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(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】2024-04-25
(54)【発明の名称】パススルーインカプラを有する導波管結合器
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240418BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023568051
(86)(22)【出願日】2022-05-06
(85)【翻訳文提出日】2023-12-26
(86)【国際出願番号】 US2022028158
(87)【国際公開番号】W WO2022236113
(87)【国際公開日】2022-11-10
(31)【優先権主張番号】63/185,543
(32)【優先日】2021-05-07
(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】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】メッサー， ケヴィン
(72)【発明者】
【氏名】バルガヴァ， サマース
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199CA12
2H199CA50
2H199CA55
2H199CA67
2H199CA69
2H199CA86
(57)【要約】
パススルーインカプラ格子を有する導波管結合器が、本明細書において説明される。導波管結合器は、少なくとも１つのマイクロディスプレイと、少なくとも２つの導波路層のスタックとを含む。本明細書において説明される導波管結合器の１つの構成において、緑ＦＯＶおよび青ＦＯＶは、単に第１の導波管内で伝搬し、赤ＦＯＶは、単に第２の導波管内で伝搬する。本明細書において説明される導波管結合器の別の構成において、青ＦＯＶ、赤ＦＯＶ、および緑ＦＯＶは、単に第１の導波管、第２の導波管、および、第３の導波管それぞれ内で伝搬する。導波路層のスタックを含む導波管結合器は、第１のマイクロディスプレイ、および、一部の実施形態において、第２のマイクロディスプレイからの重ね合わされたイメージの、輝度不均一性、色不均一性、ダブルイメージ、および、他の不均一性を低減する。
【選択図】図２Ｂ
【選択図】図２Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
赤瞳、緑瞳、および青瞳を投射するように動作可能なマイクロディスプレイ、導波路層のスタックであって、前記導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有し、前記導波路層のスタックは、
第１の導波路層であって、緑チャネルおよび青チャネルを前記第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記緑チャネルの緑視野（ＦＯＶ）、および、前記青チャネルの青ＦＯＶが、単に前記第１の導波路層からアウトカップリングされ、前記赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、
前記赤チャネルをインカップリングするように動作可能であり、その結果、前記赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に前記第２の導波路層からアウトカップリングされる、前記第２の導波路層と
を含む、導波路層のスタック
を含む光学的拡張現実システム。
【請求項2】
前記第１の導波路層の前記インカプラ格子は、周期（ΛＩＣ）を有する複数の第１の構造を含み、前記複数の第１の構造は、前記緑チャネルおよび前記青チャネルを前記第１の導波路層内へとインカップリングし、前記赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記赤ＦＯＶは、単に前記第２の導波路層からアウトカップリングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ΛＩＣは、前記ΛＩＣについての式の系を解くことにより選択され、前記式の系は、【請求項4】
パススルーフィルタが、前記第１の導波路層と前記第２の導波路層との間に配され、または、前記第２の導波路層の下側表面に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
赤瞳、緑瞳、および青瞳を投射するように動作可能なマイクロディスプレイ、導波路層のスタックであって、前記導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有し、前記導波路層のスタックは、
