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(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】2024-10-24
(45)【発行日】2024-11-01
(54)【発明の名称】区分けされた回折光学要素を備えた画像光ガイド
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20241025BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20241025BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/64 511A
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2022570133
(86)(22)【出願日】2021-06-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-04
(86)【国際出願番号】 US2021036671
(87)【国際公開番号】W WO2021252672
(87)【国際公開日】2021-12-16
【審査請求日】2022-12-02
(31)【優先権主張番号】63/036,758
(32)【優先日】2020-06-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】516201548
【氏名又は名称】ビュージックス コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】Ｖｕｚｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
(74)【代理人】
【識別番号】110003340
【氏名又は名称】弁理士法人湧泉特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】シュルツ， ロバート， ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】コワーツ， マレク， ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】グレイ，ロバート， ダブリュー．
【審査官】鈴木 俊光
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／２１３００９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１５９０２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０２２－５２８５９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３１１７１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０１ － ２７／０２
Ｈ０４Ｎ ５／６４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、導波路と、
画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、
アイボックスを二次元で拡張し、前記画像担持光ビームの少なくとも一部を前記導波路から前記アイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、
を備え、
前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれが回折フィーチャの集合を有する２つ以上のゾーンを含み、
前記アウトカップリング回折光学要素の一次元に沿って連なるゾーンは、形状と向きの少なくとも1つが異なる回折フィーチャの集合をそれぞれ有し、少なくとも１つのゾーンが、２つ以上の方向において周期的な回折フィーチャを有し、
前記回折フィーチャは、前記回折フィーチャの格子ベクトルに対して第１の入射角度で前記回折フィーチャに入射する第１ピクセルの画像担持光ビームの一部を方向付けるように動作可能であり、これにより、方向付けられた前記第１ピクセルの画像担持光ビームの一部が前記導波路内をさらに伝播して、少なくとも1つの次元で前記アイボックスを拡張するようにし、
前記回折フィーチャは、前記回折フィーチャの格子ベクトルに対して前記第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で前記回折フィーチャに入射した前記第１ピクセルの画像担持光ビームの一部をアウトカップリングするように動作可能であり、アウトカップリングされた前記第１ピクセルの前記画像担持光ビームの一部は、連なるゾーンにおいて同じ角度でアウトカップリングされる、画像光ガイド。
【請求項2】
第１ゾーンが、第１格子ベクトルと第２格子ベクトルを規定する回折フィーチャの集合を含む、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項3】
第２ゾーンが、第３格子ベクトルと第４格子ベクトルを規定する回折フィーチャの集合を含み、前記第３格子ベクトルが前記第１格子ベクトルと実質的に平行であり、前記第４格子ベクトルが前記第２格子ベクトルと実質的に平行であり、前記第３格子ベクトルが前記第１格子ベクトルより小さい、請求項２に記載の画像光ガイド。
【請求項4】
前記インカップリング回折光学要素が、インカップリング格子ベクトルを規定し、前記インカップリング格子ベクトルと前記第１格子ベクトルと前記第２格子ベクトルの組み合わせが、大きさがゼロの三角のベクトル図を作る、請求項２に記載の画像光ガイド。
【請求項5】
第１ゾーンが、少なくとも１つの次元に沿って前記アウトカップリング回折光学要素の中央に配置され、第２ゾーンが前記少なくとも１つの次元に沿って配置され、前記第２ゾーンがリニア回折フィーチャを含み、第３ゾーンが、前記第１ゾーンを挟んで前記第２ゾーンの反対側に配置される、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項6】
第４ゾーンが前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に配置され、前記第４ゾーンが前記第１ゾーンの回折フィーチャと前記第２ゾーンの回折フィーチャの組み合わせである回折フィーチャを含み、第５ゾーンが前記第１ゾーンと前記第３ゾーンとの間に配置され、前記第５ゾーンが前記第１ゾーンの回折フィーチャと前記第３ゾーンの回折フィーチャの組み合わせである回折フィーチャを含む、請求項５に記載の画像光ガイド。
【請求項7】
前記アウトカップリング回折光学要素が、前記２つ以上のゾーンの間に１つ以上の遷移ゾーンをさらに含み、前記遷移ゾーンが、隣接する前記２つ以上のゾーンの回折フィーチャの組み合わせの機能である回折フィーチャを含む、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項8】
前記２つ以上のゾーンにおける前記回折フィーチャの集合の深さは、前記アウトカップリング回折光学要素の中心線から前記アウトカップリング回折光学要素の縁まで、第１の次元に沿って増加する、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項9】
前記２つ以上のゾーンにおける前記回折フィーチャの集合の深さは、前記２つ以上のゾーンの境界とは無関係に変化する、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項10】
前記インカップリング回折光学要素が、前記アウトカップリング回折光学要素に対して前記導波路の反対側の面上に配置される、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項11】
前記２つ以上のゾーンが第１の次元に沿って分離されている、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項12】
バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、導波路と、
画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、
前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、
を備え、
