JP6907218B2 - 仮想／拡張現実システムにおける偏波維持光ファイバ - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、概して、１人またはそれを上回るユーザのための双方向の仮想または拡張現実環境を促進するように構成されるシステムおよび方法に関する。

（背景）
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本物であるように見えるかまたはそのように知覚され得る様式で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（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過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う一方、拡張現実（ＡＲ）シナリオは、典型的には、エンドユーザの周囲の実際の世界の可視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。

例えば、図１を参照すると、拡張現実場面４が、描写され、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景内の建物、およびコンクリートプラットフォーム８を特徴とする、実世界公園状設定６が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のエンドユーザはまた、実世界プラットフォーム８上に立っているロボット像１０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ１２とが「見える」と知覚するが、これらの要素１０、１２は、実世界には存在しない。結論から述べると、ヒト視知覚系は、非常に複雑であり、他の仮想または実世界画像要素の中で仮想画像要素の快適かつ自然な感覚で豊かな提示を促進するＶＲまたはＡＲ技術を生成することは、困難である。

ＶＲおよびＡＲシステムは、典型的には、ユーザの頭部に少なくとも緩く結合され、したがって、エンドユーザの頭部が移動したときに移動する、頭部装着型ディスプレイ（またはヘルメット搭載型ディスプレイ、またはスマートグラス）を採用する。エンドユーザの頭部運動が、ディスプレイサブシステムによって検出される場合、表示されているデータは、頭部姿勢（すなわち、ユーザの頭部の配向および／または場所）の変化を考慮して、更新されることができる。

実施例として、頭部装着型ディスプレイを装着しているユーザが、ディスプレイ上の３次元（３Ｄ）オブジェクトの仮想表現を視認し、３Ｄオブジェクトが現れる面積の周囲を歩き回る場合、その３Ｄオブジェクトは、視点毎に、再レンダリングされ、エンドユーザに、実空間を占有するオブジェクトの周囲を自らが歩き回っているという知覚を与えることができる。頭部装着型ディスプレイが、複数のオブジェクトを仮想空間（例えば、豊かな仮想世界）内に提示するために使用される場合、場面を再レンダリングし、エンドユーザの動的に変化する頭部場所および配向に合致させ、仮想空間内への没入感の増加を提供するために、頭部姿勢の測定が使用されることができる。

ＡＲ（すなわち、現実要素および仮想要素の同時視認）を可能にする頭部装着型ディスプレイは、いくつかの異なるタイプの構成を有することができる。多くの場合、「ビデオシースルー」ディスプレイと称される１つのそのような構成では、カメラが、実場面の要素を捕捉し、コンピューティングサブシステムが、仮想要素を捕捉された実場面上に重畳し、非透明ディスプレイが、合成画像を眼に提示する。別の構成は、多くの場合、「光学シースルー」ディスプレイと称され、エンドユーザは、ディスプレイサブシステム内の透明（または半透明）要素を通して見て、直接、環境内の実オブジェクトからの光を視認することができる。多くの場合、「コンバイナ」と称される透明要素は、ディスプレイからの光を実世界のエンドユーザのビューにわたって重畳させる。

ＶＲおよびＡＲシステムは、典型的には、投影サブシステムと、エンドユーザの視野の正面に位置付けられたディスプレイ表面とを有する、ディスプレイサブシステムを採用し、投影サブシステムは、ディスプレイ表面上に画像フレームを連続して投影する。真の３次元システムでは、ディスプレイ表面の深度は、フレームレートまたはサブフレームレートにおいて制御されることができる。投影サブシステムは、その中に１つまたはそれを上回る光源からの光が異なる色の光を定義されたパターンで放出する１つまたはそれを上回る光ファイバと、光ファイバを所定のパターンで走査し、エンドユーザに連続して表示される画像フレームを作成する走査デバイスとを含んでもよい。

典型的頭部装着型ＶＲ／ＡＲシステムでは、ディスプレイサブシステムを可能な限り軽量にすることにより、ユーザに対する快適性を最大限にするように設計することが望ましい。この目的を達成するために、ＶＲ／ＡＲシステムの種々のコンポーネントは、ディスプレイサブシステム自体と、ユーザの頭部から遠隔で位置付け可能な制御サブシステムとを含む、分散型システム内に物理的に含有されてもよい。例えば、制御サブシステムは、ユーザの腰部に添着され得るベルトパックメダリオン内に含有されてもよい。重量、熱、および形状因子考慮点に起因して、光源をユーザの頭部から遠隔に（例えば、ベルトパックメダリオン内に）位置させることが望ましいため、光源は、ディスプレイから離れて制御サブシステムとともに位置しなければならない。

したがって、光ファイバは、遠隔光源からユーザの頭部上に位置するディスプレイサブシステムの一部までルーティングされなければならない。例えば、図２を参照すると、単一モード光ファイバ２０が、光を遠隔光源２２から走査デバイス２４に伝搬すること（伝送機能）によって、伝送および走査機能の両方を行うために使用され、それによって、光を所定の走査パターンで走査する（走査機能）ように操作される。

