JP6957635B2 - 動的視野の可変焦点ディスプレイシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年３月２２日に出願され”Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｏｃｕｓ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ”と題された米国仮特許出願第６２／４７５，０８１号に対する優先権を主張するものである。

拡張現実デバイスは、実世界上に仮想コンテンツをオーバーレイするように設計される。仮想コンテンツを実世界コンテンツに自然に組み込むことに関する１つの課題は、仮想コンテンツが実世界オブジェクトと相互作用することを可能にする見掛け深度において仮想コンテンツを組み込むことである。そうでなければ、仮想コンテンツは、３次元実世界環境に真に統合されていない２次元表示として見える。残念ながら、種々の深度で仮想コンテンツを表示することが可能な拡張現実システムは、快適な使用のためには大きすぎる、または嵩張りすぎる傾向がある、またはユーザから離散距離でのみ仮想コンテンツを表示することが可能である。仮想コンテンツをユーザに表示することに関する別の課題は、あるタイプのディスプレイが真に没入型の仮想コンテンツを提供することが不可能な限定された視野を有し得ることである。これらの理由から、没入型視野を横断して任意の所望の距離で仮想コンテンツを正確に位置付けることが可能な小型形状因子のデバイスが、望ましいであろう。

本開示は、調整可能レンズおよび／またはプリズム等の調整可能光学系を使用して、ユーザおよびユーザの視野内の他の実世界オブジェクトに対する所望の位置において仮想コンテンツを正確に表示することが可能な拡張現実デバイスに関する、種々の実施形態を説明する。本開示はまた、拡張現実デバイスの有効視野を拡大するための調整可能レンズの使用を議論する。

これを遂行するために、拡張現実（ＡＲ）デバイスの各ディスプレイは、実世界オブジェクトのユーザのビューを歪曲させることなく、ユーザに提示されている仮想コンテンツの見掛け位置を調節するために、それらの光学構成を変化させるように構成される、調整可能レンズを含むことができる。第１の調整可能レンズは、ユーザと仮想コンテンツを表す光を送達する導波管との間に位置付けられることができる。本第１の調整可能レンズは、次いで、ＡＲデバイスのユーザと仮想コンテンツとの間の見掛け距離を変化させるために再成形されることができる。第２の調整可能レンズは、ユーザと実世界オブジェクトからユーザの眼に入射する光との間に位置付けられる。第２の調整可能レンズはまた、ＡＲデバイスの動作の間に再成形され、再成形は、第２の調整可能レンズが実世界オブジェクトのユーザのビューを劣化させるであろう第１の調整可能レンズによって成されるいかなる変化も相殺し得るように、第１の調整可能レンズの再成形と同期される。

１つ以上の調整可能プリズムの形態をとる光学操向コンポーネントもまた、拡張現実デバイスの有効視野の拡大のために使用されることができる。２次元光学操向デバイスとして機能する調整可能プリズムは、拡張現実デバイスの有効視野を拡大するために、調整可能プリズムを通過する光を一連の異なる方向に連続的に偏移させるように構成されることができる。いくつかの実施形態では、光学操向デバイスは、液晶プリズムに印加される電気信号に従って、その位相プロファイルを動的に変化させることが可能な液晶プリズムの形態をとることができる。

拡張現実デバイスが、開示され、該拡張現実デバイスは、第１の調整可能レンズと、第２の調整可能レンズと、第１の調整可能レンズと第２の調整可能レンズとの間に位置付けられる、導波管であって、仮想コンテンツを表す光を第１の調整可能レンズを通して拡張現実デバイスのユーザに向かって指向するように構成される、導波管と、仮想コンテンツと拡張現実デバイスのユーザとの間の見掛け距離を改変するために、形状を変化させるように第１の調整可能レンズに指図し、実世界オブジェクトと拡張現実デバイスのユーザとの間の見掛け距離を維持するために、形状を変化させるように第２の調整可能レンズに指図するように構成される、プロセッサとを含む。

拡張現実デバイスが、開示され、該拡張現実デバイスは、第１の調整可能レンズと、第２の調整可能レンズと、第１の調整可能レンズと第２の調整可能レンズとの間に位置付けられる、導波管であって、仮想コンテンツを表す光を第１の調整可能レンズを通して拡張現実デバイスのユーザに向かって指向するように構成される、回折光学系を含む、導波管とを含む。第１および第２の調整可能レンズは、拡張現実デバイスのユーザと仮想コンテンツとの間の見掛け距離を調節するために、協働的に形状を変化させるように構成される。

ウェアラブルディスプレイデバイスが、開示され、該ウェアラブルディスプレイデバイスは、第１の調整可能プリズムと、第２の調整可能プリズムと、仮想コンテンツを表す光を放出するように構成される、光源と、第１の調整可能プリズムと第２の調整可能プリズムとの間に位置付けられる、導波管であって、光源から放出された光を第１の調整可能プリズムを通してウェアラブルディスプレイデバイスのユーザに向かって回折するように構成される、回折光学系を含む、導波管とを含む。第１の調整可能プリズムは、光源から受け取られ、導波管から出射する光の少なくとも一部を第１の調整可能プリズムの周辺領域を通してユーザの眼に向かって偏移させるように構成される。

プロジェクタと、１つ以上の光学操向コンポーネントを備える、接眼レンズとを含む、ウェアラブルディスプレイデバイス。ウェアラブルディスプレイデバイスはまた、プロジェクタから光を受け取り、１つ以上の光学操向コンポーネントを通してユーザに向かって指向するように構成される、導波管と、ユーザの片方または両方の眼の移動を検出するように構成される、眼注視トラッカと、１つ以上の光学操向コンポーネントおよび眼注視トラッカに通信可能に結合される、制御回路であって、ユーザの片方または両方の眼の検出された移動に従って、１つ以上の光学操向コンポーネントの光学操向パターンを調節するように構成される、制御回路とを含む。

