JP7042889B2 - 仮想/拡張現実システムにおける内向き角度を用いてファイバスキャナをコリメートする設計 - Google Patents

仮想/拡張現実システムにおける内向き角度を用いてファイバスキャナをコリメートする設計 Download PDF

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Description

本発明は、概して、1人以上のユーザのための双方向仮想もしく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。
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、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おり、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様式、もしくはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。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する透明性を伴わずに、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に対する拡張としての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、描写されており、AR技術のユーザは、背景における人々、木々、建物を特徴とする実世界公園状設定6と、実在のプラットフォーム8とを見る。これらのアイテムに加え、AR技術のエンドユーザは、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とも「見ている」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。結論からいうと、ヒトの視知覚系は、非常に複雑であり、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進するVRまたはAR技術の生成は、困難である。
VRおよびARシステムは、典型的には、エンドユーザの頭部に少なくとも緩く装着され、したがって、ユーザの頭部が移動すると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もしくはスマートグラス)を採用する。エンドユーザの頭部の運動が、ディスプレイ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、頭部の姿勢(すなわち、ユーザの頭部の向きおよび/または場所)の変化を考慮するように更新されることができる。
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、3次元(3D)オブジェクトの仮想表現をディスプレイ上で視認し、3Dオブジェクトが見えるエリアの周囲を歩く場合、その3Dオブジェクトは、各視点のため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歩い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内に提示するために使用される場合(例えば、豊かな仮想世界)、場面を再レンダリングして、エンドユーザの動的に変化する頭部の場所および向きに一致し、仮想空間で増加した没入感を提供するために、頭部の姿勢の測定を使用することができる。
AR(すなわち、実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、実際の場面の要素を捕捉し、コンピューティングシステムが、仮想要素を捕捉された実場面上に重なり、非透明ディスプレイが、複合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、ディスプレイシステム内の透明(または半透明)要素を通して見て、環境内の実オブジェクトからの光を直接視認することができる。多くの場合、「結合器」と称される、透明要素は、実世界のエンドユーザの視点にわたってディスプレイからの光を重ねる。
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、投影サブシステムが画像フレームを連続して投影する、ディスプレイ表面とを有するディスプレイシステムを採用する。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つ以上の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つ以上の光ファイバと、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み得る。
一実施形態では、ディスプレイシステムは、ユーザの視野と略平行である1つ以上の平面導波管を含み、平面導波管の中に光ファイバからの光が投入される。1つ以上の線形回折格子が、導波管内に埋設され、導波管に沿って伝搬する入射光の角度を変化させる。光の角度を全内部反射(TIR)の閾値を超えて変化させることによって、光は、導波管の1つ以上の側方面から逃散する。線形回折格子は、低回折効率を有し、したがって、光が線形回折格子に遭遇する度に、一部の光エネルギーのみが、導波管の外に向かわせられる。格子に沿った複数の場所において光を外部結合することによって、ディスプレイシステムの射出瞳は、効果的に増加させられる。ディスプレイシステムはさらに、光ファイバから来る光をコリメートする1つ以上のコリメート要素と、コリメートされた光を導波管の縁にまたはそこから光学的に結合する1つ以上の光学結合要素とを備え得る。
典型的光ファイバ走査ディスプレイシステムでは、各光ファイバは、設計された走査パターンに従って光を走査するために、支点からの比較的に大きい振れを通して掃引する振動カンチレバーとしての役割を果たす。しかしながら、コリメートされた光の大きい振れに起因して、光学結合要素のサイズは、比較的に大きくなければならず、それによって、ディスプレイシステムのサイズを増加させる。光学結合要素のこのサイズは、スタックされた導波管アーキテクチャの場合、より問題となり、スタックされた導波管アーキテクチャは、走査光ファイバからのより離れた導波管に関連付けられた光学要素が走査されるコリメートされた光のより大きいスパンに対処するためにより大きくあるべきことを要求する。
例えば、図2を参照すると、ディスプレイシステム20の一実施形態は、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た画像データを生成する1つ以上の光源22と、光源22に光学的に結合される、光ファイバ24と、光ファイバ24の遠位端を出た光をコリメートするコリメート要素26とを備えている。ディスプレイシステム20はさらに、光ファイバ24が固定-自由可撓性カンチレバーとして搭載される圧電要素28と、圧電要素22に電気的に結合された駆動電子機器30とを備え、駆動電子機器30は、圧電要素28をアクティブにし、電気的に刺激し、それによって、光ファイバ24の遠位端が支点34を中心とした振れ32を作成する所定の走査パターンで振動するようにする。
ディスプレイシステム20は、エンドユーザの視野と略平行の複数の平面導波管40a-40eを含む導波管装置38と、平面導波管40の各々に関連付けられた1つ以上の回折光学要素(DOE)42a-42eとを含む。光ファイバ24から生じる光は、平面導波管40のうちの選択されたものに沿って伝搬し、対応するDOE42と交差し、光の一部がエンドユーザの眼に向かって導波管装置38の面を出ることを生じ、その光は、選択された平面導波管40に応じて1つ以上の視認距離に集中させられる。
ディスプレイシステム20はさらに、回折光学要素(DOE)44a-44eの形態における光学結合要素を備え、回折光学要素は、それぞれの平面導波管40a-40eの端部内に統合され、コリメートされた光を平面導波管40の選択されたものの中に反射する。図から分かるように、各DOE44と光ファイバ24の端部との間の距離が増加するにつれて、それぞれのDOE44の長さも、光ファイバ24の振れ角度の増加する線形スパンに対処するために増加しなければならない。これは、必然的に、最大DOE44(この場合、DOE44e)に起因して、サイズおよび複雑性を導波管装置38に追加する。
別の例として、図3を参照すると、ディスプレイシステム50の別の実施形態は、図2のディスプレイシステム10に類似するが、ディスプレイシステム50は、コリメートされた光を平面導波管40の選択されたものの中に反射させる、DOE54a-54eを有する光学分配用導波管52の形態における光学結合要素を備えている。分配用導波管52の幅は、光ファイバ24の振れ角度の最大線形スパンに対処するために十分に大きくなければならず、それによって、必然的に、サイズおよび複雑性を導波管装置38に追加する。
したがって、仮想現実または拡張現実環境において、1つ以上の光ファイバからの光を1つ以上の平面導波管の中に結合するために使用される光学結合要素のサイズを低減させる必要性がある。
