JP7118084B2 - 複合視野を利用するウェアラブルディスプレイデバイス - 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”Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ａ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ”と題された米国仮特許出願第６２／４７５，０８７号に対する優先権を主張するものである。

ウェアラブルディスプレイデバイスは、多くの場合、略均一な方向においてユーザの眼に画像フィールドを投影する接眼レンズを含む。ウェアラブルディスプレイデバイスの製造において本実践が継続されている１つの理由は、回折導波管の分離光学系が、概して、１つの方向に配向されている分離光学系によって放出される画像フィールドのために限定され、ディスプレイ用途において限定された視野をもたらすためである。このように画像フィールドを分離することは、単純な設計を促進するが、ユーザの眼へのこれらの接眼レンズの近接近は、多くの場合、ウェアラブルディスプレイデバイスによって表示可能な視野のサイズを限定する。ディスプレイのピクセルの有効角度を増加させること等のあるディスプレイ変形例が、ある程度これらの問題を改善することができるが、これらの変更は、多くの場合、付加的電力の必要性をもたらし、あるディスプレイ設計のためには技術的にも適していない場合がある。ウェアラブルデバイスが、概して、バッテリ給電されることを前提として、より高い電力出力は、ウェアラブルデバイスの使用可能動作時間の量を実質的に低減させ得る。

本開示は、概して、ウェアラブルディスプレイデバイスを使用するとき、ユーザの有効視野を拡大するための方法および装置に関する。

ウェアラブルデバイスの有効視野は、接眼レンズの各表示領域からの光出力が、概して、ユーザの眼に向かって配向されるように、接眼レンズと関連付けられる異なる表示領域からの光を異なる方向に配向することによって拡大されることができる。このように、ユーザの周辺視野内に位置する表示領域の一部によって放出されている光は、ユーザの眼に到達することができる。いくつかの実施形態では、より多数の表示領域が、有効視野をさらに増加させるために使用されることができる。より多数の表示領域は、各表示領域が１つの方向に配向される画像フィールドを放出することに限定される構成において有用である。例えば、ユーザの視野の遠い周辺領域のみを占有する表示領域は、ユーザの視野の近傍および遠い周辺領域の両方を占有する表示領域よりもユーザの眼に向かって精密に指向され得る。より多い数の表示領域を利用する実施形態はまた、より多数の表示領域をサポートするために、プロジェクタ等のより多数の光源を利用することができる。

プロジェクタと、プロジェクタから受け取られた光を第１の角度においてユーザに向かって再指向するように構成される第１の入力領域を有する、第１の光学経路と、第１の入力領域に隣接し、プロジェクタから受け取られた光を第１の角度とは異なる第２の角度においてユーザに向かって再指向するように構成される第２の入力領域を有する、第２の光学経路とを画定する、光学要素を備える、導波管システムとを含む、ウェアラブルディスプレイデバイスが、開示される。

プロジェクタと、導波管システムとを含む、別のウェアラブルディスプレイデバイスが、説明される。導波管システムは、プロジェクタから光を受け取るように構成される第１および第２の入力領域を有する、入力結合格子と、第１の入力領域および第２の入力領域のうちの対応するものから受け取られた光を透過するように構成される、第１および第２の直交瞳エキスパンダと、直交瞳エキスパンダのうちの対応するものから光を受け取り、光をユーザに向かって再指向するように構成される、第１および第２の射出瞳エキスパンダとを含む。第２の射出瞳エキスパンダは、第１の射出瞳エキスパンダとは異なる角度において導波管システムからの光を分離するように構成される。

