特表 2023-527616 ニアアイディスプレイのための仮想画像送達システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-30

(54)【発明の名称】ニアアイディスプレイのための仮想画像送達システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230623BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/30

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022552395

(86)(22)【出願日】2021-06-01

(85)【翻訳文提出日】2022-08-30

(86)【国際出願番号】 IL2021050651

(87)【国際公開番号】W WO2021245664

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】63/032,767

(32)【優先日】2020-06-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518105275

【氏名又は名称】ルーマス リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ツィオン・アイゼンフェルト

(72)【発明者】

【氏名】シモン・グレイバーニク

【テーマコード（参考）】

2H149

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H149AA01

2H149AB23

2H149BA27

2H149FD10

2H199CA23

2H199CA24

2H199CA30

2H199CA32

2H199CA47

2H199CA48

2H199CA53

2H199CA54

2H199CA62

2H199CA64

(57)【要約】

第１の導波路であって、ディスプレイエンジンによって提供される入力仮想画像を受信するための入力開口と、受信された入力仮想画像からの光を第１の導波路から反射するように位置決めされた第１の複数の第１のファセットと、を含む、第１の導波路と、第１の導波路から反射された光を受け取るように構成された第２の導波路であって、受け取った光を第２の導波路から反射させて、入力に応答する出力仮想画像をアイモーションボックス（ＥＭＢ）に投影するように位置決めされた第２の複数の第２のファセットを含む、第２の導波路と、第１および第２の複数のファセットの数の合計に等しいファセットの総数より少ない数の異なる部分反射コーティングから選択された各ファセット上に形成された部分反射コーティングと、を備え、出力仮想画像は、８０％以上の忠実度を示す、画像送達システム（ＩＤＳ）。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）のための画像送達システム（ＩＤＳ）であって、前記ＩＤＳは、
第１の導波路であって、ディスプレイエンジンによって提供される入力仮想画像を受信するための入力開口と、前記受信された入力仮想画像からの光を前記第１の導波路から反射するように位置決めされた第１の複数の第１のファセットと、を含む、第１の導波路と、
前記第１の導波路から反射された前記光を受け取るように構成された第２の導波路であって、前記受け取った光を前記第２の導波路から反射させて、前記入力に応答する出力仮想画像をアイモーションボックス（ＥＭＢ）に投影するように位置決めされた第２の複数の第２のファセットを含む、第２の導波路と、
前記第１および第２の複数のファセットの数の合計に等しいファセットの総数より少ない数の異なる部分反射コーティングから選択された各ファセット上に形成された部分反射コーティングと、を備え、
前記出力仮想画像は、前記入力仮想画像を再現する際に８０％以上の忠実度を示す、ＩＤＳ。

【請求項2】

前記異なる部分反射コーティングの前記数は、約２０以下である、請求項１に記載のＩＤＳ。

【請求項3】

前記異なる部分反射コーティングの前記数は、前記第１の導波路については約１５以下であり、前記第２の導波路については約５以下である、請求項２に記載のＩＤＳ。

【請求項4】

前記異なる部分反射コーティングの前記数は、２に等しく、第１および第２の異なる反射コーティングを含む、請求項３に記載のＩＤＳ。

【請求項5】

すべての前記第１のファセットは、前記第１のコーティングでコーティングされている、請求項４に記載のＩＤＳ。

【請求項6】

すべての前記第２のファセットは、前記第２のコーティングでコーティングされている、請求項５に記載のＩＤＳ。

【請求項7】

ｓ偏光に対する前記第１のコーティングの反射率は、約４０°から約７６°への前記第１のファセット上の入射角の増加とともに実質的に単調に減少する、請求項５または６に記載のＩＤＳ。

【請求項8】

ｐ偏光に対する前記第１のコーティングの反射率は、約４０°から約７６°への前記第１のファセット上の入射角の増加とともに実質的に単調に増加する、請求項７に記載のＩＤＳ。

【請求項9】

約４０°～約７６°の前記第１のファセット上の入射角に対して、ｓ反射率は、ｐ反射率よりも大きい、請求項８に記載のＩＤＳ。

【請求項10】

ｓ偏光に対する前記第２のコーティングの反射率は、約４０°未満の前記第２のファセットへの入射角の減少とともに実質的に単調に減少する、請求項５～９のいずれか一項に記載のＩＤＳ。

【請求項11】

ｐ偏光に対する前記第２のコーティングの反射率は、約５０°未満の前記第２のファセットへの入射角の減少とともに実質的に単調に増加する、請求項１０に記載のＩＤＳ。

【請求項12】

約５０°未満の前記第２のファセット上の入射角に対して、ｓ反射率は、ｐ反射率よりも大きい、請求項１１に記載のＩＤＳ。

【請求項13】

仮想画像をＥＭＢに提供するためのシステムであって、前記システムは、
先行請求項のいずれか一項に記載のＩＤＳと、
前記ＩＤＳに入力仮想画像を提供する装置と、を備える、システム。

