特許 6960994 拡張現実システムのための外部結合回折格子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6960994

(24)【登録日】2021年10月14日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】拡張現実システムのための外部結合回折格子

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20211025BHJP

   G02B 6/00 20060101ALI20211025BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20211025BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/02 Z

   G02B6/00 301

   G02B6/34

   G02B5/18

【請求項の数】17

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2019-521657(P2019-521657)

(86)(22)【出願日】2017年10月25日

(65)【公表番号】特表2019-536082(P2019-536082A)

(43)【公表日】2019年12月12日

(86)【国際出願番号】US2017058351

(87)【国際公開番号】WO2018081305

(87)【国際公開日】20180503

【審査請求日】2020年8月5日

(31)【優先権主張番号】62/413,288

(32)【優先日】2016年10月26日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】514108838

【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】テコルステ， ロバート ディー．

(72)【発明者】

【氏名】リウ， ビクター ケー．

【審査官】 山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／１６２６０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２８００１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５７４２３７３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５７６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０４９３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００９７１２２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２３１５６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２１９７００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５７８１２５７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５８７７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｇ０２Ｂ ５／１８，６／００，６／３４

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
表面を有する導波管であって、前記導波管内で光を伝搬させるように構成されている導波管と、
前記導波管に光学的に結合されている回折光学要素であって、
前記回折光学要素は、
前記導波管の前記表面から突出している複数の第１の隆起であって、前記複数の第１の隆起は、周期を有する周期的アレイとして配列されており、前記複数の第１の隆起の各個別の第１の隆起は、前記導波管の前記表面に対して垂直方向における第１の高さと、前記周期の方向における個別の第１の幅とを有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、前記複数の第２の隆起の各個別の第２の隆起は、個別の第１の隆起から突出しており、前記複数の第２の隆起の各個別の第２の隆起は、前記第１の高さより大きい第２の高さと、前記個別の第１の幅未満の個別の第２の幅とを有し、前記第２の高さと前記第１の高さとの比率は、８：７〜８：３に及ぶ、複数の第２の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されており、前記個別の第１の幅および前記個別の第２の幅は、前記回折光学要素が一次透過効率より大きい一次反射効率を有するように選択されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。

【請求項2】

前記個別の第１の幅は、前記周期の０．４倍〜前記周期の０．６倍に及ぶ、請求項１に記載の接眼レンズ。

【請求項3】

前記個別の第２の幅は、前記周期の０．２５倍未満である、請求項１に記載の接眼レンズ。

【請求項4】

前記導波管内で伝搬する前記光は、−４０度〜−６０度に及ぶ入射角で前記回折光学要素上に入射する、請求項１に記載の接眼レンズ。

【請求項5】

前記一次反射効率と前記一次透過効率との比率は、２より大きい、請求項４に記載の接眼レンズ。

【請求項6】

前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第３の部分を入射方向と実質的に反対方向に二次反射として回折するように構成されており、前記個別の第１の幅および前記個別の第２の幅は、前記回折光学要素が１パーセント未満の二次反射効率を有するように選択されている、請求項１に記載の接眼レンズ。

【請求項7】

画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
表面を有する導波管であって、前記導波管内で光を伝搬させるように構成されている導波管と、
前記導波管に光学的に結合されている回折光学要素であって、
前記回折光学要素は、
前記導波管の前記表面から突出している複数の第１の隆起であって、前記複数の第１の隆起は、周期を有する周期的アレイとして配列されており、各個別の第１の隆起は、第１の高さと、前記周期の方向における個別の第１の幅とを有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出しており、各個別の第２の隆起は、前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有し、各第２の隆起は、前記第１の高さより大きい第２の高さを有し、前記第１の高さは、４５ｎｍ〜６５ｎｍに及び、前記第２の高さは、７０ｎｍ〜８０ｎｍに及ぶ、複数の第２の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されており、
前記個別の第１の隆起の各個別の第１の幅および前記個別の第２の隆起の各個別の第２の幅は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の前記方向における前記導波管の前記表面を横断した位置の関数として変動するように、前記周期の前記方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動される、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。

【請求項8】

前記導波管内で伝搬する前記光は、−４０度〜−６０度に及ぶ入射角で前記回折光学要素上に入射する、請求項７に記載の接眼レンズ。

【請求項9】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと増加する、請求項７に記載の接眼レンズ。

【請求項10】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと略線形に増加する、請求項９に記載の接眼レンズ。

【請求項11】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、請求項７に記載の接眼レンズ。

【請求項12】

画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
表面を有する導波管であって、前記導波管内で光を伝搬させるように構成されている導波管と、
前記導波管に光学的に結合されている回折光学要素であって、
前記回折光学要素は、
前記導波管の前記表面から突出している複数の第１の隆起であって、前記複数の第１の隆起は、周期を有する周期的アレイとして配列されており、各個別の第１の隆起は、前記周期の方向における個別の第１の幅を有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出しており、各個別の第２の隆起は、前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有する、複数の第２の隆起と
を含み、
前記個別の第２の隆起の個別の第２の幅と前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅との比率は、前記周期の前記方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動し、前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。

【請求項13】

前記個別の第２の隆起の個別の第２の幅と前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅との比率は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の前記方向における前記導波管の前記表面を横断した位置の関数として変動するように、前記周期の前記方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動する、請求項１２に記載の接眼レンズ。

【請求項14】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと増加する、請求項１３に記載の接眼レンズ。

【請求項15】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと略線形に増加する、請求項１４に記載の接眼レンズ。

【請求項16】

前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、請求項１３に記載の接眼レンズ。

【請求項17】

各第１の隆起は、第１の高さを有し、各第２の隆起は、前記第１の高さより大きい第２の高さを有する、請求項１２に記載の接眼レンズ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１６年１０月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／４１３，２８８号の利益を主張する。上記文献の内容は、その全体として参照することによって援用される。

【0002】

（発明の背景）
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、もしくはそのように知覚され得る様式で視認者に提示される、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する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実（または「ＡＲ」）シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。

【0003】

これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

（発明の要約）
本発明のいくつかの実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成される、導波管と、導波管に光学的に結合される、回折光学要素とを含んでもよい。回折光学要素は、導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列される、複数の第１の隆起を含んでもよい。複数の第１の隆起のそれぞれは、導波管の表面に対して垂直方向における第１の高さと、周期の方向における第１の幅とを有する。回折光学要素はさらに、複数の第２の隆起を含んでもよい。複数の第２の隆起のそれぞれは、個別の第１の隆起から突出し、第１の高さを上回る第２の高さと、第１の幅未満の第２の幅とを有する。回折光学要素は、導波管内で伝搬する光の第１の部分を眼に向かって一次反射として回折し、導波管内で伝搬する光の第２の部分を眼から離れるように一次透過として回折するように構成されてもよい。

