(57)【要約】【課題】  焦点合わせ管理を有する眼の投影システム、及び、方法【解決手段】  焦点合わせ管理を伴う眼の投影システム、及び、方法が提示される。眼の投影システムは、光ビームの伝播経路に沿って、対象の眼に向かって投影される画像を示す画像データを符号化するために、変調された光ビームを生成する画像投影システム、及び、前記光ビーム伝播経路内に配置され、前記画像投影システムと前記対象の眼の網膜との間に前記光ビームを方向付ける光学アセンブリを有する。前記光学アセンブリは、前記光学アセンブリの焦点合わせ特性を制御可能に変化させ、かつ、前記光ビームの発散を調整し、前記対象の眼の前記網膜上の前記画像の１つ以上の部分に関する１つ以上の焦点合わせパラメータに影響を与える光ビーム発散アセンブリを有する。この方法は、画像を示す入力として画像データを取得し、瞬間の眼の焦点距離を示す眼の焦点データを取得し、焦点合わせ、及び、光ビーム発散データを生成し、データに基づいて、各画像データを符号化する光ビームを生成し、所望の時間的な、又は、空間的な順序で、前記対象の眼に向けて投影することを有する。【選択図】
2020522010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームの伝播経路に沿って、対象の眼に向かって投影される画像を示す画像データを符号化するために、変調された光ビームを生成するように構成され、また、動作できる画像投影システム、
前記光ビーム伝播経路内に配置され、及び、前記画像投影システムと前記対象の眼の網膜との間に前記光ビームを方向付けるように構成され、また、動作できる光学アセンブリであって、前記光学アセンブリは、前記光学アセンブリの焦点合わせ特性を制御可能に変化させ、かつ、前記光ビームの発散を調整し、それによって、前記対象の眼の前記網膜上の前記画像の１つ以上の部分に関する１つ以上の焦点合わせパラメータに影響を与えるように構成され、また、動作できる光ビーム発散アセンブリを有する、
眼の投影システム。
【請求項２】
前記光ビーム発散アセンブリは、
前記対象の眼の注視距離、及び／又は、方向に、前記画像の１つ以上の部分を、焦点を合わせ続けることによって、前記画像の１つ以上の部分の前記１つ以上の焦点合わせパラメータに影響を及ぼす、
請求項１に記載の眼の投影システム。
【請求項３】
前記光ビーム発散アセンブリは、
前記画像の１つ以上の部分を前記被験者の眼の視野内の固定された空間的位置に投影することにより、前記画像の１つ以上の部分の前記１つ以上の集束パラメータに影響を及ぼす、
請求項１に記載の眼の投影システム。
【請求項４】
さらに、被検眼の眼の焦点距離を連続的に決定し、前記光ビーム発散アセンブリを制御するための眼焦点データを生成するように構成され、また、動作できる眼焦点検出モジュールを有する、
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項５】
前記眼焦点検出モジュールは、
コリメート光ビームで、前記対象の眼を照明するように構成され、また、動作できる光源配置、前記対象の網膜から反射された光ビームを位置合わせし、及び、反射データを生成するように構成され、また、動作できる光学センサ、及び、前記対象の眼の瞳孔の画像を捕捉し、瞳孔データを生成するように構成され、また、動作できるカメラ、
を有し、
それによって、前記反射、及び、瞳孔データを利用して、前記対象の眼の前記焦点距離を決定し、及び、前記眼の焦点データを生成する、
請求項４に記載の眼の投影システム。
【請求項６】
前記光ビーム発散アセンブリは、
制御可能な可変の焦点合わせ特性を有する光学要素を有する、
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項７】
前記光学アセンブリは、
リレーレンズ配列を有する、
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項８】
前記光学アセンブリは、
少なくとも入力光学要素、及び、出力光学要素を有し、
前記光ビーム発散アセンブリは、
前記光ビーム伝播経路に沿って、前記入力、及び、出力光学要素間の光ビーム有効距離を修正するように構成され、また、動作できる、
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項９】
前記光ビーム発散アセンブリは、
前記入力、及び、出力光学要素との間で前記光ビームを方向付けるように構成され、また、動作できる光ビームデフレクターのアレイを有し、
前記光ビーム発散アセンブリは、
前記アレイの少なくとも１つの光ビームデフレクターを変位させるように構成され、また、動作できる、
請求項８に記載の眼の投影システム
【請求項１０】
前記光ビーム発散アセンブリの少なくとも一部は、
前記光ビーム伝播経路に沿って、前記光学アセンブリの別の光学要素の前に配置される、
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項１１】
前記光ビーム発散アセンブリの前記少なくとも一部は、
互いに対して変位可能な少なくとも２つの光学集束素子を有している、
請求項１０に記載の眼の投影システム。
【請求項１２】
前記光ビーム発散アセンブリの前記少なくとも一部は、
制御できる可変の焦点合わせ特性を有する光学集束要素を有する、
請求項１１に記載の眼の投影システム。
【請求項１３】
前記集束要素は、
前記光ビームを集束、又は、発散させるように構成され、また、動作できる変形可能な膜を有している、
請求項１２に記載の眼の投影システム。
【請求項１４】
前記光ビーム発散アセンブリの少なくとも一部は、
ビームスプリッタ、光偏光素子、集束素子、及び、前記光ビーム伝播経路に沿って連続的に配置された光ビームデフレクターを有し、
前記集束素子、及び、光ビーム偏向器の少なくとも一方は、
前記光ビーム伝播経路に沿って他に対して変位可能である、
請求項１０に記載の眼の投影システム。
【請求項１５】
前記眼焦点検出モジュールは、
前記対象の眼の視線方向を測定し、及び、眼球位置データを生成するように構成され、また、動作できる眼球追跡アセンブリ、
前記対象の眼の瞳孔の大きさを捕捉して瞳孔サイズデータを生成するように構成され、また、動作できるカメラ、
前記眼位置データ、及び、前記瞳孔サイズデータを用いて、前記焦点データを生成するように構成され、また、動作できるコントローラを有する、
請求項４〜請求項１４のいずれかに記載の眼の投影システム。
【請求項１６】
対象の眼の網膜上の画像に関する１つ以上の部分の１つ以上の焦点合わせパラメータを決定するための方法であって、
ユーザの眼に投影される画像を示す入力として画像データを取得し、前記画像データは、色、強度、距離、及び、画像が視線中心、又は、ワールド中心であるかどうかに関する情報を有し、
前記画像データの各画像データについて、瞬間の眼の焦点距離を示す眼の焦点データを取得し、
前記画像データの各画像データについて、焦点合わせ、及び、光ビーム発散データを生成し、
前記画像データの各画像データについて、前記画像データ、眼の焦点データ、及び、焦点合わせ、及び、光ビーム発散データに基づいて、各画像データを符号化する光ビームを生成し、
前記画像データを符号化する光ビームを、所望の時間的な、又は、空間的な順序で、前記対象の眼に向けて投影する、
前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投影システムの分野であり、より具体的には、本発明は、仮想、及び／又は、拡張現実の体験をユーザに提供するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの眼に仮想的な、及び／又は、拡張されたバーチャルリアリティを提供するためのウェアラブルな、例えば、ヘッドマウントの、画像投影システムがますます普及しつつある。様々なシステムは、ユーザの頭部に取り付けでき、また、ユーザの眼に画像を投影するように動作できる眼鏡として構成される。
【０００３】
既知のシステムのいくつかは、そこでは、外部の現実世界の風景からの光が、眼に到達することを阻止される、ユーザの眼に純粋な仮想現実画像投影を提供することを目的とする一方、他のいくつかの既知のシステムは、画像投影システムによって眼に投影される画像／ビデオフレームが、外部の現実世界の風景に重畳されている一方、外部の現実世界の風景からの光が、眼に通過することを可能にする、拡張された仮想現実感を提供する。
【０００４】
被写界深度、及び、幅は、このような仮想、又は、拡張現実投影システムにおいて考慮されるべき２つのパラメータである。