【請求項14】

前記入力仮想画像を提供する前記装置は、前記ＩＤＳの第２のファセットに入射する前記入力仮想画像からの光がｓ偏光の成分よりも大きいｐ偏光の成分を有するように、前記入力仮想画像内の光の偏光を構成する、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記ｐ偏光の強度は、前記ｓ偏光の強度の３倍よりも大きい、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）のアイモーションボックス（ＥＭＢ）に投影される、ディスプレイエンジンによって生成された仮想画像のコピーの忠実度を制御する方法であって、前記方法は、
前記ディスプレイエンジンによって提供されるｓ偏光とｐ偏光との間の比を、前記画像のＦＯＶにおける前記光の伝搬の角度方向の関数として制御することと、
前記ｓと偏光との間の前記比に応じた反射率を有する複数のファセットから前記光を前記ＥＭＢに反射することと、を含む、方法。

【請求項17】

前記比を制御することは、ｓ偏光の強度よりも実質的に大きいｐ偏光の強度を提供することを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

ｓ偏光に対する前記ファセットの反射率は、約４０°未満の前記ファセットへの入射角の減少とともに実質的に単調に減少する、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

ｐ偏光に対する前記ファセットの反射率は、約５０°未満の前記ファセットへの入射角の減少とともに実質的に単調に増加する、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

約５０°未満の前記ファセット上の入射角に対して、ｓ反射率は、ｐ反射率よりも大きい、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０２０年６月０１日に出願された米国仮特許出願第６３／０３２，７６７号の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示の実施形態は、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）画像を提供することに関する。

【背景技術】

【0003】

普及中のヘッドセット、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、およびスマートアイウェアを使用して、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）など、任意の種々の新しい特質の現実がユーザに提供されており、コンピュータ生成された「仮想画像」がユーザの眼に提供されている。ＶＲの場合、画像は没入型であり、ユーザの実環境の画像は遮断される。ＡＲおよびＭＲの場合、画像は、ユーザが自分の視野（ＦＯＶ）内で見るユーザの実環境内のシーンの「実画像」上に重ね合わされる。仮想画像は、例として、実画像、ユーザによって実行されるタスク、および／または明示的もしくは暗黙的なユーザ要求に関連する娯楽および／または情報資料をユーザに提供することができる。

【0004】

従来、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）と称されるディスプレイシステムは、ユーザに仮想画像を提供している。ＮＥＤは、仮想画像を生成する、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、またはレーザビーム走査（ＬＢＳ）マイクロディスプレイなどのコンピュータ制御ディスプレイエンジンと、生成された仮想画像を見るためにユーザの眼に送達する画像送達システムとを備える。画像送達システムは、少なくとも１つの導光光学要素（ＬＯＥ）を備え、導光光学要素は、約５ｍｍ以下の特性寸法を有する比較的小さい入力開口において仮想画像を受信し、画像を眼の近くの出力開口に伝搬し、この出力開口を通して、仮想画像は、ユーザによる視認のためにアイモーションボックス（ＥＭＢ）の中に導かれる。ユーザの眼がＥＭＢ内に位置決めされると、仮想画像は、ユーザの瞳孔を通過して、ユーザの網膜上に到達する。ユーザがＮＥＤと眼との位置を合わせることなく快適に仮想画像を見ることができるようにＥＭＢを満たすために、ＮＥＤの少なくとも１つのＬＯＥは、一般に、ＮＥＤが仮想画像をＥＭＢに透過させる比較的大きい拡大された出力開口を有するように構成される。

【0005】

実用的なＮＥＤは、概して、人間工学的制約、技術的制約、および経済的制約を複合的に満たすことが必要とされており、快適に使用できる大きいＥＭＢを有し、小型軽量でエネルギー効率がよく、過度に邪魔な光学アーチファクトがなく、クリアで比較的高忠実度の仮想画像を提供するように構成することが有利であるとされる。

【発明の概要】

【0006】

本開示の一実施形態の一態様は、ＥＭＢに仮想画像のＦＯＶを投影するＮＥＤで使用するための、良好な画像送達システム（ＧＯＯＤＩＳ）とも称される画像デリバリシステムを提供することに関する。ＥＭＢは、ディスプレイエンジンがＧＯＯＤＩＳに提供する仮想画像のＦＯＶの有利な高忠実度コピーである。ＧＯＯＤＩＳは、入力開口においてディスプレイエンジンから仮想画像を受信し、受信した仮想画像からの光を、ファセットとも称される複数の部分反射性の、任意選択的に誘電性のミラーから反射して、仮想画像を拡大された出力開口に送達し、そこから仮想画像が、ユーザが見るためにＥＭＢに投影される。ディスプレイエンジンから受け取られる光の偏光、および／または入射角の関数としての少なくとも１つのファセットに対するｓ偏光および／またはｐ偏光に対する誘電体コーティングの反射率は、有利な忠実度を提供するように構成される。一実施形態において、有利な忠実度を提供するＧＯＯＤＩＳ内の各ファセットは、同じ２つの異なる部分反射性の、任意選択的に誘電体コーティングのうちの１つでコーティングされる。