第１の導波路層であって、緑チャネルおよび青チャネルを前記第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記緑チャネルの緑視界（ＦＯＶ）、および、前記青チャネルの青ＦＯＶが、単に前記第１の導波路層からアウトカップリングされ、前記赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、
前記赤チャネルをインカップリングするように動作可能であり、その結果、前記赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に前記第２の導波路層からアウトカップリングされる、前記第２の導波路層と、
前記第１の導波路層と前記第２の導波路層との間に配される、または、前記第２の導波路層の下側表面に結合される、パススルーフィルタと
を含む、導波路層のスタック
を含む光学的拡張現実システム。
【請求項6】
赤瞳、緑瞳、および青瞳のうちの１つまたは複数を投射するように動作可能な少なくとも１つのマイクロディスプレイ、導波路層のスタックであって、前記導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有し、前記導波路層のスタックは、
第１の導波路層であって、青チャネルを前記第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記青チャネルの青視界（ＦＯＶ）が、単に前記第１の導波路層からアウトカップリングされ、前記赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、
前記赤チャネルを前記第２の導波路層内へとインカップリングするように動作可能であり、結果として、前記赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に前記第２の導波路層からアウトカップリングされる、前記第２の導波路層と、
第３の導波路層であって、緑チャネルを前記第３の導波路層内へとインカップリングするように動作可能であり、その結果、前記緑チャネルの緑ＦＯＶが、単に前記第３の導波路層からアウトカップリングされる、第３の導波路層と
を含む、導波路層のスタック
を含む光学的拡張現実システム。
【請求項7】
前記第１の導波路層の前記インカプラ格子は、周期（ΛＩＣ）を有する複数の第１の構造を含み、前記複数の第１の構造は、前記青チャネルを前記第１の導波路層内へとインカップリングし、前記赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記赤ＦＯＶは、単に前記第２の導波路層からアウトカップリングされる、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記ΛＩＣは、前記ΛＩＣについての式の系を解くことにより選択され、前記式の系は、【請求項9】
パススルーフィルタが、前記第１の導波路層と前記第２の導波路層との間に配され、または、前記第２の導波路層の下側表面に結合される、請求項６に記載のシステム。
【請求項10】
前記第１の導波路層は、前記第２の導波路層よりも、前記少なくとも１つのマイクロディスプレイの近くに配される、請求項６に記載のシステム。
【請求項11】
前記第１の導波路層は、前記第２の導波路層上に配され、前記第２の導波路層は、前記第３の導波路層上に配される、請求項６に記載のシステム。
【請求項12】
前記第１の導波路層は、前記第３の導波路層上に配され、前記第３の導波路層は、前記第２の導波路層上に配される、請求項６に記載のシステム。
【請求項13】
前記第３の導波路層は、前記赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、前記赤チャネルは、単に前記第２の導波路層によりインカップリングされる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
パススルーフィルタが、前記第１の導波路層と前記第３の導波路層との、前記第３の導波路層と前記第２の導波路層との間に配され、または、前記第２の導波路層の下側表面に結合される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項15】
前記第３の導波路層は、前記第１の導波路層上に配され、前記第１の導波路層は、前記第２の導波路層上に配される、請求項６に記載のシステム。
【請求項16】
