JP2022027885A - 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2017年12月15日に出願され、「EYEPIECES FOR AUGMENTED REALITY DISPLAY SYSTEM」と題された、米国仮特許出願第62/599663号、2017年12月20日に出願され、「EYEPIECES FOR AUGMENTED REALITY DISPLAY SYSTEM」と題された、米国仮特許出願第62/608555号、および2018年1月22日に出願され、「EYEPIECES FOR AUGMENTED REALITY DISPLAY SYSTEM」と題された、米国仮特許出願第62/620465号の優先権を主張する。それに関して外国または国内の優先権の主張が上記に識別され、および/または本願とともに出願されるような出願データシート内のあらゆる出願は、37CFR1.57下、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本開示は、仮想現実、拡張現実、および複合現実システムのための接眼レンズに関する。
現代のコンピューティングおよび表示技術は、仮想現実、拡張現実、および複合現実システムの開発を促進している。仮想現実または「VR」システムは、ユーザが体験するためのシミュレートされた環境を作成する。これは、頭部搭載型ディスプレイを通して、コンピュータ生成画像データをユーザに提示することによって行われることができる。本画像データは、感覚体験を作成し、これは、ユーザをシミュレートされた環境内に没入させる。仮想現実シナリオは、典型的には、実際の実世界画像データもまた含むのではなく、コンピュータ生成画像データのみの提示を伴う。
うに位置付けられ、それらを第1の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第1の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、第2の瞳エクスパンダ領域であって、第2の誘導ビームのセットをICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第2の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第2の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、出射領域は、第1および第2の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、出力ビームは、入力ビームの完全セットを表す、出射領域とを備える。
を囲繞する媒体の屈折率であって、ωは、光の入力ビームの角周波数であって、cは、光の速さの定数である、ICG領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、集合的に、ビームをICG領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、複製ビームを受け取り、複製ビームを、光学的に透過性の基板から、完全入力画像を表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域とを備える。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、光の入力ビームを受け取り、前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域であって、前記MPE領域は、少なくとも第1の周期性軸および第2の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備え、前記MPE領域は、前記誘導ビームを前記ICG領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、MPE領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される射出瞳エクスパンダ(EPE)領域であって、前記EPE領域は、前記回折ビームのうちの1つ以上のものを前記MPE領域から受け取り、それらを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、EPE領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目2)
前記MPE領域は、別個の回折特徴の2次元格子模様を備える、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目3)
前記MPE領域は、交差格子を備える、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目4)
前記MPE領域は、前記誘導ビームのパワーの一部を前記ICG領域から少なくとも3つの方向に回折することによって、前記回折ビームを作成するように構成される、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目5)
前記3つの方向のうちの1つは、ゼロ次回折ビームに対応する、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目6)
前記3つの方向のうちの2つ以上のものは、一次回折ビームに対応する、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目7)
前記3つの方向は、角度的に少なくとも45度分離される、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目8)
前記MPE領域および前記EPE領域は、重複せず、前記回折ビームの3つの方向のうちの1つのみが、前記EPE領域と交差する、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目9)
前記3つの方向のうちの1つは、前記ICG領域から前記MPE領域への方向に対応する、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目10)
前記MPE領域は、前記誘導ビームのパワーの一部を前記ICG領域から少なくとも4つの方向に回折することによって、前記回折ビームを作成するように構成される、項目4に記載の接眼レンズ導波管。
(項目11)
前記4つの方向は、角度的に少なくとも45度分離される、項目10に記載の接眼レンズ導波管。
(項目12)
前記MPE領域はさらに、再び、同一複数の方向に複数の分散場所において、回折ビームのうち、最初に回折された後も依然として前記MPE領域内を伝搬しているものを回折することによって、回折ビームの数を増加させるように構成される、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目13)
前記回折ビームのサブセットのみが、前記EPE領域に向かって伝搬する、項目12に記載の接眼レンズ導波管。
(項目14)
前記EPE領域は、回折ビームのうち、前記複数の方向のうちの1つに伝搬しているもののみを受け取るように位置付けられる、項目13に記載の接眼レンズ導波管。
(項目15)
前記EPE領域に向かって伝搬する回折ビームは、非均一間隔を有する、項目14に記載の接眼レンズ導波管。
(項目16)
前記MPE領域の回折特徴のうちのいくつかは、10%以下の回折効率を有する、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目17)
前記MPE領域の回折特徴の回折効率は、空間的に変動する、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目18)
前記ICG領域は、1次元周期格子を備える、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目19)
前記ICG領域の1次元周期格子は、ブレーズド格子である、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目20)
前記EPE領域は、1次元周期格子を備える、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目21)
前記EPE領域内の1次元周期格子は、屈折力を前記出力ビームに付与するように湾曲された複数のラインを備える、項目20に記載の接眼レンズ導波管。
(項目22)
前記入力ビームは、コリメートされ、5mm以下の直径を有する、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目23)
前記MPE領域および前記EPE領域は、重複しない、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目24)
前記光学的に透過性の基板は、平面である、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目25)
前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目26)
前記接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成される、項目25に記載の接眼レンズ導波管。
(項目27)
前記ICG領域は、複数の光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環内にあるk-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられ、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応し、
前記MPE領域は、少なくとも3つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記k-空間環内の3つの異なる角度場所にある、少なくとも3つのセットのk-ベクトルと関連付けられる、
項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目28)
