(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】2024-10-04
(45)【発行日】2024-10-15
(54)【発明の名称】拡張現実画像を表示するための装置および該装置を含むシステム
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20241007BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20241007BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2022536907
(86)(22)【出願日】2020-11-03
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-04-10
(86)【国際出願番号】 CN2020126117
(87)【国際公開番号】W WO2021169383
(87)【国際公開日】2021-09-02
【審査請求日】2023-06-13
(31)【優先権主張番号】202010128082.3
(32)【優先日】2020-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(73)【特許権者】
【識別番号】517227998
【氏名又は名称】蘇州蘇大維格科技集団股▲分▼有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】100112656
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 英毅
(74)【代理人】
【識別番号】100089118
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
(72)【発明者】
【氏名】羅明輝
(72)【発明者】
【氏名】喬文
(72)【発明者】
【氏名】成堂東
(72)【発明者】
【氏名】李瑞彬
(72)【発明者】
【氏名】李玲
(72)【発明者】
【氏名】朱平
(72)【発明者】
【氏名】陳林森
【審査官】弓指 洋平
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／１２２５２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／００１８８２８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５０６０６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０３２１７８１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２３１２５７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国実用新案第２０６１６１９５８（ＣＮ，Ｕ）
【文献】国際公開第２０１９／１１８９３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１１３４８１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１１０２４４４６３（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光導波路レンズと、前記光導波路レンズの表面に位置する第１の２次元光格子アレイと、
前記光導波路レンズの表面に位置する第２の２次元光格子アレイと、を含み、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、二者の大きい辺を相対させるように、前記光導波路レンズの表面に設置されており、
前記第１の２次元光格子アレイは、前記第１の２次元光格子アレイに入射された光を前記第１の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記第２の２次元光格子アレイに伝播させるように配置されており、
前記第２の２次元光格子アレイは、前記第２の２次元光格子アレイに伝播された光を前記第２の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記光導波路レンズから出射させるように配置されており、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、同じ周期を有し、
前記第１の２次元光格子アレイの前記第２の２次元光格子アレイに向いた辺の中間部は、両端と比べて、前記第２の２次元光格子アレイから離れている、ことを特徴とする拡張現実画像を表示するための装置。
【請求項2】
