(57)【要約】非常に均一な光分布を有するシースルー画像表示システム用のコンパクトな照明装置が開示される。本発明は、アイグラスタイプのシースルーディスプレイのようなウェアラブルディスプレイを可能にする。このシステムは、視聴者が大きなアイボックスを有することができるように、ディスプレイ装置からの広い発散ビームを提供する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、マイクロミラー又はマイクロシャッターの表示装置と、
前記表示装置を駆動する回路と、
眼鏡レンズとテンプルと、
眼鏡レンズに取り付けられたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）又は回折光学素子（ＤＯＥ）のシースルー光学素子と、
少なくとも１つの自由形状面を有する少なくとも１つのレンズと、空気を介して眼鏡に画像光を投射する少なくとも１つのミラーとを有するテンプル内に埋め込まれた投影光学系と、
固体光源によって活性化されたレーザー、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ又は蛍光体の発光デバイスを有する複数の色の光源又は複数の色の光源を単一のビームに組み合わせるダイクロックプリズム、ＰＢＳ、光ファイバー、自由形状レンズ、ＤＯＥ、ＨＯＥ又は平面光導波回路による光コンバイナーと、前記合成された光ビームの前記表示装置への入射角が１０度より大きい全反射プリズムと、により構成される照明装置と、
を備えるシースルー表示システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシースルー表示システムのコンバイナーであって、
光源のビームは、ダイクロイックプリズムによって、空気よりも高い屈折率を有する長方形管の群と光ファイバーとの光パイプに結合される。
【請求項３】
請求項１に記載のシースルー表示システムのコンバイナーであって、
光源のビームは、偏光ビームスプリッタによって、空気よりも高い屈折率を有する矩形管の群からの光パイプと光ファイバーとに結合される。
【請求項４】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
ライトパイプ、マイクロレンズアレイ又は拡散板のホモジナイザーは、均質化されたものが、コンバイナーと表示装置との間に配置される。
【請求項５】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
表示装置はＬＣＯＳであり、
スプリッタ面上の偏光子の層とＬＣＯＳ表示面に平行な１／４波長板とＬＣＯＳからのＰＢＳの反対側にある２つの三角プリズムからなる立方体偏光ビームスプリッタを用いて、単一のＰＢＳが必要な画像光を投影レンズに伝達する。
【請求項６】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
コンバイナーは、
前記光源からの光ビームを光パイプ、光ファイバー又は拡散板から光ガイドに導く回折光学素子（ＤＯＥ）又はホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の光学素子で構成される。
【請求項７】
ＬＣＯＳの表示装置と、
前記表示装置を駆動する回路と、
眼鏡レンズとテンプルと
であって、
レーザー、ＬＥＤ又はＯＬＥＤの発光デバイスを有する複数の色の光源と、複数の波長を含む光束を集光するマイクロレンズアレイと、複数の色の光源を単一のビームに組み合わせる光コンバイナーと、を含む照明装置と、
を備える照明装置であって、
前記光コンバイナーは、ダイクロイックプリズム、ＰＢＳ、光ファイバー又は平面光導波回路であり、前記合成されたビームの前記表示装置への入射角は２０度より大きいウェアラブルディスプレイのための照明装置。
【請求項８】
請求項７に記載の照明装置であって、
マイクロレンズアレイは、ホログラフィック光学素子又は回折光学素子によるＤＯＥのアレイである。
【請求項９】
請求項７に記載の照明装置であって、
マイクロレンズアレイは、自由形状レンズのアレイである。
【請求項１０】
請求項７に記載の照明装置であって、
ＰＢＳは、第１の偏光子がＰ波を通過し対角線の内面にＳ波を反射する第１の偏光子と、Ｓ波を通過させ第１の偏光子に垂直な別の対角線の内面にＰ波を反射する第２の偏光子とを有するクロスプリズムである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する出願］
本出願は、２０１３年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／９５７，２５８号の非仮出願である、２０１４年６月２３に位置に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０００１５３の部分継続出願（ＣＩＰ）である。
