特表 2023-537869 デュアル入力画像光ガイド

(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】2023-09-06

(54)【発明の名称】デュアル入力画像光ガイド

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230830BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/18

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023505943

(86)(22)【出願日】2021-08-24

(85)【翻訳文提出日】2023-02-21

(86)【国際出願番号】 US2021047377

(87)【国際公開番号】W WO2022046789

(87)【国際公開日】2022-03-03

(31)【優先権主張番号】63/069,643

(32)【優先日】2020-08-24

(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】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．

【テーマコード（参考）】

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H199CA05

2H199CA12

2H199CA45

2H199CA48

2H199CA54

2H199CA67

2H199CA68

2H249AA03

2H249AA13

2H249AA50

2H249AA60

2H249AA62

(57)【要約】

バーチャル像を伝送するための画像光ガイドは、画像担持光ビームを伝播させるように動作可能な基板を含む。第１インカップリング回折光学要素は、基板に沿って形成され、画像ソースからの画像担持光ビームの第１部分を、角度的にエンコードされた形態で基板内に回折するとともに、画像ソースからの画像担持光ビームの第２部分を透過させるように動作可能である。アウトカップリング回折光学要素が、基板に沿って形成され、画像担持光ビームを拡大し、拡大された画像担持光ビームを角度的にデコードされた形態で基板から方向付けするように動作可能である。第２インカップリング回折光学要素が、基板に沿って形成され、画像担持光ビームの第２部分の一部を角度的にエンコードされた形態で基板内に回折するように動作可能である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像担持光ビームを伝播させるように動作可能な基板と、
前記基板に沿って形成され、画像ソースからの前記画像担持光ビームの第１部分を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折し、前記画像ソースからの前記画像担持光ビームの第２部分を透過するように動作可能な第１インカップリング回折光学要素と、
前記基板に沿って形成され、前記画像担持光ビームを拡大し、前記拡大された画像担持光ビームを角度的にデコードされた形態で前記基板から方向付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、
前記基板に沿って形成され、前記画像担持光ビームの前記第２部分の一部を、角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能な第２インカップリング回折光学要素と、
前記画像ソースの軸に沿って配置され、前記画像ソースからの画像担持光の前記第２部分を、前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能な光カプラと、
を備えた、バーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項2】

前記第１インカップリング回折光学要素は、前記第２インカップリング回折光学要素よりも高い効率で第１方向から入射する画像担持光を回折するように動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素は、前記第１インカップリング回折光学要素よりも高い効率で第２方向から入射する画像担持光を回折するように動作可能である、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項3】

前記第１インカップリング回折光学要素は透過型回折光学要素として動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素は反射型回折光学要素として動作可能である、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項4】

前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が表面レリーフ格子を含む、請求項３に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項5】

前記基板が対向する第１、第２面を備え、前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が前記第１面に配置される、請求項３に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項6】

前記基板が対向する第１、第２面を備え、前記第１インカップリング回折光学要素が前記第１面に配置され、前記第２インカップリング光学要素が前記第２面に配置される、請求項２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項7】

前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が、傾斜した表面レリーフの格子フィーチャを備え、前記第２インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャが、前記第１インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャに対して実質的に１８０度傾斜している、請求項２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項8】

前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が、ブレーズド表面レリーフ格子フィーチャを備え、前記第２インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャが前記第１インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャと対称である、請求項２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項9】

前記光カプラが、
第１角度で入射する前記画像担持光を透過させ、第２角度で入射する前記画像担持光を反射するように動作可能な第１面と、
前記画像担持光を反射するように動作可能な第２面と、
前記画像担持光を反射するように動作可能な第３面と、
を備えた、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項10】

前記光カプラの前記第２面は前記光カプラの前記第３面と対称である、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項11】

前記第２面によって反射されて前記第１面に入射する画像担持光が、全内部反射によって前記第１面で反射される、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項12】

前記第３面によって反射され前記第１面に入射する画像担持光が、前記第１面を透過する、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項13】

画像担持光は、画像担持光が前記光カプラに入る箇所から横にオフセットされて前記光カプラを出る、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項14】

画像担持光が３回の反射を含む前記光カプラ内の経路をたどり、前記画像担持光が、前記入力した画像担持光に対してミラー角度で前記光カプラを出る、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項15】

前記光カプラは２つの直角プリズムを含む、請求項９に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項16】

前記画像ソースが、バーチャル像に対応する画像担持光を投射するように動作可能な光エンジンを備え、前記バーチャル像のピクセルが無限遠で集束される、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項17】

前記光カプラと前記第２インカップリング回折光学要素との間に配置された波長板をさらに備え、前記波長板は前記画像担持光の偏光を回転させるように動作可能である、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項18】

前記波長板が半波長板を含む、請求項１７に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項19】

前記波長板が１／４波長板を含む、請求項１７に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項20】

前記第１インカップリング回折光学要素を介して入力結合される前記画像担持光ビームの前記第１部分は、第１バーチャル像に対応し、
前記第２インカップリング回折光学要素を介して入力結合された前記画像担持光ビームの前記第２部分は、第２バーチャル像に対応し、
前記第１、第２バーチャル像は実質的に同一であり、
前記基板は、前記基板の面が前記光カプラの第１面に対してある角度で配置されるように回転され、これにより、前記第１、第２バーチャル像は無限遠の焦点でアライメントされる、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項21】

前記光カプラが第１面を備え、前記第１面の第１部分で、前記第１面に入射する前記画像担持光を透過させ、前記第１面の第２部分で、前記第１面に入射する前記画像担持光を反射するように動作可能であり、前記第１面の前記第２部分は鏡面であり、
前記光カプラがさらに、前記画像担持光を反射するように動作可能な第２面と、前記画像担持光を反射するように動作可能な第３面を備え、
前記第２面によって反射され前記第１面の前記第２部分に入射した画像担持光は、前記第１面で反射されて前記第３面に入射し、
前記第３面によって反射され前記第１面に入射した画像担持光は、前記第１面を透過する、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項22】

