JP-2026077723-A - 仮想および拡張現実システムおよび構成要素のための改良された製造

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Abstract

【課題】仮想および拡張現実システムおよび構成要素のための改良された製造の提供。【解決手段】３Ｄディスプレイシステムのための改良された回折構造が開示される。改良された回折構造は、導波管基板と上部格子表面との間にある中間層を含む。上部格子表面は、第１の屈折率値に対応する第１の材料を備え、下層は、第２の屈折率値に対応する第２の材料を備え、基板は、第３の屈折率値に対応する第３の材料を備えている。追加の実施形態によると、改良されたアプローチが、転写材料の堆積を基板上に実装するために提供され、それは、任意の数の基板表面上への異なる転写パターンの非常に精密な分布および堆積を可能にする。【選択図】図１９

Inventors

ロバートディー．テコルステ
マイケルエー．クルグ
ポールエム．グレコ
ブライアンティー．ショーウェンゲルト

Assignees

マジックリープ，インコーポレイテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260210
Priority Date: 20160126

Claims (20)

３次元の仮想現実および／または拡張現実ディスプレイシステムにおいて用いられる回折光学要素であって、前記回折光学要素は、基板であって、前記基板は、第１の面と第２の面とを有する、基板と、前記基板の前記第１の面上に堆積されている第１の材料であって、前記第１の材料の上には、第１の転写パターンが形成されている、第１の材料と、前記基板の前記第２の面上に堆積されている第２の材料であって、前記第２の材料の上には、第２の転写パターンが形成されている、第２の材料とを備える、回折光学要素。
前記第１のパターンは、内部結合格子と第１の回折光学要素とを含む、請求項１に記載の回折光学要素。
前記第２のパターンは、前記基板を横断するように前記内部結合格子と整列されている未修正の部分を含む、請求項２に記載の回折光学要素。
前記第２のパターンは、前記第１の回折光学要素と整列されている第２の回折光学要素を含む、請求項２に記載の回折光学要素。
前記第１の材料は、実質的に均一な深さで堆積されている、請求項１に記載の回折光学要素。
前記第１のテンプレート上の前記第１の転写パターンは、第１の高さを有する第１の部分と、第２の高さを有する第２の部分とを有し、前記第１の材料の中に形成されている前記第１のパターンは、第１の深さを有する内部結合格子と、第２の深さを有する第１の回折光学要素とを有する、請求項１に記載の回折光学要素。
前記基板の前記第１の面は、前記基板の前記第２の面の反対に堆積されている、請求項１に記載の回折光学要素。
前記基板の前記第１の面および前記基板の前記第２の面のそれぞれの上にある前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、複数の異なる接眼レンズ機能が格子構造機能に悪影響を及ぼすことなく実装されるように前記基板を通した機能の多重化を実装するように構成されている、請求項１に記載の回折光学要素。
前記基板を通した機能の多重化は、内部結合格子を通して前記基板に光を印加することと、前記光の第１の部分が前記基板の前記第１の面から出射することにより、第１の機能を実装することと、前記光の第２の部分が前記基板の前記第２の面から出射することにより、第２の機能を実装することとを含む、請求項８に記載の回折光学要素。
前記第１の材料および前記第２の材料は、同一のタイプの材料を含む、請求項１に記載の回折光学要素。
前記第１の材料および前記第２の材料は、異なるタイプの材料を含む、請求項１に記載の回折光学要素。
前記第１のテンプレートの前記第１の転写パターンは、前記第２のテンプレートの前記第２の転写パターンと同一である、請求項１に記載の回折光学要素。
前記第１のテンプレートの前記第１の転写パターンは、前記第２のテンプレートの前記第２の転写パターンとは異なる、請求項１に記載の回折光学要素。
請求項１に記載の回折光学要素を備える接眼レンズ。
前記第１のパターンは、内部結合格子と第１の接眼レンズとを含む、請求項１４に記載の接眼レンズ。
前記第２のパターンは、前記基板を横断するように前記内部結合格子と整列されている未修正の部分を含む、請求項１５に記載の接眼レンズ。
前記第２のパターンは、前記第１の接眼レンズと整列されている第２の接眼レンズを含む、請求項１５に記載の接眼レンズ。
前記第１の材料は、実質的に均一な深さで堆積されている、請求項１４に記載の接眼レンズ。
前記第１のテンプレート上の前記第１の転写パターンは、第１の高さを有する第１の部分と、第２の高さを有する第２の部分とを有し、前記第１の材料の中に形成されている前記第１のパターンは、第１の深さを有する内部結合格子と、第２の深さを有する第１の接眼レンズとを有する、請求項１４に記載の接眼レンズ。
前記基板の前記第１の面は、前記基板の前記第２の面の反対に堆積されている、請求項１４に記載の接眼レンズ。