【０００５】
例えば、ＷＯ０６０７８１７７号は、広い視野を有する眼の網膜上に画像を表示するための直接網膜ディスプレイを記載している。直接網膜ディスプレイは、走査角度を越える２次元で、画像で変調された、走査された光ビームを生成するように調整された走査源を有する。
【０００６】
直接網膜ディスプレイは、さらに、広い視野で、網膜上に画像を再構成し、及び、表示するために、眼の瞳孔で収束スポットに向かって、実質的に、走査された光ビームを反射するように調整される収束反射器に向かって、拡大された走査角度で、外側で、拡散反射器に入射する走査された光ビームを反射するように調整された、走査された光ビームの経路内の拡散反射器を有している。
【０００７】
ＷＯ１５０８１３１３号には、仮想現実感、及び、拡張現実感をユーザに提示するためのシステムが記載されている。システムは、画像データの１つ以上のフレームを時系列的に提供する画像生成源、画像データの１つ以上のフレームに関連する光を送信するように構成された光変調器、及び、画像情報をユーザの眼に向けるための基板を有し、基板は、複数の反射器を収容し、ユーザの眼に、第１の角度で画像データの第１のフレームに関連付けられた透過光を反射するための複数の反射器の第１の反射器、及び、ユーザの眼に、第２の角度で画像データの第２のフレームに関連付けられた透過光を反射するための第２の反射器を有する。
【０００８】
ＷＯ１５１８４４１２号は、仮想現実感、及び、拡張現実感をユーザに提示するためのシステムを開示している。システムは、画像データの１つ以上のフレームに関連付けられた光を投影するための画像ソースに動作可能に結合された空間光変調器、画像データの第１のフレームが第１の深度平面に焦点合わせされ、画像データの第２のフレームが第２の深度平面に焦点合わせされるように、投影された光の焦点を変化させる可変焦点要素を有することができ、前記第１の深度平面と前記第２の深度平面との間の距離が固定されていることを特徴とする。
【発明の概要】
【０００９】
仮想、及び、拡張現実のアプリケーションは、３次元の実際の生活に可能な限り近づけて、ユーザへの便利な体験と同様に、現実的なものを、納得できるように提供すべきである。実際の生活における世界に着目すると、人は、人の視線方向／焦点、及び、瞬間の焦点面からの距離に応じて、焦点を合わせて、又は、焦点を合わせずにのいずれかで、物体を見る。我々は、視線中心物体に焦点を合わせるように、視覚を適応させるため、我々が直接的に見ている各物体は、焦点が合っており、また、それから来る光は、我々が着目している物体から来る光を焦点合わせするように適応していない眼の網膜に焦点が合っていないため、直接的に見ておらず、また、異なった焦点面にあるという環境にある各物体は、ワールド中心物体と呼ばれる、焦点が合っておらず、また、ぼやけて見える。
【００１０】
本発明の技術とは異なり、以下に詳細に説明するように、一部の仮想、及び／又は、拡張現実システムは、ユーザからの距離、及び、ユーザの遠近調節機能（accommodation）に関係なく、ユーザが、全ての物体が焦点が合っていると見る「拡張された焦点深度」原理を利用している。この効果は、焦点深度がかなりの適応視度範囲をカバーするレベルまで、光学システムの射出瞳を減少させることによって達成される。
【００１１】
いくつかの潜在的な仮想、又は、拡張現実のアプリケーションでは、仮想物体／画像は、仮想、又は、現実の環境であろうと、３次元の周囲環境に対して一定の位置に投影されるべきである。仮想画像の物体は、ユーザが、仮想物体に向かって、直接的に、見ているときは、いつでも、焦点が合っているべきであり、ユーザが、周囲環境の異なる位置を見ているときは、いつでも焦点がぼけている／焦点が合っているべきである。例えば、建設プロジェクトでは、拡張現実を有効に利用して、作業者を異なる建物要素の現実世界の位置に向けることができ、その結果、作業者が注視していることに関係なく、作業者によって見られる現実世界の環境内の有限の位置に建物要素が重畳される。
【００１２】
いくつかの他の潜在的な仮想、又は、拡張現実のアプリケーションでは、仮想物体／画像は、ユーザの注視焦点／方向とともに移動するべきであり、すなわち、ユーザの注視焦点／方向に対応する周囲環境に関して異なる位置に投影される。この場合、仮想画像の対象は、常に焦点が合っているべきである。例えば、ある拡張現実のゲームにおいて、ユーザは、周囲の現実世界の環境内で移動するように重畳された特定の仮想キャラクタに従う。
【００１３】
仮想、又は、拡張現実をユーザに提供するための従来の画像投影システムは、一般的に、画像が、ユーザの眼の前方で一定の距離（典型的には数メートルに位置するようにユーザによって認識されるように、中間画像面上に焦点合わせされた画像を形成することによって、ユーザの眼に向かって画像を投影することに基づいている。したがって、このような画像投影システムの焦点深度は大きく、焦点距離（中間面までの距離）を測定して正確に調整することは困難である。しかしながら、良好な遠近調節機能性を有する眼は、ユーザに信号を伝え、したがって、ユーザは、画像投影システムの焦点距離における不正確さに対する敏感さが残り、また、画像を両眼で観察する場合に特に問題となるは、眼が見ている各焦点面の間に不一致が存在する可能性があるからである。このような画像投影システムでは、中間画像平面は、典型的には、眼の前にある一定の有限距離に置かれ、眼球がその特定の距離に焦点を合わせたときにのみ、眼の網膜に焦点が合わせられるように、中間画像面は、ユーザの眼に光学的に中継されなければならない。ユーザの眼からある有限距離で知覚される投影画像は、眼の疲労の進展に関係し、多くの場合、頭痛は、投影された画像中の物体が、眼から様々な距離で知覚され得る一方、眼によって捕捉される画像は、実際には、眼から固定された距離に焦点合わせされているという事実に関連付けられる。「運動適応競合」として知られているこの効果は、一般的に、脳内の視覚的感覚機構を混乱／膨張させ、眼の疲労、及び、頭痛をもたらす。さらに、画像投影システムに対する眼の相対的な位置と向きとの間の変化は、投影された画像がユーザの眼によって知覚される位置を変化させ、従来の仮想、又は、拡張現実の眼鏡を使用する人に、重大な不快感をもたらす。
【００１４】
特定のアプリケーションに基づいて仮想物体／画像の焦点、及び／又は、位置を調整する技術において、ユーザが仮想物体を見ているときはいつでも、周囲に対して静的であれ、動的であれ、仮想物体は焦点が合っているような、又は、ユーザが仮想物体で直接見ることができないとき、すなわち、ユーザは、視野内の別の地点で異なる方向、及び／又は、焦点を見ているときはいつでも、仮想物体は焦点が外れているような、必要性がある。
【００１５】
本発明は、上で説明したように、仮想物体が、特定の用途に基づいて、動的に、焦点を合わせ／焦点を外す、自然な、及び、現実的な仮想、又は、拡張現実体験を提供する新規なシステム、及び、方法を提供する。したがって、仮想物体は、ユーザが意図するときはいつでも焦点を合わせ、ユーザが意図していないときはいつでも焦点を外すだろう。
【００１６】
本発明は、また、特定のアプリケーションに基づいて、現実／仮想の周囲に対して、焦点内、及び、外に、静的な、又は、動的な仮想物体を提供する新規なシステム、及び、方法を提供する。
【００１７】
さらに、本発明は、仮想物体の焦点合わせ／ぼかしに対する動的制御を可能にする、眼の遠近調節機能のリアルタイム追跡を提供する新規なシステム、及び、方法を提供する。追加的に、又は、代替的に、本システム、及び、方法は、ユーザの遠近調節機能、及び、運動パラメータが眼の追跡メカニズムから取得されると仮定する。
【００１８】
したがって、本発明の広範な態様によれば、光ビームの伝播経路に沿って、対象の眼に向かって投影される画像を示す画像データを符号化するために、変調された光ビームを生成するように構成され、また、動作できる画像投影システム、前記光ビーム伝播経路内に配置され、及び、前記画像投影システムと前記対象の眼の網膜との間に前記光ビームを方向付けるように構成され、また、動作できる光学アセンブリであって、前記光学アセンブリは、前記光学アセンブリの焦点合わせ特性を制御可能に変化させ、かつ、前記光ビームの発散を調整し、それによって、前記対象の眼の前記網膜上の前記画像の１つ以上の部分に関する１つ以上の焦点合わせパラメータ（focusing parameters）に影響を与えるように構成され、また、動作できる光ビーム発散アセンブリを有する、眼の投影システムが提供される。
