特表 2023-537897 ＰＩＣ入力を有するビーム走査器及びそれに基づくニアアイディスプレイ

(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】ＰＩＣ入力を有するビーム走査器及びそれに基づくニアアイディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20230830BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20230830BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 104Z

G02B26/08 E

G02B27/02 Z

G02B6/42

G02B6/32

G02B6/125 301

G02B6/125

G02B6/12 301

G02B5/30

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023507552

(86)(22)【出願日】2021-08-16

(85)【翻訳文提出日】2023-04-03

(86)【国際出願番号】 US2021046093

(87)【国際公開番号】W WO2022040068

(87)【国際公開日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】63/066,592

(32)【優先日】2020-08-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/081,272

(32)【優先日】2020-10-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/210,969

(32)【優先日】2021-06-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/398,934

(32)【優先日】2021-08-10

(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】515046968

【氏名又は名称】メタ プラットフォームズ テクノロジーズ， リミテッド ライアビリティ カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＭＥＴＡ ＰＬＡＴＦＯＲＭＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110002974

【氏名又は名称】弁理士法人Ｗｏｒｌｄ ＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】アミールソライマニ， ババク

(72)【発明者】

【氏名】コシェレフ， アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ティン， イーミン

(72)【発明者】

【氏名】ウィールライト， ブライアン

(72)【発明者】

【氏名】グライフ， ダニエル グエンサー

(72)【発明者】

【氏名】カオ， ウェイチョアン

(72)【発明者】

【氏名】シュー， ミャオミャオ

(72)【発明者】

【氏名】ゴーリエ， ジャック

【テーマコード（参考）】

2H045

2H137

2H141

2H147

2H149

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H045AB13

2H045AB73

2H045BA12

2H045DA02

2H045DA04

2H137AA04

2H137AA17

2H137AB11

2H137BA34

2H137BA44

2H137BA45

2H137BA46

2H137BB02

2H137BB17

2H137BC02

2H137BC25

2H137BC42

2H137BC45

2H137BC51

2H137BC52

2H137BC64

2H137CA34

2H137EA04

2H141MB24

2H141MD13

2H141MD16

2H141MD23

2H141MD24

2H141MD40

2H141ME06

2H141ME09

2H141ME15

2H141ME19

2H141ME24

2H141MG03

2H141MG06

2H141MZ06

2H141MZ16

2H147AB04

2H147AB16

2H147AB17

2H147BC05

2H147BD02

2H147BD03

2H147BE14

2H147BE15

2H147BE22

2H147BG02

2H147BG04

2H147CA08

2H147CA13

2H147CA15

2H147CA19

2H147CD02

2H147FC01

2H149DA04

2H149FC07

2H199CA05

2H199CA29

2H199CA32

2H199CA42

2H199CA46

2H199CA53

2H199CA62

2H199CA64

2H199CA66

(57)【要約】

ビーム走査器及び表示デバイスは、光を一対の対向する反射器に結合するフォトニック集積回路に基づいている。一方の反射器は、傾斜可能であり、かつ光がそこを通して結合される開口部を有し、他方の反射器は、例えば凹面反射器など、光を集束させるように構成されている。偏光折り畳み構成は、集束光を第１の反射器の開口部を通して伝播させ、第２の反射器によってコリメートさせ、第１の反射器によって走査させ、かつ第２の反射器を通って走査ビームの複数の横方向にオフセットされた平行部分を提供する瞳孔複製導光体に伝播させるために使用される。
【選択図】図２Ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ビーム走査器であって、
第１の光ビームを誘導するための第１の導波路を備えるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）と、
第１の反射器及び第２の対向する反射器と、
を備え、
前記第１の反射器が、制御信号の印加時に傾斜可能であり、かつ前記第１の導波路からアウトカップリングされた前記第１の光ビームをその中に受光するための開口部を有し、
前記第２の反射器が、前記第１の光ビームが前記第１の反射器の前記開口部を通って伝播した後に、前記第１の光ビームを少なくとも部分的に反射して前記第１の光反射器に向けて戻し、それによって、前記第１の反射器によって前記第２の反射器に向けて可変角度で反射される第１のコリメートビームを形成するように構成されており、前記第２の反射器が、前記第１の反射器によって反射された前記第１のコリメートビームの少なくとも一部を前記第２の反射器を通して伝播するように構成されている、
ビーム走査器。

【請求項2】

前記第１の反射器が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）傾斜可能反射器を備える、請求項１に記載のビーム走査器。

【請求項3】

前記第１の反射器と前記第２の反射器との間の光路内に、前記第１の光ビームの第１の直線偏光を前記第１のコリメートビームの第２の直交直線偏光に変換するための１／４波長板（ＱＷＰ）をさらに備え、前記第２の反射器が、偏光選択性である、請求項１又は２に記載のビーム走査器。

【請求項4】

前記開口部を通して前記第１の光ビームを集束させるために、前記ＰＩＣと前記第１の反射器内の前記開口部との間の光路内にカップリングレンズをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のビーム走査器。

【請求項5】

前記ＰＩＣが、前記導波路からの前記第１の光ビームをアウトカップリングするためのアウトカプラを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のビーム走査器。

【請求項6】

前記アウトカプラが、前記第１の光ビームを前記ＰＩＣの平面外に向け直すための折り返しミラーを備え、
好ましくは、前記折り返しミラーが、前記第１の反射器の前記開口部を通して前記光ビームを集束させるために凹状であり、
好ましくは、前記折り返しミラーによって反射された前記第１の光ビームを前記第１の反射器の前記開口部に伝達するための、前記ＰＩＣから前記第１の反射器の前記開口部に向かって延在する補助導波路をさらに備える、
請求項５に記載のビーム走査器。

【請求項7】

前記ＰＩＣが、第２の光ビームを誘導するための第２の導波路をさらに備え、前記第２の導波路からアウトカップリングされた前記第２の光ビームが、前記第１の反射器の前記開口部内に結合され、
前記第２の反射器が、前記第２の光ビームが前記第１の反射器の前記開口部を通って伝播した後に、前記第２の光ビームを少なくとも部分的に反射して前記第１の反射器に向けて戻し、それによって、前記第１の反射器によって前記第２の反射器に向けて可変角度で反射される第２のコリメートビームを形成するように構成されており、前記第２の反射器が、前記第１の反射器によって反射された前記第２のコリメートビームの少なくとも一部を前記第２の反射器を通して伝播するように構成されている、
請求項１から６のいずれか一項に記載のビーム走査器。

【請求項8】

前記ＰＩＣが、種々の波長の複数の光源を前記第１の導波路に光学的に結合するためのコンバイナ素子をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のビーム走査器。

【請求項9】

前記コンバイナ素子が、前記複数の光源によって放射された光ビームを合成するためのマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを備える、請求項８に記載のビーム走査器。

【請求項10】

前記コンバイナ素子が、
複数のリング共振器であって、前記複数のリング共振器の各リング共振器が、前記複数の光源のうちの光源を前記導波路に光学的に結合する、複数のリング共振器、又は
複数の方向性カプラであって、前記複数の方向性カプラの各方向性カプラが、前記複数の光源のうちの特定の光源を前記導波路に光学的に結合する、複数の方向性カプラ
を備える、請求項８又は９に記載のビーム走査器。

【請求項11】

前記コンバイナ素子が、複数の入力導波路と出力導波路とが結合されているキャビティを備え、前記複数の入力導波路の各入力導波路が、前記複数の光源のうちの光源を前記キャビティに光学的に結合し、
前記キャビティが、各光源によって放射された光を前記コンバイナ素子の前記出力導波路に結合するために最適化された実効誘電率の不均一な空間分布を提供するナノ構造を有する、
請求項８から１０のいずれか一項に記載のビーム走査器。

【請求項12】

表示デバイスであって、
第１の光ビームを放射するための第１の光源と、
前記第１の光源に結合されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）であって、前記ＰＩＣが、前記第１の光ビームを誘導するための導波路を備える、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）と、
第１の反射器及び第２の対向する反射器と、
瞳孔複製導光体と、
を備え、
前記第１の反射器が、制御信号の印加時に傾斜可能であり、前記導波路からアウトカップリングされた前記第１の光ビームをその中に受光するための開口部を有し、
前記第２の反射器が、前記第１の光ビームが前記第１の反射器の前記開口部を通って伝播した後に、前記第１の光ビームを少なくとも部分的に反射して前記第１の反射器に向けて戻し、それによって、前記第１の反射器によって前記第２の反射器に向けて可変角度で反射されるコリメートビームを形成すように構成されており、前記第２の反射器が、前記第１の反射器によって反射された前記コリメートビームの少なくとも一部を前記第２の反射器を通して伝播するように構成されており、
前記瞳孔複製導光体が、前記第２の反射器を通して伝播された前記コリメートビームをインカップリングし、かつ前記コリメートビームの一部をアウトカップリング角度でアウトカップリングするように構成されており、前記一部が、前記表示デバイスのアイボックスの長さ寸法に沿ってオフセットされている、
表示デバイス。

