JP2021524062A - 多素子ディスプレイ照明システムを備えた電子デバイス - Google Patents

Abstract

電子デバイスは、空間光変調器を有し得る。電子デバイス内の制御回路は、空間光変調器を使用して画像を生成することができる。光源は、空間光変調器に対する照明を生成するために使用することができる。光学システムは、空間光変調器上に照明を方向付けることができ、対応する反射画像光を、ユーザが見るためのアイボックスに方向付けることができる。頭部装着型支持構造体は、空間光変調器、光源、及び光学システムを支持するために使用されてもよい。光源は、発光ダイオード又はレーザなどの発光素子を含んでもよい。複数の発光素子は、１次元又は２次元アレイで光源に提供されてもよい。動作中、制御回路は、発光素子を個別に調整することができる。

Description

本出願は、２０１９年５月１０日に出願された米国特許出願第１６／４０９，６８１号、及び２０１８年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９１，５１３号の利益を主張するものであり、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、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。ディスプレイは、ユーザ用の画像を生成する画素を有する空間光変調器を含んでもよい。光学システムは、ユーザが画像を見ることができるように、空間光変調器用の照明を提供する。

頭部装着型デバイスなどのデバイス用のディスプレイ照明システムを形成することは困難であり得る。注意が払われなければ、照明システムは、ユーザの頭部上での装着に対して十分にコンパクトではないか、又は満足な光学性能を呈しない場合がある。

電子デバイスは、空間光変調器を有し得る。電子デバイス内の制御回路は、空間光変調器を使用して画像を生成することができる。光源は、空間光変調器用の照明を生成するために使用することができる。光学システムは、空間光変調器上に照明を方向付けることができ、対応する反射画像光を、ユーザが見るためのアイボックスに方向付けることができる。

頭部装着型支持構造体は、空間光変調器、光源、及び光学システムを支持するために使用されてもよい。光源は、発光ダイオード又はレーザなどの発光素子を含んでもよい。複数の発光素子は、１次元又は２次元アレイで光源に設けられてもよい。動作中、制御回路は、発光素子を個別に調整することができる。

発光素子は、異なる発光素子が空間光変調器の異なる領域を照明する光を生成するようにアレイ状に配置されてもよい。発光素子は、白色発光素子、又は赤色、緑色、及び青色発光素子などの有色発光素子を含んでもよい。

光学システムは、レンズ、ダイクロイックウェッジに基づく光コンバイナ、ホログラム、同調可能な格子、メタ構造体、又は他の光コンバイナ構造を使用してもよく、偏光ビームスプリッタを含んでもよく、プリズム、ビームステアリングデバイス、及び／又は他の光学構成要素を含んでもよい。

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、空間光変調器に照明を提供し、画像光をユーザが見るためのアイボックスに方向付けるための例示的な光学システム構成要素の図である。 一実施形態に係る、空間光変調器に照明を提供し、画像光をユーザが見るためのアイボックスに方向付けるための例示的な光学システム構成要素の図である。

一実施形態に係る、例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、図４の空間光変調器にわたる距離の関数として照明強度がプロットされているグラフである。

一実施形態に係る、ディスプレイ照明システム用の例示的な多素子光源の図である。 一実施形態に係る、ディスプレイ照明システム用の例示的な多素子光源の図である。 一実施形態に係る、ディスプレイ照明システム用の例示的な多素子光源の図である。

一実施形態に係る、テーパ状の光トンネルアレイ及び関連する光源素子の一部分の断面側面図である。

一実施形態に係る、異なる波長の光を組み合わせて多波長照明を提供するコンバイナを含む例示的な照明システムの図である。

一実施形態に係る、図１０の例示的なシステム用の多素子光源の形成に使用され得る発光素子の例示的なパターンの図である。 一実施形態に係る、図１０の例示的なシステム用の多素子光源の形成に使用され得る発光素子の例示的なパターンの図である。

一実施形態に係る、複数の波長の光を組み合わせて空間光変調器に多波長照明を提供するための構成要素を備えた光学システムを有する例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、フライアイアレイ及び多素子光源を備えた例示的なディスプレイシステムの図である。 一実施形態に係る、フライアイアレイ及び多素子光源を備えた例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、ウェッジ形基板を含む光コンバイナを備えた例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、ウェッジ形基板を有しない光コンバイナを備えた例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、発光素子間の間隙を最小化するために発光素子の上にマイクロレンズを備えた例示的なディスプレイシステムの図である。

一実施形態に係る、空間光変調器に提供される照明において軸外強度変動を補償するために、発光素子がどのように画素位置の関数として独立して制御され得るかを示す図である。