前記第１の２次元光格子アレイは、前記第１の２次元光格子アレイから出射した光を前記光導波路レンズ内において全反射態様で前記第２の２次元光格子アレイに伝播させるように配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の２次元光格子アレイの２つの光格子の配向の夾角は、前記第２の２次元光格子アレイの中部で高輝度領域を形成することを回避するように、十分に大きく設定されている請求項１に記載の装置。
【請求項4】
前記夾角は９０°～１６０°の間にある請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記第２の２次元光格子アレイの光格子は、深さを変更するよう変調される請求項１に記載の装置。
【請求項6】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの構造形態は、円柱状、円錐状、方形、および台形からなる群のうちの一種である請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは大体矩形である請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記第１の２次元光格子アレイの前記第２の２次元光格子アレイに向いた辺は、前記第２の２次元光格子アレイの少なくとも一部を取り囲む請求項１に記載の装置。
【請求項9】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの表面に直接形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項10】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、中間層により前記光導波路レンズの表面に形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項11】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの同じ表面に位置する請求項１に記載の装置。
【請求項12】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの相対する２つの表面に位置する請求項１に記載の装置。
【請求項13】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの間には間隔がある請求項１に記載の装置。
【請求項14】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは隣接している請求項１に記載の装置。
【請求項15】
前記光導波路レンズの端面には、光吸収層が塗布されている請求項１に記載の装置。
【請求項16】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの光格子の周期は２００ｎｍ～６００ｎｍである請求項１に記載の装置。
【請求項17】
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの光格子の深さは５０ｎｍ～６００ｎｍである請求項１に記載の装置。
【請求項18】
画像情報を含む光を提供するように配置されている画像源と、
請求項１～１７の何れか一項に記載の拡張現実画像を表示するための装置と、を含むことを特徴とする拡張現実表示を実現するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、画像表示技術に関し、特に拡張現実画像を表示するための装置および該装置を含む拡張現実表示を実現するためのシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
拡張現実（ＡＲ）技術は、真実の世界情報と仮想世界情報を「シームレス」に統合する新型の表示技術である。それは真実の世界の情報、さらに仮想情報を同時に表示することにより、２種の情報の相互補充と重ね合わせを実現する。視覚化された拡張現実において、ヘルメット表示器により真実の世界とコンピューターにより生成された仮想画像を重ね合わせた混合画像をユーザに表示する。
【0003】
目下の主流のニアアイ（ｎｅａｒ－ｅｙｅ）式の拡張現実表示装置には、光導波路原理が多く採用されている。例えば、典型的な拡張現実表示装置において、マイクロ表示空間光変調器（例えばＬＣＯＳ）上の画像は、三枚のホログラフィック光格子を通して光導波路に結合し、続いて三枚の光導波路によってそれぞれ伝送し、最後に人の目の正面前方で対応したホログラフィック光格子により結合出力して人の目に投射する。カラー投射を実現するために、多層の光導波路の態様を採用することができる。
【0004】
拡張現実表示設備の普及、応用の過程において、寸法、性能と価格は普及程度を制約する重要な要素である。従って、如何にしてこれらの要素を両立させ、コストパフォーマンスの高いプロダクトを提供するかというのは業界では注目される課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の１つの目的は、構造が簡単で、かつコンパクトで、製造のコストが低いという利点を有する、拡張現実画像を表示するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の１つの態様による拡張現実画像を表示するための装置は、