前記アウトカップリング回折光学要素は２つ以上のゾーンを含み、前記２つ以上のゾーンは、それぞれ２次元の周期的ラティスに配置された複数のユニットセルを含み、前記ユニットセルはそれぞれゾーン内で繰り返して、周期的回折フィーチャの集合を構築し、
少なくとも２つの隣接ゾーン間の前記ユニットセルは、異なる形状を含む回折フィーチャを画成する、画像光ガイド。
【請求項13】
前記ユニットセルの各々が軸に沿って対称である、請求項１２に記載の画像光ガイド。
【請求項14】
前記隣接するゾーンにおける前記回折フィーチャは、異なる深さを有している、請求項１２に記載の画像光ガイド。
【請求項15】
前記２つ以上のゾーンのうちの少なくとも１つが複合回折パターンを含む、請求項１２に記載の画像光ガイド。
【請求項16】
前記２つ以上のゾーンのうちの少なくとも１つが、長方形または菱形のフィーチャを含む、請求項１５に記載の画像光ガイド。
【請求項17】
バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、
導波路と、
画像担持光ビームを前記導波路に向けるように構成されたインカップリング回折光学要素と、
アイボックスを二次元で拡張し、前記画像担持光ビームの少なくとも一部を前記導波路から前記アイボックスに向けるように構成されたアウトカップリング回折光学要素と、
を備え、
前記アウトカップリング回折光学要素は、第１次元と第２次元に沿って配置されたゾーンのアレイを含み、各ゾーンは回折フィーチャの集合を含み、
前記アウトカップリング回折光学要素の前記第１次元に沿って連なるゾーンは、形状が異なる回折フィーチャの集合をそれぞれ有し、
前記第１次元に沿う前記連なるゾーンは、一次回折次数の回折効率が変化する前記画像担持光ビームを出力する、画像光ガイド。
【請求項18】
１以上のゾーンが、前記第１次元に沿う２以上の隣接するゾーンの回折フィーチャの形状の組み合わせである形状を有する回折フィーチャを含む、請求項１７に記載の画像光ガイド。
【請求項19】
前記ゾーンのアレイにおける回折フィーチャの集合の深さが、前記第１次元に沿って変化する、請求項１７に記載の画像光ガイド。
【請求項20】
前記ゾーンのアレイが、前記第２次元に延びる軸線を横切って対称である、請求項１７に記載の画像光ガイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電子ディスプレイに関し、特に回折光学要素を有する画像光ガイドを用いたディスプレイに関する。
【背景技術】
【0002】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）およびバーチャル像ニアアイディスプレイは、軍事、商業、産業、消防、娯楽など、さまざまな用途向けに開発されている。これらの多くの用途において、ＨＭＤの使用者の視野内にある実世界の画像と視覚的に重ね合わせることができるバーチャル像を形成することは、価値がある。バーチャル像を視者の瞳孔に向け、上記重ね合わせ機能を可能にするために、光学画像光ガイドは、狭い空間内において画像担持光を視者に伝送する。
【0003】
従来の画像光ガイドでは、コリメートされ角度的にエンコードされた画像ソースからの光ビームが、インカップリング回折光学要素等の入力結合（インカップリング）により平面導波路内へと結合される。このインカップリング回折光学要素は、平面導波路の表面に設けられまたは形成されているか、または導波路内に埋設されている。回折された光は、導波路に沿って伝搬した後で、アウトプット回折光学要素により導波路の外へと向けられる。さらに、バーチャル像の直交する次元において瞳拡大を提供するために、回転光学要素を導波路に沿ってインカップリング回折光学要素とアウトカップリング回折光学要素との間に配置することができる。導波路から出力された画像担持光は、視者のために拡大されたアイボックスを提供する。
【0004】
改善された回折効率、画像担持光の出力強度、および出力アパーチャ全域にわたる均一性を有するディスプレイ装置には利点があることが理解されよう。
【発明の概要】
【0005】
本開示の目的は、特にコンパクトな頭部装着型装置および類似のイメージング装置を用いる場合に、バーチャル像表示の技術を進歩させることである。
本開示にしたがい、第１の態様では、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドが提供される。この画像光ガイドは、導波路と、画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、を備えている。前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれが回折フィーチャの集合を有する２つ以上のゾーンを含み、前記アウトカップリング回折光学要素の一次元に沿って連なるゾーンは、異なる回折フィーチャの集合をそれぞれ有し、前記回折フィーチャは、第１の角度で前記回折フィーチャに入射する第１ピクセルの画像担持光ビームの一部を方向付けるように動作可能であり、これにより、方向付けられた前記第１ピクセルの画像担持光ビームが前記導波路内をさらに伝播するようにし、前記回折フィーチャは、第２の角度で前記回折フィーチャに入射した前記第１ピクセルの画像担持光ビームの一部をアウトカップリングするように動作可能であり、アウトカップリングされた前記第１ピクセルの前記画像担持光ビームの一部は、連なるゾーンにおいて同じ角度でアウトカップリングされる。
第２の態様では、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドが提供される。この画像光ガイドは、導波路と、画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、を備えている。前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれが回折フィーチャの集合を有する２つ以上のゾーンを含み、前記２つ以上のゾーン内の前記回折フィーチャの集合は、それぞれ２次元の周期的ラティスに配置された複数のユニットセルを含み、前記２次元の周期的ラティスは、前記アウトカップリング回折光学要素内の２つ以上のゾーンの各々で同じであり、少なくとも２つの隣接ゾーン間の前記ユニットセルは、異なる回折フィーチャを画成する。
本開示にしたがい、第１の態様では、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドが提供される。この画像光ガイドは、導波路と、画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、を備えている。前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれが回折フィーチャの集合を有する２つ以上のゾーンを含み、前記アウトカップリング回折光学要素の一次元に沿って連なるゾーンは、異なる回折フィーチャの集合をそれぞれ有し、前記回折フィーチャは、第１の角度で前記回折フィーチャに入射する第１ピクセルの画像担持光ビームの一部を方向付けるように動作可能であり、これにより、方向付けられた前記第１ピクセルの画像担持光ビームが前記導波路内をさらに伝播するようにし、前記回折フィーチャは、第２の角度で前記回折フィーチャに入射した前記第１ピクセルの画像担持光ビームの一部をアウトカップリングするように動作可能であり、アウトカップリングされた前記第１ピクセルの前記画像担持光ビームの一部は、連なるゾーンにおいて同じ角度でアウトカップリングされる。
第２の態様では、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドが提供される。この画像光ガイドは、導波路と、画像担持光ビームを前記導波路に向けるように動作可能なインカップリング回折光学要素と、前記画像担持光ビームを前記導波路からアイボックスに向けるように動作可能なアウトカップリング回折光学要素と、を備えている。前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれが回折フィーチャの集合を有する２つ以上のゾーンを含み、前記２つ以上のゾーン内の前記回折フィーチャの集合は、それぞれ２次元の周期的ラティスに配置された複数のユニットセルを含み、前記２次元の周期的ラティスは、前記アウトカップリング回折光学要素内の２つ以上のゾーンの各々で同じであり、少なくとも２つの隣接ゾーン間の前記ユニットセルは、異なる回折フィーチャを画成する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