前記誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環内に完全にある、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目29)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環内に完全にある、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目30)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、少なくとも45度前記k-空間環内で相互から角度的に離間される、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目31)
前記回折ビームの個別のセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、相互に重複しない、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目32)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットのうちの1つは、前記ICG領域から前記MPE領域への方向に対応する前記k-空間環内のある角位置に位置する、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目33)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットのうちの1つは、前記MPE領域から前記EPE領域への方向に対応する前記k-空間環内のある角位置に位置する、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目34)
前記MPE領域は、少なくとも4つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記k-空間環内の4つの異なる角位置にある少なくとも4つのセットのk-ベクトルと関連付けられる、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目35)
前記回折ビームが前記MPE領域内を伝搬する間、前記MPE領域は、その対応するk-ベクトルのセットが、前記k-空間環内の3つの異なる場所間で遷移するように、前記回折ビームをさらに回折するように構成される、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目36)
前記入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられる、項目27に記載の接眼レンズ導波管。
(項目37)
前記入力ビームは、入力画像の中心に対応し、前記ICG領域上に垂直に入射する、項目1に記載の接眼レンズ導波管。
(項目38)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環内にあるk-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられ、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域であって、前記MPE領域は、前記誘導ビームのセットを前記ICG領域から受け取るように位置付けられ、少なくとも3つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも3つのセットのk-ベクトルと関連付けられ、前記少なくとも3つのセットのk-ベクトルは、少なくとも部分的に、前記k-空間環内にあり、3つの異なる角度場所に中心合わせされる、MPE領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される射出瞳エクスパンダ(EPE)領域であって、前記EPE領域は、前記回折ビームのセットのうちの1つを前記MPE領域から受け取り、それらを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、EPE領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目39)
前記誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環内に完全にある、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目40)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環内に完全にある、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目41)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、少なくとも45度前記k-空間環内で相互から角度的に離間される、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目42)
前記回折ビームの個別のセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、相互に重複しない、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目43)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットのうちの1つは、前記ICG領域から前記MPE領域への方向に対応する前記k-空間環内のある角位置に位置する、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目44)
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットのうちの1つは、前記MPE領域から前記EPE領域への方向に対応する前記k-空間環内のある角位置に位置する、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目45)
前記MPE領域は、少なくとも4つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記k-空間環内にあり、4つの異なる角位置に中心合わせされる少なくとも4つのセットのk-ベクトルと関連付けられる、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目46)
前記回折ビームが、前記MPE領域内を伝搬する間、前記MPE領域は、その対応するk-ベクトルのセットが、前記k-空間環内の3つの異なる場所間で遷移するように、前記回折ビームをさらに回折するように構成される、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目47)
前記入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられる、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目48)
前記MPE領域は、少なくとも第1の周期性軸および第2の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備える、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目49)
前記MPE領域は、別個の回折特徴の2次元格子模様を備える、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目50)
前記MPE領域は、交差格子を備える、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目51)
前記入力ビームはそれぞれ、コリメートされ、5mm以下の直径を有する、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目52)
前記MPE領域および前記EPE領域は、重複しない、項目37に記載の接眼レンズ導波管。
(項目53)
前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目54)
前記接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成される、項目53に記載の接眼レンズ導波管。
(項目55)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
画像と関連付けられた光の入力ビームを受け取るための入力結合領域であって、前記光の入力ビームは、関連付けられた瞳を有する、入力結合領域と、
前記瞳を少なくとも3つの方向に拡張させるように構成される多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域と、
前記画像と関連付けられた光の出力ビームを投影するための出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目56)
前記MPE領域は、前記瞳サイズを少なくとも4つの方向に拡張させるように構成される、項目55に記載の接眼レンズ導波管。
(項目57)
前記MPE領域および前記出射領域は、重複しない、項目55に記載の接眼レンズ導波管。
(項目58)
前記MPE領域は、出力瞳の非周期的アレイを作成する、項目55に記載の接眼レンズ導波管。
(項目59)
前記入力ビームのセットの中心ビームは、前記ICG領域上に垂直に入射する、項目38に記載の接眼レンズ導波管。
(項目60)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、k-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、
