特表 2024-502312 フレキシブルな基板を備えた画像光ガイド

(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】2024-01-18

(54)【発明の名称】フレキシブルな基板を備えた画像光ガイド

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240111BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240111BHJP

【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 2023539154

(86)(22)【出願日】2022-01-07

(85)【翻訳文提出日】2023-07-19

(86)【国際出願番号】 US2022011675

(87)【国際公開番号】W WO2022150630

(87)【国際公開日】2022-07-14

(31)【優先権主張番号】63/134,646

(32)【優先日】2021-01-07

(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）】

2H199CA03

2H199CA24

2H199CA27

2H199CA50

2H199CA66

2H199CA67

2H199CA84

2H199CA86

2H199CA92

2H249AA12

2H249AA36

2H249AA43

2H249AA45

2H249AA50

2H249AA60

2H249AA62

2H249AA65

(57)【要約】

バーチャル像を伝送するための画像光ガイドは、導波路と、画像担持光ビームを導波路内に導くように動作可能なインカップリング回折光学要素と、画像担持光ビームを導波路からアイボックスに導く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含む。導波路は、その１つまたは複数の点の周りで撓むように構成されている。

【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、
第１表面と前記第１表面の反対側の第２表面とを有する導波路と、
前記導波路に沿って形成され、画像担持光ビームを前記導波路内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、
前記導波路に沿って形成され、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、前記導波路は、第１部分と第２部分を備え、前記第２部分は、前記第１部分に対して撓むように動作可能である、画像光ガイド。

【請求項2】

光学モジュールが前記導波路の周縁の５０パーセント未満を取り囲む、請求項１に記載の画像光ガイド。

【請求項3】

前記導波路の前記第１表面に結合された第１ポリマー層をさらに備え、前記インカップリング回折光学要素および前記アウトカップリング回折光学要素のうちの少なくとも１つが、前記第１ポリマー層に配置されている、請求項１に記載の画像光ガイド。

【請求項4】

前記導波路の前記第２部分は、前記導波路の前記第１部分に対して２０度の角度で撓むように動作可能であり、前記第１ポリマー層は、前記導波路から剥離することなく撓むように動作可能である、請求項３に記載の画像光ガイド。

【請求項5】

前記第１表面上に配置される接着プロモータをさらに備え、前記第１ポリマー層が前記接着プロモータに接着される、請求項４に記載の画像光ガイド。

【請求項6】

前記導波路がアルカリ化合物を含み、前記導波路の前記第２部分が、前記導波路の前記第１部分に対して少なくとも１度から２０度まで撓むように動作可能である、請求項１に記載の画像光ガイド。

【請求項7】

前記導波路が第１導波路であり、前記第１導波路に第２導波路が結合され、前記第１導波路と前記第２導波路との間に空隙が配置されている、請求項１に記載の画像光ガイド。

【請求項8】

前記第１導波路と前記第２導波路との間に配置された低デュロメータ材料をさらに備え、前記低デュロメータ材料は、前記空隙を少なくとも部分的に画成し、前記第１導波路および前記第２導波路とともに撓むように動作可能である、請求項７に記載の画像光ガイド。

【請求項9】

前記アウトカップリング回折光学要素が回折フィーチャの複数のセクションを備え、前記回折フィーチャの各セクション間に間隙が配置されている、請求項１に記載の画像光ガイド。

【請求項10】

前記第１導波路の第１部分と前記第２導波路の第１部分のうちの少なくとも１つは、画像担持光ソースを含む光学モジュール内に少なくとも部分的に配置され、前記第１部分が、第１ファスナーおよび第２ファスナーにより前記光学モジュールに連結されている、請求項７に記載の画像光ガイド。

【請求項11】

前記第１ファスナーと前記第２ファスナーとの間で前記第１導波路または前記第２導波路に結合されたプレートをさらに備え、前記プレートは、前記第１導波路の前記第１部分及び／又は前記第２導波路の前記第１部分に剛性を与えるように動作可能である、請求項１０に記載の画像光ガイド。

【請求項12】

さらに、前記第１導波路と前記第２導波路の前記第２部分の周りに位置する硬質コーティングを備え、前記硬質コーティングは、前記第２部分の撓みを禁じるように動作可能であり、
さらに、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する前記第１導波路および前記第２導波路の第３部分を備え、前記第３部分は曲がるように動作可能である。請求項１０に記載の画像光ガイド。

【請求項13】

フレキシブルな画像光ガイドを製造する方法であって、
第１表面と前記第１表面の反対側の第２表面とを有する基板を提供する工程と、
前記基板にイオン拡散法を施す工程と、
前記導波路の前記第１表面を第１ポリマー材料でコーティングする工程と、
前記第１ポリマーコーティングに、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のうちの少なくとも１つを成形する工程と、
を備え、前記基板は、第１部分と第２部分とを備え、前記第２部分が前記第１部分に対して撓むように動作可能である、方法。