【００１９】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリは、前記対象の眼の注視距離、及び／又は、方向に、前記画像の１つ以上の部分を、焦点を合わせ続けることによって、前記画像の１つ以上の部分の前記１つ以上の焦点合わせパラメータに影響を及ぼす。
【００２０】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリは、前記画像の１つ以上の部分を前記被験者の眼の視野内の固定された空間的位置に投影することにより、前記画像の１つ以上の部分の前記１つ以上の集束パラメータに影響を及ぼす。
【００２１】
いくつかの実施例では、眼の投影システムは、さらに、被検眼の眼の焦点距離を連続的に決定し、前記光ビーム発散アセンブリを制御するための眼焦点データを生成するように構成され、また、動作できる眼焦点検出モジュールを有する。前記眼焦点検出モジュールは、コリメート光ビームで、前記対象の眼を照明するように構成され、また、動作できる光源配置、前記対象の網膜から反射された光ビームを位置合わせし、及び、反射データを生成するように構成され、また、動作できる光学センサ、及び、前記対象の眼の瞳孔の画像を捕捉し、瞳孔データを生成するように構成され、また、動作できるカメラ、を有し、それによって、前記反射、及び、瞳孔データを利用して、前記対象の眼の前記焦点距離を決定し、及び、前記眼の焦点データを生成する。遠近調整機能パラメータは、反射計、視線ベクトル収束点、網膜反射パラメータ変化検出等、様々な他の方法で、取得でき得る。
【００２２】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリは、制御可能な可変の焦点合わせ特性を有する光学要素を有する。
【００２３】
いくつかの実施例では、前記光学アセンブリは、リレーレンズ配列を有する。
【００２４】
いくつかの実施例では、前記光学アセンブリは、少なくとも入力光学要素、及び、出力光学要素を有し、前記光ビーム発散アセンブリは、前記光ビーム伝播経路に沿って、前記入力、及び、出力光学要素間の光ビーム有効距離を修正するように構成され、また、動作できる。
【００２５】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリは、前記入力、及び、出力光学要素との間で前記光ビームを方向付けるように構成され、また、動作できる光ビームデフレクター（deflector）のアレイを有し、前記光ビーム発散アセンブリは、前記アレイの少なくとも１つの光ビームデフレクターを変位させるように構成され、また、動作できる。
【００２６】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリの少なくとも一部は、前記光ビーム伝播経路に沿って、前記光学アセンブリの別の光学要素の前に配置される。
【００２７】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリの前記少なくとも一部は、互いに対して変位可能な少なくとも２つの光学集束素子を有している。
【００２８】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリの前記少なくとも一部は、制御できる可変の焦点合わせ特性を有する光学集束要素を有する。
【００２９】
いくつかの実施例では、前記集束要素は、前記光ビームを集束、又は、発散させるように構成され、また、動作できる変形可能な膜を有している。
【００３０】
いくつかの実施例では、前記光ビーム発散アセンブリの少なくとも一部は、ビームスプリッタ（splitter）、光偏光素子、集束素子、及び、前記光ビーム伝播経路に沿って連続的に配置された光ビームデフレクターを有し、前記集束素子、及び、光ビーム偏向器の少なくとも一方は、前記光ビーム伝播経路に沿って他に対して変位可能である。
【００３１】
いくつかの実施例では、前記眼焦点検出モジュールは、前記対象の眼の視線方向を測定し、及び、眼球位置データを生成するように構成され、また、動作できる眼球追跡アセンブリ、前記対象の眼の瞳孔の大きさを捕捉して瞳孔サイズデータを生成するように構成され、また、動作できるカメラ、前記眼位置データ、及び、前記瞳孔サイズデータを用いて、前記焦点データを生成するように構成され、また、動作できるコントローラを有する。
【００３２】
本発明の他の広範な態様によれば、対象の眼の網膜上の画像に関する１つ以上の部分の１つ以上の焦点合わせパラメータを決定するための方法であって、ユーザの眼に投影される画像を示す入力として画像データを取得し、前記画像データは、色、強度、距離、及び、画像が視線中心、又は、ワールド中心であるかどうかに関する情報を有し、
前記画像データの各画像データについて、瞬間の眼の焦点距離を示す眼の焦点データを取得し、前記画像データの各画像データについて、焦点合わせ、及び、光ビーム発散データを生成し、前記画像データの各画像データについて、前記画像データ、眼の焦点データ、及び、焦点合わせ、及び、光ビーム発散データに基づいて、各画像データを符号化する光ビームを生成し、前記画像データを符号化する光ビームを、所望の時間的な、又は、空間的な順序で、前記対象の眼に向けて投影する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
ここで開示される主題をより良く理解するために、また、実際に実行されるであろう方法を例示するために、実施形態は、添付の図面を参照して、非限定的な実施例によってのみ説明される。
【図１Ａ】本発明による眼の投影システムの焦点調節機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】本発明による眼の投影システムの焦点調節機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図１Ｃ】本発明による眼の投影システムの焦点調節機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図１Ｄ】本発明による眼の投影システムの焦点調節機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図１Ｅ】本発明による眼の投影システムの焦点調節機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図２Ａ】本発明による眼の投影システムの眼球焦点決定機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】本発明による眼の投影システムの眼球焦点決定機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図２Ｃ】本発明による眼の投影システムの眼球焦点決定機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図２Ｄ】本発明による眼の投影システムの眼球焦点決定機構の様々な構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の眼の投影システムを使用するための非限定的な一例を概略的に示す図である。
【図４】本発明による画像の焦点パラメータを調整する方法を示す図である。 （発明の詳細な説明）
【実施例１】
【００３４】
図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の５つの非限定的な実施形態による眼の投影システム１００を概略的に例示するブロック図である。図面は単なる例示であり、縮尺のとおりであることを意図するものではないことに留意されたい。本発明の様々な態様は、他の分野でも使用され得るが、本発明の眼の投影システム１００は、特に、仮想、又は、拡張現実の用途に設計されている。眼の投影システム１００は、被写体の視野内に位置する物体から発せられる（出現、又は、反射する）光ビームの焦点合わせを制御するように構成され、また、動作でき、また、例えば、仮想、又は、拡張現実のウェアラブル装置の一部になり得る。後者は、眼の投影システム１００のように２つの眼の投影システムを有することができ、それぞれは、２つの人間の眼の１つに画像を投影するために使用される。簡単のために、１つの眼の投影システム１００のみが、具体的に、図面に示されている。また、明確化、及び、簡略化のために、共通の要素、及び／又は、類似の／同一の機能を有する要素は、同一、又は、類似の参照番号／記号によって示されていることに留意されたい。
【００３５】
