特許 7065783 ディスプレイ用光学システム

(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】

(24)【登録日】2022-04-28

(45)【発行日】2022-05-12

(54)【発明の名称】ディスプレイ用光学システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20220502BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20220502BHJP

   G02C 11/00 20060101ALI20220502BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20220502BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/32

G02C11/00

H04N5/64 511A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2018549529

(86)(22)【出願日】2017-06-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-06-20

(86)【国際出願番号】 US2017036205

(87)【国際公開番号】W WO2017222808

(87)【国際公開日】2017-12-28

【審査請求日】2018-09-20

【審判番号】

【審判請求日】2020-08-03

(31)【優先権主張番号】62/352,754

(32)【優先日】2016-06-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503260918

【氏名又は名称】アップル インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｐｐｌｅ Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ａｐｐｌｅ Ｐａｒｋ Ｗａｙ，Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９５０１４， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100210239

【弁理士】

【氏名又は名称】富永 真太郎

(72)【発明者】

【氏名】ミューレ， グラハム ビー．

(72)【発明者】

【氏名】ハンソッテ， エリック ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ペン， グオリン

(72)【発明者】

【氏名】チェ， ヒュンリュル

(72)【発明者】

【氏名】オー， セバエク

(72)【発明者】

【氏名】ゲルシンガー－オースティン， ポール

【合議体】

【審判長】山村 浩

【審判官】井上 徹

【審判官】吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－８５４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１９１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１０９１１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００８／１４８９２７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G02B 27/00-27/64

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘッドマウントデバイスであって、
ヘッドマウント支持構造と、
前記ヘッドマウント支持構造内のディスプレイユニットと、
前記ディスプレイユニットから光を受信し、光学システムから前記光が出射するように方向転換する光学システムであって、前記光学システムは、入力カプラ、出力カプラ、及び光を第１の方向に沿って伝搬させる導波路を含み、前記入力カプラは、前記ディスプレイユニットから受信された前記光を、前記導波路内で前記第１の方向に沿って前記出力カプラに向けて伝搬するように方向転換し、前記出力カプラは、前記導波路内を伝搬してきた前記光を前記光学システムから出射するように方向転換する、前記光学システムと、
回折により光の方向を転換することを介して光の進路を変更する回折光方向転換素子であって、前記回折光方向転換素子により進路が変更される光は、前記回折光方向転換素子へ入射する光の一部のみであるとともに、前記一部の光を第２の方向に沿って伝搬させる回折光方向転換素子と、を備え、
前記進路の変更は、前記一部の光を、前記回折光方向転換素子により視野に向けるものであり、前記入力カプラ及び前記出力カプラは、前記導波路の同一側面上に配置されている、ヘッドマウントデバイス。

【請求項2】

前記回折光方向転換素子は、前記ディスプレイユニットと前記光学システムとの間に介在されており、前記光学システムの前記導波路は、第１の導波路であり、前記回折光方向転換素子は、前記第１の導波路とは異なる第２の導波路を含み、前記第２の導波路は、前記第２の方向に沿って前記一部の光を伝搬させる、請求項１に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項3】

前記入力カプラ及び前記出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む、請求項２に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項4】

前記入力カプラは、前記回折光方向転換素子から前記光を受信し、前記光を前記出力カプラに向けて方向転換する、請求項２に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項5】

前記出力カプラは、前記入力カプラから前記光を受信し、前記光を前記光学システムから出射するように方向転換する、請求項４に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項6】

前記回折光方向転換素子が、前記第２の導波路に、付加的な入力カプラ及び付加的な出力カプラを備える、請求項２に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項7】

前記付加的な入力カプラ及び前記付加的な出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む、請求項６に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項8】

前記付加的な入力カプラは、前記ディスプレイユニットから前記光を受信し、前記光を前記付加的な出力カプラに向けて方向転換する、請求項６に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項9】

前記付加的な出力カプラは、前記付加的な入力カプラから前記光を受信し、前記光を前記入力カプラに向けて方向転換する、請求項８に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項10】

前記第１の方向は、前記第２の方向に対して垂直である、請求項２に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項11】

前記回折光方向転換素子は、前記導波路に付加的な入力カプラ及び付加的な出力カプラを含み、前記付加的な入力カプラは前記光を前記入力カプラから受信し、前記出力カプラは前記光を前記付加的な出力カプラから受信する、請求項１に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項12】

前記入力カプラ、前記付加的な入力カプラ、前記出力カプラ及び前記付加的な出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を備える、請求項１１に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項13】

前記導波路は、前記入力カプラから前記付加的な入力カプラへ前記第１の方向に沿って光を伝搬させ、前記導波路は、前記付加的な入力カプラから前記付加的な出力カプラへ前記第２の方向に沿って光を伝搬させる、請求項１１に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項14】