【請求項13】

前記瞳孔複製導光体が、前記コリメートビームをインカップリングするためのインカップリング格子と、前記アイボックスの前記長さ寸法に沿って前記コリメートビームの前記一部をアウトカップリングするためのアウトカップリング格子と、を備え、
好ましくは、前記第１の光源及び前記第１の反射器に動作可能に結合されており、かつコリメートビーム部分を走査して前記アイボックスにおいて角領域の画像を形成するために前記第１の反射器に前記制御信号を印加することと連携して前記第１の光源の輝度を制御するように構成された、コントローラをさらに備え、
好ましくは、前記第１の光ビームとは異なる波長で第２の光ビームを放射するための第２の光源をさらに備え、前記ＰＩＣが、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを第１の導波路に光学的に結合するためのコンバイナ素子をさらに備える、
請求項１２に記載の表示デバイス。

【請求項14】

光ビームを走査するための方法であって、前記方法が、
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の導波路内の前記光ビームを、第１の反射器の開口部を通して、前記第１の反射器に対向する第２の反射器に誘導することであって、前記第１の反射器が、制御信号の印加時に傾斜可能である、前記光ビームを誘導することと、
前記開口部を通して伝播された前記光ビームを前記第１の反射器に向けて少なくとも部分的に反射し、それによってコリメートビームを形成することと、
前記コリメートビームを前記第１の反射器によって前記第２の反射器に向けて可変角度で反射して戻すことと、
前記第１の反射器によって反射された前記コリメートビームの少なくとも一部を前記第２の反射器を通して伝播させることと、
前記制御信号を前記第１の反射器に印加して前記第１の反射器を傾斜させ、それによって、前記第２の反射器を通して伝播された前記コリメートビームを角度走査することと、を含む、方法。

【請求項15】

前記ＰＩＣの前記導波路によって誘導された前記光ビームを前記第１の反射器の前記開口部に結合するためにカップリングレンズを使用することをさらに含み、
好ましくは、前記第２の反射器が、偏光選択性であり、前記方法が、光路上の前記光ビームの偏光を、前記第２の反射器上への前記光ビームの第１の入射と第２の入射との間で、前記光ビームが前記第２の反射器によって反射される第１の偏光状態から、前記光ビームが前記第２の反射器を通して伝播される第２の偏光状態に変換することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の参照
本出願は、２０２０年８月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／０６６，５９２号「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｅｒ」からの、及び２０２１年６月１５日に出願された米国仮特許出願第６３／２１０，９６９号「ＭＥＭＳ Ｓｃａｎｎｅｒ ｗｉｔｈ Ｉｎｐｕｔ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ」からの優先権を主張する。本出願は、２０２０年８月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／０６６，５９２号「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｅｒ」からの優先権を主張する、２０２０年１０月２７日に出願された米国従来型特許出願第１７／０８１，２７２号「Ｄｉｓｐｌａｙ ｗｉｔｈ ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｅｒ」の一部継続出願であり、そこからの優先権を主張する。これらの出願は全て、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は、画像プロジェクタ、ニアアイディスプレイを含む視覚ディスプレイ、及び関連する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

視覚ディスプレイは、静止画像、ビデオ、データなどを含む情報を視聴者に提供する。視覚ディスプレイは、ほんの数例を挙げると、娯楽、教育、エンジニアリング、科学、専門訓練、広告を含む多様な分野のアプリケーションを有する。ＴＶセットなどのいくつかの視覚ディスプレイは、複数のユーザ向けであり、ニアアイディスプレイ又はＮＥＤなどのいくつかの視覚ディスプレイシステムは、個々のユーザ向けである。

【0004】

人工現実システムは、一般に、コンテンツをユーザに提示するように構成されたＮＥＤ（例えば、ヘッドセット又は一対の眼鏡）を含む。ニアアイディスプレイは、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、又は複合現実（ＭＲ）アプリケーションのように、仮想オブジェクトを表示し得、又は実オブジェクトの画像と仮想オブジェクトとを合成し得る。例えば、ＡＲシステムでは、ユーザは、「コンバイナ」コンポーネントを通して見ることによって、仮想オブジェクト（例えば、コンピュータ生成画像（ＣＧＩ））及び周囲環境の両方の画像が見られ得る。ウェアラブルディスプレイのコンバイナは、典型的には、外部光に対して透明であるが、ディスプレイ光をユーザの視野内に向けるための何らかの光ルーティング光学系を含む。

【0005】

ＨＭＤ又はＮＥＤのディスプレイは通常、ユーザの頭部に装着されるため、重いバッテリを有する大型で、かさばり、不安定で、かつ／又は重いディスプレイデバイスは、ユーザにとって装着するのが面倒かつ不快である。ヘッドマウントディスプレイデバイスは、光学ビームを走査することによって角領域において画像をレンダリングする小型で効率的なプロジェクタを必要とする。

【発明の概要】

【0006】

本開示の第１の態様によれば、ビーム走査器であって、第１の光ビームを誘導するための第１の導波路を備えるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）と、第１の反射器及び第２の対向する反射器と、を備え、第１の反射器が、制御信号の印加時に傾斜可能であり、かつ第１の導波路からアウトカップリングされた第１の光ビームをその中に受光するための開口部を有し、第２の反射器が、第１の光ビームが第１の反射器の開口部を通って伝播した後に、第１の光ビームを少なくとも部分的に反射して第１の光ビームに向けて戻すように構成されており、それによって、第１の反射器によって第２の反射器に向けて可変角度で反射される第１のコリメートビームを形成し、第２の反射器が、第１の反射器によって反射された第１のコリメートビームの少なくとも一部を第２の反射器を通して伝播するように構成されている、ビーム走査器が提供される。

【0007】

いくつかの実施形態では、第１の反射器は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）傾斜可能反射器を備える。第１の光ビームの第１の直線偏光を第１のコリメートビームの第２の直交直線偏光に変換するために、第１の反射器と第２の反射器との間の光路内に１／４波長板（ＱＷＰ）が配置され得る。第２の反射器は、偏光選択性であり得る。開口部を通して第１の光ビームを集束させるために、ＰＩＣと第１の反射器の開口部との間の光路内にカップリングレンズが配置され得る。

【0008】

いくつかの実施形態では、ＰＩＣは、導波路からの第１の光ビームをアウトカップリングするためのアウトカプラを備える。アウトカプラは、第１の光ビームをＰＩＣの平面外に向け直すための折り返しミラーを含み得る。折り返しミラーは、第１の反射器の開口部を通して光ビームを集束させるために凹状であり得る。ビーム走査器は、折り返しミラーによって反射された第１の光ビームを第１の反射器の開口部に伝達するために、ＰＩＣから第１の反射器の開口部に向かって延在する補助導波路をさらに含み得る。ＰＩＣは、第２の光ビームを誘導するための第２の導波路をさらに含み得、第２の導波路からアウトカップリングされた第２の光ビームは、第１の反射器の開口部内に結合される。第２の反射器は、第２の光ビームが第１の反射器の開口部を通して伝播された後、第２の光ビームを少なくとも部分的に反射して第１の反射器に向けて戻すように構成され得、それによって、第１の反射器によって第２の反射器に向けて可変角度で反射される第２のコリメートビームを形成する。第２の反射器は、第１の反射器によって反射された第２のコリメートビームの少なくとも一部を第２の反射器を通して伝播するように構成され得る。

【0009】

いくつかの実施形態では、ＰＩＣは、種々の波長の複数の光源を第１の導波路に光学的に結合するためのコンバイナ素子をさらに備える。コンバイナ素子は、複数の光源によって放射された光ビームを合成するためのマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを含み得る。コンバイナ素子は、複数のリング共振器であって、複数のリング共振器の各リング共振器が、複数の光源のうちの光源を導波路に光学的に結合する、複数のリング共振器、又は複数の方向性カプラであって、複数の方向性カプラの各方向性カプラが、複数の光源のうちの特定の光源を導波路に光学的に結合する、複数の方向性カプラを含み得る。コンバイナ素子は、複数の入力導波路と出力導波路とが結合されているキャビティを含み得、複数の入力導波路の各入力導波路が、複数の光源のうちの光源をキャビティに光学的に結合する。キャビティは、各光源によって放射された光をコンバイナ素子の出力導波路に結合するために最適化された実効誘電率の不均一な空間分布を提供するナノ構造を含み得る。

