JP2022171979A - 射出瞳エクスパンダを伴う光学システムのためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年9月21日に出願され“SYSTEMS AND METHODS
FOR OPTICAL SYSTEMS WITH EXIT PUPIL EXPANDER”と題された米国仮特許出願第62/397,759号の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
光学システムであって、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される、画像投影システムと、
第1の縁と、第2の縁と、前記第1の縁および第2の縁の間に配置される一対の反射表面とを備える導波管であって、前記一対の反射表面は、間隙高さdを有する間隙によって分離され、前記導波管は、屈折率nを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率rを有し、前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管中に結合される、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さd、前記屈折率n、および前記反射率rから成る群から選択される少なくとも1つのパラメータを変動させるように構成される制御システムであって、前記少なくとも1つのパラメータの変動は、前記入力角度θの変動と相関される、制御システムと
を備える、光学システム。
(項目2)
前記画像投影システムは、ある走査レートにおいて放出されるビームの入力角度θを変動させるように構成される、項目1に記載の光学システム。
(項目3)
前記制御システムは、前記走査レートと略等しい変調レートにおいて前記少なくとも1つのパラメータを変調させるように構成される、項目1および2のいずれかに記載の光学システム。
(項目4)
前記制御システムは、前記少なくとも1つのパラメータを変調させるように構成され、前記変調レートは、方程式2ndsinθ=mλが前記入力角度θの全ての値に関して満たされるように構成され、mは、整数であって、λは、前記ビームの波長である、項目1-3のいずれかに記載の光学システム。
(項目5)
前記少なくとも1つのパラメータは、前記複数の波長からの波長である、項目1-4のいずれかに記載の光学システム。
(項目6)
前記少なくとも1つのパラメータは、前記間隙高さdである、項目1-5のいずれかに記載の光学システム。
(項目7)
前記少なくとも1つのパラメータは、前記屈折率nである、項目1-6のいずれかに記載の光学システム。
(項目8)
前記少なくとも1つのパラメータは、前記反射率rである、項目1-7のいずれかに記載の光学システム。
(項目9)
前記画像投影システムは、ファイバを備える、項目1-8のいずれかに記載の光学システム。
(項目10)
前記放出されるビームは、コリメートされる、項目1-9のいずれかに記載の光学システム。
(項目11)
前記複数の波長は、赤色、緑色、および青色スペクトル領域内の波長を含む、項目1-10のいずれかに記載の光学システム。
(項目12)
前記導波管は、音響光学材料を含む、項目1-11のいずれかに記載の光学システム。(項目13)
前記導波管は、圧電材料を含む、項目1-12のいずれかに記載の光学システム。
(項目14)
前記導波管は、電気光学材料を含む、項目1-13のいずれかに記載の光学システム。(項目15)
前記導波管は、微小電気機械システム(MEMS)を備える、項目1-14のいずれかに記載の光学システム。
(項目16)
前記導波管は、前記放出されるビームを拡張および増大させる射出瞳エクスパンダとして構成される、項目1-15のいずれかに記載の光学システム。
(項目17)
前記導波管は、前記ビームを1mmを上回るスポットサイズまで拡張させるように構成される、項目1-16のいずれかに記載の光学システム。
(項目18)
拡張現実(AR)デバイス内に統合される、項目1-17のいずれかに記載の光学システム。
(項目19)
仮想現実(VR)デバイス内に統合される、項目1-18のいずれかに記載の光学システム。
(項目20)
接眼ディスプレイデバイス内に統合される、項目1-19のいずれかに記載の光学システム。
(項目21)
フレーム、1つ以上のレンズ、または耳掛け部のうちの少なくとも1つを備える、アイウェア内に統合される、項目1-20のいずれかに記載の光学システム。
(項目22)
光学システムであって、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される、画像投影システムと、
複数のスタックされた導波管であって、各導波管は、
第1の縁と、第2の縁と、前記第1の縁および第2の縁の間に配置される一対の反射表面とを備え、前記一対の反射表面は、間隙高さdを有する間隙によって分離され、前記導波管は、屈折率nを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率rを有する、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さd、前記屈折率n、および前記反射率rから成る群から選択される、少なくとも1つのパラメータを変動させるように構成される、制御システムと