プロジェクタと、第１の光学経路と、第１の光学経路とは別個であり、明確に異なる、第２の光学経路とを画定する、光学要素を含む、回折導波管システムとを含む、別のウェアラブルディスプレイデバイスが、説明される。第１および第２の光学経路は、プロジェクタから光を受け取るように構成される。第１の光学経路は、プロジェクタから受け取られた光の第１の部分を第１の角度においてユーザに向かって分離するように構成され、第２の光学経路は、プロジェクタからの光の第２の部分を第１の角度とは異なる第２の角度においてユーザに向かって分離するように構成される。
本明細書は、例えば、以下も提供する。
（項目１）
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、
光学要素を備える導波管システムであって、前記光学要素は、
前記プロジェクタから受け取られた光を第１の角度においてユーザに向かって再指向するように構成される第１の入力領域を有する第１の光学経路と、
第２の光学経路であって、前記第２の光学経路は、第２の入力領域を有し、前記第２の入力領域は、前記第１の入力領域に隣接し、前記プロジェクタから受け取られた光を前記第１の角度とは異なる第２の角度において前記ユーザに向かって再指向するように構成される、第２の光学経路と
を画定する、導波管システムと
を備える、ウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目２）
前記第１の入力領域は、入力結合格子の第１の側上に位置し、前記第２の入力領域は、前記入力結合格子の第２の側上に位置する、項目１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目３）
前記入力結合格子は、前記第１の入力領域において受け取られた前記光を第１の直交瞳エキスパンダに再指向し、前記第２の入力領域において受け取られた前記光を前記第１の直交瞳エキスパンダとは別個であり、明確に異なる第２の直交瞳エキスパンダに再指向する、項目２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目４）
前記プロジェクタは、光を前記第１の入力領域および前記第２の入力領域の両方の中に並行して指向するように構成される、項目１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目５）
前記導波管システムは、入力結合格子と、第１および第２の直交瞳エキスパンダと、第１および第２の射出瞳エキスパンダとを備える、項目１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目６）
前記第１の射出瞳エキスパンダは、前記第１の光学経路の一部を形成し、前記第２の射出瞳エキスパンダは、前記第２の光学経路の一部を形成し、前記第１の射出瞳エキスパンダから側方にオフセットされる、項目５に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目７）
前記光学要素は、回折光学要素を備える、項目１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目８）
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、
導波管システムであって、前記導波管システムは、
前記プロジェクタから光を受け取るように構成される第１および第２の入力領域と、
前記第１の入力領域および前記第２の入力領域のうちの対応するものから受け取られた光を透過するように構成される第１および第２の直交瞳エキスパンダと、
前記直交瞳エキスパンダのうちの対応するものから光を受け取り、前記光をユーザに向かって再指向するように構成される第１および第２の射出瞳エキスパンダと
を備える、導波管システムと
を備え、
前記第２の射出瞳エキスパンダは、前記第１の射出瞳エキスパンダとは異なる角度において前記導波管システムからの光を分離す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９）
前記第１および第２の入力領域は、入力結合格子の隣接する部分である、項目８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１０）
前記第１の射出瞳エキスパンダは、前記光を第１の角度において前記ユーザの眼のうちの第１のものに向かって再指向するように構成され、前記第２の射出瞳エキスパンダは、前記光を前記第１の角度とは異なる第２の角度において前記ユーザの眼のうちの第２のものに向かって再指向するように構成される、項目８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１１）
前記第１の入力領域は、前記第１の入力領域によって受け取られた少なくとも一部の光が前記第２の直交瞳エキスパンダによって透過されることを防止する光ブロックによって、前記第２の入力領域から分離される、項目８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１２）
前記プロジェクタは、第１のプロジェクタであり、前記ウェアラブルディスプレイデバイスはさらに、第２のプロジェクタを備える、項目８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１３）
前記導波管システムは、前記第１のプロジェクタおよび前記第２のプロジェクタの両方から放出された前記光の少なくとも一部を前記ウェアラブルディスプレイデバイスのユーザの片方の眼に送達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）
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、
光学要素を備える回折導波管システムであって、前記光学要素は、
第１の光学経路と、
前記第１の光学経路とは別個であり、明確に異なる第２の光学経路であって、前記第１および第２の光学経路は、前記プロジェクタから光を受け取るように構成され、前記第１の光学経路は、前記プロジェクタからの前記光の第１の部分を第１の角度においてユーザに向かって分離するように構成され、前記第２の光学経路は、前記プロジェクタからの前記光の第２の部分を前記第１の角度とは異なる第２の角度において前記ユーザに向かって分離するように構成される、第２の光学経路と
を画定する、回折導波管システムと
を備える、ウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１５）
前記回折導波管システムを支持するように定寸される開口部を画定するフレームをさらに備え、前記フレームは、前記ユーザの耳に係合するように構成されるテンプルを備える、項目１４に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１６）
前記プロジェクタは、前記テンプルに結合され、前記ユーザの眼から離れるように光を指向するように構成される、項目１５に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１７）
前記第１の光学経路は、第１の入力領域を備え、前記第２の光学経路は、前記第１の入力領域に隣接する第２の入力領域を備え、前記第１および第２の入力領域は、前記プロジェクタから前記光を受け取るように構成される、項目１４に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１８）
前記回折導波管システムはさらに、第３および第４の光学経路を備え、前記第３および第４の光学経路は、前記プロジェクタから光を受け取るように構成され、前記光の個別の第３および第４の部分を前記ユーザの眼に向かって分離する、項目１４に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
（項目１９）
前記プロジェクタは、第１のプロジェクタであり、前記ウェアラブルディスプレイデバイスはさらに、前記回折導波管システムの第３および第４の光学経路の中に光を投影するように構成される第２のプロジェクタを備える、項目１４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１の光学経路は、第１の入力結合格子と、第１の直交瞳エキスパンダと、第１の射出瞳エキスパンダとを備え、前記第２の光学経路は、前記第１の入力結合格子に隣接する第２の入力結合格子と、第２の直交瞳エキスパンダと、第２の射出瞳エキスパンダとを備える、項目１４に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。

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、例示的ウェアラブルデバイスの斜視図を示す。

図２Ａは、１つの方向に配向される光を放出するように構成される射出瞳エキスパンダを伴う一体表示領域を含む、導波管システムの一部の側面図を示す。

図２Ｂは、説明される実施形態による、ユーザの眼に広い視野を協働的に提示するように構成される、複数の表示領域に光を分配する導波管システムの一部の側面図を示す。

図３Ａは、説明される実施形態による、ユーザの眼に向かってプロジェクタによって放出される光を再指向するように構成される、別の導波管システムの斜視図を示す。

図３Ｂ－３Ｃは、説明される実施形態による、導波管システムの正面図および光線がユーザへの表示のために直交瞳エキスパンダを通して射出瞳エキスパンダの中に進行する様子を示す。 図３Ｂ－３Ｃは、説明される実施形態による、導波管システムの正面図および光線がユーザへの表示のために直交瞳エキスパンダを通して射出瞳エキスパンダの中に進行する様子を示す。

