JP3242480U - ニアアイディスプレイで使用するためのfov拡張デバイス - Google Patents

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Abstract

ニアアイディスプレイで使用するための視野(FOV)拡張デバイスは、ニアアイディスプレイの出発点であるプロジェクタから入射照明を受け取る第1の表面を含む。多数の入射照明フィールドからなり得る入射照明は、入射角開口によって特徴付けられる。拡張デバイスは、出力光を観察者に投影するノンシーケンシャル(NS)光学素子に隣接する。デバイスの屈折率は、NS光学素子の屈折率よりも大きい。出力光の投影角開口と入射照明の入射角開口との間の比に等しいFOV拡張率は、所定の閾値以上である。FOV拡張デバイスの第1の表面は、一実施形態では透明であり、別の実施形態では反射性である。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2020年7月10日に出願され、「FOV EXPANSION BETWEEN POD AND LOE」と題された、共通所有の米国仮特許出願第63/050232号に関するものであり、その優先権を主張するものである。上記仮出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、ニアアイディスプレイ(NED)メガネに関し、特に、ニアアイディスプレイの視野(FOV)拡張のための導波路ベースのデバイスに関する。
ニアアイディスプレイを使用するコンパクトなシステムは、典型的には、ディスプレイのプロジェクタ(POD)からアイモーションボックス(EMB)に光を投影する。投影光は、ディスプレイの開口を拡張する光ガイド光学素子(LOE)などのノンシーケンシャル(NS)光学素子を通過し、EMBに入る。視聴者のユーザエクスペリエンスは、投影画像のFOVの角度サイズで改善する。
コンパクトなNEDシステムでは、FOVサイズに対する1つの制約はPODのサイズであり、これは、NEDシステムのフォームファクタに適用される要件に適合するように十分に小さくなければならない。追加の制約は、投影画像で許容され得る最大歪み及び色収差に適用される。
本発明は、PODからの光をNS光学素子に結合し、投影画像の角度FOVを著しく拡張する光学FOV拡張(FE)デバイスを提供する。
本開示の主題の一態様によれば、
ニアアイディスプレイで使用するための光学視野(FOV)拡張デバイスが提供されている。デバイスは、ニアアイディスプレイのディスプレイのプロジェクタ(POD)から入射照明を受け取る第1の表面を含み、入射照明は、入射角開口を有する。デバイスはまた、第1の表面と頂角を形成する第2の表面を含む。第2の表面は、投影角開口を有する光を投影するノンシーケンシャル(NS)光学素子の表面に近位であり、かつ実質的に平行である。デバイスの屈折率は、NS光学素子の屈折率よりも大きい。更に、投影角開口と入射角開口との間の比として定義されるデバイスのFOV拡張比は、所定の閾値以上である。
いくつかの態様によれば、デバイスの第1の表面は、入射照明に対して光学的に透明である。
いくつかの態様によれば、デバイスの第1の表面は、入射照明を光学的に反射する。
いくつかの態様によれば、投影画像アスペクト比は、FOV拡張比に等しい係数だけPODアスペクト比よりも大きい。
いくつかの態様によれば、所定の閾値は1.2である。
いくつかの態様によれば、FOV拡張比は、入射照明の入射角とともに増加する。
いくつかの態様によれば、入射照明の入射角は、35度~50度である。
いくつかの態様によれば、デバイスの屈折率は、1.70~1.94である。
いくつかの態様によれば、デバイスは、光学フリントガラス材料又は光学アクリル材料からなる。
いくつかの態様によれば、頂角は、35度~50度の値を有する。
いくつかの態様によれば、NS光学素子は、光ガイド光学素子である。
いくつかの態様によれば、入射照明は、多数の入射照明フィールドを含む。
いくつかの態様によれば、デバイスは、PODからの入射照明に適用される補正によって補償される光収差及び/又は光学歪みを導入する。
いくつかの態様によれば、補正は、空間光変調器によって、及び/又は補正光学素子によって適用される。
いくつかの態様によれば、入射照明は、色収差の影響を制限するように、1つ以上の狭帯域照明源によって提供される。
いくつかの態様によれば、NS光学素子は、回折光学素子を通った光を結合する。
本発明は、添付の図面を参照して、単なる例として本明細書に記載される。同様の参照番号は、図面と類似又は同様の素子を示すために使用される。
本発明の第1の実施形態による、光をLOEに結合するための例示的なFEデバイスの概略断面図である。 FEデバイスとLOEとの間の界面における入射角θ120と屈折角θ130との間の高非線形な関係を図示する例示的なグラフである。 本発明の第2の実施形態による、光をLOEに結合するための例示的なFEデバイスの概略断面図である。
図1は、本発明の第1の実施形態100による、光をLOE130に結合するための例示的なFEデバイス120の概略断面図を示す。PODからの光は、複数の入射照明フィールド110a、110b、及び110cから表面120cを通してデバイス120に入る。各フィールドは、2つの限界光線の間で1次元に広がるものとして示されている。光線は、フィールド110aについては一点鎖線で、フィールド110bについては実線で、及びフィールド110cについては点線で区別されている。入射角開口110は、デバイス120に入る全ての照明フィールドからの光によって定められた角度に対応する。