【0010】

本開示の第２の態様によれば、第１の光ビームを放射するための第１の光源と、本明細書に記載のＰＩＣと、瞳孔複製導光体と、を備える表示デバイスが提供される。瞳孔複製導光体は、第２の反射器を通して伝播されたコリメートビームをインカップリングし、かつコリメートビームの一部をアウトカップリング角度でアウトカップリングするように構成されており、該一部が、表示デバイスのアイボックスの長さ寸法に沿ってオフセットされている。

【0011】

瞳孔複製導光体は、コリメートビームをインカップリングするためのインカップリング格子と、アイボックスの長さ寸法に沿ってコリメートビームの一部をアウトカップリングするためのアウトカップリング格子と、を含み得る。表示デバイスは、第１の光源及び第１の反射器に動作可能に結合されており、かつコリメートビーム部分を走査してアイボックスにおいて角領域の画像を形成するために第１の反射器に制御信号を印加することと連携して第１の光源の輝度を制御するように構成された、コントローラをさらに含み得る。表示デバイスが第１の光ビームとは異なる波長で第２の光ビームを放射するための第２の光源を含む実施形態では、ＰＩＣは、第１の光ビーム及び第２の光ビームを第１の導波路に光学的に結合するためのコンバイナ素子をさらに含み得る。

【0012】

本開示の第３の態様によれば、光ビームを走査するための方法であって、方法が、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の導波路内の光ビームを、第１の反射器の開口部を通して、第１の反射器に対向する第２の反射器に誘導することであって、第１の反射器が、制御信号の印加時に傾斜可能である、光ビームを誘導することと、開口部を通して伝播された光ビームを第１の反射器に向けて少なくとも部分的に反射し、それによってコリメートビームを形成することと、コリメートビームを第１の反射器によって第２の反射器に向けて可変角度で反射して戻すことと、第１の反射器によって反射されたコリメートビームの少なくとも一部を第２の反射器を通して伝播させることと、制御信号を第１の反射器に印加して第１の反射器を傾斜させ、それによって、第２の反射器を通して伝播されたコリメートビームを角度走査することと、を含む、方法が提供される。

【0013】

いくつかの実施形態では、方法は、ＰＩＣの導波路によって誘導された光ビームを第１の反射器の開口部に結合するためにカップリングレンズを使用することを含む。第２の反射器が偏光選択性である実施形態では、方法は、光路上の光ビームの偏光を、第２の反射器上への光ビームの第１の入射と第２の入射との間で、光ビームが第２の反射器によって反射される第１の偏光状態から、光ビームが第２の反射器を通して伝播される第２の偏光状態に変換することをさらに含み得る。

【0014】

ここで、例を図面と併せて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】走査型画像プロジェクタに基づくニアアイディスプレイの概略図である。

【図2A】傾斜可能反射器が非傾斜位置にある状態の、本開示の小型走査型プロジェクタの概略断面図である。

【図2B】傾斜可能反射器が傾斜位置にある状態の、図２Ａの走査型プロジェクタの概略断面図である。

【図2C】図２Ａ及び図２Ｂの走査型プロジェクタに基づくニアアイディスプレイの概略断面図である。

【図3】いくつかの光入力を有する小型走査型プロジェクタの概略断面図である。

【図4A】直線偏光選択反射器を有する走査型プロジェクタの偏光図である。

【図4B】円偏光選択反射器を有する走査型プロジェクタの偏光図である。

【図5】本開示の２Ｄ傾斜可能反射器の平面図である。

【図6A】図２Ａ及び図２Ｂの走査型プロジェクタ用のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）カプラの平面図である。

【図6B】図６ＡのＰＩＣカプラの拡大図である。

【図6C】カップリングレンズを有する図６ＡのＰＩＣカプラの側面断面図である。

【図6D】図６Ｃのカップリングレンズを通る光線伝播を示す光学的光線追跡図である。

【図7A】波長分割多重化を伴う多波長エミッタ及びＰＩＣ構成の概略図である。

【図7B】共通導波路内への個々のエミッタの波長分割多重化を伴うＰＩＣの概略上面図である。

【図8A】種々の波長の光源を合成するためのマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラの概略図である。

【図8B】種々の波長の光源を合成するためのリング共振器ベースのカプラの概略図である。

【図8C】種々の波長の光源を合成するための複合方向性カプラの概略図である。

【図8D】カプラのキャビティの逆最適化を伴う、種々の波長の光源を合成するための小型マルチモードカプラの概略図である。

【図9A】真っ直ぐなエッチングミラーを使用するＰＩＣアウトカプラの側面断面図である。

【図9B】偏心凹面エッチングミラーを使用するＰＩＣアウトカプラの側面断面図である。

【図9C】垂直に設置された補助導波路のアレイに基づくＰＩＣ光のアウトカプラの側面断面図である。

【図9D】真っ直ぐなエッチングされたミラー及びビーム形成光学系を使用するＰＩＣアウトカプラの側面図及び正面図を含む。

【図10】本開示による光ビームを走査するための方法のフローチャートである。

【図11】一対の眼鏡の形状因子を有する本開示の拡張現実（ＡＲ）ディスプレイの図である。

【図12】本開示のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の３Ｄ図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本教示は、様々な実施形態及び例と併せて記載されているが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されていない。それどころか、本教示は、当業者によって理解されるように、様々な代替物及び均等物を包含する。本開示の原理、態様、及び実施形態、並びにその特定の例を列挙する本明細書の全ての記述は、その構造的及び機能的均等物の両方を包含することが意図されている。さらに、そのような均等物は、現在知られている均等物及び将来開発される均等物の両方、すなわち、構造にかかわらず同じ機能を実行する開発されたあらゆる要素を含むことが意図されている。

【0017】

本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」などの用語は、連続した順序を意味することを意図するものではなく、明示的に述べられていない限り、ある要素を別の要素から区別することを意図している。同様に、方法ステップの連続した順序は、明示的に述べられていない限り、それらの実行の連続した順序を意味しない。

【0018】

走査型プロジェクタディスプレイは、傾斜可能ミラーを使用して、強度変調された光ビームを１つ又は２つの軸を中心として角度的に走査し得る。光ビームが走査されると、その輝度及び／又は色は、角領域の画像を提供するために、走査と連携して変化し得る。光ビームは、２つの方向、例えばＸ及びＹ視野角にわたって走査され得る。フレームレートが十分に高い場合、眼は走査光ビームを統合し、ユーザが表示されたイメージを実質的にフリッカなしに見ることを可能にする。走査器は、ディスプレイの視野（ＦＯＶ）全体にわたって光ビームを走査することができる場合がある。ＦＯＶは、画像光が視聴者に提供され得る立体角として画定され得る。

【0019】

画像を角領域でディスプレイのアイボックスに中継するために、中継導光体が設けられ得る。中継導光体は、中継された光の瞳孔複製を提供して、ディスプレイのアイボックスにわたって光を拡張するように構成され得る。そのような導光体は、瞳孔複製導光体と呼ばれる。瞳孔複製導光体は、同じ角度を有するビーム及び走査入力ビームの複数のオフセット部分を提供する。瞳孔複製導光体の背後に眼が設置されると、眼はラスタ画像を直接、すなわち接眼レンズなしで見ることができ、その結果、全体的なディスプレイ構造が小型で軽量になる。

【0020】

瞳孔複製導光体の入力カプラ上のビームウォークオフを最小限に抑えるために、走査ミラーを瞳孔複製導光体に近づけることが望ましい。さらに、傾斜可能ミラーの角度走査範囲を最大限に活用するためには、傾斜可能ミラーでの光ビームの垂直に近い入射が必要である。これらの要件の両方に適応するために、光ビームは、傾斜可能ミラー上に衝突する前に瞳孔複製導光体を通って伝播するように向けられ得る。瞳孔複製導光体を通してコリメート光ビームを伝播させることは、角領域における画像内の輝点アーチファクトが生成されるため望ましくない。