【0007】

ＥＭＢに投影されたＦＯＶの忠実度とは、投影されたＦＯＶ内の角度方向に沿って伝搬する光の強度が、ディスプレイエンジンがＧＯＯＤＩＳに提供する仮想画像のＦＯＶ内の同じまたはパリティ反転されたそれぞれの角度方向に沿って伝搬する光の強度に均一に比例する程度を指す。ＥＭＢに投影されるＦＯＶは、１）投影されたＦＯＶ内の異なる角度方向に沿って投影された光の強度が、実質的に同じ比例定数によって、入力ＦＯＶ内の同じ、またはパリティ反転されたそれぞれの角度方向に沿って投影された光の強度に比例し、２）比例定数が、ＥＭＢ内の投影されたＦＯＶの位置に比較的依存しない場合に、ディスプレイエンジンによって提供されるＦＯＶ（入力ＦＯＶとも称される）に比較的均一に比例する。

【0008】

本開示の一実施形態によると、ＧＯＯＤＩＳは、第１および第２のＬＯＥと、ディスプレイエンジンによって生成された仮想画像からの光がそれを通して受信される、第１のＬＯＥ上に位置する入力開口と、仮想画像からの光がそれを通してＥＭＢに投影される、第２のＬＯＥ上に位置する出力開口とを備える。各ＬＯＥは、２つの平行な全内部反射（ＴＩＲ）面と、互いに平行な埋め込みファセットのアレイとを有する導波路を備える。各導波路内のファセットは、導波路に入射する光が導波路内を伝搬する導波路の伝搬方向に対して傾斜している。第１の導波路上に位置する入力開口に入る光は、第１の導波路の伝搬方向に沿って伝搬し、導波路内のファセットによって導波路から反射されて、第２の導波路に入る。第１の導波路から第２の導波路に入る光は、第２の導波路の伝搬方向に沿って伝搬し、導波路から反射され、第２の導波路内のファセットによって出力開口を介してＥＭＢに投影される。第１および第２の導波路の伝搬方向は、任意選択的に直交し、第１および第２の導波路は、直交する伝搬方向の各々に沿って入力開口を拡張するように協働する。

【0009】

提示の便宜上、第１の導波路に沿った光の伝搬は、デカルト座標系のｘ軸に沿っていると仮定し、第２の導波路に沿って伝搬する光は、ｙ軸に沿って伝搬すると仮定し、アイボックスは、第２の導波路の出力開口に面してｚ軸に沿って位置すると仮定する。第１の導波路および第２の導波路は、それぞれ、ｘ導波路およびｙ導波路と称され得、それらのそれぞれの埋め込まれたファセットは、ｘファセットおよびｙファセットと称され得、第１のＬＯＥおよび第２のＬＯＥは、それぞれ、ｘＬＯＥおよびｙＬＯＥと称され得る。入力開口においてディスプレイエンジンから受信される仮想画像は、入力仮想画像と称されてもよく、ＧＯＯＤＩＳによってＥＭＢに投影される画像は、出力仮想画像と称されてもよい。

【0010】

ＧＯＯＤＩＳ内の導波路のファセット上に入射するＧＯＯＤＩＳの導波路を伝搬する光は、概して、ｓ偏光成分およびｐ偏光成分の両方を含む。ｓ偏光は、光の入射面に垂直な偏光を指し、ｐ偏光は、入射面に平行な偏光を指す。各ファセットは、入射光からの光を、それぞれｘファセットおよびｙファセットの場合には直接的または間接的に、ＧＯＯＤＩＳによってＥＭＢに投影される出力ＦＯＶ内の角度方向の一部に沿ってＥＭＢに向かって反射する。Ｉ（α_m）が、ディスプレイエンジンによって生成される所与の仮想入力画像の入力ＦＯＶ内のｍ番目の角度方向α_mに沿って伝搬する光の強度を表すものとする。Ｐ^o _k（ｐ，α_m）およびＰ^o _k（ｓ，α_m）は、それぞれ、ファセットに入射する所与の入力仮想画像内の光からＦＯＶの角度方向α_mにあるｋ番目のファセットによって反射されるｐ光およびｓ光の強度を表すとし、以下の式に従う。
ＴＰ^o _k,m≡［Ｐ^o _k（ｐ，α_m）＋Ｐ^o _k（ｓ，α_m）］ （１）