前記第１の方向は、前記第２の方向に対して垂直である、請求項１３に記載のヘッドマウントデバイス。

【請求項15】

前記入力カプラは、前記出力カプラよりも小さい寸法を有する、請求項１１に記載のヘッドマウントデバイス。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本出願は、２０１７年６月６日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３６２０５号、及び２０１６年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／３５２，７５４号の優先権を主張するものであり、本明細書において参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、光学システムに関し、より具体的には、ニアアイディスプレイ用の光学システムに関する。

【0002】

電子デバイスは、ユーザの目の近くに画像を表示するニアアイディスプレイを含むことができる。例えば、仮想現実ヘッドセット及び拡張現実ヘッドセットなどのデバイスは、ユーザがディスプレイを見ることを可能にする光学素子を有するニアアイディスプレイを含むことができる。

【0003】

そのようにデバイスを設計することは難しいことであり得る。注意が払われなければ、ニアアイディスプレイによって生成された視野の一部は、片方の目の位置から見えないことがあり得る。

【発明の概要】

【0004】

ヘッドマウントデバイスなどの電子デバイスは、ユーザのために画像を生成する１つ以上のニアアイディスプレイを有することができる。ヘッドマウントデバイスは、仮想現実眼鏡であってもよく、又はビューアがビューアの周囲環境においてコンピュータ生成画像及び現実世界物体の両方を見ることを可能にする拡張現実ヘッドセットであってもよい。

【0005】

ニアアイディスプレイは、光を導くディスプレイユニット、及びディスプレイユニットからの光をユーザの目に向けて方向転換する光学システムを含むことができる。光学システムは、導波路に形成された入力カプラ及び出力カプラを含むことができる。入力カプラは、ディスプレイユニットディスプレイユニットからの光を、導波路において出力カプラに向かって伝搬するように、方向転換することができる。出力カプラは、入力カプラからの光を、ユーザの目に向かって導波路から出るように、方向転換することができる。入力カプラ及び出力カプラは、薄いホログラム、体積ホログラム、又は表面レリーフ格子などのホログラフィック光学素子から形成されてもよい。

【0006】

光方向転換素子を使用して、方向転換されなければユーザの視野から外れる光をユーザの目に方向転換又は再分布させることができる。光方向転換素子は、ディスプレイユニットと入力カプラとの間に介在されてもよく、入力カプラと出力カプラとの間に介在されてもよく、又は出力カプラと一体化されてもよい。

【0007】

光方向転換素子がディスプレイユニットと入力カプラとの間に介在される構成では、光方向転換素子は、第２の導波路に二次入力カプラ及び二次出力カプラを含むことができる。

【0008】

光方向転換素子が入力カプラと出力カプラとの間に介在される構成では、光方向転換素子は、一次入力カプラ及び一次出力カプラと同じ導波路に二次入力カプラ及び二次出力カプラを含むことができる。他の構成では、光方向転換素子は、入力カプラと出力カプラとの間の１つのホログラフィック素子（例えば、入力カプラ及び出力カプラの両方として機能する）から形成されてもよい。

【0009】

光方向転換素子が出力カプラと一体化（例えば、多重化）された構成では、光方向転換素子は、出力カプラの干渉パターンに非平行な１つ以上の干渉パターンを含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る、ニアアイディスプレイシステムを有する、例示的な電子デバイスの図である。

【0011】

【図2A】一実施形態に係る、導波路基板に少なくとも部分的に埋め込まれた入力カプラ及び出力カプラを含む光学システムを有する、例示的なニアアイディスプレイシステムの上面図である。

【0012】

【図2B】一実施形態に係る、導波路基板に形成された入力カプラ及び出力カプラを含む光学システムを有する、例示的なニアアイディスプレイシステムの上面図である。

【0013】

【図3】一実施形態に係る、光干渉パターンが入力カプラ及び出力カプラにおいてどのようにエンコードされ得るかを示す、例示的なニアアイディスプレイシステムの正面図である。

【0014】

【図4】一実施形態に係る、ディスプレイからの光がどのように光学システムに向かって放出され得るかを示す、例示的なニアアイディスプレイシステムの側面図である。

【0015】

【図5】一実施形態に係る、光学システムが、ディスプレイからユーザの目に向けて光をどのように方向転換し得るかを示す、図４のニアアイディスプレイシステムの側面図である。

【0016】

【図6】一実施形態に係る、ディスプレイと入力カプラとの間に光方向転換素子を含む、例示的なニアアイディスプレイシステムの側面図である。

【0017】

【図7】一実施形態に係る、方向転換されなければ、ユーザの視野から外れる光が、ユーザの視野に向けてどのように方向転換されたかを示す、図６のニアアイディスプレイシステムの側面図である。