第1の誘導ビームのセットおよび第1の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第1の誘導ビームのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環内にある前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第1の非回折ビームのセットは、前記k-空間環外にある前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ことと、
別個の第2の誘導ビームのセットおよび別個の第2の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第2の誘導ビームのセットは、前記k-空間環内にある前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第2の非回折ビームのセットは、前記k-空間環外にある前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応する、ことと
を行うように構成される、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される第1の瞳エクスパンダ領域であって、前記第1の瞳エクスパンダ領域は、前記第1の誘導ビームのセットを前記ICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第1の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第1の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される第2の瞳エクスパンダ領域であって、前記第2の瞳エクスパンダ領域は、前記第2の誘導ビームのセットを前記ICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第2の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第2の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記第1および第2の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、前記出射領域は、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、前記出力ビームは、前記入力ビームの完全セットを表す、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目61)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、視野(FOV)形状をk-空間内に形成するk-ベクトルのセットと関連付けられ、前記FOV形状は、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環の幅より大きい第1の寸法をk-空間内に有し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ことと、
入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記FOV形状を前記k-空間環内の第1の位置および第2の位置の両方に平行移動させるように、前記入力ビームを回折することであって、前記第1の位置では、前記FOV形状の一部は、前記k-空間環外にあり、前記FOV形状の第1のサブ部分のみが、前記k-空間環内にあり、前記第2の位置では、前記FOV形状の一部は、前記k-空間環外にあり、前記FOV形状の第2のサブ部分のみが、前記k-空間環内にある、ことと
を行うように構成される、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、前記FOV形状の前記第1および第2のサブ部分を、前記完全FOV形状が組み立て直される前記k-空間環内の第3の位置に平行移動させるように、前記誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目62)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記入力ビームのセットは、k-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられ、前記k-ベクトルのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環の幅より大きい第1の寸法をk-空間内に有し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記誘導ビームを前記ICG領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、前記入力ビームの完全セットを表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目63)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される回折格子を備え、前記回折格子は、
を満たす周期Λを有し、n 2 は、前記光学的に透過性の基板の屈折率であり、n 1 は、前記光学的に透過性の基板を囲繞する媒体の屈折率であり、ωは、前記光の入力ビームの角周波数であり、cは、光の速さの定数である、ICG領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記ビームを前記ICG領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、前記完全入力画像を表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
(項目64)
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
第1の表面および第2の表面を有する光学的に透過性の基板と、
前記基板の表面のうちの1つ上または前記基板の表面のうちの1つ内に形成される第1の入力結合格子(ICG)領域であって、前記第1のICG領域は、光の入力ビームを受け取り、前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、第1のICG領域と、
前記基板の第1の表面上または前記基板の第1の表面内に形成される多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域であって、前記MPE領域は、少なくとも第1の周期性軸および第2の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備え、前記MPE領域は、前記誘導ビームを前記第1のICG領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、MPE領域と、
前記基板の第2の表面上または前記基板の第2の表面内に形成される射出瞳エクスパンダ(EPE)領域であって、前記EPE領域は、前記MPE領域に重複し、前記EPE領域は、前記回折ビームのうちの1つ以上のものを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように構成される、EPE領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
本開示は、画像をユーザの眼に投影するためにARディスプレイシステム内で使用され得る、種々の接眼レンズ導波管を説明する。接眼レンズ導波管は、物理的用語およびk-空間表現の使用の両方において説明される。
図2は、ウェアラブルディスプレイシステム60の実施例を図示する。ディスプレイシステム60は、ディスプレイまたは接眼レンズ70と、そのディスプレイ70の機能をサ
ポートするための種々の機械的および電子的なモジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ70は、フレーム80に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザ90によって装着可能であって、ディスプレイ70をユーザ90の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ70は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされてもよい。いくつかの実施形態では、スピーカ100が、フレーム80に結合され、ユーザ90の外耳道に隣接して位置付けられる。ディスプレイシステムはまた、1つ以上のマイクロホン110を含み、音を検出してもよい。マイクロホン110は、ユーザが、入力またはコマンドをシステム60に提供することを可能にすることができ(例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等)、および/または他の人物(例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ)とのオーディオ通信を可能にすることができる。マイクロホン110はまた、オーディオデータ(例えば、ユーザおよび/または環境からの音)をユーザの周囲から収集することができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、周辺センサ120aを含んでもよく、これは、フレーム80と別個であって、ユーザ90の身体(例えば、頭部、胴体、四肢等上)に取り付けられてもよい。周辺センサ120aは、いくつかの実施形態では、ユーザ90の生理学的状態を特徴付けるデータを取得してもよい。
もよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ160は、情報(例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報)をローカル処理およびデータモジュール140および/または遠隔処理モジュール150に提供する、1つ以上の遠隔サーバを含んでもよい。他の実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュールにおいて実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。