を備え、前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管の中に結合され、前記少なくとも1つのパラメータの変動は、前記入力角度θの変動と相関される、光学システム。
(項目23)
各導波管は、関連付けられた深度平面を有し、各導波管から放出されるビームは、導波管の関連付けられた深度平面から生じるように現れる、項目23に記載の光学システム。(項目24)
前記複数のスタックされた導波管からの異なる導波管は、異なる関連付けられた深度平面を有する、項目22-23のいずれかに記載の光学システム。
(項目25)
拡張現実(AR)デバイス内に統合される、項目22-24のいずれかに記載の光学システム。
(項目26)
仮想現実(VR)デバイス内に統合される、項目22-25のいずれかに記載の光学システム。
(項目27)
接眼ディスプレイデバイス内に統合される、項目22-26のいずれかに記載の光学システム。
(項目28)
フレーム、1つ以上のレンズまたは耳掛け部のうちの少なくとも1つを備える、アイウェア内に統合される、項目22-27のいずれかに記載の光学システム。
3次元(3D)ディスプレイが、深度の真の感覚、より具体的には、表面深度のシミュレートされた感覚を生成するために、ディスプレイの視野内の点毎に、その仮想深度に対応する遠近調節応答を生成することが望ましくあり得る。ディスプレイ点に対する遠近調節応答が、収束および立体視の両眼深度キューによって決定されるようなその点の仮想深度に対応しない場合、ヒトの眼は、遠近調節衝突を体験し、不安定な結像、有害な眼精疲労、頭痛、および遠近調節情報の不在下では、表面深度のほぼ完全な欠如をもたらし得る。
図4は、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100は、複数の導波管182、184、186、188、190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178を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム100は、図2に示されるシステム80に対応してもよく、図4は、そのシステム80のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、いくつかの実施形態では、導波管アセンブリ178は、図2のディスプレイ62の中に統合されてもよい。
多くの実装では、ARシステムは、ウェアラブルディスプレイシステム80(または光学システム100)に加え、他のコンポーネントを含んでもよい。ARデバイスは、例えば、1つ以上の触知デバイスまたはコンポーネントを含んでもよい。触知デバイスまたはコンポーネントは、触覚をユーザに提供するように動作可能であってもよい。例えば、触知デバイスまたはコンポーネントは、仮想コンテンツ(例えば、仮想オブジェクト、仮想ツール、他の仮想構造)に触れると、圧力および/またはテクスチャの感覚を提供してもよい。触覚は、仮想オブジェクトが表す物理的オブジェクトの感覚を再現してもよい、または仮想コンテンツが表す想像上のオブジェクトまたはキャラクタ(例えば、ドラゴン)の感覚を再現してもよい。いくつかの実装では、触知デバイスまたはコンポーネントは、ユーザによって装着されてもよい(例えば、ユーザウェアラブルグローブ)。いくつかの実装では、触知デバイスまたはコンポーネントは、ユーザによって保持されてもよい。
全内部反射を介して導波管を通して伝搬する内部結合された光を出力するように構成される、導波管(例えば、平面導波管1)を備える、光学システム(例えば、ウェアラブルディスプレイシステム80または光学システム100)は、射出瞳を通してシステムから出射する光線がユーザによって視認され得るように構成される、射出瞳と関連付けられることができる。ユーザの眼の瞳孔サイズより大きい射出瞳は、一部の光を無駄にするが、ユーザの頭部または眼の側方移動においてある程度の公差を可能にする。光学システムはまた、アイボックスと関連付けられることができ、これは、ユーザが、光学システムの全視野(FOV)および/または全分解能を犠牲にせずに、自身の眼を設置し得る、体積に対応する。
によって与えられ、式中、λは、光の波長である。故に、中心スポットのサイズがより小さくなるにつれて、瞳サイズは、より大きくなる。したがって、エアリーパターン(またはPSF)は、光学システムの瞳サイズの測定値を提供することができる。任意の理論に賛同するわけではないが、より大きい瞳サイズを伴うシステムは、より狭いPSFを有する。