【0005】

本発明のいくつかの他の実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成される、導波管と、導波管に光学的に結合される、回折光学要素とを含んでもよい。回折光学要素は、導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列される、複数の第１の隆起を含んでもよい。各個別の第１の隆起は、周期の方向における個別の第１の隆起の位置の関数として変動する、周期の方向における個別の第１の幅を有する。回折光学要素はさらに、複数の第２の隆起を含んでもよい。各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出し、対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有する。各個別の第２の幅は、周期の方向における対応する第１の隆起の位置の関数として変動してもよい。回折光学要素は、導波管内で伝搬する光の第１の部分を眼に向かって一次反射として回折し、導波管内で伝搬する第２の部分を眼から離れるように一次透過として回折するように構成されてもよい。

【0006】

本発明のいくつかのさらなる実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成される、導波管と、導波管に光学的に結合される、回折光学要素とを含んでもよい。回折光学要素は、導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列される、複数の第１の隆起を含んでもよい。各個別の第１の隆起は、周期の方向における個別の第１の幅を有する。回折光学要素はさらに、複数の第２の隆起を含んでもよい。各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出し、対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有する。個別の第２の隆起の個別の第２の幅と対応する第１の隆起の対応する第１の幅の比率は、周期の方向における対応する第１の隆起の位置の関数として変動してもよい。回折光学要素は、導波管内で伝搬する光の第１の部分を眼に向かって一次反射として回折し、導波管内で伝搬する第２の部分を眼から離れるように一次透過として回折するように構成されてもよい。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第１の隆起であって、前記複数の第１の隆起のそれぞれは、前記導波管の表面に対して垂直方向における第１の高さと、前記周期の方向における第１の幅とを有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、前記複数の第２の隆起のそれぞれは、個別の第１の隆起から突出し、前記第１の高さを上回る第２の高さと、前記第１の幅未満の第２の幅とを有する、複数の第２の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。
（項目２）
前記第１の幅は、前記周期の約０．４倍〜前記周期の約０．６倍に及ぶ、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目３）
前記第２の幅は、前記周期の約０．２５倍未満である、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目４）
前記第２の高さと前記第１の高さの比率は、約８：７〜約８：３に及ぶ、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目５）
前記第１の幅および前記第２の幅は、前記回折光学要素が一次透過効率を上回る一次反射効率を有するように選択される、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目６）
前記一次反射効率と前記一次透過効率の比率は、約２を上回る、項目５に記載の接眼レンズ。
（項目７）
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第３の部分を入射方向と実質的に反対方向に二次反射として回折するように構成され、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記回折光学要素が約１パーセント未満の二次反射効率を有するように選択される、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目８）
画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第１の隆起であって、各個別の第１の隆起は、前記周期の方向における前記個別の第１の隆起の位置の関数として変動する、前記周期の方向における個別の第１の幅を有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出し、前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有し、各個別の第２の幅は、前記周期の方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動する、複数の第２の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。
（項目９）
各第１の隆起は、第１の高さを有し、各第２の隆起は、前記第１の高さを上回る第２の高さを有する、項目８に記載の接眼レンズ。
（項目１０）
前記第１の高さは、約４５ｎｍ〜約６５ｎｍに及び、前記第２の高さは、約７０ｎｍ〜約８０ｎｍに及ぶ、項目９に記載の接眼レンズ。
（項目１１）
前記個別の第１の隆起の各個別の第１の幅および前記個別の第２の隆起の各個別の第２の幅は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の方向における前記導波管の表面を横断した位置の関数として変動するように変動される、項目８に記載の接眼レンズ。
（項目１２）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと増加する、項目１１に記載の接眼レンズ。
（項目１３）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと略線形に増加する、項目１２に記載の接眼レンズ。
（項目１４）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、項目１１に記載の接眼レンズ。
（項目１５）
画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第１の隆起であって、各個別の第１の隆起は、前記周期の方向における個別の第１の幅を有する、複数の第１の隆起と、
複数の第２の隆起であって、各個別の第２の隆起は、対応する第１の隆起から突出し、前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅未満の個別の第２の幅を有する、複数の第２の隆起と
を含み、
前記個別の第２の隆起の個別の第２の幅と前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅の比率は、前記周期の方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動し、前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第１の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第２の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。
（項目１６）
前記個別の第２の隆起の個別の第２の幅と前記対応する第１の隆起の対応する第１の幅の比率は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の方向における前記導波管の表面を横断した位置の関数として変動するように、前記周期の方向における前記対応する第１の隆起の位置の関数として変動する、項目１５に記載の接眼レンズ。
（項目１７）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと増加する、項目１６に記載の接眼レンズ。
（項目１８）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第１の縁から前記回折光学要素の第２の縁へと略線形に増加する、項目１７に記載の接眼レンズ。
（項目１９）
前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、項目１６に記載の接眼レンズ。
（項目２０）
各第１の隆起は、第１の高さを有し、各第２の隆起は、前記第１の高さを上回る第２の高さを有する、項目１５に記載の接眼レンズ。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。

【図2】図２は、本発明のある実施形態による、接眼レンズの導波管の中に内部結合される光の単一ビームレットの経路の実施例を図示する。

【図3】図３は、本発明のある実施形態による、導波管のための蝶ネクタイトポロジの実施例を図示する。

【図4A】図４Ａは、本発明のある実施形態による、片側構成において組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域を有する、導波管の実施例を図示する。

【図4B】図４Ｂは、本発明のある実施形態による、導波管内の光経路の実施例を図示する。

【図5】図５は、本発明のある実施形態による、導波管からの画像光を視認者の眼に向かって外部結合するための接眼レンズにおいて使用され得る、２段階位相回折格子の断面図を図式的に図示する。

【図6】図６は、本発明のいくつかの実施形態による、入射角シータの関数として、一次反射（１Ｒ）および一次透過（１Ｔ）ならびに二次反射（２Ｒ）における例示的２段階回折格子の回折効率曲線を示す。

【図7】図７Ａ−７Ｆは、いくつかの実施形態による、種々の次数の２段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。

【図8】図８は、本発明のある実施形態による、例示的３段階回折格子の画像を示す。

【図9】図９は、本発明のある実施形態による、３段階回折格子の概略断面図を示す。

【図10】図１０は、本発明のある実施形態による、入射角シータの関数として、一次反射（１Ｒ）および一次透過（１Ｔ）ならびに二次反射（２Ｒ）における例示的３段階回折格子のシミュレートされた回折効率曲線を示す。

【図11】図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の実施形態による、ｓ−偏光（９０度偏光、図１１Ａ）およびｐ−偏光（０度偏光、図１１Ｂ）に関する、回折格子深度の関数として、いくつかの例示的３段階回折格子のシミュレートされた回折効率曲線を示す。

【図12】図１２Ａ−１２Ｆは、いくつかの実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。

【図13】図１３Ａ−１３Ｆは、いくつかの他の実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。

【図14】図１４Ａ−１４Ｆは、いくつかの付加的実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。

【図15】図１５は、本発明のいくつかの実施形態による、例示的３段階回折格子に関する、入射角の関数として、一次反射（１Ｒ）、一次透過（１Ｔ）、および二次反射（２Ｒ）に関するシミュレートされた回折効率を示す。

