(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】2024-08-29
(45)【発行日】2024-09-06
(54)【発明の名称】導波路構造およびそれを用いた表示装置
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20240830BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20240830BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20240830BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
G02B27/02 Z
G02B6/12
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022169058
(22)【出願日】2022-10-21
(65)【公開番号】P2023166322
(43)【公開日】2023-11-21
【審査請求日】2022-10-21
(31)【優先権主張番号】17/739,888
(32)【優先日】2022-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】507296388
【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ
(74)【代理人】
【識別番号】110000486
【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】傅 柏翰
(72)【発明者】
【氏名】謝 馨儀
(72)【発明者】
【氏名】王 唯科
【審査官】中村 説志
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２１／１３３９６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／１６９３８３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２２７３１６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１１８２７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１８６７９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２７８４９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－２６２３２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－００４００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１４１１４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００８－１３９６１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２２５４９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／００８１２４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国実用新案第２１７１５６８５３（ＣＮ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０２Ｂ ２７／０２
Ｇ０２Ｂ ２７／０１
Ｇ０２Ｂ ６／００
Ｇ０２Ｂ ６／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに積層された導波路結合器を含み、各前記導波路結合器は、
導波路板、および
前記導波路板上に配置された入力カプラを含み、
少なくとも１つの前記導波路結合器の前記入力カプラは第１のグレーティングピラーを含み、
各前記第１のグレーティングピラーは３つ以上の積層を有し、
前記第１のグレーティングピラーの底部に位置する前記積層の屈折率が最大であり、
前記第１のグレーティングピラーの頂部に位置する前記積層の屈折率が最小であり、
前記第１のグレーティングピラーは、前記屈折率が最小屈折率から最大屈折率まで徐々に増加するように、構成されている導波路構造。
【請求項2】
前記導波路結合器は、第１導波路結合器及び第２導波路結合器を含み、前記第１導波路結合器は、３８０ｎｍ～７５０ｎｍの波長を有する異なる色の光を結合し、
前記第２導波路結合器は、３８０ｎｍ～７５０ｎｍの波長を有する異なる色の光を結合する請求項１に記載の導波路構造。
【請求項3】
