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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】2024-08-29
(54)【発明の名称】両面導波路
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240822BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20240822BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/64 511A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024508019
(86)(22)【出願日】2022-08-23
(85)【翻訳文提出日】2024-03-26
(86)【国際出願番号】 US2022041284
(87)【国際公開番号】W WO2023028093
(87)【国際公開日】2023-03-02
(31)【優先権主張番号】63/236,196
(32)【優先日】2021-08-23
(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
【Ｆターム（参考）】
2H199CA02
2H199CA03
2H199CA12
2H199CA53
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA92
2H199CA97
(57)【要約】
虚像を伝達するための画像光ガイドは、第一の平面導波路を含む。第一の平面導波路は、第一および第二の同一位置にあるインカップリング回折光学素子を含み、それぞれが複数の周期的回折構造を含み、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を伝送するように動作可能であり、導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子と、を備え、第一のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を拡張し、画像担持光ビームの拡張された第一の部分を導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能であり、第二のインカップリング光学素子の複数の回折構造が、第一のインカップリング回折光学素子の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する。
【選択図】図３Ｄ
【選択図】図３Ｄ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
虚像を伝達するための画像光ガイドであって、第一および第二の平行面を有する導波路と、
前記第一の表面に沿って配置される第一のインカップリング回折光学素子であって、前記第一のインカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期的回折構造を含み、前記第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内に回折するように動作可能であり、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、
前記第二の表面に沿って配置される第二のインカップリング回折光学素子であって、前記第二のインカップリング回折光学素子が、前記第一の複数の周期的回折構造とは周期的に異なる第二の複数の周期的回折構造を含み、前記第二のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記第二の部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内に回折するように動作可能であり、
前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第一の表面に垂直な虚軸に沿って前記第二のインカップリング回折光学素子と実質的に同軸に配置される、第二のインカップリング回折光学素子と、
前記第一または第二の表面に沿って配置されたアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記導波路からの画像担持光ビームの前記第一および第二の部分を角度的にデコードされた形態でアイボックスに向かって方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、を備え、
前記アウトカップリング回折光学素子が、少なくとも二つの格子ベクトルを画定する、画像光ガイド。
【請求項2】
前記画像担持光ビームの前記第一の部分が第一の波長範囲を含み、前記画像担持光ビームの前記第二の部分が第二の波長範囲を含む、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項3】
画像担持光ビームの前記第一の部分が、角度関連ビームの第一の範囲を含み、画像担持光ビームの前記第二の部分が、角度関連ビームの前記第一の範囲とは異なる角度関連ビームの第二の範囲を含み、画像担持光ビームの前記第一の部分および前記第二の部分が、広い視野画像を形成する、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項4】
前記第一の表面に沿って配置され、前記画像担持光ビームの前記第一の部分を前記アウトカップリング回折光学素子に方向付けるように動作可能な第一の中間回折光学素子と、前記第二の表面に沿って配置され、前記画像担持光ビームの前記第二の部分を前記アウトカップリング回折光学素子に方向付けるように動作可能な第二の中間回折光学素子と、をさらに含み、前記第一の中間回折光学素子が、前記第二の中間回折光学素子に対してオフセットされることが好ましい、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項5】
前記アウトカップリング回折光学素子が、第一のアウトカップリング回折光学素子であり、前記第一の平面導波路が、前記第一のアウトカップリング回折光学素子の反対側にある前記第一または前記第二の表面上に位置する第二のアウトカップリング回折光学素子をさらに含み、前記第二のアウトカップリング回折光学素子が、前記第一のアウトカップリング回折光学素子と整列している、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項6】
