JP2023542813A - 光ガイドベースのホログラフィックディスプレイ - Google Patents

Abstract

瞳複製ライトガイドに結合された空間光変調器を有するホログラフィックディスプレイが開示される。空間光変調器は、空間的に変調された振幅および／または位相を有する光ビームを提供する。光ビームは、瞳複製ライトガイドによって複数の部分に複製される。複数の部分は、ユーザによる直接観察のための画像を提供するために射出瞳において干渉する。視線追跡システムは、ユーザの瞳孔の位置を決定するために提供され得、光ビームの空間変調は、それに応じて、眼の瞳孔における複数のビーム部分の光学干渉が、要求される画像を提供することを確実にするように調節され得る。

Description

本開示は、光学デバイスに関し、特に、ディスプレイシステムおよびモジュールに関する。

仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）コンテンツ等を表示するために、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘルメットマウントディスプレイ、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：Ｎｅａｒ－Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）などが使用されている。そのようなディスプレイは、ほんの数例を挙げると、娯楽、教育、訓練および科学を含む多様な分野において用途が見出されている。表示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、３次元（３Ｄ）であって、体験を向上させ、仮想オブジェクトをユーザが観察する現実のオブジェクトに一致させることができる。

より良好な光学性能を提供するために、ディスプレイシステムおよびモジュールは、レンズ、導波路、ディスプレイパネル、回折格子等の多数の構成要素を含み得る。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは、通常、ユーザの頭部に装着されるため、大型で、かさばり、バランスがとれていない、かつ／または重量のあるディスプレイデバイスは、扱いにくく、ユーザが装着するのに不快であり得る。小型、軽量、かつ効率的なヘッドマウントディスプレイデバイスおよびモジュールが望まれる。

本開示の第１の態様によれば、ディスプレイが提供され、ディスプレイは、照明光ビームを提供する照明器と、照明器に動作可能に結合され、照明光ビームを受け取り、照明光ビームの少なくとも位相を空間的に変調して、空間的に変化する波面を有する画像光ビーム（ｉｍａｇｅ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ）を提供する空間光変調器（ＳＬＭ）と、ＳＬＭに動作可能に結合され、画像光ビームを受け取り、画像光ビームの複数の横方向にオフセットされた部分をディスプレイのアイボックス（ｅｙｅｂｏｘ）に提供する第１の複製ライトガイドとを備え、画像光ビームの空間的に変化する波面は、画像光ビームの複数の部分がディスプレイの射出瞳（ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ）においてコヒーレントに加算または減算されて、ユーザによる直接観察のための画像を形成するような形状を有する。

いくつかの実施形態では、照明器は、コリメート光ビームを提供する光源と、コリメート光ビームを受け取り、ＳＬＭに結合するための照明光ビームを形成するように、コリメート光ビームの複数の部分を提供し得るように構成され得る第２の複製ライトガイドとを備え得る。

いくつかの実施形態では、ＳＬＭは、空間的に異なる位相遅延を有する照明光ビームを反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得、反射時に、画像光ビームは、第２の複製ライトガイドを通過して第１の複製ライトガイドに向かって戻るように伝搬し得る。

いくつかの実施形態では、第１の複製ライトガイドは、第１の複製ライトガイドからの画像光ビームの複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラを備え得、回折格子アウトカプラは、画像光ビームの複数の部分のうちの少なくともいくつかの光パワーの最大１％を拡散的に散乱させるように構成され得る。

いくつかの実施形態では、第１の複製ライトガイドは、第１の複製ライトガイドからの画像光ビームの複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラと、画像光ビームの複数の部分の光パワーの少なくとも一部を散乱させる、回折格子アウトカプラの下流にある拡散散乱体とを含み得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ＳＬＭに動作可能に結合されたコントローラをさらに備え得、コントローラは、ユーザによる直接観察のための画像を形成するために、画像光ビームの複数の部分がディスプレイの射出瞳においてコヒーレントに加算または減算されるように、空間的に変化する波面の形状を計算し、照明光ビームを空間的に変調して画像光ビームを提供するための制御信号をＳＬＭに提供するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムをさらに備え得、コントローラは、視線追跡システムに動作可能に結合され得、コントローラは、視線追跡システムによって決定された眼の瞳孔の位置に基づいて、ディスプレイの射出瞳の位置を設定するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させる、第１の複製ライトガイドの下流にある合焦要素と、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムとをさらに備え得、照明器は、コリメート光ビームを提供する光源と、光源に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする傾斜可能な反射器と、傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取り、照明光ビームを形成するように、コリメート光ビームの複数の部分を提供する第２の複製ライトガイドと、を備え得、コントローラは、傾斜可能な反射器および視線追跡システムに動作可能に結合され得、かつディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔に向かってシフトさせるようにコリメート光ビームを再方向付けするように構成され得る。

本開示の第２の態様によれば、ディスプレイが提供され、ディスプレイは、コリメート光ビームを提供する光源と、光源に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする傾斜可能な反射器と、傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取ってコリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する複製ライトガイドと、複製ライトガイドに動作可能に結合され、コリメート光ビームの複数の部分を受け取り、コリメート光ビームの複数の部分の振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調して画像光ビームを形成する空間光変調器（ＳＬＭ）と、ＳＬＭに動作可能に結合され、ユーザによる直接観察のための画像を形成するように、ディスプレイの射出瞳に画像光ビームを合焦させる合焦要素とを備える。

いくつかの実施形態では、ＳＬＭは、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有するコリメート光ビームを反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得、反射時に、画像光ビームは、複製ライトガイドを通過して合焦要素に向かって戻るように伝搬し得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムと、視線追跡システムおよび傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、ディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるためにコリメート光ビームを再方向付けするように傾斜可能な反射器を動作させるように構成されたコントローラとをさらに備え得る。

いくつかの実施形態では、合焦要素は、切り替え可能なレンズを含み得、コントローラは、切り替え可能なレンズに動作可能に結合されるとともに、ディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるように切り替え可能なレンズを切り替えるように構成され得る。

本開示の第３の態様によれば、ディスプレイが提供され、ディスプレイは、コリメート光ビームを提供する照明器と、照明器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取ってコリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供するため複製ライトガイドと、複製ライトガイドに動作可能に結合され、コリメート光ビームの複数の部分を受け取り、コリメート光ビームの複数の部分を振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調する空間光変調器（ＳＬＭ）と、画像光ビームを可変的に再方向付けする、ＳＬＭの下流の光路内にある再方向付け要素と、ユーザによる直接観察のための画像を形成するためにディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させる、ＳＬＭの下流の光路内にある合焦要素とを備える。

いくつかの実施形態では、ＳＬＭは、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有するコリメート光ビームの複数の部分を反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得、反射時に、画像光ビームは、複製ライトガイドを通過して再方向付け要素に向かって戻るように伝搬し得る。