【0018】

【図8】一実施形態に係る、入力カプラと出力カプラとの間に光方向転換素子を含む、例示的なニアアイディスプレイシステムの正面図である。

【0019】

【図9】一実施形態に係る、入力カプラと出力カプラとの間の空間にわたる光方向転換素子を含む、例示的なニアアイディスプレイシステムの正面図である。

【0020】

【図10】一実施形態に係る、出力カプラと一体化された、又は出力カプラに多重化された光方向転換素子を含む、例示的なニアアイディスプレイシステムの正面図である。

【0021】

【図11】一実施形態に係る、出力カプラの中央に一体化された光方向転換素子を有する、例示的な出力カプラの正面図である。

【0022】

【図12】一実施形態に係る、出力カプラの寸法に沿ってサイズが増大する、一体化又は多重化された光方向転換素子を有する、例示的な出力カプラの正面図である。

【0023】

【図13】一実施形態に係る、出力カプラ全体に配置された、一体化された光方向転換素子を有する、例示的な出力カプラの正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

１つ以上のニアアイディスプレイシステムを備えたデバイスを有する例示的なシステムを図１に示す。システム１０は、支持構造１２に取り付けられたニアアイディスプレイ２０などの１つ以上のディスプレイを有するヘッドマウントデバイスであってもよい。支持構造１２は、眼鏡の形状（例えば、支持フレーム）を有していてもよいし、ヘルメット形状を有する筐体を形成していてもよいし、若しくはユーザの頭部又は目の近くにニアアイディスプレイ２０の構成要素を取り付けて固定するのに役立つ他の構成を有していてもよい。ニアアイディスプレイ２０は、ディスプレイ２０Ａなどの１つ以上のディスプレイモジュール、及び光学システム２０Ｂなどの１つ以上の光学システムを含むことができる。ディスプレイモジュール２０Ａは、支持構造１２などの支持構造に取り付けられてもよい。ディスプレイモジュール２０Ａは、関連付けられた光学システム２０Ｂを使用してユーザの目１６に向けて方向転換された光を放射することができる。所望であれば、システム１０は、各々がそれぞれのディスプレイモジュール２０Ａ及び光学システム２０Ｂを有する２つのニアアイディスプレイ２０（例えば、ユーザの目の各々に１つ）を含むことができる。

【0025】

ディスプレイ２０Ａは、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、又は他のタイプのディスプレイであってもよい。光学システム２０Ｂは、ビューア（例えば、ビューアの目１６）がディスプレイ２０上の画像を見ることを可能にするレンズを形成することができる。左右それぞれの目１６に関連付けられた（例えば、左側のレンズおよび右側のレンズを形成するための）２つの光学システム２０Ｂがあってもよい。単一のディスプレイ２０によって、片方又は両方の目１６用の画像を生成することができるか、又は一対のディスプレイ２０を使用して、目１６用の画像を表示することができる。一例として、ディスプレイ２０は、左側の光学システム２０Ｂ及びビューアの左目に整列された左側のディスプレイモジュール２０Ａを含むことができ、また右側の光学システム２０Ｂ及びビューアの右目に整列された右側のディスプレイモジュール２０Ａを含むことができる。複数のディスプレイを有する構成では、構成要素２０Ｂによって形成されるレンズの焦点距離及び位置は、ディスプレイ間に存在する任意の隙間がユーザに見えないように（すなわち、左側のディスプレイの画像と右側のディスプレイの画像が重なるように又はシームレスに繋がるように）、選択され得る。

【0026】

システム１０が仮想現実眼鏡である構成では、ニアアイディスプレイ２０は、ユーザの周囲環境のユーザの視野を遮る可能性がある。システム１０が拡張現実眼鏡の構成である構成では、ディスプレイ２０は透明であってもよい、及び／又はディスプレイ２０にはハーフミラーなどの光ミキサを設けてもよく、それによってビューア１６がディスプレイ２０上の画像と、周囲環境の物体１８などの外部物体とを同時に見ることを可能にする。

【0027】

システム１０は制御回路２６を含むことができる。制御回路２６は、マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、マイクロコントローラ、ベースバンドプロセッサ、画像プロセッサ、処理回路を有する特定用途向け集積回路、及び／又は他の処理回路などの処理回路を含むことができ、またランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フラッシュストレージ、ハードディスクストレージ、及び／又は他のストレージ（例えば、制御回路２６において実行されるソフトウェアのためのコンピュータ命令を記憶するための非一時的なストレージ）を含むことができる。