本発明の他の側面および利点が、実施例として、説明される実施形態の原理を図示する、付随の図面と併せて検討される、以下の詳細な説明から明白となるであろう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
拡張現実デバイスであって、
第１の調整可能レンズと、
第２の調整可能レンズと、
前記第１の調整可能レンズと前記第２の調整可能レンズとの間に位置付けられる導波管であって、前記導波管は、仮想コンテンツを表す光を前記第１の調整可能レンズを通して前記拡張現実デバイスのユーザに向かって指向するように構成される、導波管と、
プロセッサであって、前記プロセッサは、
前記仮想コンテンツと前記拡張現実デバイスのユーザとの間の見掛け距離を改変するために、形状を変化させるように前記第１の調整可能レンズに指図することと、
実世界オブジェクトと前記拡張現実デバイスのユーザとの間の見掛け距離を維持するために、形状を変化させるように前記第２の調整可能レンズに指図することと
を行うように構成される、プロセッサと
を備える、拡張現実デバイス。
（項目２）
前記第１および第２の調整可能レンズは、液晶レンズである、項目１に記載の拡張現実デバイス。
（項目３）
前記第１の調整可能レンズは、前記仮想コンテンツの第１の部分が前記ユーザからの第１の見掛け距離において表示され得、前記仮想コンテンツの第２の部分が前記ユーザからの第２の見掛け距離において表示され得るように、複数の領域を異なるように調節するように構成される、項目２に記載の拡張現実デバイス。
（項目４）
前記導波管は、プロジェクタから受け取られた光をユーザの眼に向かって再配向する回折光学系を備える、項目１に記載の拡張現実デバイス。
（項目５）
前記第１および第２の調整可能レンズは、回折レンズ、流体レンズ、機械的レンズ、およびエレクトロウェッティングレンズから成る群から選択される、項目１に記載の拡張現実デバイス。
（項目６）
拡張現実デバイスであって、
第１の調整可能レンズと、
第２の調整可能レンズと、
前記第１の調整可能レンズと前記第２の調整可能レンズとの間に位置付けられる導波管であって、前記導波管は、仮想コンテンツを表す光を前記第１の調整可能レンズを通して前記拡張現実デバイスのユーザに向かって指向するように構成される回折光学系を含む、導波管と
を備え、
前記第１の調整可能レンズは、前記拡張現実デバイスのユーザと前記仮想コンテンツとの間の見掛け距離を調節するために、形状を変化させるように構成される、
拡張現実デバイス。
（項目７）
前記第１および第２の調整可能レンズが協働的に形状を変化させる際、実世界オブジェクトからの光が、前記第１および第２の調整可能レンズの両方を通過する、項目６に記載の拡張現実デバイス。
（項目８）
前記第２の調整可能レンズは、前記第１の調整可能レンズが前記導波管を通して可視である実世界オブジェクトの外観を歪曲させることを防止するように構成される、項目６に記載の拡張現実デバイス。
（項目９）
前記第１および第２の調整可能レンズは、前記拡張現実デバイスのユーザの視覚を補正するように構成される、項目６に記載の拡張現実デバイス。
（項目１０）
前記第２の調整可能レンズはまた、前記ユーザの注意を前記仮想コンテンツに集中させようとするとき、実世界オブジェクトのビューを不明瞭にするように構成される、項目６に記載の拡張現実デバイス。
（項目１１）
前記第１の調整可能レンズは、第１の距離における定常仮想コンテンツに関する第１の領域および前記第１の距離とは異なる第２の距離における移動仮想コンテンツに関する第２の領域を画定する、項目６に記載の拡張現実デバイス。
（項目１２）
ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
第１の光学操向コンポーネントと、
第２の光学操向コンポーネントと、
仮想コンテンツを表す光を放出するように構成される光源と、
前記第１の光学操向コンポーネントと前記第２の光学操向コンポーネントとの間に位置付けられる導波管であって、前記導波管は、前記光源から放出された前記光を前記第１の光学操向コンポーネントを通して前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザに向かって回折するように構成される回折光学系を含む、導波管と
を備え、
前記第１の光学操向コンポーネントは、前記光源から受け取られ、前記導波管から出射する前記光の少なくとも一部を、前記第１の光学操向コンポーネントの周辺領域を通してユーザの眼に向かって偏移させるように構成される、ウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１３）
前記光源は、前記光が前記第１の光学操向コンポーネントの異なる領域を通して放出されることをもたらす走査パターンに従って、前記光を放出するように構成される、項目１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１４）
眼追跡センサをさらに備え、前記走査パターンの場所は、前記眼追跡センサが前記ユーザの眼が焦点を合わせていることを示す前記ウェアラブルディスプレイデバイスの一部を中心とする、項目１３に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１５）
前記第１の光学操向コンポーネントは、前記導波管の中心部分に位置する前記導波管の第２の部分よりも実質的に前記導波管の周辺部分に位置する前記導波管の第１の部分から出射する光の方向を多く変化させるように構成される調整可能プリズムのアレイを備える、項目１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１６）
前記第２の光学操向コンポーネントは、前記第１の光学操向コンポーネントが前記導波管を通して可視である実世界オブジェクトの外観を歪曲させることを防止するように構成される、項目１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１７）
第１のレンズと、
第２のレンズであって、前記第１および第２のレンズは、前記導波管の両側上に配列される、第２のレンズと
をさらに備える、項目１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１８）
前記第１のレンズは、前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザと前記ウェアラブルディスプレイデバイスによって表示される前記仮想コンテンツとの間の見掛け距離を調節するために、その位相プロファイルを変化させるように構成される、項目１７に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１９）
前記ウェアラブルディスプレイデバイスは、拡張現実デバイスであり、周辺環境からの光が、前記第１の光学操向コンポーネントおよび前記第２の光学操向コンポーネントの両方を通過する、項目１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２０）
前記第２の光学操向コンポーネントは、前記第１および第２の光学操向コンポーネントを通過する外側世界からの光が前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザに歪みなく見えるように、前記第１の光学操向コンポーネントの第２の光学構成に相補的である第１の光学構成を維持する、項目１９に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２１）
ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
プロジェクタと、
接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
１つ以上の光学操向コンポーネントと、
光を前記プロジェクタから受け取り、前記１つ以上の光学操向コンポーネントを通してユーザに向かって指向するように構成される、導波管と
を備える、接眼レンズと、
前記ユーザの片方または両方の眼の移動を検出するように構成される眼注視トラッカと、
前記１つ以上の光学操向コンポーネントおよび前記眼注視トラッカに通信可能に結合される制御回路であって、前記制御回路は、前記ユーザの片方または両方の眼の検出された移動に従って、前記１つ以上の光学操向コンポーネントの光学操向パターンを調節するように構成される、制御回路と
を備える、ウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２２）
前記１つ以上の光学操向コンポーネントは、調整可能プリズムのアレイを備える、項目２１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２３）
第１のレンズと、
第２のレンズであって、前記第１および第２のレンズは、前記導波管の両側上に配列される、第２のレンズと
をさらに備える、項目２１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２４）
前記第１のレンズは、前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザと前記ウェアラブルディスプレイデバイスによって表示される前記仮想コンテンツとの間の見掛け距離を調節するために、その位相プロファイルを変化させるように構成される、項目２３に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。

本開示は、同様の参照番号が同様の構造要素を指定する、付随の図面と併せて、以下の詳細な説明によって容易に理解されるであろう。

図１は、拡張現実（ＡＲ）デバイスを装着する例示的ユーザを示す。

図２Ａは、ディスプレイシステムのユーザに対する任意の見掛け距離において投影された仮想コンテンツを表示することが可能なディスプレイシステムを示す。

図２Ｂは、説明される実施形態による、実世界コンテンツの外観に影響を及ぼすことなく仮想コンテンツまでの見掛け距離を調節することが可能なディスプレイシステムを示す。

図３は、説明される実施形態による、導波管の回折光学系が、プロジェクタによって、調整可能レンズの間に、次いで、ユーザに向かって放出される３つの異なる色の光を誘導するように配列される、１つの具体的構成の上面図を示す。

図４Ａ−４Ｂは、説明される実施形態による、第１の仮想コンテンツおよび第２の仮想コンテンツを表示する、ＡＲデバイスの透明ディスプレイを示す。

図５Ａ−５Ｂは、説明される実施形態による、調整可能レンズの側面図および調整可能レンズが異なる仮想コンテンツ位置に適応するように調節され得る様子を示す。 図５Ａ−５Ｂは、説明される実施形態による、調整可能レンズの側面図および調整可能レンズが異なる仮想コンテンツ位置に適応するように調節され得る様子を示す。

図５Ｃ−５Ｄは、説明される実施形態による、調整可能レンズが複数の独立して移動する仮想オブジェクトの運動に適応するように調節され得る様子を示す。 図５Ｃ−５Ｄは、説明される実施形態による、調整可能レンズが複数の独立して移動する仮想オブジェクトの運動に適応するように調節され得る様子を示す。

図６は、小型形状因子のＡＲデバイスを使用して複数の深度において仮想コンテンツを表示するための方法を描写する、フローチャートを示す。

図７Ａ−７Ｂは、光をディスプレイデバイスからユーザの眼に指向するように構成される、種々の実施形態を示す。

図８Ａ−８Ｃは、ディスプレイデバイスの視野を拡大するためにディスプレイデバイスによって放出され得る例示的走査パターンを示す。 図８Ａ−８Ｃは、ディスプレイデバイスの視野を拡大するためにディスプレイデバイスによって放出され得る例示的走査パターンを示す。 図８Ａ−８Ｃは、ディスプレイデバイスの視野を拡大するためにディスプレイデバイスによって放出され得る例示的走査パターンを示す。

図９Ａ−９Ｃは、図８Ａに描写される第１の走査パターンが表示領域の周囲で偏移され得る様子を示す。

図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイスに関する種々の構成を示す。 図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイスに関する種々の構成を示す。 図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイスに関する種々の構成を示す。 図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイスに関する種々の構成を示す。 図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイスに関する種々の構成を示す。

図１１Ａ−１１Ｂは、光学操向デバイスが着信する光を垂直および水平の両方で偏移させるために相互にスタックされたレンズを含み得ることを示す。 図１１Ａ−１１Ｂは、光学操向デバイスが着信する光を垂直および水平の両方で偏移させるために相互にスタックされたレンズを含み得ることを示す。

図１１Ｃ−１１Ｄは、それぞれ、フレネルレンズ構成を有する液晶レンズ１１４０の断面側面図および上面図を示す。 図１１Ｃ−１１Ｄは、それぞれ、フレネルレンズ構成を有する液晶レンズ１１４０の断面側面図および上面図を示す。

図１２Ａ−１２Ｂは、光学操向デバイスが拡張現実ディスプレイデバイスに組み込まれ得る様子を示す。 図１２Ａ−１２Ｂは、光学操向デバイスが拡張現実ディスプレイデバイスに組み込まれ得る様子を示す。

