(57)【要約】光変換を実行するために、特殊化された導波管アセンブリを含むデバイス、システム及び方法が提供される。一部の導波管アセンブリは、導波管及び補償レンズを含む。導波管は、前面及び背面を含み、導波管は、前面で外部光を受け取り、導波管を通して外部光を背面に透過するように構成される。補償レンズは、背面に配置され、背面から放射された光を背面に近接する射出瞳に向けるように構成される。補償レンズは、導波管に向けられる入力面と、導波管から離れるよう向けられる対向する出力面とを有する。導波管は、場合によって、最小限の歪みで複合現実感ディスプレイにおけるユーザの視野を増加させることができる。
2019522811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管アセンブリにおいて：
前面及び背面を有する導波管であって、該導波管は、前記前面で外部光を受け取り、該導波管を通して前記外部光を前記背面に透過するように構成される、前記導波管と；
前記背面に配置され、前記背面から放射された光を前記背面に近接する射出瞳に向けるように構成される補償レンズであって、該補償レンズは、前記導波管に向けられる入力面と前記導波管から離れるように向けられる対向する出力面とを有し、前記入力面と前記出力面は非ゼロの補償角を形成する、前記補償レンズと；
を備える、導波管アセンブリ。
【請求項２】
相互に平行に向けられる複数の導波管を更に備える、
請求項１に記載の導波管アセンブリ。
【請求項３】
前記補償レンズは、４５度未満の補償角を有する、
請求項１に記載の導波管アセンブリ。
【請求項４】
前記補償レンズは、くさび形である、
請求項１に記載の導波管アセンブリ。
【請求項５】
前記補償レンズは、複数のレンズを含む、
請求項１に記載の導波管アセンブリ。
【請求項６】
非ゼロの変換角を有する変換レンズを更に備える、
請求項１に記載の導波管アセンブリ。
【請求項７】
前記変換レンズは、インカップリング回折光学素子を含み、前記変換角と前記補償角が等しい、
請求項６に記載の導波管アセンブリ。
【請求項８】
ヘッドマウント型のニア・アイ・ディスプレイシステムにおいて：
前面及び背面を有する第１導波管であって、該第１導波管は、前記前面で外部光を受け取り、該第１導波管を通して前記外部光を前記背面に透過するように構成される、前記第１導波管と、
前記背面に近接して配置され、前記背面から放射された光を前記背面に近接する射出瞳に向けるように構成される補償レンズであって、該補償レンズは、前記第１導波管に向けられる入力面と前記第１導波管から離れるように向けられる対向する出力面とを有し、前記入力面及び前記出力面は非ゼロの補償角を形成する、前記補償レンズと、
を含む導波管アセンブリと；
前記導波管アセンブリに光学的に結合され、前記導波管アセンブリに信号光を提供するように配向される光源と；
前記光源及び前記導波管アセンブリをユーザの頭部で支持するように構成されるハウジングと；
を備えるシステム。
【請求項９】
前記導波管アセンブリは、少なくとも上部エッジ、下部エッジ及び外部エッジを有し、前記補償レンズの一部は、前記外部エッジの少なくとも一部に沿って配置されている、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記補償レンズの一部は、前記下部エッジの少なくとも一部に沿って配置される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記導波管アセンブリは、前記第１導波管に平行な第２導波管を含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１導波管及び前記第２導波管は、異なる光透過スペクトルを有する、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記補償レンズは、前記第１導波管と一体的に形成される、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記補償角に等しい非ゼロの変換角を有する変換レンズを更に備える、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記変換レンズは、前記光源に近接する入力面と、前記第１導波管に近接する出力面とを有し、当該システムは、前記変換レンズの前記出力面に隣接して配置されるインカップリング回折光学素子を更に備える、
請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近年、拡張現実（AR）や仮想現実（VR）を含む複合現実（MR）等の視覚化技術をサポートするために、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）デバイスのようなニア・アイ・ディスプレイ（NED）が、消費者市場に導入されている。NEDデバイスは、１つ以上の光源、マイクロディスプレイモジュール、制御エレクトロニクス、そして導波管やレンズ、ビームスプリッタといった様々な光学素子のようなコンポーネントを含むことがある。
【０００２】
導波管は、NEDデバイスにおいて、人工的に生成された画像を表す光を、デバイスの画像生成コンポーネントからユーザの目に伝達するか、配向するために使用される。この点において、NEDデバイス内の導波管は、ユーザに対するデバイスの画像出力インタフェースとして機能する。したがって、NEDデバイス内の導波管は、「出力導波管」と呼ばれることがある。
【０００３】
一部のNEDデバイスでは、コンピュータ生成画像は、ユーザがやはり出力導波管を通して見ることができる現実の環境に対して透明な出力導波管から投影される。これは、コンピュータ生成画像が現実の環境と相互作用するよう見えることを可能にする。一部のARの用途では、投影された画像は、ユーザの視野内の他の物体の位置に直接重畳される。
【０００４】