【図16】図１６は、本発明のある実施形態による、３段階回折格子の１つの周期の概略断面図を図示する。

【図17】図１７は、本発明の実施形態による、回折格子パラメータｈ_１、ｈ_２、ｗ_１、およびｗ_２の最適化パラメータαへの依存性を示す。

【図18】図１８は、本発明の実施形態による、ユーザに対する屈折力（Ｐ_ｕｓｅｒ）、世界に対する屈折力（Ｐ_{ｗｏｒｌｄ}）、および二次屈折力（Ｐ_２）の最適化パラメータαへの依存性を示す。

【図19】図１９は、本発明のある実施形態による、導波管上に形成される回折格子の概略断面図を示す。

【図20】図２０Ａおよび２０Ｂは、本発明のある実施形態による、回折格子効率の線形モデルにおけるパラメータａおよびｂの関数として、平均外部結合屈折力のシミュレートされた輪郭プロット（図２０Ａ）と、平均外部結合屈折力からのＲＭＳ偏差のシミュレートされた輪郭プロット（図２０Ｂ）とを示す。

【図21】図２１は、本発明のある実施形態による、パラメータａ＝０．５およびｂ＝１を伴う線形モデルに関する、回折格子の上部からの正規化された距離ｘの関数として、（ユーザおよび世界に向かった）正規化された外部結合屈折力ｇ（ｘ）＝ｆ（ｘ）ｙ（ｘ）のシミュレートされたプロットを示す。

【図22】図２２Ａおよび２２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、回折格子の上部（図２２Ａ）および回折格子の底部（図２２Ｂ）における３段階回折格子の１つの周期の概略断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（具体的な実施形態の詳細な説明）
本開示は、概して、仮想現実および拡張現実可視化システムのために使用され得る、回折光学要素に関する。回折光学要素は、位相回折格子または回折格子とも称され得、ＶＲまたはＡＲシステム内の導波管からの画像光を視認者の眼に向かって外部結合するための接眼レンズにおいて使用されてもよい。明確性の目的のために、回折光学要素は、用語「回折格子」を使用して本明細書に説明されるが、本発明は、回折格子構造に限定されず、他の形態の回折光学要素も含むことができる。

【0009】

図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、プロジェクタ１０１と、視認者の眼の周囲に装着され得る、接眼レンズ１００とを含む。接眼レンズ１００は、１つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。一実施形態では、接眼レンズ１００は、３つの原色である、赤色、緑色、および青色毎に、１つの接眼レンズ層の３つの接眼レンズ層を含む。別の実施形態では、接眼レンズ１００は、６つの接眼レンズ層、すなわち、仮想画像を１つの深度平面に形成するために構成される、３つの原色毎の１セットの接眼レンズ層と、仮想画像を別の深度平面に形成するために構成される、３つの原色毎の接眼レンズ層の別のセットとを含んでもよい。他の実施形態では、接眼レンズ１００は、３つ以上の異なる深度平面のための３つの原色毎の３つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。各接眼レンズ層は、平面導波管を備え、内部結合回折格子１０７と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１０８と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１０９とを含んでもよい。

【0010】

依然として図１を参照すると、プロジェクタ１０１は、画像光を接眼レンズ層１００内の内部結合回折格子１０７上に投影する。内部結合回折格子１０７は、プロジェクタ１０１からの画像光をＯＰＥ領域１０８に向かう方向に伝搬する平面導波管の中に結合する。導波管は、画像光を水平方向に全内部反射（ＴＩＲ）によって伝搬する。接眼レンズ層１００のＯＰＥ領域１０８はまた、導波管内で伝搬する画像光の一部を結合し、ＥＰＥ領域１０９に向かって再指向する、回折要素を含む。ＥＰＥ領域１０９は、導波管内で伝搬する画像光の一部を結合し、視認者の眼１０２に向かって接眼レンズ層１００の平面と略垂直方向に指向する、回折要素を含む。本方式では、プロジェクタ１０１によって投影される画像が、視認者の眼１０２によって視認され得る。

【0011】

接眼レンズ層１００のＥＰＥ領域１０９内の回折要素は、典型的には、回折格子、例えば、接眼レンズ内の平面導波管の表面上に形成される、周期的構造を備える。光のビームが、周期的構造を通して通過すると、複数の次数に回折されるであろう。繰り返される構造の周期は、次数間の角度分離を判定する。小周期は、大角度分離を作成する一方、大周期は、緊密に離間された出力ビームをもたらす。回折される次数のそれぞれに指向される、相対的屈折力は、単一回折格子周期の表面プロファイルの形状および性質によって決定付けられる。

【0012】

図２は、本発明のある実施形態による、接眼レンズ２００の導波管２１２の中に内部結合される光の単一ビームレットの経路の実施例を図示する。導波管２１２は、ＩＣＧ２２０と、ＯＰＥ２３０と、ＥＰＥ２４０とを含むことができ、それぞれ、全内部反射によって光学波を誘導可能な材料（典型的には、高誘電率を有する誘電材料）から成る、基板２０２上または内に配置される。いくつかの実施形態では、接眼レンズ２００は、３つの導波管２１２、２１４、および２１６を含むことができ、各導波管は、特定の波長の光に対応する。付加的またはより少ない導波管も、可能性として考えられる。導波管２１４および２１６はそれぞれ、導波管２１２と同様に、ＩＣＧと、ＯＰＥと、ＥＰＥとを含むことができる。いくつかの実施形態では、投入された光２２２は、図２の描写に直交するｚ方向にＩＣＧ２２０において接眼レンズ２００に進入することができる。投入された光２２２は、ＩＣＧ２２０に進入することができ、ＩＣＧ２２０内の回折格子は、内部結合された光２２２内のある波長の光を回折させ得、内部結合された光２２２の他の波長は、接眼レンズ２１０の後続導波管層を通して継続する。いくつかの実施形態では、ＩＣＧ２２０は、特定の波長に特有の複数の別個の回折格子である。

【0013】

内部結合された光２２２は、ＩＣＧ２２０によって、略＋ｘ方向にＯＰＥ２３０に向かう扇状パターン２２４によって描写されるような範囲だけではなく、また、略−ｘ方向にＯＰＥ２３０から離れる扇状パターン２２６に及ぶ範囲にも及ぶ、導波管内のある方向に回折されることができる。他の扇状パターンに及ぶ他の光経路も、当然ながら、可能性として考えられ、投影光学ならびにＩＣＧ２２０によって構成される特定の回折格子および回折パターンに依存する。すなわち、光は、発散するビームとして導波管の中に回折せず、いくつかの実施形態では、画像光の一部の徐々に分散されるサンプリングは、接眼レンズを横断して徐々に拡張するビームレットの分布パターンを作成し得る。描写される扇状パターン２２４内で回折される、内部結合された光２２２は、概して、光経路２２８に追従し、ＯＰＥ２３０に進入し、＋ｘ方向に横断し、ＯＰＥ２３０を構成する回折回折格子に衝打するにつれて、ＯＰＥ２３０を通して付帯分散サンプリングを伴い、一部は、周期的に、ユーザの眼に向かって−ｚ方向に外部結合する前に、ＥＰＥ２４０へと下方に指向され、−ｙ方向に横断することができる。