前記第一のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴が、前記第二のアウトカップリング回折光学素子の前記周期的回折特徴と同一である、請求項５に記載の画像光ガイド。
【請求項7】
前記第一および第二のアウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの前記第一の部分および前記第二の部分を拡張し、前記拡張された画像担持光ビームを前記導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能な、二次元の周期的回折特徴を含む、請求項６に記載の画像光ガイド。
【請求項8】
前記画像担持光ビームの前記第一および前記第二の部分が、前記第一および前記第二のアウトカップリング回折光学素子とハーフバウンス時に相互作用し、前記画像担持光ビームの前記第一および前記第二の部分の少なくとも一部分が、前記第一および前記第二のアウトカップリング回折光学素子との前記ハーフバウンスの相互作用でアウトカップリングされる、請求項７に記載の画像光ガイド。
【請求項9】
前記第一のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第一の組のそれぞれの周期的回折特徴が、前記第一のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第二の組のそれぞれの周期的回折特徴よりも大きな奥行きを有する、請求項６に記載の画像光ガイド。
【請求項10】
前記第二のアウトカップリング回折光学素子の周期的特徴の第一の組のそれぞれの周期的回折特徴が、前記第二のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第二の組のそれぞれの周期的回折特徴よりも大きな奥行きを有する、請求項９に記載の画像光ガイド。
【請求項11】
前記第一および前記第二のアウトカップリング回折光学素子がそれぞれ、複数の格子ベクトルを有し、前記第一および前記第二のアウトカップリング回折光学素子のそれぞれの前記格子ベクトルの一つが、前記その他の格子ベクトルよりも小さい程度を有する、請求項６に記載の画像光ガイド。
【請求項12】
前記第二のインカップリング回折光学素子の前記第二の複数の周期的回折構造が、前記第一のインカップリング回折光学素子の前記第一の複数の周期的回折構造に対して約９０度で配向される、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項13】
前記第一および前記第二のインカップリング回折光学素子がそれぞれ、入力格子ベクトルによってさらに表され、前記第一のインカップリング回折光学素子の前記入力格子ベクトルが、前記第二のインカップリング回折光学素子の前記入力格子ベクトルと直交する５度以内である、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項14】
前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第二のインカップリング回折光学素子とは異なるピッチを有する、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項15】
前記画像光ガイドが、仮想現実撮像システムまたは拡張現実撮像システムの一部である、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項16】
前記画像光ガイドが、第一の画像担持光ビーム源および第二の画像担持光ビーム源を備える画像光ガイドシステムの一部であり、それぞれが、組み合わされた時に多色の虚像が生成されるように、各々が三原色バンドのうちの一つで画像を生成する、請求項１に記載の画像光ガイド。
【請求項17】
虚像を伝達するための画像光ガイドであって：画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第一の平面導波路であって、前記第一の平面導波路が、第一および第二の平行面を有する、第一の平面導波路と、
前記第一の表面に沿って形成される第一のインカップリング回折光学素子であって、前記第一のインカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期的回折構造を含み、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にコードされた形態で前記第一の平面導波路内に回折するように動作可能であり、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子であって、前記第一のアウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの前記第一の部分を拡張し、前記拡張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導波路から方向付けるように動作可能である、第一のアウトカップリング回折光学素子と、
前記第二の表面に沿って形成される第二のインカップリング回折光学素子であって、前記第二のインカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの前記第二の部分を、角度的にコードされた形態で前記第一の平面導波路内に回折するように動作可能であり、前記第二のインカップリング回折光学素子が、前記第一のインカップリング回折光学素子の前記第一の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する第二の複数の周期的回折構造を含む、第二のインカップリング回折光学素子であって、
前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第二のインカップリング回折光学素子と実質的に同一位置にある、第二のインカップリング回折光学素子と、
前記画像担持光ビームの前記第一の部分を前記第一のアウトカップリング光学素子に方向付け、前記画像担持光ビームの前記第二の部分を前記第一のアウトカップリング回折光学素子に方向付けるように動作可能であり、前記第一の平面に沿って位置する、第一の中間回折光学素子と、を備え、
