を提示する、項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目9)
前記一次自由形状表示要素は、増加させられた一次垂直視野または最大化された一次垂直視野を画定し、
前記二次自由形状表示要素は、前記増加させられた一次垂直視野または最大化された一次垂直視野に部分的に基づいて、二次垂直視野を画定し、
前記タイル式自由形状光学表示デバイスは、前記増加させられた一次垂直視野または最大化された一次垂直視野、および、前記視野に対する所定の縦横比に少なくとも部分的に基づいて、視野を画定する、
項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目10)
前記一次自由形状表示要素は、増加させられた一次垂直視野または最大化された一次垂直視野を画定し、
前記二次自由形状表示要素は、増加させられた二次水平視野または最大化された二次水平視野を画定し、
前記タイル式自由形状光学表示デバイスは、前記増加させられた一次垂直視野または最大化された一次垂直視野、および、前記増加させられた二次水平視野または最大化された二次水平視野に少なくとも部分的に基づいて、視野を画定する、
項目1に記載のタイル式自由形状光学表示システム。
(項目11)
自由形状ライトフィールド表示システムであって、
コンピューティングデバイスであって、前記コンピューティングデバイスは、前記自由形状ライトフィールド表示システムを用いてオブジェクトに対する仮想コンテンツ表示を再現するために、オブジェクトから反射され、記録された光サンプルから光線を決定する、コンピューティングデバイスと、
前記光線を自由形状光学要素の中に投入するためのプロジェクタの束を備えている画像源であって、前記コンピューティングデバイスは、前記オブジェクトに対する前記仮想コンテンツ表示を表示するために、ライトフィールドの一部をレンダリングするための1つ以上の光線を前記光線からさらに決定する、画像源と、
前記画像源と前記自由形状光学要素との間に位置し、それらに動作可能に結合され、中間瞳を生成する結合レンズ群と
を備えている、自由形状ライトフィールド表示システム。
(項目12)
前記自由形状ライトフィールド表示システムは、前記自由形状光学要素によって画定される少なくとも前記中間瞳および射出瞳を使用することによって、前記ライトフィールドを合成する、項目11に記載の自由形状ライトフィールド表示システム。
(項目13)
タイル式配置における自由形状光学表示機構を用いて立体画像を生成する方法であって、
一次自由形状光学要素を備え、一次視野を画定する一次表示デバイスを識別することと、
二次視野を画定し、二次自由形状光学要素を備えている二次表示デバイスを識別することと、
少なくとも前記二次表示デバイスを前記一次表示デバイスに統合することによって、前記一次表示デバイスの一次視野を拡張するタイル式表示デバイスを考案することと
を含む、方法。
(項目14)
前記二次表示デバイスおよび前記一次表示デバイスは、第1のタイル式配置の中に統合され、前記一次表示デバイスのこめかみ水平視野を拡張する前記タイル式表示デバイスを形成する、項目13に記載の方法。
(項目15)
前記自由形状光学表示機構内の可変焦点合わせ機構を使用することによって、1つ以上の焦点面の焦点距離を調節することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目16)
前記自由形状光学表示機構内の可変焦点合わせ機構内の変形可能ミラーの屈折力を変えることによって、前記1つ以上の焦点面の焦点距離を変更することをさらに含む、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記可変焦点合わせ機構を用いて、前記自由形状光学表示機構の1つ以上の焦点面の1つ以上の焦点距離を調節することをさらに含む、項目15に記載の方法。
(項目18)
少なくとも前記自由形状光学表示機構によって生成される立体画像に対する焦点面の焦点距離を制御することによって、アドレス可能焦点機能性を伴う前記一次表示デバイスおよび/または前記二次表示デバイスを考案することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目19)
少なくとも、前記自由形状光学表示機構によって生成される立体画像に対する複数の焦点面を切り替えることによって、アドレス可能焦点機能性を伴う前記一次表示デバイスおよび/または前記二次表示デバイスを考案することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目20)