前記第１のグレーティングピラーの前記積層の数は３以上、３０以下であり、前記第１のグレーティングピラーの前記積層の全高は、４０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にある請求項１に記載の導波路構造。
【請求項4】
前記最大屈折率と前記最小屈折率との差は０より大きく、２．１以下であり、徐々に増加する前記屈折率は、１．４～３．５の範囲にあり、
前記導波路板は、１．５～３．０の範囲で一定の屈折率を有する請求項１に記載の導波路構造。
【請求項5】
前記第１のグレーティングピラーは周期的な配列で形成され、前記周期的な配列の周期は、２５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲にある請求項１に記載の導波路構造。
【請求項6】
前記導波路構造の断面図から見て、各前記第１のグレーティングピラーのプロファイルは、２つの平行な辺を有し、各前記第１のグレーティングピラーの前記プロファイルは台形であり、前記２つの平行な辺は、上底および下底であり、前記下底は前記上底より前記導波路板に近く、前記下底は前記上底より長い請求項１に記載の導波路構造。
【請求項7】
各前記導波路結合器は、前記導波路板上に配置され、前記入力カプラに隣接するエキスパンダーをさらに含み、
前記エキスパンダーは第２のグレーティングピラーを含み、
２つの隣接する第２のグレーティングピラー間の距離は一定であり、
前記２つの隣接する第２のグレーティングピラーは、異なる幅、又は、異なる厚さを有する請求項１に記載の導波路構造。
【請求項8】
各前記導波路結合器は、前記導波路板上に配置された出力カプラをさらに含み、前記エキスパンダーは、前記入力カプラと前記出力カプラとの間に配置される請求項７に記載の導波路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、導波路構造およびそれを用いた表示装置に関するものであり、特に、徐々に変化する屈折率を有する入力カプラを含む導波路結合器を含む導波路構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）装置で用いられるようなニアアイディスプレイは、技術の進歩に伴いますます普及している。ニアアイディスプレイは、仮想オブジェクトを表示、または実オブジェクトを仮想オブジェクトの画像と組み合わせることができる。例えば、ユーザーは、ＡＲシステムで仮想オブジェクト（例えば、コンピューター生成画像（ＣＧＩ））と周囲の環境の混合画像を同時に見ることができ、医療、教育、物流、ｅ－Ｈｅａｌｔｈ、および製造など様々な分野で幅広く用いられることができる。
【0003】
しかしながら、仮想オブジェクトの画像がユーザーの視野（ＦｏＶ）に送信されるとき、色により波長が異なるため、結合効率が低く、視野が十分でないなどの問題がしばしば生じる。これは、例えば、画像表示が不完全、誤った縮尺で表示、または色ずれなど、さまざまな望ましくない状態が生じる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
導波路構造およびそれを用いた表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示のいくつかの実施形態では、表示装置（例えば、ＡＲ、ＶＥ、またはＭＲ装置）は、互いに積層された導波路結合器を含む導波路構造を含む。導波路結合器の少なくとも１つの入力カプラは、徐々に変化する屈折率を有し、結合効率とユーザーの視野（ＦｏＶ）を効果的に改善することができる。
【0006】
本開示のいくつかの実施形態による、導波路構造が提供される。導波路構造は、互いに積層された導波路結合器を含む。各導波路結合器は、導波路板、および導波路板上に配置された入力カプラを含む。少なくとも１つの導波路結合器の入力カプラは第１のグレーティングピラーを含み、各第１のグレーティングピラーは徐々に変化する屈折率を有する。
【0007】
いくつかの実施形態では、２つ以上の導波路結合器がある。
【0008】
いくつかの実施形態では、各第１のグレーティングピラーは積層を有し、２～３０の積層がある。
【0009】
いくつかの実施形態では、積層の厚さは異なる。
【0010】
いくつかの実施形態では、積層の全高は、４０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にある。
【0011】
いくつかの実施形態では、徐々に変化する屈折率は、最大屈折率および最小屈折率を有し、最大屈折率と最小屈折率との差は０より大きく、２．１以下である。
【0012】
いくつかの実施形態では、徐々に変化する屈折率は、１．４～３．５の範囲にある。
【0013】
いくつかの実施形態では、第１のグレーティングピラーは周期的な配列で形成され、この周期的な配列の周期は、２５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲にある。
【0014】