【０００２】
本発明は、高解像度で広視野のシースルーディスプレイを可能にする回折光学素子に画像を投影するためのウェアラブルディスプレイシステムの照明システムに関する。より詳細には、本発明は、非常に小型のフォームファクタを有するウェアラブルディスプレイに適した非常にコンパクトなイルミネータに関する。
【背景技術】
【０００３】
ウェアラブルディスプレイは、スマートフォンが普及し市場に受け入れられた後、近年広く注目されている。ウェアラブルディスプレイは、ハンズフリー動作の利点を提供し、通常の視界と同じ距離にディスプレイを装着した人に画像を表示する。これらの利点のために、ウェアラブルディスプレイには非常に大きなニーズがある。しかしながら、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、アイグラスタイプディスプレイなどの従来の近視眼ディスプレイは、視聴者に満足のいくウェアラブルディスプレイのソリューションを提供していない。これらの従来のデバイスは、重すぎ、大きすぎ、暗すぎることが多いからである。さらに、これらの従来のウェアラブルディスプレイは、しばしば低解像度であり、それらの多くは、シースルービューを提供せず、ほとんどが高価であり、小さなサイズの画像しか表示することができない。したがって、透視性の光路を利用して、明るく、小さく、明るく、高解像度のウェアラブルディスプレイ装置を提供することが緊急に求められている。新しいウェアラブル装置は、大きな画像を表示することができる安価で、そのようなウェアラブル装置を身に着けていることを他人に気づかれることなく、ステルス的に装着できることがさらに望ましい。
【０００４】
ＬＥＤおよびレーザー光源で実現される表示システムは、通常、光強度の不均一な分布を伴う技術的問題を有し、ホモジナイザーが、画像の均一な明るさを提供するために表示システムに通常必要とされる。３つの別個のカラー光源は、ディスプレイ装置上に投影する前に単一の光ビームに結合することを必要とする。コンパクトなアイグラスタイプのディスプレイを可能にするには、ホモジナイザーとコンバイナーの両方を備えた非常に小さなシステムが必要となる。これまでにいくつかのシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８７１１４８７号公報
【特許文献２】米国特許公開ＵＳ２０１３／００２１５８１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１９５６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示すように、Ｔａｋｅｄａらによる米国特許第８７１１４８７号公報（特許文献１）において、導波管とハーフミラーとの透視能力を実現する眼鏡型ディスプレイシステムが開示されている。このシステムは、ディスプレイとして透過型ＬＣＤを組み込み、照明システムは、光源からの光を拡散させるバックライト光ガイドである。このシステムは、透過型ＬＣＤに適しているが、必ずしもＬＣＯＳやＤＭＤなどの他の表示デバイスには適していない。
【０００７】
図２および図２Ａに示されるように、Ｔａｋａｈａｓｈｉらによる米国特許出願公開ＵＳ２０１３／００２１５８１号公報（特許文献２）において、小型化のためのイルミネータおよびディスプレイが開示されている。このシステムは、光をコリメートするためのマイクロレンズ１１６を有するＬＥＤやレーザー１１のような多色光源と、図２Ａに示すように光束を合成するダイクロイックミラー１１７と、ＬＣＯＳ１７から垂直方向に配置された偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ／ＰＢＳ）１６を備える。これが眼鏡ディスプレイに使用され、眼鏡のテンプルに埋め込まれている場合、このイルミネータは眼鏡のテンプルの外に突き出る。
【０００８】
図３に示すように、Ｋａｔｓｕｍａｔａらによる、特開２０１１−１９５６０３号公報（特許文献１）において、平面光波回路（ＰＬＣ）が開示されている。レーザダイオードからのビームは、光導波路に導かれ、光波中の光エネルギーは、ある条件において、隣接する光導波路に伝達され得る。この方法は、レーザー光源のコンバイナーに適しており、大量の商業化の前にさらなる検討が必要であるが、大きな可能性を秘めている。
【０００９】