本発明の実施形態は、1人以上のユーザのために、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。仮想画像生成システムは、例えば、3次元場面を記憶しているメモリと、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ために構成されている制御サブシステムとを備え得、その場合、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ために構成され得る。
本発明によると、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が、提供される。ディスプレイサブシステムは、平面導波管装置を備えている。一実施形態では、平面導波管装置は、エンドユーザの眼の正面に位置付けられるために構成される。別の実施形態では、平面導波管装置は、エンドユーザの眼と周囲環境との間で視野内に位置付けられるため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。さらに別の実施形態では、ディスプレイサブシステムはさらに、エンドユーザによって装着されるために構成されているフレーム構造を備え、その場合、フレーム構造は、平面導波管装置を支持する。
ディスプレイサブシステムはさらに、平面導波管装置に対して取り付けられる(例えば、搭載される)遠位先端と、遠位先端の近位の開口とを有する光ファイバを備えている。ディスプレイサブシステムはさらに、光ファイバに結合され、光を光ファイバの開口から放出するために構成されている少なくとも1つの光源と、機械的駆動アセンブリであって、光ファイバが駆動アセンブリに搭載される、機械的駆動アセンブリとを備えている。機械的駆動アセンブリは、走査パターンに従って光ファイバの開口を変位させるために構成される。一実施形態では、機械的駆動アセンブリは、光ファイバが搭載されている圧電要素と、電気信号を圧電要素に伝達し、それによって、走査パターンに従って光ファイバに振動させる(例えば、一次振動モードで)ために構成される駆動電子機器とを備えている。
ディスプレイサブシステムはさらに、平面導波管装置が1つ以上の画像フレームをエンドユーザに表示するように、光ファイバの開口からの光を平面導波管装置に沿って向かわせるために構成されている光学導波管入力装置を備えている。一実施形態では、光ファイバの開口から放出される光は、例えば、光学導波管入力装置内に位置する焦点等のより小さいエリアに内向きに収束する。
一実施形態では、平面導波管装置は、それぞれ、1つ以上の画像フレームを異なる焦点においてエンドユーザに表示するために構成される複数の平面導波管を備え、光学導波管入力装置は、光学変調装置からの光を複数の平面導波管に沿って向かわせるために構成される。光学導波管入力装置は、それぞれ、平面導波管に沿って平行に延びている複数の回折光学要素を備え得、その場合、複数の回折光学要素の各々は、光学変調装置からの光を平面導波管に沿って向かわせる。代替として、光学導波管入力装置は、平面導波管と垂直に延びている分配用導波管を備え得、その場合、分配用導波管は、それぞれ、光学変調装置からの光を平面導波管に沿って向かわせる複数の回折光学要素を備えている。
随意に、ディスプレイサブシステムはさらに、光ファイバからの光をコリメートするために構成されているコリメート要素を備え、その場合、光学導波管入力装置は、コリメート要素からのコリメートされた光を平面導波管装置に沿って向かわせるために構成される。コリメート要素は、光ファイバの開口上に搭載され得、その場合、コリメート要素は、マイクロレンズ等のレンズの形態をとり得る。または、コリメート要素は、平面導波管装置に搭載され得る。
本発明の追加のおよび他の目的、特徴、ならびに利点が、発明を実施するための形態、図、および請求項で説明される。
本発明は、例えば、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、前記ディスプレイサブシステムは、
平面導波管装置と、
前記平面導波管装置に対して取り付けられている遠位先端と前記遠位先端の近位の開口とを有する光ファイバと、
前記光ファイバに結合され、光を前記光ファイバの開口から放出するために構成されている少なくとも1つの光源と、
機械的駆動アセンブリであって、前記光ファイバは、駆動アセンブリに搭載され、前記機械的駆動アセンブリは、前記走査パターンに従って前記光ファイバの前記開口を変位させるために構成されている、機械的駆動アセンブリと、
前記平面導波管装置が1つ以上の画像フレームを前記エンドユーザに表示するように、前記光を前記光ファイバの前記開口から前記平面導波管装置に沿って向かわせるために構成されている光学導波管入力装置と
を備えている、ディスプレイサブシステム。
(項目2)
前記光ファイバの前記遠位先端は、前記平面導波管装置に搭載されている、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目3)
前記光ファイバからの光をコリメートするために構成されているコリメート要素をさらに備え、前記光学導波管入力装置は、前記コリメート要素からのコリメートされた光を前記平面導波管装置に沿って向かわせるために構成されている、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目4)
前記コリメート要素は、前記光ファイバの前記開口上に搭載されている、項目3に記載のディスプレイサブシステム。
(項目5)
前記コリメート要素は、レンズである、項目4に記載のディスプレイサブシステム。
(項目6)
前記レンズは、マイクロレンズである、項目5に記載のディスプレイサブシステム。
(項目7)
前記コリメート要素は、前記平面導波管装置に搭載されている、項目3に記載のディスプレイサブシステム。
(項目8)
前記光ファイバの前記開口から放出される光は、より小さいエリアに内向きに収束する、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目9)
前記光ファイバの前記開口から放出される光は、焦点に内向きに収束する、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目10)
前記より小さいエリアは、前記光学導波管入力装置内に位置している、項目8に記載のディスプレイサブシステム。
(項目11)
前記機械的駆動アセンブリは、前記光ファイバが搭載されている圧電要素と、駆動電子機器とを備え、前記駆動電子機器は、電気信号を前記圧電要素に伝達し、それによって、前記光ファイバに前記走査パターンに従って振動させるために構成されている、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目12)
前記光ファイバは、一次振動モードで振動させられる、項目11に記載のディスプレイサブシステム。
(項目13)
前記平面導波管装置は、複数の平面導波管を備え、前記複数の平面導波管は、それぞれ、前記1つ以上の画像フレームを異なる焦点において前記エンドユーザに表示するために構成され、前記光学導波管入力装置は、光学変調装置からの光を前記複数の平面導波管に沿って向かわせるために構成されている、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目14)
前記光学導波管入力装置は、複数の回折光学要素を備え、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記平面導波管に沿って平行に延び、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記光学変調装置からの前記光を前記平面導波管に沿って向かわせる、項目13に記載のディスプレイサブシステム。
(項目15)
前記光学導波管入力装置は、前記平面導波管と垂直に延びている分配用導波管を備え、前記分配用導波管は、複数の回折光学要素を備え、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記光学変調装置からの前記光を前記平面導波管に沿って向かわせる、項目13に記載のディスプレイサブシステム。
(項目16)
前記平面導波管装置は、前記エンドユーザの眼の正面に位置付けられるために構成されている、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目17)
前記平面導波管装置は、前記エンドユーザの眼と周囲環境との間で視野内に位置付けられるため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、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目18)
前記エンドユーザによって装着されるため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、前記平面導波管装置を支持している、項目1に記載のディスプレイサブシステム。
(項目19)
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、前記システムは、
3次元場面を記憶しているメモリと、
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ために構成されてい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、前記複数の画像フレームを前記エンドユーザに連続して表示するために構成されている、ディスプレイサブシステムと