【0021】

本開示では、上記の制限のない走査型プロジェクタ構成が提示される。傾斜可能ミラーに小さな開口部が設けられ、強度変調された光ビームは、開口部を通って集束されて固定凹面ミラー上に衝突し、固定凹面ミラーは、反射時に光ビームをコリメートし、ビームを角度的に走査する傾斜可能ミラーに向け直して戻す。偏光構成を採用して、走査ビームを第２のパスで凹面ミラーを通して伝播させ、光ビームを瞳孔複製導光体に伝播させてもよい。フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を使用して、集束光ビームを傾斜可能ミラーの開口部にもたらす。ＰＩＣは、複数の光源からの光を伝達し得、本明細書で説明するように、種々の色チャネルの光を傾斜可能ミラーの開口部に合成し得る。

【0022】

ここで図１を参照すると、表示デバイス１００は、光ビーム１０４を提供するための光源１０２を含む。電子ドライバ１０６が、光源１０２に電力を供給するために光源１０２に動作可能に結合されている。傾斜可能反射器、例えば微小電気機械（ＭＥＭＳ）傾斜可能反射器を含むビーム走査器１０８は、光源１０２によって生成された光ビーム１０４を走査するために光源１０２に光学的に結合されている。走査は、例えば、Ｘ軸及び／又はＸ軸に垂直なＹ軸を中心として一次元又は二次元で実行され得、Ｘ及びＹ軸は、その通常の、すなわち非給電位置においてＭＥＭＳ反射器の平面内にある。瞳孔複製器１１０は、走査光ビーム１０４の複数の横方向にシフトされた平行部分を含む光照射野１１５を提供し、これは、場合によっては、光ビーム１０４が１つ又は２つの軸を中心に走査されたときに、ビーム角度、すなわち光ビーム１０４の伝播の方向を瞬間ごとに繰り返す。

【0023】

コントローラ１１２は、ビーム走査器１０８及び電子ドライバ１０６に動作可能に結合されている。コントローラ１１２は、ビーム走査器１０８を駆動すること及びその位置を読み取ることと連携して、光源１０２に電力を供給するために電子ドライバ１０６を動作させるように構成されている。例えば、コントローラ１１２は、表示される画像に従って電子ドライバ１０６に光源１０２の輝度を変更させるための電力信号１１１を印加しながら、ビーム走査器１０８に一連のビーム角度又は方向「Ａ」～「Ｇ」を通じて光ビーム１０４を走査させるための制御信号１１３を印加し得、したがって、視聴者の眼１１４による直接観察のための角領域の画像を形成する。フィードバック回路は、現在のＭＥＭＳミラー位置をコントローラ１１２に示すためのフィードバック信号１１７を提供し得る。

【0024】

瞳孔複製器１１０は、図示のように、方向「Ａ」～「Ｇ」において走査光ビーム１０４の複数の横方向に変位した平行部分を提供する。視聴者の眼１１４は、光照射野１１５を受け取り、図示のように、対応する複製光ビームから眼の網膜１１６に画像を形成する。眼の網膜１１６上のビーム部分の直線位置は、文字「ａ」～「ｇ」で示されており、走査光ビーム１０４のビーム角度又は方向「Ａ」～「Ｇ」に対応する。このようにして、眼１１４は、光照射野１１５によって形成された角領域の画像から眼の網膜１１６上に線形領域の画像を形成する。

【0025】

表示デバイス１００に関連する１つの課題は、ビーム走査器１０８の斜めになった傾斜可能反射器上への光ビームの傾いた入射角によって引き起こされるＦＯＶの減少である。斜角は、例えば、走査された、すなわち反射された光ビームから衝突する光ビームを物理的に分離するために用いられる光学的形状によって必要とされ得る。ＦＯＶの減少は、傾斜可能反射器における光ビームの傾いた入射角での走査の範囲を表す立体角の歪みによって引き起こされる。

【0026】

本開示のビーム走査器は、開口部を有する傾斜可能反射器と、開口部を透過させられた光を反射して走査反射器に向けて戻すように走査反射器に対向して配置された湾曲した反射器と、を備える。このような構成は、傾斜可能反射器上への光ビームのほぼ垂直な入射、及びビーム複製器に対する傾斜可能反射器のほぼ平行な位置決めを可能にするという点で、上記の欠点がない。

【0027】

図２Ａを参照すると、ビーム走査器２００は、図１の表示デバイス１００において、走査器の反射器上の光ビームの入射角がほぼ垂直な走査器として使用され得る。図２のビーム走査器２００は、光ビーム２０１を第１の反射器２１０に向けて誘導するための導波路２０４を有するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）２０２を含む。第１の反射器２１０は、制御信号の印加時に制御された量だけ傾斜可能である。第１の反射器２１０は、１軸又は２本の非平行軸を中心に傾斜可能であり得、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）傾斜可能反射器を含み得る。第２の反射器２２０は第１の反射器２１０に対向して配置されている。

【0028】

動作中、光ビーム２０１は、ＰＩＣ２０２の導波路２０４からアウトカップリングされ、任意選択の中継レンズ２０６によって第１の反射器２１０の後側２１１から第１の反射器２１０の開口部２１５内に再集束される。光ビーム２０１は、開口部２１５を通って伝播すると、光線２１３で示されるように発散する。第２の反射器２２０は、光ビーム２０１を少なくとも部分的に反射して第１の反射器２１０に向けて戻し、光ビーム２０１をコリメートして、第１の反射器２１０に向けて伝播するコリメート光ビーム２０３を形成するように構成されている。例えば、第２の反射器２２０は、図２Ａに示すように凹状であり得、第２の反射器２２０は、例えば放物線形状であり得る。

【0029】

コリメート光ビーム２０３は、第１の反射器２１０の傾斜角に応じた角度で、第１の反射器２１０によって反射されて第２の反射器２１０に向けて戻される。本明細書では走査ビーム２０５と呼ばれる二重反射ビームの少なくとも一部は、第２の反射器２２０を通って伝播し、瞳孔複製導光体２４０の入力カプラ２２５上に衝突する。入力カプラ２２５は、走査ビーム２０５を瞳孔複製導光体２４０に結合するように構成された１つ以上の回折格子を含み得る。開口部２１５の面積は、第１の反射器２１０全体の反射面積よりもはるかに小さいため、ビーム走査器２００の光損失は小さい。例えば、開口部の面積は、第１の反射器２１０の反射面積の２０％～０．００１％であり得る。

【0030】

光ビーム２０１は、偏光素子を使用して折り畳まれ得る光路に沿って、第１の反射器２１０と第２の反射器２２０との間のキャビティ２２２内を進む。例えば、第２の反射器２２０のコーティング２２１は偏光選択性であり得、折り畳まれた光路は、簡潔にするために図２Ａ及び図２Ｂに示されていない、光ビーム２０１の偏光状態を、その光が偏光選択性コーティング２２１によって反射されている第１の状態から、その光が偏光選択性コーティング２２１によって透過されている第２の状態に転換する光学素子を含み得る。ビーム走査器２００におけるビーム経路の折り畳みのための偏光構成の非限定的な例は、図２Ａ～図２Ｃから省略されており、図４Ａ及び図４Ｂを参照して以下でさらに考察する。

【0031】

第２の反射器２２０は、第１の反射器２１０と瞳孔複製導光体２４０との間の距離ｄが小さくなるように、第１の反射器２１０の好適に近くに配置され得る。この距離は、第１の反射器２１０のサイズ及びその傾斜の角度範囲に依存し得る。一例として、第１の反射器２１０は、瞳孔複製導光体２４０対して１ｍｍ以下のように近くてもよい。

【0032】

図２Ｂを参照すると、第１の反射器２１０は、走査ビーム２０５を斜角で反射するように傾斜して示されている。開口部２１５は、集束光ビーム２０１のウエスト２５１を収容するのに十分な大きさでなければならない。開口部２１５は、光ビームの伝播を容易にするために片側又は両側から先細であり得る。入力カプラ２２５の領域２２７は、走査ビーム２０５を瞳孔複製導光体２４０内に結合するのに十分な幅である。領域２２７は、第１の反射器２１０が瞳孔複製導光体２４０に近接しているため、比較的小さい。

