JP6196672B2 - 表示装置 - Google Patents
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Description
全反射で2つの格子間を案内される光束が、湾曲した前側及び/又は湾曲した後側によって影響され、
その結果、各反射の後に、光束に基づいて伝搬する波の異なる状態が存在する
という困難が生じる。
導光素子の前側及び/又は後側が湾曲して形成され、且つ
関連画素の位置に依存して多くてn(nは3以上の整数)回、光束が出力格子に当たり、出力格子に対する1〜m(mはnより小さい1以上の整数)の連続的な衝突において、関連画素の位置に依存して光束が出力され、遅くとも(n−m+1)番目の衝突で出力が始まるように結像光学系が設計された
最初に挙げられたタイプの表示装置において達成される。
ユーザの頭に装着でき、且つ例えば従来の眼鏡フレームのように形成できるホルダ2と、
同様にホルダ2に装着される、第1及び第2の眼鏡レンズの形をした第1及び第2の導光素子3、4と、
を含む。
眼鏡レンズは、1.5mmの厚さを有している。前側及び後側5、6の曲率半径は、各場合に100mmである。PMMA(Zeomex)が、眼鏡レンズ3の材料として用いられる。
表示装置1は、
制御ユニット7と、
画像生成装置8(ここでは、例えばOLEDモジュールとして形成される)と、
画像生成装置8と第1の眼鏡レンズ3との間に配置される追加の光学系9と、
を更に含む。
追加の光学系9は、任意選択的に設けられる。
更に、図2において、本発明による表示装置1を着用しているユーザの眼の瞳孔12及び網膜13が、概略的に描かれている。
更に、画像生成装置1から網膜13までの3つの光束L1、L2及びL3のビーム経路が、概略的に描かれている。
入力格子10において、内部全反射が発生するような角度で後側6にビームが当たるように、ビームが反射されて回折される。
従って、光束L1〜L3は、後側及び前側6、5における内部全反射によって出力格子11まで案内される。これは、次に、虚像として画像生成装置8によって生成された画像をユーザが知覚できるように、後側6を介しての光束L1〜L3の出力を達成する。
従って、追加の光学系9は、画像生成装置8によって生成される画像をユーザ用の虚像として結像する結像光学系14を、第1の眼鏡レンズ3並びに入力格子及び出力格子10、11と共に形成する。
ユーザがこの虚像を知覚できるためには、ユーザの眼の瞳孔12が結像光学系14の射出瞳に位置しなければならない。それは、例えば、観察者から観察者へと眼距離が変わるとき、y方向における結像光学系14の射出瞳が眼の瞳孔12より大きい場合に有利である。この場合に、本発明による表示装置1は、異なる眼距離を備えた異なるユーザによって使用することができる。
y方向に大きな視野が存在する
ために、
出力格子11への最初の衝突において、画像生成装置8の対応する画素の位置に依存して光束L1〜L3の一部だけを出力格子11出力するように、出力格子11が形成される。
出力は、出力格子11の第1の回折次数にわたって行われる。
残りの部分は、
対応する光束L1〜L3及び/又は対応する光束L1〜L3の一部が、後側6における内部全反射後に、第1の衝突の領域からy方向に離間された領域において出力格子11に再び当たるように、出力格子11によって第1の眼鏡レンズ3の後側6へと反射される(ゼロ回折次数)。
再び、これらの光束L1〜L3の一部又は光束の部分だけが、出力される(第1の回折次数)。
残りの部分は、後側6における内部全反射後に、光束L1〜L3の光ビーム又は光束の部分が出力格子11に再び当たるように、後側6に向けて再び反射される(ゼロ回折次数)。
ここで、出力格子11は、その出力格子11が多くて5回の出力を実行するように設計される。従って、各出力に対して部分的な光束が生成され、これらの部分的な光束は、y方向において互いに対してオフセットされる。
ここで出力格子11は、光束L1〜L3の隣接する部分的な光束が、各場合に、射出瞳の平面において互いに部分的に重なり合うように設計される。
出力格子11に対する光束L1の第1の衝突で達成される第1の出力、従って第1の部分的な光束L11が、図3aに示されている。
次に、第2〜第5の衝突において達成される第2〜第5の出力、従って第2〜第5の部分的な光束L12、L13、L14及びL15が、図3b〜3eに示されている。
小さな部分は、第2の出力(部分的な光束L12)から生じる。
