JP7175416B2 - 厚い媒体を含む仮想現実、拡張現実、および複合現実システムならびに関連方法 - Google Patents

Description

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「複合現実」（「ＭＲ」）、「仮想現実」（「ＶＲ」）、および「拡張現実」（「ＡＲ」）体験のためのシステムの開発を促進している。これは、コンピュータ生成画像をユーザに頭部搭載型ディスプレイを通して提示することによって行われることができる。本画像は、感覚体験を作成し、これは、ユーザをシミュレートされた環境に没入させる。ＶＲシナリオは、典型的には、コンピュータ生成画像のみではなく、また、実際の実世界画像を含む、提示を伴う。

ＡＲシステムは、概して、実世界環境をシミュレートされた要素で補完する。例えば、ＡＲシステムは、ユーザに、周囲実世界環境のビューを頭部搭載型ディスプレイを介して提供してもよい。しかしながら、コンピュータ生成画像もまた、ディスプレイ上に提示され、実世界環境を向上させることができる。本コンピュータ生成画像は、実世界環境にコンテキスト的に関連する、要素を含むことができる。そのような要素は、シミュレートされたテキスト、画像、オブジェクト等を含むことができる。ＭＲシステムはまた、シミュレートされたオブジェクトを実世界環境の中に導入するが、これらのオブジェクトは、典型的には、ＡＲシステムを上回る相互作用の程度を特徴とする。シミュレートされた要素は、多くの場合、リアルタイムで相互作用することができる。ヒトの視知覚系は、非常に複雑であって、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／ＡＲ／ＭＲ技術を生成することは、困難である。脳の視覚中枢はまた、両眼およびそのコンポーネントの相互に対する運動から有益な知覚情報を得る。相互に対する両眼の輻輳・開散（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）運動（すなわち、眼の視線を収束させ、オブジェクトに固視するための相互に向かって、またはそこから離れる、瞳の転動）は、眼のレンズの合焦（または「遠近調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）」）と密接に関連付けられる。正常条件下では、眼のレンズの焦点を変化させる、すなわち、眼を遠近調節させ、異なる距離におけるオブジェクトに合焦させることは、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」として知られる関係下、自動的に、同一距離までの輻輳・開散運動における整合変化を生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、正常条件下では、遠近調節の整合変化も誘起するであろう。本反射に逆らう作用は、（従来の立体視ＶＲ／ＡＲ／ＭＲ構成の大部分におけるように）眼疲労、頭痛、または他の形態の不快感をユーザにもたらすことが知られている。

立体視ウェアラブル眼鏡は、概して、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、若干異なる要素提示を伴う画像を表示するように構成される、左および右眼のための２つのディスプレイを特徴とする。そのような構成は、画像を３次元において知覚するために克服されなければならない、輻輳・開散運動と遠近調節との間の不整合（「輻輳・開散運動－遠近調節衝突」）に起因して、多くのユーザにとって不快であることが見出されている。実際、一部のユーザは、立体視構成に耐えることが不可能である。これらの限界は、ＶＲ、ＡＲ、およびＭＲシステムに適用される。故に、大部分の従来のＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、部分的には、従来のシステムが、輻輳・開散運動－遠近調節衝突を含む、ヒト知覚系の基本的側面のいくつかに対処できないため、ユーザにとって快適かつ最大限に有用となるであろう様式において、豊かな両眼のための３次元体験を提示するために最適に好適ではない。

ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムはまた、仮想デジタルコンテンツを種々の知覚される位置およびユーザに対する距離において表示することが可能でなければならない。ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの設計はまた、仮想デジタルコンテンツを送達する際のシステムの速度、仮想デジタルコンテンツの品質、ユーザの射出瞳距離（輻輳・開散運動－遠近調節衝突に対処する）、システムのサイズおよび可搬性、ならびに他のシステムおよび光学課題を含む、多数の他の課題を提示する。

これらの問題（輻輳・開散運動－遠近調節衝突を含む）に対処するための１つの可能性として考えられるアプローチは、光および光によってレンダリングされる画像が複数の深度平面から生じるように現れるように、複数の光誘導光学要素を使用して、光をユーザの眼に投影することである。光誘導光学要素は、デジタルまたは仮想オブジェクトに対応する仮想光を内部結合し、全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、それを伝搬し、次いで、仮想光を外部結合し、デジタルまたは仮想オブジェクトをユーザの眼に表示するように設計される。ＡＲ／ＭＲシステムでは、光誘導光学要素はまた、実際の実世界オブジェクトからの（例えば、そこから反射した）光に透過性であるように設計される。したがって、光誘導光学要素の一部は、ＡＲ／ＭＲシステム内の実世界オブジェクトからの実世界光に対して透過性でありながら、ＴＩＲを介した伝搬のために、仮想光を反射させるように設計される。

複数の光誘導光学要素システムを実装するために、１つ以上の源からの光は、光誘導光学要素システムのそれぞれに制御可能に分散されなければならない。１つのアプローチは、多数の光学要素（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、接眼レンズ等）を使用して、画像を十分に多数（例えば、６つ）の深度平面において投影することである。本アプローチに関する問題は、このように多数のコンポーネントを使用することが、必然的に、望ましいものより大きい形状因子を要求し、システムサイズが縮小され得る程度を限定することである。これらのシステム内の多数の光学要素もまた、より長い光学経路をもたらし、それにわたって、光およびその中に含有される情報が、劣化されるであろう。これらの設計問題は、煩雑なシステムをもたらし、これはまた、電力集約的でもある。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、これらの課題に対処するように構成される。