ユーザが現実の環境に存在するように認識するコンピュータ生成画像の「位置」は、正確に計算され、生成されなければならない。ユーザの目に対する出力導波管を通したコンピュータ生成画像の伝達におけるあらゆる誤差、あるいは現実の環境に対するコンピュータ生成画像の歪みは、ユーザにとって不快感や方向感覚の喪失を引き起こす可能性がある。一部の用途では、コンピュータ生成画像の伝達における誤差又はコンピュータ生成画像の歪みは、MRディスプレイの知覚現実及び全体的な有用性を低下させる可能性がある。
【０００５】
NEDデバイスの視野（FOV：field  of  view）は、しばしば、ユーザの目に対する出力導波管の向きによって制限される。時には、ユーザの目の周りを包むように、出力導波管の向きを変更することによりFOVを増加させることが可能である。しかしながら、導波管の向きに対するこれらのタイプの変更は、出力導波管の接続と組立てのため、MR投影をユーザのFOV内の物体と整列させるために更なる課題を生み出す可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
開示される実施形態は、光変換を実行するために、特殊化された導波管アセンブリを含むデバイス、システム及び方法を含む。これらの実施形態の一部は、ユーザのFOVを増加させ、かつ／又はユーザのFOVに対してNEDデバイスを用いて所望の位置に画像を投影するための精度を高めるよう動作可能である。
【０００７】
一部の実施形態において、導波管アセンブリには導波管及び補償レンズが提供される。導波管は、前面及び背面を有し、前面で外部光を受け取り、該導波管を通して外部光を背面に透過するように構成される。補償レンズは、背面に配置され、背面から放射された光を背面に近接する射出瞳（exit  pupil）に向けるように構成される。補償レンズは入力面と出力面を有する。入力面は、導波管に向けられ、出力面は導波管から離れるように向けられる。入力面と出力面は非ゼロの補償角を形成する。一部の実施形態において、ヘッドマウント型のNEDシステムが、導波管アセンブリと、導波管アセンブリに光学的に結合される光源と、光源及び導波管アセンブリを支持するハウジングを含むように構成される。導波管アセンブリは、第１導波管と補償レンズを含む。導波管は、前面及び背面を有し、前面で外部光を受け取り、該第１導波管を通して外部光を背面に透過するように構成される。補償レンズは、背面の近くに配置され、背面から放射された光を背面に近接する射出瞳に向けるように構成される。補償レンズは入力面と出力面を有する。入力面は、第１導波管に向けられ、出力面は第１導波管から離れるように向けられる。入力面及び出力面は非ゼロの補償角を形成する。光源は、導波管アセンブリに信号光を提供するように配向される。
【０００８】
開示される実施形態はまた、光源からの信号光を導波管に対してある角度で屈折させ、信号光をインカップリング（in-coupling）して導波管に沿って伝播し、信号光を外部光と混合し、導波管からの信号光をアウトカップリング（out-coupling）して出射信号光を出力し、出射信号光を射出瞳の方へ向けるよう補正レンズで出射信号光の方向を補償することによって、導波管アセンブリを通して光をガイドする方法も含む。
【０００９】
この要約は、以下の詳細な説明において更に説明される概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。この要約は、特許請求に係る主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定するよう意図されておらず、特許請求に係る主題の範囲を決定する際の助けとして使用されるようにも意図されていない。
【００１０】
更なる特徴及び利点は、以下の説明に記載され、一部はその説明から明らかになるか、あるいは本明細書の教示の実施によって習得され得る。本発明の特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲で具体的に示される機器及び組合せによって実現及び取得され得る。本発明の特徴は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるか、あるいは以下に説明されるような本発明の実施によって習得され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
上述及び他の利点及び特徴を得ることができる方法を説明するために、簡潔に上述した主題のより具体的な説明を、添付の図面に図示される特定の実施形態を参照して行うことにする。より良い理解のために、類似の要素は、様々な添付図面を通して類似の参照番号によって示されている。図面の一部は概念の概略的又は誇張された表現であり得るが、図面の少なくとも一部はスケーリングして描かれていることがある。これらの図面は、単に典型的な実施形態を示すものにすぎず、したがって、範囲を限定するものとみなされるべきではないという理解の下、添付の図面を使用して、実施形態を更に具体的かつ詳細に記載及び説明する。
【００１２】
【図１】開示される実施形態の１つ以上による、ヘッドマウントデバイス内のNEDの正面図を示す図である。
【００１３】
【図２Ａ】開示される実施形態の１つ以上による、変換レンズと補償レンズを含む導波管アセンブリを通る光の動きを示す図である。
【００１４】
【図２Ｂ】図２Ａに示されるものとは導波管アセンブリの反対側に変換レンズが配置されている点を除いて、図２Ａの実施形態と類似する別の実施形態を示す図である。
【００１５】
【図３】開示される実施形態の１つ以上による、複数の導波管を含む導波管アセンブリを通る光の動きを示す図である。
【００１６】
【図４Ａ】開示される実施形態の１つ以上による、変換レンズと複数の補償レンズを含む導波管アセンブリを通る光の動きを示す図である。
【００１７】
【図４Ｂ】図４Ａに示されるものとは導波管アセンブリの反対側に変換レンズが配置されている点を除いて、図４Ａの実施形態と類似する別の実施形態を示す図である。