図１２Ｃ−１２Ｆは、複数の画像ストリームを受信するように構成されるディスプレイデバイスを示す。 図１２Ｃ−１２Ｆは、複数の画像ストリームを受信するように構成されるディスプレイデバイスを示す。 図１２Ｃ−１２Ｆは、複数の画像ストリームを受信するように構成されるディスプレイデバイスを示す。 図１２Ｃ−１２Ｆは、複数の画像ストリームを受信するように構成されるディスプレイデバイスを示す。

本願による、方法および装置の代表的用途が、本節に説明される。これらの実施例は、文脈を追加し、説明される実施形態の理解を支援するためだけに提供されている。したがって、説明される実施形態は、これらの具体的詳細のうちのいくつかまたは全てを伴わずに実践され得ることが当業者に明白となるであろう。他の事例では、周知のプロセスステップは、説明される実施形態を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細に説明されていない。他の用途も、可能性として考えられ、したがって、以下の実施例は、限定として捉えられるべきではない。

拡張現実（ＡＲ）デバイスは、実世界上に仮想コンテンツをオーバーレイするように構成される。仮想コンテンツは、近傍の実世界オブジェクトまたは人物に関連する情報を含むことができる。いくつかの事例では、仮想コンテンツは、一般的面積にのみ適用され、任意の視認可能な実世界オブジェクトと関連付けられる必要はない場合がある。しかしながら、多くの場合では、仮想コンテンツを実世界オブジェクトに組み込むことが、望ましい。例えば、仮想コンテンツは、ユーザおよび／または実世界のオブジェクトと相互作用するキャラクタを含むことができる。より写実的な様式で仮想コンテンツの本組み込みを実行するために、仮想コンテンツは、仮想コンテンツが相互作用している実世界オブジェクトに対応するユーザから離れた距離にこれが位置付けられるように見えるようにする様式で表示されることができる。仮想および実世界コンテンツの本共同設置は、ユーザ没入を改良する際に有用であり得る。残念ながら、多くのＡＲデバイスは、ユーザから単一の固定距離においてのみコンテンツを表示するように構成され、これは、仮想コンテンツが実世界環境に組み込まれる写実性の程度に影響を及ぼし得る。本限定は、深度の見掛け変化がより大きく、またはより小さく見えるオブジェクトに限定され得るため、仮想コンテンツが直接ユーザに向かって、またはそれから離れるように進行しているときにより顕著であり得る。深度情報を正確に描写する能力はまた、仮想コンテンツが実世界オブジェクトのユーザのビューを隠蔽する、仮想現実（ＶＲ）環境の表示において有益であり得る。

ＡＲデバイスのユーザから可変距離において仮想コンテンツを確立することに対する１つのソリューションは、調整可能レンズをＡＲデバイスの透明ディスプレイシステムに組み込むことである。調整可能レンズは、ユーザに対する仮想コンテンツの見掛け位置を改変するために協働するように構成されることができる。調整可能レンズまたは可変焦点要素は、例えば、液晶レンズ、調整可能回折レンズ、または変形可能ミラーレンズを含む、多くの形態をとることができる。一般に、ＡＲデバイスの仮想コンテンツの見掛け深度を変化させる方法で着信する光を調節するために、形状または構成を変化させるように構成され得る任意のレンズが、適用され得る。レンズまたは可変焦点要素の調整可能性質は、有益なこととして、仮想コンテンツが、ＡＲデバイスのユーザからほぼ任意の距離に位置付けられるように見えることを可能にする。

調整可能レンズは、透明または半透明ディスプレイシステムの前向きおよび後向き面上に位置付けられることができる。ディスプレイの後向きまたはユーザ向き側上の第１の調整可能レンズは、着信する光に、ＡＲデバイスから所望の距離にあるように見える仮想コンテンツを表示させるために、ＡＲデバイスによって生成された着信する光を改変するように構成されることができる。ディスプレイの前向きまたは世界向き側上の第２の調整可能レンズは、第１の調整可能レンズによって行われた調節の少なくとも一部を相殺する相補的構成をとることによって、第１の調整可能レンズと協働するように構成されることができる。このように、実世界オブジェクトから反射し、ユーザの眼に到着する前に第１および第２の調整可能レンズの両方を通過する光は、第１の調整可能レンズによって実質的に歪曲されない。

いくつかの実施形態では、第２の調整可能レンズは、第１の調整可能レンズによって成されるある程度の変化が、実世界オブジェクトから到着する光に適用されることを可能にすることができる。例えば、調整可能レンズは、視覚補正から利益を享受するユーザのために、近視、遠視、および／または乱視補正を適用するように構成されることができる。これらのタイプの補正は、仮想コンテンツおよび実世界オブジェクトの両方と関連付けられる光に等しく適用され得る。補正は、第１および第２の調整可能レンズの間のオフセットの形態をとり得る。そのような構成では、第２の調整可能レンズは、第１の調整可能レンズ変化の一部もまた、実世界オブジェクトのビューに適用されるであろうため、第１の調整可能レンズに完全に相補的ではないであろう。

いくつかの実施形態では、第２の調整可能レンズは、第１の調整可能レンズによって行われる調節によって生成される効果を単に相殺する代わりに、実世界のビューを歪曲させるために周期的に使用されることができる。このように、調整可能レンズの組み合わせは、拡張仮想、仲介現実、および現実および仮想コンテンツを操作する他のタイプの体験を提供することができる。

いくつかのタイプのディスプレイデバイスでは、ある光学コンポーネントの屈折率は、ユーザに没入型拡張現実体験を提供するために十分に大きい視野を生成するディスプレイデバイスの能力を限定し得る。本問題に対する１つのソリューションは、ディスプレイデバイスに調整可能レンズを具備させることである。調整可能レンズは、デバイスの周辺に沿って放出された光をユーザの眼に向かって偏移させるようにレンズを成形することによって、光学操向デバイスとして使用されることができる。このように、有効視野角が、調整可能レンズによって実質的に増加されることができる。いくつかの実施形態では、光がディスプレイデバイスから出射する位置が、合成画像を生産するために繰り返し走査パターンにおいて連続的に偏移されることができる。光学操向デバイスは、走査パターンにおける位置毎に光学操向デバイスを最適化するように連続的に再成形されることができる。例えば、走査パターンにおける第１の位置は、ディスプレイデバイスの遠い右側上に位置付けられ得る一方、走査パターンにおける別の位置は、ディスプレイデバイスの底部の近傍にあり得る。光学操向デバイスを、第１の位置において左に光を偏移させることから、第２の位置において上向きに光を偏移させることへと変化させることによって、ユーザは、より広い視野を享受することができる。走査パターンの現在の位置に従って光学操向デバイスを更新し続けることによって、そうでなければユーザの視野の外側に入るであろう光の一部が、視認可能になる。

これらおよび他の実施形態は、図１−１２Ｆを参照して下記に議論されるが、しかしながら、当業者は、これらの図に関して本明細書に与えられる詳細な説明が、解説目的のためだけのものであり、限定として解釈されるべきではないことを容易に理解するであろう。

図１は、拡張現実（ＡＲ）デバイス１００を装着する例示的ユーザを示す。ＡＲデバイス１００は、部屋１０２を横断する種々の場所に位置するように見える仮想コンテンツを表示するように構成されることができる。例えば、仮想コンテンツ１０４は、壁掛けオブジェクト１０６を横断してオーバーレイされることができる。壁掛けオブジェクト１０６は、部屋１０２の壁に掛けられる絵画またはテレビの形態をとることができる。このように、壁掛けオブジェクト１０６の外観は、仮想コンテンツ１０４によって改変されることができる。同様に、ＡＲデバイス１００は、オブジェクトまたは人物が長椅子上に静置している印象を生成する方法で長椅子１１０上に仮想コンテンツ１０８を投影するように構成され得る。しかしながら、部屋１０２内の他のオブジェクトに関連して仮想コンテンツを写実的に描写するために、ユーザから匹敵する距離に仮想コンテンツを確立することもまた、重要である。深度検出センサが、ユーザからの種々のオブジェクトの距離を特性評価するために使用されることができる。深度センサによって読み出された情報は、次いで、仮想コンテンツに隣接するオブジェクトと関連付けられる仮想コンテンツに関する距離を確立するために使用されることができる。これは、仮想オブジェクトがＡＲデバイス１００からの距離を変化させるとき、より複雑になる。例えば、仮想コンテンツ１１２は、テーブル１１４の周囲に人物を通らせる運動経路を通る歩行する人物の形態をとることができる。ＡＲデバイス１００の深度センサによって読み出されたデータは、仮想コンテンツ１１２が位置１１２−１から位置１１２−２に移動する際にテーブル１１４を回避する運動経路を定義するために使用されることができる。その運動経路全体を横断して仮想コンテンツ１１２の位置を正確に描写するために、ＡＲデバイス１００と仮想コンテンツ１１２との間の知覚される距離は、コンスタントに低減されるべきである。

