JP7170652B2 - ニアアイビューイング用ウェアラブルディスプレイ - Google Patents
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Description
本願は、「ニアアイビューイング用ウェアラブルディスプレイ」(WEARABLE DISPLAY FOR NEAR-TO-EYE VIEWING)と題するDavid Kessler et al.名義の2016年11月28日付米国特許暫定出願第62/426655号の利益を主張する出願であるので、その全容を本願に繰り入れることにする。
本発明は、総じてニアアイ(near-to-eye)ディスプレイに関し、より具体的には同心デザインを呈する瞳リレー構成を採る結像装置を採用したディスプレイに関する。
ビームが走査鏡に向かうように励振しうるレーザ光源と、
その走査鏡と光学的に同心であり且つ部分透過性な湾曲鏡面と、
それら走査鏡・湾曲鏡面に配置されており第1偏向軸を有する第1偏光子と、
それら偏光子・湾曲鏡面間に配置された1/4波長板と、
その湾曲鏡の下流に配置されており第1偏向軸に直交する第2偏向軸を有する第2偏光子と、
を備えるニアアイビューイング用光学装置が提供される。
変調ビームが走査鏡に向かうように励振しうるレーザ光源と、
その走査鏡に向かう変調ビームの経路上にある対物レンズと、を備え、
それら対物レンズ及び走査鏡によりその変調ビームに係る湾曲焦点面が画定され、
走査鏡在の第1瞳を看者の眼レンズ在の第2瞳へと中継するよう配置された瞳リレー光学系を備え、それら第1瞳・第2瞳間光軸に沿い延びる光路がその瞳リレー光学系により画定され、その光路が、
(i)変調ビーム由来の入射光のうち略半分を通すよう配置されており第1瞳在の第1曲率中心を有する湾曲鏡面と、
(ii)走査鏡からの光を受け取るよう光路上に配置されており、且つ第1偏向の入射光は湾曲鏡面へと反射させその第1偏向に直交する第2偏向の入射光は通すよう形成されている第1偏光子と、を備え、瞳リレー光学系により画定された光路によって変調光ビームが第1偏光子に2回差し向けられ、第1偏光子上に2回に亘り入射した変調光ビームが平行化され第2瞳へと差し向けられるものが、提供される。
斜視図たる図2A及び側面図たる図2Bに、本件開示の実施形態に係る1:1瞳リレー装置250の配列を用いたニアアイビューイング用結像装置200の構成諸部材を示す。本実施形態では、「パンケーキ型」光学構成を光リレーシステムとして採用し、そのシステムにてビーム整形及び集束用反射部材を用い光軸を画定し且つ入射瞳を出射瞳へと中継している。図2A及び図2Bに示されている配列では、結像装置200により、画像発生器212在の入射瞳P1が看者の目E在の出射瞳P2へと中継される。言い換えれば、結像装置200により、焦点面214在の湾曲像(焦点面214に生成された像はその光学系に対し「物」位置を占める)が網膜R在の像野へと運ばれる。即ち、瞳リレー光学系としての役割に加え、装置200では更に、画像発生器212からの集束走査変調ビームにより生じ焦点面214に形成された実像である湾曲空中「物」を、網膜Rへと結像させる。
模式的側面図たる図3A及び展開図たる図3Bに、本件開示の諸実施形態に従い、光をプリフォーカス(予合焦)させ偏光子210その他の瞳リレー構成部材に差し向ける入射光学系240を示す。対物レンズ244は、生成された変調光ビームの経路上に位置し、そのビームを走査鏡242へと差し向けている。レンズ244は、その入射ビームを拡大すること並びにそれを走査鏡242・瞳リレー間位置に合焦させることでその変調光を調光し、それにより焦点面214(図2A,図2B)を画定し形成させる。対物レンズ244は、後に示すように、複合レンズ(cemented doublet)の形態又は分離形態をなし2個の素子で構成することができる。相異なる波長を有する3本以上のレーザビームが用いられる場合、既製の複合レンズを用いそのリレーの軸色を補正することができる。システムの残りの部分が対称的且つ反射性であり、且つ軸色が入射光学系により補正されるので、このシステムでは軸又は横色収差が現れない。図2A,図2B,図2C及び後続の図に示される諸実施形態では、入射光学系240により光が合焦され、それにより焦点面214に湾曲空中像が形成される。走査鏡242を用いることで、光路を屈曲させること並びに差し向けられた光ビームから2D像を形成することができる。