【0014】

図２が描写するように、導波管２１２に対応する波長内の光の多くは、扇状パターン２２６に回折される光等の指向性損失または扇状パターン２２４内の全ての光を捕捉するために不適正に位置付けられたもしくは定寸されたＯＰＥ２３０に起因する捕捉損失のいずれかに起因して、損失され得る。接眼レンズについての詳細な説明は、米国特許出願公開第１５／６８３，６２４号（その内容は、あらゆる目的のために、参照することによって組み込まれる）に説明される。

【0015】

図３は、本発明の別の実施形態による、導波管３００のための蝶ネクタイトポロジの実施例を図示する。導波管３００は、典型的には、瞳エクスパンダから離れるように回折されるであろう、光を利用することによって、他の導波管設計に存在する損失を緩和し得る。得られた扇状パターンがｙ軸およびｘ軸と整合されるように（図３に示されるように）、ＩＣＧ３２０を配向することによって、導波管３００は、はるかに多くの回折された内部結合光を捕捉する、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａと、第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂとを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂは、ＯＰＥであることができる。いくつかの実施形態では、導波管３００はさらに、ＥＰＥ等の第３の瞳エクスパンダ３４０を含むことができる。

【0016】

導波管３００は、導波管３００が、２つのより小さい瞳エクスパンダ（例えば、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂ）を含み得るため、単一ＯＰＥ（上記に説明されるもの等）のサイズを低減させることができる。いくつかの実施形態では、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂは、ＯＰＥに類似することができるが、一部が、上記に説明されるように、除去される（例えば、除去される面積３３２Ａおよび３３２Ｂ）。第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂは、受光された光を倍増させ、光を第３の瞳エクスパンダ３４０（上記に説明されるものと同様）に指向することができる。いくつかの実施形態では、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび第２の瞳エクスパンダ３３０Ｂは、上記に説明されるように、略ｘ方向ではなく、ｘ−ｙ平面においてある角度で光を指向することができる。角度は、第１の瞳エクスパンダ３３０Ａおよび３３０Ｂに光経路３２８によって図示されるように、光を第３の瞳エクスパンダ３４０に送光させることができる。いくつかの実施形態では、導波管３００は、本明細書に説明される他の導波管と比較して、効率を約２倍にすることができる。

【0017】

いくつかの実施形態では、導波管３００はさらに、１つ以上の拡散器（例えば、拡散器３３２Ａおよび拡散器３３２Ｂ）を含むことができる。１つ以上の拡散器は、ＩＣＧ３２０から直接第３の瞳エクスパンダ３４０の中心に透過する、光を捕捉することができる。１つ以上の拡散器は、本明細書に説明される１つ以上のＯＰＥに類似する回折格子を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の拡散器の回折格子も同様に、第３の瞳エクスパンダ３４０への光を段階的にすることができる。

【0018】

図４Ａは、本発明の別の実施形態による、片側構成において組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域４５０を有する、導波管４００の実施例を図示する。組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域４５０は、ｘ方向およびｙ方向において空間的に重複する、ＯＰＥおよびＥＰＥの両方に対応する回折格子を含む。いくつかの実施形態では、ＯＰＥおよびＥＰＥの両方に対応する回折格子は、ＯＰＥ回折格子がＥＰＥ回折格子上に重畳されるか、またはＥＰＥ回折格子がＯＰＥ回折格子上に重畳されるかのいずれか（または両方）であるように、基板４０２の同一側上に位置する。他の実施形態では、ＯＰＥ回折格子は、回折格子がｘ方向およびｙ方向に空間的に重複するが、ｚ方向（すなわち、異なる平面）において相互から分離されるように、ＥＰＥ回折格子と反対の基板４０２の側上に位置する。したがって、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域４５０は、片側構成または両側構成のいずれかで実装されることができる。

【0019】

図４Ｂは、本発明のある実施形態による、導波管４００内の光経路４２８の実施例を図示する。光経路４２８は、ＩＣＧ４２０において基板４０２の中に結合される、入射光（４２８Ａとして示される）を含む。内部結合された光（４２８Ｂとして示される）は、全内部反射によって、回折格子４５１、４５２、および４５３に向かって伝搬する。これらの光線が、第１のＯＰＥ回折格子４５１に遭遇すると、光は、＋ｙ方向に回折され（４２８Ｃとして示される）、続いて、ＥＰＥ回折格子４５３によって、導波管４００からユーザの眼に向かって−ｚ方向に回折される（４２８Ｄとして示される）。同様に、内部結合された光（４２８Ｂとして示される）は、代替として、第２のＯＰＥ回折格子４５２に遭遇し、−ｙ方向に回折されてもよい（４２８Ｅとして示される）。−ｙ方向に回折される光（４２８Ｅとして示される）は、ＥＰＥ回折格子４５３によって、導波管４００からユーザの眼に向かって回折されてもよい。光が＋ｙ方向（第１のＯＰＥ回折格子４５１によって）または−ｙ方向（第２のＯＰＥ回折格子４５２によって）に回折されるかどうかは、確率論的であり、回折格子構造によって統制される。一般に、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域４５０の性能は、内部結合された光（４２８Ｂとして示される）が＋ｙ方向または−ｙ方向のいずれかに回折する５０％の可能性を有するときに改良される。いくつかのインスタンスでは、これは、第１のＯＰＥ回折格子４５１および第２のＯＰＥ回折格子４５２が相互に垂直であるときに達成される。

【0020】

導波管４００は、単一ＩＣＧ４２０のみを有するように図示されるが、いくつかの実施形態では、導波管４００は、第２のＩＣＧをＩＣＧ４２０と反対側の組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ領域４５０上に含むことが好ましくあり得る。第２のＩＣＧは、ＩＣＧ４２０と形態および機能が同じであってもよく、ＩＣＧ４２０の鏡映バージョンであってもよい。例えば、ＩＣＧ４２０は、投影された画像に関連する内部結合された光を基板４０２の中に回折するように構成される一方、第２のＩＣＧ４２０は、投影された画像の鏡映バージョン（例えば、ｘ方向に反転される）に関連する内部結合された光を回折するように構成されてもよい。ＩＣＧ４２０と関連付けられた光経路４２８とは対照的に、第２のＩＣＧと関連付けられた光経路は、第２のＩＣＧにおいて基板４０２の中に結合される、入射光を含んでもよい。内部結合された光は、全内部反射によって、回折格子４５１、４５２、および４５３に向かって伝搬する。これらの光線が、第１のＯＰＥ回折格子４５１に遭遇すると、光は、−ｙ方向に回折され、続いて、ＥＰＥ回折格子４５３によって、導波管４００からユーザの眼に向かって−ｚ方向に回折される。同様に、内部結合された光は、代替として、第２のＯＰＥ回折格子４５２に遭遇し、＋ｙ方向に回折されてもよい。＋ｙ方向に回折される光は、ＥＰＥ回折格子４５３によって、導波管４００からユーザの眼に向かって回折されてもよい。