種々の技法および方法が、導波管の物理的または光学性質および/または走査入力ビームの波長のうちの1つ以上のものを走査レートの周波数において変動させ、以下に議論される、入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期を動的に達成するために使用されることができる。種々の実施形態では、光学システムは、導波管の物理的または光学性質(例えば、屈折率、導波管の反射表面間の距離)および/または入力ビームの波長のうちの1つ以上のものを制御するように構成される制御システムを備えることができる。制御システムは、フィードバックループを含み、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期を継続的に維持することができる。
上記に議論されるように、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期を維持するために、光学経路長差Γ=2ndcosθは、波長λの整数倍であるべきである。故に、導波管の材料の屈折率が、光学経路長差Γ=2ndcosθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、走査レートの周波数(またはθが変動する周波数)において変動される場合、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期は、全ての入力角度θに関して維持されることができる。図9Aは、走査角度θのコサインに対する導波管の屈折率「n」の変動を示す、グラフを図式的に図示する。図9Aの点901a、901b、および901cは、項2n0dcosθm、2n0dcosθm+1、および2n0dcosθm+2が、それぞれ、mλ、(m+1)λ、および(m+2)λと等しく、mが、整数である、走査角度θm、θm+1、およびθm+2における屈折率値n0を指す。図9Aの点901dは、項
がmλと等しく、mが整数であるような走査角度θm+1における屈折率値
図9Aの点901eは、項
が(m+1)λと等しく、mが整数であるような走査角度θm+2における屈折率値
を有する。図9Aでは、mは、
が
と略等しいような大値を有すると見なされる。2ndcosθが波長λの整数倍である、屈折率「n」の可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図9Aに描写される。2ndcosθが波長λの整数倍である屈折率「n」の他の値も、可能性として考えられる。走査角度θmとθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の走査角度に関して、屈折率の値は、2ndcosθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。屈折率「n」の値の小変化に関して、走査角度θmとθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の屈折率「n」の変動は、図9Aに描写されるように、線形であることができる。種々の実施形態では、屈折率は、基本屈折率の約25%以下の量Δnだけ変動されることができる。基本屈折率は、上記で議論された屈折率値n0に対応することができる。例えば、屈折率は、基本屈折率の約10%以下、約15%以下、約20%以下の量Δnだけ変動されることができる。上記に議論されるように、屈折率の変動は、走査角度θの変動と同期されることができる。別の実施例として、屈折率は、おおよそ0.001~約0.01の量Δnだけ変動されることができる。屈折率の変動は、図9Aに描写されるように、周期的であることができる。
変化は、導波管上に入射する光の波長λと相関されることができる。例えば、入射光の波長λは、限定ではないが、導波管の入射光の変調、非線形性、および/または分散を含む、種々の要因に起因して変動し得る。例えば、種々の実施形態では、入射光の波長λは、変調に起因して、非変調入射光の波長λopticalの約1%~10%の量Δλを変化させることができる。故に、光の材料の屈折率を変動させるように構成される、コントローラは、屈折率が変化されることになる量Δnを計算するとき、入射光の波長λの変化を考慮するように構成されることができる。種々の実施形態では、コントローラは、入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期が達成され得るように、入射光の波長λの変化に基づいて、動的に、入射光の波長λの変化を計算し、屈折率が変化されることになる量Δnを計算するように構成される、フィードバックループを含むことができる。
導波管の種々の実施形態は、反射表面(例えば、導波管710の反射表面712aおよび712b)間の空間(導波管の厚さとも称される)が、固定される必要はないが、代わりに、変動され得るように構成されることができる。例えば、導波管の種々の実施形態では、反射表面(例えば、導波管710の反射表面712aおよび712b)間の空間は、流体または空気によって占有されることができる。導波管は、光学経路長差Γ=2ndcosθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、反射表面の一方または両方を相互に対して移動させ、流体または空気を含む反射表面間の距離および/または空間の厚さを走査レートの周波数(またはθが変動する周波数)において変動させる、コントローラを備えることができる。図9Bは、走査角度θのコサインに対する導波管の反射表面間の間隔「d」の変動を示す、グラフを図式的に図示する。図9Bの点905a、905b、および905cは、項2nd0cosθm、2nd0cosθm+1、2nd0cosθm+2が、それぞれ、mλ、(m+1)λ、および(m+2)λと等しく、mが整数であるような走査角度θm、θm+1、およびθm+2における導波管の反射表面間の間隔d0の値を指す。図9Bの点905dにおける導波管の反射表面間の間隔は、項