Description

本開示は、仮想現実および拡張現実結像ならびに視覚化システムに関する。現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える様式、またはそのように知覚され得る様式においてユーザに提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対して透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の視覚化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。例えば、図１を参照すると、拡張現実場面（４）が、描写されており、ＡＲ技術のユーザは、人々、木々、背景としての建物、およびコンクリートのプラットフォーム（１１２０）を特徴とする実世界の公園のような設定（６）が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、実世界プラットフォーム（１１２０）上に立っているロボット像（１１１０）と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ（２）が「見えている」ことを知覚するが、これらの要素（２、１１１０）は、実世界には存在しない。結論から言うと、ヒトの視知覚系は、非常に複雑であり、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で自然のような感覚で豊かな提示を促進するＶＲまたはＡＲ技術を生成することは、困難である。３Ｄ仮想コンテンツをＡＲシステムのユーザに提示する場合、多数の課題が存在する。３Ｄコンテンツをユーザに提示することの大前提は、複数の深度の知覚の生成を伴う。言い換えると、いくつかの仮想コンテンツは、ユーザにより近いように見える一方、他の仮想コンテンツは、より遠くに生じるように見えることが望ましくあり得る。したがって、３Ｄ知覚を達成するために、ＡＲシステムは、ユーザに対して異なる焦点面において仮想コンテンツを送達するように構成されるべきである。３Ｄディスプレイが、深度の真の感覚、より具体的には、表面深度のシミュレーションされた感覚をもたらすために、ディスプレイの視野内の各点に対して、その仮想深度に対応する遠近調節応答を生成することが望ましい。ディスプレイ点に対する遠近調節応答が、収束および立体視の両眼の深度手掛かりによって決定される、その点の仮想深度に対応しない場合、ヒトの視覚系は、遠近調節衝突を体験し、不安定な結像、有害な眼精疲労、頭痛、および遠近調節情報の不在下では、表面深度のほぼ完全な欠如をもたらし得る。図１は、一図示される実施形態における、装着式ＡＲユーザデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。図２は、従来の立体視的３Ｄシミュレーションディスプレイシステムを図示する。図３は、本発明のいくつかの実施形態による、立体視的３Ｄシミュレーションディスプレイシステムを実装するための改良されたアプローチを図示する。図４Ａ－４Ｄは、ヒトＶＲおよび／またはＡＲのための高品質で快適に知覚されるディスプレイシステムを提供する目的に対処するための種々のシステム、サブシステム、および構成要素を図示する。図４Ａ－４Ｄは、ヒトＶＲおよび／またはＡＲのための高品質で快適に知覚されるディスプレイシステムを提供する目的に対処するための種々のシステム、サブシステム、および構成要素を図示する。図４Ａ－４Ｄは、ヒトＶＲおよび／またはＡＲのための高品質で快適に知覚されるディスプレイシステムを提供する目的に対処するための種々のシステム、サブシステム、および構成要素を図示する。図４Ａ－４Ｄは、ヒトＶＲおよび／またはＡＲのための高品質で快適に知覚されるディスプレイシステムを提供する目的に対処するための種々のシステム、サブシステム、および構成要素を図示する。