JP2022517796A

JP2022517796A - 小型ホモジナイザーを有する画像装置

Info

Publication number: JP2022517796A
Application number: JP2021541178A
Authority: JP
Inventors: 雄司油川; 美木子中西; 一興市川; フサオイシイ
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2022-03-10
Also published as: CN114026483A; US11598971B2; WO2020150753A1; US20200192111A1

Abstract

従来のプリズム型反射鏡として、距離をおかずに光を反射するフレネルミラーを用いた眼鏡型ディスプレイを実現する、投影ディスプレイ用小型光源を開示する。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は非仮出願であり、２０１９年２月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／８０９，４５７号の優先日を主張する。本出願は、２０１９年１月１９日に出願された米国特許出願第１６／２５２，２６７号の一部継続出願である。米国仮特許出願第１６／２５２，６２７号は、２０１６年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／４９３，０７７号の非仮出願である、２０１７年６月２１日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１７／３８５２３号の一部継続（ＣＩＰ）出願である。

本発明は、画像投影用ウェアラブル表示システムの照明システムを有する画像装置に関する。より詳細には、本発明は、非常に小型のフォームファクタを有するウェアラブルディスプレイに適した、非常に小型の照明器を有する画像装置に関する。

ウェアラブルディスプレイは、ハンズフリーで操作できるだけでなく、それを身につけている人に通常の視覚と同じ距離で画像を見せることができるという利点がある。しかしながら、頭部装着型ディスプレイ（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（ｈｅａｄｕｐｄｉｓｐｌａｙ）、眼鏡型ディスプレイ（ｅｙｅｇｌａｓｓｔｙｐｅｄｉｓｐｌａｙ）等の従来のニアアイディスプレイ（ｎｅａｒｅｙｅｄｉｓｐｌａｙ）は、重すぎたり、大きすぎたり、暗すぎることが多く、満足のいくウェアラブルディスプレイソリューションを見る者に提供していない。よって、高輝度、高解像度および透視性光路（ｓｅｅ－ｔｈｒｏｕｇｈｖｉｅｗｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈ）を有する軽量で小型なウェアラブル表示装置を提供することが強く望まれている。

新しいウェアラブル装置は、妥当なより低いコストで製造することができ、大きな画像を表示できることがさらに望ましい。そのようなウェアラブル装置を装着していることを表面上、他人に気づかれることなく、密かに身に着けられることがさらに望ましい。ＬＥＤおよびレーザ光源を実装する表示システムは、光強度の不均一な分布に伴う技術的問題を有しており、通常、ホモジナイザーが画像の均一な輝度を提供するために必要である。３つの異なる有色光源が、表示装置上に投影する前に、結合して単一の光線になることが必要である。小型の眼鏡型ディスプレイを可能にするためには、ホモジナイザーおよび結合器の両方を有する非常に小型のシステムが必要である。過去にいくつかのシステムが提案されている。

図１に示すように、Ｔａｋｅｄａらは、米国特許第８７１１４８７号明細書において、透視機能を実装する眼鏡型表示システムを開示している。このシステムは、導波路とハーフミラーを有する。このシステムには、ディスプレイとして透過型ＬＣＤが組み込まれており、照明システムは、光源からの光を拡散するバックライト型光導波路である。このシステムは透過型ＬＣＤに適しているが、ＬＣＯＳやＤＭＤなどの他の表示装置に適しているとは限らない。

図２および図２Ａに示すように、Ｔａｋａｈａｓｈｉらは、米国特許出願公開第２０１３／００２１５８１号明細書において、小型軽量化のための照明器およびディスプレイを開示している。このシステムは、ＬＥＤおよびレーザ（１１）などの多色光源と、コリメートするためのマイクロレンズ（１１６）と、図２Ａに示すように光線を結合するための複数のダイクロイックミラー（１１７）と、ＬＣＯＳ（１７）と垂直な方向に配置された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ、１６）とを備える。このシステムが眼鏡型ディスプレイに使用され、眼鏡のつるに埋め込まれる場合、この照明器は眼鏡のつるから突き出る。図２において、ＬＥＤ（１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒ）からの光線は、集光レンズ（１４）およびマイクロレンズアレイ（１５）によって集光され、ＰＢＳ（１６、偏光ビームスプリッタ）に導かれ、次いで、レンズセット（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）によってカバーガラス（３０）を通して集束される。図２Ａにおいて、光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）は光線（Ｌｒ、Ｌｇ、Ｌｂ）を放射し、前記光線はフレーム（１１６ｓ）によって保持されたコリメーションレンズ（１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６）によってコリメートされ、コリメートされた光線はフィルタ（１１８）を介してミラー（１１７ｃ）およびダイクロイックミラー（１１７ａ、１１７ｂ）によって反射される。