光導波路レンズと、
前記光導波路レンズの表面に位置する第１の２次元光格子アレイと、
前記光導波路レンズの表面に位置する第２の２次元光格子アレイと、を含み、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、二者の大きい辺を相対させるように、前記光導波路レンズの表面に設置されており、
前記第１の２次元光格子アレイは、前記第１の２次元光格子アレイに入射された光を前記第１の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記第２の２次元光格子アレイに伝播させるように配置されており、
前記第２の２次元光格子アレイは、前記第２の２次元光格子アレイに伝播された光を前記第２の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記光導波路レンズから出射させるように配置されており、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは同じ周期を有する。
光導波路レンズと、
前記光導波路レンズの表面に位置する第１の２次元光格子アレイと、
前記光導波路レンズの表面に位置する第２の２次元光格子アレイと、を含み、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、二者の大きい辺を相対させるように、前記光導波路レンズの表面に設置されており、
前記第１の２次元光格子アレイは、前記第１の２次元光格子アレイに入射された光を前記第１の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記第２の２次元光格子アレイに伝播させるように配置されており、
前記第２の２次元光格子アレイは、前記第２の２次元光格子アレイに伝播された光を前記第２の２次元光格子アレイ全体に拡張させる一方、前記光導波路レンズから出射させるように配置されており、
前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは同じ周期を有する。
【0007】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイは、前記第１の２次元光格子アレイから出射した光を前記光導波路レンズ内において全反射態様で前記第２の２次元光格子アレイに伝播させるように配置されている。
【0008】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイの２つの光格子の配向（orientation）の夾角は、前記第２の２次元光格子アレイの中部で高輝度領域を形成することを回避するように十分に大きく設定されている。
【0009】
好ましくは、前記装置において、前記夾角は９０°～１６０°の間にある。
【0010】
好ましくは、前記装置において、前記第２の２次元光格子アレイの光格子は深さを変更するよう変調される。
【0011】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの構造形態は、円柱状、円錐状、方形、および台形からなる群のうちの一種である。
【0012】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは大体矩形である。
【0013】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイの前記第２の２次元光格子アレイに向いた辺の中間部は、両端と比べて、前記第２の２次元光格子アレイから離れている。
【0014】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイの前記第２の２次元光格子アレイに向いた辺は、前記第２の２次元光格子アレイの少なくとも一部を取り囲む。
【0015】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの表面に直接形成されている。
【0016】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、中間層により前記光導波路レンズの表面に形成されている。
【0017】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの同じ表面に位置する。
【0018】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの相対する２つの表面に位置する。