を備えている、仮想画像生成システム。
(項目20)
前記制御サブシステムは、グラフィック処理ユニット(GPU)を備えている、項目19に記載の仮想画像生成システム。
図面は、本発明の実施形態の設計および有用性を図示し、類似要素は、共通参照番号によって参照される。本発明の前述および他の利点ならびに目的が得られる方法をより深く理解するために、簡単に前述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べきでは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追加の具体性および詳細とともに説明ならびに記載されるであろう。
図1は、従来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、拡張現実生成デバイス内で使用され得る従来技術のディスプレイシステムの一実施形態の平面図である。
図3は、拡張現実生成デバイス内で使用され得る従来技術のディスプレイシステムの別の実施形態の平面図である。
図4は、本発明の一実施形態に従って構築される仮想画像生成システムのブロック図である。
図5は、図4の仮想画像生成システムによって生成される例示的フレームの平面図である。
図6は、フレームを生成するために使用され得る1つの走査パターンの平面図である。
図7は、フレームを生成するために使用され得る別の走査パターンの平面図である。
図8は、フレームを生成するために使用され得るさらに別の走査パターンの平面図である。
図9は、フレームを生成するために使用され得るさらに別の走査パターンの平面図である。
図10aは、図4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10bは、図4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10cは、図4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10dは、図4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11は、図4の仮想画像生成システムにおいて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12は、図11のディスプレイサブシステムにおいて使用するための一次平面導波管の一実施形態である。
図13aは、図4の仮想画像生成システムにおいて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13bは、特に、1つの焦点から延びている光線を示す、図13aのディスプレイサブシステムの斜視図である。
図13cは、特に、別の焦点から延びている光線を示す、図13aのディスプレイサブシステムの斜視図である。
図14は、図4の仮想画像生成システムにおいて使用するためのディスプレイサブシステムの別の実施形態の平面図である。
図15は、図13のディスプレイサブシステムにおいて使用するための平面導波管装置の一実施形態の平面図である。
図16は、図13のディスプレイサブシステムにおいて使用するための平面導波管装置の別の実施形態の平面図である。
図17は、図16の平面導波管装置の投影図である。
図18は、図13のディスプレイサブシステムにおいて使用するための平面導波管装置に接続される走査デバイスの一部の一実施形態の平面図である。
図19は、特に、一次振動モードにおける光ファイバの振動を示す、図18の走査デバイスの一部の平面図である。
図20aは、特に、光学導波管入力装置の中心における焦点上への光ビームの収束を示す、コリメート要素の一実施形態を有する光学導波管入力装置と相互作用する図18の走査デバイスの一部の平面図である。
図20bは、特に、光学導波管入力装置の中心における焦点上への光ビームの収束を示す、コリメート要素の別の実施形態を有する光学導波管入力装置と相互作用する図18の走査デバイスの一部の平面図である。
図20cは、特に、光学導波管入力装置の縁における焦点上への光ビームの収束を示す、コリメート要素の一実施形態を有する光学導波管入力装置と相互作用する図18の走査デバイスの一部の平面図である。
図21aは、図11のディスプレイサブシステム内で使用され得る光学導波管入力装置の一実施形態である。
図21bは、図11のディスプレイサブシステム内で使用され得る光学導波管入力装置の別の実施形態である。
続く説明は、仮想現実および/または拡張現実システムにおいて使用されるべきディスプレイ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有用であるが、本発明は、その最も広範な側面では、そのように限定されないこともあることを理解されたい。
図4を参照して、本発明に従って構築される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せられ、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た仮想オブジェクトの画像を提供し得る。仮想画像生成システム100を動作させるときの2つの基本アプローチが存在する。第1のアプローチは、1つ以上の撮像機(例えば、カメラ)を採用し、周囲環境の画像を捕捉する。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つ以上の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が、仮想オブジェクトの画像を生成する。
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も採用され得る。例えば、種々の技法は、任意の投影もしくはディスプレイサブシステムに適用され得、移動が頭部ではなくエンドユーザの手によって行われ得るピコプロジェクタに適用され得る。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の視野内のそれぞれ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。仮想オブジェクトは、本明細書では、仮想タグまたはコールアウトとも称され、多種多様な形態、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、または論理構造のいずれかをとり得る。仮想オブジェクトの非限定的例として、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、仮想計装オブジェクト、または物理的オブジェクトの仮想視覚表現が挙げられ得る。
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、ディスプレイサブシステム104は、エンドユーザ50の眼52の正面に位置付けられるように、フレーム構造102によって支持される、ディスプレイサブシステム104と、スピーカ106であって、スピーカ106は、エンドユーザ50の外耳道に隣接して位置付けられる(随意に、別のスピーカ(図示せず)がエンドユーザ50の他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ/成形可能音制御を提供する)ようにフレーム構造102によって支持される、スピーカ106とを備えている。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、高レベルの画質および3次元知覚を伴って、物理的現実に対する拡張として快適に知覚されることができ、かつ2次元コンテンツを提示可能であり得る光ベースの放射パターンを提示するように設計される。ディスプレイサブシステム104は、一続きの合成画像フレームを高周波数で提示し、単一コヒーレント場面の知覚を提供する。
ディスプレイサブシステム104は、投影サブシステム108と、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とを備えている。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、投影サブシステム108からの走査された光が、導波管ベースのディスプレイ中に投入され、例えば、無限遠より近い単一光学視認距離(例えば、腕の長さ)における画像、複数の離散光学視認距離もしくは焦点面における画像、および/または、複数の視認距離もしくは焦点面にスタックされ、立体3Dオブジェクトを表す画像層を生成する。明視野内のこれらの層は、ヒト視覚副系に一緒に連続して見えるように十分に近接してスタックされ得る(すなわち、一方の層は、隣接する層の乱信号円錐域内にある)。加えて、または代替として、写真要素が、2つ以上の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場合でも、明視野内の層間の遷移の知覚される連続性を増加させ得る(すなわち、一方の層は隣接する層の乱信号円錐域外にある)。ディスプレイサブシステム104は、単眼または双眼であり得る。