本発明は、アイ・グラス・ディスプレイに適用可能な照明装置の実際的な解決策を提示するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的の１つは、視野がほぼフルサイズの眼鏡であるシースルー近目ディスプレイ用のコンパクトな照明装置を提供することであるが、照明装置、システムの光学系および電子機器は非常にコンパクトである図４および図５の眼鏡のような、眼鏡のテンプル（弦）に埋め込むことができる。ＬＣＯＳ、ＬＣＤまたはＤＭＤのような表示装置は、テンプルから眼鏡のレンズに向かって画像を投影するために使用される。眼鏡と人間の眼の幾何学的構成のために、画像は眼鏡のテンプルからその眼レンズに投影され、人間の目に反射される。虚像は、物理的スクリーンなしで空気中に生成される。物理的なスクリーンは、大きな発散角で投射された光を反射し、観察者は大きな視野角で画像を見ることができる。しかし、眼鏡ディスプレイやヘッドアップディスプレイなどのシースルーディスプレイの場合、物理的なスクリーンは存在せず、観察者が画像を見ることができ、しばしば非常に小さい傾向があるいわゆる「アイボックス」においてのみ画像を見ることができる。シースルーディスプレイのアイボックスは、眼球に対する眼鏡ディスプレイの動きに伴って観察者が画像を快適に見るのに十分な大きさでなければならない。これには、アイボックスのサイズを確保するためのイルミネータの特別な設計が必要です。アイボックスのサイズは、表示装置からの光ビームの発散角に密接に関連している。従来の投射型ディスプレイでは、高解像度および鮮明な画像のために、表示装置からの光ビームの発散角を可能な限り小さくする。しかし、シースルーディスプレイは、ディスプレイデバイスからの光ビームの大きな発散角、および高解像度の虚像を必要とする。照明装置は、表示装置の表面に対して大きな角度の収束光を供給しなければならない。これは、エキスパンダーレンズ１００６が入射光ビームをコリメーションレンズ１００７に拡大し、ビームが実質的に平行になり、第１のマイクロレンズアレイ１００７に入る図７に示す構成で達成することができる。第２のマイクロレンズアレイ１００９上に光源の画像を生成する、換言すれば、第２のマイクロレンズアレイ上の画像は、光源に共役である。第２のマイクロレンズアレイ上の像は、コンデンサレンズ１０１０によって第１のマイクロレンズアレイの共役像として表示装置１０１３に投影される。集光レンズにおける照明光の直径および集光レンズと表示装置との間の距離は、表示装置への光源の収束角を決定する。これは、イルミネータで大きなアイボックスを確保する方法である。
【００１１】
本発明の別の例は、図１０に示すように表示装置の反対側の面に配置された光の偏光角を９０度回転させる追加の１／４波長板を使用して照明器のサイズを縮小することである。この構成は、入射光の角度を増加させるのに役立つ集光レンズと表示装置との間の距離を減少させる。ホモジナイザーと組み合わせて、図１１に例を示す。
【００１２】
本発明の別の態様は、小型フォームファクタを有するシースルーディスプレイに適した光コンバイナーを提供することである。レーザーおよびＬＥＤのような固体状態光源は、図８のようなレンズアレイ２００２または図９のようなＤＯＥ７００２（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ／回折光学素子）を備えたセルにパッケージされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】Ｔａｋｅｄａらによる米国特許第８７１１４８７号に開示されているシースルーディスプレイの構造の図である。ＬＣＤ表示パネル用の照明装置として、バックライトモジュールを使用したものである。
【図２】および
【図２Ａ】Ｔａｋａｈａｓｈｉらによる米国特許出願公開第ＵＳ２０１３／００２１５８１号に記載されているエキスパンダーレンズおよびマイクロレンズを使用してＰＢＳに光を供給する構成の図である。
【図３】Ｋａｔｓｕｍａｔａらによる、特開２００１−１９５６０３号公報に開示されている平板光波回路（ＰＬＣ）を示す図である。レーザダイオードからのビームは、光導波路に導かれ、光波中の光エネルギーは、ある条件において、隣接する光導波路に伝達され得る。これは、複数の光線を１つに結合する別の方法である。
【図４】および
【図５】テンプル内に光学および表示システムを埋め込むことができる眼鏡の例である。
【図６】レーザダイオードのチップがコリメートレンズアレイで直接パッケージングされ、ダイクロイックミラーが光ビームをエキスパンダーレンズに結合する本発明の実施例を示す図である。
【図７】２つのレンズと２つのマイクロレンズアレイを使用するホモジナイザーの例を示す図である。７００１はコリメートレンズ、７００２は第１フライアイレンズ（これはマイクロレンズアレイとも呼ばれる）である。７００３は第２フライアイレンズです。７００４はフィールドレンズである。
【図８】光ファイバーを使用してレーザビームを結合し、ホモジナイザーに導く本発明の例を示す図である。