【0028】

システム１０は、タッチセンサ、ボタン、音声入力及び他の入力を収集するためのマイクロフォン、センサ、並びに入力（例えば、ビューア１６からのユーザ入力）を収集する他のデバイスなどの、入出力回路を含むことができ、また発光ダイオード、１つ以上のディスプレイ２０、スピーカ、及び出力（例えば、ビューア１６のための出力）を提供するための他のデバイスを含むことができる。システム１０は、所望であれば、コンピュータ又は他の外部機器（例えば、ディスプレイ２０に画像コンテンツを供給するコンピュータ）との通信をサポートするための無線回路及び／又は他の回路を含むことができる。所望であれば、加速度計、コンパス、周囲光センサ又は他の光検出器、近接センサ、走査レーザシステム、画像センサ、及び／又は他のセンサ、などのセンサを、ディスプレイ２０の動作中に入力を収集する際に使用することができる。動作中、制御回路２６は画像コンテンツをディスプレイ２０に供給することができる。コンテンツは、（例えば、システム１０に結合されたコンピュータ又は他のコンテンツソースから）遠隔受信されてもよく、及び／又は（例えば、テキスト、他のコンピュータ生成コンテンツ、などを）制御回路２６によって生成されてもよい。制御回路２６によってディスプレイ２０に供給されるコンテンツを、ビューア１６が見ることができる。

【0029】

図２は、図１のシステム１０において使用され得る例示的なニアアイディスプレイ２０の上面図である。図２に示すように、ニアアイディスプレイ２０は、ディスプレイモジュール２０Ａなどの１つ以上のディスプレイモジュール、及び光学システム２０Ｂなどの光学システムを含むことができる。光学システム２０Ｂは、導波路２８、入力カプラ３０、及び出力カプラ３２などの光学素子を含むことができる。ディスプレイモジュール２０Ａは、ディスプレイユニット３６及びコリメートレンズ３４を含むことができる。所望であれば、ディスプレイモジュール２０Ａは、図１の支持構造１２内に取り付けられてもよく、その一方で光学システム２０Ｂは、（例えば、ユーザの目１６と整列するレンズを形成するために）支持構造１２の部品間に取り付けられてもよい。所望であれば、他の取り付け構成を使用してもよい。

【0030】

ディスプレイユニット３６は、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、陰極線管、プラズマディスプレイ、プロジェクタディスプレイ（例えば、マイクロミラーアレイに基づくプロジェクタ）、反射型液晶ディスプレイ、又は他の適切なタイプのディスプレイに基づくディスプレイユニットであってもよい。ディスプレイ３６は、ビューア１６に表示される３次元コンテンツに関連付けられた光３８を生成することができる。光３８は、コリメートレンズ３４などのレンズを使用してコリメートされてもよい。光学システム２０Ｂを使用して、ディスプレイユニット３６からビューア１６に出力される光３８を提供することができる。

【0031】

光学システム２０Ｂは、入力カプラ３０及び出力カプラ３２などの１つ以上のカプラを含むことができる。図２Ａの例では、入力カプラ３０及び出力カプラ３２は、導波路２８（例えば、ポリマー、ガラス、又は全反射を介して光を導くことができる他の透明基板）などの導波構造に少なくとも部分的に埋め込まれている。図２Ｂの例では、入力カプラ３０及び出力カプラ３２は、導波路２８の外面に形成されている。

【0032】

入力カプラ３０は、ディスプレイユニット３６からの光３８を導波路２８に結合するように構成され得るが、これに対し出力カプラ３２は、導波路２８内から、ユーザの目１６に向けて導波路２８の外部に光を結合するように構成され得る。例えば、ディスプレイ３６は、光３８をＺ方向において光学システム２０Ｂへと放射することができる。光３８が入力カプラ３０に入射すると、入力カプラ３０は、光３８が導波路２８内で全反射によって（例えばＸ方向において）出力カプラ３２に向かって伝搬するように、光３８を方向転換することができる。光３８が出力カプラ３２に入射すると、出力カプラ３２は、光３８を、導波路２８から出射させてビューアの目１６に向けて（例えばＺ軸に沿って戻して）方向転換することができる。

【0033】

入力カプラ３０及び出力カプラ３２は、反射光学系及び屈折光学系に基づくものであってもよいし、ホログラフィック（例えば、回折）光学系に基づくものであってもよい。カプラ３０及び３２が反射光学系及び屈折光学系から形成される構成では、カプラ３０及び３２は、１つ以上の反射器（例えば、マイクロミラー又は他の反射器のアレイ）を含むことができる。カプラ３０及び３２がホログラフィック光学系に基づく構成では、カプラ３０及び３２は、フォトポリマーなどの体積ホログラフィック媒体、重クロム酸ゼラチンなどのゼラチン、ハロゲン化銀、ホログラフィックポリマー分散液晶、又は他の適切な体積ホログラフィック媒体など、を含むことができる。