頭部装着型（ヘッドマウント）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。これらなどのデバイスには、ディスプレイ及び他の光学構成要素が含まれ得る。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路又は他の光ガイドなどの導波路は、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、液晶オンシリコンディスプレイ、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などの反射型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２０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２０によって支持され得る。ハウジングと呼ばれることもある支持構造体２０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を有していてもよい。

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、ユーザに表示するために画像コンテンツを生成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内の出力構成要素により、頭部装着型デバイス１０がユーザに出力を提供することが可能になり、外部電子機器との通信に使用することができる。入出力デバイス１２は、センサ、及び他の構成要素１８（例えば、デバイス１０のディスプレイ上の仮想オブジェクトとデジタル的にマージされる現実世界オブジェクトの画像を収集するための画像センサ、加速度計、深度センサ、光センサ、触覚出力デバイス、スピーカ、バッテリ、デバイス１０と外部電子機器との間で通信するための無線通信回路など）を含んでもよい。

図１に示すように、入出力デバイス１２は、ディスプレイシステム１４などのディスプレイシステム内に１つ以上のディスプレイを含むことができる。ディスプレイと呼ばれることもあるディスプレイシステム１４を使用して、頭部装着型デバイス１０のユーザ用の画像を表示することができる。ディスプレイシステム１４は、照明２２を生成する光源１４などの光源を含む。照明２２は、光学システム１４Ｂを通過し、空間光変調器１４Ｃで反射され得る。空間光変調器１４Ｃは、液晶オンシリコンデバイス、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（例えば、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マイクロミラーのアレイを備えるデバイス）、又は他の空間光変調器であってもよい。

空間光変調器１４Ｃは、個別に調整可能な画素Ｐのアレイを有する。動作中、制御回路１６は、空間光変調器１４Ｃを使用して照明２２によって照明される画像を生成することができる。対応する画像光２２Ｒ（例えば、空間光変調器１４Ｃ内の画素Ｐから反射され、したがって空間光変調器によって形成されたコンピュータ生成（仮想）画像に対応する照明２２）は、ユーザの眼によって見るためのアイボックス２４などのアイボックスに方向付けられてもよい。

光学システム１４Ｂには、プリズム、ミラー、ビームスプリッタ、ホログラム、格子（例えば、電気的に同調可能な格子）、レンズ、導波路、偏光子、及び／又は他の光学構成要素を使用してもよい。光学システム１４Ｂは、これらなどの構成要素を使用して光コンバイナを形成し、画像光２２を空間光変調器１４Ｃに通過させる一方で、反射画像光２２Ｒをアイボックス２４に方向付けることができる。システム１４Ｂは、アイボックス２４内のユーザに対して可視画像が形成されるように、レンズ構造（関連するレンズ度数を有する１つ以上の個別レンズ及び／又は光学構造）を含んでもよい。所望であれば、システム１４Ｂは、現実世界画像光２６（例えば、現実世界画像、又は現実世界オブジェクト２８などの現実世界オブジェクト）を、画像光２２内の仮想画像などの仮想（コンピュータ生成）画像と光学的に組み合わせることを可能にする構成要素（例えば、光コンバイナなど）を含んでもよい。拡張現実システムと呼ばれることもあるこのタイプのシステムでは、デバイス１０のユーザは、現実世界コンテンツ、及び現実世界コンテンツの上に重ね合わされたコンピュータ生成コンテンツの両方を見ることができる。カメラベースの拡張現実システムはまた、デバイス１０内で（例えば、カメラがオブジェクト２８の現実世界画像をキャプチャし、このコンテンツがディスプレイ１４Ｃ上の仮想コンテンツとデジタル的にマージされる構成で）使用されてもよい。ディスプレイシステム１４は、仮想現実システム（例えば、現実世界コンテンツをマージしていないシステム）及び／又は任意の好適なタイプのシステムで使用されてもよい。

空間光変調器１４Ｃからの反射画像光をアイボックス２４などのアイボックスに方向付けながら、空間光変調器１４Ｃへの照明を通過させるために使用され得る光学システム１４Ｂの一部分の例示的な構成を、図２及び図３に示す。図２の例では、光学システム１４Ｂは、偏光ビームスプリッタ３０及び１／４波長板３２を含む。光源１４Ａからの光２２は、偏光ビームスプリッタ３０を通過する。光２２は、最初に所与の偏光状態を有してもよい（例えば、光２２は、図２に示すようにビームスプリッタ３０の出力においてｓ偏光されてもよい）。１／４波長板３２を通過し、空間光変調器１４Ｃの表面から反射した後、光２２Ｒは、異なる偏光状態（例えば、図２の実施例でのｐ偏光状態などの直交直線偏光状態）を有してもよい。これにより、反射光２２Ｒは、偏光ビームスプリッタ３０によってアイボックス２４に方向付けられる。図３の実施例では、照明２２は、プリズム３４を通過して空間光変調器１４Ｃに方向付けられ、空間光変調器１４Ｃからの反射画像光２２Ｒは、プリズム３４によってアイボックス２４に向けて反射される。所望であれば、反射した画像光をアイボックスに方向付けながら、空間光変調器１４Ｃに照明を通過させる光学システム１４Ｂ用の他の構成（例えば、導波路、ホログラムから形成された結合素子などを使用するシステム）を使用してもよい。光学システム１４Ｂはまた、発光ダイオード又は他の発光デバイスから空間光変調器１４Ｃへの集光及び直接照明を支援する光学構成要素を含んでもよい。