前記第３の導波路層は、前記青チャネルおよび前記赤チャネルが前記第１の導波路層にパススルーすることを可能とするように動作可能である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
パススルーフィルタが、前記第１の導波路層と前記第２の導波路層との間に配され、または、前記第２の導波路層の下側表面に結合される、請求項１５に記載のシステム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、一般的には、拡張現実導波管結合器に関する。より詳しくは、本明細書において説明される実施形態は、パススルーインカプラグレーティングを有する導波管結合器に関する。
【背景技術】
【0002】
仮想現実は、一般的には、ユーザが、見かけの物理的存在を有する、コンピュータが生成したシミュレート環境であると考えられる。仮想現実体験は、３Ｄで生成され、実際の環境に取って代わる仮想現実環境を表示するためのレンズとしてニアアイディスプレイパネルを有する、眼鏡または他のウェアラブルディスプレイ装置などのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）で見ることができる。
【0003】
しかしながら、拡張現実によって、ユーザが、眼鏡または他のＨＭＤ装置のディスプレイレンズを通して取り巻く環境を見ることができるが、表示のために生成され、環境の一部分として現れる仮想物体のイメージも見ることができる、体験が可能になる。拡張現実は、ユーザが体験する環境を強化または拡張する、音声および触覚入力、ならびに、仮想イメージ、グラフィックス、およびビデオなどの、任意の型の入力を含み得る。新興の技術として、拡張現実に関する多くの課題および設計制約が存在する。
【0004】
そのような課題の１つは、周囲環境上に仮想画像を重ね合わせて表示することである。導波管結合器が、画像を重ね合わせることを支援するために使用される。生成された光は、導波管結合器内へと入力結合され、増強された拡張導波管結合器を通して伝搬させられ、増強された拡張導波管結合器からアウトカップリングされ、周囲環境上に重ね合わされる。光は、表面レリーフ回折格子を使用して、増強された拡張導波管結合器内外へ結合される。
【0005】
導波管結合器は、光の赤、緑、および青チャネルが、重ね合わされたイメージにおいて表示されるように、導波路層のスタックを含むことがある。重ね合わされたイメージは、導波路層のスタックの、少なくとも２つの導波路層内で伝搬する、赤視野（ＦＯＶ）、緑ＦＯＶ、または青ＦＯＶのうちの少なくとも１つを含むことがある。導波路層のスタックの、少なくとも２つの層内での、少なくとも１つのＦＯＶの伝搬によって、重ね合わされたイメージの、輝度不均一性、色不均一性、ダブルイメージ、および、他の不均一性のうちの１つまたは複数が結果的に生じることがある。
【0006】
したがって、当技術分野において必要とされるものは、パススルーインカプラグレーティングを有する導波管結合器である。
【発明の概要】
【0007】
１つの実施形態において、装置が提供される。装置は、赤瞳、緑瞳、および青瞳を投射するように動作可能なマイクロディスプレイと、導波路層のスタックであって、導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有する、導波路層のスタックとを含む。導波路層のスタックは、第１の導波路層であって、緑チャネルおよび青チャネルをその第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、緑チャネルの緑視野（ＦＯＶ）、および、青チャネルの青ＦＯＶが、単にその第１の導波路層からアウトカップリングされ、赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、赤チャネルをインカップリングするように動作可能であり、その結果、赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に第２の導波路層からアウトカップリングされる、第２の導波路層とを含む。
【0008】
別の実施形態において、装置が提供される。装置は、赤瞳、緑瞳、および青瞳を投射するように動作可能なマイクロディスプレイと、導波路層のスタックであって、導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有する、導波路層のスタックとを含む。導波路層のスタックは、第１の導波路層であって、緑チャネルおよび青チャネルをその第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、緑チャネルの緑視野（ＦＯＶ）、および、青チャネルの青ＦＯＶが、単にその第１の導波路層からアウトカップリングされ、赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、赤チャネルをインカップリングするように動作可能であり、その結果、赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に第２の導波路層からアウトカップリングされる、第２の導波路層と、第１の導波路層と第２の導波路層との間に配される、または、第２の導波路層の下側表面に結合される、パススルーフィルタとを含む。
