特許ウォッチ

公開番号2025133786
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-11
出願番号2025109549,2022543019
出願日2025-06-27,2021-02-22
発明の名称複合現実感コンバイナ
出願人ルーマスリミテッド,Lumus Ltd.
代理人アクシス国際弁理士法人
主分類G02B 27/02 20060101AFI20250904BHJP(光学)
要約【課題】実用的なXRディスプレイの光学システムは、一般に、人間工学的、技術的、および経済的制約が複合的に入り混じったものを満足する必要がある。
【解決手段】レーザ表示エンジンによって生成された仮想任意カラー画像をユーザEMB内に拡張および結合する埋込部分反射誘電体ミラーの配列を含む出力カプラを有する光導波路コンバイナであって、誘電体ミラーが、レーザ発振帯域、およびレーザ発振帯域がドリフトすると予想される波長の範囲における光の波長と、第1の反射率を示す反射率角度範囲と、第1の反射率より小さい第2の反射率を示す透過率角度範囲と、ファセットに入射する自然光に対する高い透過率を有するシースルー角度透過率範囲と、を含むレーザ表示エンジンの各レーザ発振帯域のための波長帯域を有するように構成された、光導波路コンバイナ。
【選択図】図1E
特許請求の範囲【請求項１】
導波路コンバイナであって、
法線「ｎ
w
」を有する、第１および第２の平行内部全反射フェース面を含む第１の導波路と、
光が通って前記第１の導波路に入る入力開口部と、
出力結合領域に関連し、前記入力開口部を少なくとも１つの方向に拡張し、前記第１の導波路に入った光が通って前記第１の導波路から出る出力結合構成と、
前記第１の導波路に埋め込まれ、ｎ
w
とファセットに対する法線「ｎ
f
」との間のファセット傾斜角βを有する複数の平行ファセットを含む出力カプラであって、前記ファセットは、前記第１の導波路に沿って伝播し、前記ファセットに入射した光を前記出力結合領域を通じて外側に反射する、出力カプラと、を備え、前記ファセットが、
レーザ発振帯域、および前記レーザ発振帯域が変化すると予想される波長の範囲の光の波長を含むレーザによって提供される光の少なくとも１つのレーザ発振帯域の各レーザ発振帯域のファセット波長帯域と、
前記第１の導波路内を伝播し、第１の範囲の入射角で前記ファセットに入射する前記ファセット波長帯域の波長を有する光に対して第１の反射率を示す反射率角度範囲と、
前記第１の導波路内を伝播し、第２の範囲の入射角で前記ファセットに入射する前記ファセット波長帯域の波長を有する光に対して前記第１の反射率よりも低い第２の反射率を示す透過率角度範囲と、
第３の範囲の入射角で、前記ファセットに入射する自然光に対して高い透過率を有するシースルー角度透過率範囲と、を有する、導波路コンバイナ。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記反射率角度範囲の入射角および前記ファセット波長帯域の波長に対する平均反射率が、約９％～約１１％の間である、請求項１に記載の導波路コンバイナ。
【請求項３】
前記反射率角度範囲の入射角および前記ファセット波長帯域の波長に対する前記ファセットの反射率の変化が、前記平均反射率の約２．５％未満である、請求項２に記載の導波路コンバイナ。
【請求項４】
前記反射率角度範囲の角度幅が、約１５°または約２０°以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項５】
前記反射率角度範囲が、約２°、約２５°、または約５０°の下限を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項６】
前記透過率角度範囲における入射角および前記ファセット波長帯域における波長に対する平均反射率が、約０．５％～約５％の間である、請求項１～５のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項７】
前記透過率角度範囲の角度幅が、約１５°または約３０°以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項８】