【００１８】
【図５Ａ】開示される実施形態の１つ以上による、ユーザに対する実際のラップ（real  wrap）とともに導波管アセンブリを示す図である。
【００１９】
【図５Ｂ】開示される実施形態の１つ以上による、ユーザに対する実際の傾斜（real  tilt）とともに導波管アセンブリを示す図である。
【００２０】
【図６】開示される１つ以上の実施形態による、複数の異なる補償レンズを組み合わせて有する導波管アセンブリを示す図である。
【００２１】
【図７】開示される１つ以上の実施形態による、導波管アセンブリを通る光をガイドする方法に関連付けられる様々な動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
開示される実施形態は、外部光とコンピュータ生成される信号光を混合することを可能にするデバイス、システム及び方法を含み、これらは、時には従来の導波管又はNEDシステムで可能なものよりも大きなFOVを有する。開示されるデバイス、システム及び方法の様々な実施形態が次に提供される。以下の開示に関して、開示される実施形態の開発においては、どのようなエンジニアリング又は設計プロジェクトにおいても、システム関連及びビジネス関連の制約の遵守のような開発者の特有の目的を達成するために、実施形態によって異なる可能性がある多数の実施形態特有の決定が行われることが理解されよう。このような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、本開示の利益を享受する当業者にとっては、設計、製作及び製造の日常的な仕事であろうことを更に理解されたい。
【００２３】
一部のMR  NEDデバイスのFOVは、上述及び以下のように、導波管を通って移動する信号光の角度によって制限される。
【００２４】
NEDデバイスの信号光は、マイクロディスプレイモジュール、画像ジェネレータ又は他の信号光デバイスのような光源によって生成される。この信号光は、コンピュータ生成画像及び／又はデータとしてNED導波管で投影される。この導波管は、典型的に、光源からの信号光を、導波管を通って、ユーザの目のような光受容体に向けてガイドするように動作可能な実質的に平面状の導波管として構成される。信号光は導波管にインカップルされ、伝播角度で導波管に沿って内部伝播され得る。
【００２５】
導波管から放射される信号光がユーザに視認可能なFOVは、導波管に対する光源及び／又はユーザの向きによって制限される。しかしながら、NEDデバイスの導波管とともに利用され得る物理的な向きの範囲は、特にHMDデバイスのようなウェアラブルデバイスについては、いくらか制限され得る。例えば垂直回転軸の周りの導波管のラップ（包囲）又は回転量と、水平回転軸の周りの導波管の傾斜又は回転量は、デバイスのハウジング及び本体の物理的制約によって制限され得る。場合によっては、これらの制約は、用途及び環境（すなわち、ユーザの顔の形状）に基づく物理的制約である。これらの制約は、デバイスの外部光学素子（すなわち、高い度合いのラップ及び／又は傾斜が、導波管を通る周囲環境からの外部光の透過に悪影響を与える可能性がある）のような物理学又はそれらの組合せに基づくこともできる。
【００２６】
開示される実施形態の一部は、導波管からユーザの目に向かう信号光の出力の間に入射角を補償する少なくとも１つの補償レンズを含めることによって、NEDデバイス及び他の導波管アセンブリによって提供されるユーザのFOVを増加させるように動作可能な「人工的なラップ及び／又は傾斜」を作成することにより、上述の典型的な制約を補償することができる。一部の実施形態では、開示される導波管アセンブリは、光源からの信号光を入射角で導波管に向ける変換レンズを更に含む。
【００２７】
図１に図示されるように、HMDデバイス１００は、バイザー１０４及び光源１０６を支持するハウジング１０２を含む。光源１０６は、導波管１０８（１つ、２つ又はそれ以上の導波管１０８を含むことがある）を含む導波管アセンブリと光学的に通信する。ハウジング１０２は、少なくとも部分的にユーザの目の中心１１０の前に導波管１０８を支持するように構成される。目の中心１１０は、デバイスが装着されるときにユーザの目の中心近くに位置する場所であり、ユーザに画像を操作可能に提示するよう配置される。導波管１０８は、該導波管１０８を通して光源１０６から投射された信号光をガイドする。投射／透過された信号光の少なくとも一部は最終的に、信号光がユーザの目によって視認可能／見えるよう、導波管１０８からユーザの目に向けて放射される。
【００２８】
一部の例では、導波管１０８は外部光に対して光学的に透明であるので、導波管１０８は、ユーザが導波管１０８を通してその周囲を見ることを可能にし、同時に、周囲の環境光と混合される光源１０６からの信号光も見ることを可能にする。例えば導波管１０８は、８０％超の外部光をユーザの目に伝達することができる。他の例では、導波管１０８は８５％超の外部光をユーザの目に伝達してもよい。更に他の例では、導波管１０８は９０％超の外部光をユーザの目に伝達してもよい。
【００２９】
光源１０６は、図１に図示されるように、導波管１０８内で中心位置（例えば目の中心１１０）から信号光を提供してよい。他の実施形態において、光源１０６は、導波管１０８に対する他の場所に、例えば導波管１０８の上部エッジ、下部エッジ又は外部エッジに沿って配置されてもよい。
【００３０】
図２Ａは、導波管アセンブリの一実施形態の上面図を図示している。導波管アセンブリは、図１で説明したように、光源２０６からの信号光を、導波管アセンブリを通してユーザの目に向けるように動作可能である。導波管アセンブリは、光源２０６から入力信号光２１２−１をガイドし、出力信号光２１２−２をユーザの目に向けて放射する導波管２０８を含む。
【００３１】