【0009】
さらに別の実施形態において、装置が提供される。装置は、赤瞳、緑瞳、および青瞳のうちの１つまたは複数を投射するように動作可能な少なくとも１つのマイクロディスプレイ、導波路層のスタックであって、導波路層の各々はインカプラ格子およびアウトカプラ格子を有する、導波路層のスタックを含む。導波路層のスタックは、第１の導波路層であって、青チャネルをその第１の導波路層内へとインカップリングし、赤チャネルがパススルーすることを可能とするように動作可能であり、その結果、青チャネルの青視野（ＦＯＶ）が、単にその第１の導波路層からアウトカップリングされ、赤チャネルは、単に第２の導波路層によりインカップリングされる、第１の導波路層と、赤チャネルを第２の導波路層内へとインカップリングするように動作可能であり、その結果、赤チャネルの赤ＦＯＶが、単に第２の導波路層からアウトカップリングされる、第２の導波路層と、第３の導波路層であって、緑チャネルをその第３の導波路層内へとインカップリングするように動作可能であり、その結果、緑チャネルの緑ＦＯＶが、単にその第３の導波路層からアウトカップリングされる、第３の導波路層とを含む。
【0010】
本開示の上記の特徴を詳説した様式が、詳細に理解され得るように、上記で簡潔に約言された、本開示のより個別の説明が、実施形態への参照によりなされることがあり、それらの実施形態のうちの一部は、添付される図面において例示される。しかしながら、添付される図面は、単に例示的な実施形態を例示し、それゆえに、本開示の範囲について制限的と考えられるべきではなく、他の等しく効果的な実施形態を認めることがあるということが留意されるべきである。
【0011】
本開示は、カラーで制作された少なくとも１つの図面を内包する。カラー図面を伴う本開示のコピーは、要求、および、必要な料金の支払を基に、米国特許商標庁に提供されることになる。カラー図面は、ＥＦＳ－ウエブを介して電子的にファイリングされているので、図面の１つのセットのみが提出される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
理解を容易にするために、同一の参照番号が、可能な場合、図に共通である同一の要素を指定するために使用されている。１つの実施形態の要素および特徴は、さらなる詳説なしに、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図される。
【0014】
本明細書において説明される実施形態は、パススルーインカプラ格子を有する導波管結合器に関する。導波管結合器は、少なくとも１つのマイクロディスプレイと、少なくとも２つの導波路層のスタックとを含む。各導波路層は、インカプラ格子およびアウトカプラ格子を含む。
【0015】
図１は、導波路層１００の正面図である。下記で説明される導波路層１００は、例示的な導波路層１００であり、他の導波路層が、本開示の態様によって使用され得、または、本開示の態様を成し遂げるために変更され得ることが理解されるべきである。
【0016】
導波路層１００は、複数の第１の構造１０８により画定されるインカプラ格子１０２と、複数の第２の構造１１０により画定される瞳拡大格子１０４と、複数の第３の構造１１２により画定されるアウトカプラ格子１０６とを含む。インカプラ格子１０２は、マイクロディスプレイから、所定の強度を有する光の入射ビーム（仮想イメージ）を受け取る。インカプラ格子１０２の各第１の構造１０８は、入射ビームを複数のモードへと分割し、各ビームは、モードを有する。０次モード（Ｔ０）ビームは、戻るように屈折させられ、または、導波路層１００内で失われ、正の１次モード（Ｔ１）ビームは、導波路層１００を通って瞳拡大格子１０４に結合され、負の１次モード（Ｔ－１）ビームは、Ｔ１ビームと反対の方向において導波路層１００内で伝搬する。理想的には、入射ビームは、仮想イメージを瞳拡大格子１０４に指向するために、入射ビームの強度のすべてを有するＴ１ビームへと分割される。Ｔ１ビームは、Ｔ１ビームが瞳拡大格子１０４の複数の第２の構造１１０とコンタクトするまで、導波路層１００を通って全内部反射（ＴＩＲ）を受ける。
【0017】