【0021】

他の導波管トポロジについてのさらなる詳細は、米国特許出願第１５／６８３，６２４号（その内容は、あらゆる目的のために、参照することによって組み込まれる）に説明される。

【0022】

図５は、本発明のある実施形態による、導波管５０２（Ｘ−Ｙ平面にある）からの画像光を視認者の眼に向かって外部結合するための接眼レンズ内で使用され得る、２段階位相回折格子５００の断面図を図式的に図示する。２段階回折格子５００は、Ｙ−軸に沿って（すなわち、本紙と垂直方向に）延在し、導波管５０２から（負のＺ方向に）突出する、隆起５１０のアレイを含んでもよい。隆起５１０のアレイは、Ｘ方向に沿って周期的に配列されてもよい。各隆起２１０は、Ｚ方向における高さｈと、Ｘ方向における幅ｗとを有してもよい。導波管５０２から回折格子５００に入射する画像光に関して、２段階回折格子５００は、図５に図示されるように、視認者の眼に向かった一次反射（１Ｒ）と、世界に向かった一次透過（１Ｔ）と、入射方向と実質的に反対方向における二次反射（２Ｒ）とを生成してもよい。異なる回折次数間の相対的回折効率は、デューティサイクル、すなわち、特徴幅ｗと周期Ｄとの間の比率に依存し得る。それらはまた、回折格子の深度、すなわち、隆起の高さｈに依存し得る。

【0023】

回折格子５００が、ＶＲまたはＡＲシステムにおいて、導波管５０２からの画像光を視認者の眼に向かって外部結合するために使用されるとき、回折格子のいくつかの性能特性が、懸念され得る。第１に、世界に向かって指向される画像光は、本質的に、無駄であり、また、視認者が視認するとき、他者も視認することを可能にし得るため、より多くの画像光が、世界に向かってではなく、視認者に向かって指向されることが、望ましくあり得る。第２に、接眼レンズ内でバウンスする光は、二次回折を介して、後方に回折され、次いで、視認者へと外部回折され得る。本光は、導波管が完璧に平坦ではない場合、または回折格子の中に内蔵されるレンズ機能が存在する場合、角度誤差を生じさせ得、これは、変調伝達関数（ＭＴＦ）およびコントラストを低減させ得る。したがって、二次反射を最小限にすることが望ましくあり得る。加えて、頭上光等の世界からの光は、視認者に向かって回折され、場面を曖昧にし、視認者の注意を逸らし得る、レインボー効果を作成し得る。

【0024】

図６は、入射角シータの関数として、一次反射（１Ｒ）および一次透過（１Ｔ）ならびに二次反射（２Ｒ）に関するシミュレートされた例示的２段階回折格子の回折効率曲線を示す。図示されるように、一次透過（１Ｔ）に関する回折効率は、示される入射角の範囲に関する一次反射（１Ｒ）のものに匹敵する。したがって、ほぼ等量の画像光が、世界に向かっておよび視認者に向かって指向され得る。

【0025】

図７Ａ−７Ｆは、いくつかの実施形態による、種々の次数の２段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。具体的には、図７Ａおよび７Ｄは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、特徴高さｈ（水平軸）および特徴幅ｗ（垂直軸）の関数として、ユーザ側回折効率（１Ｒ）を示し、図７Ｂおよび７Ｅは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｈ（水平軸）およびｗ（垂直軸）の関数として、世界側回折効率（１Ｔ）を示し、図７Ｃおよび７Ｆは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｈ（水平軸）およびｗ（垂直軸）の関数として、二次反射（２Ｒ）を示す。点線は、合理的に高一次反射（１Ｒ）を有しながら、比較的に低二次反射（２Ｒ）を生じさせ得る、特徴高さｈ＝６０ｎｍに対応する特徴幅ｗの範囲を示す。また、一次透過（１Ｔ）は、一次反射（１Ｒ）と比較して、比較的に低くあり得る。

【0026】

本発明のいくつかの実施形態によると、外部結合回折格子の改良された性能特性は、多段階回折格子構造を使用することによって達成され得る。図８は、本発明のある実施形態による、例示的３段階回折格子８００の画像を示す。図９は、回折格子８００の概略断面図を示す。回折格子８００は、導波管８０２上に形成される、基層８１０を含んでもよい。基層８１０は、厚さ（ＲＬＴ）ｈ_０を有する。いくつかの実施形態では、回折格子８００は、基層８１０を有していなくてもよい。回折格子８００は、第１の高さｈ_１を伴う、Ｙ−軸に沿って（すなわち、本紙と垂直方向に）延在し、基層８１０から（負のＺ方向に）突出する、複数の第１の隆起８２０を含む。複数の第１の隆起８２０は、Ｘ方向に画定される周期Ｄを伴う周期的アレイとして配列される。各第１の隆起８２０は、Ｘ方向における第１の幅ｗ_１を有する。回折格子８００はさらに、複数の第２の隆起８３０を含む。各第２の隆起８３０は、第２の高さｈ_２を伴う、個別の第１の隆起８２０から（負のＺ方向に）突出し、Ｘ方向における第２の幅ｗ_２を有する。

【0027】

図９を参照すると、画像光は、導波管８０２から回折格子８００上に入射する。回折格子８００は、入射角と実質的に等しい角度におけるゼロ次反射ビーム（０Ｒ）を生成し得る。回折格子８００はまた、視認者の眼に向かって導波管８０２に対して実質的に法線方向における一次反射ビーム（１Ｒ）と、世界に向かった導波管に対して実質的に法線方向における一次透過されるビーム（１Ｔ）とを生成し得る。回折格子８００はまた、入射ビームの方向とほぼ反対方向における二次反射ビーム（２Ｒ）を生成し得る。加えて、天井灯からの光等の世界光も、世界側から回折格子８００上に入射し得、これは、回折格子８００によって視認者の眼に向かって一次透過ビーム（１Ｔ）をもたらし、レインボー効果を生じさせ得る。

【0028】

図８および９に図示される３段階回折格子は、２段階回折格子と比較して、いくつかの利点をもたらし得る。図１０は、ｐ−偏光（０度偏光）に関する、−４０度〜−６０度の範囲（画像光のために典型的に使用される範囲）内の入射角シータの関数として、例示的３段階回折格子のシミュレートされた回折効率曲線を示す。３段階回折格子は、以下の回折格子パラメータ：ｈ_０＝３０ｎｍ、ｈ_１＝５４ｎｍ、ｗ_１＝０．５Ｄ、ｈ_２＝０．０８７５μｍ、およびｗ_２＝０．２５Ｄを有する。図示されるように、ここでは、一次反射（１Ｒ）は、示される入射角の範囲全体にわたって、一次透過（１Ｔ）を有意に上回る。したがって、より多くの割合の画像光が、世界に向かってではなく、視認者に向かって回折され得る。一次反射（１Ｒ）と一次透過（１Ｔ）の比率は、２：１と高くあり得、いくつかの入射角では、約３：１であり得る。加えて、二次反射（２Ｒ）はまた、図６に示される２段階回折格子のものと比較して、低減される。ある場合には、二次反射（２Ｒ）における回折効率は、１％を優に下回って低減される。ある場合には、二次反射（２Ｒ）における回折効率は、０．５％を下回る。したがって、溝線に直交する方向に沿って画像フレアを生じさせ得る、望ましくない二次光は、本発明のいくつかの実施形態によると、低減され得る。