図５は、改良された回折構造を利用するシステムの例示的構成の平面図を図示する。図６は、スタックされた導波管アセンブリを図示する。図７は、ＤＯＥを図示する。図８および９は、例示的回折パターンを図示する。図８および９は、例示的回折パターンを図示する。図１０および１１は、その中にビームが投入される、２つの導波管を図示する。図１０および１１は、その中にビームが投入される、２つの導波管を図示する。図１２は、導波管のスタックを図示する。図１３Ａは、導波管基板および上部格子表面を有するが、下層を伴わない回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１３Ｂは、例示的シミュレーション結果のチャートを示す。図１３Ｃは、図１３Ａの注釈付きバージョンを示す。図１４Ａは、導波管基板、下層、および上部格子表面を有する回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１４Ｂは、導波管基板、下層、格子表面、および上部表面を有する回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１４Ｃは、導波管基板、下層、格子表面、および上部表面を有する回折構造のスタックを実装するための例示的アプローチを図示する。図１５Ａは、高屈折率導波管基板、低屈折率下層、および低屈折率上部格子表面を有する回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１５Ｂは、例示的シミュレーション結果のチャートを示す。図１６Ａは、低屈折率導波管基板、高屈折率下層、および低屈折率上部格子表面を有する回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１６Ｂは、例示的シミュレーション結果のチャートを示す。図１７Ａは、低屈折率導波管基板、媒体屈折率下層、および高屈折率上部格子表面を有する回折構造を実装するための例示的アプローチを図示する。図１７Ｂは、例示的シミュレーション結果のチャートを示す。図１８Ａ－Ｄは、下層特性の修正を図示する。図１８Ａ－Ｄは、下層特性の修正を図示する。図１８Ａ－Ｄは、下層特性の修正を図示する。図１８Ａ－Ｄは、下層特性の修正を図示する。図１９は、単一基板上への転写材料の精密な可変体積堆積を実装するためのアプローチを図示する。図２０は、いくつかの実施形態による、同一層内への複数の異なる転写材料の指向性同時堆積を実装するためのアプローチおよび転写ステップを図示する。図２１Ａ－Ｂは、全内部反射回折光学要素の状況における、２側面転写を実装するための例示的アプローチを図示する。図２２は、図２１Ａ－Ｂに示されるアプローチを使用して形成される構造を図示する。図２３は、多層重転写を実装するためのアプローチを図示する。図２４は、多層分離／オフセット基板統合を実装するためのアプローチを図示する。図２５は、表面不均一性に対処するために、基板にわたり分布される材料の可変体積堆積を実装するためのアプローチを図示する。本発明のいくつかの実施形態によると、回折構造が、採用され、回折構造は、導波管基板と上部格子表面との間にある下層／中間層を含む。上部格子表面は、第１の屈折率値に対応する第１の材料を備え、下層は、第２の屈折率値に対応する第２の材料を備え、基板は、第３の屈折率値に対応する第３の材料を備えている。このアプローチの１つの利点は、３つの層のための相対的屈折率の適切な選択によって、最小全内部反射角度が屈折率が増加させられるにつれて低減させられるという事実から、構造がより広範囲の入射光のためのより広い視野を得ることを可能にすることである。回折効率は、増加させられ、画像視認デバイスのディスプレイへの「より明るい」光の出力を可能にすることができる。種々の組み合わせが、利用可能であり、ある屈折率の下層は、第３の屈折率の基板とともに、別の屈折率の上部格子と組み合わせられ、これらの相対的値を調節することは、入射角への回折効率の依存性に多くの変動を提供する。