Ｔ１ビームは、（１）導波路層１００内で、戻るように屈折させられる、または、導波路層失われるＴ０ビーム、（２）Ｔ１ビームであって、Ｔ１ビームが複数の第２の構造１１０のうちの別の第２の構造とコンタクトするまで、瞳拡大格子１０４内でＴＩＲを受ける、Ｔ１ビーム、および、（３）導波路層１００を通してアウトカプラ格子１０６に結合されるＴ－１ビームへと分割する。瞳拡大格子１０４内でＴＩＲを受けるＴ１ビームは、導波路層１００を通して瞳拡大格子１０４に結合されるＴ１ビームの強度が激減するか、または、瞳拡大格子１０４を通って伝搬する残存するＴ１ビームが瞳拡大格子１０４の端に達するまで、第２の構造１１０とコンタクトし続ける。複数の第２の構造１１０は、導波路層１００を介して瞳拡大回折格子１０４に結合されるＴ１ビームを制御して、アウトカプラ回折格子１０６に結合されるＴ１ビームの強度を制御し、マイクロディスプレイから生成される仮想画像のＦＯＶをユーザの視点から変調し、加えて、ユーザが仮想画像を見ることができる視野角を拡大するように、調整されなければならない。
【0018】
導波路層１００を通してアウトカプラ格子１０６に結合されるＴ－１ビームは、Ｔ－１ビームが複数の第３の構造１１２のうちの所定の第３の構造１１２とコンタクトするまで、導波路層１００内でＴＩＲを受け、その所定の第３の構造１１２において、Ｔ－１ビームは、（１）戻るように屈折させられる、または、導波路層１００内で失われるＴ０ビーム、（２）Ｔ１ビームであって、Ｔ１ビームが複数の第３の構造１１２のうちの別の第３の構造１１２とコンタクトするまで、アウトカプラ格子１０６内でＴＩＲを受ける、Ｔ１ビーム、および、（３）導波路層１００の外に結合されるＴ－１ビームへと分割される。アウトカプラ格子１０６内でＴＩＲを受けるＴ１ビームは、導波路層１００を通してアウトカプラ格子１０６に結合されるＴ－１ビームの強度が激減するか、または、アウトカプラ格子１０６を通って伝搬する残存するＴ１ビームがアウトカプラ格子１０６の端に達するまで、複数の第３の構造１１２のうちの第３の構造１１２とコンタクトし続ける。アウトカプラ格子１０６の複数の第３の構造１１２は、マイクロディスプレイから生成される仮想画像のＦＯＶをユーザの視点からさらに変調し、そして、ユーザが仮想画像を見ることができる視野角をさらに拡大する。。
【0019】
図２Ａは、導波管結合器２００Ａの概略断面図である。図２Ｂは、導波管結合器２００Ｂの概略断面図である。導波管結合器２００Ａ、２００Ｂは、１つのマイクロディスプレイ２０１と、第１の導波路層２０４および第２の導波路層２０６のスタック２０２Ａ、２０２Ｂとを含む。マイクロディスプレイ２０１は、赤瞳、緑瞳、および青瞳を、第１の導波路層２０４のインカプラ格子１０２Ａに投射するように動作可能である。第１の導波路層２０４および第２の導波路層２０６は、少なくとも、インカプラ格子１０２と、アウトカプラ格子１０６などのアウトカプラ格子とを含む。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、一部の実施形態において、第１の導波路層２０４または第２の導波路層２０６のうちの少なくとも１つは、瞳拡大格子１０４などの瞳拡大格子を含む。
【0020】
インカプラ格子１０２Ａは、パススルーインカプラ格子である。インカプラ格子１０２Ａは、第１の構造１０８などの複数の第１の構造を含む。インカプラ格子１０２Ａの複数の第１の構造は、緑チャネル２０５および青チャネル２０７を第１の導波路層２０４内へとインカップリングし、赤チャネル２０３が第１の導波路層２０４をパススルーすることを可能とするように動作可能である。緑チャネル２０５および青チャネル２０７は、第１の導波路層２０４を通ってＴＩＲを受け、緑ＦＯＶおよび青ＦＯＶとしてアウトカップリングされる。インカプラ格子１０２Ｂの複数の第１の構造は、赤チャネル２０３を第２の導波路層２０６内へとインカップリングするように動作可能である。赤チャネル２０３は、第２の導波路層２０６を通ってＴＩＲを受け、赤ＦＯＶとしてアウトカップリングされる。
【0021】
スタック２０２Ｂは、赤パスフィルタ２０８をさらに含む。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、１つの実施形態において、赤パスフィルタ２０８は、第１の導波路層２０４と第２の導波路層２０６との間に配される。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、別の実施形態において、赤パスフィルタ２０８は、第２の導波路層２０６の下側に結合される。赤パスフィルタ２０８は、緑チャネルおよび青チャネル吸収性であり、一方で、赤チャネル２０３がインカプラ格子１０２Ｂにパススルーすることを可能とする。
【0022】