【0033】

図２Ｃを参照すると、表示デバイス２５０は、図２Ａ及び図２Ｂのビーム走査器２００を使用している。図２Ｃの表示デバイス２５０は、光ビーム２０１を放射するための光源２６１と、光源２６１に結合されたＰＩＣ２０２と、対向する第１の反射器２１０及び第２の反射器２２０と、瞳孔複製導光体２４０と、を含む。第１の反射器２１０は、制御信号１１３の印加時に傾斜可能であり、導波路２０４からアウトカップリングされた光ビーム２０１を受光するための第１の反射器２１０を通る開口部２１５を有する。開口部２１５は、透明材料を含み得、集束光ビーム及び第１の反射器２１０の傾斜によりよく適応するように先細であり得る。第２の反射器２２０は、光ビーム２０１が第１の反射器２１０の開口部２１５を通って伝播した後に、光ビーム２０１を反射して第１の反射器２１０に向けて戻すように構成されており、それによって、第１の反射器２１０によって第２の反射器２２０に向けて可変角度で反射されたコリメートビームを形成し、走査ビーム２０５を形成する。走査ビーム２０５の少なくとも一部は、第２の反射器２２０を通って伝播し、瞳孔複製導光体２４０の入力カプラ２２５上に衝突する。瞳孔複製導光体２４０の入力カプラ２２５は、第２の反射器２２０を通って伝播した走査ビーム２０５をインカップリングするように構成されている。瞳孔複製導光体２４０は、走査ビーム２０５の一部をアウトカップリングするための少なくとも１つのアウトカップリング格子２３０（図２Ｃには２つが示されている）をさらに含み得る。これらの一部は、表示デバイス２５０のアイボックス２５２の長さ寸法、すなわち図２ＣのＸ寸法に沿ってオフセットされている。

【0034】

コントローラ２５５は、光源２６１及び第１の反射器２１０に動作可能に結合されており、瞳孔複製導光体２４０のアウトカップリング格子２３０によってアウトカップリングされたコリメートビーム部分を走査して、表示デバイス２５０のアイボックスに角領域の画像を形成するために、制御信号１１３を第１の反射器２１０に印加することと連携して、光源２６１の輝度又は色のうちの少なくとも一方を制御するように構成され得る。フィードバック信号１１７は、傾斜可能反射器２１０の現在の傾斜角に関する情報を取得するためにコントローラ２５５によって使用され得る。フィードバック信号１１７は、例えば、第１の反射器２１０のＸ及びＹ角度位置の時間的サンプリング、第１の反射器２１０の特定の所定の傾斜角における同期信号などを含み得る。光源２６１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、側面発光レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）などのソリッドステート単一モード又はマルチモード光源に基づき得る、１つ以上のエミッタを含み得る。

【0035】

マルチエミッタ光源は、互いに近接して位置付けされた複数の焦点に集束される、同じ色又は異なる色の複数の光ビームを提供する。例えば、図３を参照すると、焦点３０１は、第１の反射器２１０の共通開口部２１５内に配置されている。複数の焦点３０１は、カラー画像の種々の色をサポートし得、かつ／又は表示されている画像の種々の画素又は種々の画素グループに対して種々のエミッタを使用することによって、走査型プロジェクタベースのディスプレイにおいて向上した画像解像度を提供し得る。

【0036】

次に、ビーム走査器２００の偏光ベースのビーム折り畳み構成を考察する。最初に図４Ａを参照すると、ビーム走査器４００Ａは、第１の（傾斜可能）反射器２１０と、第１の反射器に面する反射偏光子４２０を含む第２の（コリメート）反射器と、を含む。図示の例では、反射偏光子４２０は、図４Ａの面内において偏光されたｐ偏光を反射し、図４Ａの面に対して垂直に偏光されたｓ偏光を透過するように構成された、直線反射偏光子である。反射偏光子４２０は、図２Ａ及び図２Ｂのビーム走査器２００の第２の反射器２２０上のコーティングとして実装され得る。収束／発散光ビーム２０１の光線４０１は、円偏光である。第１の反射器２１０と反射偏光子４２０との間の光路中に配置された好適に配向された１／４波長板（ＱＷＰ）４２５は、光線４０１の偏光状態をｐ偏光状態に変換し、ｐ偏光状態は反射偏光子４２０によって反射され戻されて反射光線４０３を形成する。ＱＷＰ４２５を通る反射光線４０３の伝播により、ｐ偏光状態が変換されて円偏光状態に戻る。第１の反射器２１０からの反射は、走査光ビーム２０５の走査光線４０５の円偏光状態を直交円偏光に反転させる。ＱＷＰ４２５を通る３回目の通過により、直交円偏光状態が直線ｓ偏光状態に変換される。この偏光状態で、走査光線４０５は、直線反射偏光子４２０を透過させられる。別の例では、反射偏光子ＢＲ４２０は、ＱＷＰ４２５の配向及び入力光線４０１の偏光に対応する変更を伴って、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過させるように構成され得る。ＱＷＰ４２５は、ＳＲ２１０とＢＲ４２０との間のどこに位置決めされてもよく、いくつかの例では、第１の反射器２１０に面する反射偏光子４２０上、又は反射偏光子４２０に面する第１の反射器２１０上に積層され得る。

【0037】

図４Ｂに目を向けると、ビーム走査器４００Ｂは、コレステリック液晶（ＣｈＬＣ）偏光子４２３を含む第２の（コリメート）反射器に対向する第１の（傾斜可能）反射器２１０を含む。ＣｈＬＣ偏光子４２３は、ＣｈＬＣ材料と同じヘリシティを有する円偏光を反射し、反対のヘリシティの円偏光を透過するように構成され得る。図示の例では、ＣｈＬＣ偏光子４２３は、円偏光入力光線４０１を反射し、反射光線４０３を形成するように構成されている。第１の反射器２１０からの反射は、走査光線４０５の円偏光を直交円偏光に反転させ、これは次にＣｈＬＣ偏光子４２３を透過させられる。したがって、図４Ｂの例では、第１の反射器２１０とＣｈＬＣ偏光子４２３との間のＱＷＰは不要である。図４Ａ及び図４Ｂでは、右側の反射器４２０、４２３は平面として概略的に示されているが、上述のように、第１の反射器に面する凹状の反射面を有し得る。

【0038】

本明細書に記載の例及び実施形態のいずれにおいても、第１の反射器２１０は、ＭＥＭＳ傾斜可能反射器を含み得る。非限定的かつ例示的な例として、図５のＭＥＭＳ走査器５００は、２つの直交する軸を中心に傾斜可能反射器５１０を含む。傾斜可能反射器５１０、例えばミラー又は回折格子は、反射器５１０をＸ軸を中心に傾斜させることを可能にする一対の第１のねじりヒンジ５０１によって支持され得る。第１のねじりヒンジ５０１は、傾斜可能反射器５１０からジンバルリング５２０まで延在し、ジンバルリング５２０は、ジンバルリング５２０を反射器５１０と一緒にＹ軸を中心に傾斜させるために、ジンバルリング５２０から固定ベース５２２又は媒介する任意選択の第２のジンバルリングまで延在する一対の第２のねじりヒンジ５０２によって支持されており、固定ベース５２２は、基板５５５によって支持され得る。アクチュエータが、Ｘ及びＹ軸を中心とした反射器５１０の傾斜を作動させるための力を提供するために、傾斜可能反射器５１０及び又はジンバルリング５２０の下に配置され得る。アクチュエータは、静電、電磁、圧電などであり得る。静電ミラー作動のために、櫛形駆動装置がねじりヒンジに位置付けされてもよい。例えば、一方のアクチュエータ（図示せず）が反射器５１０の縁部の下に配置されて、反射器５１０をＸ軸を中心に傾斜させ得、一方、他方のアクチュエータ（図示せず）がジンバルリング５２０の下に配置されて、ジンバルリング５２０を反射器５１０と一緒にＹ軸を中心に傾斜させ得る。

【0039】

反射器５１０は、入力光ビームが反射器５１０を通って伝播することを可能にする開口部５１５を有し得る。開口部５１５は、例えば、傾斜可能反射器５１０の中間部分の貫通開口部又は穴であり得、したがって、傾斜可能反射器５１０はドーナツ状の形状を有する。開口部５１５は、透明材料で充填され得る。少なくともいくつかの例では、開口部５１５は、図５にＸ及びＹで示される傾斜軸の交点における傾斜可能反射器５１０の中心に位置付けされ得、そのため、傾斜中にその場所は静止したままである。開口部５１５の中心から離れた場所もまた本開示の範囲内である。開口部５１５は円形の形状を有するように示されているが、正方形、長方形、スリット形状、又は一般に特定の例に適した任意の他の形状を含むがこれらに限定されない、種々の形状のアパーチャが使用されてもよい。非限定的な例として、傾斜可能反射器５１０は、１．５ｍｍの直径を有する円形ミラーであり得、開口部５１５は、０．００５～０．２ｍｍの直径を有し得る。図５はジンバル式反射器を示しているが、ＳＲ２１０を実装するために、ジンバルのないＭＥＭＳ反射器を含む、開口部を有するジンバルのない傾斜反射器もまた使用され得る。いくつかの例では、リング形状の補強構造が傾斜可能反射器５１０の裏側に設けられ得る。

