JP2023510691A - 回転する導波路とカメラを備えたニアアイディスプレイ - Google Patents

Abstract

ニアアイディスプレイシステムは光学モジュールを含み、この光学モジュールは、コントローラを有する電子モジュールと結合されている。光学モジュールは、バーチャル像を表示するように動作可能な平面導波路と、写真およびビデオを取得するように動作可能なカメラを含む。平面導波路は、光学モジュールを介してカメラと結合されている。これにより、平面導波路を通る第１のビューは、カメラによる第２のビューと同じになるように方向付けられている。

Description

本開示は、一緒に回転するように設けられた平面導波路とカメラを用いた、ニアアイディスプレイシステム、ヘッドマウントディスプレイ等に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）およびバーチャル像ニアアイディスプレイは、軍事、商業、産業、消防、娯楽など、さまざまな用途向けに開発されている。これらの多くの用途では、ＨＭＤの使用者の視野内にある実世界の画像と視覚的に重ね合わせることができるバーチャル像を形成することは、価値がある。バーチャル像を視者の瞳孔に向け、上記重ね合わせ機能を可能にするために、光学画像光ガイドは、狭い空間内において画像担持光を視者に伝送する。

従来のニアアイディスプレイは、バーチャル像を見るために用いることができるが、着用者の環境の視界を少なくとも部分的に妨害する。本明細書で説明するように、ニアアイディスプレイシステムの着用者に表示されるバーアチャル像を見るために平面導波路（例えば、光学画像光ガイド）を用いることができる。この平面導波路は、他のニアアイ表示システムよりも視界を遮らない。

本開示はニアアイディスプレイシステムを提供する。第１の例示的な実施形態では、ニアアイディスプレイシステムは、コントローラを有する電子モジュールと結合された光学モジュールを含む。ここで、光学モジュールは、バーチャル像を表示するように動作可能な平面導波路と、写真およびビデオを取得するように動作可能なカメラを含む。平面導波路は、光学モジュールを介してカメラと結合され、これにより、平面導波路を通る第１のビューは、カメラによる第２のビューと同じになるように方向付けられる。

第２の例示的な実施形態では、ニアアイディスプレイシステムは、バーチャル像を表示するのに適した平面導波路と、環境の画像及び／又はビデオを取得するのに適した少なくとも１つのカメラと、光学モジュールを備えている。この光学モジュールは、カメラを収容し、平面導波路を通るビューの一部がカメラのビューの一部と同じになるように当該モジュールに対して導波路を機械的に固定する。

添付の図面は明細書の一部として組み込まれる。ここに開示された図面は、現在開示されている主題の実施形態を示し、本開示の選択された原理および教示を例示している。
しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、いかなる方法でも本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシステムの平面図である。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシステムの平面図である。

図１Ａのニアアイディスプレイシステムを回転位置で示す平面図である。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシステムの斜視図である。

図３のニアアイディスプレイシステムを回転位置で示す斜視図である。

図３のニアアイディスプレイシステムの側面図である。

図３のニアアイディスプレイシステムを回転位置で示す側面図である。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシステムの正面図である。

図７のニアアイディスプレイシステムの背面図である。

詳細な説明

本発明は、明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の配置およびステップシーケンスを想定し得ることを理解されたい。また、図面に示され明細書に記載された特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書で定義される本発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、同様の参照番号で参照されている。本明細書において、「第１」、「第２」などの用語は、特に指定のない限り。必ずしも順序、や優先関係を示すのではなく、単にある要素または要素の集合を別の要素または要素の集合からより明確に区別するために使用される。

本開示の文脈において、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「使用者」という用語は均等であると見なされ、ディスプレイまたは観察装置を用いて装着し画像を見る人を指す。

本明細書で使用される「セット(set;集合)」という用語は、要素または部材の集合の概念が初等数学で広く理解されているように、空でない集合を指す。「部分集合」という用語は、特に明記しない限り、空でない適切な部分集合、すなわち、より大きな集合のうちの１つまたは複数の要素を有する部分集合を指すために使用される。集合Ｓの場合、部分集合は完全な集合Ｓを含み得る。しかしながら、集合Ｓの「適切な部分集合」は、集合Ｓに厳密に含まれ、集合Ｓの少なくとも１つの要素を除外する。

