JP2023537911A - ニアアイ像投影システム及びニアアイ像投影システムを備える着用可能な装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のニアアイ像投影システム及びニアアイ像投影システムを備える着用可能な装置を提供する。【解決手段】本発明は、複数の入射光ビームを生成するピン光源と第１平面にてピン光像を形成する複数の変調光ビームを生成する空間光変調器と、第３平面にて、入射光ビームをピン光源から空間光変調器へ運ぶ照明光学系と、第４平面にて、変調光ビームを投影軸線に沿って、第１平面に平行な第２平面内のアイボックス領域へ運ぶ、結像光学系とを備える、ニアアイ投影システムである。第３及び第４平面は第１平面に対して実質平行である。照明光学系は、第１平面から第２平面への第１光路と、第３平面から第４平面への第２光路とを画定している。結像光学系は、第２平面から第１平面への第３光路と、第１平面から第２平面への第４光路とを画定している。前述のニアアイ投影システムを備える着用可能な装置も記載されている。

Description

本発明は、小型の形状要因を持つニアアイ画像投影システムに関する。本発明はさらに、拡張現実や複合現実又はスマートグラスのような、前述のニアアイ画像投影システムを備える着用可能な装置に関する。より詳細には本発明は、ニアアイライトフィールド投影システムに関する。ニアアイライトフィールド投影システムは、視野形成能力を備えられる。

空間光変調器（ＳＬＭ）による構造化入射光の順次空間光変調によるライトフィールド像投影は、典型的には、光源からの光源光が、構造化入射光の、したがって投影されたライトフィールド像の必要な特性を達成するのに十分な体積の透明媒体によって分離されたいくつかの光学要素により形作られることが求められる。このような配置は、スマートグラスのような着用可能な装置など、小さな形状要因が要求される用途での使用には適さない、よりかさばる装置をもたらす。より短い焦点距離を持つレンズ、自由形状光学系などのより高出力の光学要素を使用することによって光学系を縮小することは、依然として光伝搬のためかなりの体積を要するか、又は照明光構造の、したがって投影画像の品質低下、及び歪み、収差、回折のような光学的アーチファクトによる、より基準の高い補償要件によって不利になる。

特許文献１（ＥＰ３５４２２０６Ａ１）は、構造光の順次空間光変調によるライトフィールド投影の方法を開示している。特許文献２（ＷＯ２０２０１５７５６２Ａ１）は、ライトフィールド投影システムと異なるタイプの結合器の組み合わせのいくつかの方法を開示し、特許文献３（ＵＳ２０１９０２８５８９７Ａ１）は、反射結合器と組み合わせて導波部を有する画像瞳孔拡大を使用する装置を開示している。

欧州特許出願公開第３５４２２０６号明細書 国際公開第２０２０／１５７５６２号 米国特許出願公開第２０１９／０２８５８９７号明細書

本開示は、
複数の入射光ビームを生成するピン光源と、
前記複数の入射光ビームを変調し、第１平面でピン光像を形成するような複数の変調光ビームを生成するように構成されたＳＬＭと、
ピン光源からＳＬＭに入射光ビームを運ぶように構成された照明光学系と、
投影軸線に沿ってＳＬＭから第１平面に実質的に平行な第２平面内のアイボックス領域に変調された光ビームを連続的に運ぶように構成された結像光学系と
を備える、ニアアイ画像投影システムに関する。
照明光学系は第３平面にあり、投影軸線は第４平面にある。第３平面及び第４平面は、第１平面に実質的に垂直である。照明光学系は、第１平面から第２平面への第１光路と、第３平面から第４平面への第２光路とを画定する。結像光学系は、第２平面から第１平面への第３光路と、第１平面から第２平面への第４光路とを画定する。

本明細書に開示されるニアアイ画像投影システムは、小型の形状要因を持ち、拡張や複合現実又はスマートグラスなどの着用可能なものへの用途に良好に適合している。

本発明の例示的な実施態様は説明に記載され、以下の図面に表されている。

図１ａは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｂは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｃは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｄは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｅは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｆは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図２ａから図２ｃは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図２ｂは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図２ｃは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図３は、１実施形態による、結像光学系の周辺画像挿入光学系を示す。 図４ａは、中心アイボックス領域から見たライトフィールドと周辺部分で構成される像を表す。 図４ｂは、画像のライトフィールド部分が、視聴者の視線が中心アイボックス領域から向いている領域などの関心領域に整列しているライトフィールド及び周辺部分から構成されるアクティブな中心画像を表す。 図５は、実施形態による複合現実メガネの概略図である。 図６は、ユーザーが着用した図５の複合現実メガネの上面図である。

図１ａから図１ｆは、一実施形態による、ニアアイ画像投影システム２００の概略図を示すニアアイ画像投影システム２００は、複数の入射光ビーム１００ａ、１００ｂを生成するピン光源１０を備える。ＳＬＭ２０は、複数の入射光ビーム１００ａ、１００ｂを変調し、複数の変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを生成し、第１平面３０にピン光像３１、３９を形成するように構成される。ニアアイ画像投影システムは、入射光ビーム１００ａ、１００ｂを、ピン光源１０からＳＬＭ２０に、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿って、第１平面３０に実質的に平行な第２平面１２４内のアイボックス１２１ａ、１２１ｂに連続的に運ぶように構成された照明光学系をさらに備える。

図１ａを参照すると、照明光学系は第３平面３８内にあり、投影軸線１７０ａ、１７０ｂは第４平面１２５内にあり、第３平面３８及び第４平面１２５は第１平面３０に対して実質的に垂直である。照明光学系は、第１平面３０から第２平面１２４まで、第１方向にて投影軸線１７０ａ、１７０ｂに対して平行（必ずしもそうではない。）に示されている第１光路１７１を画定するように構成されている。照明光学系は、第３平面３８から第４平面１２５までの第２光路１７２（必ずしも必要ではないが、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに対して垂直に示されている）を画定するようにさらに構成してよい。

照明光学系の可能な１構成が、１実施形態による図２ａに示されている。照明光学系は、複数の個別のピン光１０ａを備えるピン光源１０を備え、各ピン光１０ａは、少なくとも入射光ビーム１００ａ、１００ｂを生成するように適合されている。図２ａの特定の例では、ピン光源１０は、第１平面３０に略垂直な平面内のピン光１０ａの配列を備える。しかしながら、ピン光源１０の他の配置が可能である。

一観点では、照明光学系は、入射光ビーム１００ａを細い（光）線にコリメートするように構成されたコリメート光学要素５０を備える。コリメート光学要素５０は、コリメーションを行う、レンズ、ミラー、ホログラム又は任意の他の光学要素の中で、いずれか１つ又は複数のものを備えられる。

一観点では、照明光学系は、入射ピン光１００ａ、１００ｂを第１光路１７１に沿って向け直するように構成された照明偏向要素６１をさらに備える。照明偏向要素６１は、方向転換を行うプリズム、格子、ホログラム又は任意の他の光学要素の中で、いずれか１つ又は複数のものを備えられる。

一観点では、照明光学系は、入射光ビーム１００ａ、１００ｂを照明瞳孔拡張装置３６ａの入射から出口瞳孔に拡大するように構成された照明瞳孔拡張装置３６ａを備える。照明瞳孔拡張装置３６ａは、投影画像の拡大視野（ＦＯＶ）を可能にする。