図２Ａは、任意の距離において投影されたコンテンツを表示することが可能なディスプレイシステム２００を示す。プロジェクタ２０２が、調整可能レンズ２０４上に仮想コンテンツを表示することができる。調整可能レンズ２０４は、次いで、投影されたコンテンツが表示される深度を調節するために、その光学構成を変化させることができる。調整可能レンズ２０４は、例えば、液晶レンズを含む、いくつかの技術のうちのいずれかを活用し得る。調整可能レンズ２０４が液晶レンズであるとき、レンズは、液晶レンズに印加される電圧の量に従って、その位相プロファイルを変化させるように構成されることができる。本構成は、仮想コンテンツの深度を調節するために良好に機能するが、実世界オブジェクト２０６および２０８から到着する光は、不必要に歪曲されるであろう。例えば、実世界オブジェクト２０６および２０８の見掛け位置は、両矢印によって示されるように、ユーザからより近接して、またはより遠くに偏移され得る。この理由から、ＡＲデバイスとのディスプレイシステム２００の併用は、拡張現実の１つの目的が、ユーザが実世界の大部分の視界を維持することが可能であることであるため、実世界オブジェクトからの光の所望されない歪みのために問題となり得る。

図２Ｂは、実世界コンテンツの外観に影響を及ぼすことなく仮想コンテンツまでの見掛け距離を調節することが可能なディスプレイシステム２５０を示す。これは、プロジェクタ２５２からの光を調整可能レンズ２５４および２５６の間に、次いで、調整可能レンズ２５４を通してユーザの眼に向かって再指向する導波管２５８を用いて、調整可能レンズ２５４および２５６の間に仮想データを投影することによって遂行される。このように、プロジェクタ２５２によって放出された光は、調整可能レンズ２５４によって調節されることができる。調整可能レンズ２５６は、調整可能レンズ２５４と反対の様式で調節するように構成されることができる。これの効果は、実世界オブジェクト２０６または２０８から発するいずれの光も、実質的に影響を受けずに深度ディスプレイシステム２５０を通過し得ることである。このように、プロジェクタ２５２からの仮想コンテンツは、焦点偏移を受ける唯一のコンテンツであり、プロジェクタによって放出される仮想コンテンツに限定される見掛け位置の偏移をもたらすことができる。

調整可能レンズ２５６は、調整可能レンズ２５４によって成されるいかなる変化も実世界オブジェクトの知覚に適用されることを防止するように構成されることができるが、いくつかの実施形態では、調整可能レンズ２５６は、例えば、ユーザの視覚を補正するために、調整可能レンズ２５４と協働するように構成されることができる。視覚補正は、調整可能レンズ２５４の効果を完全には相殺しない調整可能レンズ２５６のため、実世界オブジェクト２０６および２０８に等しく適用され得る、マルチジオプタ変化が調整可能レンズ２５６によって適用されることをもたらし得る。例えば、調整可能レンズ２５４は、＋２ジオプタ調節を適用するように再構成され得る。調整可能レンズ２５６は、次いで、仮想コンテンツ２１０および実世界オブジェクトの両方が＋２ジオプタ変化を受けるように、いかなるジオプタ調節も適用せず、それによって、通常、＋２ジオプタ視覚補正を必要とするユーザが、いかなる付加的視覚補正も必要とすることなくディスプレイシステム２５０を装着することを可能にし得る。そのような視覚補正スキームを実施すると、仮想コンテンツ２１０の移動は、視覚補正のために＋２ジオプタオフセットを維持するために、＋３への調整可能レンズ２５４のジオプタ調節および−１への調整可能レンズ２５６のジオプタ調節の変化を伴い得る。同様に、調整可能レンズ２５４は、調整可能レンズ２５６によって相殺されない乱視調節を適用するように構成され得る。

図２Ｂに示される構成は、調整可能レンズが異なる効果を適用することを可能にする他の方法で動作されることができる。いくつかの実施形態では、調整可能レンズは、実世界オブジェクトを意図的にぼかし、ユーザが仮想コンテンツ２１０−１に焦点を合わせることを可能にするように構成されることができる。例えば、ソフトウェア開発者が、制御されたゲーミングまたはエンターテイメント環境において、ユーザの注意をメッセージに集中させる、またはさらにはより没入型の仮想環境に入らせることが、望ましくあり得る。実世界オブジェクトをぼかすことによって、本システムは、本システムが、ディスプレイ全体を横断して視野を遮断するように光を生成する必要性なく、任意の注意を逸らす実世界の刺激を隠すことを可能にするであろう。このように、調整可能光学系は、拡張現実体験を形作るために使用されることができる。

図３は、導波管の回折光学系が、プロジェクタによって、調整可能レンズの間に、次いで、ユーザに向かって放出される３つの異なる色の光を誘導するように配列される、１つの具体的構成の上面図を示す。いくつかの実施形態では、導波管３０２は、例えば、赤色、緑色、および青色等の異なる色の光のための３つの離散光路３０４−１、３０４−２、および３０４−３を含むことができる。光路３０４はそれぞれ、光をプロジェクタ３０６から調整可能レンズ３０８および３１０の間に、次いで、調整可能レンズ３１０を通して外に、ユーザの眼に向かって指向するために、回折光学系を利用することができる。導波管３０２は、調整可能レンズ３１０が導波管３０２から発する光にいかなる変化も適用していないとき、結果として生じる仮想コンテンツが無限遠において位置付けられるように見える方法で配列されることができる。そのような構成では、調整可能レンズ３１０は、ユーザおよび他の実世界オブジェクトに対する仮想コンテンツの所望の位置に基づいて量を変動することによって、ユーザと回折光学系を通して投影されている仮想コンテンツとの間の見掛け距離を減少させるように構成され得る。描写されるように、実世界オブジェクトからの光は、調整可能レンズ３０８および３１０によって実質的に影響を受けないままである一方、導波管３０２を通過する光は、調整可能レンズ３１０によって影響を受ける。

図４Ａ−４Ｂは、第１の仮想コンテンツ４０４および第２の仮想コンテンツ４０６を表示する、ＡＲデバイス４００の透明ディスプレイ４０２を示す。図４Ａは、仮想コンテンツ４０４および４０６が特定の時間周期にわたって透明ディスプレイ４０２を横断して移動する様子を示す、矢印を描写する。本移動の間、仮想コンテンツ４０４は、ＡＲデバイス４００からさらに離れるように進行し、仮想コンテンツ４０６は、ＡＲデバイス４００により近接して進行する。透明ディスプレイ４０２は、仮想コンテンツの見掛け深度を調節するための調整可能レンズを含むため、透明ディスプレイ４０２の上側領域４０８は、ＡＲデバイス４００からさらに離れるように移動する仮想コンテンツ４０４を表示するように光学的に構成されることができ、下側領域４１０は、ＡＲデバイス４００により近接して移動する仮想コンテンツ４０６を表示するように構成されることができる。遷移領域４１２は、調整可能レンズの形状が、異なる光学構成に適応し、上側および下側領域４０８および４１０の間の視覚的シームの出現を防止するように徐々に調節される領域の形態をとることができる。遷移領域４１２は、領域４０８および４１０の間の差異の量に応じて、より大きい、またはより小さくあり得る。実世界オブジェクト４１４が遷移領域４１２内に位置付けられるが、透明ディスプレイ４０２が、実世界オブジェクトの歪みを防止するように協働する２つの調整可能レンズを含むとき、遷移領域４１２であっても、実世界オブジェクト４１４の外観に殆どまたは全く影響を及ぼさないであろうことを理解されたい。この理由から、上側領域４０８および下側領域４１０のためのディスプレイ４０２の好適な面積を決定するように試行するＡＲデバイス４００のプロセッサは、仮想コンテンツを独立して移動させるための光学構成を変動する方法を決定するとき、仮想コンテンツに関する運動の経路のみを考慮する必要があるであろう。