【請求項14】

前記イオン拡散法の後に、前記基板に熱処理を施す工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記イオン拡散法が、前記基板を第１温度範囲で第１溶融塩浴に浸漬することを含み、それによって前記導波路の前記第１、第２表面の材料が圧縮される、請求項１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、画像光ガイドに関し、特に、フレキシブル基板材料と、この基板材料の耐屈曲性および耐損傷性を可能にする保護ポリマーコーティングと、を用いた画像光ガイドに関する。

【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システムは、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、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構成は、ニアアイディスプレイ光学システムの体積、重量、および全体コストを大幅に低減させているが、特に安全面においてさらなる改善が必要である。バーチャル像ニアアイディスプレイシステムがより小さくなるにつれて、使用量は劇的に増加すると予想され、操作者が危険な状況に巻き込まれる可能性が高まる。そのため、目の安全が大きな懸念事項となる。画像光ガイドにおけるガラス基板の剛性は安定性のために好ましいが、そのような基板は脆くてフレキシブル性に欠ける可能性がある。本開示は、フレキシブル導波路を有するバーチャルニアアイディスプレイシステムを提供する。

【発明の概要】

【0004】

本開示は、視者の頭部に隣接してディスプレイ装置を支持する光学モジュールを含むウェアラブルディスプレイ装置を提供する。第１の例示的な実施形態では、光学モジュール内に設けられたプロジェクタが、画像担持光の角度的に関連付けられたビームを生成する。このビームは光路に沿って投射される。画像光ガイドは、画像担持光ビームの光路において光学モジュールの前部と連結される。画像光ガイドは、透明な光学材料により形成された導波路と、導波路に形成され画像担持光ビームを導波路内へと向けるために配置されたインカップリング回折光学要素と、画像担持光ビームを導波路外へ向けるために配置されたアウトカップリング回折光学要素とを含む。アウトカップリング回折光学要素は、画像担持光ビームを少なくとも一次元で拡大し視者のアイボックス内にバーチャル像を形成するために配置されている。

【0005】

例示的な実施形態では、導波路は、熱化学処理されたフレキシブルな材料で形成され、光学モジュールから突出している。光学モジュールに連結されていないフレキシブル基板の突出部分は、その長手方向に沿って０度から２０度以上曲がるように動作可能である。一実施形態では、導波路システムは、損傷を防ぎ導波路の破片の封じ込めを高めるための保護層を含む。

【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示すものではなく、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】ニアアイディスプレイシステムの画像光ガイドの概略斜視図である。

【0008】

【図2】本開示の主題の例示的な実施形態による右目用ニアアイディスプレイシステムの上面図である。

【0009】

【図3】本開示の主題の例示的な実施形態による左目用ニアアイディスプレイシステムの上面図である。

【0010】

【図4】図２のニアアイディスプレイシステムの正面図である。

【0011】

【図5】図２のニアアイディスプレイシステムの斜視図であり、電子モジュールを省略して示す。

【0012】

【図6A】図５のニアアイディスプレイシステムの上面図である。

【0013】

【図6B】図６Ａのニアアイディスプレイシステムの上面図であり、導波路が撓んだ状態を示す。

【0014】

【図6C】図６Ａのニアアイディスプレイシステムの上面図であり、導波路が撓んだ状態を示す。

【0015】

【図7A】本開示の主題の例示的な実施形態による画像光ガイドの簡略化された断面を示す概略図である。

【0016】

【図7B】保護層を含む図７Ａの画像光ガイドの簡略化された断面を示す概略図である。

【0017】

【図8A】本開示の主題の例示的な実施形態による積層型導波路システムの簡略化された断面を示す概略図である。

【0018】

【図8B】図８Ａの積層型導波路システムの一部の簡略化された断面を示す概略図である。

【0019】

【図8C】本開示の主題の例示的な実施形態によるニアアイディスプレイの簡略化された断面を示す概略図である。

【0020】

【図8D】図８Ｃのニアアイディスプレイの簡略化された断面を示す概略図であり、積層型導波路システムが撓んだ状態を示す。

【0021】

【図9A】基板に固定された表面レリーフ格子の簡略化された断面を示す概略図である。

【0022】

【図9B】撓んだ基板に固定された表面レリーフ格子の簡略化された断面を示す概略図である。

【0023】

【図10】本開示の主題の例示的な実施形態による表面レリーフ格子の簡略化された断面を示す概略図である。

【0024】

【図11A】本開示の主題の別の例示的な実施形態による表面レリーフ格子の簡略化された断面を示す概略図である。

【0025】

【図11B】図１１Ａの表面レリーフ格子の簡略化された断面を示す概略図であり、撓んだ状態を示す。

【詳細な説明】

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

本明細書において、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「ユーザー（使用者）」という用語は均等であると見なされ、画像光ガイドを有する装置を介して像を見る人またはシステムを指す。