一観点では、照明瞳孔拡張装置は、入射ピン光１００ａ、１００ｂを入力するように構成された照明インカップリング要素３５ａを備えた導光部又は導波部３６ａを備える。照明導波部３６ａは、第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ，１００ｂを出力するように構成される照明アウトカップリング要素３７ａをさらに備えられる。

コリメートされた入射光ビーム１００ａ，１００ｂは、照明インカップリング要素３５ａとの相互作用によって照明導波部３６ａに入射される。後者は、回折格子、ホログラム、傾斜ミラー又はプリズム、半反射界面の積層体、又は任意の他の適切な光学要素を備えられる。入射光ビーム１００ａ、１００ｂは、１Ｄ又は２Ｄ折り畳み格子との相互作用によって、もしくは入射光ビーム１００ａ、１００ｂを拡張する他の光学要素によって、照明導波部３６ａの平面内で広がりながら、内部反射により伝搬される。照明アウトカップリング要素３７ａは、回折格子、ホログラム、傾斜ミラー又はプリズムアレイ、半反射界面の積層体、又は第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ、１００ｂを出力するように構成された任意の他の光学要素を備えられる。照明アウトカップリング要素３７ａは、入射光ビーム１００ａ，１００ｂが均一に分布した強度で逓倍され、入射光ビーム１００ａ，１００ｂの傾斜角によって与えられる向きにコリメートされ、入射光ビーム１００ａ，１００ｂが第２光路１７２となるように構成可能である。

膨張したコリメート線は、反射性又は透過型のＳＬＭ２０を順次照らす。透過型ＳＬＭの場合、入射光成分は変調され、投影光学系に伝搬される。

再び図１ａを参照すると、結像光学系は、第２平面１２４から第１平面３０への第３光路１７３（必ずしもそうではないが第１方向に投影軸線１７０ａ、１７０ｂに平行に図示されている）を画定するように構成されている。結像光学系は、第１平面３０から第２平面１２４への第４光路１７４（必ずしもそうではないが投影軸線１７０ａ、１７０ｂに平行に図示されている）を画定するようにさらに構成されている。

実施形態では、結像光学系は、照明及び投射光学要素７０を備える。後者は、ビーム整形する第１及び第２外側表面５２、５３を備えるプリズム７０を備えられる。図１ａに示すような反射型ＳＬＭ２０の場合には、照明アウトカップリング要素３７ａにより照明導波部３６ａを出た入射光ビーム１００ａ，１００ｂは、第２光路１７２に沿って、ビーム整形するプリズム７０の第１及び第２外側表面５２，５３を通過してＳＬＭ２０に到達する。ビーム整形する第１及び第２外側表面５２，５３は、ＳＬＭ２０上にコリメートされた入射光ビーム１００ａ，１００ｂを集中させる構成にできる。

一観点では、プリズム７０は、第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ、１００ｂがＳＬＭ２０に到達する前に、入射ピン光１００ａ、１００ｂが横切るように構成されたビーム分割器１４０を備えてよい。

（反射）ＳＬＭ２０は、入射光ビーム１００ａ又は１００ｂを変調し、ビーム整形する第２表面５３を介してプリズム７０に戻る変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂ（画像成分）を第２光路１７２に沿いに反射する。ＳＬＭ２０はさらに、ＳＬＭ２０での変調中に得られる面内偏光（ｓ偏光）又は全内部反射角よりも高い（ＳＬＭ２０がデジタルマイクロミラー装置を持つ場合）変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを反射するように構成される。

ビーム分割器１４０は、ＳＬＭ２０によって生成された変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを第３光路１７３に沿って反射するようにさらに構成できる。プリズム７０は、ビーム整形する第３外側表面５４及び第４外側表面５８をさらに備える。ビーム分割器１４０で反射された変調光ビーム１１０ａ，１１０ｂは、ビーム整形する第３外側表面５４で第４光路１７４に沿いに反射される。

ビーム整形する第３外側表面５４は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂの偏光がＳＬＭ２０によって提供される面内偏光に対して反転するように構成できる。

一観点では、ビーム整形する第３外側表面５４は、第３光路１７３に沿う変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂがｐ偏光となるように構成された１／４波長板５６を備えられる。

ビーム整形する第３外側表面５４で反射された変調光ビーム１１０ａ，１１０ｂは、ビーム整形する第４外側表面５８を通過する。ビーム整形する第４外側表面５８は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを構成するＳＬＭの画素の光ビームをコリメートするように構成できる。

１実施形態では、結像光学系は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂ及び投影像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂを受け取って、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿ってアイボックス１２１ａ、１２１ｂに投影するように構成された光学結合器４０を備える。光学結合器４０は、現実世界１９０からアイボックス１２１ａ、１２１ｂに向けて自然光を伝送するようにさらに構成されている。

ニアアイ画像投影システム２００は、仮想及び複合現実の用途用に観察者によって装着されるものとされている。画像投影システムは、観察者によって装着されたときに、アイボックス領域１２１ａ、１２１ｂ及び出口瞳孔（又は視点）１２０が観察者の眼９０内にあるように構成できる。像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂは、像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂが網膜９２に投影されるように、観察者の眼９０の瞳孔１３０に向けて投影される。

変調光ビームは、第１平面３０において中心窩ピン光像３１を形成する中心窩の変調光ビーム１１０ａと、第１ピン光面３０において周辺ピン光像３９を形成する周辺の変調光ビーム１１０ｂとを備えられる。

一観点において、結像光学系は、第１平面３０にフーリエフィルタ３４をさらに備える。フーリエフィルタ３４は、中心窩の変調光ビーム１１０ａを光学結合器４０に反射する結像偏向要素６０ａ（図３参照）を備えられる。結像偏向要素６０ａは、中心窩結合器４１が変調された中心窩光ビーム１１０ａを反射し、中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投影するようにするものである。中心窩結合器４１は、透明又は少なくとも部分的に透明な反射面を備えられる。反射面は、凹形状と楕円体形状との少なくとも一方の形状にできて、もしくは中心窩アイボックス１２１ａに向かって中心窩像の光ビーム１１２ａを投影するように適合された任意の形状にできる。

特に、図１ａは、単一の入射中心窩光ビーム１００ａを生成するピン光源１０と、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投影することを示す。この単一の入射中心光ビーム１００ａは、ピン光源１０の単一のピン光（作動（アクティブな）ピン光）１０ａによって生成される。中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス１２１ａ内の視点１２０において像を形成する。

図１ｂは、ニアアイ画像投影システム２００を示し、ここでは、単一の入射中心窩の光ビーム１００ａは、ピン光源１０の別の単一のピン光１０ａによって生成される。中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス１２１ａ内の他の視点１２０で像を形成する。

ピン光源１０の複数のピン光１０ａは、複数の入射中心窩の光ビーム１００ａを生成可能である。そして照明光学系及び結像光学系は、複数の、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投射する。

結像光学系は、結像偏向要素６０ａによって反射された中心窩の変調光ビーム１１０ａを中心窩結合器４１に反射するように構成された結像ミラー３２をさらに備えられる。結像ミラー３２は、中心窩の変調光ビーム１１０ａが結像偏向要素６０ａで反射されてＳＬＭ２０に向かって反射され、そして結像ミラー３２で中心窩結合器４１に向かって反射されるように、ＳＬＭ２０の近傍に配置できる。結像偏向要素６０ａは、傾斜ミラー又はプリズムを備えられる。結像ミラー３２は、結像ミラー３２と中心窩結合器４１との間の変調器像面１１５にて中心窩の変調器の像１１４ａを生成する。結像偏向要素６０ａの各々を異なる角度に配向可能なので（例えば、ミラー又はプリズムを異なる角度に傾けられる）、中心窩の変調器の像１１４ａは、中心窩の変調器の像１１４ａの少なくとも一部が、他の中心窩の変調器の像１１４ａに対して変調器の像平面１１５内で空間的に変位している配列を作成できる。この場合、中心窩結合器４１で、観察者が像の配列をアイボックス１２１ａから見られるようになる。