一部の例による導波管アセンブリは、入力信号光２１２−１を光源２０６から導波管２０８へ屈折させる変換レンズ２１４も含む。変換レンズ２１４は、入力面２１８と対向する出力面２２０との間に非ゼロ（例えば非平行）の変換角２１６を有するように構成される。入力面２１８と出力面２２０によって形成される変換角２１６は、入力信号光２１２−１を、該入力信号光２１２−１がインカップリング・レンズ（in-coupling  lens）２１４に入る角度とは異なる角度で導波管２０８へ向ける。例えば変換レンズ２１４は、入射する入力信号光２１２−１を所定量だけ偏向させるプリズムであってもよい。少なくとも１つの実施形態において、変換レンズ２１４は、信号光を導波管２０８へインカップルするために、変換レンズ２１４と導波管２０８との間にインカップリング回折光学素子（DOE：diffractive  optical  element）を有するインカップリング・レンズである。
【００３２】
変換レンズ２１４を通る信号光２１２−１の偏向は、少なくとも部分的に変換角２１６に関連し得る。偏向は、少なくとも部分的に、変換レンズ２１４の材料にも関連し得る。例えば変換レンズの各面における信号光の屈折を、スネルの法則によってモデル化することができる：
sinθ１／sinθ２＝ν１／ν２＝λ１／λ２＝n２／n１
ここで、θ１は境界面（interface）に向かう入射光の角度、θ２は境界面の後の屈折光の角度、ν１は入射光の速度、ν２は屈折光の速度、λ１は第１媒体（例えば空気）内の光の波長、λ２は、第２媒体（例えば変換レンズ２１４）内の光の波長であり、n１は第１媒体の屈折率であり、n２は第２媒体の屈折率である。
【００３３】
スネルの法則から、入射角及び屈折角は、問題となっている光の波長及び境界面を横切る相対屈折率に依存することがわかる。図２Ａは、導波管２０８の近位にある変換レンズ２１４を図示しており、その間にはギャップ（エアギャップ等）がある。図示されていない他の実施形態では、変換レンズ２１４は、ギャップがないように導波管２０８に直接隣接する。
【００３４】
光が、平行する表面を有する材料を透過するとき、２つの境界面はお互いをほぼ相殺し、光は第１境界に入る向きと実質的に同じ向きで第２境界面から出てくることになる。変換角２１６は、変換レンズ２１４の入力面２１８と出力面２２０にわたる相互作用が異なるものになることを可能にし、その結果、信号光に対する正味の向きの変化（net  orientation  change）をもたらす。一部の実施形態では、変換レンズの変換角２１６は、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°のいずれか又はそれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値を有する範囲内にある。例えば変換角２１６は５°より大きくてよい。別の例では、変換角２１６は４５°未満であってもよい。更に別の例では、変換角２１６は５°と４５°の間であってもよい。更なる例では、変換角２１６は２０°と３５°の間であってもよい。少なくとも１つの例では、変換角２１６は３０°未満であってもよい。更に他の実施形態では、変換角２１６は５°未満であるか、４５°より大きい。
【００３５】
変換レンズ２１４は、変換レンズ材料からなる又は変換レンズ材料を含む。一部の実施形態では、変換レンズ材料は、ガラス、ポリアクリル酸等のポリマー、石英及び／又は可視光範囲内の任意の他の光学的に透明な材料を含む。
【００３６】
変換レンズ２１４の屈折率は、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０のいずれか又はそれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値の範囲内であってよい。例えば変換レンズ２１４の屈折率は１．５より大きくてもよい。別の例では、変換レンズ２１４の屈折率は２．０未満であってよい。更に別の例では、変換レンズ２１４の屈折率は１．５と２．０の間であってもよい。更なる例では、変換レンズ２１４の屈折率は１．７と１．９との間であってもよい。少なくとも１つの例では、変換レンズ２１４の屈折率は約１．８であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、屈折率は１．５未満であるか、２．０より大きい。
【００３７】
入力信号光２１２−１は、導波管２０８に入る前に最初の向き（すなわち、光源２０６によって生成されたもの）から偏向される。信号光は、信号の全内部反射を介して導波管２０８によって伝達され得る。導波管２０８内の全内部反射は、前面２２２と背面２２４との間の導波管２０８内の光の連続的な反射である。変換レンズ２１４は、導波管２０８内の信号光が臨界角よりも小さい角度で配向されて導波管２０８から放射するように、入力信号光２１２−１を偏向する。
【００３８】
導波管２０８は、一般的に、DOEとの相互作用によって、臨界角を超える伝播角度の変更によって、あるいは出力信号光２１２−２が導波管２０８を出ることを許容する他の機構によって、信号光が導波管２０８から放射されるまで、導波管２０８を通して光を伝播することになる。出力信号光２１２−２は背面２２４に対してある角度で導波管２０８を出ることがあり、これは、（入力信号光２１２−１によって示される）最初にコンピュータ生成された画像に対応する歪んだ画像として提示され、ユーザによって経験され得る。
【００３９】
導波管２０８は、信号光を外部光と混合することができ、信号光のコンピュータ生成画像を、外部光によって見られる現実世界のユーザの知覚とオーバーレイすることを可能にする。入力外部光２２６−１は、導波管２０８の前面２２２に対して実質的に直角な外部光入射角２２７で導波管２０８に近づくように近似され得る。したがって、入力外部光２２６−１は、導波管２０８による屈折はほとんどく導波管２０８の中を透過され得る。更なる相互作用がなければ、出力外部光２２６−２は続いて導波管２０８を通り、背面２２４から出てユーザの方に向かうことになる。
【００４０】