【0029】

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、１つまたは複数の要素を有する、より大きな集合の部分集合を指す。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。

【0030】

本明細書で使用される場合、光学の文脈における「結合された（coupled）」、「カプラー(結合器；coupler)」または「結合する（coupling）」という用語は、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。

【0032】

本明細書で使用される場合、「ビーム拡大」とは、１以上の方向の出射瞳拡大を提供するための、光学的要素との複数回遭遇によるビームの複製を意味する。同様に「ビーム又はビームの一部を拡大する」とは、１以上の方向の出射瞳拡大を提供するために、光学的要素との複数回遭遇によりビームを複製することを意味する。

【0033】

ＨＭＤは、軍事、商業、産業、消防、エンターテイメントなど、さまざまな用途向けに開発されている。ＨＭＤは、ＨＭＤユーザーの視野内にある現実世界の像に視覚的に重ね合わせることができるバーチャルカラー像を形成するように動作可能である。平面導波路とも呼ばれる光学的に透明な平行平板導波路は、多色または単色のプロジェクターシステムによって生成された画像担持光を ＨＭＤユーザーに伝送する。平面導波路は、画像担持光を狭い空間に伝送して、画像をＨＭＤユーザーの瞳孔に向け、ＨＭＤユーザーの視野内にある現実世界の像にバーチャル像を重ね合わせることができる。

【0034】

このような従来の画像光ガイドでは、多色または単色の画像ソースからの、コリメートされ相対的角度的にエンコードされた光ビームが、インカップリング回折光学要素等の入力結合光学要素により、光学的に透明な平面導波路内へと光学的に結合される。この入力結合光学要素は、平行平板の平面導波路の表面に設けられるか形成され、あるいはこの導波路内部に配置される。このような回折光学要素は、回折格子またはホログラフィック光学素子として形成することができるが、これらに限定されない。例えば、回折格子は表面レリーフ格子として形成することができる。回折されたカラー画像担持光は、平面導波路に沿って伝播した後、アウトカップリング回折光学要素などの同様の出力光学要素により、平面導波路の外に向けられる。この出力光学要素は、アイボックスＥの１以上の次元に沿って瞳拡大を提供するように構成されている。さらに、バーチャル像の１以上の次元の瞳拡大を提供するために、回転格子とも呼ばれる回折格子などの１つ以上の中間光学要素を、導波路に沿って入力光学要素と出力光学要素の間に光学的に配置してもよい。平行平板の平面導波路から出力される画像担持光は、視者に拡大したアイボックスを提供する。

【0035】

ＨＭＤ等の光学システムは、バーチャル像を提供することができる。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。バーチャル像表示には、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。

【0036】

図１の斜視図は、画像光ガイドを示す。この画像光ガイド２０は、アイボックス７４を２つの次元で拡大するように、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、構成されている。第２の次元のビーム拡大を実現するために、回折格子ベクトルｋ０を有するインカップリング回折光学要素ＩＤＯは、画像担持光ＷＧの一部を、格子ベクトルｋｌを有する中間光学要素ＴＯに向けて回折するように、方向付けられている。中間光学要素ＴＯは画像担持光ＷＧの一部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付けられている。画像担持光ＷＧの一部のみが、中間回折光学要素ＴＯとの複数回の遭遇の度に回折され、これにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向かう画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームの複製を介して、アイボックスＥを横方向に拡大する。中間光学要素ＴＯは代わりに、米国特許出願公開２０２１／０２１５９４１Ａ１に開示されているような反射鏡アレイを含んでいてもよい。この公報の内容は引用することにより本明細書に組み込まれる。中間光学要素ＴＯ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ＷＯとして平面導波路２２から出射する前に、画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームの複製を介して、アイボックスＥの縦方向に第２の次元で拡大する。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、ＴＯ、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。インカップリング回折光学要素ＩＤＯと中間格子ＴＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは異なる周期又はピッチｄを有していてもよい。

【0037】

図１に示すように、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を受ける。この画像担持光ＷＩは、画像ソース２５により生成された画像内の個々のピクセルまたは均等の箇所に対応する角度的に関連付けられたビームの集合を含む。画像ソース２５は、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を生成するように動作可能であり、集光光学系を備えた実際のディスプレイ、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ー、又はスキャナーと一緒に用いられる一次元の実際の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、画像担持光ＷＧを中間回折格子ＴＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの両方で異なる方向に複数回遭遇させることによって、アイボックス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、中間光学要素ＴＯはｙ軸方向に出射瞳拡大を提供し、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはｘ軸方向に同様の出射瞳拡大を提供する。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 、中間光学要素ＴＯ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つの次元での出射瞳拡大を提供する。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は維持される。