１実施形態では、結像ミラー３２は、結像ミラー３２によって反射された中心窩の変調光ビーム１１０ａを投影軸線１７０ａ、１７０ｂから偏向させるなどのため、移動可能である。

図１ｃは、ニアアイ画像投影システム２００を示し、ここでは、ピン光源１０によって生成された２つの入射中心光ビーム１００ａから、２本の中心窩の変調光ビーム１１０ａが、中心（中立の、ニュートラルの）投影軸線１７０ｂに対して傾斜した投影軸線１７０ａに沿って投影される。中心投影軸線１７０ｂに対する投影軸線１７０ａの傾きは、結像ミラー３２の移動（回転）の機能である。

一態様では、ニアアイ画像投影システム２００は、視線追跡情報を提供する、視線追跡及び操舵装置（図示せず）を備えられる。それから、結像ミラー３２は、視線追跡情報に従って移動（回転）可能である。

一観点では、フーリエフィルタ３４は、周辺の変調光ビーム１１０ｂがフーリエフィルタ３４を通過し、周辺の変調光ビーム１１０ｂを第１角度αから第１角度αよりも大きい第２角度βに拡大するように構成された像注入光学系１５０に到達できるようにさらに構成されている。

フーリエフィルタ３４は、このように、中心窩の変調光ビーム１１０ａと周辺の変調光ビーム１１０ｂの光路を分割するように構成できる。

図３は、一実施形態による周辺像注入光学系１５０を示す。図３の構成において、像注入光学系１５０は、周辺の変調光ビーム１１０ｂが入れられる、ビーム整形する透過性表面１５１を備える。図３では、１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂが示されている。以下の考察では、１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂを検討しているが、複数の周辺の変調光ビーム１１０ｂにも適用される。像注入光学系１５０は、反射面１５２、１５３（ミラー１５２、１５３）と、ビーム整形する反射性表面１５４をさらに備える。

入力された周辺の変調光ビーム１１０ｂは、フーリエフィルタ３４内の開口部３４１を通って第１角度αで周辺像注入光学系１５０に入る。開口部３４１は、周辺の変調光ビーム１１０ｂの周辺ピン光像３９と一致する。

周辺の変調光ビーム１１０ｂは、開口部３４１を介してビーム角度αで周辺像注入光学系１５０に入る。周辺の変調光ビーム１１０ｂは、反射面１５２、１５３、１５４での内部反射により周辺像注入光学系１５０内を伝搬され、第２角度βに拡大しながら、結像インカップリング要素３５に向かう。周辺像注入光学系１５０は、ＳＬＭ２０の周辺の変調器の像１１４ｂを作る。この構成では、像１１４ｂの各画素からの周辺の変調光ビーム１１０ｂは、ビーム整形反射面１５４によってコリメートされ、結像インカップリング要素３５によって入れられる。

図１ａから図１ｆに示す実施形態では、光学結合器４０は、中心窩結合器４１と、周辺結合器を備える。周辺結合器は、周辺の変調光ビーム１１０ｂを受信し、周辺像の光ビーム１１２ｂを投影軸線１７０に沿って周辺アイボックス領域１２１ｂ内に投射するように構成された結像出口瞳孔拡張装置３６を備える。拡大した第２（角度）βを持つ、コリメートされた周辺の変調光ビーム１１０ｂ（周辺の変調光ビーム１１０ｂは各ＳＬＭ画素からのビームを持ち、これらの画素ビームはコリメートされる）を、結像インカップリング要素３５を介して結像出口瞳孔拡張装置３６に入れる。結像出口瞳孔拡張装置は、結像導波部３６を備えられる。

結像導波部３６は、周辺像の光ビーム１１２ｂが結像導波部３６を出られ、周辺アイボックス領域１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って周辺像の光ビーム１１２ｂを投影できるように構成された結像アウトカップリング要素３７を備えられる。周辺アイボックス領域１２１ｂは、典型的には、結像導波部３６によって行われる瞳孔複製のために中心窩アイボックス領域１２１ａより大きい。

図１ｄは、ニアアイ画像投影システム２００を示す。ここでは、周辺の変調光ビーム１１０ｂの部分集合（すなわち１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂ）は、フーリエフィルタ３４を通って透過され、結像導波部３６に注入され、そして周辺像の光ビーム１１２ｂは、周辺アイボックス領域１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って投射される。

図１ｅは、ニアアイ画像投影システム２００を示す。ここでは、（２つの）中心窩の変調光ビーム１１０ａの部分集合が、結像ミラー３２及び中心窩結合器４１で反射され、中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス領域１２１ａ内の投影軸線１７０ａに沿って投射される。結像偏向要素６０ａは、中心窩の変調器の像要素１１４ａの少なくともいくつかが、他の中心窩の変調器の像１１４ａに対して平面１１５内の異なる位置に焦点が合った状態となるように、入射光ビーム１１０ａを異なる角度で反射できる。

図１ｆは、図１ｅのニアアイ画像投影システム２００を示す。この図は、周辺の変調光ビーム１１０ｂの部分集合（すなわち１つ）が周辺結合器（結像出口瞳孔拡張装置３６）に入れられ、対応する周辺像の光ビーム１１２ｂが周辺アイボックス領域１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って投影されることをさらに示す。

図１ｃ、図１ｅ及び図１ｆにおいて、ピン光源１０、ＳＬＭ２０、プリズム７０及び照明瞳孔拡張装置３６ａは、箱２００により模式的に表されている。

結像アウトカップリング要素３７は、体積ホログラム、回折格子ミラーの配列又はプリズムの積み重ね（半透明界面）を備えられる。アウトカップリング要素３７及び導波部３６は、周辺結合器として使用されるため、拡張現実の用途では部分的に透明である必要がある。これらは、仮想現実の用途やビデオパススルー（技術を使う）拡張現実の用途に対して不透明とする場合がある。中心窩結合器４１は、体積ホログラム、フレネル型の反射体、又は半反射内表面を有する楕円体表面などの広範囲の半透明光学装置を備えられる。

ニアアイ画像投影システム２００は、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び周辺の変調光ビーム１１０ｂを、光学結合器４０を介して、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿って、中心窩像の光ビーム１１２ａ及び周辺像の光ビーム１１２ｂとして各アイボックス１２１ａ及び１２１ｂへの投影を可能にする。

照明光学系の他の構成が考えられる。例えば、図２ｂにおいて、照明コリメート要素５０及び偏向要素６１は、ホログラムを備える。図２ｃにおいて、コリメート要素５０、結像偏向要素６０ａ及び照明インカップリング要素３５ａの機能は、回折要素３５ａの単一のホログラムによって行われる。