図４Ｂは、仮想コンテンツ４５４が運動し、仮想コンテンツ４５６が定常のままである例示的実施形態を示す。そのような構成では、運動領域４５８は、透明ディスプレイ４０２の視認可能面積の大部分を占めることができる一方、定常領域４６０は、主として、仮想コンテンツ４５６に限定されるはるかに小さい面積を占めることができる。さらに、運動領域４５８は、ＡＲデバイス４００と仮想コンテンツ４５４との間の見掛け距離を改変することができる一方、定常領域４６０は、仮想コンテンツ４５６までの見掛け距離を維持することができる。本狭い定常領域４６０は、ユーザの頭部移動がありそうにないと見なされる場合、または透明ディスプレイ４０２内の仮想コンテンツの場所がユーザの頭部移動によって統御されない場合、さらにより便宜的であり得る。例えば、仮想コンテンツ４５６は、時刻、バッテリ充電、またはナビゲーション情報等のステータス情報の形態をとり得る。本タイプの情報は、これがまた、ユーザが相互作用しているどの他の仮想コンテンツであろうと、ともに移動する場合、注意を逸らし得る。また、再び、実世界コンテンツ４６４は、透明ディスプレイ４０２の調整可能レンズによって影響を受ける見掛け深度変化によって影響を受けないままであることに留意されたい。

図５Ａ−５Ｂは、調整可能レンズ５０２の側面図および調整可能レンズ５０２が異なる仮想コンテンツ位置に適応するように調節され得る様子を示す。図５Ａは、調整可能レンズ５０２が形状において略長方形であり、長方形体積内にレンズ要素５０４を形成し得る様子を示す。レンズ要素５０４は、ＡＲデバイスのユーザからの所望の距離に仮想コンテンツを確立するために、導波管から放出された光を再成形するように構成されることができる。調整可能レンズ５０２が液晶レンズの形態をとるとき、レンズ要素５０４は、調整可能レンズ５０２に印加されている電圧に応答して、形状をレンズ要素５０６に変化させることができる。レンズ要素５０６の増加された深度および曲率は、仮想コンテンツがレンズ要素５０４よりもＡＲデバイスにより近接して見えるようにすることができる。このように、調整可能レンズは、ＡＲデバイスから視認される仮想コンテンツまでの見掛け距離を変化させるように構成されることができる。

図５Ｃ−５Ｄは、調整可能レンズ５０２が仮想コンテンツによって表される複数の独立して移動するオブジェクトの運動に適応するように調節され得る様子を示す。特に、図５Ｃおよび５Ｄは、調整可能レンズ５０２が図４Ａ−４Ｂに描写される仮想コンテンツ運動に適応するために移動する必要があるであろう様子を示すことができる。図５Ｃは、仮想コンテンツ４０４および４０６がＡＲデバイスから同一の距離において開始される状況に対応し得る。図５Ｄは、調整可能レンズ５０２がレンズ要素５０８の形成からレンズ要素５１０の形成に遷移する様子を示す。上側領域５１２に対応するレンズ要素５１０の部分は、ＡＲデバイスからさらに離れるように移動する仮想コンテンツ４０４の外観を与えるために、より薄い有効形状およびより小さい有効曲率を有することができる一方、下側領域５１４に対応するレンズ要素５１０の部分は、ＡＲデバイスにより近接して移動する仮想コンテンツ４０６の外観を与えるために、より厚い有効形状およびより大きい有効曲率を有することができる。遷移領域５１６は、調整可能レンズ５０２を通した実世界のビューに影響を及ぼす可視線を生成することなく、レンズ要素５１０の有効厚さを平滑に変化させる勾配を含む。

図６は、小型形状因子のＡＲデバイスを使用して複数の深度において仮想コンテンツを表示するための方法を描写する、フローチャートを示す。６０２において、ＡＲデバイスの深度センサが、ユーザと実世界オブジェクトとの間の距離を決定することによって、ＡＲデバイスのユーザの視野内の実世界オブジェクトを特性評価する。６０４において、ＡＲデバイスのプロセッサが、特性評価された実世界オブジェクトに対する第１の仮想コンテンツに関する場所または運動経路を決定するように構成される。６０６において、ＡＲデバイスの第１の調整可能レンズの光学構成が、第１の仮想コンテンツの初期表示のために構成される。６０８において、ＡＲデバイスの第２の調整可能レンズの光学構成が、第１の調整可能レンズが実世界オブジェクトのビューに悪影響を及ぼすことを防止するように構成される。これは、実世界オブジェクトに関して第１の調整可能レンズによって適用される光学効果の少なくとも一部を相殺する第２の調整可能レンズの光学構成によって遂行される。ある場合には、第２の調整可能レンズは、実世界オブジェクトの外観への第１の調整可能レンズの効果を相殺するために、第１の調整可能レンズに相補的であり得ることに留意されたい。いくつかの実施形態では、ある視覚強化が、第１の調整可能レンズによって行われる調節の一部を変化させないままにすることによって適用されることができる。いくつかの実施形態では、第２の仮想コンテンツの表示が所望される場合、ＡＲデバイスは、第１および第２の仮想コンテンツがユーザから同一の距離にあるべきかどうかを確認するためにチェックするように構成されることができる。６１２において、ＡＲデバイスは、第１および第２の仮想コンテンツの位置を追跡するために、調整可能レンズを調節し続けることによって、光学構成を維持することができる。

６１４において、第１および第２の仮想コンテンツがユーザから異なる距離にあるとき、プロセッサは、調整可能レンズを使用して、ＡＲデバイスディスプレイの異なる領域に異なる光学構成を適用するように構成されることができる。このように、ユーザは、ユーザから異なる距離に仮想コンテンツを提示されることができる。いくつかの実施形態では、第２の仮想コンテンツは、ユーザの注意が第１の仮想コンテンツに集中するように意図されるとき、意図的に焦点を外したままにされることができる。例えば、焦点は、いったん第２の仮想コンテンツとの相互作用がユーザによって所望される、またはＡＲデバイスによって実行されているソフトウェアによって待ち行列に入れられると、第２の仮想コンテンツに遷移されることができる。いくつかの実施形態では、ユーザから異なる距離における仮想コンテンツの間の焦点遷移は、ユーザが特定の仮想オブジェクトに焦点を合わせているかどうかを決定するように構成される眼追跡センサによって待ち行列に入れられることができる。他の実施形態では、ユーザは、相互作用のために仮想コンテンツを手動で選択することができ、その点において、焦点が、選択された仮想オブジェクトとユーザとの間の距離を適切に描写するように調節され得る。結像ソフトウェアが、全ての仮想コンテンツがユーザから同一の距離にあるいかなる印象も回避するために、現在の深度平面の外側のＡＲデバイスによって投影される任意の仮想コンテンツにぼけ効果を適用するために使用されることができる。

図７Ａ−７Ｂは、光をディスプレイデバイスからユーザの眼に指向するように構成される、種々の実施形態を示す。図７Ａは、光プロジェクタ７０２と、プロジェクタ７０２によって放出された光７０６をユーザの眼７０８に向かって再指向するように構成される導波管７０４とを含む、ディスプレイデバイス７００の上面図を示す。導波管７０６は、数千またはさらには数百万の場所から画像を放出するように構成されることができるが、図７Ａは、それから５つの出力円錐７１０−１〜７１０−５が描写される、５つの例示的場所から放出されている光を示す。出力円錐７１０はそれぞれ、有効角度と称され得る、角度７１２を横断して拡散されている各場所から放出された光を表す。描写されるように、各出力円錐の限定されたサイズは、出力円錐７１０−１および７１０−５に沿って導波管７０４から出射する光がユーザの眼７０８に到着することを防止する。いくつかの実施形態では、角度７１２は、例えば、導波管７０６の材料屈折率等のディスプレイ技術のある特性によって、所望の閾値を下回って限定される。光照射野および導波管ベースのディスプレイデバイスに関する付加的詳細が、「ＨＩＧＨ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＨＩＧＨ ＦＩＥＬＤ ＯＦ ＶＩＥＷ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国仮特許出願第６２／５３９，９３４号に提供されている。