いくつかの実施形態では、再方向付け要素は、画像光ビームを切り替え可能に再方向付けするように構成されるパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ：Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ Ｐｈａｓｅ）回折格子のスタックを備え得る。

いくつかの実施形態では、合焦要素が、回折レンズ、屈折レンズ、フレネルレンズ、またはパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズのうちの少なくとも１つを含み得る。
いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ＳＬＭの下流の光路内に配置されるとともに、コリメート光ビームの複数の部分の空間変調による高次の回折を遮断するように構成された角度フィルタをさらに備え得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定する視線追跡システムをさらに備え得る。
いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ＳＬＭ、再方向付け要素、および視線追跡システムに動作可能に結合され、視線追跡システムから眼の瞳孔の位置を取得し、再方向付け要素に、画像光ビームを眼の瞳孔の位置に向けて再方向付けさせ、ＳＬＭに、コリメート光ビームの複数の部分を空間的に変調させるように構成されたコントローラをさらに備え得る。

いくつかの実施形態では、合焦要素は、コントローラに動作可能に結合された可変焦点要素を備え得、コントローラは、ディスプレイの射出瞳を眼の瞳孔の位置にシフトさせるように、可変焦点要素の焦点距離を調節するように構成され得る。

本開示の１つまたは複数の態様または実施形態への組み込みに好適であるとして本明細書に説明される任意の特徴は、本開示の任意および全ての態様および実施形態にわたって一般化可能であることが意図されることを理解されたい。本開示の他の態様は、本開示の説明、特許請求の範囲、および図面に照らして当業者によって理解され得る。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的なものにすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。

本開示の複製ライトガイドベースのディスプレイの概略図である。 照明複製導波路を使用するディスプレイの実施形態の断面分解図である。 本開示の全開口光ガイド照明器ディスプレイの断面分解図である。 全開口光ステアリングスタックに基づく本開示のディスプレイの断面分解図である。 眼鏡の形状を有する、本開示の拡張現実（ＡＲ）ディスプレイの図である。 本開示の頭部搭載型仮想現実（ＶＲ）ディスプレイの等角図である。

次に、例示的な実施形態を図面と併せて説明する。
本教示は、種々の実施形態および実施例とともに説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されない。反対に、本教示は、当業者によって理解されるように、種々の代替形態および均等物を包含する。本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの具体例を列挙する本明細書における全ての記述は、それらの構造的均等物および機能的均等物の両方を包含することが意図されている。加えて、そのような均等物は、現在知られている均等物ならびに将来開発される均等物、即ち、構造にかかわらず、同じ機能を実行する開発された任意の要素の両方を含むことが意図される。

本明細書で使用される場合、用語「第１」、「第２」などの用語は、連続的な順序付けを暗示することを意図するものではなく、むしろ、明示的に述べられていない限り、１つの要素を別の要素から区別することを意図するものである。同様に、方法ステップの連続的順序付けは、明示的に述べられていない限り、それらの実行の連続的順序を暗示するものではない。図１～図５において、同様の参照番号は同様の構成要素を示す。

ホログラフィックディスプレイは、ディスプレイの射出瞳において画像の光照射野の波面を再生する光学構成の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。そのような画像は、ユーザの眼が射出瞳に配置されたときにユーザによって直接観察され得る。ホログラフィックディスプレイ構成の１つの利点は、被写界深度が自然に再現されることである。ホログラフィックディスプレイの課題は、画像を観察するために眼が射出瞳に留まる必要があることである。

本開示は、画像光の平行にシフトされた複数の部分を外部結合しながら、それらの外面からの一連の全内部反射（ＴＩＲ）によって画像光をガイドする複製ライトガイドを利用することにより、ディスプレイのアイボックス全体に光カバーを提供し、かつ眼の複数の場所で画像が観察されることを可能にする。いくつかの実施形態では、複製ライトガイドは、照明光ビームを複製するために使用され、ＳＬＭのための指向性バックライトとして動作する。本明細書に開示されるディスプレイでは、そのような複製ライトガイドは、ホログラフィックディスプレイ構成において使用されて、ホログラフィックディスプレイ構成によってもたらされる被写界深度の利点を、瞳複製（ｐｕｐｉｌ ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）によってもたらされる眼の複数の場所において表示される風景を観察する能力と組み合わせることを可能にする。

空間光変調器（ＳＬＭ）によって空間的に変調された光ビームは、複製ライトガイドによって複数の部分に複製される。代替的に、複数の照明ビーム部分が複製され、後続の空間変調のためにＳＬＭに方向付けられ得る。変調された複数の部分は、ユーザによる直接観察のための画像を提供するために射出瞳において干渉する。視線追跡システムは、ユーザの瞳孔の位置を決定するために提供され得、光ビームの空間変調は、それに応じて、眼の瞳孔における複数のビーム部分の光学干渉が、要求される画像を提供することを確実にするように調節され得る。

本開示によれば、照明光ビームを提供する照明器を備えるディスプレイが提供される。空間光変調器（ＳＬＭ）は、照明器に動作可能に結合されており、照明光ビームを受け取り、照明光ビームの少なくとも１つの位相を空間的に変調して、空間的に変化する波面を有する画像光ビームを提供する。第１の複製ライトガイドは、ＳＬＭに動作可能に結合されており、画像光ビームを受け取り、ディスプレイのアイボックスにおいて画像光ビームの複数の横方向にオフセットされた部分を提供する。画像光ビームの空間的に変化する波面は、画像光ビームの複数の部分がディスプレイの射出瞳においてコヒーレントに加算または減算されて、ユーザによる直接観察のための画像を形成するような形状を有する。

照明器は、コリメート光ビームを提供する光源と、コリメート光ビームを受け取り、ＳＬＭに結合するための照明光ビームを形成するように、コリメート光ビームの複数の部分を提供するように構成された第２の複製ライトガイドとを含み得る。ＳＬＭは、例えば、空間的に異なる位相遅延を有する照明光ビームを反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得、それにより、反射時に、画像光ビームは、第２の複製ライトガイドを通過して第１の複製ライトガイドに向かって戻るように伝搬する。

いくつかの実施形態では、第１の複製ライトガイドは、第１の複製ライトガイドからの画像光ビームの複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラを含む。回折格子アウトカプラは、画像光ビームの複数の部分のうちの少なくともいくつかの光パワーの最大１％を拡散的に散乱させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、第１の複製ライトガイドは、第１の複製ライトガイドからの画像光ビームの複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラと、画像光ビームの複数の部分の光パワーの少なくとも一部を散乱させる、回折格子アウトカプラの下流にある拡散散乱体とを含み得る。

