(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡張現実ディスプレイ用のディスプレイシステムであって、
複数の面を含む導波路と、
第１の面を介して光を前記導波路へと投影するように配置される複数の第１の入力プロジェクタと、
第２の面を介して光を前記導波路へと投影するように配置され、前記第１の面および前記第２の面が、前記導波路内で実質的に平行である、複数の第２の入力プロジェクタと、
前記複数の第１の入力プロジェクタおよび前記複数の第２の入力プロジェクタからの光を前記導波路へと結合する少なくとも１つの入力格子と、
前記導波路から出た光を視聴者の方へ結合する少なくとも１つの出力格子と
を備え、
第１の入力プロジェクタが第２の入力プロジェクタと前記導波路の幅の方向に隣接して配置されるように、前記複数の第１の入力プロジェクタは、前記導波路の幅の方向にわたって前記複数の第２の入力プロジェクタと千鳥配置の関係で配置され、
前記第１の入力プロジェクタおよび前記第２の入力プロジェクタのそれぞれの視野が、前記導波路の幅に沿って、前記第１の入力プロジェクタおよび前記第２の入力プロジェクタのそれぞれの視野の間に実質的に間隙がないように配置される、
ディスプレイシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの入力格子の法線が、前記第１の入力プロジェクタおよび前記第２の入力プロジェクタによって投影される前記光に対して傾けられている、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
前記第１の入力プロジェクタからの光を前記導波路へと結合する第１の入力格子と、前記第２の入力プロジェクタからの光を前記導波路へと結合する第２の入力格子とを備える、請求項１または請求項２に記載のディスプレイシステム。
【請求項４】
前記第１の入力格子および第２の入力格子は、前記第１の入力プロジェクタおよび前記第２の入力プロジェクタからの前記光のための反射格子としてそれぞれ配置される、請求項３に記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
第１の導波路と、第２の導波路とを備え、前記第１の入力格子は、前記第１の入力プロジェクタからの光を前記第１の導波路へと結合し、第１の出力格子は、前記第１の導波路から出た光を視聴者の方へ結合し、前記第２の入力格子は、前記第２の入力プロジェクタからの光を前記第２の導波路へと結合し、第２の出力格子は、前記第２の導波路から出た光を視聴者の方へ結合する、
請求項３または請求項４に記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
単一の入力格子は、前記第１の入力プロジェクタおよび前記第２の入力プロジェクタからの光を前記導波路へと結合するように配置される、請求項１または請求項２に記載のディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡張現実ディスプレイまたはヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
これらのディスプレイでは、ユーザは投影イメージだけでなく、それらの周囲を見ることができる。軍事または交通の用途において、投影イメージは、ユーザによって知覚される現実世界にオーバーレイされ得る。これらのディスプレイの他の用途は、ビデオゲーム、および、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどを含む。
【０００３】
通常の構成では、ユーザが物理的な世界を見続けることができるように、透明なディスプレイスクリーンがユーザの前に設けられる。このディスプレイスクリーンは通常、ガラス導波路であり、プロジェクタが片側に設けられる。プロジェクタからの光は、回折格子によって、導波路へと結合される。投影光は、導波路内で全内部反射する。次に、光は別の回折格子によって導波路の外に結合され、その結果、ユーザはその光を見ることができる。プロジェクタは、ユーザが視覚する物理的な世界を拡張する情報および／またはイメージを提供することができる。
【０００４】
入力プロジェクタからの光は、（全幅にわたって拡張現実が望まれる場合に）ディスプレイの幅全体にわたって供給される必要があるので、ワイドスクリーンの拡張現実ディスプレイの生産において課題が存在する。１つの解決策は、ディスプレイの幅全体にわたって拡大する瞳を単一の入力プロジェクタに設けることである。これにより、製造するために複雑である高価な注文プロジェクタを必要とするかもしれない。代替的な解決策は、ディスプレイの幅全体にわたって視野を拡大し得るより小型のプロジェクタおよび光学系を設けることである。このアプローチに対する不都合は、拡大光学系がディスプレイの下方に相当な空間を占める場合があることである。