前記透過率角度範囲が、約２°、約５０°、または約６０°の下限を有する、先行請求項のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項９】
ファセット波長帯域ごとに、前記帯域内の波長に対する反射率の変化が、前記波長帯域における平均反射率に対して上限未満であり、その結果、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度空間における色域色度差半径「ΔＣＧ」が約０．０２以下となる、先行請求項のいずれか一項に記載の導波路コンバイナ。
【請求項１０】
前記ファセット波長帯域における波長の平均反射率がＲで表され、前記ファセット波長帯域における波長の反射率とＲとの間の最大差がΔＲで表される場合、｜ΔＲ｜／Ｒが、約３％以下である、請求項９に記載の導波路コンバイナ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年２月２４日に出願された米国仮出願６２／９８０，４６９および２０２０年３月３０日に出願された米国仮出願６３／００１，５６７の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張する。
続きを表示（約 3,100 文字）【０００２】
本開示の実施形態は、相対的に小さな入力開口部でレーザ表示エンジンから画像を受信し、その画像を送出して拡張された出力結合領域で導波路から出して、ユーザが視聴するための拡大アイモーションボックスを満たすように構成された光導波路システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ユーザに様々な新しい趣向の現実感－拡張現実感（ＡＲ）、複合現実感（ＭＲ）、並列現実感－のいずれかを提供し、ユーザが、ユーザの視野（ＦＯＶ）における現実環境のユーザが見る「実画像」上にコンピュータが生成した「仮想画像」を重ねるために使用される、増殖ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）およびスマートアイウェア。仮想画像は、例として、ユーザに、娯楽および／または実画像に関連する情報材料、ユーザによって実施される職務および／または明示的または暗黙的なユーザ要求を提供してもよい。実画像および仮想画像を含むユーザに提示された画像は、拡張現実感（ＸＲ）画像と称されてもよく、ユーザにＸＲ画像を提供するように構成された様々なハードウェアのうちのいずれかは、一般的にＸＲディスプレイと称されてもよい。
【０００４】
ＸＲディスプレイの光学システムでは、シリコン基板上液晶（ＬＣｏｓ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）またはレーザ光走査（ＬＢＳ）マイクロディスプレイなどのコンピュータ制御表示エンジンが、仮想画像を提供する。コンバイナと称される光学素子は、周囲光に対して透明であり、これを通してユーザは現実の環境を見ることができるが、表示エンジンによって提供された仮想画像を受信しそれを実画像上に重ねて、ユーザにＸＲ画像を提供する。
【０００５】
一般に、表示エンジンによって提供される仮想画像は、約５ミリメートル以下の特性寸法を有して相対的に小さい。コンバイナは、相対的に小さい入力開口部で小さい仮想画像を受信し、その画像を出力カプラに伝播し、出力カプラは、コンバイナの出口開口部を通して仮想画像を出力し、アイモーションボックス（ＥＭＢ）内に入れる。ユーザの目がＥＭＢ内に位置している場合、仮想画像は、ユーザの開口部を通ってユーザの網膜上に入り、ユーザがコンバイナを通して見る実画像のフィーチャとしてＸＲ画像に現れる。ユーザが目をコンバイナと位置合わせするのに必要以上に苦労することなく仮想画像を快適に見ることができるようにＥＭＢを満たすため、コンバイナは、一般に、相対的に大きい拡張された開口部を有するように構成され、その開口部を通してコンバイナは仮想画像の多くの複製をＥＭＢ内に送信する。
【０００６】