ディスプレイは、ＳＬＭに動作可能に結合されたコントローラをさらに含み得る。コントローラは、ユーザによる直接観察のための画像を形成するために、画像光ビームの複数の部分がディスプレイの射出瞳においてコヒーレントに加算または減算されるように、空間的に変化する波面の形状を計算し、かつそれに従って照明光ビームを空間的に変調して、画像光ビームを提供するための制御信号をＳＬＭに提供するように構成され得る。ディスプレイは、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定する視線追跡システムをさらに含み得る。コントローラは、視線追跡システムに動作可能に結合されており、視線追跡システムによって決定された眼の瞳孔の位置に基づいて、ディスプレイの射出瞳の位置を設定するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させる、第１の複製導波路の下流にある合焦要素と、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムとをさらに含み得る。そのような実施形態では、照明器は、コリメート光ビームを提供する光源と、光源に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする傾斜可能な反射器と、傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取り、照明光ビームを形成するように、コリメート光ビームの複数の部分を提供する第２の複製ライトガイドとを含み得る。コントローラは、傾斜可能な反射器および視線追跡システムに動作可能に結合されるとともに、ディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔に向かってシフトさせるようにコリメート光ビームを再方向付けするように構成され得る。

本開示によれば、コリメート光ビームを提供する光源を備えるディスプレイが提供される。傾斜可能な反射器は、光源に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする。複製ライトガイドは、傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取って、コリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する。ＳＬＭは、複製ライトガイドに動作可能に結合され、コリメート光ビームの複数の部分を受け取ってコリメート光ビームの複数の部分を振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調して、画像光ビームを形成する。合焦要素は、ＳＬＭに動作可能に結合され、ユーザによる直接観察のための画像を形成するように、ディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させる。ＳＬＭは、例えば、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有するコリメート光ビームを反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得る。反射時に、画像光ビームは、複製ライトガイドを通過して合焦要素に向かって戻るように伝搬する。

ディスプレイは、ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムと、視線追跡システムおよび傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、ディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるためにコリメート光ビームを再方向付けするように傾斜可能な反射器を動作させるように構成されたコントローラとをさらに含み得る。合焦要素は、切り替え可能なレンズを含み得る。コントローラは、切り替え可能なレンズに動作可能に結合され、ディスプレイの射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるように切り替え可能なレンズを切り替えるように構成され得る。

本開示によれば、ディスプレイがさらに提供され、ディスプレイは、コリメート光ビームを提供する照明器と、照明器に動作可能に結合され、コリメート光ビームを受け取ってコリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する複製ライトガイドと、複製ライトガイドに動作可能に結合され、コリメート光ビームの複数の部分を受け取り、コリメート光ビームの複数の部分を振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調するＳＬＭと、画像光ビームを可変的に再方向付けする、ＳＬＭの下流の光路内にある再方向付け要素と、ユーザによる直接観察のための画像を形成するためにディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させる、ＳＬＭの下流の光路内にある合焦要素と、を備える。ＳＬＭは、例えば、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有するコリメート光ビームの複数の部分を反射することによって画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり得る。反射時に、画像光ビームは、複製ライトガイドを通過して再方向付け要素に向かって戻るように伝搬する。再方向付け要素は、画像光ビームを切り替え可能に再方向付けするように構成されたパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）回折格子のスタックを含み得る。合焦要素は、回折レンズ、屈折レンズ、フレネルレンズ、またはＰＢＰレンズなどを含み得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ＳＬＭの下流の光路内に配置されるとともに、コリメート光ビームの複数の部分の空間変調による高次回折を遮断するように構成された角度フィルタをさらに含む。

ディスプレイのユーザの瞳孔の位置を決定する視線追跡システムが提供され得る。コントローラは、ＳＬＭ、再方向付け要素、および視線追跡システムに動作可能に結合されるとともに、視線追跡システムから眼の瞳孔の位置を取得し、再方向付け要素に、画像光ビームを眼の瞳孔の位置に向けて再方向付けさせ、ＳＬＭに、コリメート光ビームの複数の部分を空間的に変調させるように構成され得る。合焦要素は、コントローラに動作可能に結合された可変焦点要素を含み得る。コントローラは、ディスプレイの射出瞳を眼の瞳孔の位置にシフトさせるために可変焦点要素の焦点距離を調節するように構成され得る。

ここで図１を参照すると、ディスプレイ１００は、照明光ビーム１０４を提供するための照明器１０２を含む。空間光変調器（ＳＬＭ）１０６は、照明器１０２に光学的に結合されており、照明光ビーム１０４を受け取り、照明光ビーム１０４の位相、振幅、またはその両方を空間的に変調して、振幅および／または位相の空間変調の結果として複数の山および谷を有する空間的に変化する波面１１０を有する画像光ビーム１０８を提供する。複製ライトガイド１１２は、ＳＬＭ１０６に光学的に結合されており、画像光ビーム１０８を受け取り、かつ画像光ビーム１０８の複数の横方向にオフセットされた複数の部分１０８’、または複数の複製を提供する。画像光ビーム１０８の複数の部分１０８’は、複数の波面１１０’を有する。複数の部分１０８’は、ディスプレイ１００のアイボックス１１４に伝搬して、アイボックス１１４内のディスプレイ１００の射出瞳１１６において、局所的な相対光位相に応じてコヒーレントに加算または減算される光学干渉を受ける。本明細書では、「アイボックス」という用語は、許容可能な品質の画像がディスプレイ１００のユーザによって観察され得る幾何学的領域を意味する。

ＳＬＭ１０６は、ディスプレイの画像光ビーム１０８の複数の部分１０８’が射出瞳１１６においてコヒーレントに加算または減算されて、射出瞳１１６に位置するユーザの眼１２６による直接観察のための画像を形成するように、画像光ビーム１０８を予め計算された振幅分布および／または位相分布で変調する。いくつかの実施形態では、振幅分布および位相分布は、射出瞳１１６における画像光ビーム１０８の複数の部分１０８’の複数の波面１１０’との光学干渉を記述する以下の行列方程式を数値的に解くことによって、表示されるべき画像からコントローラ１３０によって計算され得る。

Ｈ＝Ｍ・Ｓ （１）
ここで、Ｈは所望の（ターゲット）ホログラムであり、Ｓは解（照明光ビーム１０４の振幅および位相変調）であり、Ｍは射出瞳１１６における複数の部分１０８’のコヒーレント干渉を考慮した変換行列である。位相限定変調の場合、方程式は非線形になり得る。反復または符号化ベースの方法を使用して、非線形方程式からホログラムを計算することができる。

