JP6903702B2 - 多焦点表示システムおよび方法 - Google Patents

Description

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、もしくはそのように知覚され得る様式においてユーザに提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対して透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の視覚化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。

３Ｄ仮想コンテンツをＡＲシステムのユーザに提示するには、多数の課題が存在する。３Ｄコンテンツをユーザに提示することの中心となる前提条件は、複数の深度の知覚を生成することを伴う。一部の仮想コンテンツは、ユーザのより近くに現れる一方、他の仮想コンテンツは、より離れて生じるように現れ得る。したがって、３Ｄ知覚を達成するために、ＡＲシステムは、仮想コンテンツをユーザに対して異なる焦点面において送達するように構成される。

前述の米国仮特許出願は、ＡＲシステムの状況において、種々の焦点面を生成するためのシステムおよび技法を提示している。これらの仮想現実および／または拡張現実システムの設計は、仮想コンテンツを送達する際のシステムの速度、仮想コンテンツの品質、ユーザの射出瞳距離、システムのサイズおよび可搬性、ならびに他のシステムおよび光学課題を含む、多数の課題を提示する。

本明細書に説明されるシステムおよび技法は、典型的ヒトの視覚的構成と連動し、これらの課題に対処するように構成される。

本発明の実施形態は、１人またはそれを上回るユーザのための仮想現実および／または拡張現実相互作用を促進するためのデバイス、システム、および方法を対象とする。一側面では、仮想コンテンツを表示するためのシステムが、開示される。

１つまたはそれを上回る実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムは、画像データの１つまたはそれを上回るフレームを走査するための走査デバイスであって、画像源に通信可能に結合され、画像データを受信する、走査デバイスと、画像データの１つまたはそれを上回るフレームを中間画像平面上に合焦させるために、走査デバイスに動作可能に結合される可変焦点要素（ＶＦＥ）であって、中間画像平面は、複数の切替可能画面のうちの１つに整合され、複数の切替可能画面は、中間画像平面と関連付けられた光を具体的視認距離に拡散させる、可変焦点要素と、複数の切替可能画面に動作可能に結合され、画像データの１つまたはそれを上回るフレームを中継する視認光学とを備える。

１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、切替可能高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）拡散器を備える。走査デバイスは、１つまたはそれを上回る実施形態では、ファイバ走査デバイス（ＦＳＤ）である。１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、拡散状態と透明状態との間で切り替わる。１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面のうちの１つの画面は、拡散状態に切り替えられ、残りの数の画面は、透明状態に切り替えられる。

１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、フレームベースで拡散状態と透明状態との間で切り替えられることができる。１つまたはそれを上回る実施形態では、走査デバイスは、画像データの１つまたはそれを上回るフレームをある走査パターンで走査する。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、小開口と関連付けられる。

１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの駆動信号は、光変調器の走査パターンの関数として変動される。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、画像データの１つまたはそれを上回るフレームの場曲率を平坦化する。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの屈折力は、走査デバイスの走査場内の走査されたスポットの位置の関数として変動される。１つまたはそれを上回る実施形態では、画像の第１の部分は、画像の周縁と異なるように合焦される。

別の側面では、拡張現実を表示する方法は、画像データの１つまたはそれを上回るフレームを提供するステップと、画像データの１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた光をある走査パターンで走査するステップと、画像データの１つまたはそれを上回るフレームが複数の切替可能画面のうちの１つ上に合焦されるように、可変焦点要素（ＶＦＥ）を通して、走査された光の焦点を変動させるステップと、複数の切替可能画面のうちの１つを通して、合焦された光を拡散させるステップであって、切替可能画面は、異なる視認距離に対応する、ステップとを含む。

１つまたはそれを上回る実施形態では、焦点は、フレームベースで変動されてもよい。１つまたはそれを上回る実施形態では、画像データの１つまたはそれを上回るフレームは、時系列様式で提示される。１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、切替可能高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）拡散器を備える。１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、拡散状態と透明状態との間で切り替わる。

１つまたはそれを上回る実施形態では、複数の切替可能画面は、フレームベースで拡散状態と透明状態との間で切り替えられることができる。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、小開口と関連付けられる。１つまたはそれを上回る実施形態では、本方法はさらに、走査された光の走査場内の走査されたスポットの位置の関数として、ＶＦＥの屈折力を変動させるステップを含む。