添付の図面は明細書の一部として組み込まれる。ここに開示された図面は、現在開示されている主題の実施形態を示し、本開示の選択された原理および教示を例示している。
しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、いかなる方法でも本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、いかなる方法でも本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
【0007】
【図1】バーチャル像の一次元に沿う瞳拡大を提供するアウトカップリング回折光学要素を備えた、バーチャル像伝送のための画像光ガイドを、単純化して示す断面図である。
【0008】
【図2】アウトカップリング回折光学要素に加えて回転格子を備え、バーチャル像の二次元に沿って瞳拡大を提供する、バーチャル像伝送のための画像光ガイドの斜視図である。
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【図8A】本開示の主題の例示的実施形態による漸進的回折フィーチャ深さを示す概略図である。
【図8B】本開示の主題の例示的実施形態による漸進的回折フィーチャ深さを示す概略図である。
【図8C】本開示の主題の例示的実施形態による漸進的回折フィーチャ深さを示す概略図である。
【図8D】本開示の主題の例示的実施形態による漸進的回折フィーチャ深さを示す概略図である。
【0015】
【図9】本明細書で開示される主題の例示的実施形態による、区分けされたアウトカップリング回折光学要素を有する画像光ガイドの上面図である。
【0016】
【図10】本明細書で開示される主題の例示的実施形態による、区分けされたアウトカップリング回折光学要素を有する画像光ガイドの上面図である。
【0017】
【図11A】本開示の主題の例示的実施形態による回折フィーチャの概略図である。
【図11B】本開示の主題の例示的実施形態による回折フィーチャの概略図である。
【図11C】本開示の主題の例示的実施形態による回折フィーチャの概略図である。
【図11D】本開示の主題の例示的実施形態による回折フィーチャの概略図である。
【図11E】本開示の主題の例示的実施形態による回折フィーチャの概略図である。
【0018】
【図12】本開示の主題の例示的実施形態によるアウトカップリング回折光学要素内に回折フィーチャの繰り返しパターンを形成するように動作可能な矩形のユニットセルの概略図である。
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【図16】本開示の主題の例示的実施形態による少なくとも１つの近焦点画像光ガイドを使用する、拡張現実表示のための双眼ディスプレイシステムの斜視図である。
【詳細な説明】
【0023】
本発明は、明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の配置および工程順序を想定し得ることを理解されたい。また、図面に示され明細書に記載された特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書で定義される本発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、同様の参照番号で参照されている。
【0024】
本明細書において、「第１」、「第２」などの用語は、特に指定のない限り、必ずしも順序、や優先関係を示すのではなく、単にある要素または要素の集合を別の要素または要素の集合からより明確に区別するために使用される。
【0025】
本明細書で用いられる「例示的」なる用語は、「例」を意味するものであり、好ましい又は理想的な実施例を示唆するものではない。
【0026】
本明細書において、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「使用者」という用語は均等であると見なされ、特にＨＭＤ装置に配置された画像光ガイドにより伝送されたバーチャル像を見る人を指す。
【0027】
本明細書で使用される場合、「励起可能」という用語は、電力を受け取ったとき、およびオプションでイネーブル信号を受け取ったときに、指示された機能を実行する装置または構成要素のセットに関する。
【0028】
本明細書で使用される「集合（セット；set)」という用語は、要素または部材の集合の概念が初等数学で広く理解されているように、空でない集合を指す。「部分集合」という用語は、特に明記しない限り、空でない適切な部分集合、すなわち、より大きな集合のうちの１つまたは複数の要素を有する部分集合を指すために使用される。集合Ｓの場合、部分集合は完全な集合Ｓを含み得る。しかしながら、集合Ｓの「適切な部分集合」は、集合Ｓに厳密に含まれ、集合Ｓの少なくとも１つの要素を除外する。
【0029】
本明細書で使用される場合、「光学的無限遠」および「無限遠で」の用語は、カメラおよび画像技術における従来の使用法に対応し、焦点距離が少なくとも約４ｍを超えるように、実質的にコリメートされた光の１つまたは複数の束を使用する画像形成を示す。
【0030】
本明細書で使用される場合、光学の文脈における「結合（coupled）」または「カプラー(coupler)」という用語は、結合（connection）を容易にする中間構造を介して、ある光学媒体またはデバイスから別の光学媒体またはデバイスに光を伝送させるような結合を指す。
【0031】
本明細書で使用される場合、用語「ビーム拡大器（ビームエキスパンダー）」および「瞳拡大器（瞳エキスパンダー）」は同義と見なされ、本明細書では交換可能に使用される。これらの用語は、本明細書では一般に、バーチャル像を伝送するために角度的に関連するビーム間の重複領域を拡大することを指す。
【0032】
実像投影の代わりに、光学システムは視者の目に明らかなバーチャル像を作成できる。実像を形成する方法とは対照的に、バーチャル像はディスプレイ面上に形成されない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル像の知覚位置に配置されたと仮定した場合、その面に画像は形成されない。バーチャル像ディスプレイには、拡張現実表示にとって固有の多くの利点がある。たとえば、バーチャル像の見かけのサイズは、ディスプレイ面のサイズや位置によって制限されない。さらに、バーチャル像のソースオブジェクトは小さくすることができる。たとえば、拡大鏡はオブジェクトのバーチャル像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れて見えるバーチャル像を形成することにより、より現実的な視体験を提供することができる。バーチャル像を提供することにより、実像を投影するときに必要なスクリーンのアーティファクトの補償が不要となる。
【0033】
図１は、単眼タイプの画像光ガイド１０の１つの従来構成を単純化して示す断面図である。この画像光ガイド１０は、平らで平行な面１２、１４を有する平面導波路２２を備えている。導波路２２は、透明基板Ｓを備えている。インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯが、平面導波路２２に配置されておる。この例では、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、平面導波路２２の外面１２とは反対側の平面導波路２２の内面１４に配置された反射型回折格子として示されている。入射する画像担持光ＷＩは、このインカップリング回折光学要素ＩＤＯを介して平面導波路２２にアプローチする。しかしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、代わりに、透過型回折格子、体積ホログラムまたは他のホログラフィック回折要素、または入射する画像担持光ＷＩの回折を提供する他のタイプの光学要素であってもよい。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、平面導波路２２の外面１２または内面１４に配置することができ、透過型または反射型とすることができ、その組み合わせは、入射する画像入射光ＷＩが平面導波路２２に接近する方向に依存する。
【0034】