出力信号光２１２−２を適切な角度でユーザに近づけることを可能にし、それによって知覚される歪みを減少させるために、信号光の角度を再び変更して、変換レンズ２１４と入力信号光２１２−１の相互作用を補償することができる。一部の実施形態によれば、補償レンズ２２８は、導波管２０８の背面２２４の近位に配置され、信号光を再び屈折させて補償された信号光２１２−３を生成する。一部の実施形態では、DOE又は他のアウトカップリング機構も導波管２０８の表面及び／又は補償レンズ２２８の上に配置され、所望の配置で導波管２０８内を伝播している光をアウトカップリングする。
【００４１】
補償レンズ２２８を通過する外部光は、補償レンズ２２８によって屈折されてもよい。場合によっては、外部光変換レンズ２２９もまた、導波管２０８に沿って伝播する信号光と同じ角度で外部光が導波管２０８に入るように、入力外部光２２６−１の方向を変更する。
【００４２】
外部光変換レンズ２２９は、変換レンズ２１４と同じ変換角２１６を有するプリズムであってよい。一部の実施形態では、外部光変換レンズ２２９は、変換レンズ２１４に使用される変換レンズ材料を含め、上述の材料のいずれからなるか又はこれを含む。他の実施形態では、外部光変換レンズ２２９は、変換レンズ２１４とは異なる材料からなる又はこれを含む。
【００４３】
入力信号光２１２−１と入力外部光２２６−１は、導波管２０８内で混合される。導波管２０８で混合された信号光と外部光をアウトカップリングすると、補償レンズ２２８は、信号光と外部光の双方の伝播方向を変更して、混合された補償信号光２１２−３と補償外部光２２６−３を生成する。
【００４４】
補償レンズ２２８は、補償レンズ２２８の入力面２３２と対向する出力面２３４との関係によって規定される非ゼロ（例えば非平行）の補償角２３０を有する。一部の実施形態において、補償角２３０は、変換角２１６と等しくてよい。他の実施形態では、補償角２３０は、変換角２１６と異なっていてもよい。
【００４５】
補償レンズ２２８も、変換レンズ２１４の変換レンズ材料と同じ材料又は異なる材料からなるか又はこれを含んでもよい。このような実施形態では、補償レンズ２２８の屈折率は、変換レンズ２１５に対するものとは異なってよく、補償角２３０は、補償信号光２１２−３が光源２０６からの入力信号光２１２−１と同じ向きを有することができるように、変換レンズ２１４との相互作用を依然として補償しつつ、変換角２１６とは異なっていてよい。
【００４６】
混合された補償信号光２１２−３と補償外部光２２６−３は、同一の一般的な向きで射出瞳２３６に向けられる。一部の実施形態では、射出瞳２３６は、使用中にユーザの目の位置を近似することができる（例えば目の中心１１０の位置）。他の実施形態では、射出瞳２３６は、別の光受容体の位置、例えばカメラ又は機械のものを近似してもよい。
【００４７】
上述のように、図２Ａは、光源２０６からの信号光を実質的に平面状の導波管内で外部光と混合して、投影される光画像に対して最小限の歪みで、コンピュータ生成画像をユーザの環境の視覚画像上にオーバーレイすることを可能にする、導波管アセンブリの実施形態を図示する。
【００４８】
図２Ｂは、本明細書において「ミラーモード」の実施形態と呼ばれる代替的な実施形態を示す。この実施形態は、図２Ａの実施形態と類似するが、変換レンズ２１４は、ユーザの目と導波管の同じ側に配置され、かつ、出力光が最終的に投影されるのと同じ側でもある光源２０６からの入力光２１２−１を受け取るように、導波管アセンブリの反対側に配置されている。
【００４９】
次に図３に注目を向けると、図３は、導波管アセンブリを介して異なる信号光を伝播するための複数の別個の導波管を有する導波管アセンブリの実施形態を図示している。例えば、赤、緑及び青（RGB）ベースのNEDデバイスは、例えば赤色光を伝播するよう調整されたものと、緑色光を伝播するよう調整されたものと、青色光を伝播するよう調整されたもののように、各目について３つの積層された導波管３０８−１、３０８−２、３０８−３を含むように構成されてよい。言い換えると、異なる導波管は、異なる光透過スペクトルを有することができる。各出力導波管は、回折により導波管の内部及びその中を通して伝播するように特定の波長範囲の光をガイドするよう設計された１つ以上のDOEを含むことができる。
【００５０】
図３に示されるように、変換レンズ３１４は、第１導波管３０８−１の上に配置され、光源３０６からの信号光３１２−１を変換する。図示の実施形態では、変換レンズ３１４は、第１導波管３０８−１と一体的に形成される。他の実施形態では、変換レンズ３１４は、機械的な留め具を用いて、機械的なインターロックを用いて、接着剤、圧力フィット（compression  fit）、摩擦フィット（friction  fit）、クランプ、テープ、他の接続方法又はこれらの組合せで導波管に取り付けられてもよい。導波管に同様の接続方法又は異なる接続方法を添付してもよい。
【００５１】
第１導波管３０８−１、第２導波管３０８−２及び／又は第３導波管３０８−３は、その長さに沿って異なる波長の入力信号光３１２−１を伝播するように調整され得る。変換レンズ３１４及び／又は導波管３０８−１、３０８−２、３０８−３内の入力信号光３１２−１の分散は、入力信号光３１２−１を異なる角度で異なる波長へ分散させ、それにより、入力信号光３１２−１が複数の導波管に沿って分割されることを可能にする。
【００５２】
複数の導波管のうちの第１導波管３０８−１、第２導波管３０８−２及び／又は第３導波管３０８−３のうちの少なくとも１つは、信号光が補償レンズ３２８を通って透過され得るよう、導波管からの信号光をアウトカップリングするアウトカップリングDOEを有する。出力信号光３１２−３は、導波管の各々によって伝播された波長の各々の再結合された光を含み得る。出力信号光３１２−３は、第１導波管３０８−１に近位の外部光変換レンズ３２９を通し、そして補償レンズ３２８を通して（図２Ａに関連して説明したように）外部光と混合され得る。
