JP7183418B2

JP7183418B2 - 画像を投影するための光結合装置

Info

Publication number: JP7183418B2
Application number: JP2021528957A
Authority: JP
Inventors: ピラード，ゲール
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2022-12-05
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: WO2020104098A1; TW202028806A; KR20210092794A; US20210302725A1; JP2022510841A; CN113168002A; DE102018220017A1; DE102018220017B4

Description

本発明は、特定のインパクト領域、特に人の眼に画像を投影するための光結合装置に関する。

さらに本発明は、特定のインパクト領域、特に人の眼に画像を投影する方法に関する。

本発明は、さらに、画像を提供するための照射装置と、光結合装置とを備える投影システムに関する。

本発明は、一般に、任意の光結合装置に適用可能であるが、頭部で支持される結合システム、例えば、拡張現実を表示するための眼鏡に関して本発明を説明する。

拡張現実を表示するためのシステムは、実像を虚像と重ね合わせる。このようなシステムは、例えば、自動車産業の分野においてはヘッドアップディスプレイとして知られており、またはコンピュータアプリケーションの分野においても「スマートメガネ」として知られており、周辺の代わりにまたは周辺に加えて、人の眼に画像を投影することができる。

米国特許出願公開第２０１５／０３６２７３４号明細書により、レーザスキャナシステムによってユーザの眼の瞳孔を通して網膜に画像が直接に投影されるシステムが知られている。このために、ユーザの瞳孔に光を偏向させるホログラフィック結合素子が使用される。

国際公開第２０１７／０１１７９９１号パンフレットにより、結合素子を有するヘッドアップディスプレイが知られており、この結合素子は表示ユニットの画像を観察者に向ける。このために、結合素子は複数のホログラフィック層を有し、それぞれの層は干渉パターンを有する。これらのホログラフィック層は、スイッチオンまたはスイッチオフできるように、切換可能に構成することができる。

ドイツ特許出願公開第１０２０１４２２４１８９号明細書により、さらに、結合素子を有するヘッドアップディスプレイシステムが知られており、この結合素子は観察位置に光を向けることができる。この結合素子は、１つ以上のホログラム、特に多重ホログラムを有することができる。この場合、ホログラムを円板状に構成し、視線方向に前後に配置することができ、それぞれのホログラムは、アイボックスを有する部分を定める。

一実施形態では、本発明は、特定のインパクト領域、特に人の眼に画像を投影するための光結合装置であって、互いに間隔をおいて配置された第１および第２の層を少なくとも備え、第１の層が第２の層よりもインパクト領域までの距離が短く、第１の層が少なくとも２つの機能領域を有し、少なくとも２つの機能領域の第１の機能領域と第２の機能領域とが互いに空間的に分離されており、第１および第２の層が、第１の機能領域への入射ビームの一部を第２の層の方向に透過させ、透過させた一部を、少なくとも２つの層の延在方向に沿って第１および第２の層の間で少なくとも部分的に伝搬させ、第１の層の第２の機能領域を介して、少なくとも部分的に伝搬したビームを、インパクト領域の方向に出射するビームとして提供するように構成されている、光結合装置を提供する。

さらなる実施形態では、本発明は、特定のインパクト領域、特に人の眼に画像を投影する方法であって、
第１の層の第１の機能領域にビームを入射させるステップと、
入射ビームの少なくとも１つの部分を第１の層の第１の機能領域によって第２の層の方向に透過させるステップであって、第２の層が第１の層に対して間隔をおいて配置されており、第２の層は、第１の層よりもインパクト領域までの距離が長いステップと、
入射ビームの透過した部分を、少なくとも２つの層の延在方向に沿って第１および第２の層の間で少なくとも部分的に伝搬するステップと、
少なくとも部分的に伝搬したビームの少なくとも１つの部分を、第１の層の第２の機能領域を介してインパクト領域の方向に出射させるステップであって、第２の機能領域が第１の機能領域から空間的に分離されているステップと
を含む方法を提供するものである。