【0034】

ホログラフィック記録は、感光性光学材料内に光干渉パターン（例えば、屈折率が異なる領域が交互に現れる領域）として記憶され得る。光干渉パターンは、所与の光源で照明されると、光を回折させてホログラフィック記録の３次元再構成を生成する、ホログラフィック格子を生成することができる。回折格子は、永続的な干渉パターンでエンコードされた切り換え不可能な回折格子であってもよいし、ホログラフィック記録媒体に印加される電界を制御することによって回折光を変調することができる切り換え可能な回折格子であってもよい。

【0035】

所望であれば、カプラ３０及び３２は、導波路２８の厚さに比べて比較的大きな厚さを有することができる。例えば、カプラ３０及び３２の厚さＴ１は、５００ミクロン～１０００ミクロン、２００ミクロン～８００ミクロン、１０００ミクロン超、又は他の適切な厚さであってもよく、これに対し導波路２８の厚さＴ２は１００ミクロン～５００ミクロン、２００ミクロン～３００ミクロン、１ｍｍ～２ｍｍ、３ｍｍ未満、３ｍｍ超、又は他の適切な厚さであってもよい。図２Ｂに示すように、導波路２８の表面にカプラ３０及び３２が形成された構成では、（例えば、図２Ａに示したような導波路２８に埋め込まれた構成とは異なり）、カプラ３０及び３２の厚さＴ１は、所望であれば、導波路２８の厚さＴ２より大きくてもよい。しかし、これは単なる例示である。所望であれば、カプラ３０及び３２は比較的薄くてもよく（例えば５０ミクロン）、導波路２８は比較的厚くてもよい（例えば５００ミクロン）。

【0036】

カプラ３０及び３２に厚いフィルムを使用することは、出力画像の均一性を高めるのに役立つことができ、また異なる光学機能を記録するより多くの材料を提供することができる。例えば、より厚いカプラでは、異なる干渉パターンを記録するためにより多くの材料が利用可能である（例えば、第１の光学機能を有する第１の干渉パターンをカプラ内の１つの深さに記録することができ、第２の光学機能を有する第２の干渉パターンをカプラ内の別の深さに記録することができる、など）。例えば、カプラ３０に記録された１つの光学機能は、所与の入力角度を有する光を第１の出力角度（例えば、４５°）に方向転換することができ、これに対しカプラ３０に記録された別の光学機能は、所与の入力角度を有する光を第２の出力角度（例えば、６０°）に方向転換することができる。

【0037】

カプラ３０及び３２は、所望であれば、カラー３次元画像を形成するために多重ホログラム（例えば、赤－緑－青のホログラムなどの３色ホログラム）であってもよい。各カプラ３０及び３２における回折効率は、光が各カプラから円滑で均一なやり方で出射するように、変調されてもよい（例えば、カプラ３０及び３２の幅にわたって変更されてもよい）。例えば、回折効率は、光源からより遠いエリアに対してはより高くなってもよい（例えば、一例として、ディスプレイユニット３６により近いカプラ３０又は３２の領域内の回折効率は１０％であり得るが、その一方で一例として、ディスプレイユニット３６からより遠いカプラ３０又は３２の領域内の回折効率は、７０％であってもよい）。

【0038】

図３は、ニアアイディスプレイシステム２０において使用され得る例示的な光学システム２０Ｂの正面図である。図３に示すように、入力カプラ３０は、出力カプラ３２より幾分小さい。例えば、入力カプラ３０は、約１６ｍｍの幅Ｗ１及び約３２ｍｍの長さＬ１を有してもよく、これに対し出力カプラ３２は約３７ｍｍの幅Ｗ２及び約２６ｍｍの長さを有してもよい。入力カプラ３０の中心と出力カプラ３２の中心との間の距離Ｄは、約４５ｍｍ又は他の適切な距離であってもよい。しかしながら、これらの寸法は単なる例示である。所望であれば、他の寸法を使用することができる（例えば、入力カプラ３０は、出力カプラ３２と同じか又はそれを超えるサイズであってもよい）。

【0039】

図３に示すように、入力カプラ３０は１つ以上の光干渉パターン４０を有し、出力カプラ３２は１つ以上の光干渉パターン４２を有する。各光干渉パターンは、関連付けられた光学機能に従って入射光３８を方向転換することができる。図３の例では、干渉パターン４０及び４２が、屈折率が交互に変化する垂直ストリップ（例えば、図３のＹ軸に平行なストリップ）から形成される。これは、入射光を所望の角度で方向転換する回折格子を形成する。