ＳＬＭ１０６は、透過または反射で動作し得るとともに、液晶（ＬＣ）アレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）反射器アレイを含むか、または任意の他の好適な技術に基づき得る。複製ライトガイド１１２は、例えば、図１に示すように、複数のオフセット位置１０９において画像光ビーム１０８を内部結合し（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、複数の部分１０８’を外部結合する（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）ための入力及び出力回折格子カプラを含む平面平行透明板であり得る。回折格子カプラは、例えば、表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ：ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇ）カプラ、体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ：ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）カプラなどを含み得る。画像光ビーム１０８は、一連の内部全反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって平面平行板内を伝搬する。いくつかの実施形態では、平面平行板は、瞳複製の密度を増加させるために、板に平行に延びる埋め込まれた部分反射器を含み得る。

次に、１つまたは複数の複製ライトガイドを有するホログラフィックディスプレイのいくつかの実施形態について検討する。最初に図２を参照すると、ディスプレイ２００は、図１のディスプレイ１００の実施形態であるとともに、同様の構成要素を含む。図２のディスプレイ２００の照明器２０２は、コリメート光ビーム２０３を放射する光源２１８を含む。光源２１８は、例えば、反射器２２０を介して、ソース複製ライトガイド２２２に動作可能に結合される。ソース複製ライトガイド２２２は、反射型ＳＬＭ２０６を照明するための照明光ビーム２０４を形成するように、コリメート光ビーム２０３の複数の部分２２４を提供するように構成される。ソース複製ライトガイド２２２は、例えば、コリメート光ビーム２０３を内部結合するとともに、コリメート光ビーム２０３の複数の部分２２４を外部結合するための入力及び出力回折格子カプラを含み得る。反射型ＳＬＭ２０６は、空間的に異なる位相遅延および／または空間的に変調された振幅係数または反射係数を有する照明光ビーム２０４を反射することによって画像光ビーム２０８を形成するように構成される。画像光ビーム２０８の波面は、２１０で示される。反射時に、画像光ビーム２０８は、ソース複製ライトガイド２２２を通過して図１のディスプレイ１００の複製ライトガイド１１２に類似する画像複製ライトガイド２１２に向かって戻るように伝搬する。画像光ビーム２０８は、さらなる多重反射なしに、ソース複製ライトガイド２２２を通過して戻るように伝搬し、即ち、図２では真っ直ぐ下方に伝搬する。画像複製ライトガイド２１２は、画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’を形成する。複数の部分２０８’は、合焦要素２３４（例えば、レンズ）によって射出瞳２１６に合焦され、かつ射出瞳２１６において光学的に干渉して、射出瞳２１６（図２）に配置されたユーザの眼１２６によって観察され得る画像を形成する。

画像複製ライトガイド２１２及び／又はソース複製ライトガイド２２２は、照明光又は画像光を内部結合及び外部結合するための回折格子カプラを含み得る。回折格子カプラは、例えば、ＳＲＧカプラ、ＢＧカプラ等を含み得る。いくつかの実施形態では、平面平行板は、瞳複製の密度を増加させるために、板に平行に延びる埋め込まれた部分反射器を含み得る。

ディスプレイ２００は、ＳＬＭ２０６に動作可能に結合されたコントローラ２３０をさらに含み得る。コントローラ２３０は、画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’が、ディスプレイ２００の射出瞳２１６においてコヒーレントに加算または減算されて、ユーザの眼１２６による直接観察のための画像を形成するように、空間的に変化する波面２１０の形状を計算するように構成（例えば、プログラム）され得る。次に、コントローラ２３０は、照明光ビーム２０４を空間的に変調し、出力において画像光ビーム２０８を提供するように反射型ＳＬＭ２０６に制御信号を提供し得る。画像はホログラフィックに形成されるので、３次元ターゲット画像を表す複雑な光学フィールドが射出瞳２１６に形成され得る。空間的に変化する波面２１０の形状は、例えば、近くの仮想オブジェクト２２８が、眼１２６から有限距離に存在するかのように眼１２６に見え、眼１２６がオブジェクト２２８に自然に焦点を合わせることを可能にし、それによって、輻輳調節矛盾（ｖｅｒｇｅｎｃｅ－ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｆｌｉｃｔ）を緩和するように、計算され得る。

画像複製ライトガイド２１２は、画像複製ライトガイド２１２から画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’を外部結合するための回折格子アウトカプラ２９０を含み得る。いくつかの実施形態では、回折格子アウトカプラ２９０は、特定の散乱角（例えば、３度以下、または１０度以下、またはそれ以上）内で、画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’の少なくともいくつかの強度のごく一部（例えば、最大０．０１％、最大０．１％、または最大１％）を散乱させるようにも構成され得る。散乱能力を持たせるために、散乱材料が回折格子アウトカプラ２９０に添加され得る。いくつかの実施形態では、散乱は、一対の記録ビーム（一方がクリーンな平面波ビームまたは球面波ビームであり、他方がわずかに散乱したビーム）を使用して回折格子カプラを形成することによって実現され得る。表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）も使用され得る。代替的に、別個の拡散散乱体（ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｃａｔｔｅｒｅｒ）２９２が、画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’の光パワーの少なくとも一部を散乱させるために、回折格子アウトカプラ２９０の下流に配置され得る。回折格子アウトカプラ２９０に、または別個の拡散散乱体２９２として、拡散散乱体を追加する機能は、画像光ビーム２０８の個々の部分２０８’間の空間コヒーレンスまたは相関を低減することであり、これは、空間的に変化する波面２１０の形状の計算および最適化に、そのような計算の制約を緩和することによって、有益であり得る。いくつかの事例では、拡散散乱体の存在は、ディスプレイ２００のエタンデュをさらに向上させ、例えば、ディスプレイ２００の視野を拡大することを可能にし得る。そのような拡散散乱体はまた、複製ライトガイド１１２の下流の別個の散乱体として、または複製ライトガイド１１２の散乱アウトカプラとして、図１のディスプレイ１００に追加され得る。

ディスプレイ２００は、ユーザの眼１２６を感知し、アイボックス２１４内の眼の瞳孔の位置を決定するように構成される視線追跡システム２３２をさらに含み得る。コントローラ２３０は、視線追跡システム２３２に動作可能に結合されて、視線追跡システム２３２によって決定された眼１２６の瞳孔の位置に基づいてディスプレイ２００の射出瞳２１６の位置を設定し得る。射出瞳２１６の位置が設定されると、コントローラ２３０は、射出瞳２１６の位置における画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’の光学干渉を記述する方程式を数値的に解くことによって、表示されるべき画像から画像光ビーム２０８の振幅分布および／または位相分布を計算し得る。アイボックス２１４における他のロケーションは、計算プロセスを高速化するために、この計算において無視され得る。

