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公開番号2025165947
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-05
出願番号2025116609,2024501813
出願日2025-07-10,2022-07-08
発明の名称複数のレーザの可変ビーム拡張を用いたディスプレイシステム
出願人グーグルエルエルシー,Google LLC
代理人弁理士法人深見特許事務所
主分類G02B 27/02 20060101AFI20251028BHJP(光学)
要約【課題】投影画像のクリッピングおよび明るさの損失を軽減する。
【解決手段】レーザ投影システム(200)において、光学エンジンによって出力された光は、2つの角度的に分離されたレーザ光ビーム(1002、1102)として第1の走査ミラー(206)に方向付ける。角度的に分離されたレーザ光ビームは、通常、光学スキャナの第2の走査ミラー(208)に対し異なる入射角(1010、1110)を有する。第1の次元において、それぞれ異なるレベルの拡大が角度的に分離されたレーザ光ビームの各々のビーム直径に適用され、角度的に分離されたレーザ光ビームは、第2の走査ミラーにおける入射時にそれぞれ異なるビーム直径(1012、1112)を有する。角度的に分離されたレーザ光ビームの異なるビーム直径により、第2の走査ミラーにおけるレーザ光ビームの各々の入射領域が等しくなるかまたは実質的に類似し得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
レーザ投影システムであって、
第１のレーザ光ビームおよび第２のレーザ光ビームを受け取り、中継し、前記第１のレーザ光ビームおよび前記第２のレーザ光ビームにそれぞれ異なるレベルの拡大を適用して、第１の拡大レーザ光ビームおよび第２の拡大レーザ光ビームを生成するように構成された光中継器を備え、
前記第１のレーザ光ビームおよび前記第２のレーザ光ビームは角度的に分離され、前記第１の拡大レーザ光ビームおよび前記第２の拡大レーザ光ビームは前記光中継器内に走査され、
前記レーザ投影システムは、
前記光中継器から前記拡大された第１のレーザ光ビームおよび前記拡大された第２のレーザ光ビームを受け取るように構成された第１の走査ミラーをさらに備える、レーザ投影システム。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第１の拡大レーザ光ビームおよび前記第２の拡大レーザ光ビームを前記光中継器内に走査するように構成された第２の走査ミラーをさらに備える、請求項１に記載のレーザ投影システム。
【請求項３】
前記光中継器は、
前記第１のレーザ光ビームに第１のレベルの拡大を適用するように構成された第１の反射面と、
前記第２のレーザ光ビームに第２のレベルの拡大を適用するように構成された第２の反射面と、
を備える、請求項１または請求項２に記載のレーザ投影システム。
【請求項４】
前記光中継器はモールド型反射性中継器であり、前記第１の反射面は前記モールド型反射性中継器の第１の反射面であり、前記第２の反射面は前記モールド型反射性中継器の第２の反射面である、請求項３に記載のレーザ投影システム。
【請求項５】
前記第１の拡大レーザ光ビームは前記第１の走査ミラーに対する第１の入射領域を有し、前記第２の拡大レーザ光ビームは前記第１の走査ミラーに対する第２の入射領域を有し、前記第１の入射領域は前記第２の入射領域と面積が実質的に類似している、請求項１～請求項４のいずれかに記載のレーザ投影システム。
【請求項６】
前記第１の走査ミラーは、第１の入射角で前記第１の拡大レーザ光ビームを受け取り、第２の入射角で前記第２の拡大レーザ光ビームを受け取るように構成され、前記第１の入射角は前記第２の入射角とは異なる、請求項５に記載のレーザ投影システム。
【請求項７】
前記第１の入射領域および前記第２の入射領域はそれぞれ、前記第１の走査ミラーの反射面によって結合される、請求項５に記載のレーザ投影システム。
【請求項８】
請求項１～請求項７のいずれかに記載のレーザ投影システムを備えるニアアイディスプレイであって、
前記レーザ投影システムの少なくとも一部分を含む眼鏡フレームと、
眼鏡レンズとをさらに備え、
前記レーザ投影システムは、前記眼鏡レンズの少なくとも一部分を通して前記第１のレーザ光ビームおよび前記第２のレーザ光ビームを出力するように構成される、ニアアイディスプレイ。
【請求項９】
ニアアイディスプレイであって、
レーザ投影システムを備え、前記レーザ投影システムは、
角度的に分離されたレーザ光ビームを受け取り、前記角度的に分離されたレーザ光ビームにそれぞれ異なるレベルの拡大を適用し、前記拡大された角度的に分離されたレーザ光ビームを中継するように構成された光中継器と、