【００５３】
図４Ａ〜図４Ｂは、本開示による導波管アセンブリの別の実施形態を示しており、この場合、補償レンズはフレネル型補償レンズである。図示される導波管アセンブリは導波管４０８を含み、図２及び図３に関連して説明したように、補償レンズを通して屈折を提供するために、導波管４０８の近位に複数の補償レンズ４２８−１、４２８−２、４２８−３を有するが、導波管４０８に対して直角な補償レンズの厚さは減少している。
【００５４】
一部の実施形態では、複数の補償レンズのうちの少なくとも２つは、等しい補償角を有する。他の実施形態では、複数の補償レンズのうちの少なくとも１つは、他の補償レンズのうちの１つとは異なる補償角を有する。例えば図３に関連して説明したように、光源４０６からの入力信号光４１２−１は変換レンズ４１４を通過し、その後、散乱し得る。この光４１２−１は、異なる波長で導波管４０８に内部的に沿って異なる角度で伝播し得る。導波管４０８はまた、異なる波長の光をアウトカップル及び／又は屈折させるよう異なる補償角を有する補償レンズを含むように構成されてもよい。
【００５５】
図４Ａ及び図４Ｂの実施形態は類似しており、類似の構成要素を有するが、これらは異なるように配置される。例えば図４Ｂの実施形態は、図２Ｂにおいて上述した「ミラーモード」の実施形態に対応する。この実施形態は、変換レンズ４１４及び光源４０６の配置を除いて図４Ａの実施形態と同一である。変換レンズ４１４及び光源４０６は、図４Ｂではユーザの目と同じ側に配置されるが、図４Ａではユーザの目と反対側に配置される。
【００５６】
図４Ａ〜図４Ｂの図示される実施形態では、第１補償レンズ４２８−１及び第２補償レンズ４２８−２は、それぞれ、第１補償角４３０−１及び第２補償角４３０−２を有する。第１補償角４３０−１は第２補償角４３０−２より小さい。第３補償レンズ４２８−３は、第１補償角４３０−１及び／又は第２補償角４３０−２と異なる第３補償角４３０−３を有する。
【００５７】
第１補償レンズ４２８−１は、光を第１の量だけ屈折させて第１補償信号光４１２−３を生成し、第２補償レンズ４２８−２は、光を第２の量だけ屈折させて第２補償信号光４１２−４を生成し、第３補償レンズ４２８−３は、光を第３の量だけ屈折させて第３補償信号光４１２−５を生成することができる。一部の実施形態では、信号光が、第１補償信号光４１２−３、第２補償信号光４１２−４及び第３補償信号光４１２−５の実質的に平行な経路で射出瞳４３６に向けられるように、第１の屈折量、第２の屈折量及び第３の屈折量は同じである。
【００５８】
そのような実施形態では、信号光が、第１波長の第１補償信号光４１２−３、第２波長の第２補償信号光４１２−４及び第３波長の第３補償信号光４１２−５の実質的に平行な経路で射出瞳４３６に向けられるように、第１補償レンズ４２８−１、第２補償レンズ４２８−２及び第３補償レンズ４２８−３は、好ましくは、それぞれ異なる波長を屈折させるように調整される。
【００５９】
一部の実施形態では、信号光が、第１補償信号光４１２−３、第２補償信号光４１２−４及び第３補償信号光４１２−５の平行でない（すなわち、集束する又は分岐する）経路で射出瞳４３６に向けられるように、第１の屈折量、第２の屈折量及び第３の屈折量は異なる。例えば信号光は異なる波長へ分散することがあり、その異なる波長は、第１補償信号光４１２−３、第２補償信号光４１２−４、第３補償信号光４１２−５の異なる波長が集束経路に従うよう、複数の補償レンズによって異なる量だけ屈折され得る。少なくとも１つの例では、集束する第１補償信号光４１２−３、第２補償信号光４１２−４及び第３補償信号光４１２−５は、射出瞳４３６で又はその付近で集束し得る。
【００６０】
一部の実施形態では、複数の補償レンズは、同じ屈折率を有する。他の実施形態では、複数の補償レンズのうちの少なくとも１つの補償レンズが、他の補償レンズのうちの１つ以上とは異なる屈折率を有する。少なくとも１つの実施形態では、第１補償レンズ４２８−１及び第２補償レンズ４２８−２は、該第１補償レンズ４２８−１及び第２補償レンズ４２８−２が同じ量だけ光を屈折させるように、異なる補償角及び異なる屈折率を有する。
【００６１】
本明細書では、変換レンズ及び補償レンズは、実質的に平面状の導波管に対して「人工的な傾斜及びラップ」を提供するものとして説明されているが、変換レンズ及び補償レンズは、図５Ａ及び図５Ｂに示されるような「実際の傾斜及びラップ」に加えて使用されてもよい。
【００６２】
図５Ａは、ユーザの前の平面５３８に対して配置された複数の導波管５０８の実施形態の概略的な上面図を示す。平面５３８は、ユーザの視線の方向に対して直角（normal）であり、ユーザの顔に対して鉛直（vertical）である。（図５Ａのように）縦に見たときの平面５３８に対する導波管５０８の回転は、導波管５０８の実際のラップを規定する。
【００６３】
開示される実施形態の範囲内にある導波管５０８の実際のラップを、変換レンズ５１４、外部変換レンズ５２９、補償レンズ５２８及び／又はそれらの任意の組合せの使用と組み合わせることができる。一部の実施形態では、平面５３８に対する導波管５０８のラップ角５４０は、１°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°のいずれか又はこれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値を有する範囲内にある。例えばラップ角５４０は１°より大きくてよい。別の例では、ラップ角５４０は４５°未満であってよい。更に別の例では、ラップ角５４０は５°と４５°の間であってもよい。更なる例では、ラップ角５４０は２０°と３５°の間であってもよい。少なくとも１つの例では、ラップ角５４０は３０°未満であってもよい。ラップ角５４０はまた、１°未満であるか、４５°超より大きくてもよい。
【００６４】