バーチャル像に対応する画像担持光を第１軸に沿って投射するように動作可能な画像ソースであって、前記バーチャル像のピクセルが無限遠で集束される画像ソースと、
前記画像担持光を伝播させるように動作可能な第１基板と、
前記画像担持光を伝播させるように動作可能で前記第１基板と結合される第２基板と、
を備え、
前記第１、第２基板の各々は、第１インカップリング回折光学要素と、第２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を有し、前記アウトカップリング回折光学要素は、前記画像担持光を拡大し、前記拡大された画像担持光を角度的にデコードされた形態で前記基板から方向付けするように動作可能であり、
さらに前記第１軸に沿って配置された光カプラを備え、
前記光カプラは、前記第１、第２基板の前記第１インカップリング回折光学要素を透過した画像担持光の経路に少なくとも部分的に沿って配置され、
前記光カプラは、前記画像担持光を前記第２基板の前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能であり、
前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光の一部を角度的にエンコードされた形態で前記第２基板内に回折し、前記画像担持光の一部を透過させて、前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素に向けて方向付けするように動作可能であり、
前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光の一部を角度的にエンコードされた形態で前記第１基板内へと回折するように動作可能である、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドシステム。

【請求項23】

前記第１インカップリング回折光学要素が透過型回折光学要素として動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素が反射型回折光学要素として動作可能である、請求項２２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項24】

前記光カプラが、
第１角度で入射する前記画像担持光を透過させ、第２角度で入射する前記画像担持光を反射するように動作可能な第１面と、
前記画像担持光を反射するように動作可能な第２面と、
前記画像担持光を反射するように動作可能な第３面と、
を有する、請求項２２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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て、視者に画像担持光を伝送する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）とバーチャル像ニアアイディスプレイは、軍事、商業、工業、消防、および娯楽分野への適用を含め、様々な用途に向けて開発されている。これら適用の多くにおいて、ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の像に視覚的に重ね合わせ可能なバーチャル像を形成することは、価値がある。光学的な画像光ガイドは、狭い空間内で画像担持光を視者に伝送し、バーチャル像を視者の瞳に向け、上記重ね合わせ機能を可能にする。

【0003】

従来の画像光ガイド構造は、ニアアイディスプレイ光学システムのかさ、重量、およびコストを大きく減じたが、さらなる改良が求められている。場合によっては、アイボックスのサイズが制限され、それによりＨＭＤの設計において、動きの許容範囲及びデバイスの配置の許容範囲が制限される。光は視野において不均衡に分配されることがしばしば起こり得る。その結果、視野の中心では光のレベルが高く、周辺部では光のレベルが低くなる等のホットスポットが生じかねない。そのため場合によっては、画像光ガイドの回折効率が十分でなく、所望の画像輝度を生じさせることができない。画像光ガイド構造により生成されるバーチャル像は、満足すべき視認性と視者の快適さのために、十分な輝度を有さなければならない。

【発明の概要】

【0004】

第１の例示的な実施形態において、本開示は、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドを提供する。この画像光ガイドは、画像担持光ビームを伝送するように動作可能な基板を備えている。第１インカップリング回折光学要素が前記基板に沿って形成されている。この第１インカップリング回折光学要素は、画像ソースからの前記画像担持光ビームの第１部分を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折し、前記画像ソースからの前記画像担持光ビームの第２部分を透過するように動作可能である。アウトカップリング回折光学要素が前記基板に沿って形成されている。このアウトカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームを拡大し、前記拡大された画像担持光ビームを角度的にデコードされた形態で前記基板から方向付けるように動作可能である。第２インカップリング回折光学要素が前記基板に沿って形成されている。この第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームの前記第２部分の一部を、角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能である。画像光ガイドはさらに光カプラを備えている。この光カプラは、前記画像ソースの軸に沿って配置され、前記画像ソースからの画像担持光の前記第２部分を、前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能である。

【0005】

第２の例示的な実施形態において、本開示は、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドシステムを提供する。画像光ガイドシステムは、バーチャル像に対応する画像担持光を第１軸に沿って投射するように動作可能な画像ソースを備えている。前記バーチャル像のピクセルは無限遠で集束される。画像光ガイドシステムはまた、前記画像担持光を伝播させるように動作可能な第１基板と、前記画像担持光を伝播させるように動作可能で前記第１基板と結合される第２基板とを備えている。前記第１、第２基板の各々は、第１インカップリング回折光学要素と、第２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を有している。前記アウトカップリング回折光学要素は、前記画像担持光を拡大し、前記拡大された画像担持光を前記基板から方向付けするように動作可能である。さらに画像光ガイドシステムは、前記第１軸に沿って配置された光カプラを備えている。前記光カプラは、前記第１、第２基板の前記第１インカップリング回折光学要素を透過した画像担持光の経路に少なくとも部分的に沿って配置されている。前記光カプラは、前記画像担持光を前記第２基板の前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能である。前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光の一部を角度的にエンコードされた形態で前記第２基板内に回折させ、前記画像担持光の一部を透過させて、前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素に方向付けするように動作可能である。前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光の一部を角度的にエンコードされた形態で前記第１基板内へと回折するように動作可能である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

添付の図面は、詳細な説明の一部として本明細書に組み込まれる。開示された図面は、ここで開示されている主題の実施形態を示しており、本開示の選択された原理および教示を示している。しかし、 図面はここで開示されている主題のすべての可能な実施形態を示しているわけではなく、本開示の範囲を限定することを意図していない。