バーチャルディスプレイシステムの一部として使用される場合、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、実像、バーチャル像、またはハイブリッド像のソースからの入射画像担持光ＷＩを平面導波路２２の基板Ｓ内へ結合する。実像または像の寸法は、最初に、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ に提示するためのバーチャル像と同様に、画像内の異なる部位をエンコードする角度的に関連したビームの重合アレイに変換される。入射した画像担持光ＷＩはインカップリング回折光学要素ＩＤＯによって回折され（一般に、第１の回折次数を介して回折され）、それにより方向を変えられて平面導波路２２内に入り、さらに画像担持光ＷＧとして全内部反射（ＴＩＲ）により平面導波路２２に沿って伝播する。画像担持光ＷＧは、ＴＩＲによって設定された境界を維持しながら、角度的に関連するビームのより凝縮された範囲で回折されるが、画像情報をエンコードされた形態で保存する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはエンコードされた画像担持光ＷＧを受け取り、画像担持光ＷＧの一部を画像担持光ＷＯとして平面導波路２２から視者の目の意図された位置に向かって回折する。一般に、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに対して対称に設計され、出力された画像担持光ＷＯの角度的に関連するビームの間で、画像担持光ＷＩの元の角度関係を復元する。しかしながら、バーチャル像を見ることができるアイボックスＥ内の角度的に関連するビーム間のオーバーラップの一次元を増加させるために、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＧに複数回遭遇し、遭遇の度に画像担持光ＷＧの一部だけを回折するように配置されている。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの長さに沿った複数の遭遇は、画像担持光ＷＯの角度的に関連するビームのそれぞれの少なくとも１つの次元を拡大する効果を有し、それによって、ビームが重なり合うアイボックスＥの１つの次元を拡大する。拡大されたアイボックスＥは、バーチャル像を見るための視者の目の位置に対する感度を低下させる。
【0035】
単一次元に沿って屈折率が変化するアウトカップリング回折光学要素は、角度的に関連する個々のビームを、アウトカップリング回折光学要素との遭遇の間に導波路に沿った伝播方向に拡大することにより、アイボックスの１つの次元を拡大できる。それに加えて第２の次元に沿って屈折率が変化するアウトカップリング回折光学要素は、アイボックスの第２の次元を拡大し、これによりアイボックスを二つの次元で拡大することができる。アウトカップリング回折光学要素の第１の次元に沿った屈折率の変化は、導波路からの各ビームのエネルギーの一部がアウトカップリング回折光学要素と遭遇する度に、所望の第一次数の回折を介して回折するように構成することができ、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次数回折を介して元の方向へのさらなる伝播のために保存される。アウトカップリング回折光学要素の第２の次元に沿った屈折率の変化は、各ビームのエネルギーの一部がアウトカップリング回折光学要素と遭遇する度に、所望の第一次数回折を介して、ビームの元の伝播方向に対して角度をなす方向に回折するように構成することができ、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次数回折による元の方向へのさらなる伝播のために保存される。
【0036】
アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の内面１４上に配置された透過型回折格子として示されている。しかしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯと同様に、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の外面１２または内面１４上に配置することができ、透過型または反射型とすることができ、その組み合わせは、画像担持光ＷＧが平面導波路２２から出射する方向に依存する。
【0037】
図２の斜視図は、アイボックス７４を２つの次元で、すなわち意図する画像のｘ軸およびｙ軸の両方に沿って拡大するように配置された画像光ガイド２０を示す。二つの次元のビーム拡大を実現するために、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、画像担持光ＷＧを回折格子ベクトルｋ０を中心として中間回転光学要素ＴＧに向けて回折するように、方向付けられている。中間回転光学要素ＴＧの格子ベクトルｋｌは画像担持光ＷＧをアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯ に向かって反射モードで回折するように方向付けられている。画像担持光ＷＧの一部のみが、中間回転光学要素ＴＧとの複数回の遭遇のそれぞれによって回折され、これにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに接近する画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームのそれぞれを横方向に拡大する。回転光学要素ＴＧは、画像担持光ＷＧの一部をアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向けて方向転換させる。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯでは、画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームを、画像担持光ＷＯとして平面導波路２２から出射する前に、縦方向に第２の次元に拡大する。格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２ などの格子ベクトルは、回折光学要素の回折フィーチャ（例えば、溝、線、または罫線）と直交する方向に延び、回折光学要素 ＩＤＯ、ＴＧ、ＯＤＯの周期ないしはピッチｄ(つまり、溝間の中心距離)の逆数の大きさを有している。
【0038】
図２の画像光ガイド２０において、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは入射する画像担持光ＷＩを受け取る。この画像担持光ＷＩは、画像ソース１６によって生成された画像内の個々のピクセル（または均等の位置）に対応する角度的に関連するビームの集合を含む。バーチャル像を生成するための角度的にエンコードされたビームの全範囲は、集光光学系を備えた実際のディスプレイによって、またはビームの角度をより直接的に設定するためのビームスキャナーによって、または１次元の実際のディスプレイとスキャナーの組み合わせによって、生成することができる。画像光ガイド２０は、画像担持光ＷＧを中間回転光学要素ＴＧとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの両方に異なる方向で複数回遭遇させることによって、画像の二つの次元において拡大された角度的に関連するビームの集合を出射する。平面導波路２２の所与の配向において、中間回転光学要素ＴＧはｙ軸方向にビーム拡大を提供し、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはｘ軸方向に同様のビーム拡大を提供する。２つの回折光学要素ＩＤＯ、ＯＤＯ および中間回転光学要素ＴＧ の反射率特性とそれぞれの周期ｄは、それぞれの格子ベクトルの配向を伴って、２つの次元でのビーム拡大を提供する。この際、画像光ガイド２０から画像担持光ＷＯとして出射される画像担持光ＷＩの角度的に関連するビーム間の意図された関係が維持される。
【0039】