さらなる代替策は、ディスプレイの幅に沿って平行ないくつかの入力プロジェクタを設けることであり、これらは所望の拡張イメージを生成するために結合される。このアプローチに対する不都合は、隣接するプロジェクタ間の間隙が視聴者に対して所望されない光学効果をもたらすことである。
【０００５】
図１は、ワイドスクリーンの拡張現実ディスプレイ２および単一の入力プロジェクタ４を示す概略図である。光は、入力プロジェクタ２の各ポイントで立体角へと投影され、これは視野がポイント毎に対して画定され得ることを意味する。図１は、プロジェクタ４の両縁部のポイントによって作成される視野６、８を示す。単一の入力プロジェクタ４は、ディスプレイ２の全幅にわたり光を投影できないだろう。
【０００６】
図２は、複数の入力プロジェクタ１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２を有するワイドスクリーンの拡張現実ディスプレイ２を示す概略図である。プロジェクタは、互いに出来るだけ接近して配置される。しかしながら、プロジェクタの支持構造は、隣接するプロジェクタの縁部間にわずかな間隙があることを意味する。その結果、近隣のプロジェクタの隣接する縁部でのポイントの視野間の間隙が存在する。この間隙により、視聴者の視点からすると、所望されない光学効果が引き起こされる可能性がある。例えば、特に、視聴者が頭部を回転または動かすことにより自分の視点を変えた場合、視聴者は、ディスプレイに縦縞模様が目に入る場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、特に、ワイドスクリーン用途のために改善された拡張現実ディスプレイを提供することである。
【０００８】
本発明によれば、拡張現実ディスプレイ用のディスプレイシステムが提供され、ディスプレイシステムは、複数の面を含むプリズムである導波路と、第１の面を介して光を導波路へと投影するように配置される第１の入力プロジェクタと、第２の面を介して光を導波路へと投影するように配置される第２の入力プロジェクタと、第１および第２の入力プロジェクタからの光を導波路へと結合するように構成される少なくとも１つの入力格子と、導波路から出た光を視聴者の方へ光を結合するように構成される少なくとも１つの出力格子とを含む。
【０００９】
導波路の異なる面を介して光を同時に投影することにより、導波路の幅に沿って、隣接するプロジェクタを互いに非常に接近させて配置することが可能となる。これにより、拡張現実ディスプレイがその幅全体にわたってより均一に照らされ得るように、プロジェクタの視野間のあらゆる間隙を削減し得る。これにより、ワイド拡張現実またはヘッドアップディスプレイスクリーンのユーザ体験が改善され得る。
【００１０】
好ましくは、第１および第２の入力プロジェクタは、導波路の幅に沿って互いに隣接するが、両側に配置される。好ましくは、第１のプロジェクタの縁部は、導波路の幅に沿って、第２のプロジェクタの縁部に実質的に整列されるか、または第２のプロジェクタの縁部と重なり合う。プロジェクタの支持構造は、小さい間隙を必要とするものなので、導波路の同じ側にプロジェクタを設けることによりこの配置を達成することは、普通は可能ではないだろう。この間隙は、導波路の異なる面を介して光を投影することによりゼロまで削減され得る。特定の構成では、隣接するプロジェクタ間の重なりも、可能となり得る。これにより、導波路の幅にわたって均一な照明が提供され得、これはワイドスクリーンディスプレイにとって有利である。
【００１１】
好ましくは、第１および第２の入力プロジェクタのそれぞれの視野は、導波路の少なくとも１つの軸（好ましくはその幅）に沿って、第１および第２の入力プロジェクタの間に実質的に間隙がないように配置される。好ましくは、それぞれの入力プロジェクタの視野は、ディスプレイシステム用の光が投影される立体角である。視野は、それぞれの入力プロジェクタ上のポイント毎に画定され得る。縁部を整列することにより、隣接するプロジェクタの極縁部におけるポイントの視野間の間隙は、実質的になくなり得る。これにより、ユーザの視聴体験が改善され得る。
【００１２】
第１および第２の面は、導波路に実質的に平行であり得る。このようにして、入力光が一度結合されると、導波路は全内部反射のために使用され得る。
【００１３】
好ましくは、第１および第２の入力プロジェクタは、導波路の両側に配置される。好ましくは、複数の第１の入力プロジェクタと複数の第２の入力プロジェクタとが、導波路の両側にその幅全体にわたって連続して配置される。入力プロジェクタのこの千鳥配置は、ディスプレイの全幅にわたって均一の照明を提供し得る。
【００１４】