１つまたはそれを上回る実施形態では、本方法はさらに、ＶＦＥの信号を駆動させ、走査された光の走査パターンに一致させるステップを含む。１つまたはそれを上回る実施形態では、画像の第１の部分は、画像の周縁と異なるように合焦される。１つまたはそれを上回る実施形態では、本方法はさらに、ＶＦＥの駆動信号を調節し、光変調器の走査パターンに一致させ、それによって、平坦画像場を生成するステップを含む。

さらに別の側面では、拡張現実ディスプレイシステムは、画像をある走査パターンで走査するために、画像源に動作可能に結合される走査デバイスと、走査光ディスプレイに動作可能に結合され、画像を可変合焦させる可変焦点要素（ＶＦＥ）と、ＶＦＥに結合され、実質的に平坦画像場を生成し、画像の場曲率を補正するために、ディスプレイの走査パターンの関数として、ＶＦＥの駆動信号を変動させるプロセッサとを備える。

１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、画像の中心の焦点を画像の周縁と異なるように変動させる。１つまたはそれを上回る実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムは、画像と関連付けられた光を拡散させるためにある開口数の範囲を有する、複数の切替可能画面を備え、ＶＦＥは、走査された光を複数の切替可能画面の切替可能画面のうちの１つ上に合焦させる。

１つまたはそれを上回る実施形態では、画像データの１つまたはそれを上回るフレームは、時系列様式で提供される。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、フレームベースで走査された光の焦点を変動させる。１つまたはそれを上回る実施形態では、プロセッサは、走査デバイスの走査パターンに対応して、ＶＦＥの駆動信号を調節する。

１つまたはそれを上回る実施形態では、画像データの第１のフレームは、第１の焦点範囲を通して掃引され、画像データの第２のフレームは、第２の焦点範囲を通して掃引され、第１の焦点範囲は、第２の焦点範囲と異なる。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの駆動信号は、正弦波である。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの駆動信号は、三角波である。

さらに別の側面では、拡張現実を表示する方法は、画像データの１つまたはそれを上回るフレームを提供するステップと、画像データの１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた光をある走査パターンで走査するステップと、走査パターンに従って、可変焦点要素（ＶＦＥ）の駆動信号を調節し、画像データの１つまたはそれを上回るフレームの場曲率を補正し、実質的に平坦な画像場を生成するステップとを含む。

１つまたはそれを上回る実施形態では、駆動信号は、画像の第１の部分が画像の第２の部分と異なるよう合焦されるように調節される。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥは、フレームベースで焦点を切り替える。１つまたはそれを上回る実施形態では、本方法はさらに、ある焦点範囲を通して画像データのフレームを駆動させるステップを含む。１つまたはそれを上回る実施形態では、画像データの第１のフレームは、第１の焦点範囲を通して掃引され、画像データの第２のフレームは、第２の焦点範囲を通して掃引され、第１の焦点範囲は、第２の焦点範囲と異なる。

