JP6196672B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1のプリアンブルの特徴を備えた表示装置に関する。
かかる表示装置は、例えば特許文献1から周知である。導光素子が平行平面板として形成され、その結果、前側及び後側の両方が各場合に平面である。この場合に、大きなアイボックス(ユーザの眼が移動できる結像光学系の領域であって、更にユーザが常に出力画像を知覚できる領域)を生成することが比較的簡単である。これは、結像していない出力格子を介して、連続的な多重出力を実行することによって達成される。
しかしながら、湾曲した前側及び/又は湾曲した後側を導光素子が有する場合、
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。
米国特許出願公開第2010/0220295 A1号明細書
従って、ここから出発して、本発明の目的は、湾曲した前側及び/又は湾曲した後側を備えた導光素子において、十分に大きな視野を同時に備えた結像光学系の大きなアイボックスを実現できるように、最初に挙げられたタイプの表示装置を開発することである。
本発明によれば、その目的は、
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。
関連画素の位置に依存する光束のこの出力により、所望のアイボックスが所定の視野を備えて同時に実現できるように、衝突する光束に出力格子が適合され得る。各場合に、出力格子に対する光束の連続的衝突中に光束が異なる位置に当たるので、このために必要な出力格子の対応する適合は、容易に可能である。
前側だけ又は後側だけが湾曲して形成される場合、2つの側におけるもう一方の側は平面である。好ましくは、前側及び後側の両方が湾曲して形成される。
特に、入力格子及び/又は出力格子は、結像格子として形成することができる。従って、更に、結像誤差を補償することが可能である。結像誤差は、特に(導光素子での全反射による案内のため)光束が非常に浅い角度で出力格子に当たるために発生する。これらの結像誤差は、特に非点収差及びコマ収差である。
入力格子及び/又は出力格子は、反射格子として、特に反射体積格子又は反射型ホログラムとして形成することができる。
特に、入力格子及び/又は出力格子は、導光素子の前側に形成することができる。前側は、通常の使用中にユーザの眼から離れる方向に向かわせる側である。
更に、出力格子は、その光束に関する回折効率が第1の出力からm番目の出力へと増加するように、設計されることができる。従って、観察者によって知覚され得る画像において、できる限り均一な強度(intensity)を達成することが可能である。
更に、導光素子と画像生成装置との間に段階的フィルタ(graduated filter)を配置することができる。追加又は代替として、画像生成装置は、放射される光強度の位置依存変動を有することができる。従って、再び、ユーザによって知覚され得る画像において、できる限り均一な強度を達成することが可能である。
特に、結像光学系のアイボックスにおける光束の幾つかの出力は、部分的に互いに重複することができる。
更に、入力格子及び出力格子は、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(superimposition)とすることができ、入力格子及び出力格子用の個別の格子の中心周波数は、各場合に、ペアで一致する。従って、白色光の優れた結像がまた可能である。
更に、表示装置は、ユーザの頭に装着でき、且つ画像生成装置及び導光素子が装着されるホルダを有することができる。ホルダは、特に、眼鏡のように形成することができる。
導光素子は、ガラス若しくはプラスチックで作製することができ、且つ/又は眼鏡レンズとして形成することができる。
特に、導光素子及び出力格子は、周囲の状況と重ね合わされた生成画像をユーザが知覚できるように、形成することができる。
本発明による表示装置はまた、湾曲した導光素子上のビーム拡大器と呼ぶことができる。
上記で言及された特徴及びこれから下記で説明される特徴が、本発明の範囲から逸脱せずに、提示された組み合わせだけでなく、他の組み合わせ又は単独で使用され得ることが理解される。
本発明は、添付の図面に関連して例として以下で更に詳細に説明され、添付の図面はまた、本発明に本質的な特徴を開示する。
本発明による表示装置の実施形態の概略斜視図である。 図1による表示装置の一部の拡大上面図である。 第1の光束L1の様々な出力用の、図2による詳細図である。 眼の瞳孔の平面における、図3a〜3eによる出力された部分的な光束の上面図である。 第2の光束L2の様々な出力用の、図2による詳細図である。 眼の瞳孔の平面における、図5a〜5eによる出力された部分的な光束の上面図である。 第3の光束L3の様々な出力用の、図3a〜3eによる詳細図である。 眼の瞳孔の平面における、図7a〜7eによる出力された部分的な光束の上面図である。
図1に示されている実施形態において、本発明による表示装置1は、