定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
図6は、AR接眼レンズ内で画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム250は、複数の導波管270、280、290、300、310を使用して、3次元知覚を眼/脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ260を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム250は、図2のシステム60であって、図6は、そのシステム60のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ260は、図2のディスプレイ70の一部であってもよい。ディスプレイシステム250は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされてもよいことを理解されたい。
または対応する導波管の主要表面の一部(すなわち、世界510またはユーザの眼210に直接面する導波管表面のうちの1つ)であってもよい。いくつかの実施形態では、光のビーム(例えば、コリメートされたビーム)が、各導波管の中に投入されてもよく、導波管内の屈折によって、ビームレットにサンプリングすること等によって複製され、次いで、その特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する屈折力の量を伴って、眼210に向かって指向されてもよい。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス360、370、380、390、400のうちの単一の1つは、複数(例えば、3つ)の導波管270、280、290、300、310と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
それと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ260の他側の世界510から生じる光を視認/解釈するとき、レンズ320、330、340、350のスタックを補償するために、補償レンズ層620が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック320、330、340、350の集約屈折力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管/レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面の両方とも、静的であってもよい(すなわち、動的ではないまたは電気活性ではない)。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。
メトリック情報を眼から抽出し、眼の視線方向を推定および追跡し、ユーザの生理学的状態を監視すること等を行ってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ630は、画像捕捉デバイスと、光(例えば、IRまたは近IR光)を眼に投影するための光源(その光は、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る)とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、光源は、IRまたはその近IRを放出する、発光ダイオード(「LED」)を含む。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ630は、フレーム80(図2)に取り付けられてもよく、処理モジュール140または150と電気通信してもよく、これは、カメラアセンブリ630からの画像情報を処理し、例えば、ユーザの生理学的状態、装着者の視線方向、虹彩識別等に関する、種々の決定を行い得る。いくつかの実施形態では、1つのカメラアセンブリ630が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に1つの導波管を伴うスタックで配列されてもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力されてもよい。
の上部)上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素700、710、720は、個別の導波管670、680、690の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素700、710、720は、他の光の波長を透過しながら、1つ以上の光の波長を選択的に再指向するような波長選択的である。その個別の導波管670、680、690の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素700、710、720は、いくつかの実施形態では、その個別の導波管670、680、690の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。
に入射する。光線770、780、790は、1つ以上の画像投入デバイス360、370、380、390、400(図6)によって導波管670、680、690の中に投入されてもよい。
0は、原色毎に、導波管670、680、690と、内部結合光学要素700、710、720と、光分散要素(例えば、OPE)730、740、750と、外部結合光学要素(例えば、EPE)800、810、820とを含む。導波管670、680、690は、各1つの間に空隙/クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素700、710、720は、(異なる波長の光を受け取る異なる内部結合光学要素を用いて)入射光を対応する導波管の中に指向させる。光は、次いで、個別の導波管670、680、690内のTIRを支援する角度で伝搬する。TIRは、ある角度範囲にわたってのみ生じるため、光線770、780、790の伝搬角度の範囲は、限定される。TIRを支援する角度の範囲は、そのような実施例では、導波管670、680、690によって表示され得る、視野の角度限界と見なされ得る。示される実施例では、光線770(例えば、青色光)は、前述の様式において、第1の内部結合光学要素700によって内部結合され、次いで、導波管を辿って進行する間、導波管の表面から往復反射し続け、光分散要素(例えば、OPE)730は、それを漸次的にサンプリングし、外部結合光学要素(例えば、EPE)800に向かって指向される、付加的複製光線を作成する。光線780および790(例えば、それぞれ、緑色および赤色光)は、導波管670を通して通過し、光線780は、内部結合光学要素710上に衝突し、それによって内部結合される。光線780は、次いで、TIRを介して、導波管680を辿って伝搬し、その光分散要素(例えば、OPE)740、次いで、外部結合光学要素(例えば、EPE)810に進むであろう。最後に、光線790(例えば、赤色光)は、導波管670、680を通して通過し、導波管690の光内部結合光学要素720上に衝突する。光内部結合光学要素720は、光線が、TIRによって、光分散要素(例えば、OPE)750、次いで、TIRによって、外部結合光学要素(例えば、EPE)820に伝搬するように、光線790を内部結合する。外部結合光学要素820は、次いで、最後に、光線790をユーザに外部結合し、視認者はまた、他の導波管670、680からの外部結合された光も受け取る。
択された材料は、1.4を上回る、例えば、1.6を上回る、または1.8を上回る屈折率を有し、光誘導を促進してもよい。各接眼レンズ導波管基板の厚さは、例えば、325ミクロン以下であってもよいが、他の厚さもまた、使用されることができる。各接眼レンズ導波管は、1つ以上の内部結合領域と、光分散領域と、画像拡張領域と、外部結合領域とを含むことができ、これは、各導波管基板902上または内に形成される回折特徴から成ってもよい。
管スタック1100の総厚は、2.8mmである。
図12Aおよび12Bは、画像をユーザの眼210に向かって投影する際の動作時の接眼レンズ導波管1200の上面図を図示する。画像は、最初に、投影レンズ1210またはある他のプロジェクタデバイスを使用して、像面1207から接眼レンズ導波管1200の入射瞳1208に向かって投影されることができる。各像点(例えば、画像ピクセルまたは画像ピクセルの一部)は、光の対応する入力ビーム(例えば、1202a、1204a、1206a)を有し、これは、入射瞳1208(例えば、プロジェクタレンズ1210の光学軸に対する特定の角度)において特定の方向に伝搬する。光線として図示されるが、光の入力ビーム1202a、1204a、1206aは、例えば、それらが接眼レンズ導波管1200に入射するとき、数ミリメートル以下の直径を伴う、コリメートされたビームであってもよい。
b、1206b)はそれぞれ、コリメートされることができる。所与の像点に対応する出力ビームのセットは、平行経路(図12Aに示されるように)または発散経路(図12Bに示されるように)に沿って伝搬する、ビームから成ってもよい。いずれの場合も、複製出力ビームのセットの具体的伝搬角度は、像面1207における対応する像点の場所に依存する。図12Aは、出力ビームの各セット(例えば、1202b、1204b、1206b)が平行経路に沿って伝搬するビームから成る場合を図示する。これは、画像が光学無限遠から生じているように現れるように投影される結果をもたらす。これは、図12Aでは、周辺出力ビーム1202b、1204b、1206bから接眼レンズ導波管1200の世界側(ユーザの眼210が位置する場所と反対側)上の光学無限遠に向かって延在する、細線によって表される。図12Bは、出力ビームの各セット(例えば、1202b、1204b、1206b)が発散経路に沿って伝搬するビームから成る場合を図示する。これは、画像が光学無限遠より近い距離を有する仮想深度平面から生じているように現れるように投影される結果をもたらす。これは、図12Bでは、周辺出力ビーム1202b、1204b、1206bから接眼レンズ導波管1200の世界側上の点に向かって延在する、細線によって表される。