【0040】

次に、本開示の傾斜可能反射器の開口部に光を送達するＰＩＣの例示的な構成を考察する。図６Ａを参照すると、ＰＩＣ６０２は、各々がマルチエミッタ光源６６０の個々のエミッタ６５５に光学的に結合された複数の導波路６０４を含む。導波路６０４は全て、図６Ｂにより詳細に示されているＰＩＣ６０２のアウトカップリング領域６６２に通じている。各導波路６０４は、ＰＩＣ６０２から導波路６０４内を伝播する光をアウトカップリングする格子アウトカプラ６６４によって終端する。アウトカップリング領域６６２は、図６Ｃに示すカップリングレンズ６７０の焦点面内に配置されている。カップリングレンズ６７０は、ＰＩＣ６０２と第１の反射器２１０の開口部２１５との間の光路内に配置されており、第１の（すなわち、傾斜可能である）反射器２１０の開口部２１５を通して個々の格子アウトカプラ６６４によってアウトカップリングされた光ビーム６０１を集束させる。開口部２１５は、図示のように先細であり得る。格子アウトカプラ６６４は互いに近くに配置されており、集束光ビーム６０１の焦点が互いの近くに配置されて、全て開口部２１５内に収まることを確実にする。

【0041】

種々のエミッタ６５５は、同じ色チャネルの波長で、又は種々の色チャネルの波長で光を放射し得る。種々のエミッタ６５５の放射波長が同じ色チャネルに属するか、又はモノクロ画像用の輝度チャネルに属する場合、ＰＩＣ６０２に基づく走査型表示デバイスの空間分解能は、第１の反射器２１０の任意の瞬間傾斜角で画像のいくつかの画素を同時に投影することによって増加され得る。種々のエミッタ６５５の放射波長が種々の色チャネルに属する場合、カラー画像が生成され得る。図６Ａ及び図６Ｂに示す例では、非エミッタ６５５の合計は３つの異なるグループに属しており、３つのエミッタ６５５Ｒは赤色チャネルの光を供給し、３つのエミッタ６５５Ｇは緑色チャネルの光を供給し、３つのエミッタ６５５Ｂは青色チャネルの光を供給する。したがって、３つの導波路６０４Ｒは赤色チャネルの光を搬送し、３つの導波路６０４Ｇは緑色チャネルの光を搬送し、３つの導波路６０４Ｂは青色チャネルの光を搬送する。３つのアウトカプラ６６４Ｒは赤色チャネルの光をアウトカップリングし、３つのアウトカプラ６６４Ｇは緑色チャネルの光をアウトカップリングし、３つのアウトカプラ６６４Ｂは青色チャネルの光をアウトカップリングする。チャネルごとのエミッタの実際の数は、１つのエミッタ及び１つの導波路から多くの（例えば１８以上の）エミッタ及び導波路まで変動し得る。

【0042】

カップリングレンズ６７０は、図示のように片側又は両側で先細であり得る開口部２１５を通して全ての色チャネルの光ビーム６０１を再集束させる。次いで、全ての色チャネルの光ビーム６０１が、図２Ａ～図２Ｃ、図３、並びに図４Ａ及び図４Ｂを参照して上記で説明したように伝播する。第２の反射器は、光ビーム６０１が第１の反射器２１０の開口部２１５を通って伝播した後に、全ての色チャネルの光ビーム６０１を少なくとも部分的に反射して第１の反射器に向けて戻すように構成されており、それにより、第１の反射器２１０によって第２の反射器２２０に向けて可変角度で反射されるコリメートビームを形成する（図２Ａ～図２Ｃ）。第２の反射器２２０は、第１の反射器２１０によって反射された各コリメートビームの少なくとも一部を透過するように構成されている。マルチビームの共伝播は、図３を参照して上述されている。

【0043】

共伝播するコリメートビームの正確な数は、使用されたエミッタの数に対応する。同じ又は異なる色チャネル、輝度チャネルなどの１つ、２つ、又はそれ以上のエミッタ及びビームが存在してもよい。種々のエミッタによって放射された同等の走査コリメートビームは、わずかに異なる伝播角度を有することとなるが、この違いは、全てのエミッタ及び走査ミラー（すなわち、第１の反射器２１０）のタイミングを制御するコントローラによって考慮され得る。光学設計ソフトウェアにおけるカップリングレンズ６７０のレンダリングは、３つの隣接する格子アウトカプラ６６４によってアウトカップリングされた３つの光ビームの場合について図６Ｄに示されている。

【0044】

いくつかの例では、ＰＩＣの同じ導波路内の伝播のために種々の色チャネルの光が合成され得、より小型で効率的な全体構成が得られる。非限定的な例について図７Ａを参照すると、ＰＩＣ７０２のアウトカップリング領域７６２は、６つのアウトカプラ７６４を含み、各アウトカプラ７６４は、赤色チャネルエミッタ７５５Ｒ、緑色チャネルエミッタ７５５Ｇ、及び青色チャネルエミッタ７５５Ｂの光を含む合成光ビームをアウトカップリングする。合成は、図７Ａにおいて細く黒い矢印によって概略的に表されている。なお、合成機能は、アウトカプラ７６４ごとに波長分割マルチプレクサ素子によって提供され得る。これは、例えば、個々の色チャネルが多重化されていない図６Ｂと比較して、より小型な全体構成をもたらし、かつ／又はより多くのアウトカップリングされた色チャネル光ビームを可能にする。

【0045】

図７Ｂに目を向けると、マルチエミッタ光源７６０は、赤色チャネルエミッタ７５５Ｒ、緑色チャネルエミッタ７５５Ｇ、及び青色チャネルエミッタ７５５Ｂを含む。簡潔にするために、各色チャネルの３つのエミッタのみが示されている。マルチエミッタ光源７６０は、赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂの３つ組ごとに１つのコンバイナ素子７７４である、複数のコンバイナ素子７７４を含むＰＩＣ７０２に光学的に結合されている。各コンバイナ素子７７４は、対応する赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂを、対応するアウトカプラ７６４で終端する共通導波路７０４内に光学的に結合する。少なくとも１つのコンバイナ素子７７４、導波路７０４、及びアウトカプラ７６４が設けられ得る。

【0046】

ここで、コンバイナ素子７７４の例示的な構成を考察する。図８Ａを参照すると、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ８７４Ａは、合成光をアウトカプラ７６４に誘導する共通導波路７０４内での伝播のために、赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂの光ビームを合成する。ＭＭＩカプラ８７４Ａは、対応する赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂによって放射される赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの各々の光について、モード間干渉の最大値がＭＭＩカプラ８７４Ａ内の導波路７０４の先端の位置と一致するように、ＭＭＩカプラ８７４Ａ内のいくつかの伝播モードを励起するように構成されている。

【0047】

図８Ｂに目を向けると、リングコンバイナ素子８７４Ｂは、複数のリング共振器８７５Ｒ、８７５Ｇ、及び８７５Ｂを含み、各リング共振器８７５Ｒ、８７５Ｇ、及び８７５Ｂは、それぞれ赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂのうちの特定の１つの光を、光をアウトカプラ７６４に誘導する共通導波路７０４に光学的に結合する。各リング共振器８７５Ｒ、８７５Ｇ、及び８７５Ｂは、赤色エミッタ７５５Ｒ、緑色エミッタ７５５Ｇ、及び青色エミッタ７５５Ｂの特定の１つの光を高効率でインカップリング及びアウトカップリングする一方で、他のエミッタの光をインカップリング又はアウトカップリングしないように構成されている。

【0048】

ここで図８Ｃを参照すると、方向性カプラコンバイナ素子８７４Ｃは、共通導波路７０４とともに形成された方向性カプラ８８１、８８２を含む。図８Ｃに示す非限定的な例では、第１の方向性カプラ８８１は赤色エミッタ７５５Ｒに結合されており、第２の方向性カプラ８８２は青色エミッタ７５５Ｂに結合されており、共通導波路７０４は緑色エミッタ７５５Ｇに結合されている。