インカプラ格子１０２Ａは、複数の第１の構造が周期（ΛＩＣ）を有するように構成される。ΛＩＣによって、緑チャネル２０５および青チャネル２０７が、第１の導波路層２０４にインカップリングされ、第１の導波路層２０４を通って伝搬することが可能になり、赤チャネル２０３がパススルーすることが可能になる。インカプラ格子１０２ＡのΛＩＣによって、赤チャネル２０３がパススルーすることが可能となり、その結果、赤チャネル２０３は、第２の導波路層２０６内にインカップリングされ、第２の導波路層２０６を通して伝搬させられる。すなわち、赤チャネル２０３は、第１の導波路層２０４内で回折させられない。ΛＩＣを決定するために、λＲ、λＧ、λＢ（赤チャネルピーク波長、緑チャネルピーク波長、および青チャネル波長）、ｎ（第１の導波路層２０４および第２の導波路層２０６の基板の屈折率）、ｋＦｏＶ（インカプラ格子ベクトル方向に沿ったｋ空間内のＦＯＶの大きさ）、およびｋｍｉｄ（入力ＦＯＶの傾きを説明する、原点からＦｏＶの中心までのインカプラ格子ベクトル方向に沿ったｋ空間距離）に基づいて、３つの式の系が解かれる。
【0023】
第１の式は、
であり、第２の式は、
であり、第３の式は、
である。ΛＩＣについて解き、インカプラ格子１０２Ａを有することによって、アウトカップリングされる緑ＦＯＶ、および、アウトカップリングされる青ＦＯＶが、第１の導波路層２０４からの緑チャネル２０５および青チャネル２０７のものであり、アウトカップリングされる赤ＦＯＶが、第２の導波路層２０６からのものであるということが確実になる。赤パスフィルタ２０８は、残留緑および青光を吸収し、その結果、緑ＦＯＶおよび青ＦＯＶは、単に第１の導波路層２０４内で伝搬する。導波管結合器２００Ａ、２００Ｂは、単に第１の導波路層２０４内で伝搬する緑ＦＯＶおよび青ＦＯＶと、単に第２の導波路層２０６内で伝搬する赤ＦＯＶとを含む。スタック２０２Ａ、２０２Ｂを有する導波管結合器２００Ａ、２００Ｂは、１つのマイクロディスプレイ２０１からの重ね合わされたイメージの、輝度不均一性、色不均一性、ダブルイメージ、および、他の不均一性を低減する。
【0024】
表１は、導波管結合器２００Ａ、２００Ｂの構成に基づく、潜在的なΛＩＣを示す。
【0025】
図３Ａは、導波管結合器３００Ａの概略断面図である。図３Ｂは、導波管結合器３００Ｂの概略断面図である。導波管結合器３００Ａ、３００Ｂは、少なくとも１つのマイクロディスプレイ３０１と、第１の導波路層３０４、第２の導波路層３０６、および、第３の導波路層３０８のスタック３０２Ａ、３０２Ｂとを含む。少なくとも１つのマイクロディスプレイ３０１は、緑瞳を、第１の導波路層３０４および第２の導波路層３０６を通して、ならびに、第３の導波路層３０８のインカプラ格子１０２Ｃに投射するように動作可能である。マイクロディスプレイ３０１は、赤瞳および青瞳を、第１の導波路層３０４のインカプラ格子１０２Ａに投射するように動作可能である。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、一部の実施形態において、第１のマイクロディスプレイは、緑瞳を投射するように動作可能であり、第２のマイクロディスプレイは、赤瞳および青瞳を投射するように動作可能である。第１の導波路層３０４、第２の導波路層３０６、および、第３の導波路層３０８は、少なくとも、インカプラ格子１０２と、アウトカプラ格子１０６などのアウトカプラ格子とを含む。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、一部の実施形態において、第１の導波路層３０４、第２の導波路層３０６、および、第３の導波路層３０８のうちの少なくとも１つは、瞳拡大格子１０４などの瞳拡大格子を含む。
【0026】
インカプラ格子１０２Ａは、パススルーインカプラ格子である。インカプラ格子１０２Ａは、第１の構造１０８などの複数の第１の構造を含む。インカプラ格子１０２Ａの複数の第１の構造は、青チャネル２０７を第１の導波路層３０４内へとインカップリングし、赤チャネル２０３が第１の導波路層３０４をパススルーすることを可能とするように動作可能である。青チャネル２０７は、第１の導波路層３０４を介してＴＩＲを受け、導波路層青ＦＯＶとしてアウトカップリングされる。インカプラ格子１０２Ｂの複数の第１の構造は、赤チャネル２０３を第２の導波路層３０６内へとインカップリングするように動作可能である。赤チャネル２０３は、第２の導波路層３０６を通ってＴＩＲを受け、赤ＦＯＶとしてアウトカップリングされる。インカプラ格子１０２Ｃの複数の第１の構造は、緑チャネル２０５を第３の導波路層３０８内へとインカップリングするように動作可能である。緑チャネル２０５は、第２の導波路層３０８を通ってＴＩＲを受け、緑ＦＯＶとしてアウトカップリングされる。