さらなる実施形態では、本発明は、画像を提供するための照射装置と、特定のインパクト領域、特に人間の眼に照射装置の画像を投影するための請求項１から８のいずれか１項に記載の光結合装置とを備える投影システムを提供する。

特に入射ビームの透過された一部に関して、「伝搬」との用語は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲において、好ましくは本明細書において、光、特に入射ビームの透過された一部の光の伝送、搬送、伝播、拡散に関する。

このようにして達成される利点の１つは、互いに対して異なる間隔をもつ複数のアイボックスをユーザの瞳孔に簡単に生成することができ、ユーザの眼の動きが考慮され、眼が動いた場合であっても、瞳孔に配置された複数のアイボックスの異なる位置によってユーザが鮮明な画像を見ることができることである。さらに、複数のアイボックスにより、得られるアイボックスがより大きく、これにより、より高い解像度を有する画像が可能になり、同時にアイボックスが十分に大きいことが利点である。別の利点は、極めて小型の光結合装置を提供できることである。「アイボックス」との用語は、特に、人の少なくとも１つの眼が生成された画像を完全に見ることができる３次元空間であると理解される。換言すれば、「アイボックス」は、人が投影システムの機能を利用もしくは認識することができる空間領域である。

次に本発明のさらなる特徴、利点、およびさらなる実施形態を記載し、または記載により開示する。

有利な実質形態によれば、第１の層の第１および第２の機能領域は、少なくとも１つの第３の機能領域によって分離されている。これにより、一方では、第１の機能領域と第２の機能領域との間の間隔が拡大され、他方では、第１の機能領域と第２の機能領域との間の第３の機能領域によって、第３の機能領域への入射ビームに対して光学機能を提供することができるので、柔軟性が高まる。

さらなる有利な実施形態によれば、第１の層の少なくとも１つの第３の機能領域は反射領域として構成されており、これにより、第３の機能領域への入射ビームが反射される。したがって、ビームを簡単に伝送し、同様に機能領域を簡単に構成することも可能である。

さらなる有利な実施形態によれば、第２の層は、反射領域として構成された少なくとも１つの第４の機能領域を有し、特に、第２の層のすべての機能領域は反射領域として構成されている。これにより、第２の層の安価な製造が可能になり、同時に、第１および第２の層に平行な単純な「導波機能」が可能になる。

さらなる有利な実施形態によれば、第１の層の機能領域は、それぞれ分割機能または透過機能を提供するように構成されている。このようにして、一方では、第１の層への入射ビームを分割することができ、他方では、単に第２の層にさらに透過させることができる。

さらなる有利な実施形態によれば、少なくとも１つの機能領域は、入射ビームに対して、位置に依存した光学機能および／または入射角に依存した光学機能を提供するように構成されている。これにより、機能領域への入射ビームに対して光学機能を正確かつ柔軟に提供することが可能になる。

さらなる有利な実施形態によれば、第１および第２の層と第１の層の第１の機能領域との間の間隔は、入射角に依存して、第２の層への入射ビームの投影断面積が、第２の層の機能領域よりも小さいか、またはこれと同じであるように構成されている。このことの利点は、「クロストーク」が防止され、インパクト領域への画像の投影の確実性が高められることである。

さらなる有利な実施形態によれば、機能領域は、１つ以上のホログラム、特に多重ホログラムを含む。このことの利点は、正確で柔軟な光学的機能を簡単に提供できることである。

本方法のさらなる有利な実施形態によれば、透過は、反射領域の形式の第１および第２の層の機能領域によって行われる。このようにして、簡単に、同時に確実に、透過されたビームを伝送することができる。

本発明のさらなる重要な特徴および利点が、従属請求項、図面、および図面に基づいた関連する図面の説明から明らかになる。

言うまでもなく、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した特徴および以下に説明する特徴を、それぞれに示した組合せだけでなく、他の組合せで、または単独で使用することもできる。

本発明の好ましい構成および実施形態を図面に示し、以下の説明でより詳細に説明する。同じ参照符号は、同じか、もしくは類似の、または機能的に同じ構成要素もしくは素子に関する。