本発明の実施形態は、狭範囲の光曲率、方向、および／または波長を有する光を内部結合および外部結合し、入射角、曲率半径、および／または波長における選択性を有効にするように構成される、単一厚（例えば、約０．１～約１．５ミリメートルまたは「ｍｍ」厚）の光誘導光学要素（例えば、導波管）を使用することによって、改良されたシステムを提供する。導波管は、材料の大ダイナミックレンジに起因して、複数の焦点面および／または波長の多重化を可能にする。光誘導光学要素が作製される材料の厚さが角度または／および波長選択性を促進するため、導波管に沿って伝搬する光線の一部のみが、外部結合される。したがって、狭角度ならびに像面湾曲範囲および／または狭波長範囲に対応する、光ビームは、導波管から外部結合するであろう。導波管は、角度および波面曲率の両方を節約する、内部結合および外部結合格子の形成を促進し、これは、内部結合および外部結合するための個々の光線場所ならびに方向の精密な制御を可能にする。したがって、複数の視認平面は、単一ポリマー層内に複数の外部結合格子を有する単一の厚い光誘導光学要素を使用して、多重化されることができる。

一実施形態では、頭部装着型結像システムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、厚さ０．１～１．５ｍｍを有する、光誘導光学要素を含む。光誘導光学要素は、入射部分と、出射部分とを含む。光誘導光学要素は、光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成される。光誘導光学要素の出射部分は、光の入射角に基づいて、選択的に、出射部分に向けられた光が光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される。

別の実施形態では、頭部装着型結像システムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、厚さ０．１～１．５ｍｍを有する、光誘導光学要素を含む。光誘導光学要素は、入射部分と、出射部分とを含む。光誘導光学要素は、光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成される。光誘導光学要素の出射部分は、光の波長に基づいて、選択的に、出射部分に向けられた光が光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される。

さらに別の実施形態では、頭部装着型結像システムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、厚さ０．１～１．５ｍｍを有する、光誘導光学要素を含む。光誘導光学要素は、入射部分と、出射部分とを含む。光誘導光学要素は、光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成される。光誘導光学要素の出射部分は、光の曲率半径に基づいて、選択的に、出射部分に向けられた光が光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される。

１つ以上の実施形態では、光誘導光学要素は、光誘導光学要素を通して、複数の焦点面を有する光の多重化を可能にする。光誘導光学要素は、光誘導光学要素を通して、複数の焦点面を有する光の多重化を可能にしてもよい。光誘導光学要素は、光誘導光学要素を通して、複数の曲率半径を有する光の多重化を可能にしてもよい。出射部分は、特定の深度平面に対応する外部結合格子を含んでもよい。

１つ以上の実施形態では、本システムはまた、光ビームが入射部分を通して光誘導光学要素に入射する前に、焦点のうちの少なくとも１つを調節することによって、光ビームの曲率を調節するように構成される、可変焦点要素を含む。光ビームの一部は、少なくとも、光誘導光学要素または内部結合格子の厚さに基づいて、光誘導光学要素から出射するように選択されてもよい。

本発明の側面、目的、および利点のさらなる詳細は、以下の詳細な説明、図面、および請求項に説明される。前述の発明の概要および以下の詳細な説明は両方とも、例示的および説明的であって、本発明の範囲に関して限定することを意図するものではない。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
頭部装着型結像システムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
厚さ０．１～１．５ｍｍを有し、入射部分および出射部分を備える光誘導光学要素と
を備え、
前記光誘導光学要素は、前記光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成され、
前記光誘導光学要素の出射部分は、前記光の入射角に基づいて、選択的に、前記出射部分に向けられた光が前記光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される、
頭部装着型結像システム。
（項目２）
頭部装着型結像システムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
厚さ０．１～１．５ｍｍを有し、入射部分および出射部分を備える光誘導光学要素と
を備え、
前記光誘導光学要素は、前記光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成され、
前記光誘導光学要素の出射部分は、前記光の波長に基づいて、選択的に、前記出射部分に向けられた光が前記光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される、
頭部装着型結像システム。
（項目３）
頭部装着型結像システムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
厚さ０．１～１．５ｍｍを有し、入射部分および出射部分を備える光誘導光学要素と
を備え、
前記光誘導光学要素は、前記光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成され、
前記光誘導光学要素の出射部分は、前記光の曲率半径に基づいて、選択的に、前記出射部分に向けられた光が前記光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成される、
頭部装着型結像システム。
（項目４）
前記光誘導光学要素は、前記光誘導光学要素を通して、複数の曲率半径を有する光の多重化を可能にする、項目１－３のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記出射部分は、特定の深度平面に対応する外部結合格子を備える、項目１－３のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
前記光ビームが前記入射部分を通して前記光誘導光学要素に入射する前に、焦点のうちの少なくとも１つを調節することによって、前記光ビームの曲率を調節するように構成される、可変焦点要素をさらに備える、項目１－３のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
光ビームの一部は、少なくとも、前記光誘導光学要素または内部結合格子の厚さに基づいて、前記光誘導光学要素から出射するように選択される、項目１－３のいずれかに記載のシステム。