可変焦点合わせ機構を用いて、前記複数の焦点面のそれぞれの焦点距離をアドレスすることをさらに含む、項目19に記載の方法。
(項目21)
少なくとも、少なくとも1つの補償レンズを前記一次表示デバイスの少なくとも一部と統合することによって、周囲環境視認の品質を改善することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目22)
前記少なくとも1つの補償レンズは、前記自由形状光学表示機構の一次表示デバイスの少なくとも一部を覆っている、項目13に記載の方法。
(項目23)
前記二次表示デバイスの二次水平視野を増加させることまたは最大化することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目24)
前記一次視野および/または前記二次視野に部分的または全体的に基づいて、前記一次表示デバイスおよび前記二次表示デバイスのための第1の配置を決定することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目25)
前記一次表示デバイスおよび前記二次表示デバイスを互に隣接して配置する前記第1の配置を用いて、前記自由形状光学表示機構の水平視野または対角線視野を拡張することをさらに含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記一次視野および/または前記二次視野に部分的または全体的に基づいて、前記一次表示デバイスおよび前記二次表示デバイスのための第2の配置を決定することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目27)
前記一次表示デバイスを前記二次表示デバイスの上に、または前記二次表示デバイスを前記一次表示デバイスの上に配置する前記第2の配置を用いて、前記自由形状光学表示機構の垂直視野または対角線視野を拡張することをさらに含む、項目26に記載の方法。
(項目28)
前記一次視野および/または前記二次視野に部分的または全体的に基づいて、前記一次表示デバイスおよび前記二次表示デバイスのための第3の配置を決定することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目29)
少なくとも、前記二次表示デバイスの二次視野を前記一次表示デバイスの一次視野とほぼ一致させることまたは正確に一致させることによって、前記第3の配置を伴う前記自由形状光学表示機構を考案することをさらに含む、項目28に記載の方法。
(項目30)
前記一次表示デバイスの一次垂直視野を増加させることまたは最大化することによって、前記一次表示デバイスを考案することと、
前記二次表示デバイスの二次垂直視野を増加させられ、または最大化された前記一次垂直視野と正確に一致させることまたはほぼ一致させることと
をさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目31)
前記二次表示デバイスの二次水平視野を増加させることまたは最大化することによって、前記二次表示デバイスを考案することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目32)
前記一次表示デバイスは、第1の光学結合機構を介して第1の画像源と動作可能に結合され、前記第1の光学結合機構は、可変焦点合わせ機構を含む、項目13に記載の方法。
(項目33)
1つ以上の他の二次表示デバイスを統合し、前記自由形状光学表示機構の視野をさらに拡張する前記タイル式表示デバイスを考案することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目34)
補償レンズの1つ以上の自由形状屈折表面特性を使用することによって、実世界場面によって放出される光線によって前記立体画像に導入されるシフトおよび/または歪を低減させることまたは最小化することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目35)
少なくとも、前記一次表示デバイスおよび1つ以上の画像源を光学結合光学機構と結合することによって、前記自由形状光学表示機構によって生成される立体画像の品質を改善することをさらに含む、項目13に記載の方法。
(項目36)
仮想または拡張現実のための可変焦点合わせ自由形状光学表示システムを用いて立体画像を生成する方法であって、
入力光ビームを光学システムにおいて画像源から受信することと、