本開示の文脈において、「斜め」という用語は、９０度の整数倍ではない角度を意味する。たとえば、２つの線、線形構造または平面は、平行から外れて０度より大きく９０度より小さい角度で互いに発散または収束する場合、または直角から外れて０度より大きく９０度より小さい角度をなす場合に、互いに斜めであるとみなされる。

光学の文脈における「カプラ」という用語は、ある光学媒体またはデバイスから別の光学媒体またはデバイスへの光の進行を容易にするための中間構造を指す。

実像投影の代わりに、ＨＭＤなどの光学システムでバーチャル像ディスプレイを作成できる。実像を形成する方法とは対照的に、バーチャル像はディスプレイ面上に形成されない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル像の知覚位置に配置されたと仮定した場合、その面に画像は形成されない。バーチャル像ディスプレイには、拡張現実ディスプレイにとって固有の多くの利点がある。たとえば、バーチャル像の見かけのサイズは、ディスプレイ面のサイズや位置によって制限されない。さらに、バーチャル像のソースオブジェクトは小さくすることができる。たとえば、拡大鏡はオブジェクトのバーチャル像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れて見えるバーチャル像を形成することにより、より現実的な視体験を提供することができる。バーチャル像を提供することにより、実像を投影するときに必要な画面のアーティファクトの補正が不要となる。

バーチャル像を表示するために、画像光ガイドは、プロジェクタなどの光源からの画像担持光を用いることができる。例えば、プロジェクタからの、コリメートされ相対的角度的にエンコードされた光ビームは、入力カップリング回折光学要素等の入力カップリングにより、平面導波路と結合される。この入力カップリングは、平面導波路の表面に取り付けられるか形成され、または平面導波路内に埋められる。このような回折光学要素は、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、またはその他の既知の方法で形成することができる。例えば、回折格子は表面レリーフによって形成することができる。回折光は、導波路に沿って伝搬した後、同様の出力カップリング（出力カップリング回折光学要素等）によって、導波路から出射される。この出力カップリングは、バーチャル像の一次元に沿って瞳孔拡張を提供するように構成することができる。さらに、バーチャル像の直交する次元での瞳孔拡張を提供するために、回転格子を導波路上／導波路内に配置することができる。導波路から出射された画像担持光は、視者に拡張されたアイボックスを提供する。

平面導波路を用いたニアアイディスプレイの装着者は、平面導波路を通して環境を見るとともに、ニアアイディスプレイシステムによって生成されたバーチャル像またはバーチャルビデオ像を、環境と重ね合わせて見る。ある場合には、カメラに環境を見させる利点もある。カメラのビュー（おそらく画像分析ソフトウェアを利用する）は、ニアアイディスプレイシステムの装着者に環境の手がかり（キュー；cues）を表示するために、用いることができる。したがって、カメラのビューを、平面導波路を通した人のビューとアライメントさせることが重要である。例えば、ニアアイディスプレイシステムを快適に装着するために平面導波路が回転するときには、カメラのビューが平面導波路を通した人のビューとアライメントされた状態を維持することが重要である。

図１Ａに示されるように、一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は、電子モジュール１４と光学モジュール１６と平面導波路１８とを備える。マウントモジュール５４は、光学モジュール１６が電子モジュール１４に対して少なくとも一方向に回転することを許容しながら、電子モジュール１４を光学モジュール１６に機械的に固定するように構成される。図１Ａに示されるように、ニアアイディスプレイシステム１２は、人２８に用いられるときに、人２８の右目３４Ａと鼻３０と鼻梁３２の近くに配置される。図１Ｂに示されるように、一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は、左眼３４Ｂのために配置される。

図１Ａ、図１Ｂを引き続き参照すると、一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は、ニアアイディスプレイシステムを操作するための１つまたは複数のボタン４０、４２、４４を含む。ボタン４０、４２、４４は、例えば、ニアアイディスプレイシステム１２をオン、オフにしたり、平面導波路１８によって表示される情報をナビゲートしたり、平面導波路１８によって人２８に表示されるオプションのリストから選択したり、平面導波路１８によって表示される情報の表示特性（例えば、色、明るさ）を変更したり、組み込まれたカメラ７０（図３参照）で写真を撮ったり、カメラ７０でビデオの記録を開始、停止したりするために用いられるが、これら用途に限定されない。