【0049】

図８Ｄを参照すると、コンバイナ素子８７４Ｄは、キャビティ８９０、複数の入力導波路８９１Ｒ、８９１Ｇ、８９１Ｂ、及び出力導波路８９２を含む。各入力導波路８９１Ｒ、８９１Ｇ、８９１Ｂは、赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの光源をそれぞれキャビティ８９０に光学的に結合する。光源は、簡潔にするために示されていない。キャビティ８９０は、実効誘電率ε（ｘ，ｙ）の不均一な空間分布を有する。実効誘電率ε（ｘ，ｙ）は、例えば一連のドットを含むナノ構造によって決定される。ナノ構造は、各光源によって放射された光を出力導波路８９２に結合するための逆最適化法を用いて最適化されている。

【0050】

コンバイナ素子８７４Ｄの逆最適化のプロセスは、図８Ｄの上部のビュー８９４、８９４Ｒ、８９４Ｇ、及び８９４Ｂとそれぞれの下部のビュー８９５、８９５Ｒ、８９５Ｇ、及び８９５Ｂとの比較によって示されている。ビュー８９４は、キャビティ８９０内にシードナノ構造８９６を有する最適化されていないコンバイナ素子を示している。赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの光の波計算結果は、それぞれ上部の８９４Ｒ、８９４Ｇ、及び８９４Ｂビューに示されており、入力導波路８９１Ｒ、８９１Ｇ、８９１Ｂのうちの１つから出力導波路８９２への光伝播が発生している。赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの光は、ほとんどが出力導波路８９２を逸れていることが分かる。次いで、シミュレーションソフトウェアが、キャビティ８９０のシードナノ構造８９６を摂動及び最適化し、赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの光を再伝播し、ビュー８９５に示す最終ナノ構造８９８に到達するように構成されている。キャビティ８９０内の最終ナノ構造８９８は、それぞれ下部のビュー８９５Ｒ、８９５Ｇ、及び８９５Ｂに示すように、キャビティ８９０が入力導波路８９１Ｒ、８９１Ｇ、８９１Ｂから出力導波路８９２に赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルの光を高効率で伝播することを可能にする、実効誘電率ε（ｘ，ｙ）の最適化された不均一な空間分布を有する。

【0051】

図９Ａを参照すると、ＰＩＣ９０２Ａは、導波路９０４と、導波路９０４からの光ビーム９０１をアウトカップリングする斜めの平面折り返しミラー９６４Ａと、を含む。折り返しミラー９６４Ａは、例えば、ＰＩＣ９０２の方向性エッチングによって製造され得、ここで、折り返しミラー９６４Ａは、エッチングされたスリット状の開口部又は切り欠き９８４の平行面のうちの１つにすぎない。補助導波路９８６、例えば光ファイバ又はファイバ状導波路の薄いセクションは、折り返しミラー９６４Ａによって反射された光ビーム９０１を第１の反射器２１０の開口部２１５に伝達する、すなわちその中で誘導するために、ＰＩＣ９０２Ａから第１の反射器２１０の開口部２１５に向けて延在し得る。補助導波路９８６は、補助導波路９８６によって支持されているか、又は補助導波路９８６から延在するレンズ素子９８８で終端し得る。レンズ素子９８８は、開口部２１５を通る光ビーム９０１の集束を容易にする。

【0052】

図９Ｂに目を向けると、ＰＩＣ９０２Ｂは、図９ＡのＰＩＣ９０２Ａと類似しており、折り返しミラー９６４Ｂのみが湾曲し、光ビーム９０１を補助導波路９８６内に集束させる軸外凹面反射器を形成している。

【0053】

いくつかの補助導波路９８６が合成されて、例えばマルチエミッタ光源の種々のエミッタからの種々の光ビームを伝達し得る。一例として図９Ｃを参照すると、３つの補助導波路９８６は、赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネル９０１Ｒ、９０１Ｇ、及び９０１Ｂの光をそれぞれアウトカップリングするために、格子及び／又は折り返しミラーであり得る３つのアウトカプラ９６４Ｃに光学的に結合されている。補助導波路９８６は、ＰＩＣ９０２Ｃに対して非平行角度、例えば垂直に配置された共通基板９８７内に形成され得る。

【0054】

図９Ｄを参照すると、ＰＩＣアウトカプラ９０２Ｄが側面図及び正面図で示されている。図９ＤのＰＩＣアウトカプラ９０２Ｄは、導波路９０４のアレイと、導波路９０４からの光ビーム９０１をアウトカップリングする斜めの平面折り返しミラー９６４Ａと、を含む。アウトカップリングは、図９Ｄの上方向に生じる。折り返しミラー９６４Ａは、例えば、アレイの全ての導波路９０４にわたるＰＩＣ９０２の方向性エッチングによって製造され得、折り返しミラー９６４Ａは、エッチングされたスリット状の開口部又は切り欠き９８４の平行面のうちの１つにすぎない。ＰＩＣアウトカプラ９０２Ｄは、図９ＡのＰＩＣ９０２Ａと類似しているが、補助導波路９８６の代わりにビーム形成光学系９７０を含む。形成光学系９７０（図９Ｄ）は、瞳孔中継器として動作する。具体的には、形成光学系９７０は、開口部２１５において出力ビームを再集束させながら、折り返しミラー９６４Ａによって折り返された出力ビーム９０１を開口部２１５に伝達する。

【0055】

ここで図１０、さらに図２Ａ～図２Ｃ及び図４Ａを参照すると、例えば、図２Ａ～図２Ｃのビーム走査器２００を使用して光ビームを走査するための方法１０００は、光ビーム、例えばＰＩＣの導波路、例えばＰＩＣ２０２の導波路２０４内の光ビーム２０１を、第１の反射器２１０の開口部２１５を通して、第１の反射器２１０に対向する第２の反射器２２０に誘導する（図１０；１００２）ことを含む。第１の反射器２１０は、第１の反射器２１０に制御信号が印加されると傾斜可能である。開口部２１５を通り第１の反射器２１０に向けて伝播された光ビーム２０１は、少なくとも部分的に反射され（１００４）、それによってコリメートビーム２０３を形成する。コリメートビーム２０３は、（印加された制御信号に応じて）第１の反射器２１０によって可変角度で反射されて（１００６）、第２の反射器２２０に向けて戻される。次いで、第１の反射器２１０によって反射されたコリメートビーム２０３の少なくとも一部は、第２の反射器２２０を通って伝播される（１００８）。制御信号は、第１の反射器２１０に印加されて（１０１０）、第１の反射器２１０を傾斜させ、それによって、第２の反射器２２０を通って伝播されたコリメートビーム２０５を角度走査する。

【0056】

いくつかの例では、カップリングレンズ、例えば図２Ａのカップリングレンズ２０６は、ステップ１００２において、ＰＩＣ２０２の導波路２０４によって誘導された光ビーム２０１を第１の反射器２１０の開口部２１５に結合するために使用される。第２の反射器２２０は、偏光選択性であり得、例えば、偏光選択性コーティング２２１（図２Ａ）及び／又は反射性偏光子４２０（図４Ａ）を含み得る。方法１０００は、光路上の光ビーム２０１の偏光を、第２の反射器２２０上への光ビーム２０１の第１の入射と第２の入射との間で、光ビーム２０１が第２の反射器によって反射される第１の偏光状態から、コリメートされた走査光ビーム２０５が第２の反射器２２０を通って伝播する第２の偏光状態に変換することをさらに含み得る。第１の入射において、発散光ビーム２０１は、第２の反射器２２０又は４２０から少なくとも部分的に反射され（１００４）、第２の入射において、コリメートされた走査光ビーム２０５は、第２の反射器２２０又は４２０を透過させられる（１００８）。

【0057】

図１１に目を向けると、拡張現実（ＡＲ）ニアアイディスプレイ１１００は、図２Ｃの表示デバイス２５０の一例である。ＡＲニアアイディスプレイ１１００は、一対の眼鏡の形状因子を有するフレーム１１０１を含む。フレーム１１０１は、各眼に対して、本明細書に記載のビーム走査器を含むプロジェクタ１１０８、プロジェクタ１１０８に光学的に結合された瞳孔複製導光体１１１０、視線追跡カメラ１１０４、及び複数の照明器１１０６を支持する。照明器１１０６は、アイボックス１１１２を照明するために瞳孔複製導光体１１１０によって支持され得る。プロジェクタ１１０８は、ユーザの眼に投影される角領域の画像を搬送する光ビームのファンを提供する。瞳孔複製導光体１１１０は、光ビームのファンを受光し、光ビームのファンの各ビームの複数の横方向にオフセットされた平行なコピーを提供し、それによって、投影された画像をアイボックス１１１２にわたって拡張する。