ディスプレイシステム１４は、多素子光源構成を使用することができる。光源１４Ａは、発光ダイオード又はレーザ（例えば、垂直共振器面発光レーザ又は他のダイオードレーザ）に基づいてもよい。一例として、光源１４Ａは、３つの赤色発光ダイオード、３つの緑色発光ダイオード、及び３つの青色発光ダイオードのアレイを有してもよい。この例では、有色発光ダイオードの各アレイは、複数の個別に制御可能な発光素子（例えば、ダイオード）を有してもよい。個別に制御可能な発光素子がレーザに基づく構成もまた、使用することができる。

動作中、制御回路１６は、光源１４Ａ内の発光素子のそれぞれを別々に制御することができる。このようにして、照明均一性を向上させることができ、ユーザに表示されている画像に対してローカルディミング動作を実行することができ、及び／又はディスプレイ出力をユーザの視野の未使用部分内で選択的にオフにして電力を節約することができる。

例示的な多素子表示システムを、図４に示す。図４に示すように、多素子光源１４Ａは、複数の個別に制御される発光素子４４を有してもよい。コリメートレンズ３６、任意選択のディフューザ３８、及びコンデンサレンズ４０を使用して、空間光変調器１４Ｃ用の照明２２を生成することができる。光学構成要素（例えば、図２又は図３の例示的な光学構成要素を参照）は、（例えば、対応する反射画像光を空間光変調器１４Ｃからアイボックス２４などのアイボックスに方向付けながら、照明２２を空間光変調器１４Ｃに通過するために）位置４２などの位置において、光源１４Ａと空間光変調器１４Ｃとの間の光路に介在させることができる。そのような光学システム構成要素は、図４の光学システム１４Ｂ及び後続の図から省略されていて、図面を過度に複雑にすることを回避している。

図４の例では、３つの発光素子４４が存在するが、所望であれば、他の数（例えば、少なくとも３、少なくとも１０、少なくとも５０、少なくとも１００、１５０未満、７５未満、４０未満、３０未満、２０未満、１２未満、５未満など）の発光素子４４が光源１４Ａ内に含まれてもよい。素子４４は、任意の好適な色（例えば、白色、赤色、緑色、青色、黄色など）の光２２を生成することができる。いくつかの構成では、発光素子４４のセット（例えば、３つの赤色発光ダイオードの１つ以上のグループ、３つの緑色発光ダイオードの１つ以上のグループなど）を、光源１４Ａに組み込むことができる。

図４に示すように、システム１４の光学構成要素は、第１の発光素子４４−１からの光が、空間光変調器１４Ｃの第１の領域４６−３上に方向付けられ、第２の発光素子４４−２からの光が、空間光変調器１４Ｃの第２の領域４６−２上に方向付けられ、及び第３の発光素子４４−３からの光が、第３の領域４６−１上に方向付けられるように構成されてもよい。各光源は、ランバート強度分布又は他の好適な強度プロファイルを有する光を生成することができ、各光源からの放射光はわずかに重なり合ってもよい。空間光変調器１４Ｃ上での光源１４Ａに対する結果として得られる全体的な光分布が図５の曲線４８によって示されており、これは、空間光変調器１４Ｃを照明する光源１４Ｂからの照明の照度Ｉが空間光変調器１４Ｃにわたって横方向距離Ｘの関数としてプロットされているグラフである。曲線４８の３つのピークは、図４の例では光源１４Ａの３つの素子４４に対応しており、（例えば、ディスプレイシステム１４の未使用部分の照明をオフにして電力を節約し、相対光強度を調整して均一な光分布を生成するのを支援するために）個別に調整され得る。各照明領域内の光強度の変動は、それに従って空間光変調器１４Ｃの画素を調整することによって補償することができる。ディフューザ３８（例えば、薄いすりガラス、光散乱粒子を有するポリマーの層など）以外の光ホモジナイザ（例えば、フライアイレンズアレイ）は、システム１４Ｂに含まれる必要はなく、これはシステム１４Ｂ及びディスプレイシステム１４によって占有される体積を低減するのに役立つ。所望であれば、ディフューザ３８は、システム１４Ｂから省略されてもよい。