図４ａは、中心窩アイボックス領域１２１ａから見た視野の中心領域を表している。像は、ライトフィールドの狭視野部１１と周辺像のより広い視野１２とを備える。

図４ｂは、周辺アイボックス領域１２１ａから見た、作動状態の（アクティブな）中心窩の像を表す。アクティブな中心窩の像は、ニアアイ画像投影システム２００が視線追跡及びステアリング装置と可動な結像ミラー３２とを備える場合に得られる。ライトフィールドの狭視野部１１は、広い視野の像１２に対して、観察者の視線情報や表示内容に応じて中心位置から移動できる。

本開示はさらに、像投影システム２００を備える着用可能な装置に関する。

図５は、実施形態による、各テンプル上の像投影システム２００を備える複合現実メガネの概略図である。メガネの右側には、ピン光源１０と、ＳＬＭ２０と、プリズム７０と、結像ミラー３２と、フーリエフィルタ３４と、照明瞳孔拡張装置３６ａと、照明外結合要素が表されている。右のテンプルは図示していない。中心窩結合器は、レンズ４１（ガラスレンズ）を備える。結像出口瞳孔拡張要素３６及び周辺結合器を形成する結像アウトカップリング要素３７は、レンズ４１に埋め込まれている。メガネの左側には、像投影システム２００がテンプルに統合されている。

図６は、ユーザーが着用した図５の複合現実メガネの上面図である。像投影システム２００は、光学結合器４０がメガネの少なくとも１つのレンズ４１に構成されている（上述したように）複合現実メガネの片側のみに備わっているものしてよい。像投影システム２００は、ヒンジ又はテンプルの別の部分に備わっているものにしてよい。

１０ ピン光源
１０ａ 作動ピン光
１１ 視野の中心窩領域
１２ 視野の周辺領域
１３ 周辺ピン光の副配列
２０ 光学的光変調器（ＳＬＭ）
３０ 第１平面
３１ 中心窩ピン光像
３２ 結像ミラー
３４ フーリエフィルタ
３４１ 開口部
３５ 結像インカップリング要素
３５ａ 照明インカップリング要素
３６ 周辺出口瞳孔拡張装置、周辺導波部
３６ａ 照明瞳孔拡張装置、照明導波部
３７ アウトカップリング要素
３７ａ 照明アウトカップリング要素
３８ 第３平面
３９ 周辺ピンライト像
４０ 光学結合器
４１ 中心窩結合器、レンズ
５０ コリメート光学要素
５２ ビーム整形する第１外側表面
５３ ビーム整形する第２外側表面
５４ ビーム整形する第３外側表面
５６ １／４波長板
５８ ビーム整形する第４外側表面
６１ 照明偏向要素
６０ａ 結像偏向要素
７０ 照明及び投影の光学要素、プリズム
９０ 眼
９２ 網膜
１００ａ 中心窩入射光ビーム
１００ｂ 周辺入射光ビーム
１１０ａ 中心窩の変調光ビーム
１１０ｂ 周辺の変調光ビーム
１１２ａ 中心窩像の光ビーム
１１２ｂ 周辺像の光ビーム
１１４ａ 中心窩の変調器の像
１１４ｂ 周辺の変調器の像
１１５ 変調像の平面
１２０ （複数）第２ピン光像、（複数）視点
１２１ａ アイボックス領域
１２１ｂ アイボックス領域
１２４ 第２平面
１２５ 第４平面
１３０ 瞳孔
１４０ ビーム分割器
１５０ 像注入光学系
１５１ ビーム整形する透過性の表面
１５２ 反射性の表面
１５３ 反射性の表面
１５４ ビーム整形する反射性の表面
１７０ａ 投影軸線
１７０ｂ 中央観察軸線
１７１ 第１光路
１７２ 第２光路
１７３ 第３光路
１７４ 第４光路
１９０ 現実世界
２００ 像投影モジュール

本発明は、小型の形状要因を持つニアアイ画像投影システムに関する。本発明はさらに、拡張現実や複合現実又はスマートグラスのような、前述のニアアイ画像投影システムを備える着用可能な装置に関する。より詳細には本発明は、ニアアイライトフィールド投影システムに関する。ニアアイライトフィールド投影システムは、視野形成能力を備えられる。

空間光変調器（ＳＬＭ）による構造化入射光の順次空間光変調によるライトフィールド像投影は、典型的には、光源からの光源光が、構造化入射光の、したがって投影されたライトフィールド像の必要な特性を達成するのに十分な体積の透明媒体によって分離されたいくつかの光学要素により形作られることが求められる。このような配置は、スマートグラスのような着用可能な装置など、小さな形状要因が要求される用途での使用には適さない、よりかさばる装置をもたらす。より短い焦点距離を持つレンズ、自由形状光学系などのより高出力の光学要素を使用することによって光学系を縮小することは、依然として光伝搬のためかなりの体積を要するか、又は照明光構造の、したがって投影画像の品質低下、及び歪み、収差、回折のような光学的アーチファクトによる、より基準の高い補償要件によって不利になる。

特許文献１（ＥＰ３５４２２０６Ａ１）は、構造光の順次空間光変調によるライトフィールド投影の方法を開示している。特許文献２（ＷＯ２０２０１５７５６２Ａ１）は、ライトフィールド投影システムと異なるタイプの結合器の組み合わせのいくつかの方法を開示し、特許文献３（ＵＳ２０１９０２８５８９７Ａ１）は、反射結合器と組み合わせて導波部を有する画像瞳孔拡大を使用する装置を開示している。

欧州特許出願公開第３５４２２０６号明細書 国際公開第２０２０／１５７５６２号 米国特許出願公開第２０１９／０２８５８９７号明細書

本開示は、
複数の入射光ビームを生成するピン光源と、
前記複数の入射光ビームを変調し、第１平面でピン光像を形成するような複数の変調光ビームを生成するように構成されたＳＬＭと、
ピン光源からＳＬＭに入射光ビームを運ぶように構成された照明光学系及び結像光学系とを備える、ニアアイ画像投影システムに関する。
結像光学系は、投影軸線に沿ってＳＬＭから第１平面に実質的に平行な第２平面内のアイボックス領域に変調された光ビームを連続的に運ぶようにさらに構成されている。
前記照明光学系は、第１平面から第２平面への方向への入射光ビームが続く第１光路と、第３平面から第４平面への方向への入射光ビームが続く第２光路とを画定する。
前記結像光学系は、第２平面から第１平面への方向の変調光ビームが続く第３光路と、第１平面から第２平面への方向の変調光ビームが続く第４光路とを画定する。
前記結像光学系は、変調光ビームから像の光ビームを投影し、現実世界からアイボックスに向かって自然光を伝送する光学結合器をさらに備えて、ここでは、
前記変調光ビームは、第１平面で中心窩ピン光像を形成する中心窩変調光ビームと、第１平面で周辺ピン光像を形成する周辺変調光ビームを備え、
前記光学結合器は、中心窩変調光ビームを反射して前記中心窩像の光ビームを中心窩アイボックスに向けて投影するように構成された中心窩結合器を備える。

本明細書に開示されるニアアイ画像投影システムは、小型の形状要因を持ち、拡張や複合現実又はスマートグラスなどの着用可能なものへの用途に良好に適合している。

本発明の例示的な実施態様は説明に記載され、以下の図面に表されている。

図１ａは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｂは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｃは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｄは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｅは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図１ｆは、いくつかの実施形態による、ＳＬＭ、照明光学系及び結像光学系を含むニアアイ画像投影システムの概略図を示す。 図２ａから図２ｃは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図２ｂは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図２ｃは、いくつかの実施形態による照明光学系を示す。 図３は、１実施形態による、結像光学系の周辺画像挿入光学系を示す。 図４ａは、中心アイボックスから見たライトフィールドと周辺部分で構成される像を表す。 図４ｂは、画像のライトフィールド部分が、視聴者の視線が中心アイボックスから向いている領域などの関心領域に整列しているライトフィールド及び周辺部分から構成されるアクティブな中心画像を表す。 図５は、実施形態による複合現実メガネの概略図である。 図６は、ユーザーが着用した図５の複合現実メガネの上面図である。