１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの駆動信号は、正弦波に従って調節される。１つまたはそれを上回る実施形態では、ＶＦＥの駆動信号は、三角波に従って調節される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
拡張現実を表示する方法であって、
画像データの１つまたはそれを上回るフレームを提供するステップと、
前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた光をある走査パターンで走査するステップと、
前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームが、複数の切替可能画面のうちの１つ上に合焦されるように、可変焦点要素（ＶＦＥ）を通して、前記走査された光の焦点を変動させるステップと、
前記複数の切替可能画面のうちの１つを通して、前記合焦された光を拡散させるステップであって、前記切替可能画面は、異なる視認距離に対応する、ステップと、
を含む、方法。
（項目２）
前記焦点は、フレームベースで変動される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームは、時系列様式で提示される、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記複数の切替可能画面は、切替可能高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）拡散器を備える、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記複数の切替可能画面は、拡散状態と透明状態との間で切り替わる、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記複数の切替可能画面は、フレームベースで拡散状態と透明状態との間で切り替えられることができる、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記ＶＦＥは、小開口と関連付けられる、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記走査された光の走査場内の走査されたスポットの位置の関数として、前記ＶＦＥの屈折力を変動させるステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記ＶＦＥの信号を駆動させ、前記走査された光の走査パターンに一致させるステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
画像の第１の部分は、前記画像の周縁と異なるように合焦される、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記ＶＦＥの駆動信号を調節し、前記光変調器の走査パターンに一致させ、それによって、平坦画像場を生成するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記方法ステップを実装するための手段を有するシステムとして実装される、項目１−１１に記載の方法。
（項目１３）
前記方法ステップを実行するための実行可能コードを有するコンピュータ使用可能記憶媒体を備える、コンピュータプログラム製品として実装される、項目１−１１に記載の方法。
（項目１４）
拡張現実を表示する方法であって、
画像データの１つまたはそれを上回るフレームを提供するステップと、
前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた光をある走査パターンで走査するステップと、
前記走査パターンに従って、可変焦点要素（ＶＦＥ）の駆動信号を調節し、前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームの場曲率を補正し、実質的に平坦な画像場を生成するステップと、
を含む、方法。
（項目１５）
前記駆動信号は、画像の第１の部分が前記画像の第２の部分と異なるよう合焦されるように調節される、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記ＶＦＥは、フレームベースで焦点を切り替える、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
ある焦点範囲を通して画像データのフレームを駆動させるステップをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１８）
前記ＶＦＥは、前記走査された光を複数の切替可能画面のうちの１つ上に合焦させ、前記複数の切替可能画面は、異なる視認距離に対応する、項目１４に記載の方法。
（項目１９）
画像データの第１のフレームは、第１の焦点範囲を通して掃引され、画像データの第２のフレームは、第２の焦点範囲を通して掃引され、前記第１の焦点範囲は、前記第２の焦点範囲と異なる、項目１４に記載の方法。
（項目２０）
前記ＶＦＥの駆動信号は、正弦波に従って調節される、項目１４に記載の方法。
（項目２１）
前記ＶＦＥの駆動信号は、三角波に従って調節される、項目１４に記載の方法。
（項目２２）
前記方法ステップを実装するための手段を有するシステムとして実装される、項目１４−２１に記載の方法。
（項目２３）
前記方法ステップを実行するための実行可能コードを有するコンピュータ使用可能記憶媒体を備える、コンピュータプログラム製品として実装される、項目１４−２１に記載の方法。

本発明の付加的および他の目的、特徴、ならびに利点は、発明を実施するための形態、図、および請求項に説明される。

図面は、本発明の種々の実施形態の設計および可用性を図示する。図は、正確な縮尺で描かれておらず、類似構造または機能の要素は、図全体を通して類似参照番号によって表されることに留意されたい。本発明の種々の実施形態の前述および他の利点ならびに目的を得る方法をより深く理解するために、簡単に前述された発明のより詳細な記載が、付随の図面に図示されるその具体的実施形態を参照することによって与えられるであろう。これらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを描写し、その範囲の限定として見なされないことを理解した上で、本発明は、付随の図面の使用を通して付加的具体性および詳細とともに記載および説明されるであろう。

図１は、一例示的実施形態による、コンテンツを表示するための他の光学とともに可変焦点要素（ＶＦＥ）を含む、光学システム構成の平面図を図示する。

図２は、一例示的実施形態による、コンテンツを表示するための他の光学とともに、ＶＦＥおよび複数の切替可能画面を含む、別の光学システム構成の平面図を図示する。

図３は、一例示的実施形態による、仮想画像をユーザに表示するときの曲率の場の平面図を図示する。

図４は、走査場内の走査されたスポットの位置と協調して、ＶＦＥの屈折力（ジオプトリ単位）を変動させ得る方法の例示的実施形態を図示する。

図５は、一例示的実施形態による、ファイバ走査デバイス（ＦＳＤ）のパターンに対するＶＦＥ駆動信号のグラフを図示する。

図６は、一例示的実施形態による、４つの深度平面のためのファイバ走査デバイス（ＦＳＤ）のパターンに対するＶＦＥ駆動信号のグラフを図示する。

図７は、一例示的実施形態による、ファイバ走査デバイス（ＦＳＤ）の別のパターンに対する三角形ＶＦＥ駆動信号の別のグラフを図示する。

本発明の種々の実施形態は、単一実施形態またはいくつかの実施形態において電子回路設計の多重シナリオ物理認知設計を実装するための方法、システム、および製造品を対象とする。本発明の他の目的、特徴、および利点は、詳細な説明、図、および請求項に説明される。

ここで、種々の実施形態が、図面を参照して詳細に説明され、当業者が本発明を実践することを可能にするように、本発明の例証的実施例として提供される。留意すべきこととして、以下の図および実施例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明のある要素が、公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）を使用して部分的または完全に実装され得る場合、本発明の理解のために必要なそのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）の部分のみ、説明され、そのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように、省略されるであろう。さらに、種々の実施形態は、例証として本明細書に参照される構成要素の現在および将来的公知の均等物を包含する。