ユーザに表示される画像の色歪曲を防止するために（偏波されたレーザ光が、非常に偏波に敏感であるディスプレイの回折光学を通して伝搬された後）、光源から光ファイバの中に投入された光の偏波は、光ファイバの全体を通して維持されなければならない。通常の光ファイバでは、２つの偏波モード（例えば、垂直偏波および水平偏波）は、ファイバの円対称性に起因して、同一の公称位相速度を有する。しかしながら、そのようなファイバ内の微量のランダム複屈折またはファイバ内の屈曲が、垂直から水平偏波モードへの微量のクロストークを生じさせるであろう。また、小さい結合係数が適用され得るファイバの短い部分でさえ、何千もの波長の長さとなるため、コヒーレントに適用される２つの偏波モード間のそのようなわずかな結合でさえ、水平モードへの大規模な伝達につながり、偏波の波の正味状態を完全に変化させ得る。そのような結合係数は、意図的ではなく、ファイバに適用された任意の応力または屈曲の結果であったので、偏波の出力状態は、それ自体がランダムとなり、そして、これらの応力または屈曲が変動するにつれて変動するであろう。

したがって、光ファイバが遠隔光源と頭部搭載型ディスプレイサブシステムとの間にルーティングされなければならない蛇行性経路（ヒトの頸部および胴体に及ぶとき、非常に長くなり得る）に起因して、光ファイバは、異なるように屈曲され（ユーザの身体運動等に起因して）、したがって、歪まされ、それによって、光ファイバを通して進行する光の偏波を著しく変化させ得る。

単一モード光ファイバである偏波維持光ファイバ（ＰＭファイバ）を使用することが公知であり、該単一モード光ファイバでは、線形偏波された光は、ファイバの中に適切に送出された場合、伝搬の間に線形偏波を維持し、特定の線形偏波状態でファイバから出射する。ＰＭファイバは、非常に異なる位相速度を伴ってファイバに沿って伝搬する２つのｗｅｌｌ−ｄｅｆｉｎｅｄな偏波モードが存在するように、体系的な線形複屈折をファイバ内に意図的に導入することによって、伝搬の間、線形偏波を維持する。いくつかの異なるＰＭファイバ設計が、複屈折をファイバ内に作成するために使用されることができる。例えば、ファイバは、幾何学的に非対称であり得るか、または、楕円形クラッディングを使用する設計、クラッディング内で別の材料のロッドを使用する設計、または応力をファイバ内に恒久的に誘発するための構造化されたコアファイバ（例えば、フォトニックバンドギャップファイバ）を使用する設計等の非対称な屈折率プロファイルを有し得る。

投影サブシステムは、ＰＭファイバを考慮して設計され得るが、既存の走査デバイスは、ＰＭファイバとは異なる機械的性質を呈する非ＰＭファイバと動作するように設計される。この場合、走査デバイスは、非ＰＭファイバが偏波維持光ファイバで代用されるとき、同一様式で動作しないであろう。特に、高度に非対称な曲げ剛性を伴うＰＭファイバは、対称な曲げ剛性を伴う非ＰＭファイバとは非常に異なる動態を有するであろう。その結果、ＰＭファイバは、ディスプレイデバイスのためのデフォルト走査モードである共鳴スパイラル走査を達成しないであろう。さらに、光ファイバの遠位端は、典型的には、動作周波数を増加させるためにテーパ状であって、したがって、より優れた分解能であって、それによって、より優れた性能をもたらす。しかしながら、ＰＭファイバが応力誘発要素を利用する場合、これらの付加的要素は、走査デバイスの走査フィールドに影響を及ぼすであろう。したがって、走査デバイスは、ＰＭファイバの代替使用に適応させるために再設計される必要があり、これは、ＶＲ／ＡＲシステムに付加的コストをもたらすであろう。

したがって、ディスプレイサブシステム内の走査デバイスを再設計する必要なしに遠隔光源と頭部搭載型ディスプレイサブシステムとの間に接続される光ファイバ内に線形偏波を維持する低コストソリューションの必要がある。

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／または拡張現実の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。

本発明の第１の側面によると、エンドユーザによる使用のための仮想画像生成システムのためのディスプレイサブシステムは、ディスプレイ（例えば、平面導波管装置）を備える。一実施形態では、ディスプレイは、エンドユーザの眼の正面に位置付けられるように構成されてもよい。この場合、ディスプレイは、エンドユーザの眼と周囲環境との間の視野内に位置付けられるように構成される部分的に透明なディスプレイ表面を有してもよい。

ディスプレイサブシステムはさらに、偏波維持（ＰＭ）伝送ファイバセクションおよび非ＰＭ走査ファイバセクションを有する光ファイバを備える。一実施形態では、伝送ファイバセクションは、非円対称断面を有するクラッディングを備える。別の実施形態では、伝送ファイバセクションは、円対称クラッディングと、歪みをクラッディング内に誘発するように構成される少なくとも１つの付加的要素とを備える。

ディスプレイサブシステムはさらに、線形偏波された光ビームが走査ファイバセクションから放出されるように、線形偏波された光ビームを伝送ファイバセクションの中に投入するように構成される光源と、走査ファイバセクションが添着される機械的走査駆動アセンブリであって、放出される光ビームを走査するために、走査光ファイバセクションを変位させるように構成される機械的走査駆動アセンブリと、走査された光ビームを受信し、画像をエンドユーザに生成するように構成されるディスプレイとを備える。一実施形態では、走査ファイバセクションの近位端は、機械的走査駆動アセンブリ内に完全に添着される。別の実施形態では、機械的走査駆動アセンブリは、走査ファイバセクションが搭載される圧電要素を備えてもよい。

一実施形態では、機械的走査駆動アセンブリおよびディスプレイは、頭部装着型ユニットの中に統合され、光源が、頭部装着型ユニットから遠隔でエンドユーザによって装着されるように構成される遠隔制御ユニット内に含有される。制御ユニットは、例えば、エンドユーザの胴体または腰部上に装着されてもよい。走査ファイバセクションは、遠隔制御ユニットと頭部装着型ユニットとの間にルーティングされてもよい。