【0011】

所与の仮想入力画像に応答してＧＯＯＤＩＳによってＥＭＢに投影される出力仮想画像のＦＯＶは、ＧＯＯＤＩＳが以下の制約条件を満たす場合、（１－δ）％の忠実度までの入力仮想画像のＦＯＶの比較的高い忠実度のコピーであるとみなすことができる。
［（｜ＴＰ^o _k,m－ＴＰ^o _j,n｜／ＡＶＧ（ＴＰ^o _k,m，ＴＰ^o _j,n））＜δ％｜Ｉ（α_m）＝Ｉ（α_n），∀（ｊ，ｋ），∀（ｍ，ｎ）］ （２）

【0012】

式（２）によって与えられる制約条件は、任意の２つの異なる角度方向または同じ角度方向に沿って所与の入力仮想画像の入力ＦＯＶ内で伝搬される同じ強度の光に対して、ファセットが、出力仮想画像の出力ＦＯＶ内の同じそれぞれの角度方向に沿ってＥＭＢに向かって実質的に同じ強度の光を反射することを必要とする。この制約条件は、入力仮想画像内の特徴の相対輝度を、ＧＯＯＤＩＳによってＥＭＢに投影される投影出力仮想画像内のδ％よりも良好に保つように機能する。この制約条件はまた、ＥＭＢにおける出力ＦＯＶの位置とは無関係に、投影された出力仮想画像の出力ＦＯＶにおける光の強度のδ％よりも良好な均一性を提供する。本開示の一実施形態によれば、ｘ導波路およびｙ導波路のうちの少なくとも１つにおけるファセット上のコーティングは、制約条件を有利に満たすように構成される。

【0013】

一実施形態において、コーティングは、コーティングの異なる構成についての反復モンテカルロ光線追跡と、コーティングの所与の構成が所望の忠実度を有するＧＯＯＤＩＳを提供する構成に収束したときを示すコスト関数とに応答して決定することができる。本開示の一実施形態によるファセットのコーティングをモデル化し決定するために利用可能な複数の自由度のうち、ｓ偏光および／もしくはｐ偏光の入射角、ファセットの数、ファセット間の間隔、ならびに／またはそれらのそれぞれの傾斜角の関数としての任意選択の誘電体コーティングの反射率のうちの少なくとも１つまたは２つ以上の任意の組み合わせが挙げられる。コーティングの構成は、所望の忠実度を提供し、有利には、構成がコスト関数の値に応じた基準を満たしたときに制約条件を満たすとみなすことができる。

【0014】

この概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることを意図するものでもない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本開示の実施形態の非限定的な例は、この段落の後に列挙される添付の図面を参照して以下に説明される。２つ以上の図に現れる同一の特徴は、それらが現れる複数の図において同じラベルでラベル付けされ得る。図中の本開示の一実施形態の所与の特徴を表すアイコンにラベル付けするラベルは、所与の特徴を参照するために使用され得る。図に示される特徴の寸法は、提示の便宜および明確さのために選択されており、必ずしも縮尺どおりに示されていない。

【0016】

【図1】本開示の一実施形態による、第１および第２のＬＯＥを備える良好な画像送達システム（ＧＯＯＤＩＳ）の幾何学形状を概略的に示しており、第１および第２のＬＯＥは、第１のＬＯＥ内に位置する入力開口を第２のＬＯＥ内に位置する出力開口に二次元で拡張するように協働する。

【図2】本開示の一実施形態による、図１に示されるＧＯＯＤＩＳの幾何学的形状の関数としての光伝搬を概略的に示す。

【図3A】本開示の一実施形態による、ＧＯＯＤＩＳを特徴付ける有利な忠実度を提供することに寄与する、第１のＬＯＥ内のＧＯＯＤＩＳのファセット上に入射するｐ光およびｓ光に対する入射角の関数としての誘電体コーティングの反射率の概略グラフを示す。

【図3B】本開示の一実施形態による、ＧＯＯＤＩＳを特徴付ける有利な忠実度を提供することに寄与する、第２のＬＯＥ内のＧＯＯＤＩＳのファセット上に入射するｐ光およびｓ光に対する入射角の関数としての誘電体コーティングの反射率の概略グラフを示す。

【図3C】本開示の一実施形態による、第１のＬＯＥの中への仮想画像入力からの光が第１のＬＯＥのＴＩＲ面に対して実質的にｐ偏光されると仮定した場合の、第１のＬＯＥから第２のＬＯＥの中へ反射されるｓ偏光およびｐ偏光の依存性の概略グラフを示す。