【0007】

【図1】画像光ガイドの簡略化した断面図であり、アイボックスの１つの方向を拡大するための、伝搬方向に沿う画像担持ビームの拡大を示している。

【0008】

【図2】回転格子を有する画像光ガイドの斜視図であり、アイボックスの第２方向を拡大するための、伝搬方向に垂直な画像担持ビームの拡大を示している。

【0009】

【図3】画像光ガイドの平面図であり、この画像光ガイドは、本開示の主題の例示的実施形態による２つのインカップリング回折光学要素を有している。

【0010】

【図4】本開示の手段の例示的実施形態による光カプラを有する図３の画像光ガイドの側面図である。

【0011】

【図5A】第１面に配置された２つのインカップリング回折光学要素を有する図４の画像光ガイドの端部側面図である。

【0012】

【図5B】第１面に配置された第１インカップリング回折光学要素と第２面に配置された第２インカップリング回折光学要素を有する図４の画像光ガイドの端部側面図である。

【0013】

【図5C】第２面に配置された第１インカップリング回折光学要素と第１面に配置された第２インカップリング回折光学要素を有する図４の画像光ガイドの端部側面図である。

【0014】

【図5D】第２面に配置された第１インカップリング回折光学要素と第２面に配置された第２インカップリング回折光学要素を有する図４の画像光ガイドの端部側面図である。

【0015】

【図6】図４の画像光ガイドの斜視図である。

【0016】

【図7A】図４の光カプラの斜視図である。

【0017】

【図7B】図４の光カプラの端面を示す図であり、第１面がミラーを含んでいる。

【0018】

【図8A】図４の画像光ガイドの端部側面図である。

【0019】

【図8B】軸回りに回転した平面導波路を有する図８Ａの画像光ガイドの端部側面図である。

【0020】

【図9】図４の光カプラの平面図である。

【0021】

【図10A】本開示の主題の例示的実施形態による周期的回折格子の一部を示す図である。

【図10B】本開示の主題の例示的実施形態による周期的回折格子の一部を示す図である。

【0022】

【図11】本開示の主題の例示的実施形態による重ねられた画像光ガイドシステムを示す端部側面図である。

【0023】

【図12】図１１の重ねられた画像光ガイドシステムの側面図である。

【0024】

【図13】本開示の主題の例示的実施形態による画像光ガイドを用いた、拡張現実を見るためのディスプレイシステムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明は、明確に指定されている場合を除いて、様々な代替の向きおよびステップシーケンスを想定し得ることを理解すべきである。添付の図面に示され以下の明細書で説明される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発明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、特に断りのない限り、限定と見なされるべきではない。また、そうでない場合もあるが、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、同様の参照番号で共通に参照される。

【0026】

本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」等の用語は必ずしも順序、順次または優先関係を示すものではなく、特に明記しない限り、単に1つの要素または要素の集合を他と明確に区別するために用いられる。

【0027】

本明細書で使用される場合、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「使用者（ユーザー）」という用語は均等と見なされ、画像光ガイドを有するデバイスを使用して画像を見る人または機械を指す。

【0028】

本明細書で使用される場合、「集合（set）」という用語は、要素又はメンバーの集まりをいう概念として初等数学で広く理解されているように、非空集合を指す。本明細書で使用される場合、「部分集合（subset）」という用語は、特に明記されない限り、非空の真部分集合、すなわち、１以上の要素を持つ、より大きな集合のうちの部分集合を指す。部分集合が全体集合Ｓを構成してもよい。しかし、集合Ｓの「真部分集合（proper subset）」は、集合Ｓに完全に含まれ、しかも集合Ｓの少なくとも１つのメンバーを除外したものを指す。

【0029】

本明細書で使用される場合、光学の分野における「結合された（coupled）」、「カプラ（結合器；coupler)」、「結合する（coupling）」という用語は、光を１つの光学的媒体又はデバイスから別の光学的媒体又はデバイスへと伝送させるような結合を意味する。

【0030】

本明細書で使用される場合、「ビーム拡大」、「画像担持ビームの拡大」、および「拡大された画像担持光」という用語は、1以上の方向の射出瞳拡大を提供するために、光学要素との複数回の遭遇によるビームの複製を意味する。同様に、本明細書で使用される場合、ビームまたはビームの一部を「拡大する」とは、１以上の方向に射出瞳を拡大するために、光学要素との複数回の遭遇を介してビームを複製することを意味する。

【0031】

ＨＭＤなどの光学システムは、バーチャル像を表示することができる。実像を結ぶ方法とは対照的に、バーチャル像がディスプレイ面に結ばれることはない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル像を知覚する位置にあるとしたら、ディスプレイ面に像は結ばれない。拡張現実表示において、バーチャル像表示には固有の利点が数多くある。例えば、バーチャル像の見かけの大きさはディスプレイ面の寸法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となる対象物は、小さくすることができる。例えば拡大鏡が対象物のバーチャル像を提供する。実像を投影するシステムに比べて、ある程度離れたところにあるように見えるバーチャル像を結ぶことによって、よりリアルな視覚体験を提供することができる。また、バーチャル像を提供すれば、実像投影の場合には必要となるスクリーンアーチファクトを補正する必要が無くなる。

【0032】

画像光ガイドは、プロジェクタなどの光源からの画像担持光を用いてバーチャル像を表示することができる。例えば、コリメートされ相対的に角度的にエンコードされたプロジェクタからの光ビームは、インカップリング回折光学要素などの入力カップリング（入力結合）によって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取り付けられるか形成され、または導波路内に埋め込まれている。このような回折光学要素は、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）として、または他の既知の方法で形成することができる。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成することができる。回折光は導波路に沿って伝搬した後、同様のアウトカップリング（アウトカップリング回折光学要素など）によって、導波路外に戻すことができる。このアウトカップリング回折光学要素は、一方向に沿って瞳拡大を提供するように配置することができる。さらに、回転格子を導波路上または導波路内に配置することにより、直交する方向で瞳拡大を提供することができる。導波路から出力される画像担持光は、視者に拡張されたアイボックスを提供する。