したがって、ディスプレイサブシステム104は、1つ以上の仮想オブジェクトの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5を参照すると、合成画像フレーム118が、図式的に図示され、セル120a-120mは、水平行または列122a-122nに分割されている。フレーム118の各セル120は、セル120が対応するそれぞれのピクセルのための複数の色および/または強度の各々のための値を規定し得る。例えば、フレーム118は、各ピクセルのために、赤色のための1つ以上の値124a、緑色のための1つ以上の値124b、および青色のための1つ以上の値124cを規定し得る。値124は、色の各々のためのバイナリ表現、例えば、色の各々のためのそれぞれの4ビット数として規定され得る。フレーム118の各セル120は、加えて、振幅を規定する値124dを含み得る。
フレーム118は、1つ以上のフィールド(集合的に、126)を含み得る。フレーム118は、単一フィールドから成り得る。代替として、フレーム118は、2つまたはさらにより多くのフィールド126a-126bを備え得る。フレーム118の完全な第1のフィールド126aのためのピクセル情報は、完全な第2のフィールド126bのためのピクセル情報の前に規定され得、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、記録、リンクされたリスト)において第2のフィールド126bのためのピクセル情報の前に生じる。提示サブシステムが3つ以上のフィールド126a-126bをハンドリングするように構成されると仮定すると、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126bに続き得る。
ここで図6を参照すると、フレーム118は、ラスタ走査パターン128を使用して生成される。ラスタ走査パターン128では、ピクセル130(1つのみ指図される)が、連続して提示される。ラスタ走査パターン128は、典型的には、左から右に、(矢印132a、132bによって示される)、次いで、上から下に(矢印134によって示される)、ピクセルを提示する。したがって、提示は、右上角から開始し、ラインの終了に到達するまで、第1のライン136aを横断して左にトラバースし得る。ラスタ走査パターン128は、典型的には、次いで、次の下のラインにおいて左から開始する。提示は、1つのラインの終了から次のラインの開始まで戻るとき、一時的にブラックアウトまたはブランクにされ得る。このプロセスは、最下のライン136nが、例えば、最右下ピクセルにおいて完了するまで、ライン毎に繰り返される。フレーム118が完了すると、新しいフレームが、再び開始され、次のフレームの最上ラインの右に戻る。再び、提示は、次のフレームを提示するために左下から右上に戻る間、ブランクにされ得る。
ラスタ走査の多くの実装は、インターレース走査パターンと称されるものを採用する。インターレースラスタ走査パターンでは、第1および第2のフィールド126a、126bからのラインは、インターレースされる。例えば、第1のフィールド126aのラインを提示するとき、第1のフィールド126aのためのピクセル情報は、奇数ラインのためだけに使用され得る一方、第2のフィールド126bのためのピクセル情報は、偶数ラインのためだけに使用され得る。したがって、フレーム118(図5)の第1のフィールド126aのラインは全て、典型的には、第2のフィールド126bのラインの前に提示される。第1のフィールド126aは、第1のフィールド126aのピクセル情報を使用して提示され、ライン1、ライン3、ライン5等を連続して提示し得る。次いで、フレーム118(図5)の第2のフィールド126bは、第2のフィールド126bのピクセル情報を使用することによって、第1のフィールド126aに続いて提示され、ライン2、ライン4、ライン6等を連続して提示し得る。
図7を参照すると、スパイラル走査パターン140が、ラスタ走査パターン128の代わりに使用され、フレーム118を生成し得る。スパイラル走査パターン140は、コイルまたはループとして実証され得る、1つ以上の完全な角度サイクル(例えば、360度)を含み得る単一のスパイラル走査ライン142から成り得る。図6に図示されるラスタ走査パターン128と同様、スパイラル走査パターン140におけるピクセル情報は、角度が増えるにつれて、各連続的なピクセルの色および/または強度を規定するために使用される。振幅または半径方向値146は、スパイラル走査ライン142の開始点148からの半径方向寸法を規定する。
図8を参照すると、リサージュ走査パターン150が、代替として、使用され、フレーム118を生成し得る。リサージュ走査パターン150は、コイルまたはループとして実証され得る、1つ以上の完全な角度サイクル(例えば、360度)を含み得る単一のリサージュ走査ライン152から成り得る。代替として、リサージュ走査パターン150は、リサージュ走査ライン152をネスト化するために各々が互いに対して位相シフトされる2つ以上のリサージュ走査ライン152を含み得る。ピクセル情報は、角度が増えるにつれて、各連続的なピクセルの色および/または強度を規定するために使用される。振幅または半径方向値は、リサージュ走査ライン152の開始点156からの半径方向寸法154を規定する。
図9を参照すると、マルチフィールドスパイラル走査パターン158が、代替として、使用され、フレーム118を生成し得る。マルチフィールドスパイラル走査パターン158は、2つ以上の異なるスパイラル走査ライン(集合的に、160)、具体的には、4つのスパイラル走査ライン160a-160dを含む。各スパイラル走査ライン160のためのピクセル情報は、フレームのそれぞれのフィールドによって規定され得る。有利には、複数のスパイラル走査ライン160は、スパイラル走査ライン160の各連続するもの間の位相を単にシフトさせることによってネスト化され得る。差異スパイラル走査ライン160間の位相は、採用されるであろうスパイラル走査ライン160の総数の関数となるはずである。例えば、4つのスパイラル走査ライン160a-160dは、90度位相シフトによって分離され得る。例示的実施形態は、10の異なるスパイラル走査ライン(すなわち、サブスパイラル)を伴って、100Hzリフレッシュレートで動作し得る。図7の実施形態と同様、1つ以上の振幅または半径方向値は、スパイラル走査ライン160の開始点164からの半径方向寸法162を規定する。
図4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の位置および移動ならびに/またはエンドユーザ50の眼の位置および眼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つ以上のセンサ(図示せず)を備えている。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)を含み得る。
例えば、一実施形態では、仮想画像生成システム100は、1つ以上の慣性変換器を含み、エンドユーザ50の頭部54の移動を示す慣性尺度を捕捉する頭部装着型変換器サブシステム126を備えている。そのようなものは、エンドユーザ50の頭部の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得る。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、加速度、および/または位置を検出するために使用され得る。
仮想画像生成システム100はさらに、1つ以上の前向きカメラ128を備え、それらは、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。前向きカメラ128は、その環境およびその環境内の特定のオブジェクトに対するエンドユーザ50の距離および向きを示す情報を捕捉するために使用され得る。頭部装着型であるとき、前向きカメラ128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特定のオブジェクトに対するエンドユーザ50の頭部54の距離および向きを示す情報を捕捉するために好適である。前向きカメラ128は、例えば、頭部の移動、頭部の移動の速度、および/または加速を検出するために採用され得る。前向きカメラ128は、例えば、少なくとも部分的に、エンドユーザ50の頭部54の向きに基づいて、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得る。向きは、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)において検出され得る。
仮想画像生成システム100は、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ための一対の後向きカメラ129をさらに備えている。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、判別され得る。