図１ａから図１ｆは、一実施形態による、ニアアイ画像投影システム２００の概略図を示すニアアイ画像投影システム２００は、複数の入射光ビーム１００ａ、１００ｂを生成するピン光源１０を備える。ＳＬＭ２０は、複数の入射光ビーム１００ａ、１００ｂを変調し、複数の変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを生成し、第１平面３０にピン光像３１、３９を形成するように構成される。ニアアイ画像投影システムは、入射光ビーム１００ａ、１００ｂを、ピン光源１０からＳＬＭ２０に、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿って、第１平面３０に実質的に平行な第２平面１２４内のアイボックス１２１ａ、１２１ｂに連続的に運ぶように構成された照明光学系をさらに備える。

図１ａを参照すると、照明光学系は第３平面３８内にあり、投影軸線１７０ａ、１７０ｂは第４平面１２５内にあり、第３平面３８及び第４平面１２５は第１平面３０に対して実質的に垂直である。照明光学系は、第１平面３０から第２平面１２４まで、第１方向にて投影軸線１７０ａ、１７０ｂに対して平行（必ずしもそうではない。）に示されている第１光路１７１を画定するように構成されている。照明光学系は、第３平面３８から第４平面１２５までの第２光路１７２（必ずしも必要ではないが、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに対して垂直に示されている）を画定するようにさらに構成してよい。

照明光学系の可能な１構成が、１実施形態による図２ａに示されている。照明光学系は、複数の個別のピン光１０ａを備えるピン光源１０を備え、各ピン光１０ａは、少なくとも入射光ビーム１００ａ、１００ｂを生成するように適合されている。図２ａの特定の例では、ピン光源１０は、第１平面３０に略垂直な平面内のピン光１０ａの配列を備える。しかしながら、ピン光源１０の他の配置が可能である。

一観点では、照明光学系は、入射光ビーム１００ａを細い（光）線にコリメートするように構成されたコリメート光学要素５０を備える。コリメート光学要素５０は、コリメーションを行う、レンズ、ミラー、ホログラム又は任意の他の光学要素の中で、いずれか１つ又は複数のものを備えられる。

一観点では、照明光学系は、入射ピン光１００ａ、１００ｂを第１光路１７１に沿って向け直するように構成された照明偏向要素６１をさらに備える。照明偏向要素６１は、方向転換を行うプリズム、格子、ホログラム又は任意の他の光学要素の中で、いずれか１つ又は複数のものを備えられる。

一観点では、照明光学系は、入射光ビーム１００ａ、１００ｂを照明瞳孔拡張装置３６ａの入射から出口瞳孔に拡大するように構成された照明瞳孔拡張装置３６ａを備える。照明瞳孔拡張装置３６ａは、投影画像の拡大視野（ＦＯＶ）を可能にする。

一観点では、照明瞳孔拡張装置は、入射ピン光１００ａ、１００ｂを入力するように構成された照明インカップリング要素３５ａを備えた導光部又は照明導波部３６ａを備える。照明導波部３６ａは、第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ，１００ｂを出力するように構成される照明アウトカップリング要素３７ａをさらに備えられる。

コリメートされた入射光ビーム１００ａ，１００ｂは、照明インカップリング要素３５ａとの相互作用によって照明導波部３６ａに入射される。後者は、回折格子、ホログラム、傾斜ミラー又はプリズム、半反射界面の積層体、又は任意の他の適切な光学要素を備えられる。入射光ビーム１００ａ、１００ｂは、１Ｄ又は２Ｄ折り畳み格子との相互作用によって、もしくは入射光ビーム１００ａ、１００ｂを拡張する他の光学要素によって、照明導波部３６ａの平面内で広がりながら、内部反射により伝搬される。照明アウトカップリング要素３７ａは、回折格子、ホログラム、傾斜ミラー又はプリズムアレイ、半反射界面の積層体、又は第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ、１００ｂを出力するように構成された任意の他の光学要素を備えられる。照明アウトカップリング要素３７ａは、入射光ビーム１００ａ，１００ｂが均一に分布した強度で逓倍され、入射光ビーム１００ａ，１００ｂの傾斜角によって与えられる向きにコリメートされ、入射光ビーム１００ａ，１００ｂが第２光路１７２となるように構成可能である。

膨張したコリメート線は、反射性又は透過型のＳＬＭ２０を順次照らす。透過型ＳＬＭの場合、入射光成分は変調され、投影光学系に伝搬される。

再び図１ａを参照すると、結像光学系は、第２平面１２４から第１平面３０への第３光路１７３（必ずしもそうではないが第１方向に投影軸線１７０ａ、１７０ｂに平行に図示されている）を画定するように構成されている。結像光学系は、第１平面３０から第２平面１２４への第４光路１７４（必ずしもそうではないが投影軸線１７０ａ、１７０ｂに平行に図示されている）を画定するようにさらに構成されている。

実施形態では、結像光学系は、照明及び投射光学要素７０を備える。後者は、ビーム整形する第１及び第２外側表面５２、５３を備えるプリズム７０を備えられる。図１ａに示すような反射型ＳＬＭ２０の場合には、照明アウトカップリング要素３７ａにより照明導波部３６ａを出た入射光束１００ａ，１００ｂは、第２光路１７２に沿って、ビーム整形するプリズム７０の第１及び第２外側表面５２，５３を通過してＳＬＭ２０に到達する。ビーム整形する第１及び第２外側表面５２，５３は、ＳＬＭ２０上にコリメートされた入射光ビーム１００ａ，１００ｂを集中させる構成にできる。

一観点では、プリズム７０は、第２光路１７２に沿って入射ピン光１００ａ、１００ｂがＳＬＭ２０に到達する前に、入射ピン光１００ａ、１００ｂが横切るように構成されたビーム分割器１４０を備えてよい。

（反射）ＳＬＭ２０は、入射光ビーム１００ａ又は１００ｂを変調し、ビーム整形する第２表面５３を介してプリズム７０に戻る変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂ（画像成分）を第２光路１７２に沿いに反射する。ＳＬＭ２０はさらに、ＳＬＭ２０での変調中に得られる面内偏光（ｓ偏光）又は全内部反射角よりも高い（ＳＬＭ２０がデジタルマイクロミラー装置を持つ場合）変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを反射するように構成される。

ビーム分割器１４０は、ＳＬＭ２０によって生成された変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを第３光路１７３に沿って反射するようにさらに構成できる。プリズム７０は、ビーム整形する第３外側表面５４及び第４外側表面５８をさらに備える。ビーム分割器１４０で反射された変調光ビーム１１０ａ，１１０ｂは、ビーム整形する第３外側表面５４で第４光路１７４に沿いに反射される。

ビーム整形する第３外側表面５４は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂの偏光がＳＬＭ２０によって提供される面内偏光に対して反転するように構成できる。

一観点では、ビーム整形する第３外側表面５４は、第３光路１７３に沿う変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂがｐ偏光となるように構成された１／４波長板５６を備えられる。