【0038】

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維持される。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中間光学要素ＴＯ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、中間光学要素ＴＯ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１に示すように、中間光学要素ＴＯの格子ベクトルｋ１は他の格子ベクトルＫ０，Ｋ２（全ての格子ベクトルは方向付けされていないものとする）に対して４５度に向けられているように示されている。しかし、一実施形態では、中間光学要素ＴＯ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度に向けてもよい。この場合、画像担持光ＷＧは１２０度回転される。中間光学要素ＴＯ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、格子ベクトルｋ０と格子ベクトルＫ１も、互いに６０度の角度で配置される。中間光学要素ＴＯ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。

【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中間光学要素ＴＯ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。広い意味において、回転光学要素ＴＯ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、中間光学要素ＴＯ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。

【0040】

文字「Ｒ」は、目がアイボックスＥ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、中間光学要素ＴＯは一種の光学リレーとして機能し、１つの軸 (例えばｙ軸)に沿って出射瞳の拡大を提供する。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、別の軸（例えばｘ軸）に沿って出射瞳をさらに拡大する。一実施形態では、中間光学要素ＴＯが回折格子の場合、中間光学要素ＴＯは、傾斜した格子または正方形の格子であり、ありいは、それらの代わりにブレーズド格子であってもよく、平面導波路２２の前面１２または後面１５に配置される。

【0041】

以下では、光路構成要素、間隔、および制約は、図２に示される観察者の右目３４Ｒを参照しながら説明される。図３に示すように、匹敵する（並列的な）構成要素と、構成要素の位置の対応する変更を伴って、同じ特性および制約を選択的に左目にも適用することができる。さらに、本開示のある実施形態は、光路構成要素を左目と右目に同時に提供することを考慮している。したがって、ＨＭＤには、単眼の光学イメージング装置と両眼のイメージング装置の両方が含まれる。

【0042】

図２に示すように、一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は、電子モジュール１４と、電子モジュール１４に電気的に接続され連結された光学モジュール１６と、光学モジュール１６に結合された平面導波路１８と、を含む。一実施形態では、マウント５４は、平面導波路１８を光学モジュール１６に機械的に固定するように構成されている。光学モジュール１６は、平面導波路１８を介して画像担持光を目３４Ｒに伝送するように動作可能である。一実施形態では、光学モジュール１６はプロジェクタを含み、このプロジェクタは、角度的にエンコードされた画像担持光ビームの全範囲を生成するように動作可能である。一実施形態では、プロジェクタは、赤、緑および青の波長範囲の画像担持光を、デジタル光変調器／マイクロミラーアレイ（「ＤＬＰ」）またはシリコン上の液晶(「ＬＣＯＳ」)のディスプレイにパルス出力するように動作可能なカラーフィールドシーケンシャルプロジェクタシステムである。

【0043】

一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は一体に組み込まれたカメラ７０を収容する。カメラ７０は、図４，図５に示すように、カメラフラッシュ及び／又は光源７１を含んでもよい。

【0044】

図４、図５に示すように、平面導波路１８は、そのｘ軸に沿って１．５：１以上の比率で導波路マウント５４から突出している。導波路マウント５４は平面導波路１８の周縁の５０％未満を連結する。この実施形態では、平面導波路１８の大部分が眼３４Ｒの前にサスペンド（吊持）されている。一実施形態では、光学モジュール１６は電子モジュール１４から取り外すことができる。

【0045】

ここで図６Ａを参照すると、一実施形態では、平面導波路１８は、物理的ストレス要因の影響を受けていないとき、０度（０°）の撓み角を有する。換言すれば、静止状態（rest state）では、平面導波路１８は、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸の周りにいかなる湾曲も含まない。静止状態の配向では、平面導波路１８は長手軸４０を含む。

【0046】

以下にさらに説明するように、平面導波路１８は、基板システムを形成する１以上の可撓性材料を含む１以上の基板から構築することができる。平面導波路１８の基板システムは、ポリマーコーティング、処理されたガラス、ポリエステルフィルムなどの材料を含むことができるが、これらに限定されない。このようなフィルムには、引張弾性において、Melinex（登録商標）339、Coming（登録商標）Willow Glass Substrates、PLEXIGLAS（登録商標）Optical 0Z024と同等またはそれを超えるクラスの材料が含まれる。ここで図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを参照すると、基板、ポリマーコーティング層、処理されたガラス層、接着剤堆積などを含むこれらの基板材料の特性により、平面導波路１８は破損する前にｘ軸に沿ってｚ軸方向に曲げることが可能である。一実施形態では、平面導波路１８は、壊れる前にｙ軸に沿って撓むことができる。さらに別の実施形態では、平面導波路１８は、壊れる前にｚ軸に沿って撓むことができる。さらに別の実施形態では、平面導波路１８は、２つ以上の軸に沿って撓むことができる。例えば、平面導波路１８は、（例えば、複数の方向にねじることにより）ある回転角を有する曲げを形成することができる。