前記画像担持光ビームの前記第一の部分が第一の波長範囲を含み、前記画像担持光ビームの前記第二の部分が第二の波長範囲を含む、画像光ガイド。
【請求項18】
虚像を伝達するための画像光ガイドであって：画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第一の平面導波路であって、前記第一の平面導波路が、第一および第二の平行面を有する、第一の平面導波路と、
前記第一の表面に沿って形成される第一のインカップリング回折光学素子であって、前記第一のインカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期的回折構造を含み、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にコードされた形態で前記第一の平面導波路内に回折するように動作可能であり、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記第一のインカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの前記第一の組の第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子であって、前記第一のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記第一の部分を拡張し、画像担持光ビームの前記拡張された第一の部分を角度的にデコードされた形態で前記導波路から方向付けるように動作可能である、第一のアウトカップリング回折光学素子と、
前記第二の表面に沿って形成される第二のインカップリング回折光学素子であって、前記第二のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を、角度的にコードされた形態で前記第一の平面導波路内に回折するように動作可能であり、前記第二のインカップリング回折光学素子が、前記第一のインカップリング回折光学素子の前記第一の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する第二の複数の周期的回折構造を含む、第二のインカップリング回折光学素子と、
前記第二の表面上の前記第一のアウトカップリング回折光学素子と整列する第二のアウトカップリング回折光学素子であって、前記第二のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記第二の組を拡張し、画像担持光ビームの前記拡張された第二の組を角度的にデコードされた形態で前記導波路から方向付けるように動作可能である、第二のアウトカップリング回折光学素子と、を備える、画像光ガイド。
【請求項19】
前記画像担持光ビームの前記第一の組が第一の波長範囲を含み、前記画像担持光ビームの前記第二の組が第二の波長範囲を含む、請求項２０に記載の画像光ガイド。
【請求項20】
画像担持光ビームの前記第一の組が、角度関連ビームの第一の範囲を含み、画像担持光ビームの前記第二の組が、角度関連ビームの前記第一の範囲とは異なる角度関連ビームの第二の範囲を含む、請求項２１に記載の画像光ガイド。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、電子表示装置に関し、より具体的には、画像担持光ビームをビューアに伝達するために、回折光学素子を有する画像光ガイドを利用する、ヘッドマウントニアアイディスプレイに関する。
【背景技術】
【0002】
双眼型の眼鏡または単眼型の懸架式アイピースの形態を取ることができるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、着用者の目に虚像を提示するための画像源および画像光ガイドを含み得る。画像光ガイドは、画像源のオフセット位置から着用者の目と整列した位置に角度的にコードされた形態で虚像を伝達するための透明な導波路に組み込まれたインカップリング光学素子およびアウトカップリング光学素子を伴い配置され得る。透明な導波路はまた、特に虚像が現実世界の情景上に重ねられる拡張現実（ＡＲ）での用途をサポートするために、着用者が現実世界を同時に見ることができる開口を提供することができる。多くの用途では、ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の画像の上に視覚的に重ね合わせることのできる虚像を形成することに特に価値がある。
【0003】
画像源は、空間情報を実質的にコリメートされた角度関連ビームに変換するための集光光学素子と組み合わせた、バックライト付き、フロントライト付き、または発光式ディスプレイを含む、いくつかの形態を取ることができる。別の方法として、画像源は、実質的にコリメートされた光源からの光を角度的に方向付けるためにビームスキャン装置として配置され得る。画像の二次元はまた、線形表示とビームスキャン装置との組み合わせによってなど、別々に生成することができる。
【0004】
従来の画像光ガイドでは、画像源からのコリメートされ、相対角度でコードされた光ビームは、プリズム、ミラー、または回折光学素子を含む様々な形態を取ることができるインカップリング光学素子によって平面導波路に結合され、角度関連ビームを画像源から導波路に方向付ける。例えば、こうした回折光学素子は、平面導波路の前面または背面上に取り付けられ得るか、または導波路内に形成され得る、回折格子またはホログラフィック光学素子として形成され得る。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成され得る。導波路内に結合した後の入力ビームの一部分は、本明細書では「インカップリングされた光線」と呼ばれることがある。
【0005】
導波路に沿って伝搬した後、回折光は、アウトカップリング回折光学素子などのアウトカップリング光学素子によって、導波路の外に方向付けられることができ、これは一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供するように配置され得る。導波路を通した周囲環境の視界を保つために、アウトカップリング光学素子は、着用者の現実世界の視界を歪ませたり、または別の方法で損ねたりすることは避けるべきである。回折光学素子として、アウトカップリング光学素子をインカップリング回折光学素子と整合させて、インカップリング回折光学素子によって課せられる任意の角度の符号化をデコードすることができる。加えて、アウトカップリング回折光学素子の効率は、導波路に沿って伝搬する角度関連ビームとの複数回の遭遇に対応するように制御されて、導波路から回折されたビームが、着用者の目によって虚像を見ることができるより大きな領域にわたって重なり合うように、各ビームを効果的に拡大することができる。