図面は、本発明の種々の実施形態の設計および可用性を図示する。図は、正確な縮尺で描かれておらず、類似構造または機能の要素は、図全体を通して同様の参照番号によって表されることに留意されたい。本発明の種々の実施形態の前述および他の利点ならびに目的を得る方法をより深く理解するために、簡単に前述された詳細な説明が、付随の図面に図示されるその特定の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、その範囲の限定として見なされ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、付加的具体性および詳細とともに記載ならびに説明されるであろう。

図１は、一実施形態による、光学システムの詳細なスキーム図である。 図２は、一実施形態による、単一の厚い光学要素を使用した角度多重化を示す。 図３は、一実施形態による、単一の厚い光学要素を使用した曲率多重化を示す。 図４は、一実施形態による、単一の厚い光学要素を使用したスペクトル多重化を示す。 図５は、一実施形態による、光学システムの焦点面を描写する、略図である。 図６は、一実施形態による、光学システムの光誘導光学要素の詳細なスキーム図である。 図７は、一実施形態による、光学システムの光誘導光学要素の詳細な斜視図である。

種々の実施形態が、ここで、当業者が本発明を実践することを可能にするように、本発明の例証的実施例として提供される、図面を参照して詳細に説明されるであろう。着目すべきこととして、以下の図および実施例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明のある要素が、部分的または完全に、公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）を使用して実装され得る場合、本発明の理解のために必要なそのような公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）のそれらの一部のみが、説明され、そのような公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように、省略されるであろう。さらに、種々の実施形態は、本明細書に例証として参照されるコンポーネントの現在および将来的公知の均等物を包含する。

ここで、種々の実施形態が、当業者が本発明を実践することを可能にするように、本発明の例証的実施例として提供される、図面を参照して詳細に説明されるであろう。留意すべきこととして、以下の図および実施例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明のある要素が、公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）を使用して部分的または完全に実装され得る場合、本発明の理解のために必要なそのような公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）のそれらの一部のみが、説明され、そのような公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように、省略されるであろう。さらに、種々の実施形態は、例証として本明細書に参照されるコンポーネントの現在および将来的公知の均等物を包含する。

本明細書に説明される光学システムは、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムから独立して実装されてもよいが、以下の多くの実施形態は、例証目的のためだけにＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムに関係して説明される。
（問題およびソリューションの概要）

画像を種々の深度において生成するための１つのタイプの光学システムは、３－Ｄ体験／シナリオの品質（例えば、結像面の数）および画像の品質（例えば、画像色の数）が向上するにつれて、その数が増加し、それによって、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの複雑性、サイズ、ならびにコストを増加させる、多数の光学コンポーネント（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、接眼レンズ等）を含む。３－Ｄシナリオ／画質の向上に伴う光学システムのサイズの増加は、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムのサイズに限界を課し、光学効率が低下した煩雑なシステムをもたらす。

複数の光誘導光学要素頭部装着型結像システムを実装するために、１つ以上のソースからの光は、制御可能に分散されなければならない。旧来のソリューションは、光学システムのサイズを低減させながら、高品質ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシナリオをレンダリングするために必要とされる１つ以上の光源からの光を複数の光誘導光学要素（例えば、平面導波管）に選択的に分散させる、種々のシステムコンポーネントおよび設計を含む、種々の光分散システムを利用する、システムの使用を伴う。システムのこれらの複数の光誘導光学要素タイプの使用に関する問題は、薄い回折要素が、導波管を辿って伝搬する光線の回折において、殆どスペクトルおよび角度選択性を有していないということである。これは、単一導波管が複数の視認平面および／または原色を提供する能力を限定する。

したがって、旧来のソリューションでは、複数の導波管が、複数の視認平面および原色を提供するために必要である。旧来のシステムは、スタックされた光誘導光学要素（「ＬＯＥ」）アセンブリを使用することによって、複数の深度平面を作成し、各ＬＯＥは、特定の深度平面から生じるように現れる、画像を表示するように構成される。スタックは、任意の数のＬＯＥを含んでもよいことに留意されたい。しかしながら、少なくともＮ個のスタックされたＬＯＥが、Ｎ個の深度平面を生成するために要求される。さらに、Ｎ、２Ｎ、または３Ｎ個のスタックされたＬＯＥが、ＲＧＢカラー画像をＮ個の深度平面に生成するために使用されてもよい。しかしながら、複数の導波管の使用は、多平面切替要素のための要件、層を整合させる際の難点、結果として生じる接眼レンズの厚さ、および複数の表面反射からの散乱効果等の多くの問題を導入する。

以下の開示は、光学システムにより少ないコンポーネントおよび増加された効率を提供することによって問題に対処する、単一の厚い光誘導光学要素を使用して３Ｄ知覚を作成するためのシステムおよび方法の種々の実施形態を説明する。特に、本明細書に説明されるシステムは、単一の厚い光誘導光学要素を利用して、光学システムコンポーネントの数を低減させながら、光の入射角、曲率半径、および波長に基づいて、１つ以上の光源からの光を高品質ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシナリオをレンダリングするために要求される光誘導光学要素に選択的に分散させる。
（例証的光学システム）