【0033】

図１に示すように、画像光ガイド１０は、平坦かつ平行な表面を有する平面導波路２２を備えている。平面導波路２２は、外側表面１２とこの外側表面１２の反対側に配置された内側表面１４を有する透明な基板Ｓを備えている。本実施形態では、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトプットカップリング回折光学要素ＯＤＯが、内側表面１４に配置されている。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、反射型回折格子であり、この回折格子を介して画像担持光ＷＩが平面導波路２２内へと結合される。しかしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、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素子、または入光する画像担持光ＷＩを回折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の外側表面１２に配置されても、内側表面１４に配置されてもよく、画像担持光ＷＩが平面導波路２２に近づいていく方向との組み合わせで、透過型であっても、反射型であってもよい。

【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、画像ソースからの画像担持光ＷＩを結合して、平面導波路２２の基板Ｓに入り込ませる。実像又はイメージディメンションは最初に、重なり合う角度的に関連付けられたビームのアレイに変換される。このビームのアレイは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに呈示するバーチャル像内の異なる位置をエンコードするものである。画像担持光ＷＩは（概ね一次回折により）回折され、それによって、インカップリング回折光学要素ＩＤＯにより画像担持光ＷＧとして平面導波路２２内に再方向付けられ、全内部反射（Total Internal Reflection：ＴＩＲ）により平面導波路２２に沿ってさらに伝搬される。画像担持光ＷＧは、ＴＩＲにより定められた境界に合わせて、概ね角度的に関連付けられたビームのより凝縮された範囲で回折されるが、エンコードされた形態で画像情報を保持する。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を画像担持光ＷＯとして、平面導波路２２の外へ、視者の目の意図された位置に向かって（これも概ね一次回折により）回折する。一般的に、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の角度的に関連付けられたビームにおいて、画像担持光ＷＩの当初の角度的関係を復元する。しかし、バーチャル像を見ることができる、いわゆるアイボックスＥにおいて、角度的に関連付けられたビームの重なり合いの１つの次元を増大するために、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＧと複数回遭遇し、各遭遇において画像担持光ＷＧの一部のみを回折するように構成されている。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの長さに沿う伝播方向での複数回の遭遇は、ビームが重なり合うアイボックスＥを一方向に拡大する効果を有する。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受性を低下させる。

【0035】

本実施形態では、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の内側表面１４に配置された透過型の回折格子である。しかし、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の外側表面１２に配置されても、内側表面１４に配置されてもよく、画像担持光ＷＧが平面導波路２２を出ることを意図された方向との組み合わせで、透過型であっても、反射型であってもよい。

【0036】

図２に示すように、画像光ガイド２０は、２方向、すなわち意図された画像のｘ軸及びｙ軸に沿ってアイボックス７４を拡大するように構成することができる。第２の方向のビーム拡大を達成するために、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、画像担持光ＷＧを格子ベクトルｋ０で中間回転格子ＴＧに向けて回折するように方向づけられている。この中間回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１は、画像担持光ＷＧを反射モードでアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向けて回折するように方向づけられている。中間回転格子ＴＧとの多数の遭遇のうちの各遭遇により、画像担持光ＷＧの一部のみが回折され、それにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに近づく画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられた各ビームを横方向に拡大する。中間回転格子ＴＧは、画像担持光ＷＧを、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ２と少なくとも概ねアライメント（整列）する方向へと再方向付けする。画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられたビームを、画像担持光ＷＯとして平面導波路２２から出る前に、第２の方向で縦方向に拡大するためである。描かれた格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２等の格子ベクトルは、回折光学要素の回折フィーチャ（例えば、溝、線、又は罫線）と垂直な方向に延び、回折光学要素ＩＤＯ、ＴＧ、ＯＤＯの周期又はピッチｄ（すなわち、溝間の中心距離）に反比例する大きさを有する。

【0037】

図２に示すように、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは入力する画像担持光ＷＩを受け取る。この画像担持光Ｗ１は、画像ソース１６によって生成された画像におけるピクセルまたは均等の位置に対応する、角度的に関連付けられたビームの集合を含んでいる。画像ソース１６は、バーチャル像を作成するために角度的にエンコードされたビームの全範囲を生成するように動作可能である。画像ソース１６は、集束光学素子とともに用いられる実像のディスプレイ、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、又はスキャナと組合された１次元の実像ディスプレイとすることができるが、これらに限定されない。画像光ガイド２０は、配向の異なる中間回転格子ＴＧ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯと画像担持光ＷＧとの多数の遭遇を提供することによって、画像の２方向で拡大された角度的に関連付けられたビームの集合を出力する。平面導波路２２の当初の配向（original orientation）において、中間格子ＴＧはｙ軸方向の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軸方向の同様のビーム拡大を提供する。回折光学要素ＩＤＯ、ＯＤＯ、ＴＧの反射率特性およびそれぞれの周期ｄと、それぞれの格子ベクトルの配向により、画像担持光ＷＩにおける角度的に関連付けられたビーム間の意図された関係を保持しながら、２方向でビームを拡大し、画像光ガイド２０から画像担持光ＷＯとして出力する。

【0038】

画像光ガイド２０に入力される画像担持光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付けられたビームの異なる集合にエンコードされるが、画像を再構築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の組織的な効果によって保持される。回転格子ＴＧ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の間の中間位置に位置し、通常、画像担持光ＷＧのエンコーディングに大きな変化を引き起こさないように構成される。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に対して対称に構成され、例えば同じ周期を共有する回折フィーチャを含む。同様に、回転格子ＴＧの周期も、通常、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通の周期に一致する。図２に示すように、回転格子の格子ベクトルｋ１は、他の格子ベクトルに対して４５°を向くように図示されている（全て方向づけられていない線分として）。しかし、一実施形態では、回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１はインカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ０、ｋ２に対して６０°に配向され、画像担持光ＷＧが１２０°回転する。中間回転格子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及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ０、ｋ２に対して６０°に配向することによって、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の格子ベクトルｋ０、ｋ２もまた、互いに対して６０°をなして配向される（ここでも、格子ベクトルは方向づけられていない線分と見なされる）。格子ベクトルの大きさは、回転格子ＴＧ、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通のピッチに基づくため、方向づけられた線分としての３つの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２は正三角形を形成し、大きさの合計はゼロとなる。これにより、色分散を含む望ましくない収差を引き起こしかねない非対称の効果が避けられる。