本発明の第２の側面によると、エンドユーザによる使用のための仮想画像生成システムは、３次元場面を記憶するメモリと、３次元場面の複数の合成画像フレームをレンダリングするように構成される制御サブシステム（例えば、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を備えるもの）と、前述のディスプレイサブシステムとを備える。ディスプレイサブシステムは、複数の画像フレームをエンドユーザに連続して表示するように構成される。

本発明の付加的および他の目的、特徴、および利点は、説明、図、および請求項に詳細に説明される。
例えば、本発明は、以下を提供する。
（項目１）
エンドユーザによる使用のための仮想画像生成システムのためのディスプレイサブシステムであって、
ディスプレイと、
偏波維持（ＰＭ）伝送ファイバセクションおよび非ＰＭ走査ファイバセクションを有する光ファイバと、
線形偏波された光ビームが前記走査ファイバセクションから放出されるように、前記線形偏波された光ビームを前記伝送ファイバセクションの中に投入するように構成される光源と、
前記走査ファイバセクションが添着される機械的走査駆動アセンブリであって、前記機械的走査駆動アセンブリは、前記放出された光ビームを走査するために、前記走査光ファイバセクションを変位させるように構成される、機械的走査駆動アセンブリと、
前記走査された光ビームを受信し、前記エンドユーザのための画像を生成するように構成されるディスプレイと
を備える、ディスプレイサブシステム。
（項目２）
前記ディスプレイは、平面導波管装置を備える、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目３）
前記伝送ファイバセクションは、非円対称断面を有するクラッディングを備える、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目４）
前記伝送ファイバセクションは、円対称クラッディングと、歪みを前記クラッディング内に誘発するように構成される少なくとも１つの付加的要素とを備える、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目５）
前記機械的走査駆動アセンブリおよび前記ディスプレイは、頭部装着型ユニットの中に統合され、前記光源は、前記頭部装着型ユニットから遠隔で前記エンドユーザによって装着されるように構成される遠隔制御ユニット内に含有される、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目６）
前記制御ユニットは、前記エンドユーザの胴体上に装着されるように構成される、項目５に記載のディスプレイサブシステム。
（項目７）
前記制御ユニットは、前記エンドユーザの腰部上に装着されるように構成される、項目５に記載のディスプレイサブシステム。
（項目８）
前記走査ファイバセクションは、前記遠隔制御ユニットと前記頭部装着型ユニットとの間にルーティングされる、項目５に記載のディスプレイサブシステム。
（項目９）
前記走査ファイバセクションの近位端は、前記機械的走査駆動アセンブリ内に完全に添着される、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目１０）
前記機械的走査駆動アセンブリは、前記走査ファイバセクションが搭載される圧電要素を備える、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目１１）
前記ディスプレイは、前記エンドユーザの眼の正面に位置付けられるように構成される、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目１２）
前記ディスプレイは、前記エンドユーザの眼と周囲環境との間の視野内に位置付けられるように構成される部分的に透明なディスプレイ表面を有する、項目１１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目１３）
前記エンドユーザによって装着されるように構成されるフレーム構造をさらに備え、前記フレーム構造は、前記ディスプレイおよび前記機械的走査駆動アセンブリを担持する、項目１に記載のディスプレイサブシステム。
（項目１４）
エンドユーザによる使用のための仮想画像生成システムであって、
３次元場面を記憶するメモリと、
前記３次元場面の複数の合成画像フレームをレンダリングするように構成される制御サブシステムと、
項目１に記載のディスプレイサブシステムであって、前記ディスプレイサブシステムは、複数の画像フレームをエンドユーザに連続して表示するように構成される、ディスプレイサブシステムと
を備える、仮想画像生成システム。
（項目１５）
前記制御サブシステムは、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を備える、項目１４に記載の仮想画像生成システム。

図面は、類似した要素が共通の参照数字によって参照される本発明の好ましい実施形態の設計および有用性を図示する。本発明の前述および他の利点および目的を得る方法をより深く理解するために、上記に簡単に説明された本発明のより詳細な説明が、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、したがって、その範囲の限定と見なされるものではないという理解のもとで、本発明は、付随の図面の使用を通して、付加的特異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、先行技術の拡張現実生成デバイスによってエンドユーザに表示され得る３次元拡張現実場面の写真である。 図２は、光源を走査デバイスに光学的に結合するために使用される先行技術の単一モード光ファイバの平面図である。 図３は、本発明の一実施形態に従って構築された仮想画像生成システムのブロック図である。 図４は、図３の仮想画像生成システム内で使用するためのディスプレイサブシステムの一実施形態の平面図である。 図５は、図３の仮想画像生成システム内で使用するためのディスプレイサブシステムの一実施形態の斜視図である。 図６は、光源を図３の仮想画像生成システムのディスプレイサブシステム内の走査デバイスに光学的に結合するために使用される複合光ファイバの平面図である。 図７ａは、図６の複合光ファイバの非偏波維持走査ファイバセクションの一実施形態の断面図である。 図７ｂは、図６の複合光ファイバの偏波維持伝送ファイバセクションの一実施形態の断面図である。 図８は、図３の仮想画像生成システムによって生成された例示的フレームの平面図である。 図９ａは、図３の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る１つの技法の平面図である。 図９ｂは、図３の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る別の技法の平面図である。 図９ｃは、図３の仮想画像生成システムを装着するために使用され得るさらに別の技法の平面図である。 図９ｄは、図３の仮想画像生成システムを装着するために使用され得るなおも別の技法の平面図である。