仮想画像生成システム100はさらに、患者の向き検出モジュール130を備えている。患者の向きモジュール130は、エンドユーザ50の頭部54の瞬時位置を検出し、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の位置を予測し得る。有意には、エンドユーザ50の頭部54の瞬時位置の検出は、エンドユーザ50が見ている特定の実際のオブジェクトの決定を促進し、それによって、その実際のオブジェクトのために生成されるべき特定のテキストメッセージの指示を提供し、さらに、テキストメッセージがストリーミングされるべきテキスト領域の指示を提供する。患者の向きモジュール130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ている。制御サブシステムは、いくつかのコントローラ、例えば1つ以上の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)、他の集積回路コントローラ、例えば、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブルゲートアレイ(PGA)、例えば、フィールドPGA(FPGAS)、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)132と、グラフィック処理ユニット(GPU)134と、1つ以上のフレームバッファ136とを備えている。CPU132は、全体的動作を制御する一方、GPU134は、遠隔データリポジトリ150内に記憶される3次元データから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136内に記憶する。図示されないが、1つ以上の追加の集積回路が、フレームのフレームバッファ136の中への読み込みおよび/またはそこからの読み取りならびにディスプレイサブシステム104の走査デバイスの動作を制御し得る。フレームバッファ146の中への読み込みおよび/またはそこからの読み取りは、動的アドレス指定を採用し得、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、読み取り専用メモリ(ROM)138と、ランダムアクセスメモリ(RAM)140とを備えている。仮想画像生成システム100はさらに、3次元データベース142を備え、そこからGPU134は、フレームをレンダリングするための1つ以上の場面の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まれ得る。例えば、図10a-10d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接続性146等によって、ディスプレイサブシステム104およびセンサ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144を備えている。ローカル処理およびデータモジュール144は、フレーム構造102に固定して取り付けられる(図10a)、ヘルメットもしくは帽子56に固定して取り付けられる(図10b)、ヘッドホン内に埋設される、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10c)、またはベルト結合式構成においてエンドユーザ50の腰60に除去可能に取り付けられる(図10d)等、種々の構成で搭載され得る。仮想画像生成システム100はさらに、有線導線または無線接続性150、152等によって、ローカル処理およびデータモジュール144に動作可能に結合される遠隔処理モジュール148および遠隔データリポジトリ150を備え、これらの遠隔モジュール148、150は、互い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144に対してリソースとして利用可能である。
ローカル処理およびデータモジュール144は、電力効率的プロセッサまたはコントローラとフラッシュメモリ等のデジタルメモリとを備え得、両方とも、センサから捕捉されたデータ、および/または、おそらくそのような処理または読み出し後、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148および/または遠隔データリポジトリ150を使用して取得ならびに/もしく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得る。遠隔処理モジュール148は、データおよび/または画像情報を分析ならびに処理するように構成される1つ以上の比較的に強力なプロセッサまたはコントローラを備え得る。遠隔データリポジトリ150は、比較的に大規模なデジタルデータ記憶設備を備え得、これは、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における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。一実施形態では、全データが、記憶され、全計算は、ローカル処理およびデータモジュール144において行われ、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。
前述の種々のコンポーネント間の結合146、152、154は、有線もしくは光学通信を提供するための1つ以上の有線インターフェースもしくはポート、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つ以上の無線インターフェースもしくはポートを含み得る。いくつかの実装では、全ての通信は、有線であり得る一方、他の実装では、全ての通信は、無線であり得る。なおもさらなる実装では、有線および無線通信の選択は、図10a-10dに図示されるものと異なり得る。したがって、有線または無線通信の特定の選択は、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、患者の向きモジュール130は、ローカル処理およびデータモジュール144内に含まれる一方、CPU132およびGPU134は、遠隔処理モジュール148内に含まれるが、代替実施形態では、CPU132、GPU124、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144内に含まれ得る。3Dデータベース142は、遠隔データリポジトリ150に関連付けられることができる。
ここで図11および12を参照すると、ディスプレイ画面110は、一次導波管装置200を備えている。一次導波管装置200は、1つ以上の一次平面導波管202(1つのみが図11および12に示される)と、一次導波管202の少なくともいくつかの各々に関連付けられた1つ以上の回折光学要素(DOE)204(1つのみが図11および12に示される)とを含む。図12に最良に図示されるように、各一次導波管202は、第1の端部206aと、第2の端部206bとを有し、第2の端部206bは、一次導波管202の長さ208に沿って第1の端部206aと対向する。一次導波管202の各々は、第1の面210aと、第2の面210bとを有し、少なくとも第1および第2の面210a、210b(集合的に、210)は、一次導波管202の長さ208の少なくとも一部に沿って少なくとも部分的に内部反射光学経路(矢印212aおよび破線矢印212b、集合的に、212によって図示される)を形成する。一次導波管202は、定義された臨界角未満において面210に衝打する光に対して、実質的全内部反射(TIR)を提供する種々の形態をとり得る。一次導波管202の各々は、例えば、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネートの面板もしくは平面の形態をとり得る。
DOE204(点鎖二重線によって図11および12に図示される)は、TIR光学経路212を中断する多種多様な形態をとり得、一次導波管202の内部216と外部218との間に複数の光学経路(矢印214aおよび破線矢印214b、集合的に、214によって図示される)を提供し、複数の光学経路は、一次導波管202の長さ206の少なくとも一部に沿って延びている。DOE204は、見掛けオブジェクトおよび見掛けオブジェクトのための焦点面の位置付けを可能にし得る。これは、フレーム毎、サブフレーム毎、またはさらにピクセル毎に達成され得る。
図12に図示されるように、光は、TIR伝搬から生じる少なくともいくつかの反射または「跳ね返り」を伴って、一次導波管202に沿って伝搬する。いくつかの実装は、反射を促進し得る1つ以上の反射体(例えば、薄膜、誘電コーティング、金属化コーティング等)を内部光学経路内に採用し得ることに留意されたい。光は、一次導波管202の長さ208に沿って伝搬し、長さ208に沿う種々の位置において1つ以上のDOE204と交差する。DOE204は、一次導波管202内に組み込まれるか、または一次導波管202の面210のうちの1つ以上のものに接触もしくは隣接し得る。DOE204は、少なくとも2つの機能を遂行する。DOE204は、光の角度をシフトさせ、光の一部に、TIRから逃散させ、一次導波管202の1つ以上の面210を介して内部216から外部218に現れさせる。DOE204は、外部結合される光を1つ以上の視認距離において集中させる。したがって、一次導波管202の面210aを通して見る者は、1つ以上の視認距離にデジタル画像を見る。
図13a-13cを参照すると、ディスプレイ画面110は、分配用導波管装置222を備え、光を第1の軸(図11aにおける垂直またはY-軸)に沿って中継し、光の有効射出瞳を第1の軸(例えば、Y-軸)に沿って拡張させる。分配用導波管装置222は、例えば、1つ以上の分配用平面導波管224(1つのみが示される)と、分配用平面導波管224の各々に関連付けられたDOE226(二重点鎖線によって図示される)とを含み得る。分配用平面導波管224は、少なくともいくつかの点において、それと異なる向きを有する一次導波管202と同様または同じであり得る。同様に、DOE226も、少なくともいくつかの点において、DOE204と同様または同じであり得る。例えば、分配用平面導波管220および/またはDOE226は、それぞれ、一次導波管202および/またはDOE204と同一材料から成り得る。