図４の発光素子４４−１、４４−２、及び４４−３は、所望であれば、図６に示すように白色光源Ｗであってもよい。図４の光源１４Ａは、３つの素子を備えた１次元アレイを有する。一般に、光源１４Ａ内にＮ×Ｍ素子４４が存在してもよく、ここで、Ｎ及び／又はＭは、少なくとも１、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも４、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも５０、１００未満、２５未満、１１未満、６未満、又は他の好適な値であってもよい。

図７は、素子４４がどのように赤色Ｒ、緑色Ｇ、及び青色Ｂ発光素子４４の２次元アレイに配置され得るかを示す。（例えば、人間の眼の緑色光に対する感度向上に適応するために）赤色及び青色素子よりも多くの緑色素子が存在してもよく、並びに／又は他の数の赤色、緑色、及び青色素子が光源１４Ａに含まれてもよい。

図８は、別の例示的な構成を示す。図８の実施例では、Ｒ、Ｇ、及びＢ発光素子４４の各セットは、３×３アレイの異なるアレイ位置に配置されている（例えば、３×３アレイの位置のそれぞれは、３つの発光素子４４を含むパッケージ化された発光デバイスを含んでもよい）。一般に、任意の適切なパッケージング方式（例えば、共通の色の発光素子が共通のパッケージに形成される方式、異なる色の発光素子が共通のパッケージに配置される方式、光源１４Ａ内の全ての素子４４が共通の基板上に形成される構成など）を、素子４４に対して使用することができる。

光源１４Ａのいくつかの構成では、比較的小さい寸法の発光ダイオード（例えば、１０マイクロメートル未満の横寸法を有するマイクロ発光ダイオード又は垂直共振器面発光レーザ）を、素子４４を形成する際に使用してもよい。発光素子（発光ダイオード又はレーザ）の横方向寸法が１０マイクロメートル超、１０〜２００マイクロメートル、少なくとも４０マイクロメートル、５００マイクロメートル未満、又は他の好適なサイズである構成もまた、使用することができる。所望であれば、発光素子４４は、図９のテーパ状トンネル５０などの、任意選択のテーパ状トンネルを備えてもよい。各トンネルは、例えば、発光デバイス４４の対応する２次元アレイと嵌合する２次元トンネルアレイの一部であってもよく、透明なポリマー又は他の透明材料から形成されてもよく、各発光素子４４の放射された光領域のサイズを（例えば、テーパ状トンネル５０の入力における図９のより小さな領域５２から、テーパ状トンネル５０の出力面における拡大領域５４まで）拡大してもよい。

所望であれば、波長選択性光コンバイナを使用して、異なる波長の照明２２をマージしてもよい。一例として、図１０の例示的な多波長光源１４Ａについて検討する。図１０に示すように、光源１４Ａは、発光素子４４’（例えば、緑色発光素子４４）の第１のセット、及び発光素子４４”の第２のセット（例えば、赤色及び青色発光素子４４のセット）を含んでもよい。コンバイナ５６は、光源４４’からの緑色光と光源４４”からの赤色光及び青色光とを組み合わせて、赤色、緑色、及び青色照明２２を生成することができる。コンバイナ５６は、ウェッジダイクロイックコンバイナ（例えば、光源４４”に面する基板の第１の表面上に赤色光反射緑色光通過ダイクロイックコーティングを含み、基板の第２の反対側の表面上に青色光反射緑色光通過ダイクロイックコーティングを含むウェッジ形基板）に基づいてもよい。ウェッジダイクロイックコンバイナは、空間光変調器１４Ｃに向かって赤色光及び青色光を反射し、空間光変調器１４Ｃに向かって緑色光が通過することを可能にする。この構成又は他の波長多重化構成（例えば、ホログラム、ナノ構造、同調可能な格子などの同調可能な光学構成要素などに基づく波長マルチプレクサ）は、照明２２が個別に調整可能な赤色、緑色、及び青色光構成要素を含むように、光源４４’及び光源４４”からの光出力を組み合わせることができる。空間光変調器１４Ｃの異なる領域は、異なる素子４４からの光によって照明されてもよい。動作中、個々の素子４４は、空間光変調器１４Ｃ上での照明２２の空間的分布を調整するように独立して調整されてもよい。１つの例示的な構成では、光源４４”は、図１１に示すように、赤色発光素子４４の３×３アレイ、及び青色発光素子４４の３×３アレイを含み、光源４４’は、図１２に示すように、緑色発光素子４４の３×３アレイを含み、各発光素子４４は、個別に調整されてもよい。所望であれば、他の数の素子４４が、光源１４Ａ内に含まれてもよい。