米国仮出願第６１／９０９，７７４号（現在は、米国特許出願第１４／５５５，５８５号）、米国特許第６，０４６，７２０号、第７，５５５，３３３号、第７８４，６９７号、ならびに米国特許出願第１１／５７３，１１８号および第１２／４６８，８３２号（それぞれ参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に論じられるように、可変焦点要素（以下、「ＶＦＥ」）が、動的方式において画像の波面（例えば、焦点）を調節するために使用されてもよく、多焦点３Ｄ像を生成するために使用されてもよい。ＶＦＥは、アナログ焦点変調を可能にしてもよく、または離散焦点状態間を切り替えてもよい。

本開示は、画像の有効開口数を増加させ、および／または視認光学のアイボックスまたは射出瞳のサイズを増加させる目的のため等、入射光を拡散させるための切替可能高分子分散型液晶（以下、「ＰＤＬＣ」）拡散器等の複数の切替可能画面の使用について説明する。例えば、ＰＤＬＣ画面は、実質的透明状態と実質的拡散状態との間で切り替えられることができる。

複数の切替可能画面が、好ましい実施形態では、切替可能画面上に入射する光の波面を調節することができる、１つまたはそれを上回るＶＦＥに動作可能に結合される。簡潔にするために、本開示の残りは、単数ＶＦＥを参照するが、複数のＶＦＥが、実施形態のそれぞれにおいて、単一ＶＦＥの代わりに使用されることができることを理解されたい。一実施形態では、ＶＦＥは、動作可能に結合されたディスプレイ要素（走査式光ディスプレイ、走査式レーザディスプレイ、ＤＬＰ、ＬＣＤ、ＬＣｏＳ、ＯＬＥＤ、エレクトロクロミックディスプレイ、エレクトロウェッティングディスプレイ、ＬＥＤアレイ、または当技術分野において公知の任意の他のディスプレイ技術等）からの画像が、所与の時間ステップにおいて、切替可能画面のうちの１つ上に実質的に合焦されるように、光の波面を変調させる。一実施形態では、切替可能画面は、直接、視認者によって視認される。一実施形態では、切替可能画面は、画像要素が光学視認距離にあるよう知覚されるように、光を切替可能画面から視認者に中継する、視認光学システムに動作可能に結合される。

視認光学システムが、殆どまたは全く場曲率を生成しない場合、切替可能要素上の画像は、光学視認距離において実質的平面画像を形成するように視認者に中継されるであろう。視認光学システムが、ある検出可能場曲率を生成する場合、切替可能要素上の画像は、光学視認距離のある範囲に対する湾曲画像を形成するように視認者に中継されるであろう。例えば、画像の中心は、１メートルの光学視認距離に位置付けられてもよい一方、画像の周縁は、１．１メートルの光学視認距離に位置付けられてもよい。

そのような湾曲画像平面を視認者に生成するディスプレイシステムに動作可能に結合されるレンダリングシステムは、画像内のその側方位置の関数として、表示される画像要素のレンダリング特性を調節することができる。例えば、レンダリングシステムは、意図される物体を画像の中心内の１メートルにあるようにレンダリングし、意図される画像を画像の周縁内の１．１メートルにあるようにレンダリングすることができる。レンダリングシステムはまた、画像内のその側方位置の関数として、画像要素のためのシミュレートされた焦点および被写界深度をレンダリングすることができる。例えば、仮想カメラを備える、３Ｄレンダリングシステムでは、３Ｄボリュームの投影を捕捉するために使用される仮想カメラの焦点は、画像の中心内の画像要素に対して１メートルに、および画像の縁の近傍の画像要素に対して１。１メートルに設置されることができる。

複数の切替可能画面が、視認者（直接または光学システムを介して間接的のいずれかで画面を視認する）から異なる視認距離を占有するようにスタックされる場合、複数の画像要素が、異なる画像要素を含む光が異なる光学視認距離から視認者に到達するように、複数の切替可能画面上に投影されることができる。複数の切替可能画面から光場を見ている視認者は、異なる焦点レベルおよび視認距離に異なる物体を伴って、３Ｄボリューム画像を知覚することができる。例えば、複数の切替可能画面が、１０層のＰＤＬＣ切替可能拡散器を備える場合、レンダリングされた（および／または捕捉された）３Ｄ場面は、１０個の画像スライスにスライスされることができ、各画像スライスは、異なるＰＤＬＣ画面に投影される。