以下の説明は、仮想現実および／または拡張現実システム内で使用されるディスプレイサブシステムおよび方法に関する。しかしながら、本発明は、仮想または拡張現実システムにおける用途に非常に好適であるが、本発明は、その最も広義の側面では、そのように限定されなくてもよいことを理解されたい。

図３を参照して、本発明に従って構築された仮想画像生成システム１００の一実施形態が、ここで説明されるであろう。仮想画像生成システム１００は、拡張現実サブシステムとして動作され、エンドユーザ５０の視野内の物理的オブジェクトと混合される仮想オブジェクトの画像を提供してもよい。仮想画像生成システム１００を動作させるとき、２つの基本アプローチがある。第１のアプローチは、１つまたはそれを上回る撮像機（例えば、カメラ）を採用して、周囲環境の画像を捕捉することである。仮想画像生成システム１００は、仮想画像を周囲環境の画像を表すデータの中に混合させる。第２のアプローチは、１つまたはそれを上回る少なくとも部分的に透明な表面を採用し、それを通して、周囲環境が、見られることができ、その上に、仮想画像生成システム１００は、仮想オブジェクトの画像を生成することである。

仮想画像生成システム１００および本明細書に教示される種々の技法は、拡張現実および仮想現実サブシステム以外の用途で採用されてもよい。例えば、種々の技法は、任意の投影またはディスプレイサブシステムに適用されてもよい、または、頭部ではなくエンドユーザの手によって移動が行われ得るピコプロジェクタに適用されてもよい。したがって、多くの場合、拡張現実サブシステムまたは仮想現実サブシステムの観点から本明細書に説明されるが、本教示は、そのような使用のそのようなサブシステムに限定されるべきではない。

少なくとも拡張現実用途のために、種々の仮想オブジェクトをエンドユーザ５０の視野内の個別の物理的オブジェクトに対して空間的に位置付けることが望ましくあり得る。本明細書では、仮想タグまたはタグまたはコールアウトとも称される仮想オブジェクトは、基本的に、画像として表されることが可能な任意の種々のデータ、情報、概念、または論理構造である、多種多様な形態のいずれかをとってもよい。仮想オブジェクトの非限定的実施例は、仮想テキストオブジェクト、仮想数字オブジェクト、仮想英数字オブジェクト、仮想タグオブジェクト、仮想フィールドオブジェクト、仮想チャートオブジェクト、仮想マップオブジェクト、仮想計器オブジェクト、または物理的オブジェクトの仮想視覚表現を含んでもよい。

この目的を達成するために、仮想画像生成システム１００は、エンドユーザ５０によって装着されるフレーム構造１０２と、ディスプレイサブシステム１０４であって、該ディスプレイサブシステム１０４がエンドユーザ５０の眼５２の正面に位置付けられるように、該ディスプレイサブシステムの少なくとも一部がフレーム構造１０２によって担持される、ディスプレイサブシステム１０４と、スピーカ１０６であって、該スピーカ１０６がエンドユーザ５０の外耳道に隣接して位置付けられるように（随意に、別のスピーカ（図示せず）が、ステレオ／成形可能音制御を提供するために、エンドユーザ５０の他方の外耳道に隣接して位置付けられる）、フレーム構造１０２によって担持される、スピーカ１０６とを備える。ディスプレイサブシステム１０４は、エンドユーザ５０の眼５２に、光ベースの放射パターンを提示するように設計されており、該光ベースの放射パターンは、高レベルの画質および３次元知覚を伴い、かつ２次元コンテンツを提示可能である、物理的現実の拡張として快適に知覚され得る。ディスプレイサブシステム１０４は、単一コヒーレント場面の知覚を提供する合成画像フレームのシーケンスを高周波数で提示する。

ディスプレイサブシステム１０４は、投影サブシステム１０８と、その上に投影サブシステム１０８が画像を投影する部分的に透明なディスプレイ画面１１０とを備える。ディスプレイ画面１１０は、エンドユーザ５０の眼５２と周囲環境との間のエンドユーザ５０の視野内に位置付けられる。

図示される実施形態では、投影サブシステム１０８は、光ファイバ走査ベースの投影デバイスの形態をとり、ディスプレイ画面１１０は、導波管ベースのディスプレイの形態をとり、その中に、投影サブシステム１０８からの走査された光が投入され、例えば、無限遠（例えば、腕の長さ）より近い単一光学視認距離における画像、複数の離散光学視認距離または集束面における画像、および／または立体３Ｄオブジェクトを表すために複数の視認距離または集束面にスタックされた画像層を生成する。ライトフィールド内のこれらの層は、ヒト視覚系に連続して現れるように、ともに十分に近接してスタックされてもよい（すなわち、１つの層が隣接する層の混乱の円錐内にある）。加えて、または代替として、写真要素が、２つまたはそれを上回る層を横断して混成され、それらの層がより疎らにスタックされる（すなわち、１つの層が隣接する層の混乱の円錐外にある）場合でも、ライトフィールド内の層間の遷移の知覚される連続性を増加させてもよい。ディスプレイサブシステム１０４は、単眼または双眼用であってもよい。

図４および５を参照すると、投影サブシステム１０８は、制御信号に応答して、光ビームを発生させ、所定の走査パターンで走査する、走査アセンブリ１１２と、走査アセンブリ１１４からの光ビームをディスプレイ画面１１０の中に結合する、光学結合サブシステム１１４とを含む。