ビーム整形する第３外側表面５４で反射された変調光ビーム１１０ａ，１１０ｂは、ビーム整形する第４外側表面５８を通過する。ビーム整形する第４外側表面５８は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂを構成するＳＬＭの画素の光ビームをコリメートするように構成できる。

１実施形態では、結像光学系は、変調光ビーム１１０ａ、１１０ｂ及び像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂを受け取って、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿ってアイボックス１２１ａ、１２１ｂに投影するように構成された光学結合器４０を備える。光学結合器４０は、現実世界１９０からアイボックス１２１ａ、１２１ｂに向けて自然光を伝送するようにさらに構成されている。

ニアアイ画像投影システム２００は、仮想及び複合現実の用途用に観察者によって装着されるものとされている。画像投影システムは、観察者によって装着されたときに、アイボックス１２１ａ、１２１ｂ及び出口瞳孔（又は視点）１２０が観察者の眼９０内にあるように構成できる。像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂは、像の光ビーム１１２ａ、１１２ｂが網膜９２に投影されるように、観察者の眼９０の瞳孔１３０に向けて投影される。

変調光ビームは、第１平面３０において中心窩ピン光像３１を形成する中心窩の変調光ビーム１１０ａと、第１平面３０において周辺ピン光像３９を形成する周辺の変調光ビーム１１０ｂとを備えられる。

一観点において、結像光学系は、第１平面３０にフーリエフィルタ３４をさらに備える。フーリエフィルタ３４は、中心窩の変調光ビーム１１０ａを光学結合器４０に反射する結像偏向要素６０ａ（図３参照）を備えられる。結像偏向要素６０ａは、中心窩結合器４１が中心窩変調光ビーム１１０ａを反射し、中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投影するようにするものである。中心窩結合器４１は、透明又は少なくとも部分的に透明な反射面を備えられる。反射面は、凹形状と楕円体形状との少なくとも一方の形状にできて、もしくは中心窩アイボックス１２１ａに向かって中心窩像の光ビーム１１２ａを投影するように適合された任意の形状にできる。

特に、図１ａは、単一の入射中心窩光ビーム１００ａを生成するピン光源１０と、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投影することを示す。この単一の入射中心光ビーム１００ａは、ピン光源１０の単一のピン光（作動（アクティブな）ピン光）１０ａによって生成される。中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス１２１ａ内の視点１２０において像を形成する。

図１ｂは、ニアアイ画像投影システム２００を示し、ここでは、単一の入射中心窩の光ビーム１００ａは、ピン光源１０の別の単一のピン光１０ａによって生成される。中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス１２１ａ内の他の視点１２０で像を形成する。

ピン光源１０の複数のピン光１０ａは、複数の入射中心窩の光ビーム１００ａを生成可能である。そして照明光学系及び結像光学系は、複数の、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び中心窩像の光ビーム１１２ａを中心窩アイボックス１２１ａに向けて投射する。

結像光学系は、結像偏向要素６０ａによって反射された中心窩の変調光ビーム１１０ａを中心窩結合器４１に反射するように構成された結像ミラー３２をさらに備えられる。結像ミラー３２は、中心窩の変調光ビーム１１０ａが結像偏向要素６０ａで反射されてＳＬＭ２０に向かって反射され、そして結像ミラー３２で中心窩結合器４１に向かって反射されるように、ＳＬＭ２０の近傍に配置できる。結像偏向要素６０ａは、傾斜ミラー又はプリズムを備えられる。結像ミラー３２は、結像ミラー３２と中心窩結合器４１との間の変調器像面１１５にて中心窩の変調器の像１１４ａを生成する。結像偏向要素６０ａの各々を異なる角度に配向可能なので（例えば、ミラー又はプリズムを異なる角度に傾けられる）、中心窩の変調器の像１１４ａは、中心窩の変調器の像１１４ａの少なくとも一部が、他の中心窩の変調器の像１１４ａに対して変調器の像平面１１５内で空間的に変位している配列を作成できる。この場合、中心窩結合器４１で、観察者が像の配列をアイボックス１２１ａから見られるようになる。

１実施形態では、結像ミラー３２は、結像ミラー３２によって反射された中心窩の変調光ビーム１１０ａを投影軸線１７０ａ、１７０ｂから偏向させるなどのため、移動可能である。

図１ｃは、ニアアイ画像投影システム２００を示し、ここでは、ピン光源１０によって生成された２つの入射中心光ビーム１００ａから、２本の中心窩の変調光ビーム１１０ａが、中心（中立の、ニュートラルの）投影軸線１７０ｂに対して傾斜した投影軸線１７０ａに沿って投影される。中心投影軸線１７０ｂに対する投影軸線１７０ａの傾きは、結像ミラー３２の移動（回転）の機能である。

一態様では、ニアアイ画像投影システム２００は、視線追跡情報を提供する、視線追跡及び操舵装置（図示せず）を備えられる。それから、結像ミラー３２は、視線追跡情報に従って移動（回転）可能である。

一観点では、フーリエフィルタ３４は、周辺の変調光ビーム１１０ｂがフーリエフィルタ３４を通過し、周辺の変調光ビーム１１０ｂを第１角度αから第１角度αよりも大きい第２角度βに拡大するように構成された像注入光学系１５０に到達できるようにさらに構成されている。

フーリエフィルタ３４は、このように、中心窩の変調光ビーム１１０ａと周辺の変調光ビーム１１０ｂの光路を分割するように構成できる。

図３は、一実施形態による周辺像注入光学系１５０を示す。図３の構成において、像注入光学系１５０は、周辺の変調光ビーム１１０ｂが入れられる、ビーム整形する透過性表面１５１を備える。図３では、１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂが示されている。以下の考察では、１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂを検討しているが、複数の周辺の変調光ビーム１１０ｂにも適用される。像注入光学系１５０は、反射面１５２、１５３（ミラー１５２、１５３）と、ビーム整形する反射性表面１５４をさらに備える。

入力された周辺の変調光ビーム１１０ｂは、フーリエフィルタ３４内の開口部３４１を通って第１角度αで周辺像注入光学系１５０に入る。開口部３４１は、周辺の変調光ビーム１１０ｂの周辺ピン光像３９と一致する。

周辺の変調光ビーム１１０ｂは、開口部３４１を介してビーム角度αで周辺像注入光学系１５０に入る。周辺の変調光ビーム１１０ｂは、反射面１５２、１５３、１５４での内部反射により周辺像注入光学系１５０内を伝搬され、第２角度βに拡大しながら、結像インカップリング要素３５に向かう。周辺像注入光学系１５０は、ＳＬＭ２０の周辺の変調器の像１１４ｂを作る。この構成では、像１１４ｂの各画素からの周辺の変調光ビーム１１０ｂは、ビーム整形反射面１５４によってコリメートされ、結像インカップリング要素３５によって入れられる。

図１ａから図１ｆに示す実施形態では、光学結合器４０は、中心窩結合器４１と、周辺結合器を備える。周辺結合器は、周辺の変調光ビーム１１０ｂを受信し、周辺像の光ビーム１１２ｂを投影軸線１７０に沿って周辺アイボックス１２１ｂ内に投射するように構成された結像出口瞳孔拡張装置３６を備える。拡大した第２（角度）βを持つ、コリメートされた周辺の変調光ビーム１１０ｂ（周辺の変調光ビーム１１０ｂは各ＳＬＭ画素からのビームを持ち、これらの画素ビームはコリメートされる）を、結像インカップリング要素３５を介して結像出口瞳孔拡張装置３６に入れる。結像出口瞳孔拡張装置は、結像導波部３６を備えられる。