【0047】

図７Ａを参照すると、一実施形態では、平面導波路１８は基板Ｓを含む。基板Ｓは、熱化学処理を経て強化されたアルカリ含有ガラス材料化合物を含む。熱化学処理では、ガラス材料化合物の融点よりも低い温度範囲での溶融塩浴に基板Ｓを浸漬し、この過程でイオン交換が生じる。溶融塩浴中に、ナトリウムイオンが基板Ｓから拡散し、カリウムイオンと置換される。このイオン交換により、基板Ｓのガラス材料化合物の表面圧縮が生じ、破砕現象の可能性が低減される。次いで、基板Ｓの圧縮されたガラス材料化合物は、表面硬度をさらに高めるために、溶融塩を収容した浸漬タンク（加熱された鋼製のタンク）内にさらに１回以上吊り下げる。

【0048】

図７Ａは、ほぼ平行な表面１３、１５を有する基板Ｓを含む平面導波路１８の簡略化された断面を示す概略図である。一実施形態では、コーティング２８が基板表面１５に配置されている。一実施形態では、表面１５は、使用中に着用者の目３４Ｒ、３４Ｌ（図２、図３参照）のうちの１つの近位に配置され、表面１３は、表面１５の反対側に配置される。別の実施形態では、コーティング２８は基板表面１３に配置される。さらに別の実施形態では、コーティング２８は、基板Ｓの両面１３、１５に配置される。一実施形態では、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ及び／又はアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは基板コーティング２８に配置される。

【0049】

例えば、基板コーティング２８は、入射する画像担持光ＷＩを透過するように動作可能な透明ポリマー材料を含む。表面接着力は、ポリマー成膜が基板表面１３、１５と反応し、適切な表面エネルギーを有する最大数のアクセス可能なサイトを提示するときに、最大化される。基板コーティング２８と基板Ｓとの間の接着を促進するために、基板Ｓは接着プロモータ（接着促進剤；接着促進手段）３２で処理してもよい。この接着促進プロモータ３２は、疎水性シランベースの層（単層または置換複層）、ＵＶ露光、熱処理、またはその他の全体をカバーする方法を含むが、これらに限定されない。

【0050】

ここで図６Ｂ、図６Ｃを参照すると、基板Ｓ、基板コーティング２８、および追加の処理層（もしあるとしたら）は、導波路１８の基板システムを形成する。この基板システムは、例えばｘ軸に沿って（すなわちｚ方向に）撓むように動作可能であり、層間剥離することなく、０～２０度（０°～２０°）の撓み弧形状４４をなす。例えば、図６Ｃに示すように、導波路１８は、層間剥離することなく、ｘ軸に沿って約２０度（２０°）の撓み弧形状４４になるまで曲げられる。別の実施形態では、導波路１８の基板システムが層間剥離なく軸に沿って撓む許容範囲は、最大約１０度（１０°）としてもよい。さらに別の実施形態では、導波路１８の基板システムが層間剥離なく軸に沿って撓む許容範囲は、０度から５度（０°～５°）であってもよい。別の実施形態では、導波路１８の基板システムが層間剥離なく軸に沿って撓む許容範囲は、０度から１５度（０°～１５°）であってもよい。一実施形態では、導波路１８は、捩ったり複数の方向に沿って力を加えたりすることにより、層間剥離なく複数の軸に沿って撓む範囲を含むことができる。この撓み範囲において、導波路１８は各軸に沿って、０度から２０度（０°～２０°）の範囲で撓む。

【0051】

基板コーティング２８または追加の処理層が破損なく撓む許容範囲は、２０度（２０°）を超えてもよい。「許容可能な撓み」および「撓み弧形状」は、導波路１８が破損または層間剥離なしに撓んだ後に撓んでいない姿勢に戻るように動作可能な、導波路１８の基板システムの撓み量を意味する。

【0052】

一実施形態では、１つまたは複数の保護層を基板Ｓに提供してもよいし、複数の基板間に提供してもよい（図８Ａを参照）。すなわち、一実施形態では、基板Ｓに１つ以上の保護層が付与された導波路１８は、上述した撓み範囲を有する。別の実施形態では、平面導波路５０の積層されたセットは、上述したような１つまたは複数の軸に沿った撓み範囲を有する。

【0053】

図７Ａ、図７Ｂに示すように、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、基板Ｓの内側の平行表面１５に配置された透過型回折格子とすることができる。しかしながら、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、その代わりに、体積ホログラムまたは他のホログラフィック回折素子であってもよく、または画像担持光ＷＩを導波路１８内へと入力結合するように動作可能な他のタイプの回折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、基板Ｓの外側の平行平面１３または内側の平行平面１５に配置することができ、画像担持光ＷＩが基板Ｓに近づく方向との組み合わせで透過型または反射型とすることができる。