ユーザは、もはや第3〜第5の出力の光を知覚しないであろう。
従って、出力格子11は、第1及び第2の出力を介して光束が可能な限り完全に出力されるように設計される。第3〜第5の出力が眼の瞳孔12に当たらないであろうから、出力格子はこのためには設計されない。対応する部分的な光束L13〜L15は、例えば、必要な格子パラメータを決定するための通常の最適化計算中に考慮されない。
図6において、図4と同じ方法で、5つの部分的な光束L21、L22、L23、L24、L25に対する眼の瞳孔12の位置が表されている。
図5a〜5e及び図6による表現から、第3の出力L23が、最も多くの光を観察者に供給することが分かる。
第2及び第4の出力L22及びL24は、単に小さな部分で寄与するだけである。従って、出力格子11は、第2の光束L2の出力が、出力格子11に対する第2〜第4の衝突で行われるように設計される。
図8において、今度は、図4による上面図に、出力された部分的な光束L31、L32、L33、L34、L35に対する眼の瞳孔12の位置が示されている。
図7a〜7e及び8から、光の主要部分が、第5の出力L35から生じることが分かる。第4の出力L34は、やはり小さな部分で寄与する。従って、出力格子11は、第3の光束L3の出力が、第4及び第5の衝突で行われるように設計される。
また、同じ主要なビーム角が、1つの視野角用のこれらの隣接する出力用に存在すると言うことができる。
これは、一方において変調伝達関数の要求が満たされ、他方において説明された合同が達成されるように、例えば、入力格子10及び出力格子11の両方が結像するように設計され、且つ第1の眼鏡レンズ3の特定の形状と共に同時に最適化される点で、達成され得る。
一般に、多くて3つの隣接する出力が、1つの視野角用に提供される。従って、その結果、合同が、多くて3つの隣接する出力用に達成されるべきであり、それは、実際にうまく実現することができる。
更に、2つの格子10、11は、ほぼ同じサイズの基本分散を有することができ、それによって、一方において、光が回折されて再び眼の方向に眼鏡レンズ3から出ることが達成される。
他方において、色依存の回折角が、互いにほぼ補償されることが達成される。それによって、全ての色は、各場合に、眼鏡レンズ3を出た後で可能な限り同じ方向に伝搬し、その結果、色は、目立つほど広がるのを防ぐことができる。
合同を達成するために、要求された目標画像位置までの各光束L1〜L3の個別の隣接する出力の距離は、評価パラメータとして、通常の最適化のメリット関数に挿入することができる。即ち、目標画像位置毎に、光が目標画像位置に到達できる異なる可能な出力ブランチが、画質(変調伝達関数、スポットサイズ等)に関して重ね合わせの精度と同様に最適化される。
ここで自由度は、2つの格子10、11を生成するためにホログラムの照明において用いられるレーザ光源の位置である。
眼鏡レンズ厚さが比較的薄い故に、湾曲した眼鏡レンズ3、4において全反射によって引き起こされる波の干渉状態の差は、隣接する出力に対して比較的小さく、従って非常に良く最適化することができる。
更に、各光束L1〜L3は、出力格子11に対する1〜m(mはnより小さく且つ1以上の整数)の連続的衝突において、関連画素の位置に依存して出力される。本明細書で説明される実施形態では、mは、第1の光束L1に対して2であり、第2の光束L2に対して3であり、第3の光束L3に対して2である。
それぞれの光束L1〜L3の出力は、遅くとも出力格子に対する(n−m+1)番目の衝突で始まる。第1の光束L1の場合、出力格子11に対する第1の衝突で出力が始まる。第2の光束L2の場合、出力格子11に対する第2の衝突で出力が始まる。第3の光束L3の場合、出力格子11に対する第4の衝突で出力が始まる。
例えば緑色光の場合、約2000ライン/mmの格子周波数が必要とされ、
例えば赤色光の場合約1700/mmの格子周波数が必要とされ、
例えば青色光の場合、約2300/mmの格子周波数が必要とされる。
同じことが出力格子11に当てはまり、出力格子11は、全反射によって出力格子11に導かれた光束L1〜L3をユーザの眼の方へ出力しなければならない。
従って、平面波及び/又は球面波を用いたホログラフィック照明によって、入力格子及び出力格子10、11を生成することが好ましい。
照明波長の位置は、変調伝達関数及び合同を補正するための決定的な補正パラメータである。
また、改善のために、特に変形された波面を用いることができる。