すなわち、画像光ガイド２０に入射する画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯによって、角度的に関連するビームの異なる集合にエンコードされるが、画像を再構成するために必要な情報は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ の系統的な効果によって保存される。インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の中間位置にある回転格子ＴＧ及びＯＤＯは、通常、画像担持光ＷＧのエンコードに重大な変化を引き起こさないように配置される。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは通常、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに対してシンメトリック（対称）に構成されている。例えば、同じ周期の回折フィーチャを含む。同様に、回転格子ＴＧの周期もまた、典型的には、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通の周期と一致する。図では、回転光学要素ＴＧの格子ベクトルｋ１は他の格子ベクトルに対して４５度に向けられているが、異なる配向も可能であり、回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１を、インカップリング回折光学要素ＩＤＯの格子ベクトルｋ０とアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ２に対して６０度に向けられてもよい。この場合、画像担持光ＷＧは１２０度回転される。中間回転格子の格子ベクトルｋ１を、インカップリング回折光学要素ＩＤＯの格子ベクトルｋ０とアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ２に対して６０度に向けることにより、インカップリング回折格子ＩＤＯの格子ベクトルｋ０とアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルＫ１も、互いに６０度の角度で配置されている。回転格子ＴＧとインカップリング回折光学要素ＩＤＯおよびアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通ピッチによる格子ベクトルの大きさに基づいて、３つの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２ は正三角形を形成し、合計するとゼロの大きさになる。これにより、色分散などの望ましくない収差が誘導される可能性のある非対称効果を回避する。
【0040】
平面導波路２２内に回折された画像担持光ＷＩは、インカップリング光学要素が格子、ホログラム、プリズム、ミラー、または他の機構のいずれを用いても、インカップリング光学要素により効果的にエンコードされる。入力で生じる光の反射、屈折、及び/又は回折は、視者に提示されるバーチャル像を再形成するために、出力によって対応するデコードをする必要がある。インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の光学的中間位置に配置された回転光学要素ＴＧは、通常、エンコードされた光に変化を引き起こさないように設計および配向される。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＧを、アイボックス７４を満たすように拡大された角度的に関連するビームの元の形態または所望の形態にデコードする。より広い意味では、回転光学要素ＴＧとインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間で何らかの対称性（シンメトリック）が維持されているか否か、または、画像担持光ＷＩの角度的に関連付けられたビームのエンコードに平面導波路２２に沿って変化が生じているか否かに拘わらず、回転格子ＴＧとインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、意図したバーチャル像を生成するために、平面導波路２２から出力される画像担持光ＷＯが画像担持光ＷＩの元のまたは所望の形態を保持するように、関連付けられる。
【0041】
文字「Ｒ」は、目がアイボックス７４にある視者に見えるバーチャル像の向きを表している。図示のように、表されたバーチャル像における文字「Ｒ」の向きは、画像担持光ＷＩによってエンコードされた文字「Ｒ」の向きと一致する。ｘｙ平面に対する、入射した画像担持光ＷＩのｚ軸周りの回転または角度方向の変化は、アウトカップリング回折光学要素（ＯＤＯ）からの出射光の回転または角度方向についての対応するシンメトリックな変化を引き起こす。画像の向きの観点から、回転光学要素ＴＧは一種の光学リレーとして機能し、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の１つの軸 (例えばｙ 軸)に沿って拡大する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＩによってエンコードされたバーチャル像の元の向きを維持しながら、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の別の軸（例えばｘ軸）に沿ってさらに拡大する。回転光学要素ＴＧは、傾斜したまたは正方形の格子であり、代わりにブレーズド格子とすることができ、通常、平面導波路２２の前面１２または後面１４に配置される。
【0042】
図１及び図２に示される画像光ガイド１０、２０は、視者に画像コンテンツを提供するために多くの既存のＨＭＤ設計で使用されるタイプとすることができる。このタイプの画像光ガイドは、透明な平面導波路２２を通して見られる現実世界のビューにバーチャル像コンテンツを重ねることができる拡張現実アプリケーションに特によく適している。
【0043】
回折格子として形成された回折光学要素では、格子の深さを増やすと回折効率が向上する。しかし、アウトカップリング回折格子の回折効率が高くなると、回折格子の外側領域から出射される画像担持光ＷＯが減少する可能性がある。なぜなら、アウトカップリング回折光学要素の中央部から出力される画像担持光ＷＧが多くなり過ぎ、眼に見えるホットスポットが生成されるからである。画像光ガイドの開示されている実施形態は、区分けされた（ゾーン化された；ｚｏｎｅｄ）アウトカップリング回折光学要素を用いており、高い回折効率でアウトカップリングされた画像担持光ＷＯのより均一な分布を促進する。
【0044】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃに示す実施形態では、画像光ガイド１００は、バーチャル像を拡大されたアイボックスに伝送し、バーチャル像を光学的無限遠の焦点で提示するように動作可能である。すなわち、アイボックス内の画像担持光を含む角度的に関連付けられたビームのそれぞれは、実質的にコリメートされた形態を維持している。画像コンテンツは、プロジェクタ１１０によって生成され、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯを介して画像光ガイド１００により伝達され、画像光ガイド１００の正面に位置するバーチャル像ＶＩとして、無限遠の焦点で視者の目に現れる。視者の視野内のバーチャル像の見かけのサイズは、角度的に関連付けられたビームが画像をエンコードする角度の範囲に関係している。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯを出る実線は、画像担持光ＷＯのコリメートされたビームの１つを表している。破線は、画像光ガイド１００の正面における１つのコリメートされたビームの仮想延長を表す。この仮想延長は、無限遠に位置するソースから発生するように見えるバーチャル像のピクセルに対応している。
【0045】
図４Ａ～４Ｃに示すように、一実施形態では、画像光ガイド２００は、前後の平行な面２０４、２０６を有する導波路２０２を含む。インカップリング回折光学要素２１０およびアウトカップリング回折光学要素２１２は、導波路の前面２０４上に配置されている。一実施形態では、インカップリング回折光学要素２１０およびアウトカップリング回折光学要素２１２は、導波路の後面２０６上に配置される。別の実施形態では、インカップリング回折光学要素２１０は導波路の前面２０４上に配置され、アウトカップリング回折光学要素２１２は導波路の後面２０６上に配置される。
【0046】
一実施形態では、中間回折光学要素は、インカップリング回折光学要素２１０とアウトカップリング回折光学要素２１２との間に光学的に配置される。中間回折光学要素は回転格子であってもよく、及び／又は中間回折光学要素は設計の多様性の増加を可能にしてもよい。
【0047】