異なる画像スライスは、フレーム順次方式において、動作可能に結合されたディスプレイシステムによって、ＰＤＬＣ画面のスタックに投影されてもよく、１つのみの層が所与の時間ステップにおいて拡散画面として作用するように、各時間ステップにおいて、１つのＰＤＬＣ層は、拡散状態に切り替えられ、他のＰＤＬＣ層は、透明状態に切り替えられる。可変焦点レンズ等の動作可能に結合されたＶＦＥは、レンダリングされた画像の各スライスが、拡散状態に切り替えられるＰＤＬＣ層上に合焦されるように、同期フレーム順次方式において、動作可能に結合されたディスプレイ要素からの光の波面を変調させることができる。

切替可能画面は、背面投影構成および／または正面投影構成において使用されることができる。大有効開口、大焦点範囲、低電力消費、および高速焦点変調を同時に達成するＶＦＥを生成することは、困難であり得る。本明細書に説明されるシステムは、切替可能画面の動作可能に結合されたスタックが、ＶＦＥ内の小開口にかかわらず、大アイボックスをサポートするために、中継された画像の有効ＮＡを増加させるにつれて、比較的に小ＶＦＥがディスプレイ源に動作可能に結合されることを可能にする。

当技術分野において、ある程度の量の場曲率を付与せずに、ディスプレイ源からの光を中継するための光学システムを設計および加工することは、簡単でないことが公知である。場平坦性に対して良好に補正される光学システムは、多くの場合、中継された光内の場曲率を完全に補正しない光学システムより大きく、かつより複雑であって、設計および加工によりコストがかかる。

本開示はまた、入射光の波面を物理的に変調させ、場平坦化または場曲率の補正を行うためのＶＦＥの使用について説明する。一実施形態では、ＶＦＥは、場平坦化を行い、湾曲画像場からの入射光を調節し、実質的に平面な画像場を形成するために、ＶＦＥに入射される画像データを含む光の波面を変調させるために使用される。一実施形態では、ＶＦＥから出射する光は、場平坦化され、画面（本明細書に説明されるように、切替可能画面等、または可動画面等、または静的画面等）上に実質的に合焦される。

一実施形態では、ＶＦＥは、ＶＦＥが異なる走査位置において光の波面を異なるように変調させ得るように、走査式光ディスプレイ（ファイバ走査式ディスプレイ、走査式ミラーディスプレイ、走査式レーザディスプレイ、フライングスポットディスプレイ、または線走査ディスプレイ等）に動作可能に結合される。例えば、ファイバ走査式ディスプレイは、場の中心から開始し、経時的に、場の縁に外向きに渦を巻くスポット等、渦巻パターンで駆動されることができ、動作可能に結合された光源は、走査パターンと同期して変調され、像を投影させる。

ファイバ走査式ディスプレイに動作可能に結合されるＶＦＥは、走査された画像の中心が、１つの屈折力で合焦され、画像の縁に向かうスポットが、異なる屈折力で合焦されるように、走査されたスポットの偏心の関数として、その屈折力を変化させることができる。このように、場の曲率は、画素毎または線毎に動的に調節されることができる。これは、非常にコンパクトなシステム（例えば、静的レンズのスタックの代わりに、単一ＶＦＥ）内に優れた場平坦性を伴う光学システムを可能にすることができる。

所与の距離において画面に投影される画像に対して場平坦化を行うことに加え、ＶＦＥは、本明細書に説明されるように、画像の全体的焦点を複数の切替可能画面内の異なる画面に切り替えることができる。ＶＦＥは、３Ｄボリュームを構成する実質的に平面画像のスタックを形成するように、画面距離のそれぞれにおいて場曲率を補正することができる。

ＶＦＥは、平坦化装置および合焦レンズとして機能する。ＶＦＥは、コンパクトディスプレイ源に動作可能に結合され得るため、小開口サイズ（例えば、３ｍｍ）を備えてもよい。ＶＦＥは、正弦波等の継続的かつ平滑に変動させる信号を用いて駆動され、リンギングまたは他の一時的アーチファクトを最小限または排除しながら、高周波数焦点変調を可能にしてもよい。