光分配システムの実施形態の詳細を説明する前に、本開示は、ここで、例証的光学システムの簡単な説明を提供するであろう。実施形態は、任意の光学システムと併用されることができ、特定のシステム（例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム）が、実施形態の基礎となる技術を例証するために説明される。

３－Ｄ仮想コンテンツをユーザに提示するために、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、Ｚ方向における種々の深度平面から（すなわち、ユーザの眼から直交して離れるように）生じるよう現れるように、仮想コンテンツの画像をユーザの眼の中に投影する。言い換えると、仮想コンテンツは、ユーザが、非常に近くにある、または無限距離にある、もしくはその間の任意の距離にあるようにオブジェクトを知覚し得るように、ＸおよびＹ方向（すなわち、ユーザの眼の中心視覚軸に直交する２Ｄ平面）において変化し得るだけではなく、また、Ｚ方向にも変化するように現れ得る。他の実施形態では、ユーザは、複数のオブジェクトを異なる深度平面において同時に感知し得る。例えば、ユーザには、無限遠から現れ、ユーザに向かって走ってくる、仮想ドラゴンが見え得る。代替として、ユーザには、ユーザから３メートル離れた距離における仮想鳥と、ユーザから腕の長さ（約１メートル）にある仮想コーヒーカップとが同時に見え得る。

多平面焦点システムは、ユーザの眼からＺ方向に個別の固定距離に位置する複数の深度平面の一部または全部上に画像を投影させることによって、可変深度の知覚を生成する。ここで図５を参照すると、多平面焦点システムは、典型的には、固定深度平面５０２（例えば、図５に示される６つの深度平面５０２）においてフレームを表示することを理解されたい。ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、任意の数の深度平面５０２を含むことができるが、１つの例示的多平面焦点システムは、Ｚ方向に６つの固定深度平面５０２を有する。６つの深度平面５０２のうちの１つ以上のものにおいて仮想コンテンツを生成する際、３－Ｄ知覚が、ユーザが１つ以上の仮想オブジェクトをユーザの眼から可変距離において知覚するように生成される。ヒトの眼が、離れて現れるオブジェクトより近い距離のオブジェクトにより敏感であることを前提として、図５に示されるように、眼により近いほど、より多くの深度平面５０２が生成される。他の実施形態では、深度平面５０２は、相互から等距離だけ離れて設置されてもよい。

深度平面位置５０２は、典型的には、メートル単位で測定された焦点距離の逆数と等しい屈折力の単位である、ジオプトリで測定される。例えば、一実施形態では、深度平面１は、１／３ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面２は、０．３ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面３は、０．２ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面４は、０．１５ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面５は、０．１ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面６は、無限遠を表してもよい（すなわち、０ジオプトリ離れている）。他の実施形態は、他の距離／ジオプトリで深度平面５０２を生成してもよいことを理解されたい。したがって、仮想コンテンツを方略的に設置された深度平面５０２に生成する際、ユーザは、仮想オブジェクトを３次元で知覚可能となる。例えば、ユーザは、深度平面１に表示されるとき、自身の近くにあるように第１の仮想オブジェクトを知覚し得る一方、別の仮想オブジェクトは、深度平面６における無限遠において現れる。代替として、仮想オブジェクトは、仮想オブジェクトがユーザに非常に近接して現れるまで、最初に、深度平面６で、次いで、深度平面５で表示される等となってもよい。前述の実施例は、例証目的のために大幅に簡略化されていることを理解されたい。別の実施形態では、全６つの深度平面は、ユーザから離れた特定の焦点距離に集中されてもよい。例えば、表示されるべき仮想コンテンツが、ユーザから１／２メートル離れたコーヒーカップである場合、全６つの深度平面は、コーヒーカップの種々の断面で生成され、ユーザにコーヒーカップの非常に粒度の細かい３Ｄビューを与え得る。

一実施形態では、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、多平面焦点システムとして機能してもよい。言い換えると、６つの固定された深度平面から生じるように現れる画像が、光源と同時に生成され、画像情報をＬＯＥに迅速に伝達するように、単一ＬＯＥ１９０が、照明されてもよい。例えば、無限光学における空の画像を含む、所望の画像の一部が、時間１において出射されてもよく、光のコリメーションを保持するＬＯＥ１９０（例えば、図５からの深度平面６）が、利用されてもよい。次いで、より近い木の枝の画像が、時間２において出射されてもよく、１０メートル離れた深度平面から生じるように現れる画像を生成するように構成されるＬＯＥ１９０（例えば、図５からの深度平面５）が、利用されてもよい。次いで、ペンの画像が、時間３において出射されてもよく、１メートル離れた深度平面１から生じるように現れる画像を生成するように構成されるＬＯＥが、利用されてもよい。本タイプのパラダイムは、ユーザの眼および脳（例えば、視覚野）が同一画像の全部分であるよう入力を知覚するような迅速時間順次方式（例えば、３６０Ｈｚ）で繰り返されることができる。

いくつかのＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、Ｚ軸（すなわち、深度平面）に沿った種々の場所から生じるよう現れ、３－Ｄ体験のための画像を生成する、画像を投影する（すなわち、光ビームを発散または収束させることによって）。本願で使用されるように、光「ビーム」または「光線」は、限定ではないが、光源から放射する光エネルギー（可視および非可視光エネルギーを含む）の指向性投影を含む。種々の深度平面から生じるよう現れる画像を生成することは、その画像のために、ユーザの眼の輻輳・開散運動および遠近調節に順応させ、輻輳・開散運動－遠近調節衝突を最小限にする、または排除する。

ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムを実装するための１つの可能性として考えられるアプローチは、異なる深度平面情報に対応する格子とともに内蔵され、個別の深度平面から生じるように現れる画像を生成する、単一の厚い体積位相ホログラムまたは光誘導光学要素（「ＬＯＥ」）を使用する。言い換えると、回折パターンまたは回折光学要素（「ＤＯＥ」）は、光がＬＯＥに沿って実質的に全内部反射されるにつれて、複数の場所において回折パターンと交差し、ユーザの眼に向かって出射するように、ＬＯＥ内に内蔵される、またはその上に刻設されてもよい。ＤＯＥは、ＬＯＥからのそれを通して出射する光が接近し、それらが特定の深度平面から生じるよう現れるように構成されている。

厚いＬＯＥはまた、ＤＯＥ（例えば、内部結合および外部結合格子）が、波長全体を通して波面の曲率を保存することを可能にする。これは、可変焦点要素（「ＶＦＥ」）を眼鏡の「レンズ」から離れるように移動させることによって、ＬＯＥに進入する前に、光が集束されることを可能にし、それによって、ディスプレイの厚さを最小限にする。したがって、接眼レンズの中に結合される光の方向および曲率の制御は、直接、眼鏡の「レンズ」から生じるであろう個々の光線の方向および曲率に対応するであろう。

接眼レンズ（すなわち、ＬＯＥ）は、記録するための縁導入基準ビームおよび表示のための類似照明ビームを使用し、簡略化されたディスプレイ構成を可能にすることによって、縁照明ホログラフィの原理を適用する。本タイプのディスプレイは、ホログラム（すなわち、ＬＯＥ）、その支持ディスプレイ構造、および照明源をコンパクトデバイスの中に統合する。

従来、反射および透過ホログラムは、それぞれ、その独自の一意の光学性質を有する、明確に異なるタイプと見なされている。反射ホログラムと透過ホログラムとの間の重要な差異は、その縞の幾何学的配向である。これは、直接、透過タイプのためのホログラムの面と垂直におよび反射タイプのためのホログラムの面と平行にのいずれかで延びるようなその個別の基準ビームの異なる方向から生じる。

本システムはまた、Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波波理論を活用して、体積格子およびホログラムにおける回折を利用する。Ｋｏｇｅｌｎｉｋの理論は、２つ平面波のみが有限厚格子の内側および外側を伝搬すると仮定する。Ｋｏｇｅｌｎｉｋ結合波理論は、正弦波体積格子における回折を理解し、回折効率の計算のための解析式を提供する成功したアプローチである。第１の波は、「基準」波を照明し、第２の「信号」波は、ホログラムの応答であると仮定される。２波仮定は、より高次のモードへの結合が無視可能であろうという仮定に基づく。

図１は、画像を単一深度平面において投影させるための基本光学システム１００を描写する。システム１００は、光源１２０と、内部結合格子１９２（「ＩＣＧ」）および外部結合格子１９８（「ＯＣＧ」）を有する、ＬＯＥ１９０とを含む。光源１２０は、限定ではないが、ＤＬＰ、ＬＣＯＳ、ＬＣＤ、およびファイバ走査ディスプレイを含む、任意の好適な結像光源であることができる。そのような光源は、本明細書に説明されるシステム１００のいずれかと併用されることができる。ＩＣＧ１９２およびＯＣＧ１９８は、体積または表面レリーフを含む、任意のタイプの光誘導光学要素であってもよい。ＩＣＧ１９２およびＯＣＧ１９８は、ＬＯＥ１９０の反射モードアルミ被覆部分であることができる。代替として、ＩＣＧ１９２およびＯＣＧ１９８は、ＬＯＥ１９０の透過回折部分であることができる。システム１００が使用されているとき、光源１２０からの「仮想」光ビームは、ユーザの眼への表示のために、実質的全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、ＩＣＧ１９２を介して、ＬＯＥ１９０に入射し、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬し、ＯＣＧ１９８を介して、ＬＯＥ１９０から出射する。光ビーム２１０は、画像またはその一部をシステム１００によって指向されるようにエンコードするため、「仮想」である。１つのみのビームが図１に図示されるが、画像をエンコードする多数のビームが、同一ＩＣＧ１９２を通して広範囲の角度からＬＯＥ１９０に入射し、１つ以上のＯＣＧ１９８を通して出射し得ることを理解されたい。ＬＯＥの中に「入射する」または「受容される」光ビームは、限定ではないが、実質的ＴＩＲによってＬＯＥに沿って伝搬するようにＬＯＥと相互作用する、光ビームを含む。図１に描写されるシステム１００は、種々の光源１２０（例えば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、レーザ、およびマスクされた広面積／広帯域エミッタ）を含むことができる。光源１２０からの光はまた、光ファイバケーブル（図示せず）を介して、ＬＯＥ１９０に送達されてもよい。
（縁のための厚い媒体）