図３Ｄは、いくつかの実施形態では、２つの異なる表示領域から放出された光線が対向する方向においてユーザの眼に向かって分離され得る様子を示す。

図４は、説明される実施形態による、２つの接眼レンズを含み、各接眼レンズは、２つの明確に異なる表示領域を含む、別の導波管システムの斜視図を示す。

図５Ａは、説明される実施形態による、別の導波管システムの斜視図を示す。

図５Ｂは、説明される実施形態による、導波管システムを利用するディスプレイデバイスのユーザによって感じられる没入のレベルをさらに改良するために、各表示領域内の光線が個別の接眼レンズの中心領域に向かって付勢され得る様子を示す。

図５Ｃ－５Ｅは、説明される実施形態による、別の導波管システムの斜視図および正面図を示す。 図５Ｃ－５Ｅは、説明される実施形態による、別の導波管システムの斜視図および正面図を示す。 図５Ｃ－５Ｅは、説明される実施形態による、別の導波管システムの斜視図および正面図を示す。

図６は、説明される実施形態による、導波管システムの上側および下側端部の近傍に位置付けられるプロジェクタを有する、導波管システムを示す。

図７は、説明される実施形態による、投影光を眼に分配するための方法を描写する、フローチャートを示す。

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。

壁掛けディスプレイ等の従来のディスプレイは、多くの場合、複数の異なる角度から視認可能であるように設計される。このように、コンテンツが、そのようなディスプレイの近傍内の複数の異なる場所に位置付けられるユーザに提示され得る。これを遂行するために、ディスプレイの各ピクセル場所は、多くの場合、ディスプレイを視認するユーザが複数の異なる位置からディスプレイの一貫したビューを享受することが可能であるように、これが放出する光を大きい有効角度を横断して拡散するように要求される。残念ながら、大きい有効角度を伴うピクセルを有するディスプレイのために所望の画像輝度を維持することは、概して、小さい有効角度を有するピクセルを伴うディスプレイよりも多くのエネルギーを要求する。大きい有効角度構成は、壁コンセントにプラグ接続された大型定常ディスプレイに関して良好に機能し得るが、本構成は、バッテリ電力に依存するモバイルディスプレイデバイスのために理想的ではない場合がある。

一方、本発明の実施形態と関連して本明細書に説明されるもの等のウェアラブルディスプレイデバイスは、その位置が、概して、把握される単一のユーザにコンテンツを提示する役割を果たし得る。この理由から、そのようなウェアラブルディスプレイデバイスは、壁掛けディスプレイおよび広範囲の視認位置を横断して一貫した画像品質を提供することが意図される他のディスプレイデバイスの設計に反映される非効率的な要素のうちのいくつかを含む必要はない。例えば、ピクセル毎の有効角度は、実質的に低減され、光出力は、ユーザの眼の予期される位置と整合されることができる。下記にさらに詳細に説明されるように、これを遂行するための１つの方法は、表示領域が合成画像または画像ストリームを協働的に生成するように、ウェアラブルディスプレイの各接眼レンズを複数の表示領域にセグメント化することである。各表示領域は、次いで、画像または画像ストリームに関連付けられた配向の光の一部をユーザの眼の予期される位置に向かって分離す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、ウェアラブルディスプレイデバイスは、プロジェクタからの光をウェアラブルデバイスのユーザの眼に指向するように構成される、回折光学要素を含む。回折光学要素によって受け取られた光は、複数の光学経路に分配されることができ、経路のうちの各１つは、個別の表示領域のうちの１つに対応する。光学経路はそれぞれ、投影光を受け取るように構成される入力結合格子、１つ以上の射出瞳エキスパンダに光を分配するように構成される直交瞳エキスパンダ、およびユーザの眼に向かって光を分離するように構成される射出瞳エキスパンダによって画定されることができる。

いくつかの実施形態では、単一の入力結合格子が、複数の入力領域に細分化されることができ、したがって、入力結合格子によって受け取られた光は、複数の表示領域に分配されることができる。入力結合格子は、複数の方法でプロジェクタから受け取られた光を分割することができる。いくつかの実施形態では、入力結合格子の異なる領域は、ウェアラブルデバイスの異なる表示領域に対応することができる。光遮断要素が、入力結合格子の隣接する領域の間のクロストークを防止するために、入力結合格子内に位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、プロジェクタは、特定の光学経路に従って、投影光の特性を変化させるように構成されることができる。例えば、投影光の異なる部分が、異なる偏向を有することができる。いくつかの実施形態では、第１の偏向は、入力結合格子に入射する光が第１の方向に進行することをもたらし、第２の偏向は、入力結合格子に入射する光を第１の方向とは異なる第２の方向に進行させるであろう。偏向感受性入力結合要素（例えば、コレステリック液晶格子）およびそれに光学的に結合される偏向感受性入力結合要素を伴う導波管システムアーキテクチャの実施例が、２０１８年２月２２日に出願された米国特許出願第１５／９０２，９２７号にさらに詳細に説明されている。少なくともいくつかの実施例では、本明細書に説明されるシステムおよび技法のうちの１つ以上のものは、偏向に基づいて、光を異なる接眼レンズ構成要素に選択的に経路指定するように、そのような偏向感受性入力結合要素および導波管システムアーキテクチャを利用し得るということになる。代替として、プロジェクタは、光の波長を調節し、波長範囲の第１のセット内の光を１つの光学経路を辿って進行させ、波長範囲の第２のセット内の光を別の光学経路を辿って進行させ得る。いくつかの実施形態では、導波管の各光学経路の中に組み込まれた性質は、誤った光学経路に意図せず入射した光が、ユーザに向かって外部結合されることを防止し得る。