図１に示されるような３Ｄディスプレイシステム１００は、ディスプレイユニット１０２と、ＶＦＥ１０４と、視認光学１０６とを備えることができる。そのような構成のために、典型的には、ＶＦＥと大開口を併用し、視認者のための大アイボックスまたは射出瞳をサポートすることが有益である。しかしながら、当技術分野において公知の典型的大開口ＶＦＥは、典型的には、高速応答時間、低動作電圧、コンパクトサイズ、軽量、および大開口サイズに対する信頼性を容易に達成可能ではない。

一実施形態は、図２に示される。これは、ファイバ走査式ディスプレイ２０２（以下、「ＦＳＤ」）ユニットと、ＶＦＥ２０４と、スタックされた切替可能拡散器２０６と、視認光学２０８とを備える。ＶＦＥ２０４は、小開口サイズがディスプレイ光を受信および中継するために十分であるように、ＦＳＤ２０２に近接して位置付けられることができる。ＶＦＥ２０４は、光をＦＳＤ２０２から、高分子分散型液晶（以下、「ＰＤＬＣ」）デバイス等の複数のスタックされた切替可能画面２０６と整合される中間画像平面に合焦させることができる。各時間ステップにおいて、単一切替可能画面は、拡散状態にある一方、他の画面は、実質的に透明状態にある。各切替可能画面上に投影される画像は、視認光学によって視認者に中継される多焦点画像の具体的距離に対応する。

単純な従来の静的レンズ設計によって生成され得る場曲率に加え、ＦＳＤ２０２のいくつかの実施形態は、湾曲画像源を備える。図３は、１つの静的焦点状態にあるＶＦＥを用いて、所与のＦＳＤ２０２およびＶＦＥ２０４構成によって生成された総場曲率３０６の単純光学モデルを示す。補正されないままである場合、曲率の場は、平坦投影画面と整合不良となり、他のものは合焦されるが、いくつかの画素を画面上の焦点から外れさせ得る。

図４は、走査場内の走査されたスポットの位置と協調して、ＶＦＥの屈折力（ジオプトリ単位）を変動させ得る方法の例示的実施形態４００を示す。例えば、ＶＦＥが、渦巻パターン（図４の左下）で走査するＦＳＤに動作可能に結合される場合、ＶＦＥは、走査の中心の光に対してより高い屈折力を生成し、走査の周縁における光に対してより低い屈折力を生成し、偏心の関数として平滑に変動し、実質的に平坦な画像場を出力にもたらすことができる。

一実施形態では、ＶＦＥは、実質的に正弦波方式で変調され、非常に高速な焦点変調を可能にする。図５は、ＦＳＤ渦巻走査駆動信号内の走査振幅が、ＶＦＥの正弦波発振に一致され、平坦場をＶＦＥ出力に生成し得る方法の例示的実施形態５００を示す。図５における単位は、図４における場位置データに対する例示的ＶＦＥジオプトリから導出される。

一実施形態では、ＶＦＥ駆動信号は、ＶＦＥに対して実質的に平滑化された駆動信号を維持し、リンギングまたは他の駆動アーチファクトを最小限にし、高速焦点変調をサポートしながら、所望のＦＳＤ走査振幅パターンに一致するように、完全正弦波から調節される。

図６は時系列方式で４つの深度平面（すなわち、固定距離）（６０２、６０４、６０６、および６０８）を生成する、実施形態６００を図示する。本実施形態では、ＶＦＥは、３６．８０ジオプトリ（１／ｍ）〜４９．５８ジオプトリの総焦点範囲を通して変動する正弦波を用いて駆動される。正弦波の山および谷の振幅は、４つの画像スライスのそれぞれの焦点が総焦点範囲の異なるサブセットを通して掃引されるように、走査式光ディスプレイ（例えば、ＦＳＤ）による画像スライスの投影と同期して、時系列ベースで調節される。焦点範囲サブセット間の全体的オフセットは、視認者に提示される画像スライスの異なる光学視認距離に対応する。各画像スライスの焦点範囲内の変動は、画像の中心を周縁と異なる屈折力で合焦されることを可能にし、場曲率を補正し、深度平面毎に実質的に平坦な画像場を生成する。実施例として、−２０°〜２０°のＦＳＤ走査角度が、描写される。図６におけるＶＦＥジオプトリ範囲は、図４における場位置データに対する例示的ＶＦＥジオプトリと一貫する。