一実施形態では、電子モジュール１４は、無線通信手段（例えば、ブルートゥース及び／又はＷｉＦｉ）を含む。無線通信手段は、１つまたは複数の他の電子デバイスとの無線ローカルエリアネットワーク接続を作成するように動作可能な集積回路及び／又は集積回路チップなどであるが、これらに限定されない。電子モジュール１４はまた、１つまたは複数の電池、または他の電力貯蔵装置を含む。この電力貯蔵装置は、限定されないがリチウムイオン電池（ＬＩＢ）等である。さらに電子モジュール１４は、ワイヤにより他の電子デバイス（例えば、外部電源、外部オーディオシステム等）に接続するための１つまたは複数の電子ポート２０を含む。電子モジュール１４はさらに、中央処理装置（ＣＰＵ）を有するコントローラを含むことができる。このコントローラは、記憶されたコンピュータコードを実行し、センサへ信号を送り、センサから信号を受け取るように動作可能である。センサは、傾斜センサ（例えば、傾斜計）、加速度計、温度センサ、ジャイロスコープ、およびグローバルポジショニングシステム（GPS）受信機を含むが、これらに限定されない。

図３，図７、図８を参照すると、一実施形態において、光学モジュール１６は、１つまたは複数の内蔵カメラ７０と１つまたは複数のポート７２とを含む。ポート７２を通して１つまたは複数の内蔵カメラ７０が環境を見るように動作可能である。光学モジュール１６はまた、写真撮影およびビデオ撮影用のフラッシュを生成するように動作可能なカメラフラッシュライト７４、及び／又はニアアイディスプレイシステム１２を少なくとも部分的に取り囲む環境を照明するための光源を含むことができる。さらに、光学モジュール１６は、平面導波路１８を介して人２８に表示されるべき画像を提供するように動作可能な画像表示ジェネレータ７６を含む。一実施形態では、画像表示ジェネレータ７６は、バーチャル像を生成するために角度的にエンコードされたビームの全範囲を生成するように動作可能な画像プロジェクタである。一実施形態では、ポート７２は、カメラフラッシュ及び／又は光源を少なくとも部分的に収容する。

一実施形態では、平面導波路１８は、光学モジュール１６から取り外し可能である。別の実施形態では、平面導波路１８は、光学モジュール１６から取り外し可能ではない。図１Ａおよび図２を参照すると、第１の位置での平面導波路１８および１つまたは複数の内蔵カメラ７０の向きは、破線６０によって示されている。破線６０は、平面導波路１８の第１、第２の平面と垂直をなして向けられている。

電子モジュール１４は、ピボット５０によってマウントモジュール５４に回転可能／旋回可能に接続されている。一実施形態では、図２に示されるように、マウントモジュール５４と光学モジュール１６は、少なくとも１つの軸を中心にして、電子モジュール１４に対して回転及び／又は旋回することができる。例えば、光学モジュール１６は、ピボット５０のｚ軸（図３参照）を中心に回転するように動作可能である。このようにして、平面導波路１８および１つまたは複数の内蔵カメラ７０は、電子機器モジュール１４に対して回転される。第２の位置での平面導波路１８および１つまたは複数の内蔵カメラ７０の向きが、破線６２によって示されている。破線６２は、平面導波路１８の第１および第２の平面に垂直な線である。破線６０と破線６２の比較により、回転角αが定義される。

光学モジュール１６は、ピボット５２によってマウントモジュール５４に回転可能／旋回可能に連結されている。光学モジュール１６は、ピボット５２を介してマウントモジュール５４に連結されている。一実施形態では、図３～図６に示されるように、光学モジュール１６は、少なくとも１つの軸を中心に、電子モジュール１４およびマウントモジュール５４に対して回転及び／又は旋回することができる。例えば、光学モジュール１６は、ピボット５２のｙ軸を中心に回転するように動作可能である（図４，図５参照）。光学モジュール１６は、ピボット５２を介して、ピボット５０の回転軸に対してほぼ垂直に回転することができる。