アウトカップリング回折光学要素２１２は、画像担持光ＷＯとしての画像担持光ＷＧを拡大しアウトカップリングするように動作可能な複合回折格子パターンを含む。複合回折格子パターンは、２つ以上の重なり合う回折パターンを含む。各回折パターンは格子ベクトルｋによって画定される。一実施形態では、複合回折格子パターンは、３つ以上のベクトルｋ成分を有する重なり合わない正弦波の回折パターンを含む。図４Ａに示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２は、２つ以上の回折フィーチャのゾーン２１４,２１５,２１６,２１７,２１８,２１９,２２０,２２１,２２２,２２３,２２４,２２５,２２６,２２７,２２９を含む。ここで、各ゾーン２１４,２１５,２１６,２１７,２１８,２１９,２２０,２２１,２２２,２２３,２２４,２２５,２２６,２２７,２２９の回折フィーチャは、隣接するゾーン２１４,２１５,２１６,２１７,２１８,２１９,２２０,２２１,２２２,２２３,２２４,２２５,２２６,２２７,２２９の回折フィーチャと異なる。図４Ａ～図６Ｃに示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２は、ｙ軸方向のほぼ中央に位置する第１ゾーン２１４を含む。第２ゾーン２１６は、ｙ軸方向において第１ゾーン２１２のほぼ上に隣接して位置する。第３ゾーン２１８は、第２ゾーン２１６のほぼ上に隣接して位置する。第４ゾーン２２０は、ｙ軸方向において第１ゾーン２１４のほぼ下に隣接して位置する。第５ゾーン２２２は、ｙ軸方向において第４ゾーン２２０のほぼ下に隣接して位置する。第６ゾーン２２４は、ｙ軸方向のほぼ中央に位置し、ｘ軸方向において第１ゾーン２１４のほぼ右側に隣接して位置する。第７ゾーン２２６は、ｘ軸方向に沿って第６ゾーン２２４のほぼ右側に隣接して位置する。
【0048】
アウトカップリング回折光学要素２１２は出力アパーチャ２３０を画成する。出力アパーチャ２３０の外側に配置されたアウトカップリング回折光学要素２１２の部分は、時々、画像担持光を出力アパーチャ２３０に向け直すものであり、くさび形または三角形のような形状にしてもよい。出力アパーチャ２３０は、アウトカップリング回折光学要素２１２の外側に位置する点線によって示されている。しかしながら、当業者は、図を明確にするためにこのように提示されていること、および出力アパーチャ２３０がアウトカップリング回折光学要素２１２の外側に延在していないことを理解するであろう。
【0049】
引き続き図４Ａを参照すると、視覚化するために、アイボックス２３２Ａ（すなわち、ヘッドモーションボックス）がアウトカップリング回折光学要素２１２の第１ゾーン２１４の上に示されている。アイボックス２３２Ａは、バーチャル像の視野（ＦＯＶ）の中心の画像担持光の入射光線に対応する。視者の目は、導波路２０２からある距離だけ離れた位置にある。この距離はアイレリーフ（瞳距離）と呼ばれている。動作中、観察者の目がアイボックス２３２Ａ内で移動しても、入射光線に対応するピクセルを見ることができる。
【0050】
インカップリング回折光学要素２１０は、ＴＩＲ条件で画像担持光ＷＩの入射光線を入力結合（インカップリング）するように動作可能であり、それにより、画像担持光ＷＧがアウトカップリング回折光学要素２１２に向かって伝播し、このアウトカップリング回折光学要素２１２で画像担持光ＷＯがアイボックス２３２Ａに向かって出力結合（アウトカップリング）することができる。図４Ａ～４Ｃに示すように、一実施形態では、バーチャル像の視野（ＦＯＶ）の中心に対応する光線は、インカップリング回折光学要素２１０を介して導波路２０２内にインカップリングされる。この光線は 導波路２０２と垂直をなしてインカップリング回折光学要素２１０に入射するように示されている。ただし、この中心光線は、導波路２０２に対して垂直以外の角度でインカップリング回折光学要素２１０に入射してもよい。図４Ａ～４Ｃに示す実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の第１ゾーン２１４は、画像担持光ＷＧを１以上の次元（すなわち、ｘ軸およびｙ軸方向）に拡大し、画像担持光ＷＯをアイボックス２３２Ａ内にアウトカップリングするように動作可能である。
【0051】
この視野角の観点から、アイボックス２３２Ａの下のこの領域における理想的なアウトカップリング格子は、インカップリング格子のリニア格子と平行に配置され１つの機能（画像担持光をアウトカップリングする機能）だけを備えたリニア格子を持つだろう。しかし、画像担持光の拡大を容易にしてより大きなアイボックスを作成するために、第１ゾーン２１４のアウトカップリング格子はほぼ菱形（diamond-shaped）のポストを備える。このほぼ菱形のポストは、インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０と平行な格子ベクトルｋ３を暗黙のうちに定義する。換言すれば、第１ゾーン２１４において、縦のリニア格子フィーチャはほぼ完全に目立たなくなっており（ディレートされており；de-rated）、縦のリニア格子フィーチャの唯一の証拠がほぼ菱形のポストの点になっている。ほぼ菱形のポストは、行ごとにオフセットされているが、それでも縦のラインを形成している。アイボックス２３２Ａ内の画像担持光ＷＯの回折は、回折フィーチャの周期性によって発生する。
【0052】
図５Ａ～５Ｃでは、画像担持光ＷＧの光線はバーチャル像の中心の右下にあるバーチャル像の部分に対応し、アイボックス２３２Ｂの投影はこれに対応して移動する。仮に画像担持光ＷＧがアウトカップリング回折光学要素２１２で方向転換されない（すなわち回転されない）場合には、アウトカップリングされた画像担持光ＷＯは、アイボックス２３２Ｂの投影を完全に逃してしまう。ここで、異なるゾーンはすべて、単一のピクセルまたは視野角から画像担持光ＷＯ を同じ角度範囲にアウトカップリングし、バーチャル像を形成する。換言すれば、単一のバーチャルピクセルからの画像担持光は、隣接するゾーンによって同じ角度に出力される。例えば、図５Ａに示すように、アイボックス２３２Ｂに対応するバーチャルピクセルの画像担持光ＷＧは、第１ゾーン２１４と第４ゾーン２２０の両方で同じ角度または角度範囲でアウトカップリングされる。
【0053】
一実施形態では、第１ゾーン２１４は、画像担持光ＷＧの光線を、回転領域において画像担持光ＷＧの進行方向に対してある角度で下向きに回折する（すなわち、回転する）ように動作可能な回折フィーチャを含む。第１ゾーン２１４の回折フィーチャはまた、方向転換された画像担持光ＷＧを画像担持光ＷＯとしてアウトカップリングするように動作可能である。図６Ａ、図６Ｂに示すように、第１ゾーン２１４の回折フィーチャは、２つの格子ベクトルｋ１、ｋ２を画定し、これらは、インカップリング回折光学要素２１０の格子ベクトルｋ０と結合して、閉じた三角形を描き、実質的にゼロの大きさを有するベクトル図を形成する。換言すれば、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２の組み合わせは、実質的に大きさを持たないベクトルを形成する。一実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２は閉じた二等辺三角形を形成する。別の実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２は閉じた不等辺三角形を形成する。このようにして、第１ゾーン２１４の回折フィーチャによってバーチャル像に光の分散または角度誤差が誘導されない。第１ゾーン２１４はまた、その回折フィーチャの配置を介して、インカップリング回折光学要素２１０の格子ベクトルｋ０と等価である第４の格子ベクトルｋ３を暗黙のうちに定義する。この実施形態では、これらの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２、ｋ３はすべて、第１回折ゾーン２１４で必要である。
【0054】
図７Ａ～７Ｃでは、画像担持光ＷＧの光線がバーチャル像の中心のさらに右下にあるバーチャル像の部分に対応し、アイボックス２３２Ｃの投影はこれ対応して移動する。この画像担持光ＷＧの光線は、導波路２０２を通って第３ゾーン２１８内の領域に伝播するが、この画像担持光ＷＧの光線は、第４または第５ゾーン２２０、２２２におけるアウトカップリング回折光学要素２１２の一部から出射する必要がある。第３ゾーン２１８は、画像担持光ＷＧを第５ゾーン２２２に向けてｙ軸方向における下方に方向転換させる（すなわち、回転させる）ように動作可能である。第３ゾーン２１８から直接アウトカップリングされる（すなわちリニア回折格子からのようにアウトカップリングされる）画像担持光ＷＧは、観察者の目を逃すであろう。第３、第５ゾーン２１８、２２２が画像担持光ＷＧの向きを変えるかまたはアウトカップリングするためには、ただ１つの格子ベクトルが必要である。
【0055】
伝播の対称性により、画像担持光ＷＧが第５ゾーン２２２に向かってｙ軸方向に下向きに進行し、必然的に第３ゾーン２１８に向かってｙ軸方向における上向きに方向転換し、画像担持光ＷＯとしてアウトカップリングされる。画像担持光ＷＧを第３ゾーン２１８に向けて方向転換するために必要な格子フィーチャは、第３ゾーン２１８からの方向転換された画像担持光ＷＧをアウトカップリングするために必要な格子フィーチャと同一である。したがって、第５ゾーン２２２では、単一の格子ベクトルｋ５のみが必要である。