好ましくは、導波路は、第１および第２の入力プロジェクタによって投影される光に対して傾けられている。従って、好ましくは、それぞれの光ビームの入射角は、法線に対して傾けられている。好ましくは、導波路は、視線方向に対しておよそ７０°の角度で傾けられている。好ましくは、第１および第２の入力プロジェクタからの光の入射角は、第１の入力格子の法線に対しておよそ２０°である。この配置により、全ての関連波長が、導波路の中への結合および導波路から外への結合に成功するフルカラーディスプレイを提供し得ることが見出された。第１の入力格子は、第１の入力プロジェクタからの光を導波路へと結合するように設けられ得、第２の入力格子は、第２の入力プロジェクタからの光を導波路へと結合するように設けられ得る。第１および第２の入力格子はそれぞれ、第１および第２の入力プロジェクタからの光のための反射格子として配置され得る。これにより、第１および第２の入力プロジェクタの両方からの光に対してより高い効率の反射格子を利用することができる。１つの配置において、第１の導波路および第２の導波路が存在し得る。第１の入力格子は、第１の入力プロジェクタからの光を第１の導波路へと結合するように構成され得、第１の出力格子は、第１の導波路から出た光を視聴者の方へ結合するように構成され得る。第２の入力格子は、第２の入力プロジェクタからの光を第２の導波路へと結合するように構成され得、第２の出力格子は、第２の導波路から出た光を視聴者の方へ結合するように構成され得る。第１および第２の導波路の位置合わせは、これらの導波路からの光が所望のイメージを生成するように結合され得ることを確実にするために重要であり得る。１つの配置において、単一の入力格子は、第１および第２の入力プロジェクタからの光を導波路へと結合するように配置される。有利には、この配置は、単一の導波路を利用することができる。好ましくは、単一の入力格子は、第１の入力プロジェクタからの光のための反射格子として、および第２の入力プロジェクタからの光のための透過格子として配置される（またはその逆）。
本発明の別の態様によれば、拡張現実ディスプレイ用のディスプレイシステムが提供され、ディスプレイシステムは、複数の面を含むプリズムである導波路と、第１の面または第２の面を介して光を導波路へと投影するようにそれぞれ配置され、導波路の幅に沿って導波路の両側に連続して配置される複数の入力プロジェクタと、複数の入力プロジェクタからの光を導波路へと回折するように構成される少なくとも１つの入力格子と、導波路から出た光を視聴者の方へ結合するように構成される少なくとも１つの出力格子とを含む。
【００１５】
単に例として、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態がここで説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】拡張現実ディスプレイおよび単一の入力プロジェクタを示す概略図である。
【図２】拡張現実ディスプレイおよび複数の入力プロジェクタを示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態における拡張現実ディスプレイの側面図である。
【図４】図３に示される拡張現実ディスプレイの平面図である。
【図５】本発明の実施形態における拡張現実ディスプレイおよび複数の入力プロジェクタを示す概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態における拡張現実ディスプレイの側面図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態における拡張現実ディスプレイの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図３は、拡張現実ディスプレイ３０の側面図を示す。ディスプレイ３０は、ガラス導波路３２、前部入力プロジェクタ３４、後部入力プロジェクタ３６、入力格子３８および出力格子４０を含む。
【００１８】
前部入力プロジェクタ３４は、導波路３２の前面を介して多色光を投影するように配置される。次に、光は、表面と平行である導波路３２の裏面上の入力格子３８に当たる。この構成において、入力格子３８は反射型であり、前部入力プロジェクタからの光３４を複数の次数へと回折する。導波路３２は、１次回折次数を全内部反射するように配置される。回折光は、出力格子４０の方へ導波路３２を進んでいく。光が、導波路３２の裏面上でもある出力格子４０に到達すると、もう一度回折される。出力格子４０はまた，この構成において、反射型であり、導波路３２から出た光をユーザの方向に回折する。
【００１９】
後部入力プロジェクタ３６は、導波路３２の裏面を介して多色光を投影するように配置され、これにより、多色光は、入力格子３８に当たる。入力格子３８は、後部入力プロジェクタ３６からの光の透過時に作用し、入力光を複数の次数へと回折する。導波路３２は、１次回折次数を全内部反射するように構成される。回折光は導波路３２を進行し、前部入力プロジェクタ３４からの光と同様に、出力格子４０によって外向きに視聴者の方に結合される。
【００２０】
ガラス導波路３２は、前部および後部入力プロジェクタからの光３４、３６が実世界からの光に重ね得るように透明である。従って、投影光は、イメージを重ねる、および／または視覚情報を提供することにより実世界のユーザの知覚を拡張するために使用され得る。