【0019】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイは、前記光導波路レンズの相対する２つの表面にそれぞれ位置する１次元光格子アレイを含み、前記第２の２次元光格子アレイは前記相対する２つの表面のうちの１つに位置する。
【0020】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの間には、間隔がある。
【0021】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイは隣接している。
【0022】
好ましくは、前記装置において、前記光導波路レンズの端面には、光吸収層が塗布されている。
【0023】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの光格子の周期は２００ｎｍ～６００ｎｍである。
【0024】
好ましくは、前記装置において、前記第１の２次元光格子アレイと前記第２の２次元光格子アレイの光格子の深さは５０ｎｍ～６００ｎｍである。
【0025】
本発明のさらなる目的は、増大した出射瞳ウィンドウを有することにより、レンズの表面の利用率を向上させることができる、拡張現実表示を実現するためのシステムを提供することである。
【0026】
本発明の別の態様による拡張現実表示を実現するためのシステムは、
画像情報を含む光を提供するように配置されている画像源と、
上記のような拡張現実画像を表示するための装置と、を含む。
画像情報を含む光を提供するように配置されている画像源と、
上記のような拡張現実画像を表示するための装置と、を含む。
【発明の効果】
【0027】
本発明による１つのまたは複数の実施例において、光導波路レンズの表面には、結合入射増強領域としての第１の２次元光格子アレイと結合出射領域としての第２の２次元光格子アレイを設置し、第１の２次元光格子アレイは、拡張の作用とガイドの作用を兼ね備えている。光を結合出射領域にガイドするためのガイド領域を省いたため、装置全体の構造をより簡単で、コンパクトにさせ、製造コストも低下させた。なお、専用のガイド領域を省くことも、結合出射領域の面積を拡大し、出射瞳ウィンドウ面積を増大させ、より良好な視覚効果を提供するのに役立つ。また、第１の２次元光格子アレイにおける２つの光格子の配向の夾角を十分に大きくすることにより、特定の方向における高強度光成分が第２の２次元光格子アレイの中に入ることを回避し、視野画像の光学効率の不均衡の問題を抑制または解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の例示的実施例を示す図面を参照して、本発明をより包括的に説明する。しかしながら、本発明は、本明細書に記載された各実施例に限定されるものではなく、異なる形態で実施することができる。上述した各実施例は、本発明の保護範囲をより包括的に当業者に伝達するために、本明細書の開示を完全にすることを目的としている。
【0030】
本明細書において、「含む」のような用語は、明細書及び特許請求の範囲において直接的かつ明確に記載されたユニット及びステップを有する以外に、本発明の技術案は、直接的または明確に記載されていない他の単位及びステップがあることも排除しないことを意味する。
【0031】
「第１」および「第２」のような用語は、時間、空間、大きさなどのユニットの順序を表すものではなく、各ユニットを区別するためのものに過ぎない。
【0032】
従来技術では、視野画像を拡大するために入射光を水平方向と垂直方向に拡張し、拡張された光を専用の折曲領域を用いて結合出射領域にガイドする必要がある。これは、複雑な構造設計と高精度の製造プロセスを採用することが求められている。
【0033】
本発明の１つのまたは複数の実施例では、光導波路レンズの表面において、結合入射およびガイド領域としての第１の２次元光格子アレイと結合出射領域としての第２の２次元光格子アレイを設ける。光が第１の２次元光格子アレイに入射すると、第１の２次元光格子アレイによる作用で、光は第１の２次元光格子アレイ全体に拡張する一方、第２の２次元光格子アレイに伝播する。つまり、第１の２次元光格子アレイは、光を拡張する作用と光を指定された領域にガイドする作用を兼ね備える。光を結合出射領域にガイドするための専用のガイド領域または光学機能構造を省略したので、装置全体の構造をより簡単で、コンパクトにすることができ、マイクロ化の応用の必要を満たすのに役立つと同時に、精度への要求も低下した。なお、専用のガイド領域の省略は、結合出射領域の面積の拡大に利することにより、出射瞳ウィンドウの面積も増大した。
【0034】
本発明の１つのまたは複数の実施例では、光導波路レンズの表面に設置される第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイの位置は、柔軟に設定可能で、十分な光を第１の２次元光格子アレイから第２の２次元光格子アレイに伝播できればよい。好ましくは、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイの大きい辺を相対させることによって、第１の２次元光格子アレイから第２の２次元光格子アレイにできるだけ多くの光を伝播させることができる。