【0027】
図３Ａおよび図３Ｂのスタック３０２Ａ、３０２Ｂは、第１の導波路層３０４が、第２の導波路層３０６の上方に配され、第２の導波路層３０６が、第３の導波路層３０８の上方に配される様態で描写されるが、一部の実施形態において、第３の導波路層３０８は、第１の導波路層３０４と第２の導波路層３０６との間に配されることがあり、他の実施形態において、第３の導波路層３０８は、第２の導波路層３０６の上方に配される第１の導波路層３０４の上方に配される。スタック３０２Ａ、３０２Ｂ内の層は、青チャネル２０７をインカップリングするように動作可能な第１の導波路層３０４が、赤チャネル２０３をインカップリングするように動作可能な第２の導波路層よりも、マイクロディスプレイ３０１に近いように整えられる。
【0028】
スタック３０２Ｂは、赤パスフィルタ３１０をさらに含む。本明細書において説明される他の実施形態と組み合わされ得る、１つの実施形態において、赤パスフィルタ３１０は、第１の導波路層３０４と第２の導波路層３０６との間に配され、または、第２の導波路層３０６の下側に結合される。赤パスフィルタ３１０は、青チャネル吸収性であり、一方で、赤チャネル２０３がインカプラ格子１０２Ｂにパススルーすることを可能とする。
【0029】
インカプラ格子１０２Ａは、複数の第１の構造が周期（ΛＩＣ）を有するように構成される。ΛＩＣによって、青チャネル２０７が、第１の導波路層３０４にインカップリングされ、第１の導波路層２０４を通って伝搬することが可能になり、赤チャネル２０３がパススルーすることが可能になる。インカプラ格子１０２ＡのΛＩＣによって、赤チャネル２０３がパススルーすることが可能となり、その結果、赤チャネル２０３は、第２の導波路層３０６内にインカップリングされ、第２の導波路層３０６を通して伝搬させられる。すなわち、赤チャネル２０３は、第１の導波路層３０４内で回折させられない。ΛＩＣを決定するために、λＲおよびλＢ（赤チャネルピーク波長および青チャネル波長）、ｎ（第１の導波路層３０４および第２の導波路層３０６の基板の屈折率）、ｋＦｏＶ（インカプラ格子ベクトル方向に沿ったｋ空間内のＦＯＶの大きさ）、ならびにｋｍｉｄ（入力ＦＯＶの傾きを説明する、原点からＦｏＶの中心までのインカプラ格子ベクトル方向に沿ったｋ空間距離）に基づく、３つの式の系が解かれる。
【0030】
第１の式は、
であり、第２の式は、
であり、第３の式は、
である。ΛＩＣについて解き、インカプラ格子１０２Ａを有することによって、アウトカップリングされる青ＦＯＶが、第１の導波路層３０４からのものであり、アウトカップリングされる赤ＦＯＶが、第２の導波路層３０６からのものであり、アウトカップリングされる緑ＦＯＶが、第３の導波路層３０８からのものであるということが確実になる。赤パスフィルタ３１０は、残留青光を吸収し、その結果、青ＦＯＶは、単に第１の導波路層３０４内で伝搬する。導波管コンバイナ３００Ａ、３００Ｂは、単に第１の導波路層３０４、第２の導波路層３０６、および、第３の導波路層３０８それぞれ内で伝搬する、青ＦＯＶ、赤ＦＯＶ、および緑ＦＯＶを備えたものである。スタック３０２Ａ、３０２Ｂを有する導波管コンバイナ３００Ａ、３００Ｂは、マイクロディスプレイからの重ね合わされたイメージの、輝度不均一性、色不均一性、ダブルイメージ、および、他の不均一性を低減する。
【0031】
表２は、導波管結合器３００Ａ、３００Ｂの構成に基づく、潜在的なΛＩＣを示す。
【0032】
総括すると、パススルーインカプラ格子を有する導波管結合器が、本明細書において説明される。導波管結合器は、少なくとも１つのマイクロディスプレイと、少なくとも２つの導波路層のスタックとを含む。本明細書において説明される導波管結合器の１つの構成において、緑ＦＯＶおよび青ＦＯＶは、単に第１の導波管内で伝搬し、赤ＦＯＶは、単に第２の導波管内で伝搬する。本明細書において説明される導波管コンバイナの別の構成において、青ＦＯＶ、赤ＦＯＶ、および緑ＦＯＶは、単に第１の導波管、第２の導波管、および、第３の導波管それぞれ内で伝搬する。導波路層のスタックを含む導波管結合器は、第１のマイクロディスプレイ、および、一部の実施形態において、第２のマイクロディスプレイからの重ね合わされたイメージの、輝度不均一性、色不均一性、ダブルイメージ、および、他の不均一性を低減する。
【0033】
前述は、本開示の例に向けられたものであるが、本開示の他の、およびさらなる例が、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案されることがあり、本開示の範囲は、後に続く特許請求の範囲により決定される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【国際調査報告】