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。
各場合に、2つの眼鏡レンズ3、4は、湾曲した前側5、5’及び湾曲した後側6、6’を有する。
図2において、第1の眼鏡レンズ3は、本発明による表示装置1の更なる部分と共に概略上面図に示されている。
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。
第1の眼鏡レンズ3の前側5において、互いに離間配置された入力格子10及び出力格子11が、各場合に、反射型ホログラムとして形成される。その機能は、以下で詳細に説明される。
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。
画像生成装置8によって放射された光束L1〜L3(各光束L1〜L3は、画像生成装置8の幾つかの画素の1つから始まる)は、追加の光学系9から第1の眼鏡レンズ3の後側6上に導かれ、後側6を介して眼鏡レンズ3に入り、入力格子10に当たる。
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方向における結像光学系14の射出瞳、又はy方向における結像光学系14のアイボックス(ユーザの眼が移動できる領域であって、ユーザが常に出力画像を知覚できる領域)が、眼の瞳孔より大きく、且つ同時に
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。
本明細書で説明される実施形態において、ユーザに提供される視野は、7mmのアイボックス直径を備えた12°×4°のサイズを有し、3mmの直径が、眼の瞳孔に対して仮定される。
提供される視野の+6°の上部視野角用の個別の出力が、図3a〜3eに概略的に表されている。上部視野角は、画像生成装置8において、画像生成装置8の中心に対して2mmのy値に対応する。
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L1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L1、L1、L1及びL1が、図3b〜3eに示されている。
図3a〜3eにおける表現から分かるように、ユーザが知覚可能な光の主要部分は、第1の出力(部分的な光束L1)から生じる。
小さな部分は、第2の出力(部分的な光束L1)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L1〜L1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4において、5つの出力用の部分的な光束L1〜L1は、眼の瞳孔12の平面において表現されている。実際には生成されず且つ本発明を図示するためにのみ説明される部分的な光束L1〜L1は、点線で描かれている。
図5a〜5eにおいて、5つの出力は、図3a〜3eと同じ方法で中央視野角用に表されている。中央視野角では、眼の瞳孔12上への入射角は垂直であり、それは、画像生成装置上の0mmのy値、従って画像生成装置8の中心に対応する。
図6において、図4と同じ方法で、5つの部分的な光束L2、L2、L2、L2、L2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L2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L2及びL2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7a〜7eにおいて、図3a〜3eと同じ方法で、眼の瞳孔12に対する−6°のより低い視野角用の出力が示されている。−6°のより低い視野角は、画像生成装置8上の中心から−2mmのy値に対応する。
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L3、L3、L3、L3、L3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L3から生じることが分かる。第4の出力L3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。
出力格子11は、各出力用に最適な格子構造を有するのが好ましく、格子構造は、幾つかの隣接する出力によって用いられる視野角に対して合同(congruence)が達成されるように設計されるのが好ましい。これによって、眼の解像度限界内(<1min)において、網膜13上の同じ位置が衝突されることを意味する。
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。
入力格子及び出力格子10及び11が、結像するように設計される場合、出力格子11に対する光束L1〜L3の斜め入射によって引き起こされる例えば非点収差及びコマ収差等の結像誤差は、補償することができる。出力格子11に対する斜め入射は、必然的に存在する。何故なら、光束L1〜L3が、第1の眼鏡レンズの前側及び後側5、6における内部全反射によって出力格子11に案内されるからである。