【図4】本開示の一実施形態による、図３Ａおよび図３Ｂに示す誘電体コーティングでコーティングされたファセットを有するＧＯＯＤＩＳの動作を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本考察において、特に明記しない限り、本開示の一実施形態の１つ以上の特徴の条件または関係特性を修飾する「実質的に」および「約」などの形容詞は、条件または特性が、それが意図される用途のための実施形態の動作のために許容可能な公差内で定義されることを意味すると理解される。本開示における一般的な用語が、例示的なインスタンスまたは例示的なインスタンスのリストを参照することによって示される場合はいつでも、参照される１つ以上のインスタンスは、一般的な用語の非限定的な例示的なインスタンスとしてのものであり、一般的な用語は、参照される特定の例示的なインスタンスまたは複数のインスタンスに限定されることを意図しない。別段の指示がない限り、説明および特許請求の範囲における「または」という語は、排他的な「または」ではなく包含的な「または」であると考えられ、それが結合する項目のうちの少なくとも１つ、または２つ以上の項目の任意の組み合わせを示す。

【0018】

図１は、本開示の一実施形態によるＧＯＯＤＩＳ２０を概略的に示しており、ＧＯＯＤＩＳ２０は、導波路３１および導波路に埋め込まれたファセット４０を有するｘ－ＬＯＥ３０と、導波路５１および導波路に埋め込まれたファセット６０を有するｙ－ＬＯＥ５０とを備える。表示の便宜上、ＧＯＯＤＩＳ２０の特徴および形状は、座標系２１に対して空間的に参照される。

【0019】

ｘ導波路３１とも称される導波路３１は、任意選択的に、座標系２１のｘｙ平面に平行な比較的大きい平行フェース面３２および３３と、ｘｚ平面に平行な比較的狭い上端面３４および下端面３５とを有する直角プリズムである。図１に示すディスプレイエンジン７０などのディスプレイエンジンによって生成された画像からの光は、任意選択的にプリズム入力カプラ７１によって、ｘ導波路の端面３７上に位置する入力開口３６を通して導波路３１に結合される。入力開口３６を通ってｘ導波路３１に入る光は、ＴＩＲ面３２および３３とも称されるフェース面３２および３３から繰り返し全内部反射（ＴＩＲ）されて、ＴＩＲ面間で前後に跳ね返り、ｘ導波路内を正のｘ方向に沿って伝搬して、ファセット４０に到達し入射する。

【0020】

例として、ｘ導波路３１に入力され、ｘｚ平面に平行なｘ導波路の中央平面３８内を伝搬し、ＴＩＲ面３２および３３から全反射されてＴＩＲ面間で前後に跳ね返る光線が、矢印２３によって概略的に表されている。任意選択的に、ｘ導波路３１に入射すると、ブロック矢印２５によって概略的に示される光線２３の光の偏光は中央平面３８に平行であり、中央平面はＴＩＲ面３２および３３に対する光線の入射面であるので、光線は入射面に対してｐ偏光される。

【0021】

ファセット４０は、任意選択的に、互いに平行であり、ＴＩＲ面３２および３３に垂直であり、下端面３５およびｘ軸に対して傾斜角β_xだけ傾斜している。各ファセット４０の法線４１は、ｙ軸に対して傾斜角β_xだけ回転している。以下に説明するように、各ファセット４０は、ファセットに入射するｘ導波路３１内を伝搬する光の一部を、下端面３５を介して導波路５１内に反射する。例えば、光線２３がファセット４０に入射すると、ファセットは光線内の光の一部をｙ導波路５１内に反射する。光線２３は、ＴＩＲ面３２および３３に対してｐ偏光されるが、ファセットの法線４１が中央平面内にないので、ファセット４０に対しては、光線はｐ偏光およびｓ偏光の両方を含むことに留意されたい。

【0022】

ｙ導波路５１とも称される導波路５１もまた、任意選択的に直角プリズムである。導波路は、ｘｙ平面に平行な比較的大きい平行なＴＩＲフェース面５２および５３と、ｙｚ平面に平行な比較的狭い左端面５４および右端面５５とをそれぞれ有する。ｘ導波路３１内のファセット４０によってｙ導波路５１内に反射された光は、フェース面５２および５３から繰り返しＴＩＲ反射されて、ＴＩＲ面間で前後に跳ね返り、ｙ軸に沿ってｙ導波路５１内を伝搬して、ｙ導波路のファセット６０に到達して入射する。ファセット６０は、任意選択的に、互いに平行であり、側面５４および５５に垂直である。ファセットは、ＴＩＲ面５２およびｙ軸に対して傾斜角β_yだけ傾斜している。ファセット６０の各々に対する法線６１は、ｚ軸に対して傾斜角β_yだけ回転される。以下に説明するように、各ファセット６０は、ｙ軸に沿ってｙ導波路５１内を伝搬し、ＴＩＲフェース面５３上の出力開口５７を通ってファセットに入射する光の一部を、ユーザ（図示せず）が見るためにＥＭＢ８０に反射する。