【0039】

平面導波路２２内に回折された画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学要素が格子、ホログラム、プリズム、ミラー、その他の機構のいずれを用いるかに関わらず、インカップリング回折光学要素によって有効にエンコードされる。インカップリング回折光学要素ＩＤＯ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、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯによって、デコードされる必要がある。好ましくは、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の間の中間位置に位置する回転格子ＴＧは、通常、エンコードされた光にいかなる変更も引き起こさないように設計され、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を元の又は所望の形の、角度的に関連付けられたビームにデコードする。このビームはアイボックス７４を満たすように拡大されている。

【0040】

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との間で対称性が維持されると否とに拘わらず、また、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ディングに、平面導波路２２沿いに何らかの変化が起こると否とに拘わらず、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、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の元の形、又は意図されたバーチャル像を生成するための望ましい形を維持または保持するように、関連付けられている。

【0041】

文字「Ｒ」は、アイボックス７４内に目がある視者に見えるバーチャル像の向きを表わしている。図示のとおり、表わされるバーチャル像の中の文字「Ｒ」の向きは、画像担持光ＷＩにエンコードされた文字「Ｒ」の向きと一致している。入射する画像担持光ＷＩのｘ－ｙ平面におけるｚ軸周りの回転又は角度的配向の変化は、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯから出射する光の回転又は角度的配向に、対応する対称の変化を引き起こす。画像の配向という面においては、回転格子ＴＧは単にある種の光学リレーとして作用し、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つの軸に沿って（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配向を維持しながら、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の別の軸に沿って（例えば、ｘ軸に沿って）拡大する。図２に示すように、回転格子ＴＧは、傾斜又は正方形の回折格子であり、平面導波路２２の前面又は後面に配置される。或いは回転格子ＴＧはブレーズド回折格子であってもよい。

【0042】

本開示は、出力開口を通過する画像担持光の出力強度を改善した画像光ガイド構成を提供する。より具体的に述べると、本開示はとりわけ、画像担持光ビームを二方向に拡大し、拡大された画像担持光ビームをアイボックスに向けて出力するように動作可能な１以上の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を有する導波路を提供する。

【0043】

図３、図４、図５Ａに示すように、画像光ガイド１００は、平面導波路２２の第１面１０２に形成された第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２、およびアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯを有する。別の実施形態では、図５Ｂに示すように、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１とアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の第１面１０２に形成され、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２は、平面導波路２２の第２面１０４（第１面１０２の反対側に位置する面）に形成される。別の実施形態では、図５Ｃに示すように、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１は平面導波路２２の第２面１０４に形成され、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２およびアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは平面導波路２２の第１面１０２に配置される。別の実施形態では、図５Ｄに示すように、第１、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２は、平面導波路２２の第２面１０４に形成され、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の第１面１０２に配置される。さらに別の実施形態では、第１、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２およびアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の第２面１０４に形成される。

【0044】

図３を参照すると、一実施形態では、第１、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２は、２つの周期的格子構造１０６、１０８の集合を含む。例えば、インカップリング回折光学ＩＤＯは、ｘ軸に対して３０度未満の角度（例えば、２５°）だけ回転／オフセットされた周期的線形格子構造１０６の第１集合と、ｘ軸に対してー３０度未満の角度（例えば、-２５°）だけ回転／オフセットされた周期的線形回折格子構造１０８の第２集合を含む。周期的格子構造１０６の第１集合と、周期的格子構造１０８の第２集合は交差している。周期的格子構造１０６の第１集合は第１周期を含み、周期的格子構造１０８の第２集合は第２周期を含む。一実施形態では、第２周期は第１周期に等しい。

【0045】

一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、周期的格子構造１１０の第３集合と周期的格子構造１１２の第４集合を備える。周期的格子構造１１０、１１２の第３、第４集合は、周期格子構造１０６、１０８の第１、第２集合とそれぞれ平行である。周期的格子構造１１０、１１２の第３、第４集合は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２からの画像担持光を拡大し出力結合（アウトカップル）するように動作可能な複合回折光学要素を形成する。一実施形態では、周期的格子構造１１０の第３集合は、周期的格子構造１１２の第４集合と交差する。周期的格子構造１１０．１１２の第３、第４集合はまた、周期的格子構造１０６、１０８の第１、第２集合とそれぞれ同じ周期性を有してもよい。一実施形態では、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、縦軸１１５を横切って左右対称である。

【0046】

図４～図７Ｂに示すように、一実施形態では、画像光ガイド１００は光カプラ１２０を含む。光カプラ１２０は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２に隣接し、平面導波路２２から見てプロジェクタ１６（すなわち、画像ソース）の反対側に配置される。一実施形態では、光カプラ１２０は、平面導波路２２の近くに位置する第１面１２２を含む。光カプラ１２０はまた、第１面１２２に対して角度αで配置された第２面１２４と、第１面１２２に対して角度αで配置された左右対称の第３面１２６とを含む。一実施形態では、光カプラ１２０は、２つの直角プリズム１２０Ａ、１２０Ｂから組み立てられる。一実施形態では、第２、第３面１２４、１２６は鏡面である。