、媒体の屈折率に反比例する。したがって、媒体では、方程式は、k=nω/cとなる。)定義上、k=2π/λおよびω=2πfであって、式中、fは、光の周波数(例えば、ヘルツ単位)であることに留意されたい。本方程式から明白となるように、より高い角周波数ωを伴う光ビームは、より大きい波数、したがって、より大きい大きさのk-ベクトル(同一伝搬媒体と仮定する)を有する。例えば、同一伝搬媒体と仮定すると、青色光ビームは、赤色光ビームより大きい大きさのk-ベクトルを有する。
り近いk-ベクトルを伴う、光波は、伝搬のより小さいz-成分を有する(図13Bに関して議論されるように、TIRのために必要なあまり急峻ではない伝搬角度をもたらす)一方、そのx-y成分が中実円板1308の中心のより近くに位置するk-ベクトルを伴う、光波は、伝搬のより大きいz-成分を有する(TIRし得ない、より急峻な伝搬角度をもたらす)。故に、k-空間の全ての言及は、その中で2-次元k-平面が導波管の平面に対応する、投影されたk-空間を指す(別様に文脈から明白ではない限り)。すなわち、導波管の表面間の伝搬方向が、明示的に述べられない限り、議論および図面は、概して、導波管の表面と平行な方向のみを検討する。さらに、k-空間をプロットするとき、典型的には、プロットがω/cに事実上正規化されるように、自由空間円板半径を1に正規化することが最も便宜的である。
管媒体の屈折率に関する実践的限界が存在する。これは、ひいては、AR接眼レンズのFOVに実践的限界を課すと考えられている。しかし、本明細書に説明されるように、より大きいFOVを可能にするためにこれらの限界を克服するために使用され得る、技法が存在する。
事実上移動させることによって減少されることができる。本明細書に開示される接眼レンズ導波管のいずれかの設計は、k-空間環の幅1310をこのように制約することによって調節されることができる。
ムに対応するk-ベクトルの面内成分に追加することである。これは、図13Hに示される。
直交瞳エクスパンダを伴う例示的AR接眼レンズ導波管
て、+x-方向において伝搬し、接眼レンズ導波管1400から出射する。
400を通して伝搬し続け、その表面間で往復して繰り返し反射する。これは、図14Cでは、各ビームの図示される伝搬内のジグザグによって表される。
有する。KSD2は、G1格子ベクトルおよびG-1格子ベクトルを示し、これは、大きさが等しく、ICGの周期性軸に沿った方向において反対である。ICG領域1440は、入力ビームを±1回折次数に回折する。また、k-空間内では、これは、ICGが、G1およびG-1格子ベクトルの両方を使用して、それを平行移動させることによって、FOV矩形を2つの新しい場所にコピーすることを意味する。図示されるインスタンスでは、ICGは、格子ベクトルG1、G-1の大きさが、コピーされたFOV矩形を導波管のk-空間環内に完全に設置するように、入力ビームの角周波数ωに基づく周期Λを用いて設計される。故に、回折される入力ビームは全て、誘導伝搬モードに入る。
る入力ビームは全て、誘導伝搬モードのままである。OPE格子によって実施される平行移動である、k-空間環内の9時位置から6時位置までのk-空間距離は、ICGによって実施される平行移動である、k-空間略図の原点から環までの距離を上回るため、OPE格子ベクトルは、ICG格子ベクトルと大きさが異ならなければならない。特に、OPE格子ベクトルは、ICG格子ベクトルより長く、これは、OPE格子が、したがって、ICG格子より短い周期Λを有することを意味する。
をk-空間略図の原点の周囲に中心合わせされる種々の異なる場所に平行移動させる。これは、ひいては、平行移動されたFOV矩形のそれぞれに対応する出力ビームのセットを異なる伝搬角度の周囲に中心合わせさせ、これは、ひいては、深度の錯覚を生じさせる。
1460は、ICG領域1440から-xおよび-y-方向に位置する。また、回折ビームの一部は、それらの同一方向に経路に沿ってICG領域1440から広がる。最初に、OPE領域1450を通して伝搬する前に、これらの回折ビームがEPE領域に入射することを回避するために、ICG領域1440は、回折ビームの広がりがEPE領域1460と交差しないように、+y-方向に、EPE領域から十分に離れて位置し得る。これは、OPE領域1450の下側境界線とEPE領域1460の上側境界線の間に大きな間隙をもたらす。いくつかの実施形態では、本間隙を除去または低減させることによって、接眼レンズ導波管のサイズを減少させることが望ましくあり得る。図15Aは、これらの目標を遂行する、例示的実施形態を図示する。
空間環内の6時位置から若干変位された位置に平行移動されたFOV矩形に対応する角度で、光のビームを再指向するように、配向されることができる。例えば、KSD3内の平行移動されたFOV矩形は、KSD2内の平行移動されたFOV矩形が9時位置から変位されるにつれて、同一角度だけ、k-空間環内の6時位置から変位されることができる。言い換えると、KSD3内の平行移動されたFOV矩形は、KSD2内の平行移動されたFOV矩形から90°分離されることができる。しかしながら、本具体的角度分離は、要求されない。すなわち、各FOV矩形の具体的場所は、相互に対する接眼レンズ導波管の種々の領域のレイアウトに依存し得る。
スタンスでは、図15Cにおける両矢印を伴う格子ベクトルは、OPE領域1550の作用を図示し、図15D-15Fに示される格子ラインの周期性の方向に沿って指すものである。
は全て、図15Cにおけるk-空間略図のk-空間環内の9時位置の近傍に位置するFOV矩形によって表される状態にある一方、概して、-y-方向に伝搬する、ビームは全て、6時位置の近傍に位置するFOV矩形によって表される状態にある。図15Cから分かるように、1D周期性回折格子から成るOPE領域1550の場合、任意の所与の入力ビームに関して、その入力ビームに対応する光の複製ビームは、OPE領域内で2つのみの方向に進行する(但し、2つの方向は、異なる伝搬角度においてOPE領域に入射する、異なる入力ビームに関して異なるであろう)。
図16Aは、OPE領域ではなく、多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域1650を有する、例示的接眼レンズ導波管1600を図示する。巨視的レベルでは、接眼レンズ導波管1600の図示される実施形態は、図15Aに示される接眼レンズ導波管1500に類似する。入力ビームは、ICG領域1640によって、接眼レンズ導波管1600の中に結合される。回折ビームは、ICG領域1640から、OPE領域に取って代わる、MPE領域1650に向かって、かつそれを通して伝搬する。最後に、MPE領域1650は、光のビームをEPE領域1660に向かって回折し、そこで、それらは、ユーザの眼に向かって外部結合される。ICG領域1640およびEPE領域1660は、図15A-15Gに関して説明される接眼レンズ導波管1500内の対応する領域と同一方法で機能するように設計されてもよい。しかしながら、MPE領域1650は、光をより多くの方向に回折するという点で、OPE領域1550と明確に異なる。本特徴は、有利には、EPE領域1660内の光ビームの分布における周期的均一性を減少させ、これは、ひいては、EPE領域をより均一に照明させることができる。
とによって遂行されることができる。
おけるkz-軸上に中心合わせされる、FOV矩形によって表される。ICG領域1640は、次いで、それらが、誘導され、k-空間環の9時位置の近傍に位置するFOV矩形の中心点に対応する伝搬方向の周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有するように、入力ビームを回折する。
および出力角度を伴って挙動するであろう。
には、EPE領域1660を照明する、光のビーム1665間に多くの異なる間隔が存在する。また、実際、光ビーム1665間の任意の可能性として考えられる間隔は、MPE領域1650内の十分な数の相互作用を通して達成されることができる。図16Kに示されるように、これは、EPE領域1660のより多くの均一照明をもたらし得る。
けられた性質を破壊するための試みにおいて行われる。図16Mにおける第2および第3の行は、2つの異なるタイプのディザリングを伴う、接眼レンズ導波管1500の性能を図示する。これらの導波管に関して投影された画像の水平断面から分かるように、高空間周波数変動が、依然として、存在する。さらに、これらのディザリングされた実施形態に関する点拡がり関数は、ある場合には、45弧分ものはるかに大量のぼけを示す。
(H+G)を含む。図17Aは、一次格子ベクトルおよび2D回折格子と関連付けられたその重畳のみを図示するが、高次格子ベクトルもまた、存在してもよい。
図18Aは、ICG領域1840と、2つの直交瞳エクスパンダ(OPE)領域1850a、1850bと、射出瞳エクスパンダ(EPE)領域1860とを伴う、例示的接眼レンズ導波管1800を図示する。図18Aはまた、k-空間内の接眼レンズ導波管1800のこれらのコンポーネントのそれぞれの効果を図示する、k-空間略図を含む。接眼レンズ導波管1800のICG領域1840、OPE領域1850a、1850b、およびEPE領域1860は、入力ビームを接眼レンズ導波管1800の中に結合し、誘導モードを介して伝搬し、空間的に分散された様式においてビームを複製し、複製ビームを接眼レンズ導波管から出射させ、ユーザの眼に向かって投影させる、種々の回折特徴を含む。特に、接眼レンズ導波管1800は、入力ビームを複製するための複数の明確に異なるおよび/または非連続的領域を含む。これらの明確に異なる領域からの複製ビームは、共通射出瞳領域内で再度組み合わせられることができる。
格子の効果は、k-空間略図KSD3bに示されるように、FOV矩形をk-空間環内の3時位置から6時位置に平行移動させることになる。KSD3aおよびKSD3b内の平行移動されたFOVは、k-空間環の6時位置では、同一場所にある。したがって、各入力ビームのパワーは、ICG領域1840によって、+1および-1回折次数に分裂され、それらの明確に異なる回折次数は、接眼レンズ導波管1800を通して、異なる経路を進行するが、それらは、それでもかかわらず、同一伝搬角度を伴ってEPE領域1860に到着する。これは、接眼レンズ導波管1800を通して異なる伝搬経路を追従する、各入力ビームの別個の回折次数が、最終的には、同一角度を伴ってEPE領域1860から出射し、したがって、投影された画像内の同一点を表すことを意味する。