【0035】
本発明の１つのまたは複数の実施例では、第１の２次元光格子アレイに関しては、適当な構造パラメータを選択することによって、第１の２次元光格子アレイから出射した光を光導波路レンズ内において全反射態様で第２の２次元光格子アレイに伝播させることができる。
【0036】
２次元光格子アレイは、二回の単光束群の重ね合わせ露光により形成してもよく、例示的に、まず、露光光源と導波路位置を固定し第一回の露光を行うことにより、１次元光格子構造を形成し、次に、露光光源の位置をそのままで、導波路を中心に沿って所定の角度で回転させ、２回目の露光を完了して２次元光格子アレイ構造を形成する。２回の露光の回転の角度は、形成された２次元光格子アレイ構造における２本の光格子の配向の間における夾角に対応し、好ましくは、２つの光格子の配向の夾角は９０°～１６０°である。
【0037】
好ましくは、前記二回の単光束群の重ね合わせ露光のプロセスにおいて、露光光源は２本の平面波を提供し露光干渉面を形成する。また、ほかのプロセスで２次元光格子アレイを形成することもできる。例えば、４本の平面波を露光光源により同時に提供することができる。これらは２つの群に分けられ、各群が１つの露光干渉面に対応し、これにより、１回の露光によって２次元光格子アレイを得ることができる。形成された２次元光格子アレイの構造形態は、円柱状、円錐状、四角状、台形などの各種の形状を含むが、これらに限られず、２つの方向においてドットアレイ状で周期分布し、つまり、２次元光格子アレイが２つの光格子の配向を有する。この２つの光格子の配向は、２回の露光干渉面の露光方向と一致する。容易に理解できるように、２次元光格子アレイの２つの光格子の配向は、それぞれ第１の配向Ｇ１と第２の配向Ｇ２とする。
【0038】
本発明の１つのまたは複数の実施例において、第１の２次元光格子アレイの２つの光格子の配向の夾角を十分に大きくさせることにより（例えば、夾角を９０°～１６０°にさせる）、特定な方向の高強度の光成分（例えば、光格子ベクトルに沿って出射した光成分）が２次元光格子アレイに入った後、第２の２次元光格子アレイの中部で高輝度領域を形成することを回避することができる。
【0039】
本発明の１つのまたは複数の実施例では、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイの形状に関しては、制限がない。好ましくは、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイは大体矩形であり、または、好ましくは、第１の２次元光格子アレイの第２の２次元光格子アレイに向いた辺を湾曲させ、または折り曲げさせることができ（例えば、辺の中段は両端と比べて、第２の２次元光格子アレイから離れている）、または、好ましく、第１の２次元光格子アレイの第２の２次元光格子アレイに向いた辺は、第２の２次元光格子アレイの少なくとも一部を取り囲む。
【0040】
本発明の１つのまたは複数の実施例では、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイの間における間隔に関しては、制限がない。好ましくは、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイの間には間隔が存在し、この時、二者の間に滑らかな導波路領域があるため、人の目による結合出射領域を観察する効率を最大化させ、不必要な回折減衰を回避することができる。好ましくは、第１の２次元光格子アレイと第２の２次元光格子アレイは、一体化されたものであってもよく、または隣接するものであってもよい。
【0041】
以下、図面により本発明の実施例について説明する。
【0042】
図１Ａと１Ｂはそれぞれ本発明１つの実施例による拡張現実画像を表示するための装置の平面図と斜視図である。例示的に、本実施例の拡張現実画像を表示するための装置は、眼鏡の形式を採用する。
【0043】
図１Ａと１Ｂを参照し、本実施例の拡張現実画像を表示するための装置１０は、光導波路レンズ１１０と、光導波路レンズの表面に設置された第１の２次元光格子アレイ１２１および第２の２次元光格子アレイ１２２と、を含む。
【0044】
好ましくは、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２は、光導波路レンズ１１０の表面に直接形成することができる。または、好ましくは、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２は、中間層を介して光導波路レンズ１１０の表面に形成することもできる。
【0045】
好ましくは、光導波路レンズ１１０は、可視光周波数帯において高透過率の光導波路を有し、屈折率範囲が１．４よりも大きく、厚みが２ｍｍ以下である。