【0047】

第１面１２２は、光カプラ１２０の入射面であり、第１軸Ａ１に沿うプロジェクタ１６からの画像担持光を受け取る。第１軸Ａ１は、プロジェクタ１６の中心光線とアライメントされている。画像担持光は、第２面１２４で反射され、ＴＩＲ（全内部反射）の角度範囲内で第１面１２２に向かって戻る。第１面１２２は、ＴＩＲで画像担持光を反射するように動作可能であり、第２面１２４から反射された画像担持光は、第１面１２２により第３面１２６に向かって反射される。第３面１２６は、第１面１２２を透過するように動作可能な角度範囲内で、画像担持光を第１面１２２に向かってさらに反射する。画像担持光は、第２軸Ａ２を中心として光カプラ１２０から出力される。第２軸Ａ２は、光カプラ１２０から出力される中心光線とアライメントされる。第２軸Ａ２は、第１軸Ａ１からｙ軸方向にオフセットされている。光カプラ１２０内に３つの反射点を有するように光カプラ１２０を設計することにより、光カプラ１２０に入射する画像担持光のバーチャル像が反転する（flip）ことが防止される。

【0048】

動作において、プロジェクタ１６からの画像担持光ＷＩは、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１に入射し、画像担持光の第１部分ＷＧ１は、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１によって回折され、ＴＩＲによりアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝播する。画像担持光ＷＩの第２部分は、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１および平面導波路２２を透過して、光カプラ１２０に入射する。画像担持光ＷＩの第２部分は、光カプラ１２０の第１面１２２を透過し、光カプラの第２面１２４により、第１面１２２でＴＩＲで反射するように動作可能な入射角で、反射される。画像担持光ＷＩの第２部分は、それから第１面１２２によりＴＩＲで反射され、光カプラの第３面１２６に入射する、画像担持光ＷＩの第２部分はこの第３面１２６で反射され第１面１２２に向かい、第２軸Ａ２に沿って第１面１２２を透過する。

【0049】

次に、第２軸Ａ２を中心とする画像担持光ＷＩの第２部分は、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に入射する。画像担持光の第２部分ＷＧ２の一部は、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２によって回折され、ＴＩＲを介してアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝播する。一実施形態では、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２は、光カプラ１２０から出力される画像担持光の回折効率を最適化するように構成される。例えば、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１は透過型回折格子として構成され、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２は反射型回折格子として構成される。図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、周期的格子構造１０６、１０８の第１、第２集合が表面レリーフ格子である場合、周期的格子構造１０６、１０８の第１、第２集合は、平面導波路２２の第１、第２面１０２、１０４と平行な平面に対して傾斜角φで傾斜している。一実施形態では、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１の周期的格子構造１０６の第１集合は、傾斜角φ_１を有し、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２の周期的格子構造１０６の第１集合は傾斜角φ_２を有する。同様に、第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１の周期的格子構造１０８の第２集合は、傾斜角φ_１を有し、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２の周期的格子構造１０８の第２集合は、傾斜角φ_２を有する。第１、第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１、ＩＤＯ２の周期的格子構造１０６、１０８は、互いに対して１８０度回転した傾斜角φを有する。

【0050】

光カプラ１２０と第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２を利用することによって、画像光ガイド１００は、プロジェクタ１６からの画像担持光をより大きなパーセンテージで入力結合（インカップル）するように動作可能である。プロジェクタ１６からの画像担持光が平面導波路２２に入力結合されるパーセンテージを増加させると、アイボックス内で見られるバーチャル像の輝度が増加する。

【0051】

一実施形態では、図７Ｂに示すように、光カプラ１２０の第１面１２２は、鏡面１３２を含んでもよい。第２面１２４で反射された画像担持光の第２部分が鏡面１３２に入射するように、鏡面１３２は第１面１２２に形成される。鏡面１３２は、光カプラの第１面１２２の一部に、少なくとも部分的に反射性のコーティングを付与ことにより、形成することができる。画像ソース１６からの画像担持光は、光カプラの第１面１２２の第１部分１２２Ａに入射してそこを透過し、第２面１２４に入射する。第２面１２４から反射された画像担持光は、鏡面１３２を有する第１面１２２の第２部分１２２Ｂに入射し、第３面１２６に向かって反射される。第１面１２２の第２部分１２２Ｂから反射された画像担持光は、第３面１２６に入射し、第１面１２２の第３部分１２２Ｃに向かって反射される。第１面１２２の第３部分１２２Ｃに入射した画像担持光は、そこを透過する。

【0052】

一実施形態では、図４、図５Ａ～図５Ｄ、図７Ｂに示すように、画像光ガイド１００は、光カプラ１２０と平面導波路２２との間に配置された波長板（waveplate）１３０を含む。波長板１３０の長さは光カプラ１２０より短く、これにより、平面導波路２２を透過して光カプラ１２０の第１面１２２に入射する光は波長板１３０を透過せず、第３面１２６で反射されて光カプラ１２０の第１面１２２を透過した画像担持光は、波長板１３０を透過するようになっている。波長板１３０は、画像光ガイド１００がプロジェクタ１６からの画像担持光を十分に利用するように、画像担持光の偏光方向（polarization direction）を変えるように動作可能である。例えば、波長板１３０は、画像担持光の偏光方向を直角（９０°）またはほぼ直角に回転させるように動作可能な半波長板（１/２波長板）であってもよい。一実施形態では、波長板１３０は、画像担持光の偏光方向をほぼ４５度（４５°）回転させるように動作可能な１／４波長板であってもよい。透過型回折格子は、反射型回折格子よりも偏光感度が低い。第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２が反射型回折格子である場合、半波長板１３０を介した画像担持光の偏光は、より大きな回折効率を可能にする。換言すれば、一実施形態では、画像ソース１６からのより多くの画像担持光が、代替偏光（alternate polarization）で第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２を介して導波路２２に入力結合（インカップル）するのに利用可能である。一実施形態では、プロジェクタ１６は、偏光されていない光を出力するように動作可能なデジタル光処理「ＤＬＰ」プロジェクタを備えている。