異なる屈折率の層を伴う層状導波管が、提示される。種々の組み合わせおよび順列が、機能性を例証するために、関連性能データとともに提示される。利点は、角度の増加を含み、それは、格子を用いて出力角度の増加を提供し、したがって、接眼レンズを用いて視野の増加を提供する。さらに、角度に伴う回折効率における通常の低減に対抗する能力は、機能的に有益である。（いくつかの実施形態によるディスプレイシステム）本開示の本部分は、本発明の改良された回折構造と併用され得る、例示的ディスプレイシステムを説明する。図２は、典型的には、それぞれ、眼からの固定半径方向焦点距離１０における、各眼４および６に対する別個のディスプレイ７４および７６を有する従来の立体視的３Ｄシミュレーションディスプレイシステムを図示する。この従来のアプローチは、遠近調節手掛かりを含む、３次元における深度を検出および解釈するためにヒトの眼および脳によって利用される有用な手掛かりの多くを考慮することができない。実際、典型的ヒトの眼は、半径方向距離に基づいて、多数の深度の層を解釈可能であり、例えば、約１２の深度の層を解釈可能である。約０．２５メートルの近視野限界は、ほぼ最も近い焦点深度であり、約３メートルの遠視野限界は、ヒトの眼から約３メートルを上回って離れたいかなるアイテムも無限焦点を受けることを意味する。焦点の層は、眼に近づくほど、ますます薄くなる。言い換えると、眼は、眼に比較的近いほど非常に小さい焦点距離の差異を知覚可能であり、この効果は、オブジェクトが眼からより離れるにつれて、消散する。無限オブジェクト場所では、焦点深度／光屈折間隔値は、約１／３ジオプトリである。図３は、本発明のいくつかの実施形態による、立体視的３Ｄシミュレーションディスプレイシステムを実装するための改良されたアプローチを図示し、２つの複合画像が、各眼４および６に対して１つずつ表示され、各画像の種々の側面（１４）のための種々の半径方向焦点深度（１２）が、各眼に知覚される画像内の３次元深度階層化の知覚を提供するために利用され得る。複数の焦点面（例えば、１２の焦点面）がユーザの眼と無限遠との間に存在するので、これらの焦点面および描写される関係内のデータは、仮想要素をユーザの視認のための拡張現実シナリオ内に位置付けるために利用され得る。なぜなら、ヒトの眼は、常に動き回り、焦点面を利用して深度を知覚するからである。この図は、種々の深度における特定の数の焦点面を示すが、本発明の実装は、所望の特定の用途のための必要に応じて、任意の数の焦点面を使用し得、本発明は、したがって、本開示における図のいずれかに示される特定の数の焦点面のみを有するデバイスに限定されないことに留意されたい。図４Ａ－４Ｄを参照すると、本発明のいくつかの実施形態による、いくつかの一般的構成要素選択肢が、図示される。図４Ａ－４Ｄの議論に続く詳細な説明の一部では、種々のシステム、サブシステム、および構成要素が、ヒトＶＲおよび／またはＡＲのための高品質で快適に知覚されるディスプレイシステムを提供する目的に対処するために提示される。図４Ａに示されるように、ＡＲシステムユーザ（６０）が、ユーザの眼の正面に位置付けられるディスプレイシステム（６２）に結合される、フレーム（６４）構造を装着した状態で描写される。スピーカ（６６）が、描写される構成では、フレーム（６４）に結合され、ユーザの外耳道に隣接して位置付けられる（一実施形態では、図示されない別のスピーカが、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供する）。ディスプレイ（６２）は、有線導線または無線接続等によって、ローカル処理およびデータモジュール（７０）に動作可能に結合され（６８）、データモジュール（７０）は、フレーム（６４）に固定して取り付けられること、図４Ｂの実施形態に示されるように、ヘルメットまたは帽子（８０）に固定して取り付けられること、ヘッドホン内に埋め込まれること、図４Ｃの実施形態に示されるように、リュック式構成でユーザ（６０）の胴体（８２