が、mλと等しく、mが整数であるような走査角度θm+1における
である。図9Bの点905eにおける導波管の反射表面間の間隔は、項
が、(m+1)λと等しく、mが整数であるような走査角度θm+2における
である。図9Bでは、mは、
と略等しいような大値を有すると見なされる。2ndcosθが波長λの整数倍である、導波管の反射表面間の間隔「d」の可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図9Bに描写される。2ndcosθが波長λの整数倍である、導波管の反射表面間の間隔「d」の他の値も、可能性として考えられる。走査角度θmとθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の走査角度に関して、導波管の反射表面間の間隔「d」の値は、2ndcosθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。導波管の反射表面間の間隔「d」の値の小変化に関して、走査角度θmおよびθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の導波管の反射表面間の間隔「d」の変動は、図9Bに描写されるように、線形であることができる。導波管の反射表面間の間隔「d」は、導波管の反射表面間の基本間隔の約25%以下の量Δdだけ変動されることができる。例えば、導波管の反射表面間の間隔「d」は、導波管の反射表面間の基本間隔の約10%以下、約15%以下、約20%以下の量Δdだけ変動されることができる。別の実施例として、導波管の反射表面間の間隔「d」は、約1ミクロン以下の量Δdだけ変動されることができる。種々の実施形態では、導波管の反射表面間の基本間隔は、上記に議論される間隔d0に対応し得る。
導波管の種々の実施形態は、光学経路長差Γ=2ndcosθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、入射光(例えば、光ビーム701)の波長が走査レートの周波数(またはθが変動する周波数)において変動され得るように構成されることができる。図9Cは、走査角度θのコサインに対する入射光の波長λの変動を示す、グラフを図式的に図示する。図9Cの点910a、910b、および910cは、項2ndcosθm、2ndcosθm+1、および2ndcosθm+2が、それぞれ、mλ0、(m+1)λ0、および(m+2)λ0と等しく、mが整数であるような走査角度θm、θm+1、およびθm+2における波長λ0の値を指す。図9Cの点910dにおける波長λは、項2ndcosθm+1が、mλ0と等しく、mが整数であるような走査角度θm+1における
である。図9Cの点910eにおける波長λは、項
が、(m+1)λ0と等しく、mが整数であるような走査角度θm+2における
である。図9Cでは、mは、
が
と略等しいような大値を有するとみなされる。2ndcosθが波長λの整数倍である、入射光の波長λの可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図9Cに描写される。2ndcosθが波長λの整数倍である、入射光の波長λの他の値も、可能性として考えられる。走査角度θmとθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の走査角度に関して、入射光の波長λの値は、2ndcosθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。入射光の波長λの値の小変化に関して、走査角度θmとθm+1(またはθm+1とθm+2)との間の入射光の波長λの変動は、図9Cに描写されるように、線形であることができる。入射光の波長λは、基本波長の約25%以下の量Δλだけ変動されることができる。例えば、入射光の波長λは、基本波長の約10%以下、約15%以下、約20%以下の量Δλだけ変動されることができる。別の実施例として、入射光の波長λは、約1nm~約10nmの量Δλだけ変動されることができる。種々の実施形態では、基本波長は、上記に議論される波長λ0に対応し得る。
位相同期はまた、上記に議論される動的アプローチのいずれかを使用せずに達成されることができる。例えば、導波管は、複数のホログラフィック構造を備えることができ、複数のホログラフィック構造はそれぞれ、入射角度毎に、位相同期出力を提供する。故に、位相同期出力は、導波管の反射表面間の間隔、導波管の屈折率、または入射光の波長を入力ビームの走査レートにおいて能動的に同時変調させずに、入力ビームの入射角度が変動するにつれて取得されることができる。
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