図７Ｂは、ディスプレイデバイス７００が、描写されるように、有効視野角７１２を角度７１６まで拡大するために、導波管７０４から出射する光７０６を異なる方向に連続的に偏移させるように構成される、光学操向デバイス７１４等の１つ以上の光学操向コンポーネントを組み込み得る様子を示す。このように、ユーザの眼７０８は、出力円錐７１０−１〜７１０−５を異なる方向に偏移させることによって生成されるより大きい有効角度７１６に起因して、より広い視野を視認することが可能である。描写されるように、拡大された有効角度７１６は、出力円錐７１０−１および７１０−５からの光の少なくとも一部がユーザの眼７０８に到着することを可能にする。いくつかの実施形態では、光学操向コンポーネント７１４は、複数の異なる光学構成をとることが可能な１つ以上の調整可能プリズム（例えば、再構成可能な位相プロファイルを有する液晶レンズ）の形態をとることができる。各光学構成は、出力円錐７１０の方向を異なる方向に偏移させるように構成されることができる。図７Ｂは、２つの異なる方向に操向されている光７０６のみを示すが、光７０６は、多くの他の異なる方向に操向され得ることを理解されたい。さらに、調整可能プリズムに加えて、他の光学要素も、光をユーザの眼に向かって再指向するように構成され得、例示的プリズム実施形態は、本開示の範囲の限定として解釈されるべきではないことを理解されたい。

他のそのような光学要素の実施例（例えば、時変格子）が、米国特許出願第１４／５５５，５８５号にさらに詳細に説明されている。いくつかの実施例では、ポリマー分散液晶格子または他の調整可能格子が、光学操向コンポーネントとして実装され、ＴＩＲ導波光の角度、光が導波管７０４の外部結合光学要素によって外部結合される角度、またはそれらの組み合わせを修正することによって、出力円錐７１０−１〜７１０−５を操向するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上のメタ表面（例えば、メタマテリアルから作製される）が、光学操向コンポーネントとして実装されてもよい。本開示の種々の実施形態において光学操向コンポーネントとして使用され得るメタ表面およびメタマテリアルに関するさらなる情報が、米国特許公開第１５／５８８，３５０号、米国特許公開第１５／１８２，５２８号、および米国特許公開第１５／１８２，５１１号に見出されることができる。したがって、光学操向コンポーネントは、離散数の異なる操向状態において動作するように切替可能または別様に制御可能であり得、例示的調整可能光学操向デバイスは、本開示の範囲の限定として解釈されるべきではないことを理解されたい。

図８Ａ−８Ｃは、好適なディスプレイデバイスによって生成され、ディスプレイデバイスの視野を拡大するために役立ち得る例示的走査パターンを示す。図８Ａは、４つの異なる画像場所８０２、８０４、８０６、および８０８を含む、第１の走査パターンを示す。描写される画像場所はそれぞれ、特定の時点でディスプレイデバイスから放出される光の集合を表すことができる。いくつかの実施形態では、光は、場所８０２−８０８に番号順に送達されることができる。光学操向デバイスが、次いで、アクティブな画像場所に従って、ユーザの眼に向かって戻るように光を偏移させるために使用されることができる。例えば、画像場所８０８がアクティブであるとき、光学操向デバイスは、光をユーザの眼に向かって下向きに偏移させるように構成されることができる。ビデオ源がディスプレイデバイスによって提示されているとき、各画像場所に対応するビデオフレームの部分が、ビデオのフレーム毎に４つの場所のそれぞれにおいて連続的に表示されることができる。例えば、ビデオ源が、１／３０秒のフレームレートを有するとき、ビデオフレームの対応する部分は、１／１２０秒にわたって各場所において表示されることができる。このように、拡大された視野が、フレームレート低減を伴わずに達成されることができる。このように、走査パターンによって生成される結果として生じる画像は、流動的なフレームレートを維持し、また、単一の定常画像場所を使用して可能であろうものよりも実質的に高い空間分解能を伴う合成画像を生成する。例えば、４８０ラインの垂直分解能のみを表示することが可能な画像プロジェクタは、前述の走査技法を使用して、４８０ラインを上回る分解能を伴う画像またはビデオ源を再現し得る。走査パターン、タイリング機能性、およびタイルドディスプレイ構成に関する付加的詳細が、米国特許出願第１４／５５５，５８５号に提供されている。

図８Ａはまた、図８Ａに示されるハッシュ領域によって示されるように、いくつかの実施形態において、隣接する画像場所の部分が重複し得る様子を示す。これは、重複する画像場所内のコンテンツをもたらす。重複は、ディスプレイデバイスによって生成される合成画像のある側面をさらに改良するために使用されることができる。例えば、中心領域８１０内の分解能の増加が、１つ以上の超分解能技法を適用することによって達成されることができる。特に、重複する各画像フレームの部分は、サブサンプリングされ、わずかにオフセットされ、ピクセルが相互にスタックされる代わりに、ピクセル密度の増加を可能にすることができる。これは、重複する領域を伴うディスプレイの部分において超分解能効果を生じる。例えば、ディスプレイプロセッサが４Ｋ分解能画像（すなわち、２，１６０ラインの垂直分解能）を生成することが可能である実施形態では、４Ｋ分解能画像は、走査パターンの重複領域内にピクセルを分配することによって、通常、実質的により低い分解能を生成することのみが可能な画像源を使用して超分解能効果を達成するために使用され得る。さらに、高フレームレートビデオファイルが表示されているとき、各連続的に表示されるフレームは、ビデオの異なるフレームと関連付けられることができる。例えば、１２０フレーム／秒ビデオ源を再生するとき、中心領域８１０内のディスプレイの部分は、全１２０フレーム／秒フレームレートを享受し得る一方、非重複領域は、３０フレーム／秒のレートにおいてのみ更新されるであろう。中心領域８１０の近傍の重複領域は、特定の領域内の重複場所の数に応じて、６０または９０フレーム／秒のレートにおいてリフレッシュされ得る。

図８Ｂは、大きい中心領域８１０を伴う第２の走査パターンを示す。本第２の走査パターンは、画像全体の９分の１が画像場所８０２−８０８のそれぞれによって重複されることをもたらす。このように、中心領域８１０内の分解能またはフレームレートは、非重複領域におけるものを実質的に上回ることができる。描写される走査パターンは、最大４倍の分解能またはフレームレート増加を達成することができ、これは、概して、重複するフレームの数に対応する。本タイプの走査パターンは、着目コンテンツがディスプレイの中心領域内に位置するときに特に有益であり得る。いくつかの実施形態では、走査パターンは、より少ない仮想コンテンツがディスプレイの周辺領域内に提示されている状況において、増加する量の重複を生成するために変更されることができる。

図８Ｃは、画像場所８０２−８０８のそれぞれに位置付けられる画像が、描写されるように卓上ランプの形態をとる合成画像８１２を協働的に生成する様子を示す。画像場所８０２−８０８のうちの任意の単一のものよりも大きい合成画像８１２を生成することに加えて、画像場所８０２−８０８のそれぞれにおける画像の連続的表示は、ディスプレイの光学性質が、所与の走査の間に現在アクティブである画像場所８０２−８０８に従って変更されることを可能にする。例えば、画像が画像場所８０４において表示されているとき、光学性質は、ランプ８１２の基部を表す光をユーザの眼に向かって偏移させるように調節され得る。いくつかの実施形態では、走査パターンの場所は、ランプ８１２等の仮想画像を走査パターンの中心領域内に設置するディスプレイの場所に位置付けられることができる。これは、画像の中心および／または重要な特徴が、より多数の画像場所において表示されることを可能にする。

図９Ａ−９Ｃは、図８Ａに描写される第１の走査パターンが表示領域９００内の周辺に偏移され得る様子を示す。図９Ａは、時間ｔ_０における表示領域９００の左上隅における第１の走査パターンを示す。図９Ｂは、時間ｔ_１における表示領域９００の右上隅に向かって偏移された第１の走査パターンを示す。いくつかの実施形態では、ディスプレイデバイスは、眼注視トラッカを含むことができる。眼注視トラッカによって提供されるセンサデータは、走査パターンをユーザの現在の焦点に対応する表示領域９００内の場所に偏移させるために利用されることができる。いくつかの実施形態では、本センサデータは、ユーザの中心視（すなわち、最も高い視力を伴うユーザの視覚のその部分）を網羅する場所に中心領域８１０を保つことに役立つことができる。このように走査パターンを連続的に調節することによって、ユーザの没入感が、改良されることができる。本方法は、顕著なコンテンツが表示領域９００の中心部分から離れるように頻繁に偏移するときに特に効果的であり得る。中心視追跡を実施し、中心視される仮想コンテンツをレンダリングし、中心視される仮想コンテンツをユーザに表示するための例示的システムおよび技法が、「ＨＩＧＨ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＨＩＧＨ ＦＩＥＬＤ ＯＦ ＶＩＥＷ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国仮特許出願第６２／５３９，９３４号にさらに詳細に説明されている。