一般的に、図示のように、眼の投影システム１００は、対象の眼の網膜／中心窩上に、画像を形成する光ビームＬＢを生成する画像投影システム１１０、光学アセンブリ１２０、及び、光学アセンブリ１２０内に含まれ、眼に、光ビームを、一緒に、搬送し、また、画像の焦点を制御する光ビーム発散アセンブリ１３０、及び、画像投影システム１１０、及び／又は、光学アセンブリ１２０、特に光ビーム発散アセンブリ１３０の動作を制御し、対象の眼ＥＹＥの網膜／中心窩上に必要な焦点を合わせながら、画像を生成する１つ以上のコントローラ１４０を有している。
【００３６】
画像投影システム１１０は、光ビーム伝播経路ＬＢＰＰに沿って、対象の眼ＥＹＥに向かって、特に、網膜、及び、中心窩に向かって、投影される対象／画像を示す画像データを符号化することによって変調された光ビームＬＢを生成するように構成され、また、動作できる。一般的に、画像投影システム１１０は、画像データ、順次、符号化された１つの変調された光ビームＬＢを生成することに留意されたい。変調された光ビームＬＢは、その後、光学アセンブリ１２０を介して、ユーザの眼上に投影される。光ビームＬＢは、投影される対象／画像を示す画像データを、正確に、符号化するために、色分布（ＲＧＢ）、及び、強度のような予め構成された特性を有するレーザビームとして構成され得る。一般的には、瞬間の光ビームのそれぞれは、投影される対象／画像内の１つの画素を表す１つの画像データによって変調される。したがって、例えば、１２８０×７２０画素の画像の投影のために、少なくとも９２１，６００の変調された光ビームＬＢが、９２１，６００の画像データ片によって符号化され、また、光学アセンブリ１２０を有する光学システムを介して、眼に向かって投影される。画像全体を投影するフレームレートは、人間の眼のフレームレートよりも高くに決定される。画像投影システム１１０による対象／画像の生成についての詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれるＷＯ１５１３２７７５、及び、ＷＯ１７０３７７０８の両方に、見つけられる。
【００３７】
図１Ａ〜図１Ｅに示されるように、光学アセンブリ１２０は、画像投影システムと対象の眼ＥＹＥとの間の光ビーム伝播経路ＬＢＰＰに、光学的に、結合され、また、配置されている。光学アセンブリ１２０は、画像投影システム１１０と対象の眼ＥＹＥとの間で、特に網膜、また、より具体的には、対象の眼ＥＹＥの中心窩に、光ビームＬＢを移送し、また、方向付けるように構成され、また、動作できる。
【００３８】
光学アセンブリ１２０は、光ビームＬＢの発散を調整し、それによって、対象の眼ＥＹＥ上の画像の１つ以上の部分に関する１つ以上の焦点合わせパラメータに影響を与えるような光学アセンブリ１２０の位置合わせ特性を、制御可能に、変化させるように構成され、また、動作できる光ビーム発散アセンブリ１３０を有している。
【００３９】
人間の眼は、焦点の物体から到達する光が、眼の焦点に焦点を合わせされ／集束され、また、網膜／中心窩上に、焦点を合わせた画像を生成するように、眼の焦点／焦点距離を調節することを伴う、眼の遠近調節機能を通って、対象に焦点を合わせることが知られている。換言すれば、観察された対象は、もし、それから出ている／反射された光が対象の眼の焦点に収束する場合のみ、焦点にあるだろう。
【００４０】
光ビーム発散アセンブリ１３０は、光ビーム伝播経路ＬＢＰＰに沿って移動することによって、対象の眼に、画像を運ぶ光ビームＬＢの発散／収束に影響を与え、画像、又は、その一部の焦点合わせ、及び、焦点ぼけを、動的に、引き起こす。その結果、焦点にある画像／対象を見るために、光ビーム発散アセンブリ１３０は、対象の眼の注視距離、及び／又は、視線方向のそれぞれに、焦点にある画像／対象の１つ以上の部分を、維持するように構成される。また、焦点外にある画像／対象を見るために、実生活のように、直接的に、正確にそれを見ないとき、光ビーム発散アセンブリ１３０は、対象の眼の視野の固定された空間位置に、画像／対象の１つ以上の部分を投影し、及び／又は、対象の眼の焦点位置から異なる位置で、光ビームＬＢを収束するように、構成される。画像は、ＲＧＢ成分から構成され、また、各色（ＲＧＢ）の収束は、同時に、又は、別々に制御でき得ることに留意すべきである。
【００４１】
１つ以上のコントローラ１４０は、上述のように、画像が、網膜／中心窩上で、視野の必要とされる焦点、及び、深度で投影されるように、各画像データを符号化する各光ビームＬＢを生成し、及び、方向付けるために、画像投影システム１１０、及び／又は、光ビーム発散アセンブリ１３０に制御信号を生成するように構成され、また、動作できる、眼の投影システム１００は、眼の投影システム１００の全ての動作を制御するように、眼の投影システム１００に含まれる全ての要素／アセンブリ／サブシステムと通信する１つの中央コントローラを有することができる。又は、各要素／アセンブリ／サブシステム、又は、それらの組み合せは、眼の投影システム１００の他の部分、から入力データ受信し、又は、へ出力データを送信できる、その独自のローカルコントローラを有することができることに留意されたい。したがって、本明細書では、アプリケーションを介してコントローラ動作が説明される度に、それは、中央コントローラ、又は、ローカルコントローラのいずれかであってもよく、また、コントローラが特に図示されていない場合であっても、各要素／アセンブリ／サブシステムが、その自身のローカルコントローラを有し、又は、眼の投影システム１００全体の中央コントローラによって制御されると仮定される。コントローラ１４０についてのより詳細な説明は、以下にさらに記述される。
【００４２】
以下の記述では、光学アセンブリ１２０、及び、光ビーム発散アセンブリ１３０に関する様々な実施形態が記載されている。特定の実施形態は説明のためのものであり、本発明を限定するものではないことに留意されたい。さらに、提示の単純化のために、光ビームＬＢがコリメートされたビームとして、（画像投影システム１１０から）光学アセンブリ１２０に入力されるという考えのように、異なる単純化された仮定がなされるが、当業者によって、光ビームＬＢは、いかなる制限も伴わずに、収束／発散ビームとしても入力できることは認められることに留意されたい。さらに、光学アセンブリ１２０、及び、眼の投影システム１００からユーザの眼に向かって出て行く出力される光ビームの条件に関して与えられる図面特異的な例は、例示であり、また、簡略化されており、出力される光ビームの任意の他の可能な条件が、限定されることなく、本発明によって実施できることを理解すべきである。さらに、必ずしも、又は、詳細に示されていないが、本発明は、例えば、生成された仮想画像／オブジェクトを横断する３次元、及び、焦点プロファイルのような、必要とされる仮想、又は、拡張現実経験を生成するために、特定の発散、収束、周波数、振幅、幅、強度、眼の入射角、又は、それらの任意の組み合わせのような任意の必要とされる特性を有し、対象の眼に向かって出力される光ビームを、生成できることを理解すべきである。
【００４３】
図１Ａを参照すると、本発明の光学アセンブリ１２０の第１の非限定的な例が示されている。画像投影システム１１０は、通常、画像内で１つの画素を示す１つの画像データを、それぞれが、符号化する一連の光ビームＬＢを、連続的に、生成する。各光ビームＬＢは、上述したように、先の、同時に、譲渡された特許出願において、詳細には示され、記述されていない、適切な方向付け機構によって方向付けられ、その結果、光ビームは、光ビームが生成しようとする画像中の画素の位置に関連付けられた方向に、伝播する。光ビームＬＢは、光学アセンブリ１２０、及び、そこに含まれる光ビーム発散アセンブリ１３０、両方とも、光ビームＬＢを眼に向けて搬送し、また、各光ビームＬＢの焦点パラメータを制御することに責任がある、に沿って通過することによって、伝播経路ＬＢＰＰに沿って進む。そして、光ビームＬＢは、対象の眼ＥＹＥに入射し、また、焦点にある、すなわち、対象が、光ビームＬＢによって生成された画像、又は、その一部を見ているならば、対象の眼ＥＹＥの焦点で収束するように、焦点目標に基づき、眼ＥＹＥの後方で網膜／中心窩をヒットする。あるいは、光ビームＬＢは、焦点にない、すなわち、対象が、光ビームＬＢによって生成された画像、又は、その一部を見ていないならば、象の眼ＥＹＥの焦点で収束しない。
【００４４】