【0054】

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、実画像ソースからの画像担持光ＷＩを平面導波路１８の基板Ｓ内に結合する。実画像または画像次元は、最初に、角度的に関連する重なり合うビームのアレイに変換される。この変換において、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに提示するために、画像内のさまざまなピクセル位置がエンコードされる。画像担持光ＷＩはインカップリング回折光学要素ＩＤＯによって回折され、これにより画像担持光ＷＩの少なくとも一部が、画像担持光ＷＧとして平面導波路１８内に方向転換され、さらに全内部反射 「ＴＩＲ」により平面導波路１８に沿って伝播する。ＴＩＲにより設定された境界に合わせて、角度的に関連するビームはより凝縮された範囲で回折されるが、画像担持光ＷＧは、画像情報をエンコードされた形態で維持する。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の少なくとも一部を、画像担持光ＷＯとして平面導波路１８の外へと観察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、出力される画像担持光ＷＯの角度的に関連したビーム間において画像担持光ＷＩの元の角度関係を復元するために、インカップリング回折光学要素ＩＤＯと対称的（シンメトリック）に設計される。しかし、バーチャル像が見えるアイボックスＥ内で角度的に関連するビーム間の1方向の重なりを増やすために、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、各遭遇の度に画像担持光ＷＧの一部のみを回折するように構成されている。伝播方向におけるアウトカップリング光学要素の長さに沿った複数回の遭遇は、画像担持光ビームが重なり合うアイボックスの１方向を拡大する効果をもたらす。拡大されたアイボックスＥは、バーチャル像を見る視者の目の位置に対する感度を低下させる。

【0055】

アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、基板Ｓの内側の面１５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、基板Ｓの外側の面１３もしくは内側の面１５、あるいはその両方に配置することができ、画像担持光ＷＧが基板Ｓから出射する方向との組み合わせで透過型または反射型とすることができる。

【0056】

図７Ｂは、厚さが０．１ｍｍ、または実施形態に従って変化する空隙７２（air gap）を示す。空隙７２は、ＴＩＲが基板Ｓ内で効率的に進行することを可能にする。空隙７２は、外側の面１３と内側の面１５の両方に沿って基板Ｓ及び／又はコーティング２８と接する（境界を形成する）。一実施形態では、空隙７２は、空気と同じ屈折率を有する透明な材料であってもよい。透明材料としては、シリカ、シリカナノロッド、有機ポリマーなどからなるメソポーラスのエアロゲルが挙げられるが、これらに限定されない。別の実施形態では、図８Ｂに示されるように、空隙７２は、導波路１８のアセンブリとともに曲げられるように動作可能な、低収縮、低デュロメータ（低硬度）の材料７３によって維持される空気またはガス状流体を含む。

【0057】

図８Ａに示すように、空隙７２は、導波路積層体５０の基板Ｓ１、Ｓ２の間に存在してもよい。一実施形態では、導波路積層体５０は２つ以上の導波路１８を含む。 一実施形態では、図８Ｂに示すように、空隙７２は、システムの周囲（周縁部）に配置された低収縮、低デュロメータ材料７３によって維持され、基板Ｓ１、Ｓ２の独立した動きを提供するように動作可能である。一実施形態では、低デュロメータ材料７３は、基板Ｓ１、Ｓ２間への環境汚染物質の侵入に対する基板Ｓ１、Ｓ２の周囲のシールとして機能することができる。

【0058】

ここで図７Ｂを参照すると、第１保護層６８と第２保護層７０が、基板コーティング２８と空隙７２を覆って基板Ｓと結合してもよい。一実施形態では、保護層６８、７０は完全に透明なポリマーを含み、導波路１８の機能に大きな影響を与えることなく、像担持光ＷＩ、ＷＯが基板Ｓに出入りできるようにする。

【0059】

基板Ｓに衝撃が加わったとき、または基板Ｓに過剰な応力が加わったとき、保護層６８、７０は、基板Ｓの起こり得る破砕作用の封じ込めを高めるように機能する。例えば、ポリマー層６８、７０は、基板Ｓからの破砕のデブリ（破片）の一部を少なくとも部分的に封じ込めるように機能する。図８Ａに示すように、第１保護層６８と第２保護層７０は、平面導波路の積層セット５０の導波路１８のそれぞれの外面を囲むことができる。一実施形態では、同じまたは異なる基板を有する３つ以上の平面導波路１８を積み重ねて上記のように保護することができる。

【0060】

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。さらに、複数の入力格子を含む実施形態では、導波路内で光ビームの混合、つまりクロストークが発生する。これらの問題を補償するために、図８Ａに示す実施例では、それぞれ基板Ｓ１、Ｓ２を有する２つの平面導波路１８が、当業者に知られている接合プロセスによって互いに積層され得る。