【0056】
第２、第４ゾーン２１６、２２０は、アウトカップリング回折光学要素２１２の遷移ソーンまたは中間ゾーンとして動作可能であり、第２および第４ゾーン２１６、２２０における格子フィーチャの設計は、隣接する２つのゾーンの組み合わせまたは畳み込み（重畳；convolution）である。例えば、第２ゾーン２１６は、第１、第３ゾーン２１４、２１８の組み合わせを表す。遷移ゾーン２１６、２２０は、導波路２０２内の移行をより円滑にし、画像光ガイド２００のより望ましい透視体験を生み出す。例えば、視野（ＦＯＶ）全体にわたりバーチャル像の明るさがより均一になる。一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２は、ｘ軸方向およびｙ軸方向において、アウトカップリング回折光学要素２１２の中心からの端まで、複数の遷移ゾーンを含む。
【0057】
図８Ａ～８Ｃに示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の２つ以上のゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９における回折フィーチャの深さは、回折フィーチャの基本的構成において定義されるゾーン境界２９０（図１０を参照）とは無関係に変化することができる。アウトカップリング回折光学要素２１２の回折フィーチャの基本的構成は、回折次数の方向および相対的な大きさを決定するが、回折フィーチャの深さ調節は、存在するすべての回折次数の相対的効率を調節する役割を果たす。アウトカップリング回折光学要素２１２の回折フィーチャの基本的パターンとは無関係に、勾配を有する深さを適用することが可能である。
【0058】
一実施形態では、ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９の回折フィーチャの深さは、回折フィーチャがｙ軸方向にアウトカップリング回折光学要素の端に近づくにつれて徐々に増大する。例えば図８Ｄに示されるように、回折フィーチャ２５０（図９を参照）は、第１ゾーン２１４の中心線２８０から第１ゾーン２１４の外縁までｙ軸方向に深さｎ１－ｎ３で漸進的に変化する、回折フィーチャ２５６（図９を参照）は、第１ゾーン２１４の縁から第２ゾーン２１６の外縁まで、ｙ軸方向に深さｎ４－ｎ６で漸進的に変化する。回折フィーチャ２５２（図９を参照）は、第２ゾーン２１６の縁から第３ゾーン２１８の外縁まで、ｙ軸方向に深さｎ７－ｎ９で漸進的に変化する。この回折フィーチャの深さにおけるこの漸進的な増大は、第１ゾーン２１４の中心線２８０を横切って鏡面対称である。図８Ａはリニア格子フィーチャの概略図を示す。このリニア格子フィーチャの深さは、ｘ-ｚ平面と平行な中心平面２８２を横切って対称をなすように、ｙ軸に沿って増大する。図８Ｂはリニア格子フィーチャの概略図を示す。このリニア格子フィーチャの深さは、ｘ－ｚ平面と平行な中心平面２８２を横切って対称をなすようにｙ軸に沿って階段状に増大する。
【0059】
別の実施形態では、ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９の回折フィーチャの深さは、ｘ軸方向に回折フィーチャがアウトカップリング回折光学要素の縁に近づくにつれて漸進的に増加する。図８Ｃはリニア格子フィーチャの概略図を示す。このリニア格子フィーチャの深さは、ｙ－ｚ平面と平行な中心平面２８４を横切って対称的にｘ軸に沿って増大する。一実施形態では、ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９の回折フィーチャの深さは、回折フィーチャがアウトカップリング回折光学要素の縁に近づくにつれてx軸方向とy軸方向の両方で漸進的に増大する。
【0060】
図９に示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の第１ゾーン２１４は、複合回折パターンを表す回折フィーチャ２５０を含む。図９に示される回折フィーチャ２５０は、ほぼ菱形のポストである。回折フィーチャ２５０の概略図が図１１Ａに示されている。別の実施形態では、回折フィーチャ２５０は、１つ以上の正弦波の列ないしは波状フィーチャである。第３、第５ゾーン２１８、２２２のそれぞれの回折フィーチャ２５２、２５４は、リニア格子を表す。回折フィーチャ２５４は、第１ゾーン２１４の中心線２８０に関して回折フィーチャ２５２と対称である。回折フィーチャ２５２、２５４はまた、中心線２８０に対して角度φで配置される。回折フィーチャ２５２の概略図が図１１Ｃに示されている。回折フィーチャ２５４の概略図が図１１Ｅに示されている。
【0061】
第２ゾーン２１６の回折フィーチャ２５６は、回折フィーチャ２５０と回折フィーチャ２５２との組み合わせを表す。換言すれば、一実施形態では、回折フィーチャ２５６は平行四辺形のフィーチャである。回折フィーチャ２５６の概略図が図１１Ｂに示されている。同様に、第４ゾーン２２０の回折フィーチャ２５８は、回折フィーチャ２５０と回折フィーチャ２５４との組み合わせを表し、ひし形のフィーチャがリニア格子に接近するようにする。換言すれば、一実施形態では、回折フィーチャ２５８は平行四辺形のフィーチャである。回折フィーチャ２５８の概略図が図１１Ｄに示されている。第６ゾーン２２４の回折フィーチャ２６０は、ｙ軸とほぼ平行に配置されたほぼリニアな格子に近づくほぼ三角形のフィーチャを表している。第７ゾーン２２６の回折フィーチャ２６２は、ほぼ縦のリニア格子を表している。
【0062】
図１２は、長方形のユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅの概略図である。一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の第１ゾーン２１４、第４ゾーン２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、および第５ゾーン２２２は、二次元格子に配置されたユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅによって形成される。一実施形態では、各ユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅは、ゾーン内の最小の繰り返される回折フィーチャを含む。しかしながら、ユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅは、周期的な回折フィーチャを形成するためにゾーン内で反復可能であるような任意のサイズとすることができる。各ゾーン内の回折フィーチャは、周期的な格子（グリッド；ｇｒｉｄ）におけるユニットセルの配置を含み、２次元の周期的な格子構造を形成する。周期的格子は、アウトカップリング回折光学要素２１２内の各ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９において同じである。図１３に示すように、アウトカップリング回折光学要素２１２の複合回折パターンの一部は、ユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅの複製と連続配置（隣接配置）を含む。当業者は、第１ゾーン２１４、第４ゾーン２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃおよび第５ゾーン２２２のそれぞれのｘ軸及び／又はｙ軸方向に、より多くのユニットセル３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅが存在し得ることを認識するであろう。
【0063】
一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の中心から縁に向かってｙ軸及び／又はｘ軸方向に移行する複数のゾーンが存在する。実際には、アウトカップリング回折光学要素２１２のｙ軸及び／又はｘ軸方向に有限数のナノ構造のみが許容される。したがって、一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２の中心から縁までのｙ軸及び／又はｘ軸方向の遷移ゾーンの数は、少なくとも部分的に、アウトカップリング回折光学要素２１２の最小の製造可能な構造およびサイズの関数である。
【0064】