【００２１】
前部入力プロジェクタ３４および後部入力プロジェクタ３６からの光がそれぞれ、入力格子３８に入射する角度は、入力格子の法線に対して傾けられている。入力格子３８は、入射光の波長、格子周期、入射光の入射角によって決まる角度で光を回折する。入力光が多色であるので、入力光は、異なる角度へと回折される複数の波長を含む。これは、回折に続く異なる波長での光の角度分散があることを意味する。入力光ビームに対する導波路３２の向きは、全内部反射が第１の回折次数での入力波長の全範囲について達成されるのを確実にすべく、注意深く制御される。この構成において、導波路３２は、垂直面に対して２０°の角度で傾けられている。第１および第２の入力プロジェクタ３４、３６からの光の入射角はまた、入力格子の法線に対して２０°の角度で傾けられている。この構成において、入力格子３８の周期は、５８８ｎｍであるが、フルカラー拡張現実ディスプレイを達成するために、異なる傾斜角については異なる周期が望ましいかもしれない。
【００２２】
図４は、拡張現実ディスプレイ３０の平面図である。理解され得るように、ディスプレイ３０は、複数の前部入力プロジェクタ３４および後部入力プロジェクタ３６を含み、これらは導波路３２の幅に沿って千鳥構成にて配置される。隣接するプロジェクタ３４、３６のそれぞれの縁部は、導波路３２の幅に沿って整列され、連続する光投影を可能にする。
【００２３】
図５は、導波路３２の幅に沿って配置される、拡張現実ディスプレイ３０および前部および後部入力プロジェクタ３４、３６を示す概略図である。理解され得るように、前部および後部入力プロジェクタ３４、３６は、導波路３２の幅に沿って交互に配置される。これにより、前部入力プロジェクタ３４の縁部でのポイントによって規定される視野は、後部入力プロジェクタ３６の近隣の縁部のポイントによって規定される視野と実質的に重なり合う。これは、ディスプレイ３０の幅にわたる視野において間隙がないことを意味し、より均一の照明および改善されたユーザ体験を可能にする。
【００２４】
図６は、本発明の別の実施形態における拡張現実ディスプレイ１３０の側面図を示す。この配置において、前部入力プロジェクタ１３４は、図４に示される手法にて、後部入力プロジェクタ１３６に対して千鳥構成にて配置される。しかしながら、この構成において、専用の入力格子１３８ａ、ｂは、それぞれのプロジェクタ１３４、１３６に対して設けられる。これにより、入力光は、入力格子１３８ａ、ｂによって同じように回折されるので、有利であり得る。具体的には、入力格子１３８ａ、ｂは、反射格子として配置され、前部および後部入力プロジェクタ１３４、１３６からの光は先ず、回折を受ける前にガラス導波路１３２の内部を横切らなくてはならない。これにより、前部および後部入力プロジェクタ１３４、１３６からの光に対して望ましい対称性をもたらし得る。さらに、反射格子は典型的には、より高い効率で作用し、それにより視聴体験を改善することができる。
【００２５】
図６に示される実施形態において、前部入力プロジェクタ１３４からの光は、その専用入力格子１３８ａによって回折を受けるだろう。しかしながら、この光は次に後部入力プロジェクタ１３６に対して専用入力格子１３８ｂに当たる場合、再度回折されるだろう。この影響により、前部および後部入力プロジェクタ１３４、１３６が、所望のイメージを視聴者に提供するべく結合できるのを確実にするようにバランスをとることを必要とすることもあるかもしれない。
【００２６】
図７は、本発明の別の実施形態における拡張現実ディスプレイ２３０の側面図を示す。この実施形態において、異なる導波路２３２ａ、ｂは、前部および後部入力プロジェクタ２３４、２３６に対して設けられる。各導波路２３２ａ、ｂは、第１の面に配置される入力格子２３８ａ、ｂを有し、第１の面は、それを介して前部および後部入力プロジェクタ２３４、２３６が光を投影する面に対向する。したがって、入力格子２３８ａ、ｂは両方が反射型であり、入力プロジェクタ２３４、２３６からの光は先ず、回折される前に、ガラス導波路２３２ａ、ｂを横切らなくてはならない。これにより、前部および後部入力プロジェクタ２３４、２３６に対して望ましい対称性をもたらし得る。導波路２３２ａ、ｂはまた、導波路２３２ａ、ｂから出た光を視聴者の方へ回折するためにそれらの背面上に出力格子２４０ａ、ｂを含む。
【００２７】
図７に示される実施形態は、格子２３８ａ、ｂ、２４０ａ、ｂの全てが反射型であるので高効率をもたらし得る。さらに、同等の効率が、前部および後部入力プロジェクタ２３４、２３６からの光に対して与えられ得る。光はほとんど同一の経路をたどり得るからである。導波路２３２ａ、ｂは、前部および後部入力プロジェクタ２３４、２３６からのイメージが意図されるように結合されるのを確実にするためにこの実施形態では正確な位置合わせを必要とするかもしれない。
（項目１）
拡張現実ディスプレイ用のディスプレイシステムであって、
複数の面を含むプリズムである導波路と、