【0040】

図４及び図５は、図３に示したタイプの光学システム２０Ｂが、ユーザの目１６に向けて光をどのように方向転換することができるかを示す、例示的なニアアイディスプレイ２０の側面図である。図４は、光が光学システム２０Ｂにどのように入射されるかを示し、図５は、光が光学システム２０Ｂをどのように出射されるかを示す。図４に示すように、ディスプレイユニット３６は、光学システム２０Ｂに向けて光３８を放射することができる。コリメートレンズ３４は、光３８をコリメートして、光３８を光学システム２０Ｂに集束させることができる。コリメータ３４からシステム２０Ｂへ移動する光３８は、Ｘ成分（Ｘ軸に平行）、Ｙ成分（Ｙ軸に平行）及びＺ成分（Ｚ軸に平行）を有するベクトルによって表され得る。

【0041】

入力カプラ３０における干渉パターン４０は、入射光３８がＸ軸に沿って、導波路２８において出力カプラ３２に向かって伝搬するように、入射光３８を方向転換することができる。出力カプラ３２における干渉パターン４２は、入射光３８がＸ方向における伝搬を停止するが、その代わりに（図５に示すように）方向Ｚにおいて導波路２８から出射するように、入射光３８を方向転換することができる。

【0042】

注意が払われなければ、光３８の一部は、ビューアの目１６の視野から外れることがあり得る。例えば、縁部光線３８'などの一部の光線は、ユーザの目１６に届かない可能性がある。これは、図３の垂直ストリップ干渉パターン４０及び４２によって、入射光３８のＸ成分は（例えば、光３８がＸ方向において出力カプラ３２に向かって伝搬するように）変化するが、入射光３８のＹ成分は変化しないためである。したがって、出力カプラ３２の上部５０Ｔ及び下部５０Ｂから出力カプラ３２を出射する光線３８は、ユーザの視野の上又は下を通過する可能性がある。

【0043】

ユーザの視野から外れる光３８の量を最少にするために、ニアアイディスプレイシステム２０は、縁部光（例えば、図４の光３８'）を異なる位置に方向転換し、それによって縁部光がユーザの視野内にあるようにする光方向転換素子を含むことができる。図６及び図７は、光方向転換素子４８が入力カプラ３０の前に（例えば、ディスプレイ３６と入力カプラ３０との間に）配置されている例を示す。図８及び９は、光方向転換素子４８が入力カプラ３０と出力カプラ３２との間に配置されている例を示し、図１０～１３は、光方向転換素子４８が出力カプラ３２と一体化されている例を示す。所望であれば、図１～図１３に示す特徴の組み合わせをとる実施形態を使用することができる。例えば、光方向転換素子は、２つ以上の位置に配置されていてもよい（例えば、第１の光方向転換素子は入力カプラ３０と出力カプラ３２との間に配置されていてよく、第２の光方向転換素子は出力カプラ３２と一体化されていてもよい）。

【0044】

光方向転換素子４８は、所望であれば、カラー３次元画像を形成するための多重ホログラム（例えば、赤－緑－青ホログラムなどの３色ホログラム）を含むことができる。光方向転換素子４８における回折効率は、光が光方向転換素子４８から円滑で均一なやり方で出射するように、変調されてもよい（例えば、光方向転換素子４８の幅にわたって変更されてもよい。例えば、回折効率は、光源からより遠いエリアに対しては高くなってもよい（例えば、ディスプレイユニット３６により近い光方向転換素子４８の領域内の回折効率は１０％であり得るが、その一方で一例として、ディスプレイユニット３６からより遠い光方向転換素子４８の領域内の回折効率は、７０％であってもよい）。

【0045】

図６に示すように、光方向転換素子４８は、導波路４６などの導波路に形成された入力カプラ５２及び出力カプラ５４を含むことができる。光方向転換素子４８は、光学システム２０Ｂに取り付けられてもよく、又はディスプレイ２０の他の構造に取り付けられてもよい。光方向転換素子４８は、光学システム２０Ｂと同様に動作することができる。例えば、カプラ５２及び５４は、所与の光学機能に従って入射光を方向転換するエンコードされた干渉パターンを有するホログラフィック光学素子であってもよい。しかし、光学システム２０Ｂにおけるように、光をＸ方向に伝搬させるのではなく、光方向転換素子４８を使用して、光をＹ方向に沿って（例えば、入力カプラ５２から出力カプラ５４へ）伝搬させることができる。

【0046】

例えば、入力カプラ５２は、ディスプレイモジュール２０Ａからの縁部光３８'が導波路４６内でＹ方向において全反射によって、出力カプラ５４に向かって伝搬するように、縁部光３８'を方向転換する、１つ以上の干渉パターンを有することができる。出力カプラ５４は、光３８'を、光学システム２０Ｂに向かって素子４８から出射するように方向転換することができる。光３８'は、（破線４４で示すように）入力カプラ３０の上部５６Ｔに入射するのではなく、入力カプラ３０の下部５６Ｂに向かって放射される。したがって、図７に示すように、光３８'が出力カプラ３２から出射されると、光３８'は、（矢印４４によって示唆されているように、出力カプラ３２の上部５０Ｔから出射されるのではなく）ユーザの目１６に向かって出力カプラ３２の下部５０Ｂから出射する。