【図９】照明装置の構成要素内で光ビームがどのように伝播するかを示す図である。
【図１０】イルミネータのサイズを縮小するために、１／４λリターダと組み合わされたＰＢＳ内で光がどのように通過するかを示す図である。
【図１１】縮小されたサイズのイルミネータの構造を示す図である。
【図１２】マイクロレンズアレイを使用して複数の光ビームを光ガイド（光パイプまたは光ファイバー）に結合し、ホモジナイザーおよびＰＢＳに導く本発明の実施例を示す。
【図１２Ａ】光ビームがどのように構成部品を通過するかを示す図である。
【図１３】光ビームを光パイプとＰＢＳとに結合するためにＤＯＥアレイを使用する本発明の例を示す。
【図１４】イルミネータを組み合わせたシースルー表示の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の様々な実施形態の詳細な説明は、観察者のための大きなアイボックスを確保するのに十分な広角（大きなＮＡ）を有するシースルー表示システムの表示装置に光ビームを提供するための様々な照明器を示す。
【００１５】
図６および図７は、マイクロレンズアレイ１００２が複数の光源１００１を１組のダイクロイックミラー１００５にコリメートして光ビームを単一のビームに結合する本発明の例示的実施形態を示す。単一のビームは、エキスパンダーレンズ１００６によって拡張され、コリメーションレンズ１００７に導かれる。コリメートされたビームは、第２のマイクロレンズアレイ１００８によって複数のビームに分割され、画像が光源と共役な第３のマイクロレンズアレイ１００９に集束される。第３のマイクロレンズアレイ１００９に隣接してコンデンサレンズ（集光レンズ）１０１０が配置され、プリズム１０１１を通過し、プリズム１０１１によって偏光ビームスプリッタＰＢＳ１０１２に向けて反射される。反射された光は、第３のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応する各画素の画像を表示装置１０１３の全領域に投影する第３のマイクロレンズアレイと表示装置は光学的に対応している表示装置１０１３を焦点とする。
【００１６】
図８は、本発明の別の実施形態を示しており、マイクロレンズアレイ２００２は、複数の光源２００１から投射された光ビームを光に結合して、光パイプとして機能し図８のＰＬＣ平面光回路および図３のユニットを有する光ファイバーを介して伝送される光ガイド２００４に投影するように実装される。図８は、光源ユニット２００５と、コリメートされた又は集光された光ビーム２００３を更に示している。合成された光は、エキスパンダーレンズ２００６によってコリメーションレンズ２００７に拡大される。コリメートされた光は、図６に示されるものと同じ光学部品を透過する。
【００１７】
図９は、図６および図８に示される光ビームについてのより詳細な光路を示す。複合光ビーム３００６は、複数の波長の光を含み、光ファイバーのエッジまたは発散角を有するレーザーダイオード／ＬＥＤから放射される。光源３００６と第２のマイクロレンズアレイ３００９は光学的に対応しており、第１のマイクロレンズアレイ３００８と表示装置３０１３も光学的に対応する。入射光は、ホモジナイザー３００７から３０１０を通過し、プリズム３０１１によって偏光子３０１５に反射され、Ｓ波を光吸収体３０１４に反射し、Ｐ波を表示装置３０１３に送る。表示装置は、Ｐ波からＳ波までの明るい画像の偏光回転で光を反射し、Ｓ波は、偏光子３０１５によって投影レンズに向かって方向３０１６で反射する。
【００１８】
図１０は、本発明の実施形態の例を示す。入射光は、Ｐ波のみを透過し、Ｓ波を反射または吸収する偏光板４００１を通過する。偏光板４００１通過した光は、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ／ＰＢＳ）４００７に入射し、ＰＢＳ表面４００７（Ｓ波のみを透過し、Ｐ波を反射する）に当たる。光４００２はＰ波のみを含むので、ＰＢＳ４００７によってＬＣＯＳ４００４に向けて反射され、ＬＣＯＳは入射光の偏光を画像信号に応じて変化させ、ＰＢＳに向かって明るい画像でS波を反射する。Ｓ波はＰＢＳを通過し、偏光の１／４ラムダ（波長）回転を有するリターダを通過し、ミラー４００６によって反射され、１／４波長リターダを通過して２回目の１／２λの光の偏光となり、入射光はＰ波となり、このイルミネータの出口４００８に向かってＰＢＳ４００７によって反射される。このシステムの利点は、入射光４００２および出射光（４００９）が並んでいることであり、図９に示されている先の例の、入射光３００６および出射光３０１６は、照明器のより多くのスペースを必要とする異なるレベルにある。
【００１９】