図１３に示す光源１４Ａの例示的な構成では、コリメータ及びビームステアリング素子６０は、青色素子Ｂ、緑色素子Ｇ、及び赤色素子Ｒなどの発光素子４４からの光をスペクトル角度コンバイナ素子６２に選択的にルーティングするために使用される。スペクトル角度コンバイナ素子は、赤色光、緑色光、及び青色光を、対応する赤色、緑色、及び青色素子４４から照明２２の一部分に結合する。素子６０及び／又は６２は、多重化体積ホログラム、切り換え可能なブラッグ格子（例えば、電気的に調整可能な液晶格子）、及びメタ材料素子（例えば、各素子がその素子の基板を通過する光の波長マルチプレクサとして機能することを可能にするように構成された、高さ及び他の属性を有する透明基板上の透明材料のナノピラーのアレイからそれぞれ形成されたナノ構造素子）から形成されてもよい。図１３に示すように、素子４４の第１のセット４４Ａは、空間光変調器１４Ｃの第１の領域４６−３内に照明２２を提供するように構成されていてもよく、素子４４の第２のセット４４Ｂは、空間光変調器１４Ｃの第２の領域４６−２内に照明２２を提供するように構成されていてもよく、素子４４の第３のセット４４Ｃは、空間光変調器１４Ｃの第３の光領域４６−１内に照明２２を提供するように構成されてもよい。素子４４は、１次元アレイで配置されてもよく（例えば、素子４４は全て、図１３のページ内にあってもよい）、又は２次元アレイで形成されてもよい。

ディスプレイシステム１４の別の例示的な構成を、図１４及び図１５に示す。この例示的な構成では、発光素子セット４４Ｒは、赤色光を（例えば、３×３アレイで）生成する９つの素子４４を含み、発光素子セット４４Ｇは、緑色光を（例えば、３×３アレイで）生成する９つの素子４４を含み、発光セット４４Ｂは、３つの青色発光素子４４（例えば、３×３アレイで）を含む。一例として、３×３アレイのセット（図１４に示されているセットの１列のみ）内に９セットの素子４４が存在してもよい。光学システム１４Ｂは、フライアイレンズアレイ６６及びリレーレンズ６８（例えば、２つ以上のレンズ素子又は他の好適なリレーレンズから形成されるリレーレンズ）を含んでもよい。

図１５に示すように、レンズアレイ６６は、各々が、それぞれの発光素子４４から放射された光を受光及び均質化し、その光をリレーレンズ６８に提供するレンズ６６Ｅなどのマイクロレンズを含んでもよい。素子４４は、１次元アレイ又は２次元アレイで構成されてもよい。光学システム１４Ｂは、素子４４が空間光変調器１４Ｃの異なる領域に光を提供するように構成されてもよい。例えば、図１５のセット１４Ｒの３つの赤色素子Ｒのそれぞれは、空間光変調器１４Ｃ上の３つのそれぞれの領域７０内の光２２を個別に制御するように個別に調整されてもよい。

図１６は、異なる波長の照明２２をマージするために使用し得る別の例示的な光コンバイナの図である。図１６に示すように、光源１４Ａは、緑色光源１００、赤色光源１０２、及び青色光源１０４を含んでもよい。緑色光源１００は、緑色発光素子４４のＭ×Ｎ又はＮ×Ｎアレイであってもよい。赤色光源１０２は、赤色発光素子４４のＭ×Ｎ又はＮ×Ｎアレイであってもよい。青色光源１０４は、青色発光素子４４のＭ×Ｎ又はＮ×Ｎアレイであってもよい。光源１００、１０２、及び１０４は、ほんのいくつかの例として、発光素子４４の７×７アレイ、１×１アレイ、又は３×３アレイであってもよい。

光源１４Ａは、光コンバイナ１０６（例えば、図１０の光コンバイナ５６などの光コンバイナ）を含んでもよい。光コンバイナ１０６は、赤色光反射緑色光透過ダイクロイックコーティング１１６、及び青色光反射緑色光透過ダイクロイックコーティング１１８を含んでもよい。コーティング１１６及び１１８は、ウェッジ形基板１１４の表面上に形成されてもよい。光コンバイナ１０６は、赤色光源１０２から赤色光１１０を反射し、青色光源１０４から青色光１１２を反射し、緑色光源１００からの緑色１０８光が、空間光変調器（例えば、図１〜図４及び図１３〜図１５の空間光変調器１４Ｃ）に向かって照明２２として通過することを可能にする。このように構成されると、光１１０、１０８、及び１１２は、空間光変調器に提供される際に同軸に整列され得る。