いくつかの実施形態では、反射器２２０は、コントローラ２３０から対応する制御信号を受信すると、コリメート光ビーム２０３を所望の方向にステアリングすることができる傾斜可能な反射器である。コリメート光ビーム２０３が反射器２２０によってステアリングされると、ソース複製導波路２２２へのコリメート光ビーム２０３の入射角が変化する。ソース複製導波路２２２がコリメート光ビーム２０３の指向角を維持するため、コリメート光ビーム２０３の複数の部分２２４は、それに応じてステアリングされる。コリメート光ビーム２０３の複数の部分２２４は、コリメート光ビーム２０３のステアリングを繰り返す照明光ビーム２０４を形成する。照明光ビーム２０４の角度は、合焦要素２３４によって照明光ビーム２０４の焦点スポットの位置に変換される。これにより、画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’を、例えば、様々な位置２０９Ａ、２０９Ｂ、および２０９Ｃの間でステアリングすることが可能になる。画像光ビーム２０８の複数の部分２０８’をステアリングすることにより、画像光ビーム２０８のより大きな部分を射出瞳２１６に向けてステアリングすることが可能となり、それによって、ディスプレイ２００の射出瞳２１６の照明が増加し、最終的に、ディスプレイ２００による光の利用が向上する。

ここで図３を参照すると、ディスプレイ３００は、コリメート光ビーム３０３を放射する光源３１８を含む。光源３１８は、傾斜可能な反射器３２０に光学的に結合されており、傾斜可能な反射器３２０は、傾斜可能な反射器３２０に動作可能に結合されたコントローラ３３０から対応するコマンドを受信すると、コリメート光ビーム３０３をステアリングするか、または可変的に再方向付けすることができる。複製ライトガイド３２２は、傾斜可能な反射器３２０に光学的に結合され、コリメート光ビーム３０３を受け取り、コリメート光ビーム３０３の複数の横方向にオフセットされた平行部分３２４（短い上向き矢印で示される）を提供する。これに伴い、複数の横方向にオフセットされた平行部分３２４は、照明光ビーム３０４を形成する。

ＳＬＭ３０６は、複製ライトガイド３２２に光学的に結合される。ＳＬＭ３０６は、照明光ビーム３０４を受け取り、振幅、位相、またはその両方において空間的に変調して、波面３１０を有する画像光ビーム３０８を生成する。ＳＬＭ３０６は、この実施形態では反射型ＳＬＭである。合焦要素３３４は、ＳＬＭ３０６に光学的に結合される。合焦要素３３４は、画像光ビーム３０８をディスプレイ３００の射出瞳３１６に合焦させて、ユーザの眼１２６による直接観察のための画像を形成する。

図３において、ＳＬＭ３０６は、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有する照明光ビーム３０４を反射することによって、画像光ビーム３０８を形成するように構成される。反射時に、画像光ビーム３０８は、複製ライトガイド３２２を通過して合焦要素３３４に向かって戻るように伝搬する。より一般的には、ＳＬＭ３０６は透過または反射で動作し得る。ＳＬＭ３０６は、ＬＣアレイ、ＭＥＭＳ反射器アレイなどを含み得る。複製ライトガイド３２２は、図示されるように、複数のオフセット位置において、コリメート光ビーム３０３を内部結合し、かつ複数の部分３２４を外部結合するための入力および出力回折格子カプラを含む平面平行透明板であり得る。回折格子カプラは、例えば、ＳＲＧカプラ、ＶＢＧカプラ等を含み得る。いくつかの実施形態では、平面平行板は、瞳複製の密度を増加させるために、板に平行に延びる埋め込まれた部分反射器を含み得る。

ディスプレイ３００は、ユーザの眼１２５を感知し、アイボックス３１４に対する眼の瞳孔の位置を決定するように構成される視線追跡システム３３２をさらに含み得る。コントローラ３３０は、視線追跡システム３３２に動作可能に結合されて、複数の位置３０９Ａ、３０９Ｂ、および３０９Ｃの間で、概して、ユーザの眼１２６の瞳孔に向かって、照明光ビーム３０４を再方向付けするためにコリメート光ビーム３０３を再方向付けするように傾斜可能な反射器３２０を動作させ得る。コントローラ３３０は、視線追跡システム３３２によって決定された眼１２６の瞳孔の位置に基づいて、ディスプレイ３００の射出瞳３１６の位置を設定するようにさらに構成され得る。射出瞳３１６の位置が設定されると、コントローラ３３０は、射出瞳３１６において表示されるべき画像から画像光ビーム３０８の振幅分布および位相分布を計算し得る。計算は、使用される光学構成に依存し得る。

いくつかの実施形態では、合焦要素３３４は、切り替え可能な焦点距離を有するレンズ（例えば、切り替え可能なパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、切り替え可能なＰＢＰレンズのスタック、メタレンズ）等の可変焦点要素を含み得る。コントローラ３３０は、１つまたは複数の切り替え可能なレンズに動作可能に結合されるとともに、ディスプレイ３００の射出瞳３１６を眼１２６の瞳孔にシフトさせるように、例えば、特定のユーザのアイリリーフ距離（ｅｙｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ）により良く一致するように、１つまたは複数の切り替え可能なレンズを切り替えるように構成され得る。１つまたは複数の切り替え可能なレンズは、３Ｄ空間内の仮想オブジェクトのロケーションを変更するために、例えば、輻輳調節矛盾を緩和するために使用され得る。いくつかの実施形態では、合焦要素３３４は、例えば、切り替え可能な回折格子等のステアリング要素をさらに含み得る。可変焦点要素および／またはステアリング合焦要素３３４は、傾斜可能な反射器３２０と組み合わせて使用されて、焦点変調およびシフト変調を分離するか、または両方を使用してシフト角を拡大し得る。

図４を参照すると、ディスプレイ４００は、図３のディスプレイ３００と同様であり、かつ同様の構成要素を含む。図４のディスプレイ４００は、コリメート光ビーム４０３を提供するための照明器４１８を含む。複製ライトガイド４２２は、例えば反射器４２０によって照明器４１８に光学的に結合される。複製ライトガイド４２２は、コリメート光ビーム４０３を受け取り、コリメート光ビーム４０３の複数の横方向にオフセットされた平行部分４２４を提供する。複数の部分４２４は、照明光ビーム４０４を形成し、照明光ビーム４０４は、任意選択的な角度フィルタ４３６を通過するように伝搬して、ＳＬＭ４０６上に入射する。ＳＬＭ４０６は、画像情報を画像光ビーム４０８の波面４１０上に符号化するように、照明光ビーム４０４を受け取って振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調する。図４に示す実施形態では、ＳＬＭ４０６は、空間的に異なる反射率または空間的に異なる光位相のうちの少なくとも１つを有する照明光ビーム４０４を反射することによって画像光ビーム４０８を形成する反射型ＳＬＭである。複数の横方向にオフセットされた平行部分４２４は、複製ライトガイド４２２及びＳＬＭ４０６に対して垂直に示されているが、複製ライトガイド４２２に対して斜角で伝搬してもよいことを理解されたい。さらに、画像光ビーム４０８は、複製ライトガイド４２２およびＳＬＭ４０６に対して垂直にコリメートされるように示されているが、発散／収束し得るか、または複雑な形状の波面４１０を有し得る。