図２は、単一の厚い光誘導光学要素１９０を使用した角度多重化を描写する。いくつかの実施形態では、厚い光学要素は、約０．１～約１．５ｍｍ厚である。他の実施形態では、厚い光学要素は、約０．５ｍｍ厚である。厚いホログラフィック光学要素は、それを通して誘導される光の角度、曲率半径、および波長におけるより精密な選択性を可能にする。導波管に内部結合する光の方向および曲率を制御することによって、本システムは、導波管から外部結合するであろう、個々の光線の方向および曲率を制御することができる。本システムはまた、小変調指数を伴って、非常に効率的なホログラム（すなわち、異なる深度平面から生じるように現れる画像）を生産することができる。ホログラムは、バルク材料および光学格子の屈折率を非常に小スケールにおいて変調させることによって作製される。

厚いＬＯＥは、種々の属性（例えば、波長、曲率半径、および／または内部結合角度）に応じて、光線を選択し、システムが導波管を通した光線の出力を制御することを可能にする。これは、材料の大ダイナミックレンジに起因して、単一要素を通して複数の焦点面および波長（例えば、色）の多重化を可能にする。いくつかの実施形態では、材料ダイナミックレンジは、より多くのホログラムが所与の回折効率多重化のために多重化され得るように、０．０１変調である。単一の厚いホログラフィック光学要素を使用する利点は、角度および波長の高選択性ならびに導波管全体を通した波曲率の保存に起因して、１つのみの導波管が必要とされるということである。

反射（回折される光は、入射光線と同一側から出射する）幾何学形状および透過（回折される光は、入射光線と反対側から出射する）幾何学形状の両方のホログラムが、導波管とともに実装されることができる。Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波理論によって説明されるように、反射ホログラムを使用して、波長選択性を可能にすることが好ましい。

図２に示されるように、非常に狭い角度および曲率半径範囲に対応する光線のみが、導波管から外部結合される。本システムは、光源によって生成された光の入射角の範囲、波長の範囲、および曲率半径の範囲を制御することによって、導波管から外部結合するであろう、個々の光線２０３の方向および曲率を制御することができる。光のビームの選択性が、光誘導光学要素１９０が作製され、光学要素がその中に作製される、材料の厚さによって決定されるため、いくつかの選択的光線のみが、外に回折される。

ＬＯＥは、光が導波管の内側を伝搬する範囲全体を通して、選択的であってもよい。ＬＯＥが選択的である曲率半径の範囲は、格子が形成される、ポリマー層２０５の厚さに依存する。例えば、１ｍｍ厚のポリマー層を伴う厚いＬＯＥに関して、曲率半径のＬＯＥ範囲は、約１ｍであってもよい。ＬＯＥの波長選択性は、ＬＯＥが透過モードにおいて使用されるかまたは反射モードにおいて使用されるかと、ホログラムの曲率とに依存する。反射モードでは、波長選択性は、わずか数ナノメートルであり得る。入射角、曲率半径、および波長における差異に関するＬＯＥの感度は、ＬＯＥの幾何学形状に依存し、相互に依存し得る。

前述のように、個々の出射光線２０３の場所および方向は、導波管が角度および波面曲率の両方を保存し、これが、入力光を制御することによって、個々の出射光線の場所および方向の選択的制御を可能にするため、制御されることができる。したがって、複数の視認平面瞳は、複数の格子場所において多重化され、瞳拡張を可能にすることができる。

本システムはまた、ホログラムによって回折される球状光線の光の曲率（すなわち、曲率半径）を制御することによって、深度平面を変化させることができる。先行技術システムでは、平面波（すなわち、コリメートされた光）は、任意の曲率を有していない。しかしながら、本システムは、特定の波面の曲率と異なる方向に進む光の特定の光線との合致を可能にする。

格子２０７は、干渉パターンを作成する干渉光ビームに基づいて、ポリマー層２０５に書き込まれることができる。格子２０７は、入力光ビームの種々の特性に応じて、種々の光ビームを、複数の場所に、１つの場所に回折する、またはいずれの場所にも全く回折しないことができる。各格子２０７は、１つのビームのセットを所定の入力方向から別の所定の選択的出力方向に回折する。したがって、狭ビームのみが、ポリマー層２０５内の格子２０７によって回折されるであろう。ポリマー材料の深度全体内の体積と相互作用する光は、光ビーム成分が建設的に合算されることを可能にする。ポリマー材料は、厚さ約０．１ｍｍ～約１．５ｍｍを有してもよい。これは、一次のビームのみが内部結合し、一次のビームのみが外部結合することを可能にする。加えて、本システムは、格子２０７が、光線の入力に基づいて、ホログラムの外側に透過または反射された光線の視認角度を拡張させるように形成される、ＬＯＥおよびポリマー層２０５の重畳を使用することができる。

多重化は、本システムが、単一接眼レンズを使用して、画像を種々の深度平面に生成することを可能にし、これは、仮想オブジェクトの見掛け深度を変化させる。いくつかの実施形態では、本システムは、導波管に内部結合する光の波面曲率を調節し得る、可変焦点要素（ＶＦＥ）を含有するであろう。ＶＦＥは、投影された光の焦点（すなわち、波面曲率）を変動させ、光をユーザの眼に透過させるように構成可能である。また、前述のように、入力格子は、特定の角度および波長の光線のみが内部結合されるようにプログラムされることができる。角度多重化はまた、入力対物レンズの歪曲を補償することができる。