【0023】

図１に示すＧＯＯＤＩＳ２０は、高さｈ、幅ｗ、深さｄの厚さを有する。ｘ導波路３１は高さｈ₁を有し、ｙ導波路５１は高さｈ₂を有する。両方の導波路は、任意選択的に、ＧＯＯＤＩＳの幅ｗに実質的に等しい同じ幅と、同じ厚さまたは深さｄとを有する。高さｈは、（ｈ₁＋ｈ₂）に等しくてもよい。数値例として、一実施形態において、ｈは、約３０ｍｍ（ミリメートル）～約５０ｍｍの値、３０ｍｍ～約５０ｍｍの高さｈ、および約１．０ｍｍ～約３ｍｍの深さを有してもよい。一実施形態におけるｘ導波路３１の高さｈ₁は、約１０ｍｍ～約２０ｍｍであってもよく、高さｈ₂は、約１０ｍｍ～４０ｍｍであってもよい。ｘ導波路３１は、約２５°～約６５°の傾斜角β_xで傾斜した約２０個～約３０個のファセット４０を有してもよい。ｙ導波路５１は、約２０°～約７０°の傾斜角β_yで傾斜した約８個～約１２個のファセット６０を有することができる。

【0024】

図２は、ディスプレイエンジン７０によって生成された仮想画像からの光線の伝搬を概略的に示しており、この光線は、入力カプラ７１によってＧＯＯＤＩＳ２０内に結合されてｘ導波路３１に沿って進み、ファセット４０によってｙ導波路５１内に反射され、その後、ｙ導波路内のファセット６０によってＥＭＢ８０に向かって反射される。

【0025】

ｘ導波路３１において、ファセットが光線をｙ導波路５１に反射するファセット４０上の点に収束する矢印の三角形クラスタは、ディスプレイエンジン７０から受け取られた光線がファセットに入射する角度方向を含むＦＯＶのｘｙ平面内の断面を表している。例として、光線の角度伝搬方向の三角形クラスタ１０１、１０２、および１０３によって表される３つのＦＯＶｘｙ断面が、それぞれラベル４０－１、４０－２、および４０－３によって個別化されたファセット４０の選択について図２に示されている。実線矢印１２１によって表されるＦＯＶｘｙ断面１０１、１０２、および１０３内の光線は、実線矢印１３１によって表される角度方向に沿ってｙ導波路５１内に反射され、ｙ導波路内のファセット６０は、光をＥＭＢ８０内に正常に反射する。しかしながら、ファセット４０上に入射し、ｙ導波路５１内に反射される仮想画像のＦＯＶ内の光線からのすべての光が、ＥＭＢ８０内に正常に反射されるわけではない。ＦＯＶ断面１０１、１０２、または１０３内の破線矢印１２２は、ファセット４０－１、４０－２、または４０－３がそれぞれ、ファセット６０がＥＭＢ８０から逸れた光を反射する破線矢印１３２によって表される角度方向に沿ってｙ導波路５１内に反射する光線を表す。光がファセット６０によってＥＭＢ８０に正常に反射される光線の角度方向を表す実線の矢印１３１は、出力開口５７を指して示されている。ＥＭＢ８０に到達しない光をファセット６０が反射する光線の角度方向を表す破線矢印１３２は、出力開口５７の外側の領域に向かって示されている。

【0026】

図２の影付き領域４０１、４０２、および４０３は、ファセット４０－１、４０－２、および４０－３がそれぞれ光線を反射する角度方向の範囲を概略的に示しており、ファセット６０は、光線をＥＭＢ８０に正常に反射する。ファセットがそれぞれ入射光線を反射する範囲４０１、４０２、および４０３内の中央角度方向は、範囲内の比較的長い実線矢印１３１によって示されている。範囲４０１、４０２、および４０３の中央角度方向は、それぞれファセット４０－１、４０－２、および４０－３の法線４１に対して、角度θ₁、θ₂、およびθ₃に沿って向けられている。角度θ₁、θ₂、θ₃は、範囲内の中央角度方向に沿って反射される光線の入射角および反射角である。出口開口５７に対するファセット４０－１、４０－２および４０－３の位置の結果として、図２に概略的に示されるように、θ₁＞θ₂＞θ₃である。極めて一般的に、ファセット４０が光線を反射し、続いてファセット６０がＥＭＢ８０に光を正常に反射する入射の中央角度方向および対応する反射角度方向は、入力開口３６からのファセットの距離とともに減少する。

【0027】

同様に、ファセット４０によってｙ導波路５１内に反射された光線からファセット６０がＥＭＢ８０内に反射する光の中央角度方向は、ｘ導波路３１の底面３５からのファセット６０の距離とともに減少する。ファセット６０の選択に対する中央角度方向は、実線矢印１５１によって表されている。中央角度方向１５１とファセット６０の選択のための法線６１との間の反射角は、φ₁、φ₂、およびφ₃とラベル付けされ、より大きい下付き文字は、底面３５からより遠いファセット６０に関連付けられた角度を識別するものである。