画像光ビーム４０８は、角度フィルタ４３６を通過するように伝搬する。角度フィルタ４３６の目的は、ＳＬＭ４０６によって照明光ビーム４０４を空間的に変調する際に現れ得る高次の回折を遮断することである。角度フィルタ４３６は、例えば、体積ホログラムを含み得る。次に、画像光ビーム４０８は、複製ライトガイド４２２によって実質的に捕捉又は再方向付けされることなく、複製ライトガイド４２２を通過するように真っ直ぐに伝搬する。再方向付け要素４３８が、画像光ビーム４０８を複数の位置４０９Ａ、４０９Ｂ、および４０９Ｃの間で、概してユーザの眼１２６の瞳孔に向かって可変的に再方向付けするためにＳＬＭの下流の光路内に配置される。そのために、再方向付け要素４３８は、ＬＣステアリング要素、切り替え可能な回折格子、切り替え可能なＰＢＰ回折格子、またはそのような回折格子のバイナリスタック、メタレンズ等を含み得る。合焦要素４３４が、画像光ビーム４０８をディスプレイ４００の射出瞳４１６に合焦させて、ユーザの眼１２６による直接観察のための画像を形成するためにＳＬＭ４０６の下流の光路内に配置される。合焦要素は、例えば、回折レンズ、屈折レンズ、フレネルレンズ、ＰＢＰレンズ、またはそのようなレンズの任意の組み合わせもしくはスタックを含み得る。再方向付け要素４３８及び合焦要素４３４の順序は逆であってもよく、さらに、いくつかの実施形態では、合焦要素４３４及び再方向付け要素４３８は、画像光４０８の可変のステアリング及び合焦を可能にする単一のスタック及び／又は単一の光学サブアセンブリに組み合わされ得る。

視線追跡システム４３２が設けられ得る。視線追跡システム４３２は、ユーザの眼１２６を感知し、アイボックス４１４に対するユーザの眼１２６の瞳孔の位置を決定するように構成され得る。コントローラ４３０は、ＳＬＭ４０６、再方向付け要素４３８、および視線追跡システム４３２に動作可能に結合され得る。コントローラ４３０は、視線追跡システム４３２から眼の瞳孔の位置を取得し、再方向付け要素４３８に画像光ビーム４０８を眼の瞳孔位置に向けて再方向付けさせ、ＳＬＭに射出瞳４１６において所望の画像を生成するように照明光ビーム４０４を空間的に変調させるように構成され得る。合焦要素４３４は、コントローラ４３０に動作可能に結合された可変焦点要素を含み得る。コントローラ４３０は、ディスプレイ４００の射出瞳をユーザの眼１２６の眼の瞳孔の位置にシフトさせるために可変焦点要素の焦点距離を調節するように構成され得る。

図５を参照すると、ＡＲ／ＶＲニアアイディスプレイ５００は、眼鏡の形状を有するフレーム５０１を含む。フレーム５０１は、各眼に対して、照明器アセンブリ５７２と、アセンブリ５７２に結合された光学スタック５７４と、視線追跡カメラ５７６と、アイボックス５１４内の眼を照明するための複数のアイボックス照明器５７８（黒色ドットとして示される）とを支持する。眼照明器５７８は、光学スタック５７４によって支持され得る。拡張現実用途では、光学スタック５７４は、ユーザが、各眼の中に投影され、かつ外部世界の景色と重畳される画像とともに、外界を視認することが可能となるように、透明または半透明であり得る。各眼に投影される画像は、実際の世界の景色に没入して見えるように、擬似的な視差効果で配置されたオブジェクトを含み得る。

照明器アセンブリ５７２は、本明細書に開示される照明器／光源のいずれか、例えば、図１のディスプレイ１００の照明器１０２－ＳＬＭ１０６スタック、図２のディスプレイ４００の照明器２０２－ＳＬＭ２０６スタック、図３のディスプレイ２００の光源３１８、および／または図４のディスプレイ３００の照明器４１８を含み得る。光学スタック５７４は、本明細書に開示される全開口光学要素またはスタックのいずれかを含み得る。本明細書では、「全開口」という用語は、アイボックス５１４内に配置されたユーザの眼の視野の大部分にわたって広がっていることを意味する。全開口要素またはスタックの例は、例えば、図１のディスプレイ１００の複製ライトガイド１１２、図２のディスプレイ２００の複製ライトガイド２１２、図３のディスプレイ３００のＳＬＭ３０６、複製ライトガイド３２２、および合焦要素３３４のスタック、および／または図４のディスプレイ４００のＳＬＭ４０６、角度フィルタ４３６、複製ライトガイド４２２、再方向付け要素４３８、および合焦要素４３４のスタックを含む。

視線追跡カメラ５７６の目的は、ユーザの両眼の位置および／または向きを決定することである。ユーザの眼の位置および向きが把握されると、眼の瞳孔位置が把握され、ＡＲ／ＶＲニアアイディスプレイ５００のコントローラ５３０は、必要とされるＳＬＭ位相および／または振幅プロファイルを計算して、眼の瞳孔の場所に画像を形成するとともに、光エネルギーを眼の瞳孔上に入射するように再方向付けし得る。注視輻輳距離および方向も決定され得る。表示される画像は、表示される拡張現実の風景へのユーザの没入のより良好な忠実度のために、および／または拡張現実との対話の特定の機能を提供するために、ユーザの視線を考慮するように動的に調整され得る。

動作中、眼照明器５７８は、視線追跡カメラ５７６が眼の画像を取得するとともに、閃光である基準反射を提供することを可能にするために対応するアイボックス５１４において眼を照明する。閃光は、キャプチャされた眼画像内の基準点として機能し得、閃光画像に対する眼の瞳孔画像の位置を決定することによって、眼の注視方向の決定を可能にする。照明光によりユーザの気を散らすことを回避するために、照明光はユーザに見えないようにされ得る。例えば、赤外線を使用してアイボックス５１４を照明し得る。

次いで、コントローラ５３０は、視線追跡カメラ５７６によって取得された画像を処理して、ユーザの両眼の注視方向をリアルタイムで決定し得る。いくつかの実施形態では、画像処理および眼の位置／向きの決定機能は、ＡＲ／ＶＲニアアイディスプレイ５００の専用コントローラまたは複数のコントローラによって実行され得る。