図３は、単一の厚い光学要素３０１を使用した曲率多重化を描写する。体積ホログラムは、導波管３０１に内部結合する光の波面曲率を保存するために十分な厚さである。いくつかの実施形態では、本システムは、格子のパターンに基づいて、光源によって生成された光の入射角の範囲、波長の範囲、および曲率半径の範囲を制御することによって、導波管３０１から外部結合するであろう、個々の光線３０３の曲率を制御することができる。いくつかの実施形態では、個々の光線３０５は、格子の選択された角度のため、導波管３０１から外部結合しないであろう。いくつかの選択的曲率光線（例えば、３０３）のみが、例えば、光ビームの角度の選択性に基づいて、外部結合される。

いくつかの実施形態では、本システムは、単一接眼レンズ／導波管内の複数の深度平面を多重化するであろう。しかしながら、本システムは、平行に回折されるであろう、直線波（すなわち、コリメートされた光ビーム）のみを受け取るであろうため、単に、既存の導波管および格子を使用することができない。これは、単一導波管を使用して、深度を作成しないであろう。他方では、開示されるシステムは、出力波面曲率を入力波面曲率に合致させる。ホログラムは、接眼レンズの中に進む所定の方向、角度、および曲率を有する場合のみ、光の一部を回折するように構成されることができる。

前述のように、個々の出射光線３０３の場所および曲率は、導波管が、角度および波面曲率の両方において選択的であって、これが、入力光線の入射角および入力光線の曲率半径の範囲を制御することによって、個々の出射光線の場所および曲率の選択的制御を可能にするため、制御されることができる。したがって、曲率は、保存され、複数の格子場所において多重化されることができる。

図４は、単一の厚い光学要素を使用したスペクトル多重化を描写する。体積ホログラムは、特に、スペクトル的に敏感である。いくつかの実施形態では、これは、Ｒ ４０１、Ｇ ４０３、およびＢ ４０５の色成分が単一層導波管内で多重化されることを可能にする。他の実施形態では、分散補償が、スーパールミネセントダイオード（「ＳＬＥＤまたはＳＬＤ」）またはカオスレーザ等のより広い帯域幅光源の使用を可能にし、スペックルを低減させ得る。
（瞳孔エクスパンダ）

図６に示されるように、上記に説明されるＬＯＥ１９０の一部は、射出瞳エクスパンダ１９６（「ＥＰＥ」）として機能し、Ｙ方向における光源１２０の開口数を増加させ、それによって、システム１００の分解能を増加させることができる。光源１２０は、小径／スポットサイズの光を生成するため、ＥＰＥ１９６は、ＬＯＥ１９０から出射する光の瞳の見掛けサイズを拡張させ、システム分解能を増加させる。ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム１００はさらに、ＥＰＥ１９６に加え、直交瞳エクスパンダ１９４（「ＯＰＥ」）を備え、Ｘ（ＯＰＥ）およびＹ（ＥＰＥ）方向の両方において光を拡張させてもよい。ＥＰＥ１９６およびＯＰＥ１９４についてのさらなる詳細は、前述の米国特許出願第１４／５５５，５８５号および米国特許出願第１４／７２６，４２４号に説明されており、その内容は、参照することによって前述に組み込まれている。

図７は、ＩＣＧ１９２と、ＯＰＥ１９４と、ＥＰＥ１９６とを有する、ＬＯＥ１９０を含む、別の光学システム１００を描写する。システム１００はまた、仮想光ビーム２１０をＬＯＥ１９０の中にＩＣＧ１９２を介して指向するように構成される、光源１２０を含む。光ビーム２１０は、上記の図６に関して説明されるように、ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６によって、ビームレット２１０’に分割される。さらに、ビームレット２１０’が、ＥＰＥ１９６を通して伝搬するにつれて、それらはまた、ＬＯＥ１９０からＥＰＥ１９６を介してユーザの眼に向かって出射する。選択ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識されている。

前述のＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、多くの選択的反射性光学要素から利益を享受し得る、種々の光学システムの実施例として提供される。故に、本明細書に説明される光学システムの使用は、開示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムに限定されず、むしろ、任意の光学システムに適用可能である。

本発明の種々の例示的実施形態が、本明細書に説明される。これらの実施例は、非限定的意味で参照される。それらは、本発明のより広義に適用可能な側面を例証するために提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物が代用されてもよい。加えて、多くの修正が、特定の状況、材料、組成物、プロセス、プロセス作用、またはステップを本発明の目的、精神、もしくは範囲に適合させるために行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるであろうように、本明細書で説明および例証される個々の変形例はそれぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離される、またはそれらと組み合わせられ得る、個別のコンポーネントおよび特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられた請求項の範囲内であることが意図される。

本発明は、本主題のデバイスを使用して実施され得る方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供する作用を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって実施されてもよい。言い換えると、「提供する」作用は、単に、エンドユーザが、本主題の方法において必要なデバイスを取得する、それにアクセスする、それに接近する、それを位置付ける、それを設定する、それをアクティブ化する、それに電源を入れる、または別様にそれを提供するように作用することを要求する。本明細書に列挙される方法は、論理的に可能な列挙されたイベントの任意の順序ならびにイベントの列挙された順序で行われてもよい。