図１６の実施例では、光コンバイナ１０６は、４つのウェッジ形基板１１４を含む。これは単なる例示に過ぎず、一般に、光コンバイナ１０６は、任意の所望の数のウェッジ形基板１１４を含んでもよく、又は他の形状の基板を含んでもよい。光源１００、１０２、及び光源１０４は、任意の所望の波長の光を放射することができる（例えば、コーティング１１６は、光源１０２からの光を反射しながら光源１００からの光を通過させることができる一方で、コーティング１１８は、光源１０４からの光を反射しながら光源１００からの光を通過させることができる）。所望であれば、レンズなどの任意選択のコリメート光学系を、光源１００、１０２、及び１０４と、光コンバイナ１０６との間に介在させてもよい。別の好適な構成では、光コンバイナ１０６は、図１７の実施例に示すように、ウェッジ形基板なしで形成されてもよい。図１７に示すように、光コンバイナ１０６は、赤色光反射緑色光透過板１２２、及び青色光反射緑色光透過ダイクロイックプレート１２０を含んでもよい。プレート１２０及び１２２は、例えば、ガラス基板、又はダイクロイックコーティングを備えた他の実質的に平面の基板を含んでもよい。

レンズアレイ６６内にマイクロレンズ６６Ｅが設けられる図１５の例は、単なる例示に過ぎない。別の好適な構成では、各発光素子４４は、図１８に示すように、それぞれのマイクロレンズを備えてもよい。図１８に示すように、光源１４Ａ内の発光素子４４は、素子４４が間隙１３０によって分離されるように、比較的小さくてもよい。それぞれのマイクロレンズ１３２は、各素子４４の上方に設けられてもよい。各マイクロレンズ１３２は、隣接するマイクロレンズ１３２が素子４４間の間隙１３０をブリッジするように、下にある素子４４よりもはるかに広い幅１３４を有してもよい。これにより、各素子４４からの光が、そうでなければマイクロレンズ１３２の非存在下で提供され得るよりも大きい領域（例えば、マイクロレンズ１３２によって提供される領域）にわたって放射されているかのように見えることを可能にすることができる。

所望であれば、光源１４Ａ内の発光素子４４の強度は、画素位置の関数として可変倍率を提供する光学系（例えば、光学システム１４Ｂの光学系）と関連付けられた周辺画素からの光に対する強度及び／又は歪みにおける固有の軸外ロールオフを補償するように独立して制御することができる。図１９は、発光素子４４の強度がどのようにこれらの効果を緩和するように独立して制御され得るかを示す図である。

図１９に示すように、水平軸は、光源１４Ａの横方向軸に沿った画素位置（例えば、図４〜図１８に関連して上述したように、Ｍ×Ｎ又はＮ×Ｎ発光素子４４のアレイにわたる水平又は垂直の画素位置）を示す。図１９の曲線１５６は、光源１４Ａによって生成される照明２２の強度を示す。曲線１５０は、光源１４Ａによって生成可能な最大強度を示す。曲線１５６によって示されるように、照明２２は、（例えば、アレイの周辺における画素に対して）中心軸でＣのピーク強度から、中心軸Ｃから外れた画素位置での最小強度に、ロールオフを呈し得る。この強度の変動は、例えば、光源１４Ａ及び／若しくは光学システム１４Ｂに関連付けられた強度での固有の軸外ロールオフ、並びに／又は光学システム１４Ｂ内のレンズ素子（例えば、画素位置の関数として可変倍率を提供するレンズ素子）によって生成された周辺画素からの光に対する軸外歪みによって生成され得る。

この変動を軽減するために、中心軸Ｃから外れて（例えば、アレイの周辺部に）配置された発光素子４４は、矢印１５４によって示される、強度が増大した光を放射するように独立して制御されてもよい。周辺画素強度のこのブーストにより、光が光学システム１４Ｂを通過した時間によって、各画素位置に対して均一な強度を有する照明２２を提供することができる。別の好適な構成では、中心軸Ｃに位置する発光素子４４は、矢印１５８によって示されるように、強度が低減された（例えば、最低強度の画素の強度と一致する強度を有する）光を放射するように独立して制御されてもよい。中央の画素強度のこの低減により、光が光学システム１４Ｂを通過した時間によって、各画素位置に対して均一な強度を有する照明２２を提供することができる。強度におけるこれらの調整は、各発光要素４４に提供される電流を調整することによって、各発光素子４４を制御するために使用されるパルス幅変調を調整することによってなどで、提供することができる。画素位置の関数としてアレイ内の各発光素子４４の強度を独立して制御することにより、光学システム１４Ｂによって導入された歪みにもかかわらず、均一な強度の光を提供することができる。別の好適な構成では、均一な強度を有する照明２２を提供するために、これらの画素ごとの強度調整の代わりに、又はそれに加えて、予歪技術を使用してもよい。図１９の例は、単なる例示に過ぎない。曲線１５０、１５６、及び１５２は、他の形状を有してもよい。