トの複製光ビーム1862を図示する。しかし、この場合、EPE領域1860から出射する複製出力ビーム1862は、右から左に進行する。言い換えると、複製出力ビーム1862は、-x-方向における成分を伴う伝搬方向を有する。複製出力ビーム1862の本伝搬角度は、図18Bから導き出されるものの反対観察につながる。すなわち、右/左に伝搬する出力ビーム1862に関して、EPE領域1860の右側部分から出射するビーム(実線を用いて図示される)は、眼210と交差する傾向が強い一方、EPE領域の左側部分から出射する、それらの光ビーム(破線を用いて図示される)は、眼を逸失する傾向が強い。
図19は、拡張視野を伴う接眼レンズ導波管1900の実施形態を図示する。接眼レンズ導波管1900は、ICG領域1940と、左OPE領域1950aと、右OPE領域1950bと、EPE領域1960とを含む。巨視的レベルでは、図19に示される接眼レンズ導波管1900は、図18Aに示される接眼レンズ導波管1800と同じであることができる。しかしながら、接眼レンズ導波管1900内の回折特徴のうちのいくつかは、少なくとも1つの寸法において増加された視野を可能にする特性を伴って、設計されることができる。これらの特徴は、図19に示されるk-空間略図によって図示される、接眼レンズ導波管1900のk-空間作用に基づいて、明確に理解されることができる。
め、これは、接眼レンズ導波管の水平視野が増加されることを意味する。屈折率1.8を伴う接眼レンズ導波管(空気によって囲繞される)の場合、図18Aに示される接眼レンズ導波管1800は、概して、45°×45°のFOVを達成することが可能である一方、図19に示される接眼レンズ導波管1900は、最大90°×45°のFOVを達成することが可能であるが、接眼レンズ導波管のいくつかの実施形態は、アイボックス体積の典型的設計制約を満たし(FOVの一部を接眼レンズ導波管の両側に送出し、適正に定寸されたアイボックスを提供することが有利であり得る)、疎らに離間された出力ビームから生じる網戸アーチファクトを回避するように、約60°×45°のより小さいFOVのために設計されてもよい。接眼レンズ導波管1900の視野を拡張させるための技法は、拡張された水平視野のコンテキストにおいて説明されるが、同一技法はまた、接眼レンズ導波管1900の垂直視野を拡張させるためにも使用されることができる。さらに、後の実施形態では、類似技法は、接眼レンズ導波管の水平および垂直視野の両方を拡張させるために示される。
しながら、6時位置では、kx方向におけるビームの広がりは、その場所では、kx方向がk-空間環の方位角方向に対応するため、導波管の面内方向における物理的広がりに対応する。
。
少なくとも95%、相互に重複する。
のFOVを表す。図示されるように、本特定の実施形態では、FOV矩形のkx寸法は、k-空間環の幅より大きい。
のk-空間作用を図示するように導き出され得る。そのk-空間略図は、MPE領域2050内の2D回折格子が、それらのビームを、図20D、20E、および20Fにおけるk-空間略図の環内の3時、6時、および9時位置におけるFOV矩形によって表される状態に回折するであろうことを示すであろう。
ムを外部結合しない。
めに要求される、ビームは全て、存在し、接眼レンズ導波管2000から投影される。
、および概して、-y-方向(すなわち、6時位置におけるFOV矩形によって表されるように)におけるビームの伝搬を許容する。回折ミラー2070は、ビームをこれらの同一伝搬状態のうちの1つに回折するように設計されることができる。
表面2100bとを有する。さらに下記に議論されるように、異なる回折特徴は、接眼レンズ導波管2100の反対表面2100a、2100b上または内に形成されることができる。接眼レンズ導波管2100の2つの表面2100a、2100bは、図21Aでは、x-y平面において相互に対して変位されるように図示される。しかしながら、これは、例証目的のためだけのものであって、各表面上または内に形成される異なる回折特徴を示すことが可能である。第1の表面2100aおよび第2の表面2100bは、x-y平面において相互に整合されることを理解されたい。加えて、MPE領域2150およびEPE領域2160は、同一サイズであって、x-y平面において正確に整合されるように図示されるが、他の実施形態では、それらは、幾分異なるサイズを有してもよく、部分的に不整合にされてもよい。いくつかの実施形態では、MPE領域2150およびEPE領域2160は、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、または少なくとも95%、相互に重複する。
その周期性軸が2つのICG領域2140a、2140bのものに直交する、回折格子を含むことができる。図21AにおけるMPE領域2150およびEPE領域2160の作用はまた、図21B-21Dに示されるように、図20AにおけるMPE領域2050およびEPE領域2060のものに類似することができる。
第1のサブ部分と関連付けられた光のビームが全て、必ずしも、その特定の伝搬状態に存在するわけではないことを意味する。
の右側部分である。FOV矩形の陰影付き部分の中心は、k-空間略図の原点から+kx-方向にオフセットされるため、第2のプロジェクタからの第2の入力ビームのセットは、正確に-z-方向に伝搬するビームを中心として(FOV矩形の陰影付き部分がk-空間略図の原点を中心として中心合わせされる場合に該当するであろう)ではなく、むしろ、+x-方向に伝搬成分を伴う斜ビームを中心として中心合わせされる。
行移動されると、FOVの第2のサブ部分を構成する、第2のセットのビームは全て、存在し、ユーザの眼に向かって投影される。
って図示されるように、双眼FOV構成では、第1のプロジェクタ2120a(こめかみ側)は、双眼FOVの中央部分を投影するために使用されることができ、第2のプロジェクタ2120b(鼻側)は、双眼FOVの側面を投影するために使用されることができる。
空間内の±ky-方向に平行移動される。両場合において、ICG領域2240a、2240bによって接眼レンズ導波管2200の中に内部結合された後、入力ビームは、k-空間環の12時および6時位置における平行移動されたFOV正方形によって表される伝搬状態にある。KSD1aおよびKSD1bの両方に示されるように、これらの位置におけるFOV正方形は、それらがk-空間環内に全体的に適合しないため、切頂される。12時位置におけるFOV正方形の陰影付き下側部分に対応するそれらのビームのみが、誘導伝搬モードに入る。一方、6時位置におけるFOV正方形の陰影付き上側部分に対応するそれらのビームのみが、誘導伝搬モードに入る。
OV正方形の中心が、kxおよびky方向の両方において、k-空間環内の同一半径方向場所に平行移動され得るため、相互に対して垂直であることができる。
。本明細書に議論されるように、EPE領域2260は、MPE領域2250cに重複するため、MPE領域内を伝搬する光のビームはまた、EPE領域と相互作用し、接眼レンズ導波管2200から外部結合されることができる。EPE領域2260は、その周期性軸が左ICT領域2240aおよび右ICG領域2240bのものと整合される、回折格子を含む。図示される実施形態では、EPE領域2260のための周期性軸は、±ky-方向を指す。EPE領域2260は、したがって、関連付けられた格子ベクトルを有し、これは、同様に、同一方向を指し、k-空間環の12時および6時位置に位置するFOV正方形をk-空間略図の原点に戻るように平行移動させる。図22Eは、これが生じるとき、FOVの4つのサブ部分が、組み立てられ、完全FOVを再作成することを示す。完全画像FOVを構成するために要求されるビームは全て、存在する。また、FOVの4つのサブ部分は、完全入力FOVにおけるように、相互に対して同一相対的位置を伴ってk-空間内で整合される。
本明細書に説明される接眼レンズ導波管実施形態の多くは、その光学軸が垂直角度でICG領域と交差する、プロジェクタ(または他の画像入力デバイス)と協働するように設計されている。そのような実施形態では、中心入力ビーム(入力画像の中心点に対応する)は、ICG領域上に垂直に入射し、入力画像の上部/底部および左/右部分に対応する入力ビームは、対称角度でICG領域上に入射する。しかしながら、いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管は、角度付けられたプロジェクタ(または他の画像入力デバイス)と機能するように設計されてもよい。図23は、そのような実施形態の実施例を図示する。
向きに伝搬する光のビームに対応する。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子(ICG)領域であって、光の入力ビームを受け取り、入力ビームを基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、ICG領域と、基板上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ(MPE)領域であって、MPE領域は、少なくとも第1の周期性軸および第2の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備え、誘導ビームをICG領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、MPE領域と、基板上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ(EPE)領域であって、回折ビームのうちの1つ以上のものをMPE領域から受け取り、それらを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、EPE領域とを備える。
から少なくとも3つの方向に回折することによって、回折ビームを作成するように構成されてもよい。
セットは、少なくとも部分的に、k-空間環内の4つの異なる角位置にある、少なくとも4つのセットのk-ベクトルと関連付けられる。