導波管５０８の総ラップ（total  wrap）は、一部の実施形態では、図２に関連して説明した変換角２１６のような、導波管５０８の水平方向の変換角と、ラップ角５４０の合計である。一部の実施形態では、導波管５０８の総ラップは、１°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°のいずれか又はこれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値を有する範囲内にある。例えば総ラップは１°より大きくてよい。別の例では、総ラップは４５°未満であってよい。更に別の例では、総ラップは５°と４５°の間であってもよい。更なる例では、総ラップは２０°と３５°の間であってもよい。少なくとも１つの例では、総ラップは３０°未満であってもよい。総ラップはまた、１°未満であるか、４５°より大きくてもよい。
【００６５】
図５Ｂは、ユーザの前の平面６３８に対して配置される導波管６０８の実施形態の概略的な側面図を示す。平面６３８は、図５Ａに関連して説明した平面５３８と類似であっても、同一であってもよい。例えば平面６３８は、一般に、ユーザの視線の方向に対して直角であり、ユーザの顔に対して鉛直である。（図５Ｂのように）側面から見たときの平面６３８に対する導波管６０８の回転は、導波管６０８の実際の傾斜を規定する。
【００６６】
導波管６０８の実際の傾斜を、変換レンズ６１４、外部変換レンズ６２９、補償レンズ６２８及び／又はそれらの組合せの使用と組み合わせることができる。一部の実施形態では、平面６３８に対する導波管６０８の傾斜角６４２は、１°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°のいずれか又はこれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値を有する範囲内であってよい。例えば傾斜角６４２は１°より大きくてよい。別の例では、傾斜角６４２は４５°未満であってよい。更に別の例では、傾斜角６４２は５°と４５°の間であってもよい。更なる例では、傾斜角６４２は２０°と３５°の間であってもよい。少なくとも１つの例では、傾斜角６４２は３０°未満であってもよい。傾斜角６４２はまた、１°未満であるか、４５°より大きくてもよい。
【００６７】
導波管６０８の総傾斜（total  tilt）は、一部の実施形態では、図２に関連して説明した変換角２１６のような、導波管６０８の鉛直方向の変換角と、傾斜角６４２の合計である。一部の実施形態では、導波管６０８の総傾斜は、１°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°のいずれか又はこれらの間の任意の値を含む、上限値、下限値又は上限値と下限値を有する範囲内であってよい。例えば総傾斜は１°より大きくてよい。別の例では、総傾斜は４５°未満であってよい。更に別の例では、総傾斜は５°と４５°の間であってもよい。更なる例では、総傾斜は２０°と３５°の間であってもよい。少なくとも１つの例では、総傾斜は３０°未満であってもよい。総傾斜はまた、１°未満であるか、４５°より大きくてもよい。
【００６８】
図６は、ユーザの目又は他の光受容体の目標位置７１０へ光をガイドするように構成される導波管７０８の別の実施形態の背面図を概略的に示している。導波管７０８は、下部エッジ７４４、外部エッジ７４６及び上部エッジ７４８を有する。導波管７０８は、該導波管７０８のこれらのエッジのいずれかに沿って又は近接して配置される補償レンズを有してよい。例えば図示される実施形態は、少なくとも部分的に湾曲し、かつ下部エッジ７４４と外部エッジ７４６に近位の第１補償レンズ７２８−１を有する。第２補償レンズ７２８−２は、下部エッジ７４４と外部エッジ７４６に配置される実質的に直線部分（segments）を含む。一部の実施形態では、導波管７０８は、湾曲部分を有する少なくとも１つの補償レンズと、実質的に直線部分を有する少なくとも１つの補償レンズとを有する複数の補償レンズを有してよい。
【００６９】
一部の実施形態では、導波管は、相互から等距離にある複数の補償レンズを含んでもよい。例えば導波管は、複数の湾曲した同心補償レンズを含んでもよい。更に他の実施形態では、導波管は、１つ以上の実質的に直線部分を含む複数の同心補償レンズを含んでもよい。
【００７０】
図７は、本開示の実施形態による、導波管を通して光をガイドする方法に関連付けられる動作のフローチャート８５０を示している。これらの動作は、変換レンズを通して信号光を屈折させる動作８５２と、信号光を導波管にインカップリングする動作８５４を含む。信号光は、全内部反射によって導波管を通って伝播する。その後、信号光は外部光と混合８５６される。開示される動作は、少なくとも導波管からの信号光をアウトカップリングする動作８５８と、補償レンズを用いて出力信号光を屈折させることにより変換レンズの屈折を補償する動作８６０も含み、信号光及び外部光を、MR画像内のユーザの目のような光受容体へ渡すことを可能にする。
【００７１】
一部の実施形態において、信号光は、画像ジェネレータ又はマイクロディスプレイデバイスのような光源によって変換レンズに提供される。他の実施形態では、信号光は、複数の光源によって提供される。例えば第１光源が画像の赤色光部分を提供し、第２光源が画像の緑色光部分を提供し、第３光源が画像の青色光部分を提供してよく、それらの３つの光源は、それらの３つの部分が組み合わされるときに複合RGB画像を提供することができる。
【００７２】
一部の実施形態では、信号光は、単一の導波管に沿って伝播される。他の実施形態では、信号光は複数の導波管に沿って伝播する。例えば複数の導波管が積み重ねられてよく、導波管の各々は、その導波管に沿って異なる波長範囲の光をガイドするように調整されてよい。別の例では、積み重ねられた導波管は、相互に対して平行であってよい。信号光は、分散によって及び／又はプリズムによって分割され、複数の導波管の各導波管にインカップルされてもよい。他の実施形態では、信号光の異なる波長は、本明細書で説明されるように離散的な光源から提供され、各導波管にそれぞれインカップルされてもよい。