【0006】
画像担持光の経路（またはチャネル）の各々は、角度関係および／または色の特性など、画像に関する異なる情報を伝達する場合がある。赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）といったそれぞれの原色の画像担持光ビームのための光路を形成する回折光学素子は、各色の最適な性能のために異なる特性を必要とする場合がある。従来の光ガイド機構は、ディスプレイ光学素子の嵩張り、重量、および全体コストの大幅な減少をもたらしたが、解決すべき課題が依然として存在する。両面単板導波路では、典型的にはクロストークに遭遇する。ほとんどの光学システムとは異なり、導波路は固定された有効入力口径を有しない。一般的に、有効入力口径は、少なくとも平面導波路の厚さに依存する。インカップリングされた光線が結合されたインカップリング回折光学素子上に反射し戻る（すなわち、全内部反射によるバウンス）場合、インカップリングされた光線はアウトカップリングされ、導波路を通って伝搬する画像光ガイドへの画像担持光入力の量（すなわち、強度）が低減する傾向がある。虚像または画角内の単一の点に対応する画像担持光のコリメートされた光線の束とみなされる各ビームは、異なる角度でインカップリングするため、各画角は、異なる有効口径を有する。それゆえに、導波路の第二の表面に第二のインカップリング回折光学素子を追加することは、有効入力口径を最大で５０％減少させることができる。第二のインカップリング回折光学素子からインカップリングされた光が、（導波路の第一の表面上の）第一のインカップリング回折光学素子によってインカップリングされた光とは異なる方向に伝搬するように、第二のインカップリング回折光学素子の回折特徴を回転させることが知られている。しかしながら、色が処理され、間違った波長範囲の光路から色が表示されるクロストークを低減するために、波長範囲の光路の改善された分離が必要である。クロストークは、カラー画像データと表示された色との間の視差につながる可能性があり、視野像にわたる知覚可能な好ましくない色変化の原因となり得る。したがって、画像光ガイドの瞳孔拡張能力を依然として提供するが、これらの装置が、画像品質や色バランスを含むことなく、より薄型かつ軽量であることを可能にする、改善された設計に対するニーズがあることが理解され得る。
【発明の概要】
【0007】
本開示の実施形態は、クロストークを低減しながら、単一の厚さの基体内に少なくとも二つの波長範囲の光路を提供する導波路を提供する。
【0008】
本開示の一態様によれば、虚像を伝達するための画像光ガイドが提供され、これは、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第一の平面導波路であって、第一および第二の平行な表面を有する第一の平面導波路と、第一の表面に沿って、または第一の表面内に形成された第一のインカップリング回折光学素子であって、第一の複数の周期的回折構造を含み、第一のインカップリング回折光学素子が、角度的にコードされた形態で画像担持光ビームの第一の部分を第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子であって、第一のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を複製し、画像担持光ビームの複製された第一の部分を導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能である、第一のアウトカップリング回折光学素子と、第二の表面に沿って、または第二の表面内に形成された第二のインカップリング回折光学素子であって、第二のインカップリング回折光学素子が、入力画像担持光ビームの第二の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第二のインカップリング回折光学素子が、第一のインカップリング回折光学素子の第一の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する第二の複数の周期的回折構造を含み、第一のインカップリング回折光学素子が、第二のインカップリング回折光学素子と実質的に同一位置にある、第二のアウトカップリング回折光学素子と、画像担持光ビームの第一の部分を第一のアウトカップリング光学素子に方向付けるように動作可能であり、第一の平面に沿って位置する、第一の中間回折光学素子と、画像担持光ビームの第二の部分を第一のアウトカップリング回折光学素子に方向付けるように動作可能であり、第二の平面上に位置する、第二の中間回折光学素子と、を含み、第一の中間回折光学素子が、第二の中間回折光学素子に対してオフセットされ、それによって、画像担持光ビームの第一の部分と第二のインカップリング回折光学素子と第二の中間回折光学素子との間の相互作用が低減され、画像担持光ビームの第二の部分と第一のインカップリング回折光学素子と第一の中間回折光学素子との間の相互作用が低減され、画像担持光ビームの第一の部分が、第一の波長範囲を含み、画像担持光ビームの第二の部分が、第二の波長範囲を含む。
【0009】
特定の実施形態では、画像担持光ビームの第一の部分は第一の波長範囲を含み、画像担持光ビームの第二の部分は第二の波長範囲を含む。その他の実施形態では、画像担持光ビームの第一の部分は、角度関連ビームの第一の範囲を含み、画像担持光ビームの第二の部分は、角度関連ビームの第一の範囲とは異なる角度関連ビームの第二の範囲を含む。
【0010】
第一の平面導波路は、第二の表面上の第一のアウトカップリング回折光学素子と整列する第二のアウトカップリング回折光学素子を含み得る。一つの例示的な実施形態では、第一および第二のアウトカップリング回折光学素子は、同一の周期的回折特徴を有する。さらなる例示的な実施形態では、第一および第二のアウトカップリング回折光学素子は、画像担持光ビームの第一の部分および第二の部分を複製し、複製された画像担持光ビームを導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けられるように動作可能な、二次元の周期的回折特徴を含む。