前記立体画像に対する少なくとも1つの焦点面の位置決めに部分的または全体的に基づいて、前記入力光ビームのための可変焦点機構の焦点距離を変えることと、
変えられた焦点距離を伴う前記可変焦点機構を使用することによって、前記入力光ビームを自由形状光学機構に伝搬することと、
前記自由形状光学機構を用いて、仮想または拡張現実提示のために前記少なくとも1つの焦点面上に前記立体画像を生成することと
を含む、方法。
(項目37)
前記入力光ビームを第1の光学を通して1つ以上のビームスプリッタに伝搬することと、
前記1つ以上のビームスプリッタを通して前記可変焦点機構に前記入力光ビームを向け直すことと
をさらに含む、項目36に記載の方法。
(項目38)
前記立体画像に対する1つ以上の焦点面の位置決めに部分的または全体的に基づいて前記可変焦点機構の屈折力を変えることによって、前記可変焦点機構の焦点距離を変更することをさらに含む、項目36に記載の方法。
(項目39)
変えられた焦点距離を伴う前記可変焦点機構を用いて、前記1つ以上のビームスプリッタに戻るように前記入力光ビームを向け直すことと、
前記入力光ビームを前記1つ以上のビームスプリッタから前記自由形状光学機構に伝搬することと
をさらに含む、項目36に記載の方法。
(項目40)
前記自由形状光学表示機構によって生成される立体画像に対する焦点面を変更するための要件を識別することと、
前記要件に部分的または全体的に基づいて、前記可変焦点機構の焦点距離を変えるための1つ以上の制御を提供することと、
前記1つ以上の制御を用いて、前記可変焦点機構の焦点距離を変えられた焦点距離に変えることと
をさらに含む、項目36に記載の方法。
(項目41)
前記入力光ビームを前記変えられた焦点距離を伴う前記可変焦点機構から前記自由形状光学機構に伝搬することと、
前記自由形状光学機構を用いて、仮想または拡張現実提示のために前記1つ以上の焦点面上に前記立体画像を生成することと
をさらに含む、項目40に記載の方法。
(項目42)
前記立体画像の少なくとも一部を焦点を合わせてレンダリングするための第1の焦点面の第1の焦点距離を決定することと、
遠近調節キューまたは収束キューを固定された焦点距離に結び付けることなく、前記遠近調節キューおよび前記収束キューの両方を前記第1の焦点距離を用いてアドレスすることと、
少なくとも前記自由形状光学機構および前記第1の焦点距離を使用することによって、前記入力光ビームを用いて前記立体画像の前記少なくとも一部をレンダリングすることと
をさらに含む、項目36に記載の方法。
(項目43)
前記自由形状光学表示機構の前記可変焦点機構を使用することによって、前記第1の焦点距離をアドレスすることをさらに含む、項目42に記載の方法。
(項目44)
前記第1の焦点距離をアドレスする行為は、
前記可変焦点機構内のアドレス可能可変焦点合わせ要素の屈折力を変動させ、前記立体画像の前記少なくとも一部をレンダリングするための前記第1の焦点距離を変更することを含む、項目43に記載の方法。
(項目45)
前記第1の焦点距離をアドレスする行為は、
前記入力光ビームを用いて前記立体画像の前記少なくとも一部を表示するための前記第1の焦点距離に部分的または全体的に部分的または全体的に基づいて、前記第1の焦点面を複数の焦点面から識別することを含む、項目42に記載の方法。
(項目46)
自由形状光学システムを用いてライトフィールドディスプレイを生成する方法であって、
光線束を画像源から受信し、前記光線束内に仮想オブジェクトのための仮想表示コンテンツを生成することと、
前記光線束から前記仮想オブジェクトについての情報を抽出することと、
前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、変調された光線束を生成することと、
前記変調された光線束および自由形状光学表示デバイスを用いて、前記仮想オブジェクトのための仮想表示コンテンツをレンダリングすることと
を含む、方法。
(項目47)
前記光線束内にレンダリングされるべき仮想オブジェクトを識別することと、
前記仮想オブジェクトを表示するための1つ以上のパラメータを識別することまたは決定することと
をさらに含む、項目46に記載の方法。
(項目48)
遠近調節範囲に部分的または全体的に基づいて、前記仮想オブジェクトに対応するライトフィールドを合成するための第1の光線を識別することまたは決定することと、
前記光線束を前記画像源から前記自由形状光学表示デバイスに伝搬することと
をさらに含む、項目47に記載の方法。
(項目49)
肉眼遠近調節範囲に部分的または全体的に基づいて、前記仮想オブジェクトに対応するライトフィールドを合成し、第1の焦点距離を用いて、前記遠近調節キューおよび前記収束キューの両方をアドレスすることと、