いくつかの実施形態では、導波路構造の断面図から見て、各第１のグレーティングピラーのプロファイルは、２つの平行な辺を有する。
【0015】
いくつかの実施形態では、各第１のグレーティングピラーのプロファイルは台形であり、２つの平行な辺は、上底および下底であり、下底は上底より導波路板に近い。
【0016】
いくつかの実施形態では、下底は上底より長い。
【0017】
いくつかの実施形態では、導波路板は、１．５～３．０の範囲で一定の屈折率を有する。
【0018】
いくつかの実施形態では、各導波路結合器は、導波路板上に配置され、入力カプラに隣接するエキスパンダーをさらに含む。
【0019】
いくつかの実施形態では、エキスパンダーは第２のグレーティングピラーを含み、２つの隣接する第２のグレーティングピラー間の距離は一定である。
【0020】
いくつかの実施形態では、第２のグレーティングピラーは異なる幅を有する。
【0021】
いくつかの実施形態では、第２のグレーティングピラーは異なる厚さを有する。
【0022】
いくつかの実施形態では、各導波路結合器は、導波路板上に配置された出力カプラをさらに含み、エキスパンダーは、入力カプラと出力カプラとの間に配置される。
【0023】
いくつかの実施形態では、導波路結合器は、異なる色の光を結合するように用いられ、異なる色の光は、３８０ｎｍ～７５０ｎｍの波長を有する。
【0024】
本開示のいくつかの実施形態による、表示装置が提供される。表示装置は、画像ソース、および画像ソースからの光を結合するように構成された導波路構造を含む。導波路構造は、互いに積層された導波路結合器を含む。各導波路結合器は、導波路板、および導波路板上に配置された入力カプラを含む。少なくとも１つの導波路結合器の入力カプラは、第１のグレーティングピラーを含み、各第１のグレーティングピラーは徐々に変化する屈折率を有する。
【0025】
いくつかの実施形態では、表示装置は、画像ソースと導波路構造との間に配置されたコリメータをさらに含む。
【発明の効果】
【0026】
本発明は、結合効率とユーザーの視野（ＦｏＶ）を効果的に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下の開示は、提供される主題の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態または例を提供する。本開示を簡潔に説明するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。これらはもちろん単に例示するためであり、これに限定するという意図はない。例えば、下記の開示において、第１の特徴が第２の特徴の上に形成されるということは、第１と第２の特徴が直接接触して形成される複数の実施形態を含むことができ、且つ第１と第２の特徴が直接接触しないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成される複数の実施形態を含むこともできる。
【0029】
追加のステップが、例示された方法の前、間、または後に実施されてもよく、例示された方法のその他の実施形態では、いくつかのステップが置き換えられるか、または省略されてもよい。
【0030】
さらに、（以下の詳細な説明において）、「下の方」、「下方」、「下部」、「上」、「上方」、「上部」およびこれらに類する語のような、空間的に相対的な用語は、図において１つの要素または特徴と、別の（複数の）要素と（複数の）特徴との関係を記述するための説明を簡潔にするために用いられる。空間的に相対的な用語は、図に記載された方向に加えて、使用または操作する装置の異なる方向を包含することを意図している。装置は、他に方向づけされてもよく（９０度回転、または他の方向に）、ここで用いられる空間的に相対的な記述は、同様にそれに応じて解釈され得る。
【0031】
本開示では、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、記載されている値の＋／－２０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－５％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－３％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－２％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、記載されている値の＋／－０．５％を意味する。本開示に記載されている値は、概算値である。即ち、「約」、「およそ」、「実質的に」の具体的な説明がない場合、「約」、「およそ」、「実質的に」の意味が暗示され得る。
【0032】
特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本開示の実施形態では、一般的に使用される辞書に定義されている用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されないことを理解されたい。