【0011】
特定の実施形態では、第一および第二のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の各々は、周期性の軸を有し、第一の周期性の軸に沿った第一のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第一の組は、第一のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第二の組よりも強調される。
【0012】
さらなる実施形態では、第二の周期性の軸に沿った第二のアウトカップリング回折光学素子の周期的特徴の第一の組は、第二のアウトカップリング回折光学素子の周期的回折特徴の第二の組よりも強調される。
【0013】
追加的な実施形態では、第一および第二のアウトカップリング回折光学素子は各々、格子ベクトルを画定し、第一のアウトカップリング回折光学素子の格子ベクトルのうちの少なくとも一つは、第一のアウトカップリング回折光学素子の他の格子ベクトルよりも強調されず、第二のアウトカップリング回折光学素子の格子ベクトルのうちの少なくとも一つは、第二のアウトカップリング回折光学素子の他の格子ベクトルよりも強調されない。
【0014】
特定の例示的な実施形態では、画像担持光ビームの第一および第二の部分は、ハーフバウンス上で第一および第二のアウトカップリング回折光学素子と相互作用することができる。
【0015】
第二のインカップリング回折光学素子の第二の複数の周期的回折構造は、第一のインカップリング回折光学素子の第一の複数の周期的回折構造に対して約９０度で配向され得る。別の実施形態では、第一および第二のインカップリング回折光学素子はそれぞれ、入力格子ベクトルによってさらに表されることができ、第一のインカップリング回折光学素子の入力格子ベクトルは、第二のインカップリング回折光学素子の入力格子ベクトルと直交する５度以内である。いくつかの実施形態では、第一のインカップリング回折光学素子は、第二のインカップリング回折光学素子と同軸である。さらに、いくつかの実施形態では、第一のインカップリング回折光学素子は、第二のインカップリング回折光学素子とは異なるピッチを有する。
【0016】
第一の画像担持光ビームは、６２５ｎｍ～７４０ｎｍの範囲の波長を有する赤色の画像担持光ビームであってもよく、第二の画像担持光ビームは、４５０ｎｍ～４８５ｎｍの範囲の波長を有する青色の画像担持光ビームであってもよい。赤色の画像担持光ビームは、第二のインカップリング回折光学素子によってインカップリングされ、極度のかすめ角で回折することができ、赤色の画像担持光ビームは、９０度の角度に達した時に、全内部反射（ＴＩＲ）によって第一の画像光ガイド内で伝搬しない。青色の画像担持光ビームは、第一のインカップリング回折光学素子によってインカップリングされ、臨界角よりも小さい角度で回折され得、青色の画像担持光ビームは、ＴＩＲによって第一の画像光ガイド内で伝搬しない。
【0017】
画像光ガイドは、画像光ガイドシステムの一部とすることができ、第一の画像担持光ビーム源および第二の画像担持光ビーム源をさらに備え、それぞれが、組み合わされた時に多色の虚像が生成されるように、三原色バンドのうちの一つで画像を生成する。
【0018】
本発明の別の態様によれば、虚像を伝達するための画像光ガイドは、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第一の平面導波路であって、第一および第二の平行な表面を有する、第一の平面導波路と、第一の表面に沿って形成される第一のインカップリング回折光学素子であって、第一のインカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期的回折構造を含み、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子であって、第一のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分および第二の部分を複製し、複製された画像担持光ビームを導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能である、第一のアウトカップリング回折光学素子と、第二の表面に沿って形成された第二のインカップリング回折光学素子であって、画像担持光ビームの第二の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第二のインカップリング回折光学素子が、第一のインカップリング回折光学素子の第一の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する第二の複数の周期的回折構造を含み、第一のインカップリング回折光学素子が、第二のインカップリング回折光学素子と実質的に同一位置にある、第二のインカップリング回折光学素子と、第一の中間回折光学素子であって、画像担持光ビームの第一の部分を第一のアウトカップリング光学素子に、画像担持光ビームの第二の部分を第一のアウトカップリング回折光学素子に方向付けるように動作可能であり、第一の平面に沿って位置する、第一の中間回折光学素子と、を備え、画像担持光ビームの第一の部分は、第一の波長範囲を含み、画像担持光ビームの第二の部分は、第二の波長範囲を含む。
【0019】
本発明のなおも別の態様によれば、虚像を伝達するための画像光ガイドは、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第一の平面導波路であって、第一および第二の平行な表面を有する、第一の平面導波路と、第一の表面に沿って形成される第一のインカップリング回折光学素子であって、第一のインカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期的回折構造を含み、画像担持光ビームの第一の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第一のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の組の第二の部分を伝送するように動作可能である、第一のインカップリング回折光学素子と、導波路に沿って形成される第一のアウトカップリング回折光学素子であって、第一のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第一の部分を複製し、複製された画像担持光ビームの第一の部分を導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能である、第一のアウトカップリング回折光学素子と、第二の表面に沿って形成された第二のインカップリング回折光学素子であって、第二のインカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の部分を角度的にコードされた形態で第一の平面導波路に回折するように動作可能であり、第二のインカップリング回折光学素子が、第一のインカップリング回折光学素子の第一の複数の周期的回折構造とは異なる周期性を有する第二の複数の周期的回折構造を含む、第二のインカップリング回折光学素子と、第二の表面上で第一のアウトカップリング回折光学素子と整列している、第二のアウトカップリング回折光学素子であって、第二のアウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの第二の組を複製し、複製された画像担持光ビームの第二の組を導波路から角度的にデコードされた形態で方向付けるように動作可能である、第二のアウトカップリング回折光学素子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0020】
添付図面は、本明細書の一部として本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される図面は、本開示の主題の実施形態を例示し、本開示の選択された原理、および教示を例示するものである。しかしながら、図面は、本開示の主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、本開示の範囲をいかなる方法でも制限することを意図するものではない。
【0021】
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明は、相反する内容が明示的に特定されない限り、様々な代替的な配向、およびステップ配列を想定し得ることが、理解されるべきである。添付図面に図示され、以下の明細書に記述される、特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書に定義される発明概念についての単なる例示的な実施形態であることも、理解されるべきである。したがって、開示された実施形態に関連する、特定の次元、方向、またはその他の物理的特徴は、別途明示的に記載されない限り、限定するものとはみなされない。また、当てはまらない場合もあるが、本明細書に記載する様々な実施形態における同様の要素は、本明細書の本項内で同様の参照番号を用いて一般的に言及されてもよい。
【0023】
本明細書で使用される場合、「第一の」、「第二の」などの用語は、必ずしも、任意の順序関係、連続的関係、または優先順位関係を示すものではなく、別段の指定がない限り、単に一つの要素または要素の集合を別の要素とより明確に区別するために使用される。
【0024】
本明細書で使用される場合、「例示的な」という用語は、「実施例」を示すことを意味し、任意の好ましいまたは理想的な実施形態を示唆することは意図していない。
【0025】
本明細書で使用される場合、「ビューア」、「着用者」、「オペレータ」、「観察者」、および「ユーザー」という用語は同等であり、拡張現実システムを使用して画像を着用および表示する人物を指す。
【0026】
本明細書で使用される場合、「集合、組（ｓｅｔ）」という用語は、初等数学において、要素の集まり（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）、または集合の構成要素（ｍｅｍｂｅｒｓ ｏｆ ａ ｓｅｔ）という概念が広く理解されているように、空ではない集合を指す。本明細書で使用される場合、「部分集合」という用語は、別途明示的に記載されない限り、本明細書では、空ではない適切な部分集合、すなわち、一つ以上の構成要素を持つより大きな集合の部分集合を指すのに、使用される。集合Ｓについては、部分集合は、完全な集合Ｓを含んでもよい。ただし、集合Ｓの「適切な部分集合」は、厳密に集合Ｓに含まれ、集合Ｓの少なくとも一つの構成要素を除外する。
【0027】
本明細書で使用される場合、「波長帯」および「波長範囲」という用語は同等であり、色撮像分野の当業者によって使用される標準的な意味を有し、多色画像を表すために使用される光波長の連続的範囲を指す。
【0028】
本明細書で使用される場合、「結合」という用語は、一つの構成要素の配置が、それが結合される構成要素の空間的配置に影響を与えるように、二つ以上の構成要素間の物理的な結合、接続、関係、または関連付けを示すことが意図される。機械的結合については、二つの構成要素は直接接触している必要はないが、一つ以上の中間構成要素を介して連結され得る。光結合のための構成要素は、当業者によって理解されるように、光エネルギーを光学装置に入力または出力することを可能にする。
【0029】
本明細書で使用される場合、「バウンス」という用語は、全内部反射（「ＴＩＲ」）によって平面導波路を通して伝搬する光線が、平面導波路の第一の表面（例えば、上面または底面）で開始し、図１Ａおよび１Ｂに示すように、第一の表面の反対側にある第二の表面から第一の表面に向かって跳ね返る（または反射する）ことを意味することが意図される。バウンスは、図１Ａおよび１Ｂに示す距離「Ｄ」を有する。「ハーフバウンス」という用語は、バウンスの半分を意味し、Ｄの１／２の距離を有することを意図する。
【0030】
本明細書で使用される場合、「アイボックス拡張」という用語は、一つ以上の方向に射出瞳拡張を提供するために、光学素子との複数の遭遇を介してビームの複製を意味することが意図される。
【0031】
ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の画像の上に視覚的に重ね合わせることのできるカラーの虚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板導波路は、カラー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ユーザーに伝達する。平面導波路は、狭い空間で画像担持光を伝達して虚像をＨＭＤユーザーの瞳孔に方向付け、ＨＭＤユーザーの視野内にある現実世界の画像上に虚像を重ね合わせることを可能にし得る。