前記光中継器から前記拡大された角度的に分離されたレーザ光ビームを受け取り、前記拡大された角度的に分離されたレーザ光ビームを走査するように構成された走査ミラーと、
を備える、ニアアイディスプレイ。
【請求項１０】
前記角度的に分離されたレーザ光ビームは第１のレーザ光ビームおよび第２のレーザ光ビームを含み、前記光中継器は、
前記第１のレーザ光ビームに第１のレベルの拡大を適用するように構成された第１の反射面と、
前記第２のレーザ光ビームに第２のレベルの拡大を適用するように構成された第２の反射面と、
を備える、請求項９に記載のニアアイディスプレイ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【背景技術】
【０００１】
背景
いくつかのディスプレイシステムは、画像またはビデオを別の物体上にまたは別の物体を介して表示するために、光のパターンをその別の物体上に（例えば、投影画面上等、別の物体の表面上）に投影するかまたは照らす光学デバイスであるプロジェクタを用いる。光源としてレーザを用いるプロジェクタ（すなわち、「レーザプロジェクタ」）において、レーザプロジェクタによって生成されるレーザ光の各ビームは、時間的に変調され、レーザ光のパターンを提供し、デジタルマイクロミラー等の制御可能なミラーが、別の物体の２次元エリアにわたってレーザ光の変調パターンを空間的に分散させるために一般的に用いられる。レーザ光の変調パターンの空間分布は、この別の物体の画像を生成する。
続きを表示（約 5,700 文字）【発明の概要】
【０００２】
本開示は、添付の図面を参照することによって、より良好に理解することができ、その多数の特徴および利点が当業者に明らかとなる。異なる図面における同じ参照符号の使用は、類似のまたは同一のアイテムを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
いくつかの実施形態による、一体化されたレーザ投影システムを有するディスプレイシステムを示す図である。
いくつかの実施形態による、２つの走査ミラー間に配設された光中継器を含む光学スキャナを有するレーザ投影システムを示す図である。
いくつかの実施形態による、入力カプラ、出力カプラおよび射出瞳拡張器を有する導波路を示す図である。
いくつかの実施形態による、２つの走査ミラー間に配設されたモールド型反射性中継器を含むレーザ投影システムを示す図である。
いくつかの実施形態による、２つの走査ミラー間に配設されたモールド型反射性中継器を含むレーザ投影システムを示し、モールド型反射性中継器を通る光路を示す図である。
いくつかの実施形態による、レーザ投影システムを含むウェアラブルヘッドアップディスプレイ（ＷＨＵＤ）の部分透過図を示す図である。
いくつかの実施形態による、ＷＨＵＤ内に配設されたレーザ投影システムの部分透過前面等角図を示す図である。
いくつかの実施形態による、ＷＨＵＤ内に配設されたレーザ投影システムの部分透過背面等角図を示す図である。
いくつかの実施形態による、一対の角度的に分離されたレーザが、光学スキャナを介してルーティングされ、入力カプラに入射する、レーザ投影システムの一部分の上面図を示す図である。
いくつかの実施形態による、レーザ光ビームが第２の走査ミラーの反射面において入射する、レーザ投影システムの一部分の上面図を示す図である。
いくつかの実施形態による、レーザ光ビームのビーム直径に依拠してレーザ光ビームの一部分が結果的に反射面を逃し得る角度で、レーザ光ビームが第２の走査ミラーの反射面に入射する、レーザ投影システムの一部分の上面図を示す図である。
いくつかの実施形態による、第１の大きさのビーム拡張が光中継器の第１の反射面によって第１のレーザ光ビームに適用される、レーザ投影システムの光学スキャナの上面図を示す図である。
いくつかの実施形態による、第２の大きさのビーム拡張が光中継器の第２の反射面によって第２のレーザ光ビームに適用される、レーザ投影システムの光学スキャナの上面図を示す図である。
いくつかの実施形態による、角度的に分離されたレーザ光ビームにそれぞれ異なるレベルの拡大をもたらす、図１２の例の第１の反射面および図１３の例の第２の反射面を含むレーザ投影システムの光学スキャナの上面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
詳細な説明