【００７３】
一部の実施形態では、インカップリング８５４は、変換レンズと導波管との間に配置されたるDOEによって実行されてもよい。他の実施形態において、DOEは導波管の第２表面上に配置され、その結果、第１の表面は平らなままにすることができる。あるいは、インカップリング８５４は、DOEを両表面内に又はその上に配置することによって行われ、それにより「デュアルサイド」DOEを提供することができる。
【００７４】
一部の実施形態では、アウトカップリング８５８は、補償レンズと導波管との間に配置されるDOEによって実行されてもよい。他の実施形態において、アウトカップリング８５８は、導波管の第２の表面上に格子を配置することによって行われ、その結果、第１の表面は平らなままにすることができる。あるいは、アウトカップリング８５８は、DOEを両表面内に又はその上に配置することによって行われ、それによりアウトカップリング８５８のために「デュアルサイド」DOEを提供することができる。
【００７５】
一部の実施形態では、屈折させる動作８５２は、外部変換レンズを用いて導波管の前面に近づく外光を屈折させることを含み、屈折を補償する動作８６０は、補償レンズを用いて導波管の背面から出る外部光を屈折させることを含む。
【００７６】
本開示のデバイス、システム及び方法のうちの１つ以上は、従来の導波管又はNEDシステムよりも大きなFOVで外部光とコンピュータ生成された信号光との混合を可能にする。変換レンズ及び補償レンズは、ハウジング又はユーザに対する導波管の実際の傾斜及びラップへの変化をほとんど又は全く伴わずに、拡大された視野を可能にすることができる。本開示に係る変換及び補償レンズと実際の傾斜及びラップの組合せは、いずれかの技術単独のものよりも、より小さなラップ角及びより小さな傾斜角、ならびにより薄い変換レンズ及び／又は補償レンズ（例えばより小さい変換角及び／又は補償角）でより拡大された視野を可能にすることができ、これにより、光学性能及びユーザにとっての快適性を改善することができる。
【００７７】
冠詞「a」、「an」及び「the」は、先の説明の要素のうちの１つ以上が存在することを意味するよう意図される。「備える（comprising）」、「含む（including）」及び「有する（having）」という用語は包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するように意図される。加えて、本開示の「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、記載される特徴をも組み込む追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されるよう意図されていないことを理解されたい。本明細書に記載される数、パーセンテージ、比又は他の値は、当業者によって理解されるように、その値と、本開示の実施形態によって包含される、記載された値の「約」又は「およそ」となる他の値も含むように意図される。したがって、記載された値は、所望の機能を実行するか所望の結果を達成するために、記載された値に少なくとも十分に近い値を包含するよう十分広く解釈されるべきである。記載された値は、適切な製造又は生成プロセスにおいて予想される変動を少なくとも含み、記載された値の５％以内、１％以内、０．１％以内又は０．０１％以内の値を含み得る。
【００７８】
当業者は、本開示に照らして、同等の構成が本開示の精神及び範囲から逸脱するものではなく、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示される実施形態に様々な変更、置換及び変更を加えることができることを理解すべきである。機能的「ミーンズプラスファンクション」節を含む同等の構成は、同じ方法で動作する構造的均等物と、同じ機能を提供する均等構造の双方を含む、列挙された機能を実行するものとして本明細書に説明される構造を網羅するよう意図される。出願人は、「ための手段」という言葉が、関連する機能とともに現れるものを除いて、いずれの請求項に関しても、ミーンズプラスファンクション又は他の機能的なクレーミングを実施しないことを明確に意図する。特許請求の範囲の意味及び範囲内にある実施形態への各追加、削除及び変更は、特許請求の範囲によって包含されるものとする。
【００７９】
本明細書で使用されるとき、「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、記載されている量に近い量であって、依然として所望の機能を果たすか所望の結果を達成する量を表す。例えば「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、記載される量よりも５％未満、１％未満、０．１％未満及び０．０１％未満少ない量を指すことがある。さらに、前述の説明における任意の方向又は基準フレームは、単に相対的な方向又は動きであることを理解されたい。例えば「上（up）」及び「下（down）」又は「より上（above）」又は「より下（below）」への言及は、単に関連する要素の相対的な位置又は動きを説明するものである。
【００８０】
本発明は、その精神又は特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施されてもよい。説明される実施形態は、すべての点において、例示的なものにすぎず、限定的なものではないとみなされるべきである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に入るすべての変更は、その範囲内に含まれるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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