図4A~図4Iに、本件開示の実施形態に係るニアアイビューイング用結像装置400における全ガラスパンケーキ型構成の瞳リレー装置450の諸種外観を示す。前述した図2A及び図2Bの実施形態と同様、装置450は有限共役瞳リレーであり-約1の倍率で稼働する。焦点面414とレンズL1の湾曲入射面92は瞳P1と実質的に同心である。レンズL1の出射面420とレンズL3の出射面94は瞳P2と実質的に同心である。瞳リレー装置450により画定される光路上では、偏光子430が、光軸OAに対し発散角をなす第1偏向の光を受光し、レンズL2上に形成された部分反射湾曲面420へとその光を遡行反射させ、その面がその光を収束させる。QWP424内2回通過により光ビームの偏向が変化し、偏光子430では第1偏向状態に直交する第2偏向状態となる。偏光子430は、今や平行化され瞳P2へと向かっている返戻光を透過させる。
図6A及び図6Bに、結像装置600の模式的側面外観を二通りの構成につき示す。図6Aでは、画像発生器212即ち入射瞳P1在走査鏡からの光が入射光学系240により対角偏向ビームスプリッタ610へと差し向けられ、そこから光が1/4波長板616を介し差し向けられて、瞳P2と同心な球面湾曲鏡620に至っている。QWP616を2回通っているので、光の偏向は今や入射ビームのそれに対し直交している。PBS610を透過した光は、目Eに位置する瞳P2へと差し向けられる。図2Aの実施形態と同様、偏光子、ここでは偏向ビームスプリッタ610上に当初入射する変調光ビームは発散的であり、第1偏向を有している。その偏向ビームスプリッタ610に戻ってくる光は平行化されており、第1偏向に対し直交する第2偏向を有している。
模式的側面図たる図8A及び斜視図たる図8Bに、図4Aの結像システムにビームスプリッタ110が付された対称的修正配列を示す。ビームスプリッタ110、例えば偏向ビームスプリッタは台形歪みを補正するのに役立つ。図4Cの如く角度を付けて走査鏡242に入射ビームをアプローチさせると台形歪みが引き起こされることがあり、図8C中の像野輪郭にそれが示されている。図8Cに示す未補正台形歪みは、入射角が軸から見て25°であるときのものであり、43°×25°の視野に亘っている。破線は無歪み時の視野を示している。この歪みは、結像システムに送られてきた画像データを電子的に修正することで、或いは僅かに非球面的な歪み補正素子(図示せず)を走査鏡242とリレー450の光学系との間に付加することで、補正することができる。ビームスプリッタ110が走査鏡242内に0°角入射する光路を画定しているので、図8C上に示されている歪みが低減されて図8D上に示す如くより対称的になる。対物レンズ244は2個のレンズ素子を有しており、それらはエアギャップにより空間的に隔てられている。ビームスプリッタ110が偏向ビームスプリッタPBSとして設けられている場合、それに由来する損失を低減するのに、付随的な1/4波長板246が役立つ。第2の1/4波長板248は、ビームスプリッタ110からの光を円偏向光へと逆変化させる。鏡220は図4A上の鏡面420と同じく半透過鏡とすることができ、もう1個の1/4波長板252がそれに後続している。鏡220から反射された軸上光はビームスプリッタ110により反射及び廃棄される。素子L1、鏡220、1/4波長板252及び偏光子230を単体の複合ユニットにしてもよい。その複合ユニットとレンズL2との間にエアギャップがあってもよい。
Claims (16)
- 看者が着用する光学装置であって、
変調ビームが走査鏡に向かうように励振しうるレーザ光源と、
前記走査鏡に向かう前記変調ビームの経路上にある対物レンズと、を備え、それら対物レンズ及び走査鏡によりその変調ビームに係る湾曲焦点面が画定され、
前記走査鏡在の第1瞳を看者の眼レンズ在の第2瞳へと中継するよう配置された瞳リレー光学系を備え、その瞳リレー光学系により第1瞳・第2瞳間光路が画定され、その光路が、
(i)前記走査鏡側からの前記変調ビーム由来の入射光のうち略半分を通すよう配置されており前記第1瞳と光学的に同心の第1曲率中心を有する湾曲鏡面と、
(ii)前記走査鏡から光を受け取るよう前記光路上に配置されており、第1偏光の入射光を前記湾曲鏡面へ反射させるよう且つその第1偏光に直交する第2偏光の入射光を通すよう形成されている第1偏光子であって、前記瞳リレー光学系により画定された前記光路により前記変調ビームが第1偏光子へと2回差し向けられ、第1偏光子上に2回に亘り入射した前記変調ビームが平行化されて前記第2瞳へと向かう、第1偏光子と、
(iii)前記第1偏光子と前記湾曲鏡面の間に配置された1つの1/4波長板と、を備える、