中継され、射出瞳が拡張された光は、分配用導波管装置222から一次導波管202の中に光学的に結合される。一次導波管202は、光を、一実施形態では、第1の軸に直交する、第2の軸(例えば、図13aの水平またはX-軸)に沿って中継する。特に、第2の軸は、第1の軸と非直交軸であることもできる。一次導波管202は、光の有効射出瞳をその第2の軸(例えば、X-軸)に沿って拡張させる。特に、分配用平面導波管224は、光を垂直またはY-軸に沿って中継および拡張させ、その光を一次導波管202に通過させることができ、一次導波管202は、光を水平またはX-軸に沿って中継および拡張させる。
ディスプレイ画面110は、光学無限遠より近くに位置付けられることが可能な単一焦点面に画像を生成し得る。コリメートされた光は、図13bに示されるように、全内部反射によって分配用平面導波管224に沿って垂直に伝搬し、そうすることにおいて、DOE226と繰り返し交差する。DOE226は、一実施形態では、低回折効率(例えば、50%未満)を有する。これは、光の一部(例えば、10%)がDOE226との交差点の各点においてより大きい一次平面導波管202の縁に向かって回折されるようにし、光の一部に、TIRを介して分配用平面導波管224の長さに沿ってその元の軌道を継続させる。DOE226との交差点の各点において、追加の光が、一次導波管202の入口に向かって回折される。入って来る光を複数の外部結合された組に分割することによって、光の射出瞳は、分配用平面導波管224内のDOE226によって垂直に拡張される。分配用平面導波管224からの結合されたこの垂直に拡張された光は、一次導波管202の縁に入る。
一次導波管202に入る光は、TIRを介して一次導波管202に沿って水平に伝搬する(図13bに示されるように)。光は、それがTIRを介して一次導波管202の長さの少なくとも一部に沿って水平に伝搬するにつれて、複数の点においてDOE204と交差する。DOE204は、有利には、線形回折格子と放射対称な回折レンズとの総和である位相プロファイルを有するように設計または構成され得る。DOE204は、有利には、低回折効率を有し得る。伝搬する光とDOE204との間の交差点の各点において、光の一部は、一次導波管202の隣接する面に向かって回折され、光がTIRから逃散し、一次導波管202の面から現れることを可能にする。DOE204の放射対称なレンズ実施形態は、加えて、焦点レベルを回折される光に付与し、個々のビームの光波面を成形することと(例えば、曲率を付与する)、設計される焦点レベルに一致する角度にビームを操向することとの両方を行う。図13bに図示されるように、4つのビーム228a-228dが、焦点228まで幾何学的に延び、各ビームは、有利には、凸面波面プロファイルを付与され、その凸面波面は、画像または仮想オブジェクト230aを所与の焦点面に生成するための焦点228に半径の中心を有している。
図13cを参照すると、ディスプレイ画面110は、多焦点立体ディスプレイ、画像、または明視野を生成し得る。第1の4つのビームの組228a-228dは、焦点230aまで幾何学的に延び、各ビーム228a-228dは、有利には、凸面波面プロファイルを付与され、焦点230aにおける半径の中心は、画像または仮想オブジェクト232aの別の部分をそれぞれの焦点面において生成する。第2の4つのビームの組228e-228hは、焦点230bまで幾何学的に延び、各ビーム228e-228hは、有利には、凸面波面プロファイルを付与され、焦点230bにおける半径の中心は、画像または仮想オブジェクト232bの別の部分をそれぞれの焦点面において生成する。
図11-13に図示されるディスプレイサブシステム104の実施形態では、単一投影サブシステム108が、画像データをディスプレイ画面110に提供するために使用される。図11-13に図示されるディスプレイシステムと対照的に、ディスプレイサブシステム104は、複数の投影サブシステム108a-108e(5つのみが示され、集合的に、108)を備え、図14に図示されるように、それぞれの画像データをディスプレイ画面110に提供し得る。投影サブシステム108は、概して、ディスプレイ画面110の縁234に沿ってアレイ化または配列され、かつそれに沿って配置される。例えば、平面導波管202の数と投影サブシステム108の数との間には、1対1(1:1)の比率または相関が存在し得る。
ディスプレイサブシステム104は、単一の一次平面導波管202の使用を可能にすることができる。複数の投影サブシステム108は、例えば、エンドユーザの頭部のこめかみに最も近い一次平面導波管202の縁234に沿って線形アレイで配置されることができる。各投影サブシステム108は、サブ画像データをエンコードする変調された光を一次平面導波管202の中に異なるそれぞれの位置から投入し、したがって、光の異なる経路を生成する。これらの異なる経路は、多様なDOEによって、異なる角度、焦点レベルにおいて光が一次平面導波管202の外に結合されることを生じさせること、および/または、異なる充填パターンを射出瞳においてもたらすことができる。射出瞳における異なる充填パターンは、明視野ディスプレイを作成するために有益に使用されることができる。スタックまたはスタック内の層の組(例えば、3層)における各層は、それぞれの色(例えば、赤色、青色、緑色)を生成するために採用され得る。したがって、例えば、第1の3つの隣接する層の組は、赤色、青色、および緑色光を第1の焦点深度にそれぞれ生成するために採用され得る。第2の3つの隣接する層の組は、赤色、青色、および緑色光を第2の焦点深度にそれぞれ生成するために採用され得る。複数の組は、種々の焦点深度を伴う完全3Dまたは4D色画像フィールドを生成するために採用され得る。
ここで図15を参照すると、各平面導波管202は、複数のDOE204a-204d(それぞれ、二重点鎖線として4つが図示され、集合的に、204)を含み得る。DOE204は、ディスプレイ画面110の視野と略平行な軸236に沿ってスタック、アレイ化、または配列される。全て内部にあるように図示されるが、いくつかの実装では、DOE204のうちの1つ、それを上回るもの、またはさらに全てが、一次導波管202の外部にあり得る。
いくつかの実装では、各DOE204は、独立して、オンおよびオフが切り替えられることが可能であり得る。すなわち、各DOE204は、それぞれのDOE204がそれぞれのDOE204と交差する光の有意な割合を回折するように、アクティブにされることができるか、または、それぞれのDOE204がそれぞれのDOE204と交差する光を全く回折しないかもしくは光の有意ではない割合のみを回折するかのいずれかであるように、非アクティブにされることができる。「有意な」とは、本文脈では、一次導波管202から外に結合されるとき、ヒト視覚系によって知覚されるために十分な光を意味し、「有意ではない」とは、ヒト視覚系によって知覚されるために十分ではない光、または視認者によって無視されるほど十分に低いレベルを意味する。
切り替え可能なDOE204は、一次平面導波管202内の1つのみのDOE204が、一次平面導波管202内の光をアクティブに回折し、一次平面導波管202の1つ以上の面210から知覚可能量で現れるように、一度に1つずつオンに切り替えられ得る。代替として、2つ以上のDOE204は、それらの回折効果が組み合わせられるように、同時にオンに切り替えられ得る。
DOEの組内の各DOE204は、異なる位相マップを有することができる。例えば、各DOE204は、各DOE204が、オンに切り替えられると、光をX、Y、またはZにおける異なる位置に向かわせるように、それぞれの位相マップを有することができる。DOE204は、それらの線形格子実施形態および/またはそれらの放射対称な回折レンズ実施形態において、例えば、互いから変動し得る。DOE204がその回折レンズ実施形態において互いから変動する場合、異なるDOE204(またはDOE204の組み合わせ)は、サブ画像を異なる光学視認距離、すなわち、異なる焦点距離に生成するであろう。DOE204がそれらの線形格子実施形態において互いから変動する場合、異なるDOE204は、互いに対して側方シフトされたサブ画像を生成するであろう。そのような側方シフトは、中心窩ディスプレイを作成すること、非均質分解能または他の非均質ディスプレイパラメータ(例えば、輝度、ピーク波長、偏光等)を伴うディスプレイ画像を異なる側方位置に操向させること、走査される画像のサイズを増加させること、射出瞳の特性における変動を生成すること、および/または明視野ディスプレイを生成することを行うために有益に使用されることができる。側方シフトは、有利には、タイル表示を事前形成するために、または、タイル表示効果を生成された画像において実現するために採用され得る。