図１１は、レーザダイオード５００１がセル内にパッケージングされ、マイクロレンズアレイ５００２が、レーザダイオードを形成する複数の波長を有する複数のビームを光ファイバーに集中させる本発明の他の実施形態を示し、ＰＬＣ５０１５（平面光波回路は、複数のビームを単一のビームに結合する。エキスパンダーレンズ５００６はホモジナイザー５００７から５０１０に向けて光ビームを拡大する。ホモジナイザーの後の光のＰ波は偏光子５０１６を通過し、Ｓ波を含む残留光はホモジナイザーに反射される。Ｐ波光は、偏光子５０１１（Ｐａｓｓ−ＰおよびＲｅｆｌｅｃｔ−Ｓ型）によって表示装置５０１２に向けて反射される。表示装置は、画像のＳ波光を偏光子５０１１に反射し、１／４波長板５０１２及びミラー５０１３に通過する。リターダは、画像光の偏光を１／４λだけ回転させ、光はミラー５０１３によって反射され、光はリターダ５０１３を透過し、リターダ５０１３はリターダ４００５とミラー４００６の両方と同様に機能する。再度、偏光の１／４回転を追加して、１／２回転で終了する。入ってくるＳ波は、リターダおよびミラーによってＰ波に変換され、偏光子によって照明器の出口に向かって反射される。このシステムは、ホモジナイザーと表示装置との間の距離が前の例と比較して１／２であるため、収束光のＮＡをより大きく表示装置に提供する。この表示システムは、表示装置内の光学部品を通る反射光の光路が重複しているため、ＰＢＳのサイズよりも２倍長い。
【００２０】
図１２は、本発明の別の実施形態を示しており、ここでは、レーザダイオードおよびＬＥＤ６００１のような光源は、マイクロレンズアレイ６００２とともにパッケージされ、光源からの光ビームを、光の分布を均質化する光パイプ６００３である。ライトパイプの出口の画像は表示装置６０１３に投影される。したがって、ライトパイプの出口の光ビームと表示装置６０１３に投影された光ビームは光学的に共役である。偏光子６０１０は、ライトパイプとクロスＰＢＳ６０１１（偏光ビームスプリッタ）との間に配置される。クロスＰＢＳ６０１１は、２つの対角線方向６０１４、６０１５に異なるタイプ（ＰまたはＳ）の偏光を有する偏光表面コーティングを有する４つの三角プリズムを備える。図１２に示すように、入射光線６００９は、偏光子６０１０によってＰ波に偏光され、ＰＢＳ６０１１に埋め込まれた偏光子によって表示装置６０１３に反射される。Ｓ波を有する画像光を含む表示装置によって反射されたビームは、投影レンズに向かって方向６０１２に沿って反射され、Ｐ波を有する残留光は、偏光子を通過して吸収材６０１６に進む。
【００２１】
図１３は、実施形態の例を示す。緑色は、技術的にも経済的にも効率的ではなく、蛍光体による波長の変換が非常に有用であるため、３色のＬＥＤまたはレーザーを使用することは経済的でも実用的でないことが多い。１３０８は青色レーザーまたはＬＥＤであり、青色が最も効率的であるため、波長変換なしで使用される。１３０７はコリメーションレンズであり、１３１はコリメートされた青色ビームであり、ダイクロイックミラー１３０６）によって出力ビーム１３１３に反射される。１３０８は青色レーザーまたはＬＥＤであり、１３１１はコリメーションレンズである。１３１２は、青色光を緑色光１３１５に変換し、ミラー１３１０に向けて反射する緑色蛍光体プレートである。１３０２は別の青色レーザーまたはＬＥＤであり、１３０３はコリメーションレンズであり、１３０４は青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体プレートである１３１４。
【００２２】
図１４は、実施形態の別の例を示す。３つの異なる色の光源１４０５，１４０６，１４０７は、１つのビーム１４１１に配置されて一体化され、光ガイド１４０１に導かれる。光ガイド内の光ビーム１４１１は、リフレクタ１４０２およびディフューザ１４０３によって複数回反射され、ディフューザ１４０３に対して実質的に法線方向１３０２に放出される。この実施例は、ディフューザ１４０３表面から均質化された光分布を提供する。
【００２３】
本発明の特定の実施形態が本明細書に図示され説明されてきたが、当業者には他の修正および変更が行われることが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲内にあるすべての改変および変更を包含することが意図されていることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019520610.tif 000013
【図１１】
2019520610.tif 000014
【図１２】
2019520610.tif 000015
【図１２Ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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