【0046】
図１Ａと１Ｂに示すように、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２は、大体矩形であり、光導波路レンズ１１０における位置は、それぞれの長辺が相対するように設置されている。
【0047】
本実施例では、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２は同じ周期を有する。１つの２次元光格子アレイは、２つの方向において周期性を有する。従って、ここで言う同じ周期は、２つの方向においていずれも同じ周期を有することを指す。好ましくは、異なる波長光の回折効率に基づき、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２に関して、適当な周期を選択する（例えば、２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲において選択する）。
【0048】
上記のように、第１の２次元光格子アレイにおける２つの光格子の配向の夾角を十分に大きくさせることにより、特定方向の高い強度の光成分が第２の２次元光格子アレイの中部で高輝度領域を形成することを回避することができる。本実施例では、好ましくは、該夾角は、９０°～１６０°の範囲内で選択することができる。
【0049】
本実施例では、好ましくは、光格子の深さとデューティ比による回折効率的への影響に基づき、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２に関して、適当な光格子の深さ（例えば、５０ｎｍ～６００ｎｍの範囲内において選択する）とデューティ比を選択する。また、第２の２次元光格子アレイの輝度を等化するために、第２の２次元光格子アレイの光格子の深さに対して、深さを変更するよう変調することができる。
【0050】
本実施例では、好ましくは、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２の構造形態は、円柱状、円錐状、方形と台形を含む各種の形状であるが、これに限られていない。
【0051】
本実施例では、好ましくは、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２は、光導波路レンズ１１０の同じ表面に位置することができる。しかし、光導波路レンズ１１０の２つの相対する表面にそれぞれに位置することも可能である。
【0052】
以下、図１Ａと１Ｂに示す拡張現実画像を表示するための装置の作動原理について説明する。
【0053】
図２は、光が拡張現実画像を表示するための装置１０に入った後の伝播経路概略図である。本実施例では、図２に示すように、画像源からの光は紙面と一定の夾角を成す方向（例えば、紙面に垂直な方向）に沿って第１の２次元光格子アレイ１２１に入射し、第１の２次元光格子アレイ１２１の回折により複数の１級と－１級の回折光を形成する。第１の２次元光格子アレイによって入射結合されたこれらの光は、光導波路レンズ１１０の上下面間で反射し、水平方向（図中のＸ軸方向）に沿って光を拡張する（以下、図３及び図４に基づいてよりさらに説明する）。
【0054】
一方、図２に示すように、第１の２次元光格子アレイ１２１は、光導波路レンズ１１０の表面に位置するため、回折光が光導波路レンズ内を伝播する際に第１の２次元光格子アレイ１２１に複数回到達し、そのうち、一部の回折光が反射式の回折を形成すると同時に方位角を変えて、第２の２次元光格子アレイ１２２に伝播する（図中の紙面を下方向に）。
【0055】
第２の２次元光格子アレイ１２２に近づく方向に沿って伝播する光は、第２の２次元光格子アレイ１２２に到達すると、光導波路レンズ１１０の上下面の間で反射され、水平方向に沿って光を拡張させる（以下、図３及び図４に基づいてよりさらに説明する）。
【0056】
一方、第２の２次元光格子アレイ１２２が光導波路レンズ１１０の表面に位置するため、回折光は光導波路レンズ内を伝播する際に、第２の２次元光格子アレイ１２２に複数回到達し、一部の回折光が透過回折を形成するとともに方位角を変えることにより、紙面に対して一定の角度をなす方向（例えば、図中の紙面に対して垂直な方向）に沿って光導波路レンズ１１０から出射または出射結合するので、人の眼は、第２の２次元格子アレイ１２２の領域全体において明瞭な画像を見ることができる。
【0057】
図３は、断面が図１ＢのＸ～Ｚ平面内に位置する、図１Ａ及び図１Ｂに示された拡張現実画像を表示する装置の断面図である。図４は、断面が図１ＢのＹ～Ｚ平面内に位置する、図１Ａ及び図１Ｂに示された拡張現実画像を表示する装置の断面図である。
【0058】
図３を参照すると、画像源からの光は、第１の２次元光格子アレイ１２１に到達する。第１の２次元光格子アレイ１２１の回折により、光は光導波路レンズ１１０に入射結合され、図３のＸ軸方向に沿って拡張する。第１の２次元光格子アレイ１２１を適切な角度で傾斜させることにより、光の入射結合の回折効率を向上させることができる。図４に示すように、回折光は光導波路レンズ内を伝播すると、第１の２次元光格子アレイ１２１によって方位角が一部変更され、図４のＹ軸方向に沿って導光レンズ１１０内で複数回反射され第２次元光格子アレイ１２２に到達する。