【0028】

上記の考察は、ＧＯＯＤＩＳ２０の異なるファセットが、ディスプレイエンジン７０からＥＭＢ８０への仮想画像の入力ＦＯＶの異なる角度部分を反射することを示している。また、概して、高忠実度の出力画像を達成するために、ｘ導波路３１内のファセット４０が入力開口３６から遠いほど、ファセット上でより小さい入射角ＡＯＩを有する入力ＦＯＶの部分からの光に対するファセットの反射率がより大きくなり、ファセットがＥＭＢ内のｘのより大きい値に反射するはずである。。同様に、ｙ導波路５１内のファセット６０がｘ導波路３１の下端面３５から遠ければ遠いほど、ファセット上のより小さいＡＯＩを有する入力ＦＯＶの部分からの光に対するファセットの反射率がより大きくなり、ファセットがＥＭＢ内のｙのより大きな値に反射するはずである。

【0029】

ｋ（ｘ）などの「ｘ」指数は、ｘ導波路３１内のファセット４０を指定し、指数の値が入力開口３６からの指定ファセット４０の距離とともに増加するものとする。同様に、ｋ（ｙ）などの「ｙ」指数は、ｙ導波路５１内のファセット６０を指定し、指数の値が表面３５からの指定ファセット６０の距離とともに増加するものとする。式（２）および（３）によって表される高忠実度の出力仮想画像を提供するための制約条件は、ファセット４０に対する制約条件を表すように記述することができ、ファセット４０は、ｘファセット４０とも称されることがある。
［（｜ＴＰ^o _k(x),m－ＴＰ^o _j(x),n｜／ＡＶＧ（ＴＰ^o _k(x),m，ＴＰ^o _j(x),n））＜δ％｜Ｉ（α_m）＝Ｉ（α_n），∀（ｊ（ｘ），ｋ（ｘ）），∀（ｍ，ｎ）］ （３）
同様に、任意選択的にｙファセット４０と称されるファセット６０に対する制約条件は、次のように記述することができる。
［（｜ＴＰ^o _k(y),m－ＴＰ^o _j(y),n｜／ＡＶＧ（ＴＰ^o _k(y),m，ＴＰ^o _j(y),n））＜δ％｜Ｉ（α_m）＝Ｉ（α_n），∀（ｊ（ｙ），ｋ（ｙ）），∀（ｍ，ｎ）］ （４）

【0030】

制約条件（３）および（４）は、複雑な制約条件であり、各ｘファセット４０および各ｙファセット６０に対して異なる専用の反射コーティングを有することなく満たすことは、通常比較的困難である。一実施形態によれば、ＧＯＯＤＩＳは、ｐ光およびｓ光の反射率の差を有利に使用してファセット４０および６０上にコーティングを提供し、ＧＯＯＤＩＳがＥＭＢ８０を提供する仮想画像の有利な忠実度を提供する。一実施形態において、導波路３１のｘファセット４０には、図３Ａのグラフ５４０によって示される入射角ＡＯＩの関数としてｐ光およびｓ光に対する反射率を提供する同じ部分反射コーティングが提供される。一実施形態において、導波路５１のｙファセット６０には、図３Ｂのグラフ５６０によって示される入射角ＡＯＩの関数としてｐ光およびｓ光に対する反射率を提供する同じコーティングが提供される。

【0031】

グラフ５４０および５６０にそれぞれ示される反射率を示すＡＯＩ依存部分反射コーティングを有するファセット４０および６０は、種々の材料および製造プロセスのいずれかを使用して製造することができる。例えば、ファセットは、予め形成されたプリズムの表面上に部分反射コーティングを堆積させ、プリズムを互いに接合することによって生成されてもよい。プリズムは、ＢＫ－７などのケイ酸塩材料を所望の形状に研削および研磨することによって、あるいは好適なポリマーまたはゾル－ゲルを射出成形することによって製造することができる。コーティングは、例として、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）および／または五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などの種々の好適な材料のいずれかから形成することができる。

【0032】

一実施形態において、ディスプレイエンジン７０および／またはプリズム入力カプラ７１は、仮想画像をＧＯＯＤＩＳ２０に提供するように構成され、仮想画像からの光は、光がｘ導波路３１に入ると、ＴＩＲフェース面３２および３３上の光の入射面に対して実質的にｐ偏光される。図３Ａに示すように、ｘ導波路３１への入力におけるｐ偏光およびファセット４０の反射率について、ファセット４０によって反射された光の偏光が光の入射角に依存する結果として、ファセット４０によってｙ導波路５１に反射された光の偏光がファセット６０への入射角に依存することは、実質的に図３Ｃのグラフ５５０によって示されるとおりである。ｓｓｓｓｓｓｓ