走査アセンブリ１１２は、光ビームを生成する（例えば、異なる色の光を定義されたパターンで放出する）１つまたはそれを上回る光源１１６（１つのみが簡略化目的のために示される）を備える。光源１１６は、多種多様な形態のいずれかをとってもよく、例えば、ＲＧＢレーザのセット（例えば、赤色、緑色、および青色の光を出力可能なレーザダイオード）であり得、該ＲＧＢレーザのセットは、それぞれ、ピクセル情報またはデータの個別のフレーム内に規定された定義されたピクセルパターンに従って、赤色、緑色、および青色のコヒーレントなコリメート光を生成するように動作可能であり得る。レーザ光は、高色飽和を提供し、高度にエネルギー効率的である。

走査アセンブリ１１２はさらに、１つまたはそれを上回る光ファイバ１１８（１つのみが簡略化目的のために示される）を備え、該光ファイバのそれぞれは、その中に光ビームが光源１１６から受信される近位端１１８ａと、そこから光ビームが部分的に透明なディスプレイ画面１１０に提供される遠位端１１８ｂとを有する。走査アセンブリ１１２はさらに、機械的駆動アセンブリ１２０を備え、そこに、光ファイバ１１８が搭載される。駆動アセンブリ１２０は、光ファイバ１１８の遠位端１１８ｂを変位させるように構成され、図示される実施形態では、圧電要素１２２を備え、そこに、光ファイバ１１８が搭載される。

走査アセンブリ１１２はさらに、電気信号を圧電要素１２２に伝達するように構成される駆動電子機器１２４を備え、それによって、光ファイバ１１８の遠位端１１８ｂを走査パターンに従って振動させる。したがって、光源１１６および駆動電子機器１２４の動作は、空間的および／または時間的に変動する光の形態でエンコードされる画像データを生成する様式で協調される。

図示される実施形態では、圧電要素１２２は、中空管の形態をとり、その場合、光ファイバ１１８の遠位端１１８ｂは、圧電管１２２を通して螺入または受容される。光ファイバ１１８の遠位端１１８ｂは、固定−自由可撓性カンチレバーとして、圧電管１２２から突出する。圧電管１２２は、４つの象限電極（図示せず）と関連付けられる。電極は、例えば、圧電管１２２の外側、外側表面または外側周縁、または直径上にめっきされてもよい。コア電極（図示せず）もまた、管１２２のコア、中心、内側周縁、または内径に位置する。

駆動電子機器１２４は、ワイヤ１２６を介して電気結合され、対向する対の電極（図示せず）を駆動し、圧電管１２２を２つの軸において独立して屈曲させる。光ファイバ１１８の突出する遠位端１１８ｂは、機械的共振モードを有する。共振の周波数は、光ファイバ１１８の直径、長さ、および材料性質に依存する。圧電管１２２を機械的共振の第１のモードの近傍で振動させることによって、ファイバ遠位端１１８ｂは、振動させられ、支点を中心とした大偏向を通して掃引することができる。代替として、圧電管１２２は、ファイバ遠位端１１８ｂが支点を中心としたより小さい偏向を通して掃引することができるように、機械的共振のより高次のモード（例えば、二次モード）の近傍で振動されてもよい。

２つの軸において共振振動を刺激することによって、ファイバ遠位端１１８は、２Ｄ走査を充填する面積内で双軸方向に走査される。ファイバ遠位端１１８ｂの走査と同期して、光源１１６の強度を変調させることによって、光ファイバ１１８から発出する光ビームは、画像を形成する。そのような設定の説明は、「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｌａｎｅ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ａｒｒａｙ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ」と題された米国特許出願第１３／９１５，５３０号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に提供される。

光学結合サブシステム１１６は、光学導波管入力装置１２８、例えば、１つまたはそれを上回る反射表面、回折格子、ミラー、ダイクロイックミラー、またはプリズムを含み、光をディスプレイ画面１１０の端部の中に光学的に結合する。光学結合サブシステム１１６はさらに、光ファイバ１１８からの光をコリメートするコリメーション要素１３０を含む。随意に、光学結合サブシステム１１６は、コリメーション要素１３０からの光を光学導波管入力装置１２８の中心における焦点に向かって収束させるように構成される光学変調装置（図示せず）を備え、それによって、「Ｖｉｒｔｕａｌ／Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｖｉｎｇ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ａｎｇｌｅ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ」と題された米国仮特許出願第６２／２７７，８６５号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）にさらに詳細に議論されるように、光学導波管入力装置１２８のサイズが最小限にされることを可能にする。

ここで図６を参照すると、光ファイバ１１８のそれぞれは、偏波維持（ＰＭ）光ファイバの利点と非ＰＭ光ファイバの利点を組み合わせ、走査デバイス１１４と関連付けられた光ファイバ１１８の部分の機械的性質を維持しながら、個別の光ファイバ１１８を通して伝搬する光ビームの線形偏波が維持されることを確実にしてもよい。この目的を達成するために、光ファイバ１１８は、非ＰＭファイバ走査セクション１３２と、ＰＭ伝送ファイバセクション１３４とを備える。伝送ファイバセクション１３２および走査ファイバセクション１３４のそれぞれは、従来的に、透明なコアと、コアを囲繞し、全内部反射の現象を介して、光をコア内に保ち、それによって、ファイバを導波管として作用させる、より低屈折率を有する、透明なクラッディング材料とを含む。