一実施形態によれば、頭部装着型支持構造体と、制御回路と、頭部装着型支持回路によって支持される空間光変調器であって、空間光変調器は画素を有し、制御回路は画素を使用して画像を生成するように構成されている、空間光変調器と、照明を生成するように構成された複数の発光素子を有する光源と、照明を空間光変調器に方向付け、空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムであって、制御回路は、空間光変調器の異なるそれぞれの領域内の照明を独立して調整するために各発光素子を独立して調整するように構成されている、光学システムと、を含む電子デバイスが提供されている。

別の実施形態によれば、複数の発光素子は、発光素子の１次元アレイを形成するように構成されている。

別の実施形態によれば、複数の発光素子は、発光素子のセットのアレイを形成するように構成されている。

別の実施形態によれば、発光素子の各セットは、発光素子のうちの少なくとも２つを含む。

別の実施形態によれば、発光素子の各セットは、発光素子の２次元アレイを含む。

別の実施形態によれば、発光素子のセットのアレイは、セットの２次元アレイを形成するように構成されている。

別の実施形態によれば、発光素子は、制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の赤色発光ダイオード、制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の緑色発光ダイオード、及び制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の青色発光ダイオード、を含み、光学システムは、フライアイレンズ、及びフライアイレンズアレイと空間光変調器との間に介在するリレーレンズを含む。

別の実施形態によれば、光学システムは、コリメートレンズ、ディフューザ、及びコンデンサレンズを含み、光源と空間光変調器との間にはフライアイレンズアレイは存在しない。

別の実施形態によれば、発光素子は、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを含む。

別の実施形態によれば、空間光変調器は、液晶オンシリコンデバイス及びデジタルマイクロミラーデバイスからなるグループから選択される空間光変調器を含む。

別の実施形態によれば、発光素子は、発光ダイオードを含む。

別の実施形態によれば、発光素子は、レーザを含む。

別の実施形態によれば、発光素子は、少なくとも３つの赤色発光ダイオード、少なくとも３つの緑色発光ダイオード、及び少なくとも３つの青色発光ダイオードを含む。

別の実施形態によれば、光源は、赤色発光ダイオードからの赤色光、青色発光ダイオードからの青色光、及び緑色発光ダイオードからの緑色光を組み合わせて照明を形成するように構成されたダイクロイックウェッジコンバイナを含む。

別の実施形態によれば、発光素子は、赤色、緑色、及び青色発光ダイオードを含み、光源は、スペクトル角度コンバイナ素子と、赤色発光ダイオードからの赤色光をスペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された赤色コリメータ及びビームステアリング素子と、緑色発光ダイオードからの緑色光をスペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された緑色コリメータ及びビームステアリング素子と、青色発光ダイオードからの青色光をスペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された青色コリメータ及びビームステアリング素子と、を含む。

別の実施形態によれば、スペクトル角度コンバイナ素子は、赤色光、緑色光、及び青色光を組み合わせて、空間光変調器の第２の領域を照明することなく、空間光変調器の第１の領域を照明する照明の一部分を生成するように構成されている。

一実施形態によれば、空間光変調器と、照明を生成するように構成された光源と、空間光変調器に照明を方向付け、かつ、空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムと、を含む、ディスプレイシステムであって、光源は、複数の赤色発光ダイオード、複数の緑色発光ダイオード、及び複数の青色発光ダイオードと、を含む、ディスプレイシステムと、赤色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整し、緑色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整し、青色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整する、ように構成された制御回路と、を含む、頭部装着型デバイスが提供される。

別の実施形態によれば、光源は、赤色光、緑色光、及び青色光を生成し、赤色光、緑色光、及び青色光を組み合わせて照明を提供するように構成された光学素子を含む。

別の実施形態によれば、光学素子は、ホログラム、メタ構造、及び切り替え可能な格子からなるグループから選択される光学素子を含む。

一実施形態によれば、照明を生成するように構成された光源であって、光源は、多素子発光デバイスのＮ×Ｎアレイを有し、Ｎは少なくとも２であり、各多素子発光デバイスは、少なくとも３つの発光ダイオードを有する光源と、空間光変調器と、照明を空間光変調器に方向付け、かつ、空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムと、を含むディスプレイシステムが提供される。

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み合わせで実装することができる。

Claims (20)