ピボット５０とピボット５２は、電力、信号、及び／又はデータが、光学モジュール１６と、ニアアイディスプレイシステム１２のコントローラおよび様々な他のモジュールとの間で送受されることを可能にするための手段を提供する。一実施形態では、ピボット５０とピボット５２は穴を有する。電気接続（例えば、電線）は、少なくとも部分的にこれら穴を通ってピボット５０、５２を通過することができる。このようにして、電子モジュール１４は、マウントモジュール５４および光学モジュール１６に電気的に接続することができる。電子モジュール１４と光学モジュール１６との間の電気的接続は双方向とすることができる。例えば、光学モジュール１６内に少なくとも部分的に配置された１つまたは複数の内蔵カメラ７０からの信号及び／又はデータは、電子モジュール１４に伝送することができる。

本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作成することができる。種々の実施形態が詳細に説明されているが、これらは例として提示されており、限定ではないことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具体化され得ることは、当業者にとって自明なことである。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味および範囲内にあるすべての変更は、そこに含まれることが意図されている。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシステムの斜視図である。

現在開示されている主題の例示的な実施形態に係るニアアイディスプレイシス テムの正面図である。 図８Ａのニアアイディスプレイシステムの背面図である。

図３，図７、図８Ａ、図８Ｂを参照すると、一実施形態において、光学モジュール１６は、１つまたは複数の内蔵カメラ７０と１つまたは複数のポート７２とを含む。ポート７２を通して１つまたは複数の内蔵カメラ７０が環境を見るように動作可能である。光学モジュール１６はまた、写真撮影およびビデオ撮影用のフラッシュを生成するように動作可能なカメラフラッシュライト７４、及び／又はニアアイディスプレイシステム１２を少なくとも部分的に取り囲む環境を照明するための光源を含むことができる。さらに、光学モジュール１６は、平面導波路１８を介して人２８に表示されるべき画像を提供するように動作可能な画像表示ジェネレータ７６を含む。一実施形態では、画像表示ジェネレータ７６は、バーチャル像を生成するために角度的にエンコードされたビームの全範囲を生成するように動作可能な画像プロジェクタである。一実施形態では、ポート７２は、カメラフラッシュ及び／又は光源を少なくとも部分的に収容する。

Claims (7)

1. 光学モジュールと、前記光学モジュールに結合されコントローラを有する電子モジュールとを備え、
   前記光学モジュールは、バーチャル像を表示するように動作可能な平面導波路と、写真およびビデオを取得するように動作可能なカメラとを有し、
   前記平面導波路は、前記光学モジュールを介して前記カメラと結合され、それにより、前記平面導波路を通る第１のビューは、前記カメラによる第２のビューと同じになるように配向される、ニアアイディスプレイシステム。
2. 前記平面導波路と前記カメラは、前記第１および前記第２のビューの前記向きを変えることなく、前記電子モジュールに対して回転可能である、請求項１に記載のニアアイディスプレイシステム。
3. 前記平面導波路が第１の視野を有し、前記カメラが第２の視野を有し、前記第１のビューが前記第１の視野の中心を通って配向され、前記第２のビューが前記第２の視野の中心を通って配向される、請求項１に記載のニアアイディスプレイシステム。
4. 前記光学モジュールと前記電子モジュールとの間に配置された第１ピボットをさらに備え、これにより、前記光学モジュールが前記電子モジュールに対して第１軸を中心に回転可能である、請求項１に記載のニアアイディスプレイシステム。
5. 前記平面導波路は前記電子モジュールに対して第１位置に配置可能であり、前記平面導波路は前記電子モジュールに対して第２位置に配置可能である、請求項４に記載のニアアイディスプレイシステム。
6. 前記電子モジュールと前記光学モジュールとの間に配置されたマウントモジュールをさらに備え、これにより、前記電子モジュールが前記マウントモジュールを介して前記光学モジュールと結合され、
   前記光学モジュールと前記マウントモジュールとの間に配置された第２ピボットをさらに備え、これにより、前記光学モジュールは、前記マウントモジュールおよび前記電子モジュールに対して第２軸を中心に回転可能である、請求項４に記載のニアアイディスプレイシステム。
7. 前記第１軸が前記第２軸と垂直に配向される、請求項６に記載のニアアイディスプレイシステム。

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