図示される実施形態では、走査ファイバセクション１３２は、透明なコア１３６と、透明なコア１３６を囲繞する円筒形クラッディング１３８ａとを備える。クラッディング１３８ａは、光ビームが、外部応力の存在下、光ビームの線形偏波を維持せずに、走査ファイバセクション１３２を通して伝搬するように、円対称な屈折率を有する（図７ａ参照）。一実施形態では、伝送ファイバセクション１３４は、走査ファイバセクション１３２に類似するが、伝送ファイバセクション１３４が、幾何学的に非対称な断面（例えば、この場合、楕円形）を有するか、または、別様に、複屈折をファイバ内に誘発する非円対称な屈折率を有し、それによって、外部応力の存在下でも、伝搬する光ビームの線形偏波を維持する、クラッディング１３８ｂを備える（図７ｂ参照）ということを除く。別の実施形態では、伝送ファイバセクション１３４は、走査ファイバセクション１３２に類似するが、伝送ファイバセクション１３４がさらに、クラッディング１３６ａとは異なる材料から成る付加的要素１４０を備え、それによって、応力をファイバ内に恒久的に誘発する（図７ｃ参照）ということを除く。

図示される実施形態では、走査ファイバセクション１３２は、比較的に短く、走査デバイス１１４内に添着される一方、伝送ファイバセクション１３４は、比較的に長く、個別の光源１１２から走査デバイス１１４にルーティングされる。したがって、伝送ファイバセクション１３４は、個別の光源１１２に光学的に結合され、走査ファイバセクション１３２は、走査デバイス１１２の駆動アセンブリ１２０に結合される。走査ファイバセクション１３２および伝送ファイバセクション１３４は、クラッディングレーザ伝送モードを最小限にする任意の好適な様式で、ともに継ぎ合わせられる。

走査ファイバセクション１３２は、例えば走査デバイス１１４の圧電管１２２内に添着されるため、走査ファイバセクション１３２にかかる応力は妨げられ、それによって、走査ファイバセクション１３２を通して伝搬する光ビームの線形偏波を維持する。同じ理由で、伝送ファイバセクション１３４を通して伝搬する光ビームの線形偏波は、伝送ファイバセクション１３４に印加される屈曲力にもかかわらず、維持される。

したがって、ディスプレイサブシステム１０４は、１つまたはそれを上回る仮想オブジェクトの非歪曲画像をユーザに提示する、ピクセル情報の一連の合成画像フレームを生成する。例えば、図８を参照すると、合成画像フレーム２００が、水平の行またはライン２０４ａ−２０４ｎに分割されるセル２０２ａ−２０２ｍとともに、図式的に図示される。フレーム２００の各セル２０２は、セル２０２が対応する個別のピクセルのための複数の色毎の値および／または強度を規定してもよい。例えば、フレーム２００は、ピクセル毎に、赤色２０６ａのための１つまたはそれを上回る値、緑色２０６ｂのための１つまたはそれを上回る値、および青色２０６ｃのための１つまたはそれを上回る値を規定してもよい。値２０６は、色毎のバイナリ表現、例えば、色毎の個別の４ビット数として規定されてもよい。フレーム２００の各セル２０２は、加えて、振幅を規定する値２０６ｄを含んでもよい。

フレーム２００は、１つまたはそれを上回るフィールド、集合的に、２０８を含んでもよい。フレーム２００は、単一フィールドから成ってもよい。代替として、フレーム２００は、２つまたはさらにより多くのフィールド２０８ａ−２０８ｂを備えてもよい。フレーム２００の完全な第１のフィールド２０８ａに関するピクセル情報は、完全な第２のフィールド２０８ｂに関するピクセル情報の前に規定される、例えば、アレイ、順序付けられたリスト、または他のデータ構造（例えば、リンクされたリストを記録する）内の第２のフィールド２０８ｂに関するピクセル情報の前に生じてもよい。提示サブシステムが２つより多くのフィールド２０８ａ−２０８ｂを取り扱うように構成されると仮定して、第３またはさらに第４のフィールドが、第２のフィールド２０８ｂに追従してもよい。

ディスプレイサブシステムを説明するさらなる詳細は、「Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題された米国特許出願第１４／２１２，９６１号および「Ｐｒｉｍａｒｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｍｅｎｔ（ｓ） ａｎｄ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｓａｍｅ」と題された米国特許出願第１４／６９６，３４７号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に提供される。

図２に戻って参照すると、仮想画像生成システム１００はさらに、エンドユーザ５０の頭部５４の位置および移動および／またはエンドユーザ５０の眼位置および眼球間距離を検出するためにフレーム構造１０２に搭載される、１つまたはそれを上回るセンサ（図示せず）を備える。そのようなセンサは、画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープを含んでもよい。

例えば、一実施形態では、仮想画像生成システム１００は、頭部装着型変換器サブシステム１４２を備え、該頭部装着型変換器サブシステムは、１つまたはそれを上回る慣性変換器を含み、エンドユーザ５０の頭部５４の移動を示す慣性測定値を捕捉する。そのようなものは、エンドユーザ５０の頭部移動についての情報を感知、測定、または収集するために使用されてもよい。例えば、そのようなものは、エンドユーザ５０の頭部５４の測定移動、速度、加速、および／または位置を検出するために使用されてもよい。

仮想画像生成システム１００はさらに、エンドユーザ５０が位置する環境についての情報を捕捉するために使用され得る１つまたはそれを上回る前向きカメラ１４４を備える。前向きカメラ１４４は、その環境およびその環境内の具体的オブジェクトに対するエンドユーザ５０の距離および配向を示す情報を捕捉するために使用されてもよい。頭部に装着されると、前向きカメラ１４４は、特に、エンドユーザ５０が位置する環境およびその環境内の具体的オブジェクトに対するエンドユーザ５０の頭部５４の距離および配向を示す情報を捕捉するために好適である。前向きカメラ１４４は、例えば、頭部移動、頭部移動の速度、および／または加速を検出するために採用されてもよい。前向きカメラ１４４は、例えば、少なくとも部分的に、エンドユーザ５０の頭部５４の配向に基づいて、例えば、エンドユーザ５０の注意の中心を検出または推測するために採用されてもよい。配向は、任意の方向（例えば、エンドユーザ５０の基準フレームに対して上／下、左、右）において検出されてもよい。