これらおよび他の実施形態は、図１－７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は、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、ウェアラブルデバイス１００の斜視図を示す。ウェアラブルデバイス１００は、破線枠によって示されるように、フレーム１０２の内部に面する表面に沿った種々の位置において１つ以上のプロジェクタを支持するように構成される、フレーム１０２を含む。いくつかの実施形態では、プロジェクタは、テンプル１０６の近傍の位置１０４に取り付けられることができる。代替として、または加えて、別のプロジェクタが、位置１０８に設置され得る。そのようなプロジェクタは、例えば、１つ以上のシリコン基板上液晶（ＬＣｏＳ）モジュールまたはファイバ走査デバイスを含んでもよいか、または、それと併せて動作してもよい。いくつかの実施形態では、位置１０４および１０８に配置されたプロジェクタからの光は、ユーザの眼への表示のために接眼レンズ１１０の中に誘導され得る。位置１１２に設置されたプロジェクタは、これが与える導波管システムへのプロジェクタの近接近のため、若干より小さくあり得る。より近接近することは、導波管システムが光をプロジェクタから接眼レンズ１１０に誘導する際、光損失の量を低減させることができる。いくつかの実施形態では、位置１１２におけるプロジェクタは、位置１０８または１０４に配置されるプロジェクタと併用されることができる。描写されないが、いくつかの実施形態では、プロジェクタはまた、接眼レンズ１１０の真下の位置に位置し得る。ウェアラブルデバイス１００はまた、センサ１１４および１１６を含むように描写される。センサ１１４および１１６は、ウェアラブルデバイス１００を囲繞する実世界環境を特性評価するように構成される、前方向きおよび側方向き光学センサの形態をとることができる。

図２Ａは、射出瞳エキスパンダから放出された画像フィールド２０２を１つの方向に配向するように構成される射出瞳エキスパンダを有する一体表示領域を含む、接眼レンズ１１０の側面図を示す。射出瞳エキスパンダは、全てが実質的に同一の方向に配向される、固定出力円錐２０２－１、２０２－２、および２０２－３をもたらす、均一な出力構成を有する回折格子の形態をとることができる。図２Ａの実施例では、接眼レンズ１１０の中心領域に沿って表示された像は、ユーザの眼２０４に到達し得る一方、接眼レンズ１１０の周辺に沿って表示された像の一部のみが、ユーザの眼２０４に到達し得る。より具体的には、固定出力円錐２０２－２を通して射出瞳エキスパンダから出射する光は、ユーザの眼２０４に到達し得るが、固定出力円錐２０２－１または２０２－３を通して瞳エキスパンダから出射する光は、ユーザの眼２０４によって観察され得ない。実際に、接眼レンズ１１０のピクセルは、大きい有効角度と関連付けられるにもかかわらず、導波管システム１１０によって生成される画像フィールドを構成する光の有意な部分は、単一の方向に配向されている画像フィールドによって眼２０４に到達し得ない。したがって、ユーザは、画像フィールド内の仮想コンテンツのサブセットのみを知覚することが可能であり得る。

図２Ｂは、広い視野を協働的に提示するように構成される異なる構成を有する、複数の表示領域２０６、２０８、および２１０を含む、接眼レンズ１１０の側面図を示す。いくつかの実施形態では、表示領域は、それぞれ、光線を異なる方向に投影する、異なるように構成される回折格子区分を含むことができる。例えば、表示領域２０６と関連付けられる例示的出力円錐２０２－４は、表示領域２０６内の離散場所から拡散する光を表すことができる。描写されるように、出力円錐２０２－４はそれぞれ、実質的に同一の角度において眼２０４に向かって下向きに角度付けられる。出力円錐２０２－４の群は、眼２０４に向かって配向される画像フィールドを表す。特に、表示領域を通して出射する光は、別様に回折格子区分の全てが同一の方向に配向された場合に到着するであろうものよりも実質的に多くの光が眼２０４に到着するように、眼２０４に向かって付勢されることができる。３つの描写される表示領域は、同様に定寸されるものとして描写されるが、ある場合には、表示領域２０８は、表示領域２０６および２１０よりも実質的に大きくあり得ることを理解されたい。例えば、表示領域２０８は、眼２０４によって視認可能な最大サイズに対応する領域を占有し得る。これは、表示領域２０６および２１０によって放出された光線がより大きい角度において配向されることを可能にし得、これは、眼２０４に関する有効視野をさらに増加させ得る。