図１～図１４は、光中継器の異なる反射面によってそれぞれ異なる大きさのビーム拡張が適用される、複数の角度的に分離されたレーザ入力を有するニアアイディスプレイシステム（例えば、ウェアラブルヘッドアップディスプレイ（ＷＨＵＤ））または別のディスプレイシステムをコンパクトに配置するための実施形態を示す。本明細書に記載の技術を用いて、そのようなディスプレイシステムの２つ以上のレーザ入力（場合によっては、本明細書において「レーザ光ビーム」と呼ばれる）が互いに対し角度的に分離され、それによってこれらの２つ以上のレーザ光ビームは、互いに対し平行でも垂直でもなく、代わりに傾いた（すなわち、「角度的にオフセットされた」、「角度的に分離された」）光路に沿って伝播する。２つ以上のレーザ光ビームの角度分離に起因して、システムの光学スキャナの１つまたは複数の走査ミラーに対するそのようなレーザ光ビームのそれぞれの入射角は通常異なり、結果として、同じまたは類似のビーム直径を有するレーザ光ビームについて、そのような走査ミラーに対するレーザ光ビームのそれぞれ異なるサイズの入射領域が得られ、これはＷＨＵＤでの性能およびユーザ体験に影響を及ぼし得る。そのような角度的に分離された光ビームの入射領域のそれぞれの入射角および対応する面積の差を補うために、それぞれ異なるレベルのビーム拡張（すなわち、拡大）が、角度的に分離されたレーザ光ビームの各々に適用され、それによって、いくつかの実施形態では、光学スキャナの所与の走査ミラーにおける角度的に分離されたレーザ光ビームのそれぞれの入射領域の面積は、同じであるかまたは概ね同じである。
【０００５】
さらに説明するために、いくつかの例において、走査ミラーの反射面よりも大幅に大きいかまたは小さい入射領域を有するレーザ光ビームを走査ミラー上に提供する。例えば、角度的に分離されたレーザ光ビームの一部分が走査ミラーの反射面を逃す結果として、ニアアイディスプレイシステムによって投影される画像の明るさが損失する。そうでなければ走査ミラーの反射面よりも大きな面積の入射領域を有することになる、角度的に分離されたレーザ光ビームの任意のレーザ光ビームに適用されるレベル拡大を低減することによって、画像の明るさを比較的高いレベルに維持することができる。別の例として、走査ミラーの反射面よりも小さな面積の入射領域を有するレーザ光ビームを提供する結果として、走査ミラーの反射面の過少利用、およびニアアイディスプレイの光学的分解能の対応する低減が生じる。そうでなければ走査ミラーの反射面よりも小さな面積の入射領域を有することになる、角度的に分離されたレーザ光ビームの任意のレーザ光ビームに適用される拡大のレベルを増大させることによって、反射面のこの過少利用が軽減される。
【０００６】
本明細書に開示される技術のいくつかの実施形態において、ディスプレイシステムは、少なくとも２つの変調可能なレーザ光源を有する光学エンジンと、２つの走査ミラーと、光中継器と、導波路とを含むレーザ投影システムを含む。動作時に、少なくとも２つの変調可能なレーザ光源が、レーザ光（２つ以上の角度的に分離されたレーザ光ビームとして出力される）を提供し、２つの走査ミラーがレーザ光を順に受け取り、各々がそれぞれの方向にわたってレーザ光を走査する（例えば、第１の走査ミラーは、第１の次元に沿って光を走査し、第２の走査ミラーは第２の次元に沿って光を走査し、ここで、第２の次元は実質的に第１の次元と垂直であり得る）。導波路は入力カプラを含み、この入力カプラにおいて、走査されたレーザ光を第２の走査ミラーから受け取る。入力カプラは、導波路を通じて、いくつかの例では、介在する射出瞳拡張器（ＥＰＥ）を介して、受け取った光を導波路の出力カプラに向けてリダイレクトし、光が導波路から出て（例えば、ユーザの眼
の上に）投影されるようにする。
【０００７】
そのようなディスプレイシステムのいくつかの実施形態において、２つの角度的に分離されたレーザ光ビームは、（例えば、光学エンジンおよびビームコンバイナを介して）第１および第２の走査ミラーならびに光中継器を含む光学スキャナに出力される。ディスプレイシステムは、２つの角度的に分離されたレーザ光ビームのうちの第１のレーザ光ビームが第１の走査ミラーに入射し、第１の走査ミラーが、第１のレーザ光ビームを第１の走査次元に沿って光中継器の第１の反射面上に走査するように構成される。２つの角度的に分離されたレーザ光ビームの第２のレーザ光ビームは、第１の走査ミラーにも入射し、第１の走査ミラーが、第２のレーザ光ビームを第１の走査次元に沿って光中継器の第２の反射面上に走査する。第１の反射面は第１のレーザ光ビームを光中継器の第３の反射面に向けて方向付ける。第２の反射面は第２のレーザ光ビームを光中継器の第４の反射面に向けて方向付ける。第３の反射面は、第１のレーザ光ビームを第２の走査ミラーに向けて方向付け、第２の走査ミラーは、第１の走査次元に対し少なくとも実質的に垂直な第２の走査次元に沿って、導波路の入力カプラの第１の領域にわたって第１のレーザ光ビームを走査する。第４の反射面は、第２のレーザ光ビームを第２の走査ミラーに向けて方向付け、第２の走査ミラーは、第２の走査次元に沿って導波路の入力カプラの第２の領域にわたって第２のレーザ光ビームを走査する。いくつかの実施形態では、入力カプラの第１の領域は、入力カプラの第２の領域に部分的に重複する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、光中継器の第１および第２の反射面は、モールドされた光中継器の重複しない反射面である。