【0029】

図１１Ａおよび１１Ｂは、ｓ−偏光（９０度偏光、図１１Ａ）およびｐ−偏光（０度偏光、図１１Ｂ）に関する、回折格子深度（すなわち、ｈ_１とｈ_２の和）の関数として、いくつかの例示的３段階回折格子のシミュレートされた回折効率曲線を示す。図示されるように、一次反射（１Ｒ）は、両偏光に関して、図８に示される回折格子深度の範囲全体にわたって、一次透過（１Ｔ）を上回る。また、二次反射（２Ｒ）は、有意な偏光依存性を示すことに留意されたい。例えば、ｐ−偏光に関する二次反射（２Ｒ）は、ｓ−偏光に関するものより有意に低い。したがって、偏光器を使用することによって、二次反射（２Ｒ）を抑制することが可能であり得る。

【0030】

表１は、いくつかの実施形態による、５２０ｎｍ波長光について、ｐ−偏光（０度偏光）およびｓ−偏光（９０度偏光）の両方に関する、−５０度および−３０度入射角（シータ）の例示的２段階回折格子の二次反射（２Ｒ）、一次反射（１Ｒ）、ゼロ次反射（０Ｒ）、および一次透過（１Ｔ）におけるシミュレートされた回折効率を要約する。表２は、いくつかの実施形態による、ｐ−偏光（０度偏光）およびｓ−偏光（９０度偏光）の両方に関する、−３０度および−５０度入射角（シータ）の例示的３段階回折格子の二次反射（２Ｒ）、一次反射（１Ｒ）、ゼロ次反射（０Ｒ）、および一次透過（１Ｔ）におけるシミュレートされた回折効率を要約する。示されるように、ｐ−偏光に関する−３０入射角における３段階回折格子の一次透過（１Ｔ）は、２段階回折格子に関する１１％と比較して、わずか６．６％である。また、ｓ−偏光に関する−３０入射角における３段階回折格子の一次透過（１Ｔ）は、２段階回折格子に関する１．７％と比較して、わずか０．３％である。したがって、本明細書に説明される３段階回折格子は、いくつかの実施形態によると、望ましくないレインボー効果を有意に低減させ得る。

【0031】

【表1】

【0032】

【表2】

【0033】

より高い一次反射（１Ｒ）と一次透過（１Ｔ）の比率およびより低い二次反射（２Ｒ）等のより好ましい特性を有する、回折格子は、あるパラメータパターンに従い得ることが実証されている。図９を参照すると、一般に、各第１の隆起８２０の第１の幅ｗ_１は、有利には、約０．５Ｄ±０．１Ｄであるように選定され得る。各第２の隆起８３０の第２の幅ｗ_２は、有利には、約０．２５Ｄ未満またはそれと等しくあるように選定され得る。各第１の隆起８２０の第１の高さｈ_１は、有利には、各第２の隆起８３０の第２の高さｈ_２未満であるように選定され得る。いくつかの実施形態では、第２の高さｈ_２と第１の高さｈ_１の比率は、有利には、約８：５であるように選定され得る。いくつかの実施形態では、３段階回折格子のための以下の回折格子パラメータは、有利には、ｈ_０＝０．０３μｍ、ｈ_１＝０．０５４μｍ、ｗ_１＝０．５Ｄ、ｈ_２＝０．０８７５μｍ、およびｗ_２＝０．２Ｄであるように選定され得る。

【0034】

図９に図示される３段階回折格子は、３段階断面形状が三角形鋸歯形状の近似と見なされ得るという意味において、ブレーズド回折格子と見なされ得る。図９に図式的に図示されるように、ブレーズ表面に対して法線に近い入射角において入射する光に関して、回折格子は、「ブレーズド」と呼ばれ得る。ブレーズ表面に対して平行に近い入射角において入射する光に関して（すなわち、図９に図示される入射角と反対）、回折格子は、「逆ブレーズド」と呼ばれ得る。表３は、本発明のいくつかの実施形態による、例示的２段階回折格子、例示的３段階ブレーズド回折格子、および例示的３段階逆ブレーズド回折格子の回折効率を比較する。示されるように、２段階回折格子は、視認者（一次反射１Ｒ）および世界（一次透過、１Ｔ）に対して匹敵する回折効率を有し得る。３段階ブレーズド回折格子は、世界より視認者に対して高い回折効率を有し得る。他方では、３段階逆ブレーズド回折格子は、視認者より世界に対して高い回折効率を有し得る。したがって、３段階ブレーズド回折格子は、バイナリ回折格子および３段階逆ブレーズド回折格子より好ましくあり得る。

【0035】

【表3】

【0036】

図９を参照すると、最適化アルゴリズムは、各第１の隆起８２０の第１の高さｈ_１および第１の幅ｗ_１、各第２の隆起８３０の第２の高さｈ_２および第２の幅ｗ_２が、変動し、より高いユーザ側回折効率（１Ｒ）、より低い世界側回折効率（１Ｔ）、およびより低い二次反射（２Ｒ）を最適化することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、回折格子周期Ｄは、値Ｄ＝３８０ｎｍを有すると仮定され得、ｈ_１およびｈ_２は、値ｈ_１＝５０ｎｍおよびｈ_２＝７５ｎｍを有すると仮定され得、ｗ_１およびｗ_２の公称値は、ｗ_１＝２１０ｎｍおよびｗ_２＝１７０ｎｍであると仮定される。次いで、ｗ_１およびｗ_２は、より高い一次反射（１Ｒ）のために最適化するように変動され得る。

【0037】

例示的最適化シミュレーションでは、入射角は、５０度であり、基層８１０の厚さは、ｈ_０＝２０ｎｍであり、ｈ_１およびｈ_２は、値ｈ_１＝５０ｎｍおよびｈ_２＝７５ｎｍを有すると仮定される。さらに、回折格子は、屈折率ｎ_１＝１．５４を有し、導波管８０２は、屈折率ｎ_２＝１．８を有すると仮定される。ｗ_１は、２ｍからＤ−ｍまで変動され、ｍは、最小特徴サイズであり、Ｄは、回折格子周期である。一実施形態では、Ｄ＝３８０ｎｍ、およびｍ＝３０ｎｍ（電子ビームリソグラフィのための特徴サイズ）と仮定される。ｗ_２は、ｍからｗ_１−ｍまで変動される。ある場合には、ｗ_２は、ｗ_１と等しくてもよい、またはｗ_２は、ゼロと等しくてもよい（第２の隆起を伴わない２段階回折格子に対応する）。