【0061】

平面導波路基板ＳＩの上側の平行平面の表面１５ａは基板コーティング２８でコーティングされている。同様に、平面導波路基板Ｓ２の上側の平行平面の表面１５は基板コーティング２８でコーティングされる。一実施形態では、第１、第２の基板Ｓ１、Ｓ２のインカップリング回折フィーチャは、異なる方法で画像担持光ＷＩに作用する。例えば、基板Ｓ１、Ｓ２のインカップリング回折フィーチャは、画像担持光ＷＩの特定のスペクトルのみをそれぞれの基板Ｓ１、Ｓ２内に回折し、ＴＩＲを介して、それぞれのアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯへと伝播させる。

【0062】

図８Ｃに示すように、一実施形態では、ニアアイディスプレイシステム１２は、光学モジュールハウジング１００に取り付けられた積層導波路システム１２６を含む。積層導波路システム１２６は、インカップリング回折光学要素ＩＤ０１とアウトカップリング回折光学要素ＯＤ０１を有する第１基板Ｓ１と、インカップリング回折光学要素ＩＤ０２とアウトカップリング回折光学要素ＯＤ０２を有する第２基板Ｓ２とを含む。一実施形態では、基板Ｓ１、Ｓ２の一方または両方が中間光学要素を含む。プロジェクタ１１０はハウジング１００内に配置されており、角度的にエンコードされた画像担持光を出射するように動作可能である。

【0063】

一実施形態では、積層導波路システム１２６は、遠位側の導波路ファスナー１０６と近位側の導波路ファスナー１０４により、ハウジング１００内に固定されている。プレート１１２は、ハウジング１００内において第２基板Ｓ２に隣接して配置され、ハウジング１００内に配置された導波路システム１２６に構造的剛性を与えるように動作可能である。プレート１１２は、積層導波路システム１２６が曲げられた時にプロジェクタ１１０への損傷を軽減するように動作可能である。一実施形態では、追加のプレート１１４、１１６が第１基板Ｓ１およびプロジェクタ１００に隣接して配置され。積層導波路システム１２６に追加の構造的支持を提供するように動作可能である。一実施形態では、プレート１１２、１１４、１１６は、ハウジング１００内に位置する積層導波路システム１２６の部分に剛性を与えるために用いられる。一実施形態では、プレート１１２、１１４、１１６は、積層導波路システム１２６に機械的に固定される。

【0064】

品質テストおよびユーザーの取扱いパターンでは、積層導波路システム１２６の最も一般的な破損点が、ハウジング１００との接続点から１センチメートル未満で発生することを示している。一実施形態では、積層型導波路システム１２６は、弾性撓み部分１２８と、ほぼ剛性の部分１４０を含む。図８Ｄに示すように、撓み部分１２８は、積層導波路システム１２６に例えばｚ軸方向に力が加えられたときに曲がるように動作可能な弾性領域を作っている。一実施形態では、撓み部分１２８は、応力下で及び／又は基板Ｓ１、Ｓ２が屈曲点（例えば２０度）を超えて曲がる応力下で、故障するように機械的にプログラムしてもよい。

【0065】

破損を低減し、ほぼ剛性の部分１４０の寸法安定性を維持するために、耐摩耗性硬質コーティング１３０を第１、第２の基板Ｓ１、Ｓ２に塗布することができる。一実施形態では、硬質コーティング１３０は、基板Ｓ１、Ｓ２の先端部を取り囲むようにして、剛性部分１４０の第１、第２の基板Ｓ１，Ｓ２を包む。硬質コーティング１３０は、Allyics、ポリメチルペンテン、ポリカーボネートなど、任意の数の硬質で透明なポリマーから構成することができる。一実施形態では、硬質コーティング１３０を図８Ａに示す保護層６８、７０の上に塗布することができる。

【0066】

積層型導波路システム１２６の構造的完全性をさらに促進するために、第１基板Ｓ１と第２基板Ｓ２は、ガスケット７３、接着剤のビード、または他の低デュロメータ材料により分離されていてもよい。この材料は、空隙７２のためのスペースを確保し易くするように動作可能であり、これにより、曲げられた時に第１、第２の基板Ｓ１、Ｓ２のｘ軸に沿う独立した動きを可能にする。一実施形態では、曲げられた時の硬質コーティング１３０への損傷を回避するために、基板撓みチャネル１３６は、硬質コーティング１３０の内壁に割れ目（cleft）を提供する。これにより、曲げられた時に平面導波路基板Ｓ１と平面導波路基板Ｓ２が独立して変位する。