【0033】
本開示は、以下の実施形態において同じ構成要素の符号または文字を繰り返し用いる可能性がある。繰り返し用いる目的は、簡易化した、明確な説明を提供するためのもので、説明される様々な実施形態および／または構成の関係を限定するものではない。
【0034】
図１は、本開示のいくつかの実施形態による表示装置１００を示す概略図である。いくつかの構成要素は、図１では実際の構造で示されておらず、表示装置１００のいくつかの構成要素は、簡潔にするために省略されていることに留意されたい。また、表示装置１００は、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、または混合現実（ＭＲ）に適用可能なニアアイディスプレイであることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0035】
図１に示すように、いくつかの実施形態では、表示装置１００は画像ソース１０を含む。例えば、画像ソース１０は、仮想オブジェクトの画像を表示するように用いられることができる。画像ソース１０は、可視波長範囲（例えば、約３８０ｎｍから約７５０ｎｍまでの波長）の異なる色の光を発することができる様々な光源であることができるが、本開示はこれらに限定されない。画像ソース１０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、アクティブマトリックス有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）、シリコン上の液晶（ＬＣｏＳ）、デジタル光処理（ＤＬＰ）、ＲＧＢレーザー、その他の適用可能なデバイス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。
【0036】
図１に示すように、いくつかの実施形態では、表示装置１００は、画像ソース１０からの光（例えば、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および／または青色光Ｂ）を結合するように構成された導波路構造ＷＳを含む。図１は、導波路構造ＷＳの断面図を示していることに留意されたい。図１に示すように、いくつかの実施形態では、導波路構造ＷＳは、互いに積層された導波路結合器３０および導波路結合器４０を含む。特に、導波路結合器３０は、導波路結合器４０上に配置される。
【0037】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器３０は導波路板３１を含む。例えば、導波路板３１は、約１．５～約３．０の範囲で一定の屈折率を有する透明な誘電材料（例えば、ガラス）を含むことができるが、本開示はこれに限定されない。さらに、導波路板３１は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス、スピンコーティングプロセス、その他の適用可能なプロセス、またはそれらの組み合わせなどの堆積プロセスによって形成されることができるが、本開示は、これらに限定されない。
【0038】
図１に示すように、いくつかの実施形態では、導波路結合器３０は、導波路板３１上に配置された入力カプラ３３を含む。図１に示すように、いくつかの実施形態では、導波路結合器３０の入力カプラ３３はグレーティングピラー３３１を含み、各グレーティングピラー３３１は徐々に変化する屈折率を有する。いくつかの実施形態では、徐々に変化する屈折率は、約１．４～約３．５の範囲にある。入力カプラ３３に含まれる複数のグレーティングピラー３３１は、コリメータ２０から出力される平行光の一部を導波路板３１の内側に向けて屈折させるように構成されてもよい。
【0039】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による導波路板３１およびグレーティングピラー３３１を示す部分断面図である。いくつかの実施形態では、各グレーティングピラー３３１は積層Ｓ１（図２を参照）を有し、２～３０の積層Ｓ１が存在する。例えば、図２に示されるように、各グレーティングピラー３３１は積層Ｓ１を有し、１１の積層Ｓ１が存在するが、本開示はこれらに限定されない。また、積層Ｓ１は、堆積プロセスによって形成されることができる。堆積プロセスの例は上述されており、ここでは繰り返されない。
【0040】
いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３３１の積層Ｓ１は、異なる材料を含むかまたは異なる濃度を有し、グレーティングピラー３３１は徐々に変化する屈折率を有するようにする。いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３３１の徐々に変化する屈折率は、最大屈折率（例えば、グレーティングピラー３３１の底部にあるスタック層Ｓ１Ｂの屈折率）および最小屈折率（例えば、グレーティングピラー３３１の頂部にあるスタック層Ｓ１Ｔの屈折率）を有し、最大屈折率と最小屈折率との差は０より大きく、約２．１以下である。言い換えると、複数のグレーティングピラー３３１は、最大屈折率から最小屈折率の差が０より大きく、約２．１以下であり、屈折率が最大屈折率から最小屈折率まで徐々に変化するように、構成されてもよい。