結像導波部３６は、周辺像の光ビーム１１２ｂが結像導波部３６を出られ、周辺アイボックス１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って周辺像の光ビーム１１２ｂを投影できるように構成された結像アウトカップリング要素３７を備えられる。周辺アイボックス１２１ｂは、典型的には、結像導波部３６によって行われる瞳孔複製のために中心窩アイボックス１２１ａより大きい。

図１ｄは、ニアアイ画像投影システム２００を示す。ここでは、周辺の変調光ビーム１１０ｂの部分集合（すなわち１本の周辺の変調光ビーム１１０ｂ）は、フーリエフィルタ３４を通って透過され、結像導波部３６に注入され、そして周辺像の光ビーム１１２ｂは、周辺アイボックス１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って投射される。

図１ｅは、ニアアイ画像投影システム２００を示す。ここでは、（２つの）中心窩の変調光ビーム１１０ａの部分集合が、結像ミラー３２及び中心窩結合器４１で反射され、中心窩像の光ビーム１１２ａは、中心窩アイボックス１２１ａ内の投影軸線１７０ａに沿って投射される。結像偏向要素６０ａは、中心窩の変調器の像要素１１４ａの少なくともいくつかが、他の中心窩の変調器の像１１４ａに対して平面１１５内の異なる位置に焦点が合った状態となるように、入射光ビーム１１０ａを異なる角度で反射できる。

図１ｆは、図１ｅのニアアイ画像投影システム２００を示す。この図は、周辺の変調光ビーム１１０ｂの部分集合（すなわち１つ）が周辺結合器（結像出口瞳孔拡張装置３６）に入れられ、対応する周辺像の光ビーム１１２ｂが周辺アイボックス１２１ｂ内の投影軸線１７０ｂに沿って投影されることをさらに示す。

図１ｃ、図１ｅ及び図１ｆにおいて、ピン光源１０、ＳＬＭ２０、プリズム７０及び照明瞳孔拡張装置３６ａは、箱２００により模式的に表されている。

結像アウトカップリング要素３７は、体積ホログラム、回折格子ミラーの配列又はプリズムの積み重ね（半透明界面）を備えられる。アウトカップリング要素３７及び導波部３６は、周辺結合器として使用されるため、拡張現実の用途では部分的に透明である必要がある。これらは、仮想現実の用途やビデオパススルー（技術を使う）拡張現実の用途に対して不透明とする場合がある。中心窩結合器４１は、体積ホログラム、フレネル型の反射体、又は半反射内表面を有する楕円体表面などの広範囲の半透明光学装置を備えられる。

ニアアイ画像投影システム２００は、中心窩の変調光ビーム１１０ａ及び周辺の変調光ビーム１１０ｂを、光学結合器４０を介して、投影軸線１７０ａ、１７０ｂに沿って、中心窩像の光ビーム１１２ａ及び周辺像の光ビーム１１２ｂとして各アイボックス１２１ａ及び１２１ｂへの投影を可能にする。

照明光学系の他の構成が考えられる。例えば、図２ｂにおいて、照明コリメート要素５０及び偏向要素６１は、ホログラムを備える。図２ｃにおいて、コリメート要素５０、結像偏向要素６０ａ及び照明インカップリング要素３５ａの機能は、回折要素３５ａの単一のホログラムによって行われる。

図４ａは、中心窩アイボックス１２１ａから見た視野の中心領域を表している。像は、ライトフィールドの狭視野部１１と周辺像のより広い視野１２とを備える。

図４ｂは、周辺アイボックス１２１ａから見た、作動状態の（アクティブな）中心窩の像を表す。アクティブな中心窩の像は、ニアアイ画像投影システム２００が視線追跡及びステアリング装置と可動な結像ミラー３２とを備える場合に得られる。ライトフィールドの狭視野部１１は、広い視野の像１２に対して、観察者の視線情報や表示内容に応じて中心位置から移動できる。

本開示はさらに、像投影システム２００を備える着用可能な装置に関する。

図５は、実施形態による、各テンプル上の像投影システム２００を備える複合現実メガネの概略図である。メガネの右側には、ピン光源１０と、ＳＬＭ２０と、プリズム７０と、結像ミラー３２と、フーリエフィルタ３４と、照明瞳孔拡張装置３６ａと、照明外結合要素が表されている。右のテンプルは図示していない。中心窩結合器は、レンズ４１（ガラスレンズ）を備える。結像出口瞳孔拡張要素３６及び周辺結合器を形成する結像アウトカップリング要素３７は、レンズ４１に埋め込まれている。メガネの左側には、像投影システム２００がテンプルに統合されている。

図６は、ユーザーが着用した図５の複合現実メガネの上面図である。像投影システム２００は、光学結合器４０がメガネの少なくとも１つのレンズ４１に構成されている（上述したように）複合現実メガネの片側のみに備わっているものしてよい。像投影システム２００は、ヒンジ又はテンプルの別の部分に備わっているものにしてよい。

１０ ピン光源
１０ａ 作動ピン光
１１ 視野の中心窩領域
１２ 視野の周辺領域
１３ 周辺ピン光の副配列
２０ 光学的光変調器 （ＳＬＭ）
３０ 第１平面
３１ 中心窩ピン光像
３２ 結像ミラー
３４ フーリエフィルタ
３４１ 開口部
３５ 結像インカップリング要素
３５ａ 照明インカップリング要素
３６ 結像出口瞳孔拡張装置、結像導波部
３６ａ 照明瞳孔拡張装置、照明導波部
３７ アウトカップリング要素
３７ａ 照明アウトカップリング要素
３８ 第３平面
３９ 周辺ピンライト像
４０ 光学結合器
４１ 中心窩結合器、レンズ
５０ コリメート光学要素
５２ ビーム整形する第１外側表面
５３ ビーム整形する第２外側表面
５４ ビーム整形する第３外側表面
５６ １／４波長板
５８ ビーム整形する第４外側表面
６１ 照明偏向要素
６０ａ 結像偏向要素
７０ 照明及び投影の光学要素、プリズム
９０ 眼
９２ 網膜
１００ａ 中心窩入射光ビーム
１００ｂ 周辺入射光ビーム
１１０ａ 中心窩の変調光ビーム
１１０ｂ 周辺の変調光ビーム
１１２ａ 中心窩像の光ビーム
１１２ｂ 周辺像の光ビーム
１１４ａ 中心窩の変調器の像
１１４ｂ 周辺の変調器の像
１１５ 変調像の平面
１２０ （複数）第２ピン光像、（複数）視点
１２１ａ アイボックス
１２１ｂ アイボックス
１２４ 第２平面
１２５ 第４平面
１３０ 瞳孔
１４０ ビーム分割器
１５０ 像注入光学系
１５１ ビーム整形する透過性の表面
１５２ 反射性の表面
１５３ 反射性の表面
１５４ ビーム整形する反射性の表面
１７０ａ 投影軸線
１７０ｂ 中央観察軸線
１７１ 第１光路
１７２ 第２光路
１７３ 第３光路
１７４ 第４光路
１９０ 現実世界
２００ 像投影モジュール

Claims (27)