1. 電子デバイスであって、
   頭部装着型支持構造体と、
   制御回路と、
   前記頭部装着型支持回路によって支持される空間光変調器であって、前記空間光変調器が画素を有し、前記制御回路が前記画素を使用して画像を生成するように構成されている、空間光変調器と、
   照明を生成するように構成された複数の発光素子を有する光源と、
   前記照明を前記空間光変調器に方向付け、前記空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムであって、前記制御回路が、前記空間光変調器の異なるそれぞれの領域内の前記照明を独立して調整するために前記発光素子の各々を独立して調整するように構成されている、光学システムと、
   を備える、電子デバイス。
2. 前記複数の発光素子が、発光素子の１次元アレイを形成するように構成されている、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記複数の発光素子が、発光素子のセットのアレイを形成するように構成されている、請求項１に記載の電子デバイス。
4. 前記発光素子の各セットが、少なくとも２つの前記発光素子を含む、請求項３に記載の電子デバイス。
5. 前記発光素子の各セットが、前記発光素子の２次元アレイを含む、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 前記発光素子のセットのアレイが、前記セットの２次元アレイを形成するように構成されている、請求項５に記載の電子デバイス。
7. 前記発光素子が、前記制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の赤色発光ダイオードと、前記制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の緑色発光ダイオードと、前記制御回路によって独立して調整されるように構成された複数の青色発光ダイオードと、を含み、前記光学システムが、
   フライアイレンズアレイと、
   前記フライアイレンズアレイと前記空間光変調器との間に介在するリレーレンズと、
   を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
8. 前記光学システムが、コリメートレンズ、ディフューザ、及びコンデンサレンズを含み、前記光源と前記空間光変調器との間にはフライアイレンズアレイが存在しない、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記発光素子が、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
10. 前記空間光変調器が、液晶オンシリコンデバイス及びデジタルマイクロミラーデバイスからなるグループから選択される空間光変調器を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
11. 前記発光素子が、発光ダイオードを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
12. 前記発光素子が、レーザを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
13. 前記発光素子が、少なくとも３つの赤色発光ダイオード、少なくとも３つの緑色発光ダイオード、及び少なくとも３つの青色発光ダイオードを含む、請求項１２に記載の電子デバイス。
14. 前記光源が、前記赤色発光ダイオードからの赤色光と、前記青色発光ダイオードからの青色光と、前記緑色発光ダイオードからの緑色光とを組み合わせて前記照明を形成するように構成されたダイクロイックウェッジコンバイナを含む、請求項１３に記載の電子デバイス。
15. 前記発光素子が、赤色、緑色、及び青色発光ダイオードを含み、前記光源が、
    スペクトル角度コンバイナ素子と、
    前記赤色発光ダイオードからの赤色光を前記スペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された赤色コリメータ及びビームステアリング素子と、
    前記緑色発光ダイオードからの緑色光を前記スペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された緑色コリメータ及びビームステアリング素子と、
    前記青色発光ダイオードからの青色光を前記スペクトル角度コンバイナ素子にルーティングするように構成された青色コリメータ及びビームステアリング素子と、
    を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
16. 前記スペクトル角度コンバイナ素子が、前記赤色光、緑色光、及び青色光を組み合わせて、前記空間光変調器の第２の領域を照明することなく、前記空間光変調器の第１の領域を照明する前記照明の一部分を生成するように構成されている、請求項１５に記載の電子デバイス。
17. 空間光変調器と、照明を生成するように構成された光源と、前記空間光変調器に前記照明を方向付け、かつ、前記空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムと、を含む、ディスプレイシステムであって、前記光源が、複数の赤色発光ダイオード、複数の緑色発光ダイオード、及び複数の青色発光ダイオードを含む、ディスプレイシステムと、
    前記赤色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整し、
    前記緑色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整し、
    前記青色発光ダイオードのそれぞれを独立して調整する、
    ように構成された制御回路と、
    を備える、頭部装着型デバイス。
18. 前記光源が、赤色光、緑色光、及び青色光を生成し、前記赤色光、緑色光、及び青色光を組み合わせて前記照明を提供するように構成された光学素子を更に含む、請求項１７に記載の頭部装着型デバイス。
19. 前記光学素子が、ホログラム、メタ構造、及び切り替え可能な格子からなるグループから選択される光学素子を含む、請求項１８に記載の頭部装着型デバイス。
20. ディスプレイシステムであって、
    照明を生成するように構成された光源であって、前記光源が、多素子発光デバイスのＮ×Ｎアレイを有し、Ｎは少なくとも２であり、各多素子発光デバイスが、少なくとも３つの発光ダイオードを有する、光源と、
    空間光変調器と、
    前記照明を前記空間光変調器に方向付け、かつ、前記空間光変調器からの対応する反射画像光をアイボックスに方向付けるように構成された光学システムと、
    を備える、ディスプレイシステム。

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