【0041】
例えば、グレーティングピラー３３１の上部にある積層Ｓ１Ｔの屈折率は、約１．７７であることができ、グレーティングピラー３３１の底部にある積層Ｓ１Ｂの屈折率は、約２．４０であることができ、積層Ｓ１Ｂの屈折率と積層Ｓ１Ｔの屈折率との差は約０．６３であるが、本開示はこれに限定されない。
【0042】
また、積層Ｓ１Ｔと積層Ｓ１Ｂとの間の積層の屈折率は、約１．７７～約２．４０の範囲にある。即ち、グレーティングピラー３３１は上部から底部に徐々に増加する屈折率を有することができるが、本開示はこれに限定されない。
【0043】
図２に示された実施形態では、各積層Ｓ１は同一の厚さを有するが、本発明はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、積層Ｓ１の厚さは異なる。図２に示されるように、いくつかの実施形態では、積層Ｓ１の全高Ｈ３３１は、約４０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲にある。
【0044】
図１および図２に示されるように、いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３３１は周期的な配列で形成され、この周期的な配列の周期Ｐ３３は、約３２６ｎｍなど、約２５０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲にある。換言すれば、２つの隣接するグレーティングピラー３３１間の距離は一定であり得るが、本開示はこれに限定されない。レーティングピラー３３１は、導波路板３１の上面に沿う方向で、周期的に配列されてもよい。
【0045】
図３Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるグレーティングピラー３３１を示す拡大図である。図１および図３Ａに示されるように、導波路構造ＷＳの断面図から見て、各グレーティングピラー３３１のプロファイル（断面形状）は台形である。なお、導波路構造ＷＳの断面は、導波路板３１の上面に対して垂直な面である。図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは、２つの平行な辺、上底ＵＢおよび下底ＬＢを有し、下底ＬＢは上底ＵＢより導波路板３１に近い。
【0046】
図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、下底ＬＢは上底ＵＢより長い。即ち、下底ＬＢの幅ＷＬＢは、上底ＵＢの幅ＷＵＢより大きくてもよいが、これに限定されない。図１および図３Ａに示されるように、グレーティングピラー３３１の下底ＬＢは、導波路板３１に取り付けられることができるが、本発明はこれに限定されない。
【0047】
図３Ｂ～図３Ｅは、本開示のいくつかの他の実施形態によるグレーティングピラー３３１を示す異なる拡大図である。いくつかの実施形態では、導波路構造ＷＳの断面図から見て、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは、２つの平行な辺を有する。
【0048】
図３Ｂに示されるように、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは長方形であり、２つの平行な辺は上辺ＵＳと下辺ＬＳである。図３Ｃに示されるように、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは平行四辺形であり、２つの平行な辺は上辺ＵＳおよび下辺ＬＳである。図３Ｄに示されるように、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは等脚台形であり、２つの平行な辺は上底ＵＢと下底ＬＢである。図３Ｅに示されるように、各グレーティングピラー３３１のプロファイルは正方形であり、２つの平行な辺は上辺ＵＳおよび下辺ＬＳである。各グレーティングピラー３３１のプロファイルは、図３Ａ～図３Ｅに限定されず、必要に応じて変更されることができる。
【0049】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器３０は、導波路板３１上に配置され、入力カプラ３３に隣接するエキスパンダー３５をさらに含む。例えば、エキスパンダー３５は、二次元（２Ｄ）瞳拡大技術（pupil expansion technique）を用いることができ、表示画像を解放するグレーティング構造を含むことができるが、本開示はこれに限定されない。