【0032】
画像光ガイドでは、コリメートされ、相対角度でコードされた、カラー画像源からの光ビームは、インカップリング回折光学素子などのインカップリング光学素子によって光学的に透明な画像光ガイドアセンブリにカップリングされ、これは平行板の平面導波路の表面上に取り付けるか、形成することができ、または導波路内に配置させることができる。こうした回折光学素子は、限定するものではないが、回折格子、ホログラフィック光学素子として形成され得る。例えば、回折格子は、表面レリーフ格子として形成され得る。平面導波路に沿って伝搬した後、回折されたカラー画像担持光は、類似の出力格子によって、平面導波路の外に再び向けることができ、これは一つ以上の方向に沿って瞳孔拡張を提供するように配置されてもよい。加えて、回折ターニング格子などの一つ以上の中間回折光学素子は、入力光学素子と出力光学素子との間に導波路に沿って光学的に位置付けられて、一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供し得る。
【0033】
導波路から放射されたコリメートされ、角度的にコードされた画像担持光ビームは、導波路から射出瞳距離で重なり合い、その中で画像源によって生成された虚像を見ることができる射出瞳を形成する。虚像が射出瞳距離で見ることができる射出瞳の領域は、アイボックスと呼ばれる。
【0034】
インカップリング光学素子は、画像源からの画像担持光を平面導波路の基体に結合する。任意の実像または画像の次元は、最初に、インカップリング光学素子への提示のために、画像内の異なる位置をコードする、重なり合う角度関連ビームのアレイに変換される。画像担持光の少なくとも一部分は回折され、それによって、ＴＩＲによる導波路に沿ったさらなる伝搬のために、角度的にコードされた画像担持光として、インカップリング光学素子によって導波路内に再び方向付けられる。ＴＩＲによって設定された境界に沿って、概して、角度関連の画像担持光ビームのより凝縮された範囲内へと回折されるが、画像担持光は、コードされた形態で、画像情報を保存する。アウトカップリング光学素子は、コードされた画像担持光を受信し、画像担持光の少なくとも一部分を導波路から、角度的にコードされた画像担持光として、アイボックスに向かって回折する。概して、アウトカップリング光学素子は、画像担持光の出力された角度関連ビーム間から、画像担持光の元の角度関係を復元するために、インカップリング光学素子に対して対称的に設計される。しかしながら、アイボックス内の角度関連の画像担持光ビーム間から、重なり合いの一つの次元を増大させるために、アウトカップリング光学素子は、画像担持光ビームに複数回遭遇し、それぞれの遭遇において画像担持光ビームの一部分のみを回折するように、配置される。伝搬方向へのアウトカップリング光学素子の長さに沿った複数の遭遇は、その中で画像担持光ビームが重なり合うアイボックスの一方向を拡張する効果を有する。拡張されたアイボックスは、虚像を見るためのビューアの眼の位置に対する感度を低下させる。
【0035】
単一の方向に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アウトカップリング回折光学素子と画像担持光ビームとの複数の遭遇によって、導波路に沿った伝搬方向に、アイボックスの一つの方向を拡張することができる。さらに、第二の方向に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アイボックスの第二の方向を拡張し、アイボックスの二方向性拡張を提供することができる。アウトカップリング回折光学素子の第一の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、導波路から出た各ビームのエネルギーの一部分を回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。アウトカップリング回折光学素子の第二の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、各ビームのエネルギーの一部分を、ビームの元の伝搬方向に対して角度付けた方向へと回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。
【0036】
実像を形成する方法とは異なり、虚像は表示面上には形成されない。すなわち、表示面が虚像の知覚される位置に位置付けられた場合、いかなる画像もその表面上には形成されない。虚像には、拡張現実の提示において、特有の多数の利点がある。例えば、虚像の見かけのサイズは、表示面のサイズまたは位置によって制限されない。さらに、虚像のソースオブジェクトは小さくてもよく、例えば、拡大鏡がオブジェクトの虚像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れた距離にあるように見える虚像を形成することによって、より現実的な視聴体験を提供することができる。虚像を提供することは、実像を投影する際に必要となる場合がある画面アーチファクトを補正する必要性も排除する。
【0037】
画像光ガイドの光学素子は、距離をおいて位置付けられるが観察者の視野内にある、実際の物体の外観を有する虚像を形成する。撮像技術分野の当業者に周知であるように、虚像は、光学システムから目に提供される光線の発散によって合成的にシミュレーションされる。この光学的効果は、観察者の視野内の所与の位置および距離にあるかのように見える「虚像」を形成するが、光線が実際に発散する視野には対応する「実際」の物体は存在しない。ビューアの視野内で現実世界の画像コンテンツと組み合わせることができる虚像を形成する能力は、拡張現実撮像装置を、現実世界の同時表示を許容しない他の虚像装置と区別する。
【0038】
概して平面の光導波路は、導波路の一つの領域から導波路の他の領域に、画像を担持する光を伝達するために使用され得る物理的構造である。こうした画像伝達導波路の用途には、ヘッドマウント式の単眼または双眼表示システムが含まれる。
【0039】