FEデバイス120は、例えば、第1の頂角120a、第2の頂角120b、及び180-(120a+120b)に等しい第3の頂角を有する三角形の断面を有するプリズム形状を有するものとして示されている。例として、頂角120aは、35度~50度であってもよい。
照明フィールド110bの入射光線は、表面120cにほぼ直交しており、表面120cは透明であり、頂角120bと反対側である。
コンパクトなフォームファクタを有するNEDシステムを提供するために、FEデバイス120は、好ましくは、n120によって示される、比較的高い屈折率(RI)を有する透明な光学ガラス又はアクリル材料で構成され、例えば、n120は、1.70~1.94の範囲であり得る。例示的な光学ガラス材料は、環境に優しい高密度フリントガラスである。ガラスは、光学製造の当業者に既知の方法に従って、切断され、研磨され、光学接着剤でLOE130に接着される。
LOE130は、X軸に実質的に平行な2つの主表面130a及び130bからなるものとして断面で示されており、表面130aは、FEデバイス120の近位にある。LOEの内部表面130cは、完全に又は部分的に反射する表面である。より一般的には、LOE130は、少なくとも部分的に反射する2つ以上の内部表面を含んでもよく、又は、2007年7月19日に公開された、Y.Amitaiの、「A Light Guide Optical Device」と題する、オーストラリア特許出願第2007/203022号に開示されているように、部分的に反射する表面の数セットを含んでもよい。LOE130は、例えば、典型的にはn120未満である、n130によって示される屈折率を有する透明光学ガラス又はアクリル材料から構成される。例えば、n130は、1.5~1.6の範囲であり得る。
FEデバイス120及びLOE130は、低屈折率n160を有する周囲材料160によって囲まれるか、又は周囲材料160に包まれる。n160の値は、例えば、1.0~1.36であり得る。
フィールド110a、110b、及び110cの光線は、図1に示されており、表面120c上の周囲-FE界面で、及び表面130a上のFE-LOE界面で連続して屈折される。FE-LOE界面における入射角及び屈折角は、それぞれθ120及びθ130によって示されている。例えば、θ120の値は、35度~50度の範囲であり得る。屈折角θ130の値は、スネルの法則を満たし、すなわち、以下の通りである。
sin(θ130)=(n120/n130)sin(θ120) 式(1)
FE-LOE界面での屈折の後、光は、LOEのX軸の方向に前進し、斜めの表面130cで反射される。反射光は、典型的には少量だけ、LOEの表面130b上のLOE-周囲界面で屈折を受け、次いでLOEから観察者の眼に通過する。
投影角開口150は、LOEを出る全ての光によって定められた角度に対応する。FEデバイスの無次元拡張比は、投影角開口150を入射角開口110で割ったものとして定義される。拡張比の例示的な値は、1~1.60である。
次の表は、図1の光学構成の光線追跡シミュレーションによって生成された代表的な数値結果を示す。
Figure 0003242480000002
FEデバイスの実用性を理解するために、例えば、3:4のFOVアスペクト比を有するPODを考慮する。ケース1のように、1.25の拡張比がFOVのより大きな側に適用される場合、投影画像は、3:(4×1.25)=3:5のアスペクト比、又は、ほぼ10:16の細長い長方形FOVの投影画像フォーマットを有するであろう。FEデバイスの有用性は、ケース2で更に大きい。この場合、拡張比は1.60である。したがって、正方形のPOD、すなわち、約1:1のアスペクト比を有するPODを使用して、10:16の投影画像フォーマットを提供することができ、ここで拡張は、好ましくは、より小さいFOV軸に適用される。
図2は、水平軸上の度で表した入射角θ120と、式(1)に従った、垂直軸上の度で表した屈折角θ130との間の非線形関係を示す例示的なグラフである。入射角θ120の小さい値では、グラフは、n120/n130=1.94/1.60=1.21に等しい傾きを有するほぼ線形である。丸印は、表1のケース1及び2に対応する点を示す。これらの点では、グラフは著しく非線形であり、傾きが1.21より大きいだけでなく、θ120及びθ130の値の増加に伴って急激に増加する。
図3は、本発明の第2の実施形態300による、光をLOE130に結合するための例示的なFEデバイス320の概略断面図を示す。FEデバイス320は、FEデバイス120のものと同様のプリズム形状によって特徴付けられる。内側頂角は、320a、320b、及び180-(320a+320b)である。320a及び320bの例示的な範囲は、図1の対応する頂角120a及び120bの範囲と同じである。
この実施形態では、FEデバイス320は、ミラーリングされた表面320cを有する。PODからの光は、多数の入射照明フィールド310a、310b、及び310cにおいて、まず、LOE130の表面130bを通過し、次いで、ミラーリングされた表面320Cによって反射されてLOEに戻る。図1と同様に、3つの入射照明フィールドの光線は、フィールド310aについては一点鎖線で、フィールド310bについては実線で、及びフィールド310cについては点線で区別されている。入射角開口310は、LOE130に入る全ての照明フィールドからの光によって定められた角度に対応する。