例えば、組内の第1のDOE204が、オンに切り替えられると、一次導波管202の一次または放出面210aを見ている視認者のために、画像を1メートルの光学視認距離(例えば、図13cにおける焦点230b)に生成し得る。組内の第2のDOE204は、オンに切り替えられると、一次導波管202の一次または放出面210aを見ている視認者のために、画像を1.25メートルの光学視認距離(例えば、図13bにおける焦点230a)に生成し得る。例示的DOE204を急速な時系列で(例えば、フレーム毎、サブフレーム毎、ライン毎、サブライン毎、ピクセル毎、またはサブピクセル毎に)オンおよびオフに切り替え、投影サブシステム108によって一次導波管202の中に投入されている画像データを同期して変調させることによって、視認者に単一場面であるように知覚される複合多焦点立体画像が、形成される。異なるDOE204によって、異なるオブジェクトまたはオブジェクトの一部を視認者の眼に中継されるサブ画像にレンダリングすることによって(図13cにおける場所232bにおいて)、仮想オブジェクトもしくは画像が異なる光学視認距離に設置されること、または仮想オブジェクトもしくは画像が複数の焦点面を通して延びている3D立体として表されることができる。
ここで図16を参照すると、ディスプレイ画面110は、複数の平面導波管202a-202d(4つが示され、集合的に、202)を備え得る。一次導波管202a-200dは、ディスプレイ画面110の視野と略平行な軸236に沿ってスタック、アレイ化、または配列される。一次導波管202の各々は、少なくとも1つのDOE204(図16では、点鎖二重線によって図示され、1つのみが指図される)を含む。全て内部にあるように図示されるが、いくつかの実装では、DOE204のうちの1つ、それを上回るもの、またはさらに全てが、一次導波管202の外部にあり得る。加えて、または代替として、平面導波管202あたりDOE204の単一線形アレイを用いて図示されるが、一次導波管202のうちの1つ以上のものは、図15に関して説明される実装と同様、2つ以上のスタック、アレイ化、または配列されたDOE204を含み得る。
一次導波管202の各々は、図15の実施形態におけるDOE204の動作と同様に機能し得る。すなわち、それぞれの平面導波管202のDOE204の各々は、それぞれの位相マップを有し得、種々のDOE204の位相マップは、互いに異なる。DOE204の動的切り替え(例えば、オン/オフ)が、図15の実施形態で採用されたが、これは、図16の実施形態では回避されることができる。動的切り替えの代わりに、またはそれに加えて、ディスプレイシステム110は、それぞれの位相マップに基づいて、光を一次導波管202に選択的にルーティングし得る。したがって、所望の位相マップを有する特定のDOE204をオンにするのではなく、ディスプレイシステム110は、所望の位相マッピングを伴うDOE204を有する、またはそれに関連付けられた特定の平面導波管202に光をルーティングし得る。再び、これは、DOE204の動的切り替えの代わりであるか、またはそれに加えてであり得る。
一例では、投影サブシステムは、それぞれの位相マップに基づいて、選択的に動作させられ、光を一次導波管202に選択的にルーティングし得る。別の例では、各DOE204は、図15の実施形態におけるDOE204のオンおよびオフの切り替えを参照して説明されたものと同様、独立して、オンおよびオフに切り替えられることが可能であり得る。DOE204は、それぞれの位相マップに基づいて、オンおよびオフに切り替えられ、光を一次導波管202に選択的にルーティングし得る。
図16に図示されるように、光線は、一次導波管のうちの2つ、202a、202dから外向きに発する。例証目的のために、第1の平面導波管202aは、平面または平坦波面(光線240についての平坦線238によって図示され、図面を明確にするために、各々のうちの1つのみの事例が指図されている)を無限焦点距離に生成する。対照的に、一次導波管のうちの別の1つ、202dは、凸面波面(光線244について弧242によって図示され、図面を明確にするために、各々のうちの1つのみの事例が指図されている)を無限遠未満の定義された焦点距離(例えば、1メートル)に生成する。図17に図示されるように、一次導波管202は、外観および/または光学視認距離を側方にシフトさせ得る(すなわち、射出瞳248に対する仮想オブジェクト246a-246cの異なる焦点距離)。
図11-13に戻って参照すると、投影サブシステム108は、光を生成する(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つ以上の光源250と、制御信号に応答して、光を所定の走査パターン(例えば、図5-9に関して前述のもの等)で走査する走査デバイス252と、走査デバイス252からの光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254とを含む。
光源250は、多種多様な形態のいずれかをとり得、例えば、ピクセル情報またはデータのそれぞれのフレーム内で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された光をそれぞれ生成するように動作可能なRGBレーザの組(例えば、赤色、緑色、および青色光を出力可能なレーザダイオード)。レーザ光は、高色飽和を提供し、非常にエネルギー効率的である。
走査デバイス252は、1つ以上の光ファイバ256(例えば、単一モード光ファイバ)を備え、それらの各々は、光が光源250から受け取られる近位端256aと、そこから光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256bとを有する。図18に最良に示されるように、光ファイバ256は、開口256c(想像線で示される)を備え、光は、そこから光ファイバ256の遠位端256bを出る。捩れ等の断続性回折光学要素または反射要素(図示せず)が、開口256cに隣接して光ファイバ256の中に組み込まれ、それによって、光を開口256cを通して光ファイバ256から軸外に向かわせることができる。走査デバイス252はさらに、光ファイバ256が搭載される機械的駆動アセンブリ258を備えている。駆動アセンブリ258は、光ファイバ256の遠位端256bを走査パターンに従って変位させるために構成される。
この目的を達成するために、駆動アセンブリ208は、光ファイバ256が搭載される圧電要素264を備え、駆動電子機器266は、電気信号を圧電要素264に伝達し、それによって、光ファイバ256の遠位端256bに走査パターンに従って振動させるために構成される。したがって、光源250および駆動電子機器266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調整される。
図示される実施形態では、圧電要素264は、中空管の形態をとり、その場合、光ファイバ256の遠位端256bは、圧電管264を通され、またはそれを通して受け取られる。光ファイバ256の遠位端256bは、圧電管264から突出する。圧電管264は、4つの象限電極(図示せず)に関連付けられる。電極は、例えば、圧電管264の外側、外側表面、または外側周縁もしくは直径上にめっきされ得る。コア電極(図示せず)もまた、管264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266は、ワイヤ270を介して電気結合され、圧電管264を2つの軸において独立して曲げるように対向する対の電極(図示せず)を駆動する。光ファイバ256の突出遠位端256b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256の直径、長さ、および材料特性に依存する。圧電管264を光ファイバ256の第1の機械的共振モードの近傍で振動させることによって、光ファイバ256は、振動させられる。共振振動を2つの軸において刺激することによって、光ファイバ256の遠位端256bは、エリア充填2D走査において2軸方向において走査される。光ファイバ256の走査と同期して光源250の強度を変調させることによって、光ファイバ256から現れる光は、画像を形成する。
とりわけ、光ファイバ256の遠位端256bが図2および3に示されるものに類似する固定-自由可撓性カンチレバーとして圧電管264から突出する従来の場合では、走査デバイス252から放出される光は、比較的に大きな弧に及ぶであろう。修正を伴わない場合、比較的に大きな光学導波管入力装置272が、光ファイバ256の遠位端256bにおける比較的に大きな振れに対処するために必要とされるであろう。
図18に示されるように、光ファイバ256の遠位先端256dは、例えば、延長部またはコネクタ(図示せず)を介して等、好適な手段を使用して平面導波管装置200に対して取り付けられ(例えば、それに取り付けられ)、それによって、固定-固定カンチレバー構成を形成する(すなわち、光ファイバ256が圧電管264と平面導波管装置200との間に取り付けられる)。したがって、遠位先端256dが平面導波管装置200に取り付けられるので、遠位先端256dは、出力された光が支点と一致する縦軸から発散するように、支点を中心として変位させられない(図2および3に図示されるように)。むしろ、開口256cを含む光ファイバ256の部分は、出力された光が回折光学要素が及ぶ比較的に小エリアに内向きに収束するように、遠位先端256dと平面導波管装置200との間の取り付け点を中心としてしなる(以下にさらに詳細に説明される)。
開口256cは、開口256cによって放出される光の角度が、光ファイバ256が振動しているとき、光ファイバ256の変化する角度に対して固定された角度を有するように、受動的かつ固定的であることに留意されたい。例えば、光ファイバ256は、3つの異なるたわみ、したがって、3つの異なる局所角度を有するように図19に図示される。放出される光の角度が、光ファイバ256の局所角度に対して45度に固定される場合、光ビームは、軸外を指すであろうが、より小さいエリア、例証目的のために、焦点278に収束するであろう。