【0059】
図４を参照すると、第２の２次元光格子アレイ１２２による作用で、一部の回折光は、透射式回折を形成すると同時に方位角を変え、よって、図４中のＺ軸方向に沿って光導波路レンズ１１０から出射または出射結合することにより拡張現実の画像をユーザに表示する。
【0060】
本実施形態では、図５に示すように、光吸収層１３０を光導波路レンズ１１０の端面または周囲に塗布することができる。この光吸収層は、光導波路レンズ端面に到達する光を吸収することによって、光導波路レンズ内を伝播される光への、端面反射による干渉を回避することができる。
【0061】
【0062】
以下の説明では、図６に示す２次元光格子アレイは、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２であり、かつ第２の２次元光格子アレイ１２２が第１の２次元光格子アレイ１２１の下方（図７において、Ｙ軸の矢印方向は下向き方向である）に位置する。図６に示すように、２次元光格子アレイのアレイ点Ａに光１が入射すると、光格子の回折作用により、光格子アレイの第１の配向Ｇ１の方向に沿った光３と光５と、光格子アレイの第２の配向Ｇ２の方向に沿った光２と光４という４方向の回折光が発生する。図６に示す場合には、光３と光４は、第２の２次元光格子アレイまたは結合出射領域から離間する方向に伝播し、光５は、光格子アレイの第１の配向Ｇ１に沿って結合出射領域に近づく方向に伝播する。同時に、光２は、光格子アレイの第２の配向Ｇ２の方向に沿ってアレイ点Ｂに伝播し、アレイ構造の作用により、光６、光７、光８、光９が発生し、その中で、光格子アレイの第２の配向Ｇ２の方向に沿って結合出射領域の方向に伝播する光７が光２のエネルギーの大部分を占め、光６が光格子アレイの第１の配向Ｇ１の方向に沿って結合出射領域から離間する方向に伝播し、光９がＺ軸に沿って２次元光格子アレイから透過回折方式で出射し、光８が、格子アレイ点Ｄまで、光格子アレイの第１の配向Ｇ１の方向に伝播する。図６の他の光についても、二次元回折格子アレイの作用下で類似した変化が生じる。
【0063】
図６に示す場合、反射式回折に対して、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２という２つの光格子の配向に沿って伝播する光成分は大きい強度を有することにより、第１の２次元光格子アレイ１２１と第２の２次元光格子アレイ１２２において２つの明るい柱状領域が生じる。２つの光格子の配向の夾角が小さい時には、柱状領域は第２の２次元光格子アレイ１２２の中に位置することにより、観察領域内で輝度が明らかに不均一である現象が観察できる。図７を参照し、観察領域内に明るい光柱が生じる場合が概略的に示されている。
【0064】
図８Ａ、図８Ｂと図８Ｃは、異なる配向の夾角を有する２次元光格子アレイの概略図であり、そのうち、図８Ａに示す２次元格子アレイの２つの光格子の配向の夾角が９０°であり、図８Ｂに示す２次元格子アレイの２つの光格子の配向の夾角が１２０°であり、図８Ｃに示す２次元格子アレイの２つの光格子の配向の夾角が１６０°である。図８Ａ～８Ｃに示す２次元格子アレイでは、入射光は複数回の全反射と回折により、画像拡張と光伝導を実現することができ、大きな配向夾角が観察領域の観察を満たすとともに、図７に示す視野輝度の不均一な現象を回避することができる。
【0065】
【0066】
図９を参照し、第２の２次元光格子アレイ１２２は大体矩形であり、第１の２次元光格子アレイ１２１の長辺は湾曲または折り曲げたものである。特に、第１の２次元光格子アレイ１２１の第２の２次元光格子アレイ１２２に向いた辺の中間部は両端と比べて、第２の２次元光格子アレイ１２２から離れている。
【0067】
図１０は、図１Ａに示す２次元光格子アレイを採用する時の光伝導の斜視図である。図１１は、図９に示す２次元光格子アレイを採用した時の光伝導の斜視図である。比較により分かるように、伝導角度が大きくなるに従って、図１１に示す第１の２次元光格子アレイはボウタイ型の設計が採用されているため、中心からずれた光は依然として第１の２次元格子アレイ内で伝導することができ、つまり、中心からずれた光は依然として第１の２次元格子アレイによる作用で角度偏向して第２の２次元格子アレイに入ることができるので、光の散逸損失を防止または抑制した。
【0068】
【0069】
図１２を参照し、第２の２次元光格子アレイ１２２は大体矩形であり、第１の２次元光格子アレイ１２１の第２の２次元光格子アレイ１２２に向いた辺は、第２の２次元光格子アレイの少なくとも一部を取り囲む。図１２に示す第２の２次元光格子アレイの中で、図９に示すボウタイ型の設計と類似しているように、中心からずれた光は依然として第１の２次元光格子アレイによる作用で角度偏向し第２の２次元光格子アレイに入るので、光の散逸損失を防止または抑制した。