本開示の実施形態は、人工現実システムを含み得るか、または人工現実システムとともに実施され得る。人工現実システムは、視覚情報、オーディオ、触覚（体性感覚）情報、加速度、平衡等の感覚を通して得られる外界に関する感覚情報を、ユーザに提示する前に何らかの方法で調整する。非限定的な例として、人工現実は、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそれらのいくつかの組合せおよび／もしくは派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた（例えば、現実世界の）コンテンツと組み合わされた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、体性もしくは触覚フィードバック、またはそれらのいくつかの組合せを含み得る。このコンテンツのいずれも、観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオにおいてなど、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実はまた、例えば、人工現実におけるコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において別様に使用される（例えば、人工現実におけるアクティビティを実施する）、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらのいくつかの組み合わせにも関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたＨＭＤなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロンＨＭＤ、眼鏡の形状を有するニアアイディスプレイ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは１人または複数人の観察者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。

図６を参照すると、ＨＭＤ６００は、ＡＲ／ＶＲ環境へのより大きな没入度のためのユーザの顔を取り囲むＡＲ／ＶＲウェアラブルディスプレイシステムの一例である。本明細書で考慮されるディスプレイのいずれも、ＨＭＤ６００において使用され得る。ＨＭＤ６００の機能は、コンピュータ生成画像で物理的な現実世界の環境のビューを拡張すること、または完全に仮想３Ｄ画像を生成することである。ＨＭＤ６００は、前面本体６０２と、バンド６０４とを含み得る。前面本体６０２は、信頼できる快適な方法でユーザの眼の前への配置のために構成され、バンド６０４は、ユーザの頭部上で前面本体６０２を固定するために伸張され得る。ディスプレイシステム６８０は、ユーザにＡＲ／ＶＲ画像を提示するために、前面本体６０２内に配置され得る。ディスプレイシステム６８０は、例えば、図１のディスプレイ１００、図２のディスプレイ２００、図３のディスプレイ３００、および／または図１のディスプレイ４００を含み得る。前面本体６０２の側面６０６は、不透明であるか、または透明であり得る。

いくつかの実施形態では、前面本体６０２は、ロケータ６０８と、ＨＭＤ６００の加速度を追跡するための慣性測定ユニット（ＩＭＵ）６１０と、ＨＭＤ６００の位置を追跡するための位置センサ６１２とを含む。ＩＭＵ６１０は、ＨＭＤ６００の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成する位置センサ６１２のうちの１つまたは複数から受信した測定信号に基づいて、ＨＭＤ６００の位置を示すデータを生成する電子デバイスである。位置センサ６１２の例は、１つまたは複数の加速度計、１つまたは複数のジャイロスコープ、１つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の好適なタイプのセンサ、ＩＭＵ６１０の誤差補正のために使用されるタイプのセンサ、またはそれらのいくつかの組み合わせを含む。位置センサ６１２は、ＩＭＵ６１０の外部に、ＩＭＵ６１０の内部に、またはこれらの組み合わせで配置され得る。

ロケータ６０８は、仮想現実システムがＨＭＤ６００全体のロケーションおよび配向を追跡することができるように、仮想現実システムの外部撮像デバイスによって追跡される。ＩＭＵ６１０および位置センサ６１２によって生成された情報は、ＨＭＤ６００の位置および配向の追跡精度を向上させるために、ロケータ６０８を追跡することによって取得された位置および配向と比較され得る。正確な位置及び配向は、ユーザが３Ｄ空間内で移動及び回転する際に適切な仮想風景をユーザに提示するために重要である。

ＨＭＤ６００は、ＨＭＤ６００の一部または全部の周囲の局所領域の深度情報を記述するデータをキャプチャする深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）６１１をさらに含み得る。そのために、ＤＣＡ６１１は、レーザーレーダ（ＬＩＤＡＲ）または類似のデバイスを含み得る。深度情報は、３Ｄ空間におけるＨＭＤ６００の位置および配向の決定のより良好な精度のために、ＩＭＵ６１０からの情報と比較され得る。

ＨＭＤ６００は、ユーザの眼の配向および位置をリアルタイムで決定するための視線追跡システム６１４をさらに含み得る。眼の取得された位置および配向はまた、ＨＭＤ６００が、ユーザの視線方向を決定することと、それに応じてディスプレイシステム６８０によって生成される画像を調整することとを可能にする。一実施形態では、輻輳、即ち、ユーザの眼の注視の輻輳角が決定される。決定された注視方向および輻輳角はまた、視野角および眼の位置に依存する視覚アーチファクトのリアルタイム補償のために使用され得る。さらに、決定された輻輳角および注視角は、ユーザとの対話、オブジェクトの強調、オブジェクトの前景への移動、追加のオブジェクトまたはポインタの作成などのために使用され得る。例えば、前面本体６０２に組み込まれた一組の小型スピーカを含むオーディオシステムも提供され得る。

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるものではない。実際に、本明細書に記載されたものに加えて、他の様々な実施形態および修正形態が、前述の説明および添付の図面から当業者に明らかになるであろう。従って、そのような他の実施形態および修正形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実装形態のコンテキストにおいて、本明細書で説明されているが、当業者は、本開示の有用性がそれに限定されず、本開示が任意の数の目的のための任意の数の環境において有益に実装され得ることを認識するであろう。従って、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書で説明される本開示の全範囲および趣旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (20)