少なくとも前記自由形状光学表示デバイスを用いて、前記仮想表示コンテンツを生成することであって、ヒト観察者に見える前記仮想表示コンテンツの仮想画像距離は、前記第1の焦点距離に等しい、ことと
をさらに含む、項目48に記載の方法。
(項目50)
前記ライトフィールドを合成する行為は、少なくとも部分的にユーザの視覚系の肉眼遠近調節範囲に基づいて、行われる、項目49に記載の方法。
(項目51)
可変焦点距離を用いて、前記仮想表示コンテンツに関連付けられた遠近調節キューおよび収束キューの両方をアドレスすることをさらに含み、前記可変焦点距離は、単一の焦点面の距離値を決定することによって、または異なる焦点距離値を有する複数の焦点面を切り替えることによって変動させられる、項目49に記載の方法。
(項目52)
前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、前記光線束を変調された光線束に変調することをさらに含む、項目46に記載の方法。
(項目53)
前記情報は、前記光線束の1つ以上の色、前記光線束の1つ以上の放射輝度、前記光線束の1つ以上の深度情報、または任意のそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、項目52に記載の方法。
(項目54)
前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、前記変調された光線束が投影されるべき場所を決定することをさらに含む、項目52に記載の方法。
(項目55)
変調された光線束を投影し、前記仮想表示コンテンツをレンダリングするために使用されるべき画像プロジェクタを決定することをさらに含む、項目52に記載の方法。
(項目56)
前記仮想オブジェクトをレンダリングするための1つ以上のパラメータを識別することまたは決定することをさらに含む、項目52に記載の方法。
(項目57)
前記1つ以上のパラメータは、1つ以上の屈折表面パラメータ、1つ以上の反射表面パラメータ、または、前記1つ以上の屈折表面パラメータのうちの少なくとも1つの屈折表面パラメータと前記1つ以上の反射表面パラメータのうちの少なくとも1つの反射表面パラメータとの組み合わせを含む、項目56に記載の方法。
(項目58)
前記変調された光線束を結合光学アセンブリに伝搬し、中間瞳を生成することをさらに含む、項目56に記載の方法。
(項目59)
前記変調された光線束を前記結合光学アセンブリから前記自由形状光学表示デバイスに中継することと、
前記1つ以上のパラメータに部分的または全体的に基づいて、前記自由形状光学表示デバイス内の屈折および/または反射を介して、前記変調された光線束を伝搬することと
をさらに含む、項目56に記載の方法。
(項目60)
仮想または拡張現実のための立体画像を生成するための項目13−35のいずれかに記載の方法を行うための自由形状光学表示機構。
(項目61)
仮想または拡張現実のための立体画像を生成するための項目36−45のいずれかに記載の方法を行うための可変焦点合わせ自由形状光学表示システム。
(項目62)
仮想または拡張現実のためのライトフィールドディスプレイを生成するための項目46−59のいずれかに記載の方法を行うための自由形状光学システム。
複数の自由形状光学要素は、自由形状光学要素の1つ以上の水平列を有するアレイで配置され得、水平列の各々は、1つ以上の自由形状光学要素を水平配置で有し、互に連動し、水平視野(故に、対角線視野)を拡張する。アレイが垂直配置で配置される複数の列を含むいくつかの実施形態では、垂直配置における自由形状光学要素はまた、互に連動して機能し、垂直視野(故に、対角線視野)を拡張する。これらの複数の自由形状光学要素は、いくつかの実施形態では、1つ以上の一次自由形状光学要素と、1つ以上の二次自由形状光学要素とを含み得る。いくつかの実施形態では、一次自由形状光学要素は、垂直配置(例えば、図3に示される垂直配置)または水平配置(例えば、図2に示される配置)における自由形状導波管を含み得る。いくつかの他の実施形態では、一次自由形状光学要素は、折り畳まれた配置において自由形状楔と、1つ以上の中継レンズとを含み得る(例えば、図9A−Bに示される自由形状楔および中継レンズ)。複数の自由形状光学要素はまた、いくつかの実施形態では、自由形状導波管または自由形状楔を含み得る、1つ以上の二次自由形状光学要素を含み得る。
Claims (14)
- 自由形状光学システムを用いてライトフィールドディスプレイを生成する方法であって、