1. 複数の入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を発生するピン光源（１０）と、
   前記複数の入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を変調するように、かつ第１平面（３０）においてピン光画像（３１、３９）を形成する複数の変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）を生成するように構成された空間光変調器（ＳＬＭ）（２０）と、
   ピン光源（１０）からＳＬＭ（２０）に入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を運ぶように構成された照明光学系と、
   を備えるニアアイ像投影システム（２００）であって、
   投影軸線（１７０ａ、１７０ｂ）に沿ってＳＬＭ（２０）から第１平面（３０）に実質的に平行な第２平面（１２４）内のアイボックス領域（１２１ａ、１２１ｂ）に変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）を連続的に運ぶように構成された結像光学系と
   を備えるニアアイ像投影システム（２００）において、
   前記照明光学系は第３平面（３８）にあり、投影軸線（１７０ａ、１７０ｂ）は第４平面（１２５）にあり、第３平面及び第４平面（３８、１２５）は第１平面（３０）に実質的に垂直であり、
   照明光学系は、第１平面（３０）から第２平面（１２４）への第１光路（１７１）と、第３平面（３８）から第４平面（１２５）への第２光路（１７２）とを画定し、
   前記結像光学系は、第２平面（１２４）から第１平面（３０）への第３光路（１７３）と、第１平面（３０）から第２平面（１２４）への第４光路（１７４）とを画定している、
   である、前記ニアアイ像投影システム。
2. 前記照明光学系は、入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を照明瞳孔拡張装置（３６ａ）の入射から出射瞳に拡大するように構成された照明瞳孔拡張装置（３６ａ）を備える、請求項１に記載の投影システム。
3. 照明瞳孔拡張装置は、入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を入力するように構成された照明インカップリング要素（３５ａ）を備えた照明導波部（３６ａ）を備える、請求項２に記載の投影システム。
4. 前記照明導波部（３６ａ）は、入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を第１光路（１７１）に沿って向け直すように構成された照明偏向要素（６１）と、入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）を第２光路（１７２）に沿って出力するように構成された照明外結合要素（３７ａ）とを備える、請求項３に記載の投影システム。
5. 前記照明導波部（３６ａ）は、前記複数の入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）をコリメートするように構成されたコリメート要素（５０）をさらに備える、請求項３又は４に記載の投影システム。
6. 照明導波部（３６ａ）は、前記複数の入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）と相互作用するように構成された１Ｄ又は２Ｄ折り畳み格子を備える、請求項３から５のいずれか一項に記載の投影システム。
7. 前記ＳＬＭ（２０）が反射性である、請求項１から６のいずれか一項に記載の投影システム。
8. 結像光学系は、第２光路（１７２）に沿う入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）が横切るように配置された、ビーム整形する第１外側表面（５２）及びビーム整形する第２外側表面（５３）を備えるプリズム（７０）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の投影システム。
9. プリズム（７０）は、第３光路（１７３）に沿って前記複数の入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）が横切る、ビーム整形する第３外側表面（５４）及びビーム整形する第４外側表面（５８）をさらに備える、請求項８に記載の投影システム。
10. プリズム（７０）は、第２光路（１７２）に沿って入射光ビーム（１００ａ、１００ｂ）が横切り、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）を、ビーム整形する第３外側表面（５４）上で反射するように構成されたビーム分割器（１４０）をさらに備える、請求項９に記載の投影システム。
11. ビーム整形する第３外側表面（５４）は、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）を第３光路（１７３）に沿って反射するように構成されている、請求項１０に記載の投影システム。
12. ＳＬＭ（２０）は、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）が面内偏光するように構成されている、請求項１０又は１１に記載の投影システム。
13. ビーム整形する第３外側表面（５４）は、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）の偏光がＳＬＭ（２０）によって提供される偏光に対して反転するように構成されていて、
    ビーム整形する第３外側表面（５４）は、第３光路（１７３）に沿った変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）がｐ偏光するように構成された１／４波長板（５６）を備える、請求項１２に記載の投影システム。
14. ビーム整形する第４外側表面（５８）は、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）をコリメートするように構成されている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の投影システム。
15. 結像光学系は、変調光ビーム（１１０ａ、１１０ｂ）から像の光ビーム（１１２ａ、１１２ｂ）を投影し、現実世界（１９０）からアイボックス領域（１２１ａ、１２１ｂ）に向かって自然光を伝送する光学結合器（４０）を備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の投影システム。
16. 変調光ビームは、第１平面（３０）にて中心窩のピン光の像（３１）を形成する中心窩の変調光ビーム（１１０ａ）と、第１ピン光面（３０）にて周辺のピン光の像（３９）を形成する周辺の変調光ビーム（１１０ｂ）とを備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の投影システム。
17. 光学結合器（４０）は、中心窩の変調光ビーム（１１０ａ）を反射し、中心窩の像の光ビーム（１１２ａ）を中心窩アイボックス（１２１ａ）に向けて投影するように構成された中心窩の結合器（４１）を備える、請求項１６に記載の投影システム。
18. この結像光学系は、第１平面（３０）にフーリエフィルタ（３４）を備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の投影システム。
19. フーリエフィルタ（３４）は、中心窩の変調光ビーム（１１０ａ）を中心窩の結合器（４１）に反射する第１平面（３０）内の結像偏向要素（６０ａ）を備える、請求項１６、１７及び１８に記載の投影システム。
20. 前記結像光学系は、結像偏向要素（６０ａ）によって反射された中心窩の変調光ビーム（１１０ａ）を中心窩の結合器（４１）に反射するように構成された結像ミラー（３２）を備える、請求項１９に記載の投影システム。
21. 結像ミラー（３２）は、結像ミラー（３２）で反射された中心窩の変調光ビーム（１１０ａ）を投影軸線（１７０）から偏向させるように移動可能である、請求項２０に記載の投影システム。
22. 視線追跡情報を提供する、視線追跡及びステアリング装置を備え、結像ミラー（３２）は、視線追跡情報に従って移動可能である、請求項２１に記載の投影システム。
23. フーリエフィルタ（３４）は、周辺の変調光ビーム（１１０ｂ）が注入光学系（１５０）に入射可能に構成され、注入光学系（１５０）は、周辺の変調光ビーム（１１０ｂ）を第１角度（α）から第１角度（α）よりも大きい第２角度（β）に拡大するように構成されている、請求項１６及び１８に記載の投影システム。
24. 結像光学系は、周辺変調光ビーム（１１０ｂ）を受け取り、周辺アイボックス領域（１２１ｂ）内の投影軸線（１７０）に沿って周辺像の光ビーム（１１２ｂ）を投影するように構成された結像出口瞳孔拡張装置（３６）を備える、請求項２３に記載の投影システム。
25. 結像出口瞳孔拡張装置は、結像導波部（３６）と、周辺変調光ビーム（１１０ｂ）が結像導波部（３６）に入るように構成された結像インカップリング要素（３５）を備える結像導波部（３６）と、周辺アイボックス領域（１２１Ｂ）内の投影軸線（１７０）に沿って周辺の像の光ビーム（１１２ｂ）を投射するように構成された結像アウトカップリング要素（３７）とを備える、請求項２４に記載の投影システム。
26. 請求項１から２５のいずれか一項に記載の投影システムを備える、着用可能な装置。
27. 混合現実メガネを備える請求項２６に記載の着用可能な装置において、光学結合器（４０）は、メガネの複数のレンズの中の少なくとも１つを備え、照明光学系及び結像光学系は、ヒンジ内の部品であるか、もしくはテンプルの別の部分である、請求項２６に記載の着用可能な装置。

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