上述したように、光学アセンブリ１２０は、画像投影システム１１０の出口と対象の眼ＥＹＥとの間で、対象の眼に投影される画像を示す光ビームＬＢを搬送するように構成され、また、動作できる１つ以上の光学要素を有している。記載された非限定的な例では、光学アセンブリ１２０は、２つの連続する収束レンズ１２２Ａ、１２４Ａを有しているリレーレンズシステム１２２を形成している光学要素を有している。Ｆ２Ａ、及び、Ｆ２Ｂで例示されている２つの位置で、レンズ１２２Ａは、焦点Ｆ１を有し、また、レンズ１２４Ａは、可変的な焦点Ｆ２を有している。２つのレンズは、それらの光学的レンズ軸が、正確に一致し、また、光軸Ｘに沿って位置するように、配置される。光学アセンブリ１２０は、必要に応じて、より多くのレンズのように、他の光学要素を有することができることに留意すべきである。
【００４５】
光学アセンブリ１２０は、第２レンズ１２４Ａを有する／によって形成される光ビーム発散アセンブリ１３０を有している。第２レンズ１２４Ａは、出力レンズである場合、その焦点Ｆ２が変更され、また、変化できるような、可変的な焦点合わせ特性を有している。図示されているように、焦点Ｆ２は、レンズ１２４Ａの２つの図示された構成１２４Ａ１、１２４Ａ２（破線）、それぞれに対応する２つの位置Ｆ２Ａ、Ｆ２Ｂに示されている。理解されるように、可変的な／修正可能な焦点／焦点距離を有するレンズは、それに降り注ぐ光ビームの発散／収束を変化させることができる。したがって、光ビーム発散アセンブリ１３０は、それを通って通過する光ビームが、制御可能な方法で、発散／収束されるように、光学アセンブリ１２０の焦点合わせ特性を制御可能に調節できる。光ビームＬＢの構成に関して上述したように、このような構成は、必ずしもテレセントリックではなく、様々な態様で動作できることに留意されたい。
【００４６】
実証されたように、光ビームＬＢは、第１レンズ１２２ａ側から、光軸Ｘに平行な、コリメートされた光として、光学アセンブリ１２０に入射し、したがって、第１レンズ１２２Ａの焦点Ｆ１で収束する。第２のレンズがその構成１２４Ａ１にある場合、その焦点は、Ｆ２Ａにあり、焦点Ｆ１と完全に一致し、また、光ビームＬＢは、（実線で示すように）光軸Ｘに平行に、コリメートされたビームＬＢ１として、第２のレンズ１２４Ａを出ていく。これは、光ビームＬＢ１によって生成された画像は、無限遠に、焦点が合っていることを意味する。換言すれば、光ビームＬＢ１によって生成された画像は、遠方の物体を見ることによって、対象が、無限遠に、その景色に焦点を合わせているならば、焦点が合って行くだろうし、又は、対象が、近い距離に、その景色に焦点を合わせているならば、焦点が合って行かないだろう。
【００４７】
人間の領域では、対象から約６メートル以上離れた物体は、「無限遠」に配置されていると考えることができ、すなわち、対象の眼の焦点は、約６メートル以上から変化しない。人間の眼が無限遠に焦点を合わせると、眼の焦点は、眼の焦点ＦＥ１によって示されるように、眼の最大焦点距離で網膜上に配置される。第２の例示されている状況では、そこでは、第２のレンズの焦点は、点Ｆ２Ｂに位置され、光ビームＬＢは、例えば、焦点Ｆ２Ｂの後のいくつかの点で、例えば、対象の眼ＥＹＥの焦点ＦＥ２で、結局は収束する、（破線によって示されるような）収束ビームＬＢ２として、第２レンズ１２４Ａを出て行く。これは、光ビームＬＢ２によって生成された画像は、対象がその景色に焦点を合わせている位置で、生成され、また、焦点が合っていることを意味する。したがって、本実施例の光ビーム発散アセンブリ１３０は、制御可能な可変的な焦点合わせ特性を有し、それによって、画像の１つ以上の部分の焦点合わせパラメータに影響を及ぼす光学要素を有している。このようにして、対象の景色の位置（対象がその形式に焦点を合わせている位置、視線中心）で焦点を合わせた画像を、また、景色の位置外の位置（世界中心）でぼやけた画像を、生成することにより、現実的な仮想、又は、拡張現実のシーンを生成することが可能となる。上記の説明から理解されるように、各制御された光ビームは、投影された画像全体の一部のみ、例えば、画像内の１つの画素、を表すので、本発明の眼の投影システムは、同じ投影画像内で、焦点が合った、また、焦点が合っていない、ぼやけた物体を、すなわち、同時に、有する画像を生成でき、その結果、制御された被写界深度を有する３次元知覚が達成できる。
【００４８】
図１Ｂは、本発明の光学アセンブリ１２０の第２の非限定的な例を示す。この例では、光学アセンブリ１２０は、光学アセンブリ１２０に沿った入力、及び、出力光学要素を有し、また、焦点Ｆ１Ｂ、及び、Ｆ２Ｂ、それぞれに、直列の２つの集束、両凸レンズ１２２Ｂ１、１２２Ｂ２を有するリレーレンズシステム１２２Ｂとして、具体的に、構成される。この配置は、例を簡単にするために選択され、また、本発明を限定するものではなく、光学アセンブリ１２０は、眼の投影システムの特定の構造、目的、及び、機能に基づいて、様々な構成で構成できることを理解すべきである。光学アセンブリ１２０は、光ビームＬＢの収束／発散を制御することによって、光学アセンブリ１２０の焦点合わせ特性を調整するように構成された光ビーム発散アセンブリ１３０を有している。例示された光ビーム発散アセンブリ１３０は、ビームＬＢが、光ビーム伝播経路に沿って、入力、及び、出力光学要素との間で通過する距離を変更することにより達成される、有効な光ビーム距離を提供することによって、そこで伝播する光ビームＬＢの発散を変化させるように構成され、また、動作できるビーム有効距離変更器（ｍｏｄｉｆｉｅｒ）を有している。ビーム有効距離変更器は、例えば、光ビーム伝播経路ＬＢＰＰに配置され、また、光ビーム伝播経路ＬＢＰＰ内で制御可能に移動可能／配置可能であり、それによって、入力レンズ１２２Ｂ１と出力レンズ１２２Ｂ２との間の有効距離を変化させるように構成され、また、動作できる２つの光ビーム反射器１３２ａＢ１３４Ｂ、例えば、２つのミラー、によって、この非限定的な実施例で、実装される。例示を簡単にするために、本発明を限定、又は、縛るものではないが、光ビームＬＢは、出力レンズの後の隣接部分を除いて、光ビーム伝播経路のいくつかの部分で、コリメートされると仮定されることに留意されたい。図示のように、光ビームＬＢは、まず、第１、入力、レンズ１２２Ｂ１に接し、また、ビーム有効距離変更器に突き当たるまで、下流で収束する。第１の例示的な経路（実線で示す）では、ビーム有効距離変更器が第１の位置にあるとき、光ビームＬＢ１Ｂは、１３２Ｂ１で第１の反射器／ミラーから反射され、１３４Ｂ１で第２の反射器に突き当たるまで、下方に伝播し、また、収束し、また、対象の眼ＥＹＥに向かって出て行く第２の出力、レンズ１２２Ｂ２に向かって、左に反射される。第２の例示された光ビームＬＢ２Ｂは、入力、及び、出力レンズとの間のより短い距離を通過することを除いて、同様の経路をたどる（破線によって例示されるように）。光ビームＬＢ２Ｂは、１３２Ｂ２で、第１の反射器から、次いで、１３４Ｂ２で、入力、及び、出力レンズに近い第２の反射器から、反射される。したがって、光ビームＬＢ２Ｂは、対象の眼ＥＹＥ上に出て行き、また、降り注ぐように、光ビームＬＢ１Ｂよりも収束しにくく、また、より発散する。
【００４９】
図１Ｃは、本発明の光学アセンブリ１２０の第３の非限定的な例を示す。この例では、光学アセンブリ１２０は、それらの焦点Ｆ１Ｃ、Ｆ２Ｃが交差する（レンズはそれらの焦点距離の和によって隔てられている）ように調整された、２つの収束、両凸レンズ１２２Ｃ１、１２２Ｃ２を、直列に、有するリレーレンズシステム１２２Ｃを有している。この構成は、例を簡単にするために選択されているが、本発明を限定するものではなく、また、光学アセンブリ１２０は、眼の投影システムの特定の構造に基づいて、様々な構成で構成され得ることを理解すべきである。光ビーム発散アセンブリ１３０は、画像投影システム１１０の出口の下流、光学アセンブリ１２０の入口に位置する光学的要素のアレイを有している。光ビーム発散アセンブリ１３０の光学要素のアレイは、光ビーム発散アセンブリ１３０の残りの光学要素に対して交換可能に構成された１つ以上の光学要素を有している。この交換により、光ビームの全体的な発散／収束を制御することができ、また、光ビームによって生成された画像の１つ以上の部分の焦点合わせパラメータに影響を及ぼすことができる。具体的には、記述された例では、光ビーム発散アセンブリ１３０は、レンズ１３２Ｃが、静的レンズ１３４Ｃに対して移動可能／配置可能である、２つのレンズ１３２Ｃ、１３４Ｃを、直列に、有している。非限定的な例として、レンズ１３２Ｃは、両凹発散レンズとして選択され、また、レンズ１３４Ｃは、両凸収束レンズとして選択される。
【００５０】