【0047】

入力カプラ５２及び出力カプラ５４が導波路４６に埋め込まれている図６の例は単なる例示に過ぎない。所望であれば、カプラ５２及び５４は、導波路４６の外面に（例えば、両方ともディスプレイユニット３６に面する導波路４６の前面に、両方とも導波路２８に面する導波路４６の後面に、又は一方は導波路４６の前面に及び他方は対向する導波路４６の後面に）取り付けられてもよい。

【0048】

図８の例では、光方向転換素子４８は、入力カプラ３０と出力カプラ３２との間に介在されてもよい。図６の例のように、別個の導波路に取り付けられるのではなく、光方向転換素子４８の入力カプラ５２及び出力カプラ５４は、入力カプラ３０と出力カプラ３２との間の導波路２８上に、又は導波路２８内に形成される。

【0049】

入力カプラ３０は、縁部光３８'がＸ方向において入力カプラ５２に向かって伝搬するように、縁部光３８'を方向転換することができる。入力カプラ５２は、入力カプラ３０からの縁部光３８'が導波路２８内でＹ方向において全反射によって、出力カプラ５４に向かって伝搬するように、縁部光３８'を方向転換する、１つ以上の干渉パターンを有することができる。出力カプラ５４は、光３８'がＸ方向において出力カプラ３２に向かって伝搬するように、光３８'を方向転換する、１つ以上の干渉パターンを有することができる。出力カプラ３２は、（矢印４４によって示唆されているように、出力カプラ３２の上部５０Ｔから出射されるのではなく）出力カプラ５４からの光がユーザの目１６に向かって導波路２８から出射するように、光を方向転換することができる。

【0050】

図９は、光方向転換素子４８が入力カプラ３０と出力カプラ３２との間に介在された別の例を示す。この例では、光方向転換素子４８は、出力カプラ３２の長さＬ２よりも大きい長さＬ３を有するフィルムから形成される。光方向転換素子４８は、Ｙ軸に対して非平行である干渉パターン６２を有する。干渉パターン６２は、光３８'がユーザの目１６に導かれるように、光３８'のＹ成分を方向転換するように構成され得る。例えば、図９に示すように、光方向転換要素４８の上部４８Ｔにおける干渉パターン６２は、上部４８Ｔに入射する縁部光３８'のＹ成分を、Ｙ方向で下方に、光方向転換要素４８の下部４８Ｂにおける干渉パターン６２に向けて方向転換することができ、下部４８Ｂにおける干渉パターン６２は、続いて、縁部光３８'のＹ成分を、出力カプラ３２に向けて上方に方向転換することができる。同様に、光方向転換要素４８の下部４８Ｂにおける干渉パターン６２は、下部４８Ｂに入射する縁部３８'のＹ成分を、Ｙ方向で上方に、光方向転換要素４８の上部４８Ｔにおける干渉パターン６２に向けて方向転換することができ、上部４８Ｔにおける干渉パターン６２は、続いて、縁部光３８'のＹ成分を、出力カプラ３２に向けて下方に方向転換することができる。出力カプラ３２は、光方向転換素子４８からの光を、ユーザの目１６に向かって導波路２８から出射するように方向転換することができる。

【0051】

図１０の例では、１つ以上の光方向転換素子４８を出力カプラ３２に一体化することができる。図１０の光方向転換素子４８は、カプラ３２においてエンコードされている光干渉パターンを含むことができる。したがって、カプラ３２は、Ｙ軸に平行な干渉パターン４２の垂直ストリップだけでなく、Ｙ軸に非平行な干渉パターン５８も含む。干渉パターン５８は、光３８'がユーザの目１６に導かれるように光３８'のＹ成分を方向転換するように構成され得る。例えば、出力カプラ３２の上部５０Ｔにおける干渉パターン５８は、上部５０Ｔに入射する縁部光３８'のＹ成分を、目線６０に向けてＹ方向で下方に方向転換することができ、これに対し、出力カプラ３２の下部５０Ｂにおける干渉パターン５８は、下部５０ｂに入射する縁部光３８'のＹ成分を、目線６０に向けてＹ方向で上方に方向転換することができる。