1. ディスプレイであって、
   照明光ビームを提供するための照明器と、
   前記照明器に動作可能に結合され、前記照明光ビームを受け取って前記照明光ビームの少なくとも位相を空間的に変調して、空間的に変化する波面を有する画像光ビームを提供する空間光変調器（以下、ＳＬＭとする）と、
   前記ＳＬＭに動作可能に結合され、前記画像光ビームを受け取り、前記ディスプレイのアイボックスにおいて前記画像光ビームの複数の横方向にオフセットされた部分を提供する第１の複製ライトガイドと、を備え、
   前記画像光ビームの前記空間的に変化する波面は、前記画像光ビームの複数の部分が前記ディスプレイの射出瞳においてコヒーレントに加算または減算されて、ユーザによる直接観察のための画像を形成するような形状を有する、ディスプレイ。
2. 前記照明器は、コリメート光ビームを提供する光源と、前記コリメート光ビームを受け取り、前記ＳＬＭに結合するための前記照明光ビームを形成するように、前記コリメート光ビームの複数の部分を提供するように構成された第２の複製ライトガイドとを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記ＳＬＭは、空間的に異なる位相遅延を有する前記照明光ビームを反射することによって前記画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり、反射時に、前記画像光ビームは、前記第２の複製ライトガイドを通過して前記第１の複製ライトガイドに戻るように伝搬する、請求項２に記載のディスプレイ。
4. 前記第１の複製ライトガイドは、前記第１の複製ライトガイドからの前記画像光ビームの前記複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラを含み、前記回折格子アウトカプラは、前記画像光ビームの前記複数の部分のうちの少なくともいくつかの光パワーの最大１％を拡散的に散乱させるように構成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のディスプレイ。
5. 前記第１の複製ライトガイドは、
   前記第１の複製ライトガイドからの前記画像光ビームの前記複数の部分を外部結合する回折格子アウトカプラと、
   前記画像光ビームの前記複数の部分の光パワーの少なくとも一部を散乱させる、前記回折格子アウトカプラの下流にある拡散散乱体と、を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のディスプレイ。
6. 前記ＳＬＭに動作可能に結合されたコントローラをさらに備え、前記コントローラは、
   前記画像光ビームの前記複数の部分が、ユーザによる直接観察のための前記画像を形成するために前記ディスプレイの前記射出瞳においてコヒーレントに加算または減算されるように、前記空間的に変化する波面の形状を計算し、
   前記照明光ビームを空間的に変調して前記画像光ビームを提供するための制御信号を前記ＳＬＭに提供するように構成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
7. ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムをさらに備え、
   前記コントローラは、前記視線追跡システムに動作可能に結合されており、前記コントローラは、前記視線追跡システムによって決定された眼の瞳孔の位置に基づいて前記ディスプレイの前記射出瞳の位置を設定するように構成される、請求項６に記載のディスプレイ。
8. 前記ディスプレイの前記射出瞳において前記画像光ビームを合焦させる、第１の複製導波路の下流にある合焦要素と、
   ユーザの眼の瞳孔の位置を決定する視線追跡システムと、をさらに備え、
   前記照明器は、
   コリメート光ビームを提供する光源と、
   前記光源に動作可能に結合され、前記コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする傾斜可能な反射器と、
   前記傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、前記コリメート光ビームを受け取り、前記照明光ビームを形成するように、前記コリメート光ビームの複数の部分を提供する第２の複製ライトガイドと、を含み、
   前記コントローラは、前記傾斜可能な反射器および前記視線追跡システムに動作可能に結合されるとともに、前記ディスプレイの前記射出瞳をユーザの眼の瞳孔に向かってシフトさせるように前記コリメート光ビームを再方向付けするように構成される、請求項６に記載のディスプレイ。
9. ディスプレイであって、
   コリメート光ビームを提供する光源と、
   前記光源に動作可能に結合され、前記コリメート光ビームを受け取って可変的に再方向付けする傾斜可能な反射器と、
   前記傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、前記コリメート光ビームを受け取って、前記コリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する複製ライトガイドと、
   前記複製ライトガイドに動作可能に結合され、前記コリメート光ビームの複数の部分を受け取って前記コリメート光ビームの前記複数の部分を振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調して、画像光ビームを形成する空間光変調器（以下、ＳＬＭとする）と、
   前記ＳＬＭに動作可能に結合され、ユーザによる直接観察のための画像を形成するように、前記ディスプレイの射出瞳において前記画像光ビームを合焦させる合焦要素と、を備えるディスプレイ。
10. 前記ＳＬＭは、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有する前記コリメート光ビームを反射することによって前記画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり、反射時に、前記画像光ビームは、前記複製ライトガイドを通過して前記合焦要素に向かって戻るように伝搬する、請求項９に記載のディスプレイ。
11. ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムと、
    前記視線追跡システム及び前記傾斜可能な反射器に動作可能に結合され、前記ディスプレイの前記射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるために前記コリメート光ビームを再方向付けするように前記傾斜可能な反射器を動作させるように構成されたコントローラと、をさらに備える、請求項９または１０に記載のディスプレイ。
12. 前記合焦要素は、切り替え可能なレンズを含み、前記コントローラは、前記切り替え可能なレンズに動作可能に結合されるとともに、前記ディスプレイの前記射出瞳をユーザの眼の瞳孔にシフトさせるように前記切り替え可能なレンズを切り替えるように構成される、請求項１１に記載のディスプレイ。
13. ディスプレイであって、
    コリメート光ビームを提供する照明器と、
    前記照明器に動作可能に結合され、前記コリメート光ビームを受け取って、前記コリメート光ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する複製ライトガイドと、
    前記複製ライトガイドに動作可能に結合され、前記コリメート光ビームの複数の部分を受け取って前記コリメート光ビームの複数の部分を振幅または位相のうちの少なくとも１つにおいて空間的に変調する空間光変調器（以下、ＳＬＭとする）と、
    画像光ビームを可変的に再方向付けする、前記ＳＬＭの下流の光路内にある再方向付け要素と、
    前記ディスプレイの射出瞳において画像光ビームを合焦させて、ユーザによる直接観察のための画像を形成する、前記ＳＬＭの下流の前記光路内にある合焦要素と、を備えるディスプレイ。
14. 前記ＳＬＭは、空間的に異なる反射率または空間的に異なる位相のうちの少なくとも１つを有する前記コリメート光ビームの前記複数の部分を反射することによって前記画像光ビームを形成するように構成された反射型ＳＬＭであり、反射時に、前記画像光ビームは、前記複製ライトガイドを通過して前記再方向付け要素に向かって戻るように伝搬する、請求項１３に記載のディスプレイ。
15. 前記再方向付け要素は、前記画像光ビームを切り替え可能に再方向付けするように構成されるパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）回折格子のスタックを含む、請求項１３または１４に記載のディスプレイ。
16. 前記合焦要素が、回折レンズ、屈折レンズ、フレネルレンズ、またはパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
17. 前記ＳＬＭの下流の光路内に配置されるとともに、前記コリメート光ビームの前記複数の部分の空間変調による高次の回折を遮断するように構成された角度フィルタをさらに備える、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載のディスプレイ。
18. ユーザの眼の瞳孔の位置を決定するための視線追跡システムをさらに備える、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載のディスプレイ。
19. 前記ＳＬＭ、前記再方向付け要素、および前記視線追跡システムに動作可能に結合されたコントローラをさらに備え、前記コントローラは、
    前記視線追跡システムから眼の瞳孔の位置を取得し、
    前記再方向付け要素に、前記画像光ビームを眼の瞳孔の位置に向けて再方向付けさせ、
    前記ＳＬＭに、前記コリメート光ビームの前記複数の部分を空間的に変調させるように構成される、請求項１８に記載のディスプレイ。
20. 前記合焦要素は、前記コントローラに動作可能に結合された可変焦点要素を含み、前記コントローラは、前記ディスプレイの前記射出瞳を眼の瞳孔の位置にシフトさせるように、前記可変焦点要素の焦点距離を調節するように構成される、請求項１９に記載のディスプレイ。

Images