いくつかの実施形態では、光中継器の第３および第４の反射面は、モールドされた光中継器の重複しない面である。いくつかの実施形態では、第１の反射面は、走査次元および第１のレーザ光ビームの伝播方向に垂直なまたは実質的に垂直な第１の「非走査」次元に沿って、第１の大きさを有する第１のレーザ光ビームのビーム直径を拡張する（場合によっては、本明細書において、ビーム拡張または拡大の実行と呼ばれる）。いくつかの実施形態では、第２の反射面は、走査次元および第２のレーザ光ビームの伝播方向に垂直なまたは実質的に垂直な第２の非走査次元に沿って、第２の大きさを有する第２のレーザ光ビームのビーム直径を拡張する。いくつかの実施形態では、第１の大きさは第２の大きさとは異なる。いくつかの実施形態では、第１の反射面は、第２の反射面の第２の光学的処方とは異なる光学的処方を有し、結果として、それぞれ第１および第２の非走査次元に沿って、第１の反射面によって第１のレーザ光ビームに、および第２の反射面によって第２のレーザ光ビームに、それぞれ異なる大きさのビーム拡張が適用される。
【０００９】
一般的に、（走査ミラーのもの等の）表面に対する所与のレーザ光ビームの入射角がその表面に対する法線から逸れると、レーザ光ビームが入射する表面領域の面積が増大する。レーザ光ビームが入射する表面領域は、場合によっては、本明細書において「入射領域」と呼ばれる。レーザ投影システムの例において、所与のレーザ光ビームおよび所与の走査ミラーの入射領域が走査ミラーの反射面よりも大きい場合、反射面に入射しないレーザ光ビームの部分は、走査ミラーによって反射されず（場合によっては「クリッピング」または「アパーチャクリッピング」と呼ばれるシナリオ）、結果として、レーザ投影システムを用いて表示される画像の明るさが損失する。特に、入力として２つ以上の角度的に分離されたレーザ光ビームを利用する本開示のレーザ投影システムの実施形態において、各レーザ光ビームは、通常、第２の走査ミラーに対しそれぞれ異なる入射角を有することになり、結果として、第２の走査ミラーにおける入射領域がそれぞれ異なるサイズとなる。レーザ投影システムに入力されるレーザ光ビームの各々が最初に同じまたは実質的に同じビーム直径を有し、第２の走査ミラーに対しそれぞれ異なる入射角を有すると仮定すると、第２の走査ミラーに対するレーザ光ビームの入射領域は、光中継器の反射面を介してレーザ光ビームの各々のそれぞれの非走査次元に沿って同じレベル（すなわち大きさ）のビ
ーム拡張が適用される場合、異なるサイズを有することになり、非理想性を結果としてもたらす。例えば、レーザ光ビームの入射領域のうちの少なくとも１つが第２の走査ミラーの反射面のサイズを超える場合、望ましくないことに、投影画像のクリッピングおよび明るさの損失が結果として生じることになる。この明るさの損失は、第２の走査ミラーの反射面のものを超える（例えば、大幅に超える）それぞれの面積を有する入射領域を有する任意のレーザ光ビームに、低減されたレベルの拡大を代わりに適用することによって、軽減することができる。別の例として、レーザ光ビームのうちの少なくとも１つが、第２の走査ミラーの反射面よりも小さい（例えば、大幅に小さい）第２の走査ミラーにおける入射領域を有する場合、投影画像の光学的分解能は望ましくないことに低減されることになる。この光学的分解能の低減は、第２の走査ミラーの反射面よりも小さい（例えば、大幅に小さい）それぞれの面積を有する入射領域を有する任意のレーザ光ビームに、より大きなレベルの拡大を代わりに適用することによって、軽減することができる。
【００１０】
上記で確認したように、それぞれ異なるレベルのビーム拡張を、それぞれの非走査次元に沿ってそのようなレーザ投影システムの角度的に分離されたレーザ光ビームに適用することによって（異なるレベルのビーム拡張は、例えば、それぞれ異なる光学的処方を有するそれぞれ異なる反射面を介して適用される）、第２の走査ミラーにおける角度的に分離されたレーザ光ビームの各々のそれぞれの入射領域のサイズを独立して選択することができる。例えば、それぞれの非走査次元に沿って第１および第２の角度的に分離されたレーザ光ビームにそれぞれ異なるレベルのビーム拡張を適用することによって（ここで、第１および第２の角度的に分離されたレーザ光ビームは、同じ初期ビーム直径と、第２の走査ミラーに対するそれぞれ異なる入射角を有する）、第１のレーザ光ビームの第１の入射領域は、第２のレーザ光ビームの第２の入射領域に等しいか概ね等しくなるように設定され、いくつかの実施形態では、第２の走査ミラーの反射面のサイズに等しいかまたは概ね等しくなるように設定される。
（【００１１】以降は省略されています）

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