図11-13に戻って参照すると、簡単に前述されたように、光学結合サブシステム254は、光を走査デバイス252から導波管装置102に光学的に結合する。光学結合サブシステム254は、光を導波管装置102の端部の中に光学的に結合するための光学導波管入力装置272、例えば、1つ以上の反射表面、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む。光学結合サブシステム254は、加えて、または代替として、光ファイバ256からの光をコリメートする、コリメート要素274を含む。以下にさらに詳細に説明されるであろうように、コリメート要素274は、光ファイバ256上に取り付けられるか、または光学導波管入力装置272に対して取り付けられる(例えば、その上に取り付けられる)かのいずれかであり得る。
図20aに図示される一例では、コリメート要素274は、光ファイバ256に、特に、光ファイバ256の開口256c内に搭載される。コリメート要素274は、溶融または研磨等によって開口256c内に形成される単一レンズを備え得る。
コリメート要素274の場所にかかわらず、光は、コリメート要素274から光学導波管入力装置272の中心における焦点278に内向きに収束させられる。とりわけ、光を光学導波管入力装置272の中心に集中させることは、光学導波管入力装置272のサイズが最小化されることを可能にする。すなわち、光を光学導波管入力装置272の中心に集中させることは、光学導波管入力装置272の縁における掃引光経路の最悪の場合の発散スパンを最小化する。例えば、光が、図20cに図示されるように、光学導波管入力装置272の正面縁上に集中させられる場合、光学導波管入力装置272は、光学導波管入力装置272の後縁における掃引光経路のより大きい発散スパンに対処するためにより大きく作製されなければならない。光は、例証目的のために、焦点上に収束するように前述されたが、出力された光は、以下にさらに詳細に説明されるように、光学導波管入力装置272内に含まれる回折光学要素が及ぶ比較的に小エリアに内向きに収束し得ることを理解されたい。
ここで図21aを参照すると、走査デバイス252と光学導波管入力装置272の一実施形態との間の相互作用が、説明されるであろう。この場合、光学導波管入力装置272は、分配用導波管装置222の形態をとり、図13a-13cに関して説明される関連付けられた分配用導波管224およびDOE226a-226eを伴う。図20aに示されるように、光は、コリメート要素274からDOE226c上に収束させられ、それによって、DOE226のサイズを最小化する。その結果、分配用導波管224の全体的幅は、最小化される。光は、次いで、一次導波管202a-202eのうちの1つ以上のものに沿って選択的に伝達される。
ここで図21bを参照すると、DOE226は、代替として、直接、一次導波管装置200の中に組み込まれることができる。この場合、DOE226は、導波管装置200の一次平面導波管202a-202eに沿って平行にそれぞれ延びており、DOE226は、それぞれ、光学変調装置276からの光を一次導波管202に沿うように向かわせる。図21bに示されるように、光は、コリメート要素274からDOE226c上に収束させられ、それによって、DOE226のサイズを最小化する。焦点278は、入力光学変調装置276の中心にあるので、DOE226aおよび226eの長さは、最悪の場合のDOE226を最小化するために、等しくされることができる。その結果、導波管装置200の全体的サイズは、最小化される。
本発明の特定の実施形態が、図示および説明されたが、本発明を実施形態に限定することを意図するものではなく、種々の変化および修正が本発明の精神ならびに範囲から逸脱することなく成され得ることが、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、ならびに均等物を網羅することが意図される。

Claims (19)

  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、前記ディスプレイサブシステムは、
    平面導波管装置と、
    前記平面導波管装置に対して取り付けられている遠位先端と前記遠位先端の近位の開口とを有する光ファイバであって、前記光ファイバは、振動させられる、光ファイバと、
    前記光ファイバに結合され、光を前記光ファイバの前記開口から放出するために構成されている少なくとも1つの光源と、
    前記平面導波管装置が1つ以上の画像フレームを前記エンドユーザに表示するように、前記光を前記光ファイバの前記開口から前記平面導波管装置に沿って向かわせるために構成されている光学導波管入力装置と
    を備えている、ディスプレイサブシステム。
  2. 前記光ファイバの前記遠位先端は、前記平面導波管装置に搭載されている、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  3. 前記光ファイバからの光をコリメートするために構成されているコリメート要素をさらに備え、前記光学導波管入力装置は、前記コリメート要素からのコリメートされた光を前記平面導波管装置に沿って向かわせるために構成されている、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  4. 前記コリメート要素は、前記光ファイバの前記開口上に搭載されている、請求項3に記載のディスプレイサブシステム。
  5. 前記コリメート要素は、レンズである、請求項4に記載のディスプレイサブシステム。
  6. 前記レンズは、マイクロレンズである、請求項5に記載のディスプレイサブシステム。
  7. 前記コリメート要素は、前記平面導波管装置に搭載されている、請求項3に記載のディスプレイサブシステム。
  8. 前記光ファイバの前記開口から放出される光は、より小さいエリアに集中させられる、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  9. 前記光ファイバの前記開口から放出される光は、焦点に集中させられる、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  10. 前記より小さいエリアは、前記光学導波管入力装置内に位置している、請求項8に記載のディスプレイサブシステム。
  11. 前記光ファイバは、一次振動モードで振動させられる、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  12. 前記平面導波管装置は、複数の平面導波管を備え、前記複数の平面導波管は、それぞれ、前記1つ以上の画像フレームを異なる焦点において前記エンドユーザに表示するために構成され、前記光学導波管入力装置は、前記開口からの前記光を前記複数の平面導波管に沿って向かわせるために構成されている、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  13. 前記光学導波管入力装置は、複数の回折光学要素を備え、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記平面導波管に沿って平行に延び、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記開口からの前記光を前記平面導波管に沿って向かわせる、請求項12に記載のディスプレイサブシステム。
  14. 前記光学導波管入力装置は、前記平面導波管と垂直に延びている分配用導波管を備え、前記分配用導波管は、複数の回折光学要素を備え、前記複数の回折光学要素は、それぞれ、前記開口からの前記光を前記平面導波管に沿って向かわせる、請求項12に記載のディスプレイサブシステム。
  15. 前記平面導波管装置は、前記エンドユーザの眼の正面に位置付けられるために構成されている、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  16. 前記平面導波管装置は、前記エンドユーザの眼と周囲環境との間で視野内に位置付けられるため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1に記載のディスプレイサブシステム。
  17. 前記エンドユーザによって装着されるため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、前記平面導波管装置を支持している、請求項1に記載のディスプレイサブシステム。
  18. 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、前記仮想画像生成システムは、
    3次元場面を記憶しているメモリと、
    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ため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ために構成されている、ディスプレイサブシステムと
    を備えている、仮想画像生成システム。
  19. 前記制御サブシステムは、グラフィック処理ユニット(GPU)を備えている、請求項18に記載の仮想画像生成システム。
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