したがって、１３２Ｃ１でレンズ１３２Ｃの第１の位置を見ると、光軸Ｘに平行に、コリメート光として、開始する光ビームＬＢは、実線で示すようなＬＢ１Ｃのような伝播経路ＬＢＰＰに沿って、伝播する。光ビームＬＢは、１３２Ｃ１でレンズ１３２Ｃによって発散され、そして、レンズ１３４Ｃ、１２２Ｃ１、及び、１２２Ｃ２、それぞれによって、３回収束される。レンズ１３２Ｃが、レンズ１３４Ｃにより近い第２の位置１３２Ｃ２にあるとき、光ビームＬＢは、破線によって示されるようなＬＢ２Ｃのような伝播経路ＬＢＰＰに沿って伝播する。光ビームＬＢは、１３２Ｃ２でレンズ１３２Ｃによって発散され、レンズ１３４Ｃ、１２２Ｃ１、及び、１２２Ｃ２、それぞれによって、３回収束される。理解されるように、この例では、光ビームＬＢ１Ｃは、光ビームＬＢ２Ｃが収束する点以降の点で収束する。したがって、光ビームＬＢ１Ｃは、光ビームＬＢ２Ｃによって提示される対象の網膜／中心窩で焦点が合った物体／画像から異なる距離（この場合、より遠くに）にある対象の網膜／中心窩で焦点が合った物体／画像を提示することに用いられ得る。換言すれば、対象が光ビームＬＢ１Ｃによって生成された物体／画像に焦点を合わせると、光ビームＬＢ２Ｃによって生成された物体／画像は、対象により近くであるように、ぼやけて、知覚されるだろう。あるいは、対象が、光ビームＬＢ２Ｃによって生成された物体／画像に焦点を合わせると、光ビームＬＢ１Ｃによって生成された物体／画像は、対象からより遠くであるように、ぼやけて、知覚されるだろう。
【００５１】
図１Ｄは、本発明の光学アセンブリ１２０の第４の非限定的な例を示している。この例では、光学アセンブリ１２０は、２つの集束両凸レンズ、焦点距離Ｆ１Ｄのレンズ１２２Ｄ１、及び、直列にあるレンズ１２２Ｄ１を有するリレーレンズシステム１２２Ｄを有している。この構成は、例示を簡単にするために選択され、本発明を限定するものではないことを理解すべきである。光学アセンブリ１２０は、眼の投影システムの特定の構造、目的、及び、機能に基づいて、様々な構成で構成することができる。
【００５２】
光ビーム発散アセンブリ１３０は、例えば、可変焦点合わせ／焦点外し特性を有する、例えば、特定の用途によって要求されるように、光ビームの収束、又は、発散が十分に制御されるように、光ビームＬＢを可変的に収束させ、又は、可変的に発散させるように構成される、光学要素１３２Ｄを有している。
【００５３】
１つの非限定的な例では、光学要素１３２Ｄは、それに電圧を加えることによって、膜１３２Ｄが変形し、また、収束と発散との間の焦点合わせ特性、及び／又は、どちらかの条件で焦点合わせ力、を変化させるような圧電材料を含む変形可能な膜である。光ビーム伝播経路ＬＢ１Ｄ、及び、ＬＢ２Ｄの２つの非限定的な例によって示されるように、光ビーム発散アセンブリ１３０の光学要素１３２Ｄは、光ビームＬＢの収束／発散を制御することを可能にし、また、光学アセンブリ１２０の異なる焦点合わせ特性を提供し、それによって、光ビームＬＢに符号化された画像の１つ以上の部分の焦点合わせパラメータに影響を与える。ビームＬＢ１Ｄの第１の経路を記述する第１の非限定的な例では、光学要素は、収束要素１３２Ｄ１として構成され、収束要素１３２Ｄ１に突き当たるコリメートされた光ビームＬＢは、この実施例では、レンズ１２２Ｄ１の焦点Ｆ１Ｄと完全に一致する焦点Ｆ３Ｄ１で収束する。そして、光ビームＬＢ１Ｄは、レンズ１２２Ｄ１に突き当たり、また、レンズ１２２Ｄ１の焦点Ｆ１Ｄを通過することによって、コリメートされた光として伝播する。そして、コリメートされたビームとしてレンズ１２２Ｄ２に突き当たると、レンズ１２２Ｄ２の焦点に収束し、また、焦点が合うはずである。しかし、図示されているように、光ビームＬＢ１Ｄは、対象の眼ＥＹＥの瞳孔に降り注ぎ、対象の眼ＥＹＥによって、さらに、集光される。（破線の）光ビームＬＢ２Ｄの第２の経路を記述する第２の非限定的な例では、光学要素は、焦点Ｆ３Ｄ２を有する発散要素１３２Ｄ２として構成される。発散要素１３２Ｄ２に突き当たるコリメートされた光ビームＬＢは発散し、また、レンズ１２２Ｄ１に向かって伝播する。光ビームＬＢ２Ｄが、レンズ１２２Ｄ１、１２２Ｄ２に突き当たると、レンズ１２２Ｄ１、１２２Ｄ２は、それぞれ、収束し、また、レンズ１２２Ｄ２の焦点の後の点で収束するように、伝播する。再び、対象の眼ＥＹＥは、光ビームＬＢ１Ｄ、又は、ＬＢ２Ｄによって生成された画像のいずれかに焦点を合わせるために、その焦点／焦点距離を、異なるように調整する必要がある。換言すれば、対象の眼ＥＹＥは、その焦点／焦点距離がそれに応じて調整されない限り、ＬＢ１Ｄ、ＬＢ２Ｄによって搬送される画像の両方に焦点を合わせることができない。したがって、光ビームＬＢ１Ｄ、ＬＢ２Ｄが、人間の眼のリフレッシュレートよりも高い速度で、又は、眼の調整に必要な時間よりも速い速度で、対象の眼ＥＹＥに突き当たると、焦点が合っている、光ビームによって搬送される画像の両方を可視化することができない。それは、１つの画像のみが、焦点が合っているにあるか、又は、両方が焦点から外れているかのいずれかである（後者は、対象が、両方の光ビームが到着する位置から異なる位置に焦点を合わせている場合に起こる）。
【００５４】
図１Ｅは、本発明の光学アセンブリ１２０の第5の非限定的な例を示す。この例では、光学アセンブリ１２０は、２つの集束両凸レンズ１２２Ｅ１、１２２Ｅ２を、直列に、有するリレーレンズシステム１２２Ｅを有している。上述したように、この構成は、例示を簡単にするために選択されており、本発明を限定するものではないことを理解すべきである。光学アセンブリ１２０は、眼の投影システムの特定の構造、目的、及び、機能に基づいて、様々な構成で構成することができる。光ビーム発散アセンブリ１３０は、次のように、光ビーム伝播経路ＬＢＰＰに沿って配置された複数の光学要素を有している。光ビームＬＢは、光ビーム全体を通過させるビームスプリッタ／コンバイナ（combiner）１３８Ａに降り注ぎ、光ビームＬＢを偏光する光偏光フィルタ１３８Ｂを通過する。このような光偏光フィルタは、１／４波長プレートとして構成できる。その後、光ビームＬＢは、この場合、両凸収束レンズが例示されている、レンズ１３８Ｃによって、収束／発散され、また、光ビームは、反射ミラーのような光ビームデフレクター１３８Ｄに遭遇するまで続け、また、光ビームは、レンズ１３８Ｃに向かって、戻るように反射される。理解されるように、レンズ１３８Ｃと反射ミラー１３８Ｄとの間の距離を修正することによって、光ビームＬＢの収束／発散に影響を及ぼすビーム有効距離変更器が、図１Ｂの例のように、提供される。例えば、図示のように、光ビームが、１３８Ｄ１でミラー１３８Ｄによって反射されるならば、反射された光ビームＬＢ１Ｅは、１３８Ｄ２でミラー１３８Ｄによって反射される光ビームＬＢ２Ｅ（破線）に関して、より収束されるだろう。このように、レンズ１３８Ｃによって２回目に収束された後、光ビームＬＢ１Ｅ／ＬＢ２Ｅは、１／４波長プレートによって、もう１回偏光され、その結果、光ビームＬＢに関して位相がずれ、ビームスプリッタ１３８Ａによって、図中右側に、屈折される。光ビームＬＢ１Ｅ、ＬＢ２Ｅは、レンズ１２２Ｅ１、１２２Ｅ２と相互作用し、また、それらの収束／発散に関する２つの異なるビームとして、対象の眼ＥＹＥに向かって、出て行く。
【００５５】
上述の非限定的な実施例は、屈折光学要素を利用しているが、同じ原理は、光パワーを有する反射、及び、回折光学要素にも有効であることに留意すべきである。このシステムの利点の１つは、複数の光ビームを記述しているが、その一般的なフィールドは一定であり、したがって、実装要件を非常に単純化することである。
【００５６】
上述のように、本発明は、また、連続的な検出によって、光ビーム発散アセンブリを有する光学アセンブリを制御し、また、動作できること、及び、所望の結果に基づいて、被検者の眼の検出された焦点に、画像投影システムによって生成された光ビームを合わせ、又は、焦点から外すこと、すなわち、投影された画像が焦点にある必要があるならば、例えば、対象が画像を見ているとき、光ビームを焦点に合わせ、又は、焦点を合わせる必要がないならば、例えば、対象が投影された画像から離れて見ているとき、画像を焦点から外すこと、を可能にするように、対象の眼の焦点／焦点距離を、監視、及び、検出するためのシステム、及び、方法を提供する。
【００５７】