【0053】

一実施形態では、図８Ａに示すように、光カプラ１２０の製造が不完全な場合、及び／又はプロジェクタ１６と光カプラ１２０のアライメントに誤差がある場合、画像光ガイド１００は、２つのアライメントされていないバーチャル像を生成することがある。例えば、図８Ａに示すように、光カプラ１２０が不完全なため、画像担持光ＷＧ２が、第２軸Ａ２に対してある角度で第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に入射する可能性がある。この入射角は、第２軸Ａ２に対する第２出射光ビームＷＯ２の角度に反映され、２つのバーチャル像がアライメントされない状況を引き起こす。図８Ｂに示されるように、平面導波路２２は、画像光ガイド１００によって生成される２つのバーチャル像をアライメントするために、ｘ軸及び／又はｙ軸を中心に回転または揺動することができる。プロジェクタ１６および光カプラ１２０に対して平面導波路２２を回転させることにより、画像担持光ビームＷＧ２（第２インカップリングＩＤＯ２を介して平面導波路２２に入力結合され、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯ を介して出力結合される画像担持光ビーム）の中心光線のアライメントにおける不完全性の影響が補償される。第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１の中央を中心として平面導波路２２を回転させることにより、第１回折光学要素ＩＤＯ１の中心に対して第１出射光ビームＷＯ１の中心光線の位置を変更することなく、第２出射光ビームＷＯ２を第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に対して再配置することができる。図８Ａ、図８Ｂに示すように、平面導波路２２を揺動させると、画像担持光ビームＷＯ１、ＷＯ２の中心光線が互いにほぼ平行にアライメントされる。この特徴により、プロジェクタ１６と光カプラ１２０とのアライメントにおけるより大きな公差が可能になる。換言すれば、導波路２２をバーチャル像のアライメントに利用できるので、プロジェクタ１６および光カプラ１２０は、極めて正確なアライメントをする必要はない。

【0054】

図１１および図１２に示すように、一実施形態では、積み重ねられた画像光ガイドアセンブリ４００は、第２画像光ガイド４０４と結合された第１画像光ガイド４０２を備えている。第１画像光ガイド４０２および第２画像光ガイド４０４の少なくとも１つは、上述の画像光ガイド１００の１つである。画像光ガイド４０２、４０４は、機械的に結合された別々の導波路基板２２に形成される。一実施形態では、画像光ガイド４０２、４０４の導波路基板２２は、接着剤を介して機械的に結合される。別の実施形態では、これら導波路基板２２は、ＨＭＤの構造的手段によって互いに対して適所に保持される。例えば、画像光ガイド４０２、４０４を組み込んだＨＭＤがスマートグラス（図１３参照）である場合、これら基板２２は、スマートグラスのリムを介して相対的な位置に保持することができる。一実施形態では、積層画像光ガイドアセンブリ４００は、３つの独立したカラーチャネルを提供する。第１画像光ガイド４０２の第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１に入射するプロジェクタ１６からの画像担持光ＷＩの第１部分は、回折され、ＴＩＲを介して第１画像光ガイド４０２のアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝搬する。

【0055】

第１画像光ガイド４０２の第１インカップリング回折光学要素に入射する画像担持光ＷＩの第２部分は、そこを透過し、第２画像光ガイド４０４の第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１に入射する。第２画像光ガイド４０４の第１インカップリング回折光学要素ＩＤＯ１に入射した画像担持光ＷＧ２の一部は、回折され、ＴＩＲを介して第２画像光ガイド４０４のアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝播する。画像担持光ＷＩの第３部分は、上述のように、第２画像光ガイド４０４のインカップリング回折光学ＩＤＯ１を透過し、光カプラ１２０に入射する。画像担持光ＷＩの第３部分は、第２軸Ａ２を中心にして光カプラ１２０から出力され、第２画像光ガイド４０４の第２インカップリング光学要素ＩＤＯ２に入射する。第２画像光ガイド４０４の第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に入射する画像担持光ＷＧ３の一部は、回折され、ＴＩＲを介して第２画像光ガイド４０４のアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝播する。画像担持光ＷＩの第４部分は、第２画像光ガイド４０４の第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２を透過し、第１画像光ガイド４０２の第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に入射する。第１画像光ガイド４０２の第２インカップリング回折光学要素ＩＤＯ２に入射した画像担持光ＷＧ４の一部は、回折され、ＴＩＲを介して第１画像光ガイド４０２のアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かって伝播する。第１、第２画像光ガイド４０２、４０４のアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに入射した画像担持光ＷＧ１、ＷＧ２、ＷＧ３、ＷＧ４は拡大され、画像担持光ＷＯとしてアイボックスに向かって出力結合される。

【0056】

図１３の斜視図は、本開示の１つまたは複数の画像光ガイドを使用して拡張現実を見るためのディスプレイシステム６０を示す。ディスプレイシステム６０は、右眼用の画像光ガイド６６Ｒを有する右眼光学システム６４Ｒを備えたＨＭＤとして示されている。ディスプレイシステム６０は画像ソース６８を備えている。この画像ソース６８は、画像を生成するために励起可能なピコプロジェクタまたは同様のデバイス等からなる。一実施形態では、ディスプレイシステム６０は、１つまたは複数の画像光ガイドおよび第２画像ソースを有する左眼光学システムを備えている。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。表示システム６０によって形成されるバーチャル像は、画像光ガイド６６Ｒを通して視者によって見られる現実世界のシーンコンテンツに重なるようにして、見ることができる。拡張現実の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、例えばシーンコンテンツの表示または視者の視線追跡のためにＨＭＤのフレームに取り付けられた１つまたは複数のカメラを、提供することもできる。

【0057】

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。様々な実施形態を詳細に説明したが、それらは例として提示したものであり、限定するもの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、および修正で具現化され得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、上述の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見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ており、その均等の意味および範囲内にあるすべての変更が含まれることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像担持光ビームを伝播させるように動作可能な基板と、
前記基板に沿って形成され、画像ソースからの前記画像担持光ビームの第１部分を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折し、前記画像ソースからの前記画像担持光ビームの第２部分を透過するように動作可能な第１インカップリング回折光学要素と、
前記基板に沿って形成され、少なくとも一方向にアイボックスを拡大し、前記画像担持光ビームを角度的にデコードされた形態で前記基板から方向付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、
前記基板に沿って形成され、前記画像担持光ビームの前記第２部分の一部を、角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能な第２インカップリング回折光学要素と、
前記画像ソースの軸に沿って配置され、画像担持光ビームの前記第２部分を、前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能な光カプラと、
を備えた、バーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項2】