仮想画像生成システム１００はさらに、一対の後向きカメラ１４６を備え、エンドユーザ５０の眼５２の移動、瞬き、および焦点深度を追跡する。そのような眼追跡情報は、例えば、光をエンドユーザの眼に投影し、その投影された光の少なくとも一部の戻りまたは反射を検出することによって、判別されてもよい。眼追跡デバイスについて議論するさらなる詳細は、「Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題された米国特許出願第１４／２１２，９６１号、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｒｅａｔｉｎｇ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅｓ ｉｎ Ｖｉｒｔｕａｌ ａｎｄ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ」と題された米国特許出願第１４／７２６，４２９号、および「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ」と題された米国特許出願第１４／２０５，１２６号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に提供される。

仮想画像生成システム１００はさらに、ユーザ配向検出モジュール１４８を備える。ユーザ配向モジュール１４８は、エンドユーザ５０の頭部５４の瞬間位置を検出し、センサから受信された位置データに基づいて、エンドユーザ５０の頭部５４の位置を予測してもよい。ユーザ配向モジュール１４８はまた、センサから受信された追跡データに基づいて、エンドユーザ５０の眼５２を追跡する。

仮想画像生成システム１００はさらに、多種多様な形態のいずれかをとり得る制御サブシステムを備える。制御サブシステムは、いくつかのコントローラ、例えば、１つまたはそれを上回るマイクロコントローラ、マイクロプロセッサまたは中央処理ユニット（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の他の集積回路コントローラ、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、例えば、フィールドＰＧＡ（ＦＰＧＡ）、および／またはプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＵ）を含む。

図示される実施形態では、仮想画像生成システム１００は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１５０と、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）１５２と、１つまたはそれを上回るフレームバッファ１５４とを備える。ＣＰＵ１５０は、全体的動作を制御する一方、ＧＰＵ１５２は、フレームをレンダリングし（すなわち、３次元場面を２次元画像に変換し）、これらのフレームをフレームバッファ１５４内に記憶する。図示されないが、１つまたはそれを上回る付加的集積回路が、フレームバッファ１５４の中へのフレームの読込および／またはそこからの読取と、ディスプレイサブシステム１０４の走査デバイスの動作とを制御してもよい。フレームバッファ１５４の中への読込および／またはそこからの読取は、動的アドレス指定を採用してもよく、例えば、フレームは、オーバーレンダリングされる。仮想画像生成システム１００はさらに、読取専用メモリ（ＲＯＭ）１５６と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１５８とを備える。仮想画像生成システム１００はさらに、３次元データベース１６０を備え、そこから、ＧＰＵ１５２が、フレームをレンダリングするための１つまたはそれを上回る場面の３次元データにアクセスすることができる。

仮想画像生成システム１００の種々の処理コンポーネントは、分散型サブシステム内に物理的に含有されてもよい。例えば、図９ａ−９ｄに図示されるように、仮想画像生成システム１００は、有線導線または無線コネクティビティ１７２等によって、ディスプレイサブシステム１０４の一部に動作可能に結合される、ローカル処理およびデータモジュール１７０（ディスプレイ画面１１０と、機械的駆動アセンブリ１２０とを含む）と、センサとを備える。光源１１６および駆動電子機器１２４は、ローカル処理およびデータモジュール１７０内に含有され、その場合、コネクティビティ１７２は、光ファイバ１１８を含むであろう。ローカル処理およびデータモジュール１７２は、フレーム構造１０２に固定して取り付けられる（図９ａ）、ヘルメットまたは帽子５６に固定して取り付けられる（図９ｂ）、ヘッドホン内に内蔵される、エンドユーザ５０の胴体５８に除去可能に取り付けられる（図９ｃ）、またはベルト結合式構成においてエンドユーザ５０の腰部６０に除去可能に取り付けられる（図９ｄ）等、種々の構成において搭載されてもよい。仮想画像生成システム１００はさらに、遠隔処理モジュール１７４と、遠隔データリポジトリ１７６とを備え、該遠隔処理モジュールおよび遠隔データリポジトリは、これらの遠隔モジュール１７４、１７６が、相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１７０へのリソースとして利用可能であるように、有線導線または無線コネクティビティ１７８、１８０等によって、ローカル処理およびデータモジュール１７０に動作可能に結合される。

ローカル処理およびデータモジュール１７０は、電力効率的プロセッサまたはコントローラならびにフラッシュメモリ等のデジタルメモリを備えてもよく、これらの両方は、センサから捕捉されたデータの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために、および／または、可能性として、処理または読出後のディスプレイサブシステム１０４への通過のために、遠隔処理モジュール１７４および／または遠隔データリポジトリ１７６を使用して取得および／または処理されたデータの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用されてもよい。遠隔処理モジュール１７４は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される１つまたはそれを上回る比較的に強力なプロセッサまたはコントローラを備えてもよい。遠隔データリポジトリ１７６は、インターネットまたは「クラウド」リソース構成内の他のネットワーキング構成を通して利用可能であり得る、比較的に大規模なデジタルデータ記憶設備を備えてもよい。一実施形態では、全てのデータは、記憶され、全ての算出は、ローカル処理およびデータモジュール１７０内で行われ、任意の遠隔モジュールからの完全に自律的使用を可能にする。