眼の投影システム１００に含めることができる眼の焦点検出システム／モジュール１５０を概略的に示す図２Ａ〜図２Ｄを参照する。眼の焦点検出システム／モジュール１５０は、光学アセンブリ１２０、画像投影システム１１０、及び、コントローラ１４０と共に、眼の投影システム１００内に一体化され得る（又は、代替的に、ローカルコントローラは、眼の焦点検出システム／モジュール１５０に含まれ、また、眼の投影システム１００内の１つ以上の他のコントローラと通信するように構成され得る）。例示を簡単にするために、図２Ａ〜図２Ｄは、眼の焦点検出システム／モジュール１５０のみを示しているが、これは本発明を限定するものと見なすべきではない。眼の焦点検出システム１５０は、眼の焦点／焦点距離を、連続的に、監視し、また、それらを示す焦点データを生成するように構成され、また、動作できる。焦点データは、眼の投影システム１００の１つ以上の構成要素によって利用され、対象の眼に向かって投影される画像の１つ以上の部分の焦点合わせパラメータに影響を与え得る。
【００５８】
図２Ａの第１の非限定的な例に示されるように、眼の焦点検出システム／モジュール１５０は、光ビーム源、光センサ、カメラ、及び、任意のビームスプリッタ／コンバイナ１５８を有している。また、上述したように、この例では、特に図示されないが、ローカルコントローラ（１４０ａ）が含まれている。光ビーム源１５２は、コリメートされたビームとして、対象の眼ＥＹＥに向かって伝播するコリメートされた光ビームＬＢＩを生成することによって、連続的に、光るように構成され、また、動作できる。光ビームＬＢＩの一般的な伝播経路は、図示されているように、直線のもの、又は、破損したものにできる。後者の場合、１つ以上のビームデフレクター、又は、ビームスプリッタ／コンバイナは、コリメートされたビームＬＢＩを、対象の眼ＥＹＥに向けるように、一般的な伝播経路に、光学的に結合され得る。非限定的な実施例では、光ビーム源１５２は、対象の眼ＥＹＥに対して、直角９０°に配置されるので、ビームスプリッタ／コンバイナ１５８は、光ビームＬＢＩを、対象の眼ＥＹＥに向けて偏向させるために、利用される。
【００５９】
光ビーム源１５２によって生成される光は、眼、特に網膜によって、吸収されず、又は、ほとんど吸収されないスペクトルを有する光である。例えば、このような光は、第１に、可視スペクトルではないから、光の光源に、直接的に、見ても、対象を妨害せず、また、第２に、吸収されず、むしろ、網膜によって、眼から散乱されるように、赤外の範囲であってもよい。
【００６０】
眼の焦点検出システム１５０に含まれる光センサ１５４は、対象の眼ＥＹＥから反射された光ビームを集光し、また、検出するように構成されている。センサは、対象の眼ＥＹＥの瞳孔Ｐから既知の距離ＳＤで隔てられている。
【００６１】
図２Ａに示された例では、２つの反射された光ビームは、眼の焦点の２つの位置／状態の結果として、同じ入射光ビームＬＢＩに応じて示される。第１の非限定的な例では、眼の焦点ＦＥＭは、眼の最大焦点距離、すなわち、眼の後方の網膜に位置する。これは、対象が、「無限遠」、すなわち、遠方を見ているときの焦点位置である。この場合、図示のように、コリメートされた光ビームＬＢＩは、焦点ＦＥＭで網膜上に焦点が合わされるまで、経路ＬＢＩ１に沿って伝播しながら、眼に入射し、また、入射光ビームＬＢＩ１と完全に一致する経路ＬＢＲ１に沿って、後方に、反射され、そして、眼を出て行った後、反射された光ビームは、ビームスプリッタ／コンバイナ１５８に到達するまで、経路ＬＢＩに完全に一致する経路ＬＢＲ１に沿って伝播し、また、センサ１５４に突き当たるまで、同じ方向、及び、発散（ゼロである）を続ける。
【００６２】
第２の非限定的な例では、眼の焦点ＦＥ２Ａは、眼のある焦点距離Ｆ１で、眼の網膜の前に、位置する。これは、対象が自分の近くの、すなわち、「無限遠」より近くの物体を見ているときの例示的な焦点位置である。この場合、図示のように、コリメートされた光ビームＬＢＩは、焦点ＦＥ２Ａに焦点を合わせる経路ＬＢＩ２に沿って伝播しながら、眼に入り、また、散乱し、また、網膜上の大きな画像スポットＳＲを形成する。網膜から後方に反射されると、光ビームは、入射光ビーム経路ＬＢＩ２とは異なる例示的な経路ＬＢ２に沿って伝播する。そして、眼を出た後、反射光ビームは、ビームスプリッタ／コンバイナ１５８まで、破線で示される経路ＬＢＲ２に沿って伝播し、また、センサ１５４に突き当たるまで、同じ方向、及び、発散（ゼロでない）を続ける。したがって、２つの記述されたシナリオでは、反射された光は、２つの領域Ｓ１、Ｓ２を有するセンサ１５４上に２つの異なる検出可能なスポットを生成する。一般的に、光センサ１５４は、スポットの面積に関連した／比例した出力を生成し、出力は、例えば、電流、又は、電圧の形態であり得る。
【００６３】
カメラ１５６は、予め定められたレートで、好ましくは可能な限り大きく／迅速に、眼の瞳孔Ｐの画像を捕捉するように構成され、また、動作できる。瞳孔の面積ＳＰは、瞳孔の画像から算出することができる。
【００６４】
したがって、眼の焦点検出システム１５０は、少なくとも以下のパラメータ、すなわち、センサ上のスポットの面積Ｓ１、Ｓ２、瞳孔ＳＰの面積、及び、瞳孔からのセンサの距離、に基づいて、各与えられた時間における眼の焦点／焦点距離ＦＬを決定するように構成され、また、動作できる。
【００６５】
コントローラ１４０Ａ（または、眼の投影システム１００の中央コントローラ１４０）は、光ビーム源１５２、光センサ１５４、カメラ１５６、及び、ビームスプリッタ／コンバイナ１５８の各々、又は、いくつかを動作するように構成することができる。コントローラ１４０Ａは、カメラ１５６、及び、光学センサ１５４からデータを取得し、また、瞬時の眼の焦点距離ＦＬを計算する。コントローラ１４０Ａは、光ビーム発散アセンブリ１３０を制御し、また、光ビーム発散を調整するために光学アセンブリ１２０の焦点合わせ特性（focusing properties）を制御し、また、対象の眼ＥＹＥに投影された画像の１つ以上の部分の焦点合わせパラメータに影響を与えるために、眼の焦点距離ＦＬを示す出力データを生成し、また、出力データを中央コントローラ１４０、又は、他のローカルコントローラに送信する。
【００６６】
図２Ａの例では、対象は、センサ１５４に向かって同じ方向に全ての時間を見ていると仮定され、したがって、センサ上のスポットＳ１、Ｓ２は、相互の中心Ｃを有する。しかし、実際には、人間の眼は、時に急速に、いわゆる、サッカード運動のように、運動し続けることがある。このため、眼の投影システム１００、又は、眼の焦点検出システム１５０は、眼球運動を追跡し、眼に向かって、及び／又は、後方に向かって、入射、及び／又は、反射された光ビームを、向け直すように構成され、また、動作できる眼球追跡機構を有してもよい。このような眼球追跡メカニズムは、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる、上記ＷＯ１７０３７７０８に記載されている。眼球追跡機構が使用される場合、眼の焦点検出システム１５０が眼球追跡機構のような他のいくつかの構造／機能要素と共に眼の投影システム１００に一体化されているならば、眼の焦点検出システム１５０の１つ以上の部分は、眼球追跡機構の１つ以上の部分の後／の向こう側に配置されてもよい。あるいは、眼の投影システム１００内の他のシステムに関係なく、眼の焦点検出システム１５０は、追加の要素、基本的には光指向／偏向要素を有し、入射／反射光ビームの調整を可能にし、及び／又は、サイズ制限された眼の投影システム内に眼の焦点検出システム１５０を含めることを可能にしてもよい。
【００６７】
ここで図２Ｂを参照すると、入射し、及び／又は、反射された光ビーム経路に光学的に結合され、また、眼に向かう光源１５２からの、及び、センサ１５４に向かって眼から戻ってくる入射／反射光ビームの伝播経路を調整するように構成され、また、動作できる１つ以上の光偏向要素１５８Ａを有する、眼の焦点検出システム１５０の別の非限定的な例が示されている。１つ以上の偏向要素１５８Ａは、入射光ビームの視準状態を維持するために、眼に向かって伝播する光を偏向するように構成できる。なお、偏向要素の数は、眼のサッカード運動に対応するそれ考えられる軸に光ビーム（入射、及び、反射）を調整できるように選択され得ることに留意されたい。したがって、１つの偏向要素１５８Ａのみが図示されているが、少なくとも２つの偏向要素を使用して、それぞれ、横方向、及び、垂直方向の眼球運動に応じて光ビームを向け直すことができる。簡単のために、図示されていない非限定的な例は、１の偏向要素を有している。
【００６８】