図３Ａは、プロジェクタ３０２からの光をユーザの眼に指向するように構成される、導波管システム３００の斜視図を示す。回折光学系を使用する導波管システムのより詳細な説明が、関連出願番号第１５／８４９，５２７号においてより詳細に示されている。いくつかの実施形態では、プロジェクタ３０２は、図１に示されるように、位置１０８においてディスプレイフレームに搭載されることができる。導波管システムは、入力結合格子３０４と、直交瞳エキスパンダ３０６と、射出瞳エキスパンダ３０８とを含む。入力結合格子３０４は、光が直交瞳エキスパンダ３０６に向かって配向されるように、プロジェクタ３０２によって放出された光を約９０度回折す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、入力結合格子３０４は、光が誤った直交瞳エキスパンダ３０６に意図せず進行することを防止するように構成される、１つ以上の光遮断要素３１０を含むことができる。光遮断要素３１０は、導波管システム３００内に埋設される、光学吸収性構造の形態をとることができる。吸収性構造は、吸収性粒子（例えば、黒色塗料）、空洞、または導波管システム内のカットガラス等の明確に異なる界面を含むことができる。いくつかの実施例では、光遮断要素３１０は、迷光をウェアラブルデバイスの１つ以上の他の構成要素によって消費され得る電力に変換するための１つ以上の光起電要素を含んでもよい。直交瞳エキスパンダ（ＯＰＥ）３０６は、入力結合格子３０４の周囲に分配され、着信する光を、表示領域３１２－１から３１２－４を横断して光を分配する種々の射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）３０８の中に指向することができる。いくつかの実施形態では、光遮断要素はまた、ＯＰＥの間のクロストークを防止するために、隣接する直交瞳エキスパンダの間に位置付けられることができる。ＥＰＥ３０８は、次いで、導波管システム３００からの光をユーザの眼に向かって分離する。

図３Ｂは、導波管システム３００の正面図と。光線３１４が、入力結合格子３０４の入力領域３１６－１、３１６－２、３１６－３、または３１６－４のうちの１つにおいて導波管システム３００の中に、次いで、直交瞳エキスパンダ３０６のうちの対応するものを通して、そして最後に、ユーザの眼に向かう外部結合のために射出瞳エキスパンダ３０８の中に進行する様子とを示す。いくつかの実施形態では、各入力領域は、その独自の入力結合格子を有する、物理的に明確に異なる光学要素である。これらの実施形態では、光遮断要素３１０は、導波管システム３００内に埋設されない場合があるが、代わりに、入力領域３１６－１、３１６－２、３１６－３、または３１６－４が対応する４つの光学要素のそれぞれの間に配置されてもよい。描写されるように、光線３１４は、それらが直交瞳エキスパンダ３０６を通して進行する際、方向における変化を受ける。いくつかの実施形態では、入力結合格子３０４によって受け取られた光線３１４の少なくとも一部は、光線３１４が導波管システム３００を通して進行する際に表示領域の異なる部分に分配される、複数の光線３１４に分割または回折されることができる。例えば、入力領域３１６－１を表示領域３１２－１に結合する直交瞳エキスパンダ３０６の下面は、入力領域３１６－１から進行する光線３１４の一部が射出瞳エキスパンダ３０８の中に真っ直ぐ通過することを可能にする一方、その他を同一の直交瞳エキスパンダ３０６の上面に向かって再指向する、ビーム分割機能を提供してもよい。射出瞳エキスパンダ３０８の中に真っ直ぐ通過する光線３１４は、本実施例では、表示領域３１２－１の下側部分を通した出力のために提供されてもよい。同一の直交瞳エキスパンダ３０６の上面は、順に、表示領域３１２－１の上側部分を通した出力のために、射出瞳エキスパンダ３０８の中に他の光線３１４を再指向するように、ミラーを含む、またはそれとして機能してもよい。直交瞳エキスパンダ３０６は、類似する様式で機能してもよい。光線３１４は、表示領域３１２を横断して一直線に進行するように描写されるが、導波管システム３００からの光線を分離することに加えて、射出瞳エキスパンダ３０８はまた、表示領域３１２－１－３１２－４を横断して光線３１４を分配するように構成される光学要素を含み得ることを理解されたい。

図３Ｃは、導波管システム３００と類似する特徴を有する、導波管システム３５０を示す。特に、直交瞳エキスパンダ３０６の内面３５２は、光３１４の一部が直交瞳エキスパンダ３０６を離れ、次いで、表示領域３１２のうちの１つの中に戻るように入射することを可能にする、半透明側壁を含む。いくつかの実施形態では、内面３５２は、正しい配向において偏向された光線３１４のそれらの部分のみを通過させる一方、光線３１４の他の部分を直交瞳エキスパンダ３０６内に保つように偏向され得る。図３Ｄは、いくつかの実施形態では、入力結合格子３０４が、２つの異なる表示領域３１２－２および３１２－４から放出された光線３１４内の中心に来るように下方に偏移され、表示領域３１２から対向する方向に分離されることによって眼２０４に向かって分離され得る様子を示す。

図４は、２つの接眼レンズ４０１を有する、導波管システム４００の斜視図を示す。導波管システム４００は、位置１０４（図１参照）に配置される２つのプロジェクタ４０２を含む。各プロジェクタ４０２は、光を各接眼レンズ４０１の２つの明確に異なる表示領域４０４に分配するように構成されることができる。プロジェクタ４０２によって放出される仮想コンテンツは、ユーザによって観察される仮想コンテンツが同期して留まるように同期されることができる。プロジェクタ４０２によって放出される光の経路指定は、図３Ｂに描写される光線と類似する方法で行われることができる。例えば、光を２つの別個の直交瞳エキスパンダ４０８に再指向するように設計される２つの別個の入力領域４０６を含む入力結合格子４０６が、描写される。