光線束内に仮想オブジェクトのための仮想表示コンテンツを生成するために前記光線束を画像源から受信することと、
前記光線束から前記仮想オブジェクトについての情報を抽出することと、
前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、変調された光線束を生成することと、
前記変調された光線束および自由形状光学表示デバイスを用いて、前記仮想オブジェクトのための仮想表示コンテンツをレンダリングすることと
を含む、方法。 - 前記光線束内にレンダリングされるべき仮想オブジェクトを識別することと、
前記仮想オブジェクトを表示するための1つ以上のパラメータを識別または決定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 遠近調節範囲に部分的または全体的に基づいて、前記仮想オブジェクトに対応するライトフィールドを合成するための第1の光線を識別または決定することと、
前記光線束を前記画像源から前記自由形状光学表示デバイスに伝搬することと
をさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 肉眼遠近調節範囲に部分的または全体的に基づいて、前記仮想オブジェクトに対応するライトフィールドを合成し、第1の焦点距離を用いて、前記遠近調節キューおよび前記収束キューの両方をアドレスすることと、
少なくとも前記自由形状光学表示デバイスを用いて、前記仮想表示コンテンツを生成することであって、ヒト観察者に見える前記仮想表示コンテンツの仮想画像距離は、前記第1の焦点距離に等しい、ことと
をさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 前記ライトフィールドを合成する行為は、少なくとも部分的にユーザの視覚系の肉眼遠近調節範囲に基づいて、行われる、請求項4に記載の方法。
- 可変焦点距離を用いて、前記仮想表示コンテンツに関連付けられた遠近調節キューおよび収束キューの両方をアドレスすることをさらに含み、前記可変焦点距離は、単一の焦点面の距離値を決定することによって、または異なる焦点距離値を有する複数の焦点面を切り替えることによって変動させられる、請求項4に記載の方法。
- 前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、前記光線束を変調して、変調された光線束にすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記情報は、前記光線束の1つ以上の色、前記光線束の1つ以上の放射輝度、前記光線束の1つ以上の深度情報、または任意のそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記光線束から抽出された情報に部分的または全体的に基づいて、前記変調された光線束が投影されるべき場所を決定することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 変調された光線束を投影して前記仮想表示コンテンツをレンダリングするために使用されるべき画像プロジェクタを決定することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 前記仮想オブジェクトをレンダリングするための1つ以上のパラメータを識別または決定することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 前記1つ以上のパラメータは、1つ以上の屈折表面パラメータ、1つ以上の反射表面パラメータ、または、前記1つ以上の屈折表面パラメータのうちの少なくとも1つの屈折表面パラメータと前記1つ以上の反射表面パラメータのうちの少なくとも1つの反射表面パラメータとの組み合わせを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記変調された光線束を結合光学アセンブリに伝搬し、中間瞳を生成することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記変調された光線束を前記結合光学アセンブリから前記自由形状光学表示デバイスに中継することと、
前記1つ以上のパラメータに部分的または全体的に基づいて、前記自由形状光学表示デバイス内の屈折および/または反射を介して、前記変調された光線束を伝搬することと
をさらに含む、請求項11に記載の方法。
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