本発明の一実施形態による光結合装置を示す図である。本発明の一実施形態による光結合装置を示す図である。本発明の一実施形態による投影システムを示す図である。本発明の一実施形態による方法のステップを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態による光結合装置を概略的に示す。

図１には、光結合装置１が詳細に示されている。光結合装置１は、第１の層２と第２の層３とを有し、第１の層２は、インパクト領域の方向１００においてインパクト領域までの距離がより短い。この場合、２つの層２，３は互いに間隔５０を有する。直径２ｒの円形断面を有するビーム１０が第１の層２に当たると、これにより、投影された領域２１が第１の層２に生じる。円形のビーム１０を仮定すると、領域２１の表面は、入射ビーム１０がある角度で第１の層２に入射した場合、入射ビーム１０の半径よりも大きい半径ｒ’を有する。領域２１は、機能領域として構成されており、すなわち、入射ビーム１０に対して光学機能を提供する。

入射ビーム１０は、機能領域２１によって、入射ビーム１０の入射角に対応する入射角αで第１の層２を通って第２の層３の方向にさらに伝搬する。第２の層３から、入射ビーム１０は、反射領域として構成された第２の層３の機能領域３１を通って、第１の層２の裏側の方向に再び反射される（ビーム１１）。このビーム１１は、次に第１の層２の機能領域２２に入射し、この機能領域から再び第２の層３の方向に反射される（ビーム１２）。第２の層３の機能領域３２，３３，３における入射ビーム１２，１４，１６によって、および第２の層２の機能領域２３，２４における入射ビーム１３，１５によって繰り返し反射されることにより、入射ビーム１０は、入射方向に対して実質的に垂直に、したがって方向１００に対して垂直に、もしくは２つの層２，３の延在方向に対して平行に伝搬する。換言すれば、ビームは２つの層２，３の間を往復して反射される。最後に、ビーム１７は、反射特性ではなく、透過特性をもつように構成された第１の層２の機能領域２５に当たる。ビーム１７は、機能領域２５を介して所望のインパクト領域の方向１００に第１の層２を離れる。それぞれの機能領域２１，２２，２３，２４，２５，３１，３２，３３，３４を、それぞれの光学機能を提供する機能領域として形成するために、これらの機能領域は、１つ以上のホログラムおよび／または１つ以上の回折光学素子、例えば、光学格子を含むことができる。この場合、それぞれの機能領域２１，２２，２３，２４，２５，３１，３２，３３，３４は互いに離間しており、すなわち、機能領域の直径２ｒ’は、互いに対する間隔ｐ（参照符号５１）よりも小さい。

図２は、本発明の一実施形態による光結合装置を示す。

図２には、実質的に、図１に示した光結合装置１が詳細に示されている。図１に示した光結合装置１とは異なり、図２に示す光結合装置１では、第１の層２の機能領域２１，２２，２３，２４，２５と第２の層３の機能領域３１，３２，３３，３４とに異なった光学機能が割り当てられている。一方では、第２の層３の機能領域３１，３２，３３，３４は全て反射領域として構成されており、すなわち、対応する入射ビーム１２，１４，１６に対して反射機能が提供される。他方では、第１の層２の機能領域２１，２２，２３，２４，２５は次のように構成されている。入射ビーム１０は、当該入射ビーム１０に対して光学的な分割機能を提供する第１の機能領域２１に当たる。ビーム１０の一部は第２の層３の方向に、より正確には第２の層３の領域３１の方向に透過され、別の一部は方向１００にビーム１７ａとして眼４の第１のアイボックス５ａの方向に反射される（図３参照）。第１の層２の第２の機能領域２２は、第１の領域２１の右隣に第１の領域２１から離間して配置されており、第２の機能領域２２への入射ビーム１１に対して反射機能を提供する。すなわち、入射ビーム１１は、ビーム１２として第２の層３の方向に反射される。第１の層２の第３の機能領域２３は、第１の領域２１と同様に構成されており、ビーム１３の前方で第３の機能領域２３への入射ビームに対して分割機能を提供する。すなわち、一部は出射するビーム１７ｂとして第２のアイボックス５ｂの方向に第１の層２を通って透過され、別の一部は反射ビーム１４として第２の層３の方向に再び反射される。第２の機能領域２２と同様に、機能領域２３の隣りに配置された機能領域２４も反射領域として構成されている。この場合、第５の機能領域２５は透過領域として構成されている。すなわち、第２の層３によって反射されたビーム１７は、第３のアイボックス５ｃの方向に完全に透過される（ビーム１７ｃ）。この場合には、第２の層３の方向への新たな部分的な反射は生じない。