図７は、正弦波ではない、ＶＦＥに対する駆動信号の一変形例７００を示す。この場合、三角波（図中の白色正方形）は、ＶＦＥ焦点状態を駆動するために使用される。図７はまた、ＦＳＤ渦巻走査駆動信号（図７における黒色円形）内の走査振幅が、ＶＦＥの発振に一致され、平坦場をＶＦＥ出力に生成し得る方法を示す。図７における単位は、図４における場位置データに対する例示的ＶＦＥジオプトリと一貫する。

ＶＦＥおよび複数の切替可能画面を備える多焦点ディスプレイシステムを使用した動的場平坦化方法およびシステムは、相互から独立して利用されることができる、または共有システム内において効果的に採用されることができる。

種々の本発明の例示的実施形態が、本明細書で説明される。非限定的な意味で、これらの実施例が参照される。それらは、本発明のより広く適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、同等物が置換されてもよい。加えて、特定の状況、材料、物質組成、プロセス、プロセス行為、またはステップを本発明の目的、精神、もしくは範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるように、本明細書で説明および例証される個々の変形例のそれぞれは、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され、またはそれらと組み合わせられ得る、離散構成要素および特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内にあることを目的としている。

本発明は、対象デバイスを使用して行われ得る方法を含む。方法は、そのような好適なデバイスを提供するという行為を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって行われてもよい。換言すれば、「提供する」行為は、単に、エンドユーザが、対象方法において必須デバイスを提供するように、取得し、アクセスし、接近し、位置付けし、設定し、起動し、電源を入れ、または別様に作用することを要求する。本明細書で記載される方法は、論理的に可能である記載された事象の任意の順番で、ならびに事象の記載された順番で実行されてもよい。

本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記で記載されている。本発明の他の詳細に関しては、これらは、上記で参照された特許および出版物と関連して理解されるとともに、概して、当業者によって公知または理解され得る。一般的または論理的に採用されるような付加的な行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関して、同じことが当てはまり得る。

加えて、本発明は、種々の特徴を随意的に組み込むいくつかの実施例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して考慮されるような説明または指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、同等物（本明細書に記載されようと、いくらか簡単にするために含まれていなかろうと）が置換されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値、およびその規定範囲内の任意の他の規定または介在値が、本発明内に包含されることを理解されたい。

また、説明される本発明の変形例の任意の随意的な特徴が、独立して、または本明細書で説明される特徴のうちのいずれか１つまたはそれを上回るものと組み合わせて、記載および請求されてもよいことが考慮される。単数形のアイテムへの参照は、複数形の同一のアイテムが存在するという可能性を含む。より具体的には、本明細書で、および本明細書に関連付けられる請求項で使用されるように、「１つの（「ａ」、「ａｎ」）」、「該（ｓａｉｄ）」、および「前記（ｔｈｅ）」という単数形は、特に規定がない限り、複数形の指示対象を含む。換言すれば、冠詞の使用は、上記の説明ならびに本開示と関連付けられる請求項において、対象アイテムの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意的な要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項の要素の記載と関連して、「単に」、「のみ」、および同等物等の排他的用語の使用、または「否定的」制限の使用のために、先行詞としての機能を果たすことを目的としている。

そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項での「備える」という用語は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加をそのような請求項に記載される要素の性質の変換として見なすことができるかにかかわらず、任意の付加的な要素を含むことを可能にするものとする。本明細書で具体的に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味を与えられるものである。

本発明の範疇は、提供される実施例および／または対象の明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示と関連付けられる請求項の言葉の範囲のみによって限定されるものである。

Claims (27)