格子の照明中に、特別な光学系又は同様にコンピュータ生成ホログラムが、全体的な性能を更に改善するために、照明ビーム経路に導入され得る。
Claims (11)
- 画像を生成するための光束(L1、L2、L3)が放射される幾つかの画素を有する画像生成装置(8)と、
前記画像生成装置(8)を制御するための制御ユニット(7)と、
前側(5、5’)及び後側(6、6’)を有する導光素子(3、4)を含む結像光学系(14)であって、前記前側又は後側(6、6’;5、5’)に形成される入力格子(10)及び前記前側又は後側(5、5’;6、6’)に形成される出力格子(11)を前記導光素子が有する結像光学系(14)と、
を備え、
前記光束(L1−L3)が、前記入力格子(10)における回折によって前記導光素子(3、4)に入力され、前記導光素子(3、4)内で内部全反射によって前記出力格子(11)まで案内され、且つユーザが前記生成画像を知覚できるように前記出力格子(11)における回折によって出力され、
前記前側(5、5’)及び/又は前記後側(6、6’)が湾曲して形成され、且つ前記光束(L1−L3)が放出される関連画素の位置に依存して多くてn(nは3以上の整数)回、前記光束(L1−L3)が前記出力格子(11)に当たるように、前記結像光学系(14)が設計され、
前記出力格子(11)に対する1〜m(mは、nより小さい1以上の整数であって、各光束(L1−L3)の出力回数を表す)の連続的入射において、前記光束(L1−L3)が放出される関連画素の位置に依存して前記光束(L1−L3)が出力され、遅くとも(n−m+1)番目の入射で前記出力が始まる
ことを特徴とする表示装置。 - 前記入力格子及び/又は出力格子(10、11)が、結像格子として形成されることを特徴とする、請求項1記載の表示装置。
- 前記入力格子及び/又は出力格子(10、11)が、反射格子として、特に反射体積格子として形成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の表示装置。
- 前記入力格子及び/又は出力格子(10、11)が、前記導光素子(3、4)の前記前側(5、5’)に形成されることを特徴とする、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 光束(L1−L3)に関する前記出力格子(11)の回折効率が前記第1の出力から前記m番目の出力へと増加するように、前記出力格子(11)が設計されることを特徴とする、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 観察者によって知覚できる画像において均一な強度を達成するように、前記導光素子(3、4)と前記画像生成装置(8)との間に段階的フィルタが配置されることを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の表示装置。
- ユーザによって知覚できる画像において均一な強度を達成するように、前記画像生成装置(8)が、前記放射された光強度の位置依存変動を有することを特徴とする、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記結像光学系(14)のアイボックスにおける光束(L1−L3)の幾つかの出力が、互いに部分的に重なり合うことを特徴とする、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記入力格子及び出力格子(10、11)は、各場合に、異なる中心周波数用に設計された幾つかの個別の格子の重ね合わせであり、前記入力格子及び出力格子用の前記個別の格子の前記中心周波数は、各場合に、ペアで一致することを特徴とする、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記表示装置が、前記ユーザの頭に装着でき、且つ前記画像生成装置(8)及び前記導光素子(3、4)が装着されたホルダ(12)を有することを特徴とする、請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記ユーザが、周囲の状況と重ね合わされた前記生成画像を知覚できるように、前記導光素子(3、4)及び前記出力格子(11)が形成されることを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の表示装置。
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