図３に示すように、Ｋａｔｓｕｍａｔａらは、特開２０１３－１９５６０３号公報において、平面光波回路（ＰＬＣ）を開示している。レーザダイオードからの光線は光導波路に導かれ、光波の光エネルギーは特定の条件下で隣接する光導波路に伝達される。この方法は、レーザ光源の結合器に適しており、大きな将来性を有するが、大量生産にはさらなる研究を必要とする。図３はＫａｔｓｕｍａｔａらにより開示された図である。特開２０１３－１９５６０３号公報には、平面光波回路（１０、２２０、ＰＬＣ）が開示されている。レーザダイオードからの光線は、光導波路および光波の光エネルギーへ導かれる。これも、複数の光を一つに結合する方法の一つである。レーザ光線は、光ファイバ（１０１、１０２、１０３）の開口部（１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ）から入射する。光線は、積分器（１１０、１２０、１３０）および位相コントローラ（１４０）で積分される。

この画像タイプは、超小型の平型ホモジナイザーおよび拡散器である。このタイプは、フレネルレンズ導波路、表示装置および立方体のPBSを含む。このタイプの小型ディスプレイは、ウェアラブルディスプレイに適している。

Ｔａｋｅｄａらによって示されたシースルーディスプレイの構造を示す図であり、米国特許第８７１１４８７号に開示されている。ＬＣＤ表示パネル用照明器としては、バックライトモジュールを用いた。Ｔａｋａｈａｓｈｉらによって示された図である。米国特許出願公開第２０１３／００２１５８１号明細書では、エキスパンダレンズおよびマイクロレンズと呼ばれるものが、ＰＢＳに光を提供するために使用される。Ｔａｋａｈａｓｈｉらによって示された図である。米国特許出願公開第２０１３／００２１５８１号明細書では、エキスパンダレンズおよびマイクロレンズと呼ばれるものが、ＰＢＳに光を提供するために使用される。Ｋａｔｓｕｍａｔａらにより開示された図である。特開２０１３－１９５６０３号公報には、平面光波回路（ＰＬＣ）が開示されている。レーザダイオードからの光線は、光導波路および光波の光エネルギーへ導かれる。これも、複数の光を一つに結合する方法の一つである。好ましい実施形態に係る画像装置１００１の断面図である。好ましい実施形態に係る透明導波路１０３１の詳細な断面図である。本発明を用いた眼鏡型ディスプレイの例を示す図である。本発明の他の例を示す図である。光源１００１から放射された光は、ホモジナイザー１００５の内部を伝播し、上面および底面の両方による全反射（ＴＩＲ）により反射され、フレネルミラー（１００８）の面によって外部に反射される。本発明の他の例を示す図である。光源（１００１）から放射された光は、ホモジナイザー（１００５）の内部を伝播し、ＴＩＲにより反射される。他端面（１０１０）では、内部光を反射して戻し、二方向フレネルミラーの面で出力を増大させる。本発明の他の例を示す図である。光源（１００１）から放射された光は、ホモジナイザー（１００３）により、プリズムセット（１００５、１００６）に向けて反射される。プリズムセット（１００５、１００６）はしばしば、ＴＩＲプリズムと呼ばれる。前記ＴＩＲプリズムによって反射された光は、表示装置（１００８）に導かれ、前記ＴＩＲプリズムを通して反射される。

図４は、好ましい実施形態１に係る画像装置１００１の断面図である。画像装置１００１は、頭部装着型ディスプレイまたは眼鏡型ディスプレイに組み込まれて、図６に示すように画像を形成する。図５は、好ましい実施形態に係る透明導波路１０３１の詳細な断面を示す。

画像装置１００１は、光源１０１１、レンズ１０２１、透明導波路１０３１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４１および表示装置１０５１からなる。

また、光源１０１１は、３色ＲＧＢのＬＥＤからなる光源１０１１を有する光源である。可視光は、ＲＧＢ光である。また、光源１０１１は、連続した色スペクトル光を照射してもよい。

導波路１０３１は、ホモジナイザーおよび拡散器としての機能を有する。導波路１０３１において、光源１０１１から照射された可視光は、レンズ１０２１を通って導波路の端部１０３２から入射する。導波路１０３１は、複数のフレネルレンズ表面１０３３を有する。端部１０７１ｃから入射した可視光は、フレネルレンズ表面１０３３（鋸形状）で反射する。光１０７１ａは光１０７２ａとして反射する。光１０７１ｂは光１０７２ｂとして反射する。光１０７１ｃは光１０７２ｃとして反射する。光１０７１ａ、１０７１ｂおよび１０７１ｃの光軸中心は互いに平行ではない。しかし、フレネルレンズ表面１０３３での反射により、光１０７２ａ、１０７２ｂおよび１０７２ｃの光軸中心は互いに平行となる。そして、光１０７２ａ、１０７２ｂおよび１０７２ｃは導波路表面１０３４を出る。