【0050】
図４Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるエキスパンダー３５を示す部分断面図である。図４Ａに示すように、いくつかの実施形態では、エキスパンダー３５はグレーティングピラー３５３を含み、２つの隣接するグレーティングピラー３５３間の距離は一定である。換言すれば、いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３５３は周期的な配列で形成され、この周期的な配列の周期Ｐ１は一定である。グレーティングピラー３５３は、図４Ａの導波路板３５１上に配置されるが、導波路板３５１は、必要に応じて調整され得る別の導波路板または導波路板３１の一部であってもよいことに留意されたい。
【0051】
いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３５３は異なる幅を有する。例えば、図４Ａに示されるように、グレーティングピラー３５３－１の幅Ｗ１は、隣接するグレーティングピラー３５３－２の幅Ｗ２より短いが、本開示はこれに限定されない。
【0052】
図４Ｂは、本開示のいくつかの他の実施形態によるエキスパンダー３５を示す部分断面図である。同様に、図４Ｂに示すように、エキスパンダー３５はグレーティングピラー３５３を含み、２つの隣接するグレーティングピラー３５３間の距離は一定である。換言すれば、いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３５３は周期的な配列で形成され、この周期的な配列の周期Ｐ１は一定である。
【0053】
いくつかの実施形態では、グレーティングピラー３５３は異なる厚さを有する。例えば、図４Ｂに示されるように、グレーティングピラー３５３－１の厚さＴ１は、隣接するグレーティングピラー３５３－２の厚さＴ２より小さいが、本開示はこれに限定されない。なお、図４Ｂに示すように、各グレーティングピラー３５３の上面は同じ高さに位置しており、各グレーティングピラー３５３の下面（底面）は異なる高さに位置してもよい。
【0054】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器３０は、導波路板３１上に配置された出力カプラ３７を含む。より詳細には、エキスパンダー３５は、導波路板３１の上面において、入力カプラ３３と出力カプラ３７との間に配置される。
【0055】
図１に示すように、導波路結合器４０は、導波路結合器３０と同様の構造を有する。図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器４０は、導波路板４１、および導波路板４１上に配置された入力カプラ４３を含む。図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器４０の入力カプラ４３は、グレーティングピラー４３１を含む。
【0056】
図５は、本開示のいくつかの実施形態による導波路板４１およびグレーティングピラー４３１を示す部分断面図である。いくつかの実施形態では、各グレーティングピラー４３１は積層Ｓ２（図５を参照）を有し、２～３０の積層Ｓ２が存在する。例えば、図５に示されるように、各グレーティングピラー４３１は積層Ｓ２を有し、１１の積層Ｓ２が存在するが、本開示はこれらに限定されない。いくつかの他の実施形態では、グレーティングピラー４３１の積層Ｓ２の数は、グレーティングピラー３３１の積層Ｓ１の数と異なる。また、積層Ｓ２は、堆積プロセスによって形成されることができる。堆積プロセスの例は上述されており、ここでは繰り返されない。
【0057】
いくつかの実施形態では、グレーティングピラー４３１の積層Ｓ２は、同じ材料を含むかまたは同じ濃度を有し、グレーティングピラー４３１は一定の屈折率を有するようにする。例えば、グレーティングピラー４３１の上部にある積層Ｓ２Ｔの屈折率は、約２．４０であることができ、グレーティングピラー４３１の底部にある積層Ｓ２Ｂの屈折率は、約２．４０であることができ、積層Ｓ２Ｂの屈折率と積層Ｓ２Ｔの屈折率との差は約０であるが、本発明はこれに限定されない。
【0058】
いくつかの他の実施形態では、グレーティングピラー４３１の積層Ｓ２は、グレーティングピラー３３１の積層Ｓ１と同様である。即ち、グレーティングピラー４３１の積層Ｓ２は、異なる材料を含むか、または異なる濃度を有し、グレーティングピラー４３１は徐々に変化する屈折率を有するようにする。
【0059】
図５に示された実施形態では、各積層Ｓ２は同じ厚さを有するが、本発明はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、積層Ｓ２の厚さは異なる。図５に示されるように、いくつかの実施形態では、積層Ｓ２の全高Ｈ４３１は、約４０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲にある。
【0060】
図１および図５に示されるように、いくつかの実施形態では、グレーティングピラー４３１は周期的な配列で形成され、周期的な配列の周期Ｐ４３は、約４４９ｎｍなど、約２５０ｎｍ～約７５０ｎｍの範囲にある。換言すれば、２つの隣接するグレーティングピラー４３１間の距離は一定であり得るが、本開示はこれに限定されない。いくつかの他の実施形態では、グレーティングピラー４３１のプロファイルは、各グレーティングピラー３３１のプロファイルと異なり、必要に応じて調整されることができる。
【0061】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器４０は、導波路板４１上に配置され、入力カプラ４３に隣接するエキスパンダー４５をさらに含む。同様に、エキスパンダー４５は、二次元（２Ｄ）瞳拡大技術を用いることができ、表示画像を解放するグレーティング構造を含むことができるが、本開示はこれに限定されない。この実施形態では、エキスパンダー４５は、エキスパンダー３５と同様の構造を有するが、本開示はこれに限定されない。
【0062】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器４０は、導波路板４１上に配置された出力カプラ４７を含む。より詳細には、エキスパンダー４５は、入力カプラ４３と出力カプラ４７との間に配置される。
【0063】
いくつかの実施形態では、導波路結合器３０および導波路結合器４０は、異なる色の光を結合するように用いられ、異なる色の光は、約３８０ｎｍ～約７５０ｎｍの波長を有する（例えば、可視光）。すなわち、導波路結合器３０および導波路結合器４０は、それぞれの導波路結合器３０，４０で異なる色の光を結合するように用いられている。例えば、図１に示されるように、導波路結合器３０は緑色光Ｇと青色光Ｂを結合するように用いられることができ、導波路結合器４０は赤色光Ｒと緑色光Ｇを結合するように用いられることができるが、本開示はこれらに限定されない。
【0064】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、表示装置１００は、画像ソース１０と導波路構造ＷＳとの間に配置されたコリメータ２０をさらに含む。コリメータ２０は、画像ソース１０からの発散光または他の放射線を平行ビームに変換し、画像ソース１０からの光が導波路構造ＷＳに円滑に入ることができるようにする。図１に示されるように、画像ソース１０からの画像（光）は、コリメータ２０を介して導波路構造ＷＳに入り、次いでユーザーの目Ｅに伝達されて提示され得る。
【0065】
従来のニアアイディスプレイに比べ、本開示の実施形態による表示装置１００は、導波路構造ＷＳにより、結合効率を、例えば約６２％から約８３％に効果的に向上させることができる。さらに、ユーザーの視野（ＦｏＶ）も、例えば約４２．５°から約６０°に改善され、これは固有の材料の制限に近い値である。
【0066】
図６は、本開示のいくつかの他の実施形態による表示装置１０２を示す概略図である。同様に、いくつかの構成要素は、図６においてそれらの実際の構造で示されておらず、表示装置１０２のいくつかの構成要素は、簡潔にするために省略されている。
【0067】
図６に示すように、表示装置１０２は、表示装置１００と同様の構造を有する。いくつかの実施形態では、表示装置１０２の導波路構造ＷＳは、導波路結合器３０および導波路結合器４０上に積層された導波路結合器５０をさらに含む。より詳細には、導波路結合器４０は、導波路結合器３０と導波路結合器５０との間に配置されることができるが、本開示は、これに限定されない。
【0068】
図６に示すように、導波路結合器５０は、導波路結合器３０または導波路結合器４０と同様の構造を有する。図６に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器５０は、導波路板５１、および導波路板５１上に配置された入力カプラ５３を含む。図６に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器５０の入力カプラ５３は、グレーティングピラー５３１を含む。
【0069】
図６に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器５０は、導波路板５１上に配置され、入力カプラ５３に隣接するエキスパンダー５５をさらに含む。同様に、エキスパンダー５５は、二次元（２Ｄ）瞳拡大技術を用いることができ、表示画像を解放するグレーティング構造を含むことができるが、本開示はこれに限定されない。この実施形態では、エキスパンダー５５は、エキスパンダー３５またはエキスパンダー４５と同様の構造を有するが、本開示はこれに限定されない。
【0070】
図６に示されるように、いくつかの実施形態では、導波路結合器５０は、導波路板５１上に配置された出力カプラ５７を含む。より詳細には、エキスパンダー５５は、入力カプラ５３と出力カプラ５７との間に配置される。