追加の光学系9は、コリメートされた光束として画像生成装置の光束L1〜L3が眼鏡レンズ3に当たるように、設計される。しかしながら、追加の光学系9はまた、省略することができる。この場合に、例えば、入力格子10は、このコリメート機能を実行することができる。
結像光学系14の入射瞳は、入力格子10に対して、画像生成装置8の全ての画素の光束又は光ビーム束L1〜L3における光スポットの範囲をできるだけ小さく達成するために、入力格子10上又はその近くに配置するのが好ましい。
更に、2つの格子10、11は、スペクトル依存性を最小化するために、ほぼ同じ中心周波数を有するのが好ましい。
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、追加の補正光学系(例えばレンズ、ミラー、コンピュータ生成ホログラム等)もまた、性能における追加的改善を達成するために、ホログラムの照明構造に導入することができる。
強度の点でできるだけ均一なフィールドプロファイルを達成するため、出力格子11の回折効率は、例えば出力が増加すると共に増加させることができる。これは、出力格子11のプロファイル深さの適切なコースによって達成することができる。従って、第1の出力において、可能な回折効率の比較的小さな部分だけが用いられ、回折効率は、第1の出力から最後の出力へと増加する。
更に、段階的フィルタ(例えば可変グレーフィルタ)を画像生成装置8の近くに配置することが可能である。強度の点で、画像生成装置の適合された位置依存性の放射特性を提供することがまた可能である。
白色光用のできるだけ良好な結果を達成するために、入力格子10及び出力格子11は、各場合に、例えば3つの対応する格子のオーバーレイとして形成することができ、それらの中心周波数は、対応する中間周波数用の束が重畳されるように、設計される。ここで、各場合に、格子ペアが、例えば、赤色光、緑色光及び青色光に適合され得る。
効率特性の更なる改善が、入力格子及び出力格子10、11を反射体積格子として設計することによって達成され得る。
出力格子11は、ユーザが、周囲の状況と重畳された出力虚像を知覚できるように設計される。更に、入力及び出力格子10、11は、各場合に、反射格子として前側5上に形成される。
従って、本発明による表示装置において、画像生成装置の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L1〜L3が出力格子に当たる。本明細書で説明される実施形態では、nは5に等しい。
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。
更に、説明される実施形態において、2〜3の出力又は回折出力が、対応する光束の所望の出力のために必要とされる場合が存在する。しかしながら、1つの回折出力だけが、光束L1〜L3の少なくとも1つのために必要とされることがまた可能である。
眼鏡レンズ3において光束が内部全反射によって案内されるように、入力格子10が光束L1〜L3を強く回折しなければならないので、約1700〜2300ライン/mmの格子周波数が必要とされる。
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。
説明された5つの出力は、単に例として理解されるべきである。当然、より少数(しかし少なくとも3つ)又はより多数の出力もまた提供することができる。より多数の出力を用いれば、より大きな視野を提供することができる。
これまでに説明された実施形態において、幾つかの出力が、一方向(y方向)でのみ実行されると仮定された。当然、水平視野(y方向)だけでなく、例えば垂直視野(x方向)を拡大するために、同じ方法で第2の方向(例えば、ここではx方向)において幾つかの出力を実行することがまた可能である。
更に、これまで、本発明による表示装置は、1つの眼鏡レンズ(左眼鏡レンズ3)に対してのみ説明された。本発明による表示装置は、追加情報(画像生成装置8の画像)が、1つの眼鏡レンズ(例えば左眼鏡レンズ)を介してのみ生成され、ユーザの視野においてユーザへ反射されるように形成することができる。当然、追加情報が、両方の眼のためにユーザへ反射され得るように、両方の眼鏡レンズを形成することがまた可能である。この場合に、情報はまた、反射された情報の三次元画像印象がユーザ用に形成されるように、反射させることができる。
眼鏡レンズ3、4は、弱い視力を矯正するための眼鏡レンズとすることができる。しかしながら、それらは、かかる眼鏡レンズである必要がない。それらはまた、視力障害の点で光学的矯正効果を有しないことが可能である。

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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