ＰＢＳ１０４１は、内部偏光板面１０４２を有する立方体状の構造である。光１０７２ａ、１０７２ｂおよび１０７２ｃは、内部偏光板面１０４２で反射し、光１０７３ａ、１０７３ｂおよび１０７３ｃとして表示装置１０５１に到達する。

表示装置１０５１は、シリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）からなる画像生成装置である。表示装置１０５１は、回路基板１０６１上に設置される。光１０７３ａ、１０７３ｂおよび１０７３ｃは、ＬＣＯＳに照射される。ＬＣＯＳは、回路基板１０６１上に画像を形成するように制御される。そして、前記画像に対応する光１０７４ａ、１０７４ｂおよび１０７５ｃを反射する。光１０７４ａ、１０７４ｂおよび１０７４ｃはＰＢＳ１０４１に入射し、内部偏光板面１０４２を通って、ＰＢＳ１０４１を出る。光１０７４ａ、１０７４ｂおよび１０７５ｃは、頭部装着型ディスプレイを構成する他の光学システムを通して、人の目に画像を写す。表示装置１０５１は、液晶表示装置（ＬＣＤ）またはマイクロミラーデバイスである。

図６に本発明の例を示す。光源（１０８４）は、レンズ（１０８３）を通して、本発明のホモジナイザー（１０７７）に光を放射する。ホモジナイザー（１０７７）は、ＰＢＳ（１０７１）に、光を一様な分布で出力する。ＰＢＳは、入射光を表示装置（１０７４）に反射し、前記表示装置は、ＰＢＳを通して光をレンズセット（１０８５）に反射し、画像を導波路（１０８６）に投影し、その光は前記導波路内を内部全反射（ＴＩＲ）しながら伝搬し、見る者の目（１０８９）に反射する。

上記構成により、平型ホモジナイザーとして働く極めて超平型導波路により、平行な単色光をＰＢＳへ照射できる。したがって、透明な光路を用いて、高輝度および高解像度を有する小型のウェアラブル表示装置を提供することができる。

図５は、ホモジナイザー（１０３１）の片側にフレネルミラーを用いたホモジナイザーの実施形態の例を示し、光源からの光線は、ＴＩＲせずに次のターゲットに直接反射される。

図７は、ホモジナイザーの本発明の実施形態の例を示し、入射光は、ＴＩＲにより内部反射して、外部へ反射する。

図８は、実施形態の他の例を示し、上面および底面で反射し、さらに、側端面で反射された入射光を、二方向フレネルミラーによって反射する。

図９は、本発明の例であり、ホモジナイザーから出力された光は、プリズム（ＴＩＲプリズム）セットに導かれ、表示装置で投影レンズセットに向かって反射する。

Claims

１）複数の可視光の波長を持つ光を照射する光源と、
２）端部からの入射光をフレネルミラー表面で反射するフレネルレンズ面を有する透明導波路と、
３）前記導波路から放射された光を入射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
４）反射光がＰＢＳに導入され、内部偏光板面が入射光を表示装置の表面に向けて反射し、入射光の偏光を変化させてＰＢＳに向けて反射する表示装置とを有する、
ことを特徴とする画像装置。
請求項１において、
前記表示装置が、ＬＣＯＳ、ＬＣＤまたはマイクロミラーデバイスである、
ことを特徴とする画像装置。
請求項１において、
入射光は、フレネルミラーで直接反射されるか、または内部全反射により導波路の平坦面で反射される、
ことを特徴とする画像装置。
請求項１において、
前記光源は、３色ＲＧＢのＬＥＤからなる、
ことを特徴とする画像装置。
請求項１において、
前記光源は、連続した色スペクトル光を照射する、
ことを特徴とする画像装置。
１）複数の可視光の波長を持つ光を照射する光源と、
２）端部からの入射光をフレネルレンズ表面で反射するフレネルレンズ面を有する透明導波路と、
３）表示装置と、
４）前記表示装置の表面の法線方向ではない角度で、前記表示装置に向かって光を反射するプリズムセットとを含む、
ことを特徴とする画像装置。
請求項６において、
前記表示装置は、マイクロミラーデバイスである、
ことを特徴とする画像装置。
請求項６において、
入射光は、フレネルミラーで直接反射されるか、または内部全反射により導波路の平坦面で反射される、
ことを特徴とする画像装置。
請求項６において、
前記光源は、３色ＲＧＢのＬＥＤからなる、
ことを特徴とする画像装置。
請求項６において、
前記光源は、連続した色スペクトル光を照射する、
ことを特徴とする画像装置。