実用的なＸＲディスプレイの光学システムは、一般に、人間工学的、技術的、および経済的制約が複合的に入り混じったものを満足する必要がある。光学システムは、快適に大型のＥＭＢを有し、有利に小型軽量かつ省エネであり、画像ゴーストなどの過度に目障りなアーチファクトのないクリアな仮想画像を提供するように構成されるのが都合がよい。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一実施形態の態様は、レーザ表示エンジンによって生成される仮想任意カラー画像をユーザＥＭＢ内に拡張および結合するための埋込誘電体部分反射ミラー（以下、ファセットとも称される）の配列を含む出力カプラを有する光導波路コンバイナを提供することに関する。エンジンが仮想画像を生成するために使用するレーザによって提供される波長帯域の光に対して、ファセットは、第１の範囲の入射角の入射光を相対的に大きな反射率でユーザＥＭＢ内に反射するように構成される。第１の範囲とは異なる第２の範囲の入射角において、ファセットは、相対的に低い反射率を有し、実質的に同一のレーザ波長帯域の光を相対的に大きな透過率で送信するように構成される。透過率および反射率は、第１および第２の角度範囲でレーザ波長帯域の範囲の波長の範囲にわたって、比較的小さな変動性を示す。ファセットは、環境からの自然光とも称される可視光に対して実質的に無色透過性を有するように形成される。任意に、表示エンジンは、赤、緑、および青（ＲＧＢ）帯域幅の光を表示エンジンに提供し、その光を処理して仮想ＲＧＢカラー画像を生成する、少なくとも１つのレーザを含む。一実施形態では、コンバイナは、相対的に高いＲＧＢ画像解像度および相対的に低い画像アーチファクトによる混入でカラー仮想画像をＥＭＢに導入する。
【０００８】
一実施形態では、導波路コンバイナは、第１および第２の平行内部全反射（ＴＩＲ）面を有する導波路を備える。表示エンジンからの光は、導波路に入射し、ＴＩＲ面から反射されＴＩＲ面間を行ったり来たりしながら跳ね返り、導波路に沿って減少された導波路ＦＯＶ（ｗＦＯＶ）内を伝播し、ファセットに到達して入射する。一実施形態では、ファセットは、均等に間隔を置いて平行であり、ＴＩＲ面に対する法線とファセットに対する法線との間で測定される傾斜角で傾斜している。ＴＩＲ法線に対して平行であるｗＦＯＶ内の光線の成分は、光線が第１のＴＩＲ面から跳ね返るたびに方向を反転し、光が第２のＴＩＲ面から跳ね返るたびに方向を反転する。所与のファセットに入射する前の偶数回または奇数回の跳ね返り（任意の最初の跳ね返りからカウントされる）を起こしたｗＦＯＶ内の光線は、それぞれ、入射角の第１の範囲または第２の範囲の入射角で所与のファセットに入射する。本開示の一実施形態によれば、入射角の第１の範囲および第２の範囲のうちのただ１つのファセットに入射した光線が選択され、導波路から出て結合されてＥＭＢに入射し、ユーザに表示エンジンによって生成された仮想画像を提供する。
【０００９】
提示の便宜上、仮想画像を提供するためにｗＦＯＶ内の光線が選択される入射角度の範囲は、「画像入射範囲」と称されてもよい。画像入射範囲内で角度方向に伝播する光線を含むように導波路内でＴＩＲ反射によって配向される場合、「画像ｗＦＯＶ」と称されてもよい。入射角の非選択範囲は、「共役入射範囲」と称されてもよく、ｗＦＯＶは、共役入射範囲内の角度方向に伝播する光線を含むように導波路内でＴＩＲ反射によって配向される場合、「共役ｗＦＯＶ」と称されてもよい。
【００１０】
一実施形態によれば、ファセットの傾斜角は、画像入射範囲と共役入射範囲との間の有利な角度分離を提供するように決定される。ファセットは、反射率角度範囲、透過率角度範囲、およびファセット波長帯域を有するように構成される。反射率角度範囲の入射角でファセットに入射するファセット波長帯域の波長を有する光に対して、ファセットは、波長および入射角の変化に対して相対的に高い反射率および相対的に低い分散を示す。同様に、透過率角度範囲の入射角でファセットに入射するファセット波長帯域の波長を有する光に対して、ファセットは、波長および入射角の変化に対して相対的に低い反射率および対応する高い透過率を示す。ファセット波長帯域は、表示エンジンが処理して仮想画像を生成する光を提供するレーザのレーザ発振帯域幅を含む波長の範囲、およびレーザ発振帯域幅が、例えば、動作条件および／または製造公差によるドリフトの結果として変化する場合もある波長の範囲にわたる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許