図５Ａは、導波管システム５００の斜視図を示す。導波管システム５００は、投影光を接眼レンズ５０１毎の４つの明確に異なる表示領域の中に分配するように構成されることができる。これは、それぞれ、位置１０４および１０８（図１参照）に配置される、側方プロジェクタ５０２および中央プロジェクタ５０４の両方を使用して、光を導波管システム５００の中に投影することによって遂行されることができる。各プロジェクタからの光は、入力結合格子５０６および直交瞳エキスパンダ５０８によって受け取られ、対応する表示領域５１０に分配される。表示領域５１０のそれぞれの中に配置される射出瞳エキスパンダは、投影光を垂直および水平の両方で、ユーザの眼の位置に対応する位置に向かって付勢するように構成されることができる。水平付勢は、ユーザの水平視野が垂直視野よりも広い傾向があるため、ユーザの総有効視野を拡大する際に特に有用であり得る。

図５Ｂに示されるように、各表示領域５１０内の光線５１２は、導波管システム５００を利用するディスプレイデバイスのユーザによって感じられる没入のレベルをさらに改良するために、個別の接眼レンズ５０１の中心領域に向かって付勢されることができる。このように、接眼レンズ５０１の個別の上側および下側上に位置付けられる光線５１２の垂直成分は、対向する方向に配向される。同様に、接眼レンズ５０１のうちの１つの個別の左側および右側上に位置付けられる光線５１２は、対向する水平成分を有する。描写される実施形態は、点線パーティション化表示領域５１０に沿って位置付けられる光遮断要素によって４つの等しく定寸された表示領域５１０に分割される接眼レンズ５０１のそれぞれを示すが、表示領域５１０はまた、不均一に分割され得ることを理解されたい。例えば、関連付けられるウェアラブルディスプレイデバイスのテンプルにより近接して位置付けられる表示領域５１０は、関連付けられるウェアラブルディスプレイデバイスのブリッジにより近接して位置付けられる表示領域５１０よりも広い、または狭くあり得る。

図５Ｃ－５Ｄは、別の導波管システム５５０の図を示す。図５Ｃは、導波管システム５５０が、光を接眼レンズ５０１の個別の入力結合格子５０６の中に投影するように構成される２つのプロジェクタ５０２を含む様子を示す。図５Ｃはまた、接眼レンズ５０１が、それぞれ、入力結合格子５０６のうちの１つから受け取られた光を表示領域５１０－２、５１０－３、５１０－６、または５１０－７のうちの１つと関連付けられる射出瞳エキスパンダの中に搬送するように構成される、上側直交瞳エキスパンダ５５２－１および下側直交瞳エキスパンダ５５２－２を含む様子を示す。

図５Ｄは、導波管システム５５０を通して進行する光が導波管システム５５０の回折光学系を通して経路指定される様子を示す。導波管システム５５０は、入力結合格子５０６のそれぞれを中心として配列される４つの直交瞳エキスパンダを含む。入力結合格子５０６において受け取られた光は、４つの直交瞳エキスパンダのうちの１つの中に指向され、これは、光を表示領域５１０のうちの対応するものに搬送する。上側直交瞳エキスパンダ５１４－１は、光を表示領域５１０－２または５１０－３内に配列される射出瞳エキスパンダの中に指向する。下側直交瞳エキスパンダ５１４－２は、光を表示領域５１０－６および５１０－７内に配列される射出瞳エキスパンダの中に分配し、これは、光を垂直および水平の両方で偏移させる。

図５Ｅは、入力結合格子５０６のうちの１つの拡大図を示す。入力結合格子５０６は、入力結合格子５０６の上側領域を入力結合格子５０６の下側領域から分割する光遮断要素５５４を含むことができる。このように、入力結合格子５０６の上側領域の中に投影されるいずれの光も、意図せず入力結合格子５０６の下側領域の中に通過することを防止されることができる。入力結合格子５０６はまた、直交瞳エキスパンダ５５２のために意図される光から直交瞳エキスパンダ５０８のために意図される光を再指向するように構成される、ビームスプリッタ５５６を含むことができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ５５６は、偏向ビームスプリッタの形態をとることができる。そのような実施形態では、プロジェクタ５０２によって放出される光は、光を表示領域５１０のうちの意図されるものに向かって指向するために、異なる方向に偏向されることができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ５５６は、代替として、着信する光の波長に基づいて着信する光を分割し得る、ダイクロイックビームスプリッタの形態をとることができる。