別の実施形態では、アウトカップリング回折光学要素２１２のゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９は、ギャップ領域によって輪郭を描かれる。図１０に示すように、ゾーンの境界２９０は、ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９を画成する点線によって示されている。ゾーン境界２９０は、ゾーン２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２９の間のギャップ領域を画成することができる。
【0065】
図１０に示すように、一実施形態では、第１ゾーン２１４の回折フィーチャ２５０は、単一の列だけを含むことができる。この実施形態では、第２ゾーン２１６はサブセクション２１６Ａ、２１６Ｂを含み、ゾーン２１６Ｂの回折フィーチャ２５６は、ゾーン２１６Ａの回折フィーチャ２５６よりもリニア格子に近い。第４ゾーン２２０は、サブセクション２２０Ａ、２２０Ｂを含み、ゾーン２２０Ｂの回折フィーチャ２５８は、ゾーン２２０Ａの回折フィーチャ２５８よりもリニア格子に近い。
【0066】
図１４Ａ、１４Ｂに示すように、一実施形態では、画像光ガイド３００は、前後の平行をなす面３０４、３０６を有する導波路３０２を含む。インカップリング回折光学要素３１０およびアウトカップリング回折光学要素３１２は、導波路の前面３０４上に配置されている。アウトカップリング回折光学要素３１２は、画像担持光ＷＧを拡大し、画像担持光ＷＯとしてアウトカップリングするように動作可能な複合回折格子パターンを含む。アウトカップリング回折光学要素３１２は、回折フィーチャの１０個のゾーン３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２を含む。各ゾーン３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２の回折フィーチャは、隣接するゾーン３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２の回折フィーチャとは異なる。
【0067】
アウトカップリング回折光学要素の第１ゾーン３１４は、ｙ軸方向においてほぼ中心に位置する。第２ゾーン３１６は、ｙ軸方向において第１ゾーン３１４のほぼ上に隣接して配置される。第３ゾーン３１８は、第２ゾーン３１６のほぼ上に隣接して配置される。第４ゾーン３２０は、第３ゾーン３１８のほぼ上に隣接して配置される。第２ゾーン３１６および第３ゾーン３１８は、第１ゾーン３１４と第４ゾーン３２０の回折フィーチャ間において遷移ゾーン（移行ソーン）として動作可能な回折光学要素を含む。換言すると、第２、第３ゾーン３１６、３１８は、第１ゾーン３１４と第４ゾーン３１０の組み合わせまたは畳み込みである回折フィーチャを含む。図１５に示すように、第２ゾーン３１６は第１ゾーン３１４によりよく似ており、第３ゾーン３１８は第４ゾーン３２０によりよく似ている。
【0068】
第５ゾーン３２２は、ｙ軸方向において第１ゾーン３１４のほぼ下に隣接して配置される。第６ゾーン３２４は、ｙ軸方向において第５ゾーン３２２のほぼ下に隣接して配置される。第７ゾーン３２６は、ｙ軸方向において第６ゾーン３２４のほぼ下に隣接して配置される。第５、第６ゾーン３２２、３２４は、第１ゾーン３１４と第７ゾーン３２６の異なる回折フィーチャ間において遷移ゾーン（移行ゾーン）として動作可能な回折光学要素を含む。換言すれば、第５、第６ゾーン３２２、３２４は、第１ゾーン３１４、第７ゾーン３２６の組み合わせまたは畳み込みである回折フィーチャを含む。第５、第６、第７ゾーン３２２、３２４、３２６の回折フィーチャは、第１ゾーン３１４の中心線を横切って第２、第３、第４ゾーン３１６、３１８、３２０の回折フィーチャと対称である。しかしながら、アウトカップリング回折光学要素３１２の形状は、必ずしも第１ゾーン３１４の中心線を横切って対称であるとは限らない。
【0069】
第８ゾーン３２８は、ｙ軸方向のほぼ中央に位置し、ｘ軸方向において第１ゾーン３１４の右側にほぼ隣接して配置される。第９ゾーン３３０は、ｙ軸方向のほぼ中央に配置され、ｘ軸方向に沿って第８ゾーン３２８の右側にほぼ隣接して配置される。第１０ゾーン３３２も、ｙ軸方向においてほぼ中央に配置されるとともに第３ゾーン３１８と第６ゾーン３２４との間に配置され、x 軸方向において第９ゾーン３３０、第２ゾーン３１６、第５ゾーン３２２のほぼ右側に隣接して配置される。第８、第９ゾーン３２８、３３０は、第１ゾーン３１４と第１０ゾーン３３２の回折フィーチャ間の遷移ゾーンとして動作可能な回折フィーチャを含む。換言すると、第８、第９ゾーン３２８、３３０は、第１ゾーン３１４と第１０ゾーン３３２の組み合わせまたは畳み込みである回折フィーチャを含む。
【0070】
さらに、第１ゾーン３１４、第８ゾーン３２８、第９ゾーン３３０は、ｙ軸方向にほぼ同じ幅を有する。第１ゾーン３１４、第２ゾーン３１６、第５ゾーン３２２を合わせると、第１０ゾーン３３２とほぼ同じｙ軸方向の幅を有する。一実施形態では、第４ゾーン３２０、第３ゾーン３１８、第６ゾーン３２４、第７ゾーン３２６のｘ軸方向の長さは等しくない。
【0071】
図１６の斜視図は、本開示の画像光ガイドを一対使用する三次元（３－Ｄ）拡張現実表示のためのディスプレイシステム６０を示す。表示システム６０は、左眼用の画像光ガイド１４０Ｌを有する左眼光学システム６４Ｌと、右眼用の画像光ガイド１４０Ｒを有する右眼光学システム６４Ｒとを有するＨＭＤとして示されている。ピコプロジェクタ（または同様のデバイス）などの画像ソース１５２が提供される。この画像ソース１５２は、それぞれの目に対して別個の画像を生成するように動作可能であり、これら画像は、立位画像表示に必要な画像方向を有するバーチャル像として形成される。生成される画像は、三次元表示用の立体的な画像のペアにすることができる。光学システムによって形成されるバーチャル像は、画像光ガイドを通して視者が見る現実世界のシーンに重ね合わさるようにして表示される。拡張現実視覚化技術の当業者によく知られている追加の構成要素（光景の表示や視者の視線追跡のために、ＨＭＤのフレームに取り付けられる１つまたは複数のカメラなど)を装着することができる。片目に画像を提供するためのディスプレイ装置を含む、代替構成も可能である。
【0072】
画像光ガイドの製作
インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、たとえば、回折格子であるか、体積ホログラムとして形成されるか、またはホログラフィック ポリマー分散液晶により形成される。画像光ガイドの導波路基板Ｓは、通常、インカップリング回折光学要素とアウトカップリング回折光学要素との間のＴＩＲ伝送をサポートするのに十分な屈折率を有するガラスまたは他の光学材料である。
インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、たとえば、回折格子であるか、体積ホログラムとして形成されるか、またはホログラフィック ポリマー分散液晶により形成される。画像光ガイドの導波路基板Ｓは、通常、インカップリング回折光学要素とアウトカップリング回折光学要素との間のＴＩＲ伝送をサポートするのに十分な屈折率を有するガラスまたは他の光学材料である。
【0073】
インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、それらの機能に適した異なる格子周期を持つことができる。ガラス基板ブランクを適切に表面処理の後、例えばナノインプリンティング法で、瞳拡大器の一方または両方の外面に回折要素を形成することができる。インカップリングおよびアウトカップリングの少なくとも１つは、表面レリーフの回折格子とすることができる。
【0074】
実際には、特に高解像度が提供される場合、アウトカップリング回折光学要素の各ゾーンを定義する連続的な変化を測定することは困難である。アウトカップリング回折光学要素の境界部分を比較して、それぞれの格子パターンの変化を示すことができる。
【0075】
本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作成することができる。種々の実施形態が詳細に説明されているが、これらは例として提示されており、限定ではないことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具体化され得ることは、当業者にとって自明なことである。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味および範囲内にあるすべての変更は、そこに含まれることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】