上記に説明される種々のコンポーネント間の結合１７２、１７８、１８０は、ワイヤ通信または光学通信に提供するための１つまたはそれを上回る有線インターフェースまたはポート、または、無線通信を提供するためのＲＦ、マイクロ波、およびＩＲ等を介した１つまたはそれを上回る無線インターフェースまたはポートを含んでもよい。いくつかの実装では、全ての通信は、有線であってもよい一方、他の実装では、光ファイバ１１８を除き、全ての通信は、無線であってもよい。なおもさらなる実装では、有線および無線通信の選択肢は、図９ａ−９ｄに図示されるものと異なってもよい。したがって、有線または無線通信の特定の選択肢は、限定と見なされるべきではない。

図示される実施形態では、ディスプレイサブシステム１０４の光源１１６および駆動電子機器１２４は、ローカル処理およびデータモジュール１７０内に含有され、その場合、コネクティビティ１７２は、ディスプレイ画面１１０と密接に関連付けられて位置付けられる機械的駆動アセンブリ１２０にこれらのコンポーネントを接続するための光ファイバ１１８を含むであろう。ユーザ配向モジュール１４８は、ローカル処理およびデータモジュール１７０内に含有される一方、ＣＰＵ１５０およびＧＰＵ１５２は、遠隔処理モジュール１７４内に含有されるが、代替実施形態では、ＣＰＵ１５０、ＧＰＵ１５２、またはその一部は、ローカル処理およびデータモジュール１７０内に含有されてもよい。３次元データベース１６０は、遠隔データリポジトリ１７６と関連付けられることができる。

本発明の特定の実施形態が、図示および説明されたが、本発明を好ましい実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変化および修正が行われてもよいことが当業者に明白となるであろうことを理解されたい。したがって、本発明は、請求項によって定義された本発明の精神および範囲内に含まれ得る、代替、修正、および均等物を網羅することが意図される。

Claims (15)

1. エンドユーザによって使用される仮想画像生成システムのためのディスプレイサブシステムであって、
   偏波維持（ＰＭ）伝送ファイバセクションと非ＰＭ走査ファイバセクションとを有する光ファイバと、
   線形偏波された光ビームが前記非ＰＭ走査ファイバセクションから放出されるように、前記線形偏波された光ビームを前記ＰＭ伝送ファイバセクションの中に投入するように構成されている光源と、
   前記非ＰＭ走査ファイバセクションに結合されている機械的走査駆動アセンブリであって、前記機械的走査駆動アセンブリは、前記放出された光ビームを走査するために、前記非ＰＭ走査ファイバセクションを変位させるように構成されている、機械的走査駆動アセンブリと、
   前記走査された光ビームを受け取り、前記エンドユーザのための画像を生成するように構成されているディスプレイと
   を備える、ディスプレイサブシステム。
2. 前記ディスプレイは、平面導波管装置を含む、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
3. 前記ＰＭ伝送ファイバセクションは、非円対称断面を有するクラッディングを含む、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
4. 前記ＰＭ伝送ファイバセクションは、円対称のクラッディングと、前記クラッディング内に歪みを誘発するように構成されている少なくとも１つの付加的要素とを含む、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
5. 前記機械的走査駆動アセンブリおよび前記ディスプレイは、頭部装着型ユニットの中に統合されており、前記光源は、前記頭部装着型ユニットから遠隔で前記エンドユーザによって装着されるように構成されている遠隔制御ユニット内に含まれている、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
6. 前記遠隔制御ユニットは、前記エンドユーザの胴体上に装着されるように構成されている、請求項５に記載のディスプレイサブシステム。
7. 前記遠隔制御ユニットは、前記エンドユーザの腰部上に装着されるように構成されている、請求項５に記載のディスプレイサブシステム。
8. 前記非ＰＭ走査ファイバセクションは、前記遠隔制御ユニットと前記頭部装着型ユニットとの間にルーティングされている、請求項５に記載のディスプレイサブシステム。
9. 前記非ＰＭ走査ファイバセクションは、前記線形偏波された光ビームを受け取る端部を有し、前記非ＰＭ走査ファイバセクションの前記端部は、前記機械的走査駆動アセンブリ内に配置されている、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
10. 前記機械的走査駆動アセンブリは、前記非ＰＭ走査ファイバセクションが搭載されている圧電要素を含む、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
11. 前記ディスプレイは、前記エンドユーザの眼の正面に位置付けられるように構成されている、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
12. 前記ディスプレイは、前記エンドユーザの眼と周囲環境との間の視野内に位置付けられるように構成されている部分的に透明なディスプレイ表面を有する、請求項１１に記載のディスプレイサブシステム。
13. 前記ディスプレイサブシステムは、前記エンドユーザによって装着されるように構成されているフレーム構造をさらに備え、前記フレーム構造は、前記ディスプレイおよび前記機械的走査駆動アセンブリを担持する、請求項１に記載のディスプレイサブシステム。
14. エンドユーザによって使用される仮想画像生成システムであって、
    ３次元場面を記憶するメモリと、
    前記３次元場面の複数の合成画像フレームをレンダリングするように構成されている制御サブシステムと、
    請求項１に記載のディスプレイサブシステムであって、前記ディスプレイサブシステムは、前記複数の合成画像フレームを前記エンドユーザに連続して表示するように構成されている、ディスプレイサブシステムと
    を備える、仮想画像生成システム。
15. 前記制御サブシステムは、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を含む、請求項１４に記載の仮想画像生成システム。
    

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