角度θ320及びθ330によって示されるように、FE-LOE界面での屈折の後、光は、LOEのX軸の方向に前進し、斜めの表面130cで反射される。反射光は、典型的には少量だけ、LOEの表面130b上のLOE-周囲界面で屈折を受け、次いでLOEから観察者の眼に通過する。
投影角開口350は、LOEを出る全ての光によって定められた角度に対応する。FEデバイス310の無次元拡張比は、投影角開口350を入射角開口310で割ったものとして定義される。拡張比の例示的な値は、1~1.60である。
図3において、照明フィールド310bの光線は、表面110bに対する法線からわずかに逸脱する角度θ93でLOEに入る。角度θ93は、頂角320a、すなわち、反射表面320cとLOE表面130aとの間の角度を変化させることによって調節され得る。
実施形態300では、例えば、その値がFEデバイス120のものと同様である屈折率n320を有する高密度フリントガラスを使用し得る。FEの原理は、実施形態100におけるものと同じである。n320のより低い値、例えば、LOE130のそれに近い値を有するガラス材料の使用は、非常にコンパクトなNEDシステムには推奨されない。理由は、同等のFOV拡張を達成するために、n320を低減することは、破線320c’及びより大きな頂角320a’によって示されるように、概して、FEデバイスを大きくすることを必要とするからである。後者は、LOEの表面130aからのFEデバイスの突出を増加させる。
場合によっては、出力画像は、色収差及び/又はキーストーンの影響に悩まされる場合がある。これらの影響は、POD光学系に適用される光学補正によって、及び/又はSLMに適用される電子補正によって軽減され得る。レーザなどの狭帯域幅照明源の使用はまた、色収差を低減するのに有用である。
上記の説明において、本発明は、LOEの表面の近位に配置されたFEデバイスを用いて例証されてきた。より一般的には、LOEは、別のタイプのNS光学素子によって、又は回折光学素子を通った光を結合するNS光学素子によって置き換えられ得る。
本発明は、3つの入射照明フィールドの場合について例証されてきたが、本発明がより一般的に1つ以上の入射照明フィールドに適用可能であることは、光学設計の当業者には明らかであろう。
更に、平面幾何学を使用して1つの空間寸法で図1及び図3に例証されているFOV拡張はまた、2つ以上の空間寸法で適用され得る。これは、例えば、複数のFEデバイスの使用によって達成され得る。
上記の説明は、例としてのみの役目を果たすことを意図しており、多くの他の実施形態が、上記及び添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内で可能であることを理解されたい。

Claims (16)

  1. ニアアイディスプレイで使用するための光学視野(FOV)拡張デバイスであって、
    前記ニアアイディスプレイのディスプレイのプロジェクタ(POD)から入射照明を受け取るように構成された第1の表面であって、前記入射照明が、入射角開口を有する、第1の表面と、
    前記第1の表面と頂角を形成する第2の表面であって、前記第2の表面が、ノンシーケンシャル(NS)光学素子の表面に近位かつ実質的に平行である、第2の表面と、
    投影角開口を有する光を投影する前記NS光学素子と、を備え、
    ここで、
    前記デバイスの屈折率が、前記NS光学素子の屈折率よりも大きく、
    前記投影角開口と前記入射角開口との間の比として定義される前記デバイスのFOV拡張比が、所定の閾値以上である、デバイス。
  2. 前記第1の表面が、前記入射照明に対して光学的に透明である、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記第1の表面が、前記入射照明を光学的に反射する、請求項1に記載のデバイス。
  4. 投影画像アスペクト比が、前記FOV拡張比に等しい係数だけPODアスペクト比よりも大きい、請求項1に記載のデバイス。
  5. 前記所定の閾値が、1.2である、請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記FOV拡張比が、前記入射照明の入射角とともに増加する、請求項1に記載のデバイス。
  7. 前記入射角が、35度~50度である、請求項6に記載のデバイス。
  8. 前記デバイスの前記屈折率が、1.70~1.94である、請求項1に記載のデバイス。
  9. 前記デバイスが、光学フリントガラス材料又は光学アクリル材料から構成されている、請求項1に記載のデバイス。
  10. 前記頂角が、35度~50度の値を有する、請求項1に記載のデバイス。
  11. 前記NS光学素子が、光ガイド光学素子である、請求項1に記載のデバイス。
  12. 前記入射照明が、多数の入射照明フィールドを含む、請求項1に記載のデバイス。
  13. 前記デバイスが、前記PODからの前記入射照明に適用される補正によって補償される光学収差及び/又は光学歪みを導入する、請求項1に記載のデバイス。
  14. 前記補正が、空間光変調器によって、及び/又は補正光学素子によって適用される、請求項13に記載のデバイス。
  15. 前記入射照明が、色収差の影響を制限するように、1つ以上の狭帯域照明源によって提供される、請求項1に記載のデバイス。
  16. 前記NS光学素子が、回折光学素子を通った光を結合する、請求項1に記載のデバイス。
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