【0071】
いくつかの実施形態では、導波路結合器３０、導波路結合器４０、および導波路結合器５０は、異なる色の光を結合するように用いられ、異なる色の光は、約３８０ｎｍ～約７５０ｎｍの波長を有する（例えば、可視光）。例えば、図６に示されるように、導波路結合器３０は青色光Ｂと結合するように用いられることができ、導波路結合器４０は緑色光Ｇと結合するように用いられることができ、導波路結合器５０は赤色光Ｒと結合するように用いられることができるが、本開示はこれらに限定されない。
【0072】
導波路管結合器の数は、図１に示される実施形態（２つの導波路結合器がある）または図６に示される実施形態（３つの導波路結合器がある）に限定されないことに注意されたい。いくつかの実施形態では、２つ以上の導波路結合器がある。
【0073】
要約すると、本開示のいくつかの実施形態では、表示装置（例えば、ＡＲ、ＶＥ、またはＭＲ装置）は、互いに積層された導波路結合器を含む導波路構造を含む。導波路結合器の少なくとも１つの入力カプラは、徐々に変化する屈折率を有し、結合効率とユーザーの視野（ＦｏＶ）を効果的に改善することができる。
【0074】
前述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、同じ目的を実行するため、および／または本明細書に導入される実施形態の同じ利点を達成するための他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解できる。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、且つそれらは、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解するべきである。従って、保護の範囲は特許請求の範囲を通じて決定される必要がある。さらに、本開示のいくつかの実施形態が上記に開示されているが、それらは、本開示の範囲を限定することを意図していない。
【0075】
本明細書全体にわたる特徴、利点、または同様の用語への言及は、本開示で実現され得る全ての特徴および利点が、本開示の任意の単一の実施形態で実現されるべきまたは実現され得ることを意味するのではない。むしろ、特徴および利点に言及する用語は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、利点、または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味すると理解される。従って、本明細書全体にわたる特徴および利点、ならびに類似の用語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態を指すことがある。
【0076】
さらに、１つまたは複数の実施形態では、本開示の説明された特徴、利点、および特性は、任意の適切な方法で組み合わせてもよい。当業者は、本明細書の説明に基づいて、特定の実施形態の１つまたは複数の特定の特徴または利点なしに本開示を実施できることを認識するであろう。他の例では、本開示の全ての実施形態に存在しない可能性がある、追加の特徴および利点が特定の実施形態において認識され得る。
【符号の説明】
【0077】
１００、１０２ 表示装置
１０ 画像ソース
２０ コリメータ
３０、４０、５０ 導波路結合器
３１、３５１、４１、５１ 導波路板
３３、４３、５３ 入力カプラ
３３１、３５３、３５３－１、３５３－２、４３１、５３１ グレーティングピラー
３５、４５、５５ エキスパンダー
３７、４７、５７ 出力カプラ
Ｂ 青色光
Ｅ 目
Ｇ 緑色光
Ｈ３３１、Ｈ４３１ 全高
ＬＢ 下底
ＬＳ 下辺
Ｐ１、Ｐ３３、Ｐ４３ 周期
Ｒ 赤色光
Ｓ１、Ｓ１Ｂ、Ｓ１Ｔ、Ｓ２、Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｔ 積層
Ｔ１、Ｔ２ 厚さ
ＵＢ 上底
ＵＳ 上辺
Ｗ１、Ｗ２ 幅
ＷＳ 導波路構造
ＷＬＢ 下底ＬＢの幅
ＷＵＢ 上底ＵＢの幅
１０ 画像ソース
２０ コリメータ
３０、４０、５０ 導波路結合器
３１、３５１、４１、５１ 導波路板
３３、４３、５３ 入力カプラ
３３１、３５３、３５３－１、３５３－２、４３１、５３１ グレーティングピラー
３５、４５、５５ エキスパンダー
３７、４７、５７ 出力カプラ
Ｂ 青色光
Ｅ 目
Ｇ 緑色光
Ｈ３３１、Ｈ４３１ 全高
ＬＢ 下底
ＬＳ 下辺
Ｐ１、Ｐ３３、Ｐ４３ 周期
Ｒ 赤色光
Ｓ１、Ｓ１Ｂ、Ｓ１Ｔ、Ｓ２、Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｔ 積層
Ｔ１、Ｔ２ 厚さ
ＵＢ 上底
ＵＳ 上辺
Ｗ１、Ｗ２ 幅
ＷＳ 導波路構造
ＷＬＢ 下底ＬＢの幅
ＷＵＢ 上底ＵＢの幅
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】