図に示されるように、システム１５０内の全ての要素は、眼と光源との間、及び、眼とセンサとの間の入射、及び、反射光ビーム経路に光学的に結合されている偏向要素を除いて、図２Ａに記載されたものと同じ機能を有する。この非限定的な例では、眼球が垂直にのみ移動し、偏向要素が、眼球運動を追跡し、また、対象の眼ＥＹＥに当たると、後者は常にコリメートされるように、入射ビームを偏向させるように構成されている。偏向要素１５８Ａは、また、センサ１５４上に生成するスポットがセンサ１５４の中心に当たるように、反射ビームを偏向するように構成されている。しかし、眼球の急速なサッカード運動に対する偏向部材の遅い応答時間の間でのミスマッチのために、センサ１５４上に生成されたスポットは、常に中心ではなく、また、対象の眼ＥＹＥとセンサ１５４が完全に位置合わせされているならば予想であろう円でもない。換言すれば、偏向要素は、測定値の誤差を引き起こすタイムラグを有する。したがって、スポットの面積を使用して、眼の焦点を正確には決定できない。このため、以下にさらに説明するように、補が、成されるべきである。
【００６９】
図２Ｂには、無限遠で見ている対象の一例が、本発明を限定することなく、例示されている。フルラインＬＢＲ１は、対象の視線がセンサ１５４に向けられ、スポットＳ１がセンサの中心Ｃ０に形成されるような状況を例示している。破線は、対象が眼を動かし、また、偏向要素が光ビームを偏向させ、また、向きを変える前の反射されたビームＬＢＲ２の伝播を例示する。認識されるように、センサ上に生成されたスポットＳ３は、中央になく、及び／又は、円形ではなく、また、領域Ｓ３は、眼の焦点距離を、正確に、決定するために使用され得ない。
【００７０】
図２Ｃを参照すると、センサ１５４の非限定的な例が示されている。センサ１５４は、４等分されたセンシング面を有するクアッド・センサとして構成されている。センサ上には、図２Ｂからの２つのスポットＳ１、Ｓ３が示されている。認識されるように、スポットＳ１は、センサ１５４の中心に位置し、また、スポットＳ３は、センサの中心の外側に位置する。この例では、センサにおける読み取りの誤差を以下のように定義できる。４分１領域、１〜４に、それぞれ、位置するスポットの各部分領域によって生成される電圧が、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、次のように仮定できる。
【００７１】
水平誤差（スポットが中心から水平にずれた程度）は、次のように表すことができる。
【式１】
【００７２】
2020522010.tif 000003
【００７３】
垂直誤差（スポットが中心から垂直にずれている範囲）は、次のように表すことができる。
【式２】
【００７４】
2020522010.tif 000004
【００７５】
図２Ｄに示すように、センサ１５４で読み取られた電圧に対して、エラーＨ、及び、エラーＶをプロットし、それぞれの誤差、及び、センサ中心からの偏差を示す値としてαＨ、及び、αＶを得ることができる。アルファ値αＨ、及び、αＶは、スポット領域に反比例し、したがって、スポットサイズの差／変化を、また、その結果、眼の適用を伝達する。図からわかるように、スポットがセンサに集中しているならば、水平、及び、垂直誤差は、ゼロであり、補正は不要、すなわち、上述したように、スポット領域は、眼の焦点距離を計算しようとするときに、用いられ得る。しかし、少なくとも１つの誤差値がゼロでない場合、補正が適用される。
【００７６】
仮想物体が、ユーザから異なる知覚された距離に焦点が合わせている一方、ユーザに仮想物体を提示するための眼の投影システム１００を使用する非限定的な例を示す図３Ａ〜図３Ｃを参照する。眼の投影システム１００は、画像投影システム１１０、３つの光学要素３０２、３０４、３０６を有する光学アセンブリ１２０、及び、光ビーム発散アセンブリ１３０を有している。記述された例では、光ビーム発散アセンブリ１３０は、固定焦点距離を有する光学要素３０２、３０４の間の有効な光ビーム距離を変化させることによって実装され得る。光ビーム発散アセンブリ１３０は、上述したような任意の他の構成で実施することができ、又は、上述した構成の任意の組み合わせで実施できることを理解されたい。光学要素３０４に関して光学要素３０２を変位させることによって、光ビーム有効距離は、制御可能に、変更される。画像投影システム１１０と光学要素３０２との間の距離は、例えば、それらを一緒に移動させることによって、一定に保たれることに留意されたい。光学要素３０２、３０４の間の有効距離を変化させることは、光学要素３０４からの距離ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３によって示される。光ビーム有効距離は、光学要素３０４を超えて対象の眼に向かって通過した後の光ビームの発散に影響を及ぼす。光ビームの異なる発散は、対象の眼の網膜に光ビームの焦点を合わせること、及び、対象が、異なる距離で見ることによって眼の焦点距離を変化させることによって、網膜上に焦点合わせされた画像３２を生成することをもたらす。したがって、光学要素３０４に対する光学要素３０２の３つの異なる変位は、対象に、それぞれ異なる距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３であるように、仮想物体３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを知覚させる。換言すれば、眼の焦点距離を調節することにより、それぞれの異なる距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を見た場合にのみ、観察対象に対して焦点を合わせる。被写体が１つの距離で仮想物体の１つに焦点を維持している場合、他の仮想物体は、対象に提示されたときに、焦点はずれている。これらの効果は、既に説明したように、対象の網膜上に仮想物体を生成する光ビームの発散を変化させることによって達成される。
【００７７】
図４を参照すると、本発明による画像の１つ以上の部分の焦点パラメータを制御するための方法４００が示されている。上述したように、眼の投影システムは、ユーザに、非常に現実的で、便利な、仮想、又は、拡張現実体験を、一緒に、生成できるいくつかの機能を有している。眼の投影システムの様々な構成要素は、それぞれの入力、及び、出力ユーティリティ／インタフェースを介して、又は、中央コントローラによって互いに通信する特定のローカルコントローラによって制御される。
【００７８】
４１０において、眼の投影システム１００は、画像投影システム１１０を介して、対象の眼ＥＹＥに投影される画像を示す画像データを受信する。例えば、画像は画素（１次元、２次元、３次元画像）で構成され、また、画像中の各画素は画像データで表される。画像内の各ピクセルの画像データは、色、強度、距離、及び、プレゼンテーションの性質（視線中心画像、又は、ワールド中心画像として投影されるべきであるか否か）などの情報を有している。選択的に、ユーザは、システムが視線中心モードで動作するべきか、又は、ワールド中心モードで動作するべきかを選択する。
【００７９】
以下のステップでは、画像投影システム１１０は、一連の光ビームを生成し、対応する画像データで、それらを符号化し、また、光学アセンブリ１２０を介して対象の眼ＥＹＥに向かって、それらを投影する。したがって、画像がＺ個の画素から構成されている場合には、対応するＺ個の符号化された光ビームが生成される。
【００８０】
４２０において、各画像データについて、眼の投影システムは、眼の焦点距離に関して、眼の焦点検出システム１５０からデータを受信する。
【００８１】
４３０において、各画像データについて、眼の投影システムは、対応する光ビームの発散を調整し、また、それが視線中心、又は、ワールド中心の画像を表すか否かに基づいて、対象の眼に対する焦点を制御するために、光ビーム発散アセンブリ１３０を制御するためのデータを生成する。
【００８２】
４４０において、各画像データについて、画像投影システム１１０は、画像情報（色、距離など）、眼の焦点データ、及び、集束、及び、光ビーム発散データに基づいて、画像データを符号化する光ビームを生成する。
【００８３】
４５０において、眼の投影システム１００は、画像を形成する光ビームを所望の時間的な、又は、空間的な順序で投影する。典型的には、画像データは、画像を形成する画素の連続的な順序を表し、この連続した順序で投影される。しかし、眼の投影システムは、画像を形成する画素の順序とは異なる順序で、画像の一部の光ビームを投影できる。
【図１Ａ】
2020522010.tif 000005
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2020522010.tif 000007
【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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