【0058】

プロジェクタ１１０８では、マルチエミッタレーザ源が使用され得る。マルチエミッタレーザチップの各エミッタは、同じ色チャネル又は異なる色チャネルの放射波長で画像光を放射するように構成され得る。同じマルチエミッタレーザチップの種々のエミッタの放射波長は、レーザ源のスペクトル幅を有するスペクトル帯域を占有し得る。

【0059】

いくつかの例では、プロジェクタ１１０８は、同じ色チャネル又は異なる色チャネルの波長で光を放射する２つ以上のマルチエミッタレーザチップを含み得る。ＡＲアプリケーションでは、瞳孔複製導光体１１１０は、ユーザが、各眼に投影され外界ビューと重ね合わされた画像とともに、外界を見ることを可能にするために、透明又は半透明であり得る。各眼に投影された画像は、実世界のビューに没入しているように見えるように、シミュレートされた視差で配置されたオブジェクトを含み得る。

【0060】

視線追跡カメラ１１０４の目的は、ユーザの両眼の位置及び／又は向きを判定することである。ユーザの眼の位置及び向きが分かると、視線輻輳距離及び方向が決定され得る。プロジェクタ１１０８によって表示されるイメージは、ユーザの視線を考慮し、表示された拡張現実風景へのユーザの没入のより良好な忠実度のために、かつ／又は拡張現実との対話の特定の機能を提供するために、動的に調整され得る。動作中、照明器１１０６は、対応するアイボックス１１１２で眼を照明して、視線追跡カメラが眼の画像を取得することを可能にするとともに、基準反射、すなわちグリントを提供する。グリントは、取り込まれた眼の画像内の基準点として機能することができ、グリント画像に対する瞳孔画像の位置を判定することによって視線方向の判定を容易にする。照明光でユーザの注意をそらすことを回避するために、照明光はユーザに見えないようにされ得る。例えば、アイボックス１１１２を照明するために赤外光が使用され得る。

【0061】

視線追跡カメラコントローラ１１０７の機能は、視線追跡カメラ１１０４によって取得された画像を処理して、ユーザの両眼の視線方向をリアルタイムで判定することである。いくつかの例では、画像処理及び眼の位置／向き判定機能は、ＡＲニアアイディスプレイ１１００の図示されていない中央コントローラによって実行され得る。中央コントローラはまた、判定された眼の位置、眼の向き、視線方向、眼の輻輳などに応じて、ユーザに表示される画像を生成するためにプロジェクタ１１０８に制御信号を提供し得る。

【0062】

図１２に目を向けると、ＨＭＤ１２００は、ＡＲ／ＶＲウェアラブルディスプレイシステムの一例である。ＨＭＤ１２００は、図２Ｃの表示デバイス２５０の別の例である。ＨＭＤ１２００の機能は、コンピュータ生成イメージで物理的な実世界の環境のビューを増強すること、及び／又は完全に仮想の３Ｄイメージを生成することである。ＨＭＤ１２００は、前部本体１２０２及びバンド１２０４を含み得る。前部本体１２０２は、確実かつ快適にユーザの眼前に設置されるように構成されており、バンド１２０４は、前部本体１２０２をユーザの頭部上に固定するために伸張され得る。ユーザにＡＲ／ＶＲイメージを提示するために、ディスプレイシステム１２８０は前部本体１２０２に配置され得る。前部本体１２０２の側面１２０６は、不透明又は透明であり得る。

【0063】

いくつかの例では、前部本体１２０２は、ＨＭＤ１２００の加速度を追跡するためのロケータ１２０８及び慣性計測ユニット（ＩＭＵ）１２１０と、ＨＭＤ１２００の位置を追跡するための位置センサ１２１２と、を含む。ＩＭＵ１２１０は、ＨＭＤ１２００の動きに応じて１つ以上の計測信号を生成する位置センサ１２１２のうちの１つ以上から受信した計測信号に基づいて、ＨＭＤ１２００の位置を示すデータを生成する電子デバイスである。位置センサ１２１２の例には、１つ以上の加速度計、１つ以上のジャイロスコープ、１つ以上の磁力計、動きを検出する別の好適なタイプのセンサ、ＩＭＵ１２１０の誤り訂正に使用されるタイプのセンサ、又はそれらの何らかの組合せが含まれる。位置センサ１２１２は、ＩＭＵ１２１０の外部、ＩＭＵ１２１０の内部、又はそれらの何らかの組合せで位置付けされ得る。

【0064】

ロケータ１２０８は、仮想現実システムがＨＭＤ１２００全体の位置及び向きを追跡できるように、仮想現実システムの外部撮像デバイスによって追跡される。ＩＭＵ１２１０及び位置センサ１２１２によって生成された情報は、ＨＭＤ１２００の位置及び向きの追跡確度を向上させるために、ロケータ１２０８を追跡することによって取得された位置及び向きと比較され得る。正確な位置及び向きは、ユーザが３Ｄ空間内で移動及び旋回するときに適切な仮想風景をユーザに提示するために重要である。

【0065】

ＨＭＤ１２００は、ＨＭＤ１２００の一部又は全部を取り囲む局所領域の深度情報を記述するデータを取り込む深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）１２１１をさらに含み得る。そのために、ＤＣＡ１２１１は、レーザレーダ（ＬＩＤＡＲ）又は同様のデバイスを含み得る。深度情報は、３Ｄ空間におけるＨＭＤ１２００の位置及び向きの判定のよりよい確度のために、ＩＭＵ１２１０からの情報と比較され得る。

【0066】

ＨＭＤ１２００は、リアルタイムでユーザの眼の向き及び位置を判定するための視線追跡システム１２１４をさらに含み得る。取得された眼の位置及び向きはまた、ＨＭＤ１２００がユーザの視線方向を判定し、それに応じて表示システム１２８０によって生成された画像を調整することを可能にする。一例では、ユーザの視線の輻輳角（ｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ）、すなわち輻輳角（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ）が判定される。判定された視線方向及び輻輳角はまた、視野角及び眼の位置に依存する視覚的アーチファクトのリアルタイム補償に使用され得る。さらに、決定された輻輳角及び凝視角は、ユーザとの対話、オブジェクトの強調、オブジェクトの前景への移動、追加のオブジェクト又はポインタの作成などに使用され得る。例えば、前部本体１２０２に組み込まれた小型スピーカのセットを含むオーディオシステムも提供され得る。

【0067】

本開示の実施形態及び例は、人工現実システムを含むか、又は人工現実システムとともに実装され得る。人工現実システムは、視覚情報、オーディオ、タッチ（体性感覚）情報、加速度、バランスなどの感覚を通じて取得された外界に関する感覚情報を、ユーザに提示する前に何らかの方法で調整する。非限定的な例として、人工現実は、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッドリアリティ、又はそれらの何らかの組合せ及び／若しくは派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ又は取り込まれた（例えば、実世界の）コンテンツと合成されて生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、体性若しくは触覚フィードバック、又はそれらの何らかの組合せを含み得る。このコンテンツのいずれも、視聴者に三次元効果を生成するステレオビデオなど、単一のチャネル又は複数のチャネルで提示され得る。さらに、いくつかの実施形態及び例では、人工現実はまた、例えば、人工現実でコンテンツを作成するために使用される、かつ／又はそうでなければ人工現実で使用される（例えば、人工現実でアクティビティを実行する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、又はそれらの何らかの組合せに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたＨＭＤなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロンＨＭＤ、眼鏡の形状因子を有するニアアイディスプレイ、モバイルデバイス若しくはコンピューティングシステム、又は１人以上の視聴者に人工現実コンテンツを提供することができる任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。

【0068】

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態及び例によって範囲が限定されるものではない。実際、本明細書に記載されたものに加えて、他の様々な実施形態、例、及び修正が、前述の説明及び添付の図面から当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態、例、及び修正は、本開示の範囲内に入ることが意図されている。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実施態様の文脈で本明細書に記載されているが、当業者は、その有用性がそれに限定されず、本開示が任意の数の目的のための任意の数の環境において有益に実装され得ることを認識するであろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載される本開示の全範囲を考慮して解釈されるべきである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】