光学装置。 - 請求項1の光学装置であって、前記瞳リレー光学系が、更に、前記変調ビームの経路上に配置された第2偏光子を備え、第1偏光の入射光を反射させるよう且つ第2偏光の入射光を通すようその第2偏光子が形成されている光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記瞳リレー光学系が、更に、前記変調ビームの経路上に配置された第2偏光子を備え、前記光路から誤った方向に向けられた偏光を除去するようその第2偏光子が形成されている光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記第1偏光子が偏光ビームスプリッタである光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記第1偏光子がワイヤグリッド偏光子である光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記焦点面が前記湾曲鏡面と光学的に同心である光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記湾曲鏡面、第1偏光子、および1/4波長板が1つのユニットの一部として形成されている光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記湾曲鏡面の前記第1曲率中心が、さらに前記第2瞳と光学的に同心である光学装置。
- 請求項1の光学装置であって、前記瞳リレー光学系は、看者の眼レンズの対物焦点距離内に配置されるように構成される光学装置。
- 看者が着用する光学装置であって、
対物レンズを介しビームスプリッタへと変調ビームを差し向けるように励振しうるレーザ光源を備え、そのビームスプリッタによりそのビームのうち一部分が走査鏡へと差し向けられ、それら対物レンズ及び走査鏡によりその変調ビームに係る湾曲焦点面が画定され、
前記走査鏡在の第1瞳を看者の眼レンズ在の第2瞳へと中継するよう配置された瞳リレー光学系を備え、その瞳リレー光学系により第1瞳・第2瞳間光軸沿いに延びる光路が画定され、その光路が、
(i)前記湾曲焦点面からの光の経路上にある第1レンズと、
(ii)前記走査鏡側からの前記変調ビーム由来の入射光のうち略半分を通し且つ前記第2瞳在の第1曲率中心を有する湾曲鏡面と、
(iii)前記走査鏡からの光の経路上に配置されており、第1偏光の入射光を前記湾曲鏡面に向かう前記光軸に対してある収束角で反射させるよう、且つ、第2偏光の入射光を通すように形成されている第1偏光子であって、第2偏光は第1偏光に直交しており、第1偏光子上に2回に亘り入射した前記変調ビームは平行化されて前記第2瞳に向かう、第1偏光子と、
(iv)前記第1偏光子と前記湾曲鏡面の間に配置された1つの第1の1/4波長板と、を備える、
光学装置。 - 請求項10の光学装置であって、前記ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタである光学装置。
- 請求項11の光学装置であって、更に、前記ビームスプリッタ・前記走査鏡間光路に配置された第2の1/4波長板を備える光学装置。
- 請求項10の光学装置であって、更に、前記ビームスプリッタ・前記第1レンズ間光軸に沿って配置された第2の1/4波長板を備える光学装置。
- 請求項10の光学装置であって、前記レーザ光源からの光が円偏光されている光学装置。
- 看者が着用する光学装置であって、
変調ビームを対物レンズを介し走査鏡へと差し向け湾曲像を形成させるように励振しうるレーザ光源と、
前記走査鏡在の第1瞳を看者の眼レンズ在の第2瞳へと中継するよう配置された瞳リレー光学系と、を備え、その瞳リレー光学系が、
(i)前記走査鏡からの光の経路上に配置されており、第1偏光の入射光を反射させるよう且つその第1偏光に直交する第2偏光の入射光を通すように形成された第1偏光子であって、第1偏光子上に2回に亘り入射した光が平行化されて前記第2瞳へと向かう、第1偏光子と、
(ii)前記第1偏光子からの入射光のうち略半分を通す湾曲鏡面であって、前記第1瞳及び第2瞳が両方とも湾曲鏡面の曲率の中心に対して光学的に同心にあり、湾曲像が湾曲鏡面の焦点面に形成される、湾曲鏡面と、
(iii)前記第1偏光子・前記湾曲鏡面間光路にある1つの1/4波長板と、を備える光学装置。 - 請求項15の光学装置であって、更に、前記瞳リレー光学系のうちある部分又は全体を看者の眼レンズの対物焦点距離内に配するマウントを、備える光学装置。
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