図９Ｃは、表示領域９００の下側部分に向かって再び偏移された第１の走査パターンを示す。図９Ａ−９Ｃはまた、画像場所８０２−８０８が第１の走査パターンの位置に従って、および／またはユーザに提示されているコンテンツをより良好に表すために変化し得る様子を示す。例えば、それを横断して第１の走査パターンが延在する面積が、標準走査パターンサイズよりもはるかに小さい仮想画像をより良好に表すために、縮小され得る。いくつかの実施形態では、走査パターンを変更することは、仮想コンテンツの特定の表現のために走査パターンの重複する領域を最適化するために役立つことができる。

図１０Ａ−１０Ｅは、光学操向デバイス７１４と類似する光学操向デバイスに関する種々の位相プロファイルを示す。特に、図１０Ａは、光を垂直に偏移させるための第１の光学構成１００４における例示的光学操向デバイス１００２の正面図を示す。図１０Ｂは、区分線Ａ−Ａによる光学操向デバイス１００２の断面側面図を示す。光学操向デバイス１００２は、液晶レンズに印加される電圧の量に従って、その位相プロファイルを変化させることが可能な液晶レンズの形態をとることができる。より具体的には、光学操向デバイス１００２は、それへの電圧の印加に応答して、電場を生産することが可能な構造を伴う２つの伝導層を含んでもよい。このように、光学操向デバイス１００２は、複数の異なる光学構成の間で偏移することができる。第１の光学構成１００４は、光学操向デバイス１００２内に複数の屈折率を伴う位相プロファイルを有することができる。いくつかの実施例では、光学操向デバイス１００２の局所的屈折率は、プリズム機能または別の所望の光学機能を満たすように調整されてもよい。これらの実施例のうちの少なくともいくつかでは、光学操向デバイス１００２は、比較的に大きい位相勾配（例えば、約πｒａｄ／μｍ）を呈し得る。特に、屈折率は、描写されるように、鋸歯プロファイルに従って変動することができ、歯はそれぞれ、光１００６の一部を受け取り、光１００８を異なる方向に放出するように構成されることができる。歯のサイズおよび／または間隔は、光学操向デバイス１００２を通過する光の角度の変化を低減または増加させるように調節されることができる。例えば、各楔の角度は、楔のパターンがディスプレイの中心領域に接近するにつれて徐々に低減され得る。本第１の光学構成１００４は、ディスプレイの下側中心領域に位置する走査パターンのフレームを偏移させるために使用され得る。

図１０Ｃは、第２の光学構成１０１０における光学操向デバイス１００２の正面図を示す。図１０Ｄは、区分線Ｂ−Ｂによる、第２の光学構成における光学操向デバイス１００２の断面上面図を示す。第２の光学構成では、光学操向デバイス１００２は、光１０１２を側方に偏移させるように構成される。描写されるように、光学操向デバイス１００２は、光１０１２を受け取り、側方に偏移された光１０１４を出力する。第１および第２の描写される光学構成の両方が、光の方向を偏移させるが、それらは、垂直または水平のみでそのように行う。いくつかの実施形態では、２つの光学操向デバイスが、受け取られた光を垂直および水平の両方で偏移させるために、相互に積み重ねて層化され得ることを理解されたい。

図１０Ｅは、一連の歯形隆起を光学操向デバイス１００２を横断して対角線に配向することによって、光が単一の光学操向デバイス１００２によって垂直および水平の両方で偏移され得る様子を示す。図１０Ｅはまた、描写される対角線構成が、別様に１次元光学操向デバイス１０１６および１０１８を利用するであろう光の偏移を遂行し得る様子を示す。描写される構成は、光が表示領域の右下領域を通して導波管から出射する走査パターンのフレームの間に光学操向デバイス１００２によってとられ得る。複数の光学構成が描写されたが、光学操向デバイス１００２は、描写されていない多くの他の構成において再配列され得ることに留意されたい。

図１１Ａ−１１Ｂは、光学操向デバイスが、垂直および水平の両方で着信する光を偏移させるために相互にスタックされるレンズを含み得る様子を示す。図１１Ａは、水平偏移レンズ１１０２と、垂直偏移レンズ１１０４とを含む、光学操向デバイス１１００の位相偏移の斜視図を示す。２つのレンズは、レンズに入射する光を再指向するために、相互にスタックされることができる。本光学構成は、着信する光が垂直および水平の両方で偏移されることを可能にする。図１１Ｂは、複数のレンズのアレイを使用することによって達成される低減された厚さを有する光学操向デバイス１１２０を示す。いくつかの実施形態では、液晶レンズが、図１１Ｂに描写されるように、複数の水平偏移レンズ１１０２および垂直偏移レンズ１１０４と同等である光学構成を形成するために使用されることができる。

図１１Ｃ−１１Ｄは、それぞれ、フレネルレンズ構成を有する液晶レンズ１１４０の断面側面図および上面図を示す。フレネルレンズ構成は、選択された仮想コンテンツを拡大または縮小するために、光学操向デバイスの形態をとることができる。特に、図１１Ｃは、液晶レンズ１１４０を通過する光の倍率を変更すること、およびそれを側方に偏移させることの両方を行うように構成される、フレネルレンズ構成を描写する。本タイプの構成は、本明細書に説明される光学操向デバイスのうちのいずれかに組み込まれ得る。いくつかの実施形態では、ユーザは、画面の特定の領域の拡大を要求し得る。応答して、光学操向デバイスは、ユーザによって視認されている特定の画像ストリームを生成する光を変化させる、または更新する必要性なくコンテンツを拡大するために、特定の領域にわたってフレネルレンズ構成を形成するように構成され得る。

図１２Ａ−１２Ｂは、光学操向デバイスが拡張現実ディスプレイデバイスに組み込まれ得る異なる方法を示す。いくつかの実施形態では、光学操向デバイスは、それに入射する光の方向、遠近感、および／または倍率を変更するために、屈折率を選択的に変更することが可能な液晶レンズの形態をとることができる。図１２Ａは、ディスプレイデバイス１２００の断面上面図を示す。光学操向デバイス１２０２および１２０４が、ディスプレイデバイス１２００の導波管１２０６の両側上に位置付けられる。導波管１２０６は、異なる色の光をディスプレイデバイス１２００のユーザの眼１２０８に搬送するための１つ以上の離散経路を含むことができる。光学操向デバイス１２０２および１２０４は、実世界オブジェクトから反射された光１２１０が、両方の光学操向デバイスを通過し、実質的に歪曲されない様式で眼１２０８に到達することを可能にする、実質的に相補的な構成を有することができる。導波管１２０６によって搬送される光１２１２が、次いで、光１２１０を有害に歪曲させることなく、１つ以上の走査パターンに従ってビーム操向を受けることによって、仮想コンテンツを可視化するように構成されることができる。前述で説明される走査パターンおよび連続的ビーム操向は、ディスプレイデバイス１２００の有効視野を増加させる。図１２Ｂは、ディスプレイデバイス１２２０と、光学操向デバイス１２０２および１２０４が、動的焦点偏移および視野拡大の両方が光１２１２に適用され得るように、可変焦点レンズ１２０９を組み込まれ得る様子とを示す。

図１２Ｃ−１２Ｆは、複数の画像ストリームを受信するように構成されるディスプレイデバイスを示す。図１２Ｃは、導波管１２０６および導波管１２４４の両方を含むディスプレイデバイス１２４０の上面断面図を示す。導波管１２４４は、広い視野、低分解能の画像のストリームを形成する、光１２４６を搬送するように構成されることができる。描写されるように、光１２４６は、眼１２０８に到達することに先立って、いかなる走査パターンも受けない。導波管１２０６は、狭い視野、高分解能の画像のストリームを形成する、光１２１２を搬送するように構成されることができる。導波管１２４４に入射する光１２１２は、センサがユーザの眼が焦点を合わせていることを示す領域内でディスプレイデバイス１２４０から出射するように構成されることができる。このように、狭い視野、高分解能の画像のストリームの動的中心視が、達成され、ユーザがディスプレイデバイス１２４０の全てが高分解能画像を放出しているという印象を与えられることをもたらすことができる。光１２１２は、ディスプレイデバイスの表面を横断して投影されることができ、光学操向デバイス１２０２は、ユーザのための有効視野を増加させる走査パターンにおいて光１２１２を動的に操向することができる。走査パターンに起因する光１２１２によって生成される画像のストリームの結果として生じる拡大は、ユーザがディスプレイデバイスの表示領域の縁の近傍のコンテンツに焦点を合わせているときであっても、高分解能を判別することが可能なユーザの視野の領域が光１２１２によって完全に被覆されることに役立つことができる。このように、ディスプレイ１２４０は、ユーザの視野全体を横断して高分解能画像を表示する必要がないため、ハードウェア費用および処理能力の有意な節約が、達成されることができる。