【0038】

図１２Ａ−１２Ｆは、いくつかの実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。具体的には、図１２Ａおよび１２Ｄは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、ユーザ側回折効率（１Ｒ）を示し、図１２Ｂおよび１２Ｅは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、世界側回折効率（１Ｔ）を示し、図１２Ｃおよび１２Ｆは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、二次反射（２Ｒ）を示す。図１２Ｃおよび１２Ｆに図示されるように、二次反射（２Ｒ）は、破線楕円形エリア内では、ｗ_１およびｗ_２のパラメータ空間に関して比較的に低くあり得る。図１２Ａおよび１２Ｄに図示されるように、ユーザ側回折効率（１Ｒ）は、破線楕円形エリア内のｗ_１およびｗ_２の同一パラメータ空間では、合理的に高くあり得る。

【0039】

図１３Ａ−１３Ｆは、いくつかの他の実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。ｈ_１＝６０ｎｍ、ｈ_２＝７５ｎｍ、およびｈ_０＝２０ｎｍと仮定される。具体的には、図１３Ａおよび１３Ｄは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、ユーザ側回折効率（１Ｒ）を示し、図１３Ｂおよび１３Ｅは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、世界側回折効率（１Ｔ）を示し、図１３Ｃおよび１３Ｆは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、二次反射（２Ｒ）を示す。

【0040】

図１４Ａ−１４Ｆは、いくつかの付加的実施形態による、種々の次数の３段階回折格子における回折効率のシミュレートされた強度プロットを示す。ｈ_１＝６０ｎｍ、ｈ_２＝７５ｎｍ、およびｈ_０＝３０ｎｍと仮定される。具体的には、図１４Ａおよび１４Ｄは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、ユーザ側回折効率（１Ｒ）を示し、図１４Ｂおよび１４Ｅは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、世界側回折効率（１Ｔ）を示し、図１４Ｃおよび１４Ｆは、それぞれ、ｓ−偏光およびｐ−偏光に関する、ｗ_１（水平軸）およびｗ_２（垂直軸）の関数として、二次反射（２Ｒ）を示す。

【0041】

一般に、ｓ−偏光に関する回折効率は、ｐ−偏光に関するものより高いことが観察され得る。したがって、ｓ−偏光は、ｐ−偏光より高速で漏出する。したがって、導波管内で伝搬する光は、主に、ｐ−偏光であると仮定され得る。

【0042】

接眼レンズ（例えば、図１および２に図示される接眼レンズ）のＥＰＥ区分を横断して、回折格子から出力された均一光を有することが望ましくあり得る。光が、上部から底部へと導波管内で伝搬するにつれて、ますます多くの光が、回折格子によって、導波管から外部回折される。したがって、ますます多くのパーセンテージの光が、導波管内に残っている光の量が減少するにつれて、外部結合され、それによって、ＥＰＥ区分を横断して比較的に均一光出力をもたらすように、回折格子の上部からの距離が増加するにつれて増加する回折効率を伴う、回折格子を有することが有利であり得る。

【0043】

いくつかの実施形態では、導波管の上部の近傍における１００ｎｍ線幅回折格子（すなわち、ｗ_１＝１００ｎｍ、ｗ_２＝０）は、十分な光がＥＰＥの端部の近傍で放出されるために導波管内に残っているように、低外部結合効率を維持することによって、光を導波管内に保存し得る。導波管の底部の近傍の２６０／１５０ｎｍ線幅回折格子（すなわち、ｗ_１＝２６０ｎｍ、ｗ_２＝１５０ｎｍ）は、残りの光の大部分を導波管から外部結合し得る。

【0044】

図１５は、入射角の関数として、一次反射（１Ｒ）、一次透過（１Ｔ）、および二次反射（２Ｒ）に関する、シミュレートされた回折効率を示す。ｈ_１＝５０ｎｍ、ｈ_２＝７５ｎｍ、ｗ_１＝２００ｎｍ、およびｗ_２＝１２０ｎｍと仮定される。図示されるように、一次反射（１Ｒ）および一次透過（１Ｔ）は両方とも、減少入射角に対して増加する。したがって、一次反射（１Ｒ）は、より高い入射角（視野の上部に対応する）ではなく、より低い入射角（視野の底部に対応する）においてより高い値を有する。したがって、最短バウンス間隔を有する、視野（ＦＯＶ）の底部における光は、最も迅速に外部結合される。

【0045】

逆ブレーズド回折格子が、視野均一性のためにより良好であり得る場合もあり得る。しかしながら、上記に議論されるように、ブレーズド回折格子は、より良好なユーザ側効率を有し得る。いくつかの実施形態では、２段階回折格子が、より良好な均衡をとり得る。一実施形態では、２段階回折格子は、そのデューティサイクル（すなわち、特徴幅と周期の比率ｗ／Ｄ）が、回折格子の上部からの距離ｘが増加するにつれて増加し、回折格子効率が、距離ｘが増加するにつれて増加するように構成されてもよい。

【0046】

いくつかの実施形態では、最適化は、メリット関数を最適化の目標として使用して実施されてもよい。図１６に図式的に図示されるように、ユーザに向かって回折される屈折力は、Ｐ_ｕｓｅｒであり、世界に向かって回折される屈折力は、Ｐ_{ｗｏｒｌｄ}であり、二次における屈折力は、Ｐ_２であり、ゼロ次における屈折力は、Ｐ_０であると仮定する。一実施形態では、メリット関数は、
Ｊ＝α（Ｐ_２＋Ｐ_{ｗｏｒｌｄ}）−Ｐ_ｕｓｅｒ
のように表され得る。式中、αは、項Ｐ_ｕｓｅｒと比較して項（Ｐ_２＋Ｐ_{ｗｏｒｌｄ}）に与えられる加重である。一実施形態では、ｈ_１、ｈ_２、ｗ_１、およびｗ_２は、メリット関数Ｊを最小限にするために、変動することを可能にされる。したがって、最適化の目的は、Ｐ_２およびＰ_{ｗｏｒｌｄ}を最小限にし、Ｐ_ｕｓｅｒを最大限にすることであり得る。パラメータαは、２つの目的に与えられる相対的加重を判定する。図１７は、変数ｈ_１、ｈ_２、ｗ_１、およびｗ_２のそれぞれの加重αへの依存性を示す。図１８は、Ｐ_ｕｓｅｒ、Ｐ_{ｗｏｒｌｄ}、およびＰ_２の加重αへの依存性を示す。

【0047】

上記に議論されるように、接眼レンズのＥＰＥ区分を横断して回折格子から出力された比較的に均一光を達成するために、回折格子の上部からの距離が増加するにつれて増加する回折効率を伴う、回折格子を有することが有利であり得る。図１９は、導波管１９０２上に形成される、回折格子１９００を図式的に示す。ｘを回折格子の上部からの正規化された距離とする（すなわち、回折格子の上部ではｘ＝０および回折格子の底部ではｘ＝１）。ｆ（ｘ）を位置ｘにおける回折格子１９００の正規化された回折効率とする。ｆ（ｘ）は、
ｆ（ｘ）＝ｕ（ｘ）＋ｗ（ｘ）
のように表され得る。式中、ｕ（ｘ）およびｗ（ｘ）は、それぞれ、ユーザへと進む光（すなわち、一次反射１Ｒ）および世界へと進む光（すなわち、一次透過１Ｔ）である。ｆ（ｘ）は、回折格子１９００から外部結合するための回折格子１９００の効率を示すことに留意されたい。二次反射（２Ｒ）における光が、導波管１９０２内に残っているため、二次反射（２Ｒ）は、ｆ（ｘ）内に含まれない。いくつかの実施形態では、ｆ（ｘ）は、所定の定数に正規化されてもよい。