第１の面を介して光を上記導波路へと投影するように配置される第１の入力プロジェクタと、
第２の面を介して光を上記導波路へと投影するように配置される第２の入力プロジェクタと、
上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタからの光を上記導波路へと結合する少なくとも１つの入力格子と、
上記導波路から出た光を視聴者の方へ結合する少なくとも１つの出力格子と
を備えるディスプレイシステム。
（項目２）
上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタは、上記導波路の幅に沿って互いに隣接して配置される、項目１に記載のディスプレイシステム。
（項目３）
上記第１の入力プロジェクタの縁部は、上記導波路の幅に沿って、上記第２の入力プロジェクタの縁部と実質的に整列されるか、または重なり合う、項目１または項目２に記載のディスプレイシステム。
（項目４）
上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタのそれぞれの視野が、上記導波路の幅に沿って、上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタの間に実質的に間隙がないように配置される、項目１から３のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目５）
上記第１の面および上記第２の面が、上記導波路に実質的に平行である、項目１から４のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目６）
上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタが、上記導波路の両側に配置される、項目１から５のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目７）
上記導波路の幅全体にわたって上記導波路の両側に連続して配置される複数の第１の入力プロジェクタおよび複数の第２入力プロジェクタを備える、項目１から６のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目８）
上記少なくとも１つの入力格子の法線が、上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタによって投影される上記光に対して傾けられている、項目１から７のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目９）
上記第１の入力プロジェクタからの光を上記導波路へと結合する第１の入力格子と、上記第２の入力プロジェクタからの光を上記導波路へと結合する第２の入力格子とを備える、項目１から８のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目１０）
上記第１の入力格子および上記第２の入力格子は、上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタからの上記光のための反射格子としてそれぞれ配置される、項目９に記載のディスプレイシステム。
（項目１１）
第１の導波路と、第２の導波路とを備え、上記第１の入力格子は、上記第１の入力プロジェクタからの光を上記第１の導波路へと結合し、第１の出力格子は、上記第１の導波路から出た光を視聴者の方へ結合し、上記第２の入力格子は、上記第２の入力プロジェクタからの光を上記第２の導波路へと結合し、第２の出力格子は、上記第２の導波路から出た光を視聴者の方へ結合する、
項目９または項目１０に記載のディスプレイシステム。
（項目１２）
単一の入力格子は、上記第１の入力プロジェクタおよび上記第２の入力プロジェクタからの光を上記導波路へと結合するように配置される、項目１から８のいずれか一項目に記載のディスプレイシステム。
（項目１３）
拡張現実ディスプレイ用のディスプレイシステムであって、
複数の面を含むプリズムである導波路と、
第１の面または第２の面を介して光を上記導波路へと投影するようにそれぞれ配置され、上記導波路の幅に沿って上記導波路の両側に連続して配置される複数の入力プロジェクタと、
上記複数の入力プロジェクタからの光を上記導波路へと回折する少なくとも１つの入力格子と、
上記導波路から出た光を視聴者の方へ結合する少なくとも１つの出力格子と
を備えるディスプレイシステム。
【図１】
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【図２】
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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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