【0070】
図１３Ａと１３Ｂはそれぞれ本発明の別の実施例の拡張現実画像を表示するための装置の平面図と斜視図である。例示的に、本実施例の拡張現実画像を表示するための装置は、眼鏡の形式を採用することができる。
【0071】
図１３Ａと１３Ｂを参照し、本実施例の拡張現実画像を表示するための装置１０は、光導波路レンズ１１０と、光導波路レンズの表面に設置された第１の２次元光格子アレイ１２１および第２の２次元光格子アレイ１２２と、を含む。図１Ａおよび１Ｂに示す実施例と異なるのは、本実施例では、第１の２次元光格子アレイ１２１に含まれた２つの１次元光格子アレイ１２１Ａ、１２１Ｂは、光導波路レンズ１１０における相対する２つの表面（図中の光導波路レンズの上下面）それぞれに位置し、そのうち、１次元光格子アレイ１２１Ａ、１２１Ｂは異なる配向を有する。図１３Ａと１３Ｂに示すように、第２の２次元光格子アレイ１２２は、相対する２つの表面のうちの１つに位置する（例えば、図中の光導波路レンズの上面である）。
【0072】
前記相違のほか、本実施例では、図１Ａと１Ｂに示す実施例の各種の特徴を採用することができる。贅言しないように、以下、主に相違に関連する方面について説明する。
【0073】
図１３Ｂを参照し、画像源からの光は、光導波路レンズ１１０の上面に位置する１次元光格子アレイ１２１Ａに入射し、当該１次元光格子アレイの回折作用により回折光を形成する。これらの入射結合された回折光は、光導波路レンズ１１０の上下面の間で反射されることにより、水平方向（図中のＸ軸方向）に沿って光を拡張させる。回折光は、光導波路レンズ内に伝播される時に１次元光格子アレイ１２１Ａに複数回到達し、その中で、一部の回折光は、反射式回折を形成すると同時に方位角を変えて、第２の２次元光格子アレイ１２２に伝播する。
【0074】
一方、画像源からの光は、一部が１次元光格子アレイ１２１Ａによる回折作用なしで下面に位置する１次元光格子アレイ１２１Ｂに到達し、１次元光格子アレイ１２１Ｂの回折作用により回折光を形成する。これらの回折光は同様に光導波路レンズ１１０の上下面の間で反射することにより、水平方向（図中のＸ軸方向）に沿って光を拡張させ、また、方位角を変えるので、第２の２次元光格子アレイ１２２に伝播する。
【0075】
１次元光格子アレイ１２１Ａと１２１Ｂに適当な構造パラメータを選択することにより、これらの回折光の回折角を光導波路レンズの全反射条件を満足させることにより、光導波路レンズ内に全反射態様で伝播することができる。
【0076】
図１４は、図１３Ａと１３Ｂに示す拡張現実画像を表示するための装置の断面図で、前記断面が図１３ＢのＸ～Ｚ平面内に位置する。図１５は、図１３Ａと１３Ｂに示す拡張現実画像を表示するための装置の断面図で、その断面が図１３ＢのＹ～Ｚ平面内に位置する。
【0077】
図１４を参照し、画像源からの光は１次元光格子アレイ１２１Ａに到達する。１次元光格子アレイ１２１Ａの回折作用により回折光を形成する（図面において実線で示す）。該回折光は、光導波路レンズ１１０の上下面の間で複数回の反射が生じることにより、光の図１４中のＸ軸方向に沿った拡張を実現する。一方、画像源からの光の一部は、１次元光格子アレイ１２１Ａによる回折作用なしで１次元光格子アレイ１２１Ｂに到達し、該一部の光は１次元光格子アレイ１２１Ｂの回折作用により回折光を形成し（図面において破線で示す）、該回折光は光導波路レンズ１１０の上下面の間で複数回の反射が生じることにより、図１４中のＸ軸方向に沿って拡張する。
【0078】
図１５に示すように、１次元光格子アレイ１２１Ａ、１２１Ｂの作用により形成された回折光は、光導波路レンズ１１０内において伝播する時、１次元光格子アレイ１２１Ａ、１２１Ｂによる作用で一部が方位角を変える。方位角を変えた光成分は、光導波路レンズ１１０内で複数回反射され第２の２次元光格子アレイ１２２に到達する。
【0079】
導波路レンズ１１０内で光の双方向伝導が実現されるので、観察領域範囲が増大されると同時に、表示効率も向上された。
【0080】
図１５を引き続き参照し、第２の２次元光格子アレイ１２２による作用で、一部の回折光は、透射式回折を形成すると同時に方位角を変えることにより、図１５中のＺ軸方向に沿って光導波路レンズ１１０から出射または出射結合され、ユーザに拡張現実の画像を表示する。
【0081】
以上、本発明の原理と好ましい実施例について説明した。しかしながら、本発明は、検討された特定の実施例に限定されるものと解釈されるべきではない。上記の好ましい実施例は、限定的なものではなく、説明的なものと考えるべきである。また、当業者は、以下の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態において変更することができることを理解すべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】