図３は、本発明の一実施形態による投影システムを示す。

図３は、画像を提供するためのレーザ走査システム９を有する投影システム１０１と、図２による光結合装置１とを示す。レーザ走査システム９によって、ビーム、ここでは例として示したビーム１０，１０’を異なった角度で光結合装置１の方向に放射する。光結合装置１の第１の層２で、入射ビームは、図２の説明にしたがって部分的に分割され、インパクト領域である眼４の異なる複数のアイボックス５ａ，５ｂ，５ｃに伝搬される。この場合、図２に示されているように、複数のビームは部分的に、光結合装置１の２つの層２，３の間で、これらの層の延在方向に沿って平行に反射されることによって伝搬され、対応する領域において再び光結合装置１から出射し、ビーム１７ａ，１７ａ’によってアイボックス５ａを形成し、ビーム１７ｂ，１７ｂ’によってアイボックス５ｂを形成し、ビーム１７ｃ，１７ｃ’によってアイボックス５ｃを形成する。

図４は、本発明の一実施形態による方法のステップを示す。

図４は、特定のインパクト領域、特に人の眼に画像を投影する方法を概略的に示す。この方法は、次の複数のステップを含む。

第１のステップＳ１において、ビームは、第１の層の第１の機能領域に入射する。

さらなるステップＳ２において、入射ビームの少なくとも一部を、第１の層の第１の機能領域によって第２の層の方向に透過させ、第２の層は、第１の層に対して間隔を置いて配置されており、第２の層は、第１の層よりもインパクト領域までの距離が長い。

さらなるステップＳ３において、入射ビームの透過された一部を、少なくとも２つの層の延在方向に沿って第１の層と第２の層との間で少なくとも部分的に伝搬する。

さらなるステップＳ４では、少なくとも部分的に伝搬したビームの少なくとも一部を、第１の層の第２の機能領域を介してインパクト領域の方向に出射させ、第２の機能領域は第１の機能領域から空間的に分離されている。

要約すると、本発明の少なくともいずれか１つ実施形態は、次の利点のうちの少なくともいずれか１つを有する。
・小型の構造、
・確実な投影、
・安価な製造コスト、
・大きなアイボックス。