1. 拡張現実ディスプレイシステムであって、
   画像データの１つまたはそれを上回るフレームを走査するための走査デバイスであって、前記走査デバイスは、前記画像データを受信するように画像源に通信可能に結合されている、走査デバイスと、
   開口を備える可変焦点要素（ＶＦＥ）であって、前記ＶＦＥは、前記走査デバイスによって生成される場曲率を低減させるように構成されている、ＶＦＥと、
   前記拡張現実ディスプレイシステムの光軸に沿ってスタックされた複数の切替可能画面であって、前記複数の切替可能画面は、動作中の一時点において拡散状態の第１の切替可能画面および透明状態の第２の切替可能画面を備え、前記ＶＦＥは、さらに、前記画像データと関連付けられた光を対応する視認距離に拡散させる前記複数の切替可能画面の中で前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームを可変に合焦させるように構成されており、前記ＶＦＥは、前記画像データの有効開口数を増加させるように前記複数の切替可能画面に動作可能に結合されている、複数の切替可能画面と、
   前記画像データの１つまたはそれを上回るフレームを中継するように前記複数の切替可能画面に動作可能に結合される視認光学と
   を備える、拡張現実ディスプレイシステム。
2. 前記複数の切替可能画面の各々は、視認者から異なる視認距離を占有する、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
3. 前記画像データは、前記複数の切替可能画面の中の切替可能画面の数に等しい数の画像スライスに分割される、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
4. 前記複数の切替可能画面は、切替可能高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）拡散器を備える、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
5. 前記走査デバイスは、ファイバ走査デバイス（ＦＳＤ）を備える、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
6. 前記複数の切替可能画面は、拡散状態と透明状態との間で切り替わる、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
7. 前記複数の切替可能画面のうちの１つの切替可能画面は、前記拡散状態に切り替えられ、残りの数の画面は、前記透明状態に切り替えられる、請求項６に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
8. 前記複数の切替可能画面は、フレームベースで前記拡散状態と前記透明状態との間で切り替えられる、請求項６に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
9. 前記ＶＦＥは、３ｍｍのサイズを有する開口と関連付けられる、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
10. 前記走査デバイスは、前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームをある走査パターンで走査する、請求項１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
11. 前記ＶＦＥの駆動信号は、前記走査パターンの関数として変動させられる、請求項１０に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
12. 前記ＶＦＥは、前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームの場曲率を平坦化する、請求項１１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
13. 前記ＶＦＥの屈折力は、前記走査デバイスの走査場内の走査されたスポットの位置の関数として変動させられる、請求項１１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
14. 前記ＶＦＥは、前記光の中心を第１の屈折力で合焦させ、前記光の周縁を第２の屈折力で合焦させるように構成されており、前記第１の屈折力は前記第２の屈折力と異なる、請求項１１に記載の拡張現実ディスプレイシステム。
15. 拡張現実を表示する方法であって、
    画像データの１つまたはそれを上回るフレームを提供することと、
    少なくとも走査デバイスを用いてある走査パターンで前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた光を走査することと、
    前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームを、システムの光軸に沿ってスタックされた複数の切替可能画面上に合焦させるように可変焦点要素（ＶＦＥ）を通して前記走査された光の焦点を変動させることであって、前記ＶＦＥは、開口を備え、前記ＶＦＥは、前記画像データの有効開口数を増加させるように前記複数の切替可能画面に動作可能に結合されている、ことと、
    一時点において、前記複数の切替可能画面のうちの第１の切替可能画面を拡散状態に切り替え、前記複数の切替可能画面のうちの第２の切替可能画面を透明状態に切り替えることと、
    前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームと関連付けられた前記光を走査するときに前記走査デバイスによって生成される場曲率を低減させることと、
    前記複数の切替可能画面のうちの前記１つの切替可能画面を通して前記光を拡散させることであって、前記複数の切替可能画面は、異なる視認距離に対応する、ことと
    を含む、方法。
16. 前記複数の切替可能画面の各々は、視認者から異なる視認距離を占有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記画像データを、前記複数の切替可能画面の中の切替可能画面の数に等しい数の画像スライスに分割することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記焦点は、フレームベースで変動させられる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記画像データの前記１つまたはそれを上回るフレームは、時系列様式で提示される、請求項１５に記載の方法。
20. 前記複数の切替可能画面は、切替可能高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）拡散器を備える、請求項１５に記載の方法。
21. 前記複数の切替可能画面は、拡散状態と透明状態との間で切り替わる、請求項１５に記載の方法。
22. 前記複数の切替可能画面は、フレームベースで前記拡散状態と前記透明状態との間で切り替えられる、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ＶＦＥは、３ｍｍのサイズを有する開口と関連付けられる、請求項１５に記載の方法。
24. 前記光の走査場内の走査されたスポットの位置の関数として、前記ＶＦＥの屈折力を変動させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
25. 前記ＶＦＥの信号を駆動させることにより、前記光の前記走査パターンに一致させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
26. 前記ＶＦＥは、前記走査された光の中心を第１の屈折力で合焦させ、前記走査された光の周縁を第２の屈折力で合焦させるように構成されており、前記第１の屈折力は前記第２の屈折力と異なる、請求項１５に記載の方法。
27. 前記ＶＦＥの駆動信号を調節することにより、前記光の前記走査パターンに一致させて平坦画像場を生成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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