【0048】

ｙ（ｘ）を位置ｘにおける導波管１９０２内の正規化された光強度とし、ｙ（０）＝１とする。位置ｘにおける外部結合屈折力（すなわち、導波管１９０２から外部結合される光の無次元割合）は、
ｙ’（ｘ）＝−ｆ（ｘ）ｙ（ｘ）
のように表され得る。本微分方程式の解は、

【数1】

のように表され得る。

【0049】

単純線形モデルを使用して、正規化された回折効率ｆ（ｘ）は、
ｆ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ
のように表され得ると仮定する。式中、ａおよびｂは、定数である。回折格子１９００による平均外部結合屈折力は、

【数2】

のように表され得る。平均外部結合屈折力からの二乗平均平方根（ＲＭＳ）偏差は、

【数3】

のように表され得る。ＲＭＳ偏差は、平均外部結合屈折力からの平均偏差を表す。より低い値のＲＭＳ偏差は、ｘの関数として、外部結合屈折力のより高い均一性を含意するであろう。

【0050】

図２０Ａは、ａおよびｂの関数として、平均外部結合屈折力のシミュレートされた輪郭プロットを示す。図２０Ｂは、ａおよびｂの関数として、平均外部結合屈折力からのＲＭＳ偏差のシミュレートされた輪郭プロットを示す。図２０Ｂに図示されるように、破線楕円形内のエリアは、回折格子を横断して比較的に均一外部結合屈折力をもたらす、パラメータ空間ａおよびｂを表し得る。いくつかの実施形態では、有利には、ａは、約０．５〜０．７の範囲内であるように選択され得、ｂは、有利には、約１．０〜約１．５の範囲内であるように選択され得る。

【0051】

実施例として、ａ＝０．５およびｂ＝１．０であり、したがって、ｆ（ｘ）＝０．５＋ｘと仮定する。光は、上部から底部まで導波管１９０２内でＮ回バウンスすると仮定する。回折格子１９００の初期外部結合率（すなわち、ｘ＝０時）は、０．５／Ｎであり得、ｆ（ｘ）は、１／Ｎに正規化されると仮定する。Ｎ回のバウンス後の回折格子１９００の最終外部結合率（すなわち、ｘ＝１時）は、１．５／Ｎであり得る。実施例として、導波管１９０２は、厚さ約３２５μｍを有すると仮定する。５０度入射角に関して、バウンス間隔は、約０．７７ｍｍであり得る。上部から底部までの回折格子１９００の全幅は、Ｌ＝２１ｍｍであると仮定する。したがって、光は、導波管１９０２の上部から導波管１９０２の底部まで、２７回バウンスし得る。回折格子の上部における（ユーザおよび世界に向かった）回折格子１９００の初期外部結合効率は、約１．８％であり得、回折格子の底部における（ユーザおよび世界に向かった）回折格子１９００の最終外部結合効率は、約５．４％であり得る。

【0052】

図２１は、本発明のある実施形態による、ａ＝０．５およびｂ＝１を伴う線形モデルに関する、回折格子１９００の上部からの正規化された距離ｘの関数として、（ユーザおよび世界に向かった）正規化された外部結合屈折力ｇ（ｘ）＝ｆ（ｘ）ｙ（ｘ）のプロットを示す。図示されるように、正規化された外部結合屈折力は、回折格子１９００を横断して比較的に均一である。

【0053】

一般に、回折格子を横断してより均一な外部結合屈折力のために、回折格子の回折効率は、約２倍〜約３場合に及ぶ倍率で上部から底部に変動し得る。より高い係数は、より多くの光出力をもたらし得るが、より低い均一性をもたらし得る。回折格子の底部における最高達成可能回折効率は、総外部結合効率を判定し得る。上記は、ユーザ側回折効率（すなわち、１Ｒ）および世界側回折効率（すなわち、１Ｔ）が相互にほぼ比例する、回折格子に当てはまり得る。これは、深層回折格子の場合には、当てはまらない場合がある。

【0054】

その回折効率が位置の関数として線形に変動される、回折格子が、上記に議論されるが、これは、要求されず、他の変動パターンも、可能性として考えられることを理解されたい。いくつかの他の実施形態によると、回折格子は、その回折効率が二次関数または他の非線形関数として変動されるように設計されてもよい。いくつかの他の実施形態では、回折格子は、その回折効率が回折格子の１つの縁から別の縁まで非単調に変動されるように設計されてもよい。例えば、図３に図示されるように蝶ネクタイトポロジを伴う接眼レンズに関して、光がその中央区分において導波管の中に投入される場合、回折格子は、その回折効率が、回折格子の中央区分においてより低く、中央区分の両側の回折格子の２つの縁上でより高くなるように設計されてもよい。

【0055】

最適化は、その回折効率が回折格子の上部からの距離が増加するにつれて増加する、３段階回折格子のために実施されてもよい。図２２Ａおよび２２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、回折格子の上部（図２２Ａ）および回折格子の底部（図２２Ｂ）における３段階回折格子の１つの周期の概略断面図を示す。各第１の隆起の第１の高さｈ_１および各第２の隆起の第２の高さｈ_２は、ｈ_１＝５０ｎｍおよびｈ_２＝７５ｎｍに固定される。いくつかの実施形態では、ｗ_１およびｗ_２のそれぞれの値は、回折格子の上部からの距離が増加するにつれて増加し得る。例えば、図２２Ａおよび２２Ｂに図示されるように、回折格子の上部における第１の隆起の第１の幅ｗ_１は、値ｗ_１＝１８０ｎｍを有し得、回折格子の底部における第１の隆起の第１の幅ｗ_１は、値ｗ_１＝２２０ｎｍを有し得、回折格子の上部における第２の隆起の第２の幅ｗ_２は、値ｗ_２＝６０ｎｍを有し得、回折格子の底部における第２の隆起の第２の幅ｗ_２は、値ｗ_２＝１８０ｎｍを有し得る。いくつかの他の実施形態では、第１の幅と第２の幅の比率ｗ_１／ｗ_２は、回折格子の上部からの距離が増加するにつれて増加し得る。上記に議論されるように、第１の幅ｗ_１、第２の幅ｗ_２、および／または比率ｗ_１／ｗ_２は、他の様式においても回折格子を横断して変動し得る。例えば、比率ｗ_１／ｗ_２は、回折格子の中央区分においてより低く、回折格子の両縁に向かってより高くなってもよい。

【0056】

また、本明細書に説明される実施例および実施形態は、例証目的のためだけのものであり、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20A】

【図20B】

【図21】

【図22】