図１２Ｄは、ディスプレイデバイス１２４０の正面図および光１２１２および１２４６がユーザの眼１２０８の網膜上に投影される際にユーザによって知覚されるような画像の表現を示す。図１２Ｄは、光を放出することが可能な導波管１２４４の一部および光１２１２を放出する導波管１２４４の領域を示す。光１２１２は、走査パターンにおいて偏移する狭い視野の画像ストリームを生産するように描写される。光１２４６は、定常のままである広い視野を提供する。いくつかの実施形態では、それを横断して光１２４６が延在する面積は、それを横断して光が光学操向デバイスを伴わずに視認可能である最大視認可能面積を表す。描写されるように、光１２１２の一部は、眼１２０８に向かって光１２１２を偏移させる、光学操向デバイス１２０２から利益を享受する光１２１２のため、光１２４６によって被覆される領域の外側に延在することができる。

図１２Ｅは、光学操向デバイス１２６２および１２６４を図１２Ｃに描写される構成に追加する、ディスプレイデバイス１２６０を示す。本実施形態では、狭い視野、高分解能の画像を生成する光１２１２は、導波管１２４４を通して指向されることができ、広い視野、低分解能の画像を生成する光１２４６は、導波管１２０６を通して指向されることができる。光学操向デバイス１２６２は、光１２１２を独立して操向するように構成される。光学操向デバイス１２６４は、光１２１０および光１２４６が光学操向デバイス１２６２の操向によって歪曲されることを防止するように構成される。光学操向デバイス１２６４は、光学操向デバイス１２６２の位相プロファイルに実質的に相補的な位相プロファイルを維持することができる。このように、光１２４６および１２１２によって生成される仮想コンテンツは、拡大された視野を横断して延在し、それによって、ディスプレイデバイス１２６０のユーザのための没入体験をさらに改良することができる。いくつかの実施形態では、光学操向デバイス１２０２および１２６４の機能性は、所望の走査パターンにおいて光１２４６を偏移させること、および光学操向デバイス１２６２によって生成されているいかなる干渉もプリエンプティブに補償することの両方を行う位相プロファイルをとることが可能な単一の光学操向デバイスに組み合わせられ得ることに留意されたい。

いくつかの実施形態では、ディスプレイデバイス１２６０の１つ以上のプロジェクタによって生成される光１２４６および１２１２は、実質的に同一の空間分解能において画像のストリームを表示するように構成されることができる。光学操向デバイス１２０２および１２６２は、次いで、ディスプレイデバイス１２６０の有効視野を最大限にするために、独立して作用し、走査パターンを光１２１２および１２４６に適用するように構成されることができる。導波管１２０６および１２４４の間の分離は、ユーザと光１２１２および１２４６によって生成される仮想コンテンツとの間に異なる見掛け距離を生成するように構成されることができる。このように、深度知覚距離が、図１２Ｂに示されるように、可変焦点レンズのセットを伴わずに調節されることができる。いくつかの実施形態では、異なる距離における導波管および可変焦点レンズが、眼１２０８から複数の異なる見掛け距離において仮想コンテンツを並行して示すために組み合わせて使用され得ることに留意されたい。可変焦点レンズは、次いで、前述で説明されるように、眼１２０８と仮想コンテンツとの間の見掛け距離を変化させるために使用され得る。

図１２Ｆは、ディスプレイデバイス１２６０の正面図および光１２１２および１２４６がユーザの眼１２０８の網膜上に投影される際にユーザによって知覚されるような画像の表現を示す。特に、図１２Ｆは、光１２１２が第１の走査パターンにおいて偏移する狭い視野を有し得る様子と、光１２４６が第１の走査パターンとは異なる第２の走査パターンにおいて偏移する広い視野を提供し得る様子とを示す。いくつかの実施形態では、走査パターンは、同一のサイズおよび／または分解能を有することができる。そのような構成は、ユーザと仮想コンテンツとの間の見掛け距離を変動する利益を有し得る。

説明される実施形態の種々の側面、実施形態、実装、または特徴は、別個に、または任意の組み合わせにおいて使用されることができる。説明される実施形態の種々の側面は、ソフトウェア、ハードウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実装されることができる。説明される実施形態はまた、製造動作を制御するためのコンピュータ可読媒体上のコンピュータ可読コードとして、または製造ラインを制御するためのコンピュータ可読媒体上のコンピュータ可読コードとして、具現化されることができる。コンピュータ可読媒体は、その後、コンピュータシステムによって読み取られ得るデータを記憶し得る、任意のデータ記憶デバイスである。コンピュータ可読媒体の実施例は、読取専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＨＤＤ、ＤＶＤ、磁気テープ、および光学データ記憶デバイスを含む。コンピュータ可読媒体はまた、コンピュータ可読コードが分散方式において記憶および実行されるように、ネットワーク結合されたコンピュータシステムを経由して分散されることができる。

前述の説明は、解説の目的のために、説明される実施形態の徹底的な理解を提供するために具体的名称を使用した。しかしながら、具体的詳細は、説明される実施形態を実践するために要求されないことが当業者に明白となるであろう。したがって、具体的実施形態の前述の説明は、例証および説明の目的のために提示される。それらは、包括的であること、または説明される実施形態を開示される精密な形態に限定することを意図していない。多くの修正および変形例が、上記の教示に照らして、可能性として考えられることが当業者に明白となるであろう。

Claims (8)

1. ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
   導波管と、
   前記導波管のユーザ向き側上に位置付けられ、かつ前記導波管に平行である、第１の光学操向コンポーネントと、
   前記導波管の世界向き側上に位置付けられ、かつ前記導波管に平行である、第２の光学操向コンポーネントと、
   仮想コンテンツを表す光を前記導波管中へと放出するように構成される光源と
   を備え、
   前記導波管は、前記光源から放出された前記光を前記第１の光学操向コンポーネントを通して前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザに向かって回折するように構成される回折光学系を含み、前記光源は、前記光が前記第１の光学操向コンポーネントの異なる周辺領域を通して放出されることをもたらす走査パターンに従って、前記光を放出するように構成され、
   前記第１の光学操向コンポーネントは、前記第１の光学操向コンポーネントの前記異なる周辺領域のうちの１つ以上において、前記光源から受け取られる前記光の少なくとも一部を、前記異なる周辺領域間の中心領域に向かって偏移させるように構成され、
   前記中心領域の場所は、前記ウェアラブルディスプレイデバイスの動作中に調節することができる、ウェアラブルディスプレイデバイス。
2. 眼追跡センサをさらに備え、前記中心領域は、前記眼追跡センサが前記ユーザの眼が焦点を合わせていることを示す場所に基づいて決定される、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
3. 前記第１の光学操向コンポーネントは、前記第１の光学操向コンポーネントの中心部分から出射する前記光よりも実質的に前記異なる周辺領域のうちの１つから出射する前記光の方向を多く変化させるように構成される調整可能プリズムのアレイを備える、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
4. 前記第２の光学操向コンポーネントは、前記第１の光学操向コンポーネントが前記導波管を通して可視である実世界オブジェクトの外観を歪曲させることを防止するように構成される、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
5. 前記導波管の前記ユーザ向き側上に位置付けられる第１のレンズと、
   前記導波管の前記世界向き側上に位置付けられる第２のレンズと
   をさらに備える、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
6. 前記第１のレンズは、前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザと前記ウェアラブルディスプレイデバイスによって表示される前記仮想コンテンツとの間の見掛け距離を調節するために、その位相プロファイルを変化させるように構成される、請求項５に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
7. 前記ウェアラブルディスプレイデバイスは、拡張現実デバイスであり、周辺環境からの光が、前記第１の光学操向コンポーネントおよび前記第２の光学操向コンポーネントの両方を通過する、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
8. 前記第２の光学操向コンポーネントは、前記第１および第２の光学操向コンポーネントを通過する外側世界からの光が前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザに歪みなく見えるように、前記第１の光学操向コンポーネントの第２の光学構成に相補的である第１の光学構成を維持する、請求項７に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。

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