図６は、導波管システム６００の上側および下側端部の近傍に位置付けられるプロジェクタ６０２を有する、導波管システム６００を示す。特に、導波管システム６００の上側端部におけるプロジェクタ６０２は、位置１１２（図１参照）に配置されることができる。このように、プロジェクタ６０２は、入力結合格子６０４の中に光を投影することができ、これは、次いで、複数の異なる表示領域６０６の中に再指向されることができる。表示領域６０６は、前述で説明される実施形態において上記に説明されるように、ユーザの眼に投影光を再指向するために直交瞳エキスパンダおよび射出瞳エキスパンダを含む導波管を組み込むことができる。導波管システム６００は、表示領域６０６へのプロジェクタ６０２の近接近に起因して、直交瞳エキスパンダをごくわずかしか、またはいくつかの実施形態では、全く含み得ないことに留意されたい。本構成では、対応する表示領域６０６と関連付けられる入力結合格子６０４および射出瞳エキスパンダは、表示領域６０６を横断して光を協働的に分配し得る。このように、導波管システム６００によって占められる空間の量が、低減された、または存在しない直交瞳エキスパンダを有する本構成のため、有意に低減されることができる。隣接する表示領域の間の角度６０８は、大幅に変動し得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、表示領域６０６は、上側および下側表示領域６０６が、約１８０度～約９０度変動し得る角度６０８によってオフセットされるように、相互に対して傾斜され得る。いくつかの実施形態では、表示領域６０６を上向きおよび下向きに傾斜させることによって、表示領域６０６内に配置される射出瞳エキスパンダは、実質的に同一の設計を有することができる。一般に、両方の角度６０８は、ユーザの両方の眼が類似する視認体験を提示され得るように、実質的に同一であろう。

図７は、ディスプレイデバイスのユーザの眼に投影光を再指向するための方法を説明する、フローチャート７００を示す。７０２において、投影光が、ディスプレイデバイスの入力結合格子によって受け取られる。入力結合格子は、複数の入力領域を含むことができる。いくつかの実施形態では、入力領域は、１つの入力領域によって受け取られた光が隣接する入力領域と関連付けられる導波管に沿って意図せず進行することを防止する、光遮断構造によって分離されることができる。他の実施形態では、入力結合格子に入射する光によってとられる方向は、例えば、偏向ビームスプリッタによって、またはダイクロイックビームスプリッタによって等、他の手段によって制御されることができる。７０４において、各入力領域から受け取られた光は、直交瞳エキスパンダおよび射出瞳エキスパンダの両方を含み得る対応する導波管に沿って指向される。７０６において、導波管を通して透過された投影光は、対応する射出瞳エキスパンダに到着する。いくつかの実施形態では、光を入力領域から射出瞳エキスパンダに透過させる直交瞳エキスパンダは、光を射出瞳エキスパンダに向かって、それを横断して指向および分配するために、９０度の角度において光を繰り返し反射する。７０８において、異なる射出瞳エキスパンダが、異なる角度において投影光を出力するように構成される。射出瞳エキスパンダのそれぞれから分離される光に関する分離角度は、実質的に同一であり得る。

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 (16)

1. ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
   画像の第１の部分および第２の部分と関連付けられた光を放出するように構成されるプロジェクタであって、前記画像の前記第１の部分は、前記画像の前記第２の部分とは実質的に異なる、プロジェクタと、
   光学要素を備える導波管システムであって、前記光学要素は、
   前記プロジェクタから前記画像の前記第１の部分と関連付けられた前記光を受け取ることと、前記画像の前記第１の部分と関連付けられた前記光を、第１の表示領域から第１の角度においてユーザの片方の眼に向かって再指向することとを行うように構成される第１の入力領域を有する第１の光学経路と、
   第２の光学経路であって、前記第２の光学経路は、第２の入力領域を有し、前記第２の入力領域は、前記第１の入力領域に隣接し、前記プロジェクタから前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光を受け取ることと、前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光を、第２の表示領域から第２の角度において前記ユーザの前記片方の眼に向かって再指向することとを行うように構成され、前記第２の角度は、前記第１の角度とは異なり、前記第２の入力領域は、前記第１の入力領域と同一平面上にあり、前記第２の表示領域は、前記第１の表示領域と同一平面上にあり、かつ、前記第１の表示領域から側方にオフセットされ、前記画像の前記第１の部分と関連付けられた前記光が前記第１の表示領域において前記第１の光学経路から分離され、前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光が前記第２の表示領域において前記第２の光学経路から分離されることにより、前記第１および第２の表示領域が合成画像を協働的に形成するようになっている、第２の光学経路と
   を画定する、導波管システムと、
   前記光が前記第１の光学経路と前記第２の光学経路との間で意図せず進行することを防止する前記第１の入力領域と前記第２の入力領域との間に位置付けられる光遮断要素と
   を備える、ウェアラブルディスプレイデバイス。
2. 前記第１の入力領域および前記第２の入力領域は、入力結合格子上に位置する、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
3. 前記入力結合格子は、前記第１の入力領域において受け取られた前記画像の第１の部分と関連付けられた前記光を第１の直交瞳エキスパンダに再指向し、前記第２の入力領域において受け取られた前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光を、前記第１の直交瞳エキスパンダとは別個であり、明確に異なる第２の直交瞳エキスパンダに再指向する、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
4. 前記プロジェクタは、前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を前記第１の入力領域および前記第２の入力領域の両方の中に並行して指向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. 前記導波管システムは、入力結合格子と、第１および第２の直交瞳エキスパンダと、第１および第２の射出瞳エキスパンダとを備える、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
6. 前記第１の射出瞳エキスパンダは、前記第１の表示領域を含み、前記第２の射出瞳エキスパンダは、前記第２の表示領域を含む、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. 前記光学要素は、回折光学要素を備える、請求項１に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
8. ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
   画像の第１の部分および第２の部分と関連付けられた光を放出するように構成されるプロジェクタであって、前記画像の前記第１の部分は、前記画像の前記第２の部分とは実質的に異なる、プロジェクタと、
   導波管システムであって、前記導波管システムは、
   前記プロジェクタからそれぞれ前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を受け取るように構成される第１および第２の入力領域であって、前記第２の入力領域は、前記第１の入力領域と同一平面上にある、第１および第２の入力領域と、
   前記第１の入力領域および前記第２の入力領域のうちの対応するものから受け取られた前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を透過するように構成される第１および第２の直交瞳エキスパンダと、
   前記直交瞳エキスパンダのうちの対応するものから前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を受け取ることと、前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光をユーザの片方の眼に向かって再指向することとを行うように構成される第１および第２の射出瞳エキスパンダであって、前記第１の射出瞳エキスパンダおよび前記第２の射出瞳エキスパンダは、同一平面上にあり、かつ、互いから側方にオフセットされ、前記画像の前記第１の部分と関連付けられた前記光が前記第１の射出瞳エキスパンダにおいて第１の光学経路から分離され、前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光が前記第２の射出瞳エキスパンダにおいて第２の光学経路から分離される、第１および第２の射出瞳エキスパンダと
   を備える、導波管システムと、
   前記第１の入力領域と前記第２の入力領域との間に位置付けられる光遮断要素と
   を備え、
   前記第２の射出瞳エキスパンダは、前記第１の射出瞳エキスパンダとは異なる角度において前記導波管システムから前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光を分離することにより、前記第１および第２の表示領域が合成画像を協働的に形成するようにす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。
9. 前記第１および第２の入力領域は、入力結合格子の隣接する部分である、請求項８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
10. 前記プロジェクタは、第１のプロジェクタであり、前記ウェアラブルディスプレイデバイスはさらに、第２のプロジェクタを備える、請求項８に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
11. 前記導波管システムは、前記第１のプロジェクタおよび前記第２のプロジェクタの両方から放出された前記光の少なくとも一部を前記ウェアラブルディスプレイデバイスの前記ユーザの前記片方の眼に送達するように構成される、請求項１０に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
12. ウェアラブルディスプレイデバイスであって、
    画像の第１の部分および第２の部分と関連付けられた光を放出するように構成されるプロジェクタであって、前記画像の前記第１の部分は、前記画像の前記第２の部分とは実質的に異なる、プロジェクタと、
    光学要素を備える回折導波管システムであって、前記光学要素は、
    第１の光学経路と、
    前記第１の光学経路とは別個であり、明確に異なる第２の光学経路であって、前記第１および第２の光学経路は、前記プロジェクタから前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を受け取るように構成され、前記第１の光学経路は、前記画像の前記第１の部分と関連付けられた前記光を、第１の表示領域から第１の角度においてユーザの片方の眼に向かって分離するように構成され、前記第２の光学経路は、前記画像の前記第２の部分と関連付けられた前記光を、第２の表示領域から第２の角度において前記ユーザの前記片方の眼に向かって分離するように構成され、前記第２の角度は、前記第１の角度とは異なり、前記第２の表示領域は、前記第１の表示領域と同一平面上にあり、かつ、前記第１の表示領域から側方にオフセットされ、前記第１および第２の表示領域は、合成画像を協働的に形成する、第２の光学経路と
    を画定する、回折導波管システムと、
    前記光が前記第１の光学経路と前記第２の光学経路との間で意図せず進行することを防止する前記第１の光学経路と前記第２の光学経路との間に位置付けられる光遮断要素と、
    前記回折導波管システムを支持するように定寸される開口部を画定するフレームであって、前記フレームは、前記ユーザの耳に係合するように構成されるテンプルを備え、前記プロジェクタは、前記テンプルに結合され、前記ユーザの前記片方の眼から離れるように前記光を指向するように構成される、フレームと
    を備える、ウェアラブルディスプレイデバイス。
13. 前記第１の光学経路は、第１の入力領域を備え、前記第２の光学経路は、前記第１の入力領域に隣接する第２の入力領域を備え、前記第１および第２の入力領域は、前記プロジェクタから前記画像の前記第１の部分および前記第２の部分と関連付けられた前記光を受け取るように構成される、請求項１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
14. 前記回折導波管システムはさらに、第３および第４の光学経路を備え、前記第３および第４の光学経路は、前記プロジェクタから前記画像の第３の部分および第４の部分と関連付けられた光を受け取るように構成され、前記画像の個別の第３および第４の部分を前記ユーザのもう片方の眼に向かって分離する、請求項１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
15. 前記プロジェクタは、第１のプロジェクタであり、前記ウェアラブルディスプレイデバイスはさらに、前記回折導波管システムの第３および第４の光学経路の中に前記画像の第３の部分および第４の部分と関連付けられた光を投影するように構成される第２のプロジェクタを備える、請求項１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
16. 前記第１の光学経路は、第１の入力結合格子と、第１の直交瞳エキスパンダと、前記第１の表示領域を含む第１の射出瞳エキスパンダとを備え、前記第２の光学経路は、前記第１の入力結合格子に隣接する第２の入力結合格子と、第２の直交瞳エキスパンダと、前記第２の表示領域を含む第２の射出瞳エキスパンダとを備える、請求項１２に記載のウェアラブルディスプレイデバイス。
    

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