作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成されてもよく、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、k-空間環内にあって、4つの異なる角位置に中心合わせされる、少なくとも4つのセットのk-ベクトルと関連付けられる。
のセットは、k-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、第1の誘導ビームのセットおよび第1の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第1の誘導ビームのセットは、接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環内にある、k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第1の非回折ビームのセットは、k-空間環外にある、k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、k-空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ことと、別個の第2の誘導ビームのセットおよび別個の第2の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第2の誘導ビームのセットは、k-空間環内にある、k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第2の非回折ビームのセットは、k-空間環外にある、k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し得る、こととを行うように構成される、ICG領域と、基板上または内に形成される、第1の瞳エクスパンダ領域であって、第1の誘導ビームのセットをICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第1の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第1の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、第2の瞳エクスパンダ領域であって、第2の誘導ビームのセットをICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第2の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第2の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、出射領域は、第1および第2の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、出力ビームは、入力ビームの完全セットを表す、出射領域とを備える。
位置に平行移動させるように、誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域とを備える。
、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子(ICG)領域であって、ICG領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される、回折格子を備え、回折格子は、以下を満たす、周期Λを有し、
り高い回折効率を有してもよい。
うに、入力ビームのセットを回折するように構成されてもよく、第2のICG領域は、それらの少なくとも一部を基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつFOV形状を、少なくともFOV形状の第1および第2のサブ部分がそれぞれ、k-空間環内に完全にある、第1および第2の位置に平行移動させるように、入力ビームのセットを回折するように構成されてもよい。
文脈によって別様に明確に要求されない限り、説明および請求項全体を通して、単語「備える」、「~を備えている」、「~を含む」、「~を含んでいる」、「~を有する」、「~を有している」および同等物は、排他的または包括的意味とは対照的に、包含的意味、すなわち、「限定ではないが~を含む」の意味で解釈されるべきである。単語「結合される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または1つ以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかであり得る、2つ以上の要素を指す。同様に、単語「接続される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または1つ以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかであり得る、2つ以上の要素を指す。文脈に応じて、「結合される」または「接続される」は、光が1つの光学要素から別の光学要素に結合または接続されるような光学結合または光学接続を指し得る。加えて、単語「本明細書で」、「上記で」、「下記で」、「後述の」、「前述の」、および類似意味の単語は、本願で使用されるとき、全体として本願を指すものとし、本願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈によって許容される場合、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語はまた、それぞれ、複数形または単数形を含んでもよい。単語「または」は、2つ以上のアイテムのリストを参照する場合、包含的(排他的では
なく)「または」であって、「または」は、以下の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムの全て、およびリスト内のアイテムのうちの1つ以上のものの任意の組み合わせを網羅し、リストに追加される他のアイテムを除外しない。加えて、冠詞「a」、「an」、および「the」は、本願および添付の請求項において使用される場合、別様に規定されない限り、「1つ以上の」または「少なくとも1つ」を意味すると解釈されるべきである。
Claims (37)
- 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、k-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、
第1の誘導ビームのセットおよび第1の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第1の誘導ビームのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環内にある、前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第1の非回折ビームのセットは、前記k-空間環外にある、前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ことと、
別個の第2の誘導ビームのセットおよび別個の第2の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第2の誘導ビームのセットは、前記k-空間環内にある、前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第2の非回折ビームのセットは、前記k-空間環外にある、前記k-ベクトルの平行移動サブセットに対応する、ことと
を行うように構成される、ICG領域と、
前記基板上または内に形成される第1の瞳エクスパンダ領域であって、前記第1の瞳エクスパンダ領域は、前記第1の誘導ビームのセットを前記ICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第1の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第1の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または内に形成される第2の瞳エクスパンダ領域であって、前記第2の瞳エクスパンダ領域は、前記第2の誘導ビームのセットを前記ICG領域から受け取るように位置付けられ、それらを第2の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第2の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記第1および第2の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、前記出射領域は、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、前記出力ビームは、前記入力ビームの完全セットを表す、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。 - 前記第1の誘導ビームのセットは、前記ICG領域の正の回折次数に対応し、前記第2の誘導ビームのセットは、負の回折次数に対応する、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルの平行移動サブセットは、前記k-空間環内の第1の位置に位置し、前記第2の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルの平行移動サブセットは、前記第1の位置と反対の前記k-空間環内の第2の位置に位置する、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1および第2の位置の中心点は、180度分離される、請求項3に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の瞳エクスパンダ領域および前記第2の瞳エクスパンダ領域は、それぞれ、前記第1の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのサブセットおよび前記第2の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのサブセットを前記k-空間環内の隣り合った位置に平行移動させるように構成される、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の誘導ビームのセットおよび前記第2の誘導ビームのセットはそれぞれ、個々に、前記入力ビームのサブセットのみを表すが、集合的に、前記入力ビームの完全セットを表す、請求項5に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の瞳エクスパンダ領域および前記第2の瞳エクスパンダ領域は、それぞれ、前記第1の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのサブセットおよび前記第2の誘導ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのサブセットを前記k-空間環内の重複位置に平行移動させるように構成される、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の誘導ビームのセットおよび前記第2の誘導ビームのセットはそれぞれ、個々に、前記入力ビームのサブセットのみを表すが、集合的に、前記入力ビームの完全セットを表す、請求項7に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環の幅より大きい、k-空間内の第1の寸法を有する、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の寸法は、前記k-空間環の幅の最大2倍の大きさである、請求項9に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1の寸法は、少なくとも60度の視野に対応する、請求項9に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットと関連付けられた前記k-ベクトルのセットは、前記k-空間環の幅より大きくない第2の寸法を有する、請求項9に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられる、請求項9に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1および第2の瞳エクスパンダ領域は、直交瞳エクスパンダ(OPE)領域を備える、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記出射領域は、射出瞳エクスパンダ(EPE)領域を備える、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのそれぞれは、コリメートされ、5mm以下の直径を有する、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第1および第2の瞳エクスパンダ領域は、前記出射領域に重複しない、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成される、請求項18に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットの中心ビームは、前記ICG領域上に垂直に入射する、請求項1に記載の接眼レンズ導波管。
- 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、k-空間内の視野(FOV)形状を形成する、k-ベクトルのセットと関連付けられ、前記FOV形状は、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環の幅より大きい、k-空間内の第1の寸法を有し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ことと、
前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記FOV形状を前記k-空間環内の第1の位置および第2の位置の両方に平行移動させるように、前記入力ビームを回折することであって、前記第1の位置では、前記FOV形状の一部は、前記k-空間環外にあり、前記FOV形状の第1のサブ部分のみが、前記k-空間環内にあり、前記第2の位置では、前記FOV形状の一部は、前記k-空間環外にあり、前記FOV形状の第2のサブ部分のみが、前記k-空間環内にある、ことと
を行うように構成される、ICG領域と、
前記基板上または内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、前記FOV形状の前記第1および第2のサブ部分を、完全FOV形状が組み立て直される、前記k-空間環内の第3の位置に平行移動させるように、前記誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。 - 前記基板上または内に形成される出射領域をさらに備え、前記出射領域は、前記複数の瞳エクスパンダ領域によって回折される前記ビームを受け取り、それらを、前記光学的に透過性の基板から、前記入力ビームの完全セットを表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記k-空間環内の前記第1および第2の位置では、前記FOV形状の前記第1の寸法は、前記k-空間環の半径方向に延在する、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記k-空間環内の前記第3の位置では、前記FOV形状の前記第1の寸法は、前記k-空間環の方位角方向に延在する、請求項23に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記FOV形状は、前記k-空間環の幅より小さい、k-空間内の第2の寸法を有し、前記k-空間環内の前記第1および第2の位置では、前記FOV形状の前記第2の寸法は、前記k-空間環の方位角方向に延在する、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記k-空間環内の前記第3の位置では、前記FOV形状の前記第2の寸法は、前記k-空間環の半径方向に延在する、請求項25に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記FOV形状は、FOV矩形を備える、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記FOV形状の前記第1および第2のサブ部分は、重複しない、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記FOV形状の前記第1および第2のサブ部分は、重複する、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記第3の位置は、前記k-空間環内で半径方向に中心合わせされる、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットの中心ビームは、前記ICG領域上に垂直に入射する、請求項21に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記入力ビームのセットは、k-空間内のk-ベクトルのセットと関連付けられ、前記k-ベクトルのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたk-空間環の幅より大きい、k-空間内の第1の寸法を有し、前記k-空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたk-空間内の領域に対応する、ICG領域と、
前記基板上または内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記誘導ビームを前記ICG領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、前記入力ビームの完全セットを表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。 - 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または内に形成される入力結合格子(ICG)領域であって、前記ICG領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される、回折格子を備え、前記回折格子は、
基板上または内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記ビームを前記ICG領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、完全入力画像を表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。 - 前記入力ビームのセットは、少なくとも1つの方向に、全内部反射を受け得る、前記光学的に透過性の基板の厚さ方向における角度の範囲を上回る、角度広がりを有する、請求項33に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記入力ビームのセットの前記角度広がりは、全内部反射を受け得る、前記光学的に透過性の基板の厚さ方向における前記角度の範囲を最大2倍上回る、請求項34に記載の接眼レンズ導波管。
- 前記ICG領域は、前記入力ビームを正の回折次数および負の回折次数に回折するように構成される、請求項33に記載の接眼レンズ導波管。
- 第1の瞳エクスパンダ領域は、前記正の回折次数に回折される前記入力ビームを受け取るように位置付けられ、第2の瞳エクスパンダ領域は、前記負の回折次数に回折される前記入力ビームを受け取るように位置付けられる、請求項36に記載の接眼レンズ導波管。
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