【0052】

干渉パターン５８が出力カプラ５０の上部５０Ｔ及び下部５０Ｂにのみ配置されている図１０の例は、単なる例示である。所望であれば、図１１の例に示すように、干渉パターン５８は、出力カプラ３２の中央部分５０Ｃにおいてエンコードされ得る。図１２の例では、干渉パターン５８は、出力カプラ３２の中央部分５０Ｃにおいてエンコードされ、かつＸ方向に沿ってサイズが（例えば、サイズＰ１からＰ２に）増大する。これは、光が出力カプラ３２から、円滑で均一なやり方で回折されることを確実にするのに役立つ。図１３の例では、干渉パターン５８は、出力カプラ３２全体にわたってエンコードされる。しかしながら、これらの例は単なる例示である。所望であれば、干渉パターン５８は、他の適切な位置、サイズ、パターン、などで出力カプラ３２にエンコードされ得る。光方向転換素子４８が（例えば、Ｙ軸に非平行な干渉パターンをエンコードすることによって）入力カプラ３０と一体化された配置を使用することもできる。

【0053】

一実施形態によれば、ディスプレイユニットと、ディスプレイユニットから光を受信し、光学システムから光が出射するように方向転換する光学システムであって、光学システムは、入力カプラ、出力カプラ、及び光を第１の方向に沿って伝搬させる第１の導波路を含む、光学システムと、ディスプレイユニットと光学システムとの間に介在された光方向転換素子であって、光方向転換素子は、光を第２の方向に沿って伝搬させる第２の導波路を含む、光方向転換素子と、を含む、ディスプレイシステムが提供される。

【0054】

別の実施形態によれば、入力カプラ及び出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む。

【0055】

別の実施形態によれば、入力カプラは、光方向転換要素から光を受信し、その光を出力カプラに向けて方向転換する。

【0056】

別の実施形態によれば、出力カプラは、入力カプラから光を受信し、その光を光学システムから出射するように方向転換する。

【0057】

別の実施形態によれば、光方向転換素子は、第２の導波路に付加的な入力カプラ及び付加的な出力カプラを含む。

【0058】

別の実施形態によれば、付加的な入力カプラ及び付加的な出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む。

【0059】

別の実施形態によれば、付加的な入力カプラは、ディスプレイユニットから光を受信し、その光を付加的な出力カプラに向けて方向転換する。

【0060】

別の実施形態によれば、付加的な出力カプラは、付加的な入力カプラから光を受信し、その光を入力カプラに向けて方向転換する。

【0061】

別の実施形態によれば、第１の方向は第２の方向に対して垂直である。

【0062】

一実施形態によれば、ディスプレイユニットと、ディスプレイユニットから光を受信し、光学システムから光が出射するように方向転換する光学システムであって、光学システムは、第１の入力カプラ、第１の出力カプラ、及び導波路を含む、光学システムと、入力カプラと出力カプラとの間に介在された光方向転換素子であって、光方向転換素子は、導波路に第２の入力カプラ及び第２の出力カプラを含み、第２の入力カプラは光を第１の入力カプラから受信し、第１の出力カプラは光を第２の出力カプラから受信する、光方向転換素子と、を含むディスプレイシステムが提供される。

【0063】

別の実施形態によれば、第１の入力カプラ、第２の入力カプラ、第１の出力カプラ及び第２の出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む。

【0064】

別の実施形態によれば、導波路は、第１の入力カプラから第２の入力カプラへ第１の方向に沿って光を伝搬させ、導波路は、第２の入力カプラから第２の出力カプラへ第２の方向に沿って光を伝搬させる。

【0065】

別の実施形態によれば、第１の方向は第２の方向に対して垂直である。

【0066】

別の実施形態によれば、第１の入力カプラは、第１の出力カプラよりも小さい寸法を有する。

【0067】

一実施形態によれば、ディスプレイユニットと、
ディスプレイユニットから光を受信し、光学システムから光が出射するように方向転換する光学システムであって、光学システムは、入力カプラ、出力カプラ、及び入力カプラから出力カプラに光を伝搬させる導波路を含み、出力カプラは、第１の非平行な干渉パターン及び第２の非平行な干渉パターンを含む、光学システムと、を含むディスプレイシステムが提供される。

【0068】

別の実施形態によれば、入力カプラ及び出力カプラの厚さは、導波路の厚さよりも大きい。

【0069】

別の実施形態によれば、入力カプラ及び出力カプラの各々は、ホログラフィック光学素子を含む。

【0070】

別の実施形態によれば、ホログラフィック光学素子は色多重化される。

【0071】

別の実施形態によれば、第１及び第２の干渉パターンの各々は、変調された回折効率を有する。

【0072】

別の実施形態によれば、第２の干渉パターンは、出力カプラの上部及び出力カプラの下部に配置される。

【0073】

前述は単なる例示に過ぎず、記載された実施形態に対して様々な修正を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組み合わせで実装され得る。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】