【0033】

グラフ５５０は、ｘ導波路３１に入力され、図３Ａに示される反射率を有するファセット４０によって反射されるｐ偏光に対して、ｙ導波路に入る光が、約４０度のｙ導波路ファセットへの入射角でｓ成分よりも約４倍に近いｐ成分を有することを示している。グラフ３Ｂによって示されるように、ｐ光およびｓ光に対するファセット６０の反射率は、それぞれ、入射角とともに減少および増加する。結果として、ｙ導波路５１に入るｐ偏光が優勢となり、ｐ光およびｓ光の反射率の依存性により、ファセット６０によって同じ所与の角度方向にＥＭＢ８０内に投影される光の強度のｙ軸に沿った均一性が有利に促進される。

【0034】

例えば、グラフ５４０および５６０によって与えられる反射率、ならびに本開示の一実施形態によるｘ導波路３１に入力されるｐ偏光仮想画像では、ＧＯＯＤＩＳ２０は、ｘ方向およびｙ方向の両方に沿って約７０％を超える有利な忠実度を示すＥＭＢ８０における仮想画像を提供する。８０％の忠実度の場合、出力仮想画像は、ディスプレイエンジン７０およびプリズム入力カプラによって提供される仮想入力画像の相対輝度を約３０％以内に保ち、同じ角度方向に沿ってＥＭＢ内に投影される光の強度のＥＭＢにおける空間均一性を約３０％以内に保つ。

【0035】

図４は、入力仮想画像７５に対する有利な忠実度によって特徴付けられるＥＭＢ８０における出力仮想画像８５を提供する際のＧＯＯＤＩＳ２０ならびにファセット４０および６０の動作を概略的に示しており、入力仮想画像７５は、入力仮想画像の均一な陰影によって示される実質的に均一な明度によって特徴付けられる。ファセットがＥＭＢ８０に向かって反射する入力仮想画像７５および出力仮想画像８５の部分に関連するｘファセット４０－１および４０－３のｐ偏光およびｓ偏光の反射率の値は、中央ＡＯＩ角θ₁およびθ₃に関連付けられたグラフ５４０のコピーに示されている。ファセットがＥＭＢ８０に向かって反射する入力仮想画像７５および出力仮想画像８５の部分に関連する表面３５にそれぞれ最も近いおよび最も遠いファセット６０に対するｐ偏光およびｓ偏光の反射率の値は、中央ＡＯＩ角度φ₁およびφ₃に関連付けられたグラフ５６０のコピーに示されている。出力仮想画像８５は完全な忠実度を示さない場合があるが、出力仮想画像の陰影の均一性は、出力仮想画像が約７０％の忠実度を明示し、ｘ方向およびｙ方向の両方に沿って相対強度および空間均一性を約３０％に保つことを概略的に示すことを意図している。

【0036】

上記の説明は、２つの異なる反射コーティングのみを用いるＧＯＯＤＩＳ２０の一実施形態を参照しているが、本開示の一実施形態は、ｘファセット４０のための同じ単一の部分反射コーティングおよびｙファセット６０のための異なる同じ単一の部分反射コーティングに限定されないことに留意されたい。例えば、一実施形態によるＧＯＯＤＩＳ２０は、ファセット４０の２つ以上のグループの各々に対して異なる部分反射性のｐコーティングおよびｓコーティングを有することができる。同様に、一実施形態によるＧＯＯＤＩＳ２０は、ファセット６０の２つ以上のグループの各々に対して異なる部分反射性のｐコーティングおよびｓコーティングを有することができる。概して、異なるそれぞれのｐおよびｓのＡＯＩ依存性を有する部分反射コーティングの数が増加するにつれて、本開示の一実施形態によるＧＯＯＤＩＳによって提供される仮想画像の忠実度が増加する。また、図３Ｃおよび図４は、ｘ導波路３１に入射する光がＴＩＲ面３２および３３（図１）に対してｐ偏光されていると仮定しているが、本開示の実施形態の実施はｐ偏光入力に限定されないことに留意されたい。ｘ導波路３１に入力されるｐ偏光およびｓ偏光の異なる相対強度は、ファセット４０および６０の異なる反射率と協調して、本開示の一実施形態によるＧＯＯＤＩＳによって提供される有利な忠実度の出力画像を提供することができる。

【0037】

本出願の説明および特許請求の範囲において、動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、および「有する（ｈａｖｅ）」、ならびにそれらの活用形の各々は、動詞の１つ以上の目的語が必ずしも動詞の１つ以上の主語の構成要素、要素、または部分の完全な列挙ではないことを示すために使用される。

【0038】

本出願における本開示の実施形態の説明は、例として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図していない。説明される実施形態は、異なる特徴を含み、それらのすべてが全実施形態において必要とされるわけではない。一部の実施形態は、特徴のうちの一部のみ、または特徴の可能な組み合わせを利用する。説明される本開示の実施形態の変形例、および説明される実施形態において言及される特徴の異なる組み合わせを含む実施形態は、当業者に想起されるであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【国際調査報告】