好ましい例示的な実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、むしろ多様に変更可能である。

Claims

特定のインパクト領域に画像を投影するための光結合装置（１）であって、
互いに間隔（５０）をおいて配置された第１および第２の層（２，３）を少なくとも備え、前記第１の層（２）は前記第２の層（３）よりも前記インパクト領域までの距離が短く、前記第１の層（２）が、互いに空間的に分離された少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）を有し、
前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）は、
前記第１の層（２）に入射された入射ビーム（１０）の一部（１１）を前記第２の層（３）の方向に透過させる透過領域として構成されている第１の機能領域（２１）と、
前記第１の機能領域（２１）を透過した後に前記第１および第２の層（２，３）の延在方向に沿って前記第１および第２の層（２，３）の間を伝搬された透過ビーム（１３）の一部（１７ｂ）を前記インパクト領域の方向（１００）に出射する透過領域、および、当該透過ビーム（１３）の別の一部（１４）を前記第２の層（３）の方向に反射させる反射領域として構成されている第２の機能領域（２３）と、
前記第２の機能領域（２３）で反射した後に前記第１および第２の層（２，３）の延在方向に沿って前記第１および第２の層（２，３）の間を伝搬された反射ビーム（１７）を、前記インパクト領域の方向（１００）に出射する透過領域として構成されている第３の機能領域（２５）と
を含む、光結合装置（１）。
請求項１に記載の光結合装置であって、前記第１の機能領域（２１）が、前記第１の層（２）に入射された当該入射ビーム（１０）の別の一部（１７ａ）を反射させて前記インパクト領域の方向（１００）に出射する反射領域としても構成されている、光結合装置。
請求項２に記載の光結合装置であって、前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）が、前記第１の機能領域（２１）と前記第２の機能領域（２３）との間、および／または、前記第２の機能領域（２３）と前記第３の機能領域（２５）との間に、前記第２の層（３）からの入射ビーム（１１，１５）を前記第２の層（３）の方向へ反射させる反射領域として構成された少なくとも１つの機能領域（２２，２４）をさらに有する、光結合装置。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の光結合装置であって、前記第２の層（３）が、反射領域として構成された少なくとも１つの第４の機能領域（３１，３２，３３，３４）を備える、光結合装置。
請求項４に記載の光結合装置であって、前記少なくとも１つの第４の機能領域（３１，３２，３３，３４）が、入射ビーム（１０，１２，１４，１６）に対して、位置に依存した光学機能および／または入射角に依存した光学機能を提供するように構成されている、光結合装置。
請求項１から５までのいずれかに記載の光結合装置であって、前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）の各々が、入射ビーム（１１，１３，１５，１７）に対して、位置に依存した光学機能および／または入射角に依存した光学機能を提供するように構成されている、光結合装置。
請求項１から６までのいずれかに記載の光結合装置であって、入射角に依存して、前記第２の層（３）への入射ビーム（１０）の投影断面積が前記第２の層（３）の機能領域（３１）よりも小さいか、または同じであるように、前記第１および第２の層（２，３）の間の間隔（５０）と前記第１の層（２）の第１の機能領域（２１）とが構成されている、光結合装置。
請求項１から７までのいずれか１項に記載の光結合装置であって、前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）が、１つ以上のホログラムを含む、光結合装置。
請求項４または５に記載の光結合装置であって、前記少なくとも１つの第４の機能領域（３１，３２，３３，３４）が、１つ以上のホログラムを含む、光結合装置。
互いに空間的に分離された少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）を含む第１の層（２）と、前記第１の層（２）から間隔（５０）をおいて配置された第２の層（３）との組を用いて、特定のインパクト領域に画像を投影する方法であって、
前記第２の層（３）よりも前記インパクト領域までの距離が短い前記第１の層（２）の当該少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）のうちの第１の機能領域（２１）に入射ビーム（１０）を入射させるステップ（Ｓ１）と、
透過領域として構成された前記第１の機能領域（２１）によって、前記入射ビーム（１０）の少なくとも一部（１１）を、前記第２の層（３）の方向に透過させるステップ（Ｓ２）と、
前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）のうち透過領域および反射領域として構成された第２の機能領域（２３）によって、前記第１の機能領域（２１）を透過した後に前記第１および第２の層（２，３）の延在方向に沿って前記第１および第２の層（２，３）の間を伝搬された透過ビーム（１３）の一部（１７ｂ）を前記インパクト領域の方向（１００）に出射すると同時に、当該透過ビーム（１３）の別の一部（１４）を前記第２の層（３）の方向に反射させるステップと、
前記少なくとも３つの機能領域（２１，２２，２３，２４，２５）のうち透過領域として構成された第３の機能領域（２５）によって、前記第２の機能領域（２３）で反射した後に前記第１および第２の層（２，３）の延在方向に沿って前記第１および第２の層（２，３）の間を伝搬された反射ビームの少なくとも一部（１７）を、前記インパクト領域の方向に出射させるステップ(Ｓ４）と
を含む方法。
画像を提供するための照射装置（９）と、特定のインパクト領域に照射装置（９）の画像を投影するための、請求項１から９までのいずれか１項に記載の光結合装置（１）とを備える投影システム（１０１）。