本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記に記載されている。本発明の他の詳細に関して、これらは、前述の参照特許および刊行物に関連して理解され、概して、当業者によって公知である、または理解され得る。同じことは、一般または論理的に採用されるような付加的作用の観点から、本発明の方法ベースの側面に関しても当てはまり得る。

加えて、本発明は、随意に、種々の特徴を組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されたが、本発明は、発明の各変形例に関して検討されるように説明または図示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、均等物（本明細書に列挙されるか、またはある程度の簡潔目的のために含まれないかどうかにかかわらず）は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく代用されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値および任意の他の述べられた値または述べられた範囲内の介在値が、本発明内に包含されるものと理解されたい。

また、説明される発明の変形例の任意の随意の特徴は、独立して、または本明細書に説明される特徴のうちの任意の１つ以上のものと組み合わせて、記載および請求され得ることが検討される。単数形アイテムの言及は、存在する複数の同一アイテムが存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書および本明細書に関連付けられた請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、別様に具体的に述べられない限り、複数の言及を含む。言い換えると、冠詞の使用は、上記の説明ならびに本開示と関連付けられる請求項における本主題のアイテムのうちの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、請求項は、任意の随意の要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、本文言は、請求項の要素の列挙と関連する「単に」、「のみ」、および同等物等の排他的専門用語の使用、または「消極的」限定の使用のための先行詞としての役割を果たすことが意図される。

そのような排他的専門用語を使用しなければ、本開示と関連付けられる請求項における用語「～を備える」は、所与の数の要素が請求項で列挙されるかどうかにかかわらず、任意の付加的要素の包含を可能にするものとする、または特徴の追加は、請求項に記載される要素の性質を変換すると見なされ得る。本明細書で具体的に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の正当性を維持しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味を与えられるべきである。

本発明の範疇は、提供される実施例および／または本主題の明細書に限定されるべきではなく、むしろ、本開示と関連付けられた請求項の言語の範囲によってのみ限定されるべきである。

前述の明細書では、本発明は、その特定の実施形態を参照して説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広義の精神および範囲から逸脱することなく、そこに行われてもよいことが明白であろう。例えば、前述のプロセスフローは、プロセスアクションの特定の順序を参照して説明される。しかしながら、説明されるプロセスアクションの多くの順序は、本発明の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更されてもよい。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証と見なされるべきである。

Claims (11)

1. 頭部装着型結像システムであって、
   光ビームを生成するように構成された光源と、
   ０．１～１．５ｍｍの厚さを有し、入射部分および出射部分を備える、光誘導光学要素と
   を備え、
   前記光誘導光学要素は、前記光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成され、
   前記光誘導光学要素の前記出射部分は、前記光の波面曲率の半径に基づいて、選択的に、前記出射部分に向けられた光が前記光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成され、前記光誘導光学要素は、複数の深度平面を生成するように構成され、前記複数の深度平面の各々は、ユーザの眼からそれぞれの距離に位置している、頭部装着型結像システム。
2. 頭部装着型結像システムであって、
   光ビームを生成するように構成された光源と、
   ０．１～１．５ｍｍの厚さを有し、入射部分および出射部分を備える、光誘導光学要素と
   を備え、
   前記光誘導光学要素は、前記光ビームの少なくとも一部を全内部反射によって伝搬するように構成され、
   前記光誘導光学要素の前記出射部分は、前記光の波面曲率の半径に基づいて、選択的に、前記出射部分に向けられた光が前記光誘導光学要素から出射することを可能にするように構成され、前記光誘導光学要素は、複数の深度平面を生成するように構成され、前記複数の深度平面の各々は、ユーザの眼からそれぞれの距離に位置しており、前記光誘導光学要素は、前記複数の深度平面の各々に対応する複数の格子の各々とともに内蔵され、これにより、前記光誘導光学要素を通した複数の波面曲率の半径を有する光の多重化を可能にする、頭部装着型結像システム。
3. 前記出射部分は、特定の深度平面に対応する外部結合格子を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光ビームが前記入射部分を通して前記光誘導光学要素に入射する前に、焦点のうちの少なくとも１つを調節することによって、前記光ビームの波面曲率を調節するように構成されている可変焦点要素をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
5. 光ビームの一部は、少なくとも、前記光誘導光学要素の厚さに基づいて、前記光誘導光学要素から出射するように選択される、請求項１に記載のシステム。
6. 光ビームの一部は、少なくとも、内部結合格子の厚さに基づいて、前記光誘導光学要素から出射するように選択される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記光ビームは、導波管から外部結合される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記導波管から外に結合される前記光ビームの波面曲率は、前記光源によって生成された前記光の波面曲率の半径の範囲を制御することによって制御される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記光源によって生成された前記光の波面曲率の半径の範囲を制御することは、前記格子のパターンに基づいている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記システムは、異なる方向に進む特定の光ビームと特定の波面の波面曲率との合致を可能にする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記光の前記複数の波面曲率の半径の範囲は、前記光誘導光学要素の厚さに依存している、請求項２に記載のシステム。

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