【0067】

回折光学要素が、例えばコーティングまたはバッキング／プレートによって堅固に保持された基板の領域に配置されていない実施形態では、回折光学要素は、導波路／積層導波路システムが曲げられた時に損傷を受ける可能性がある。図９Ａは、基板Ｓの平行平面の表面１７２のコーティング１７８に形成された傾斜した面レリーフ格子フィーチャ１７０のアレイを非撓みの状態で示す。格子フィーチャ１７０は、間隔ｅで表される距離だけ離間している。図９Ｂは基板Ｓのたわみを示している。この撓みにより光学格子の衝突点１７６で繊細な格子の微細構造の接触が生じ、それによって導波路システムの機能が損傷するリスクがある。

【0068】

図１０に示すように、一実施形態では、基板Ｓのたわみを補償するために、格子フィーチャ１７０は拡張された格子フィーチャ間隔ｆを有する。

【0069】

図１１Ａに示すように、別の実施形態では、格子フィーチャ１７０は、格子ストリップ間隔ｈにより、個別の（不連続の）セクション（または格子ストリップ１８０）に分離されている。各格子ストリップ１８０は、多数の格子フィーチャ１７０を含む。各格子ストリップ１８０と基板表面１７２の限定された全表面接触により、コーティング１７８に必要な撓みが減少する。それによって、基板Ｓからコーティング１７８が剥離するリスクが減じられる。各格子ストリップ１８０は、格子ストリップ間隔ｈによって分離されている。格子ストリップ間隔ｈは、個々の格子ストリップ１８０を基板Ｓに接着することにより、またはマイクロレーザアブレーションで格子ストリップ１８０を分離することにより、達成することができるが、これらに限定はされない。図１１Ｂは、コーティング１７８が撓んだ状態を示している。分離された格子ストリップ１８０の格子フィーチャ１７０は互いに接触していない。

【0070】

例示的な実施形態では、装着可能なディスプレイ装置は、観察者の頭部に隣接して光学モジュールを取り付けるように動作可能な電子モジュールと、光学モジュール内に配置され、画像担持光ビームを生成するように動作可能なプロジェクタと、光学モジュールに結合された導波路と、を含む。導波路は、透明な光学材料により形成され第１表面とその反対側の第２表面を有する基板と、画像担持光ビームを導波路内に方向付けるように動作可能なインカップリング光学要素と、導波路からの画像担持光ビームをアイボックス内に向けバーチャル像をアイボックス内に形成するように動作可能なアウトカップリング光学要素とを含む。バーチャル像は視者の視野内において離れた位置に現れる。導波路は第１端部と第２端部を含み、第１端部は光学モジュールに連結され、第２端部は第１端部に対して撓む（曲がる）ように動作可能である。

【0071】

一実施形態では、光学モジュールは導波路の周縁の５０パーセント未満を取り囲む。

【0072】

一実施形態では、第１ポリマー層が導波路の第１表面に結合され、インカップリング回折光学要素およびアウトカップリング回折光学要素のうちの少なくとも１つが第１ポリマー層に配置されている。

【0073】

一実施形態では、導波路の第２端部は導波路の第１端部に対して２０度の角度で変位することができ、第１ポリマー層は導波路から剥離することなく撓むことができる。

【0074】

一実施形態では、導波路は、導波路の第１表面上に接着プロモータをさらに含み、第１ポリマー層が接着プロモータに接着される。一実施形態では、導波路は、第１ポリマー層の上に配置された第２ポリマー層をさらに含み、第２ポリマー層は、シャーディングで生じた導波路の破片の少なくとも一部を封じ込めるように動作可能である。

【0075】

一実施形態では、導波路はアルカリ化合物を含み、導波路の第２端部は、導波路の第１端部に対して少なくとも０度から２０度まで、破損することなく撓む（曲がる）ように動作可能である。

【0076】

一実施形態では、上記導波路は第１導波路であり、第２導波路が第１導波路に結合され、空隙が第１導波路と第２導波路との間に配置される。一実施形態では、低デュロメータ材料（低硬度材料）が第１導波路と第２導波路との間に配置され、低デュロメータ材料は空隙を少なくとも部分的に画成し、第１導波路および第２導波路とともに撓むように動作可能である。

【0077】

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3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【手続補正書】

【提出日】2023-08-22

【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】請求項１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項13】

フレキシブルな画像光ガイドを製造する方法であって、
第１表面と前記第１表面の反対側の第２表面とを有する基板を提供する工程と、
前記基板にイオン拡散法を施す工程と、
前記基板の前記第１表面を第１ポリマー材料でコーティングする工程と、
前記第１ポリマーコーティングに、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のうちの少なくとも１つを成形する工程と、
を備え、前記基板は、第１部分と第２部分とを備え、前記第２部分が前記第１部分に対して撓むように動作可能である、方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項15】

前記イオン拡散法が、前記基板を第１温度範囲で第１溶融塩浴に浸漬することを含み、それによって前記基板の前記第１、第２表面の材料が圧縮される、請求項１３に記載の方法。

【国際調査報告】