前記第１インカップリング回折光学要素は、前記第２インカップリング回折光学要素よりも高い効率で第１方向から入射する画像担持光ビームを回折するように動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素は、前記第１インカップリング回折光学要素よりも高い効率で第２方向から入射する画像担持光ビームを回折するように動作可能である、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項3】

前記第１インカップリング回折光学要素は透過型回折光学要素として動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素は反射型回折光学要素として動作可能である、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項4】

前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が表面レリーフ格子を含む、請求項３に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項5】

前記基板が対向する第１、第２面を備え、前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が前記第１面に配置されるか、又は、前記第１インカップリング回折光学要素が前記第１面に配置され、前記第２インカップリング光学要素が前記第２面に配置される、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項6】

前記第１インカップリング回折光学要素および前記第２インカップリング回折光学要素が、傾斜した表面レリーフの格子フィーチャを備え、前記第２インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャが、前記第１インカップリング回折光学要素の前記格子フィーチャに対して実質的に１８０度傾斜している、請求項２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項7】

前記第２インカップリング回折光学要素の格子フィーチャが前記第１インカップリング回折光学要素の格子フィーチャと対称である、請求項２に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項8】

前記光カプラが、
第１角度で入射する前記画像担持光ビームを透過させ、第２角度で入射する前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第１面と、
前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第２面と、
前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第３面と、
を備えた、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項9】

前記光カプラの前記第２面は前記光カプラの前記第３面と対称である、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項10】

前記第２面によって反射されて前記第１面に入射する前記画像担持光ビームが、全内部反射によって前記第１面で反射される、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項11】

前記第３面によって反射され前記第１面に入射する前記画像担持光ビームが、前記第１面を透過する、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項12】

前記画像担持光ビームは、前記画像担持光ビームが前記光カプラに入る箇所から横にオフセットされて前記光カプラを出る、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項13】

前記画像担持光ビームが３回の反射を含む前記光カプラ内の経路をたどり、前記画像担持光ビームが、前記入力した画像担持光ビームに対してミラー角度で前記光カプラを出る、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項14】

前記光カプラは２つの直角プリズムを含む、請求項８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項15】

前記光カプラと前記第２インカップリング回折光学要素との間に配置された波長板をさらに備え、前記波長板は前記画像担持光ビームの偏光を回転させるように動作可能である、前記波長板が半波長板または１／４波長板を含む、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項16】

前記第１インカップリング回折光学要素を介して入力結合される前記画像担持光ビームの前記第１部分は、第１バーチャル像に対応し、
前記第２インカップリング回折光学要素を介して入力結合された前記画像担持光ビームの前記第２部分は、第２バーチャル像に対応し、
前記第１、第２バーチャル像は実質的に同一であり、
前記基板は、前記基板の面が前記光カプラの第１面に対してある角度で配置されるように回転され、これにより、前記第１、第２バーチャル像は無限遠の焦点でアライメントされる、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項17】

前記光カプラが第１面を備え、前記第１面の第１部分で、前記第１面に入射する前記画像担持光ビームを透過させ、前記第１面の第２部分で、前記第１面に入射する前記画像担持光ビームを反射するように動作可能であり、前記第１面の前記第２部分は鏡面であり、
前記光カプラがさらに、前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第２面と、前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第３面を備え、
前記第２面によって反射され前記第１面の前記第２部分に入射した前記画像担持光ビームは、前記第１面で反射されて前記第３面に入射し、
前記第３面によって反射され前記第１面に入射した前記画像担持光ビームは、前記第１面を透過する、請求項１に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイド。

【請求項18】

バーチャル像に対応する画像担持光ビームを第１軸に沿って投射するように動作可能な画像ソースであって、前記バーチャル像のピクセルが無限遠で集束される画像ソースと、
前記画像担持光ビームを伝播させるように動作可能な第１基板と、
前記画像担持光ビームを伝播するように動作可能で前記第１基板と結合される第２基板と、
を備え、
前記第１、第２基板の各々は、第１インカップリング回折光学要素と、第２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を有し、前記アウトカップリング回折光学要素は、少なくとも一方向にアイボックスを拡大し、前記画像担持光ビームの少なくとも一部を角度的にデコードされた形態で前記基板から方向付けするように動作可能であり、
さらに前記第１軸に沿って配置された光カプラを備え、
前記光カプラは、前記第１、第２基板の前記第１インカップリング回折光学要素を透過した前記画像担持光ビームの経路に少なくとも部分的に沿って配置され、
前記光カプラは、前記画像担持光ビームを前記第２基板の前記第２インカップリング回折光学要素へと方向付けるように動作可能であり、
前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームの一部を角度的にエンコードされた形態で前記第２基板内に回折し、前記画像担持光ビームの一部を透過させて、前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素に向けて方向付けするように動作可能であり、
前記第１基板の前記第２インカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームの一部を角度的にエンコードされた形態で前記第１基板内へと回折するように動作可能である、バーチャル像を伝送するための画像光ガイドシステム。

【請求項19】

前記第１インカップリング回折光学要素が透過型回折光学要素として動作可能であり、前記第２インカップリング回折光学要素が反射型回折光学要素として動作可能である、請求項１８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイドシステム。

【請求項20】

前記光カプラが、
第１角度で入射する前記画像担持光ビームを透過させ、第２角度で入射する前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第１面と、
前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第２面と、
前記画像担持光ビームを反射するように動作可能な第３面と、
を有する、請求項１８に記載のバーチャル像を伝送するための画像光ガイドシステム。

【国際調査報告】