図２Ａおよび２Ｂに示すように、一実施形態では、画像光ガイドアセンブリ１０は、第一の平面導波路２０を含む。第一の平面導波路２０は、平行な底部平面１２および上部平面１４を有する。第一の平面導波路２０は、底部平面１２上に位置するインカップリング回折光学素子１６を含む。一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６は、表面レリーフ回折格子である。別の実施形態では、インカップリング回折光学素子１６は、ホログラム回折素子である。さらに一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６は、反射型回折格子素子である。第一の平面導波路２０はまた、インカップリング回折光学素子１６によって入力された画像担持光の一部分を、アウトカップリング回折光学素子２２に向かって反射モードで回折するように配向された中間回折光学素子１８を含んでもよい。中間回折光学素子は、本明細書では、ターニング格子１８とも呼ばれてもよい。一実施形態では、ターニング格子１８は、回折格子である。別の実施形態では、ターニング格子１８は、ホログラム回折素子である。ターニング格子１８は、第一の平面導波路２０内を一つ以上の方向に移動する画像担持光ビームの複数の遭遇を介して射出瞳を拡張するように動作可能である（一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供する）。アウトカップリング回折光学素子２２は、第一の平面導波路２０内で伝搬する画像担持光ビームの一部分を第一の平面導波路２０の外へと回折するように動作可能である。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２は回折格子である。別の実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２は、ホログラム回折素子である。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２は、三つの重なり合う線形周期的回折特徴の反復パターンを含む。三つのパターンは、少なくとも三つの一次格子ベクトルによって表されてもよい。周期的回折特徴の二つの重複パターンがある、アウトカップリング回折光学素子２２の一実施形態では、第三の格子ベクトルは暗示的に存在するが、以下でより詳細に説明するように程度は低減される。アウトカップリング回折光学素子２２は、一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供するように配置され得る。例えば、単一の方向に沿った屈折率の変化は、第一の平面導波路２０に沿った伝搬方向に、アウトカップリング回折光学素子２２との個々の角度関連ビームの複数の遭遇によって、アイボックスの一方向を拡張することができる。
【0040】
図２Ａおよび２Ｂに示す通り、インカップリング回折光学素子１６、３０およびアウトカップリング回折光学素子２２、３４は、図面の明瞭さを高めるために、中間回折光学素子１８、３２よりも大きな回折特徴プロファイルの奥行きで示されているが、インカップリング回折光学素子１６、３０、アウトカップリング回折光学素子２２、３４、および中間回折光学素子１８、３２は、本明細書に別途提供されない限り、同じ奥行きまたは任意の奥行きの組み合わせを有してもよい。
【0041】
引き続き図２Ａおよび２Ｂを参照すると、一実施形態では、第一の平面導波路２０は、上部平面１４上に位置するインカップリング回折光学素子３０をさらに含む。一実施形態では、インカップリング回折光学素子３０は、表面レリーフ回折格子である。別の実施形態では、インカップリング回折光学素子３０は、ホログラム回折素子である。第一の平面導波路２０はまた、インカップリング回折光学素子３０によって入力された画像担持光の一部分を、アウトカップリング回折光学素子３４に向かって反射モードで回折するように配向された中間回折光学素子３２を含んでもよい。中間回折光学素子３２は、本明細書では、ターニング格子とも呼ばれてもよい。一実施形態では、ターニング格子３２は、回折格子である。別の実施形態では、ターニング格子３２は、ホログラム回折素子である。ターニング格子３２は、一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供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素子３４は、第一の平面導波路２０内で伝搬する画像担持光ビームの一部分を第一の平面導波路２０の外へと回折するように動作可能である。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子３４は回折格子である。別の実施形態では、アウトカップリング回折光学素子３４は、ホログラム回折素子である。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子３４は、三つの重なり合う線形周期的回折特徴の反復パターンを含む。三つのパターンは、少なくとも三つの一次格子ベクトルによって表されてもよい。周期的回折特徴の二つの重複パターンがある、アウトカップリング回折光学素子３４の一実施形態では、第三の格子ベクトルは暗示的に存在するが、以下でより詳細に説明するように程度は低減される。アウトカップリング回折光学素子３４は、画像担持光ビームに複数回遭遇して、一つ以上の方向に瞳孔拡張を提供するように配置される。例えば、単一の方向に沿った屈折率の変化は、第一の平面導波路２０に沿った伝搬方向に、アウトカップリング回折光学素子３４との反復的な遭遇によって、アイボックスの一方向を拡張することができる。
【0042】
図２Ａに示すように、画像光ガイドアセンブリ１０は、画像担持光ビーム１０２を生成する画像源１００をさらに含む。一実施形態では、画像源１００はピコプロジェクターである。例えば、画像源１００は、画像光ガイドアセンブリ１０を通してｚ軸方向に沿って概して見るビューアに提示される画像を含む、画像担持光ビームの二つ以上の原色バンド１０４、１０６（例えば、赤色、緑色、または青色）を生成するピコプロジェクターであってもよい。別の実施形態では、図２Ｂに示すように、画像光ガイドアセンブリ１０は、複数の画像源１１０、１１２を含み、それぞれが画像担持光ビーム１０２を生成する。例えば、画像源１１０、１１２はそれぞれピコプロジェクターであってもよく、それぞれが画像担持光の単一の原色バンド１０４、１０６（例えば、赤色、緑色、または青色）を生成する。一実施形態における三原色バンドは、５００ｎｍ～５６５ｎｍの間の範囲の波長を有する緑色バンド、６２５ｎｍ～７４０ｎｍの間の範囲の波長を有する赤色バンド、および４５０ｎｍ～４８５ｎｍの間の範囲の波長を有する青色バンドである。一実施形態では、画像源１００は、赤色バンドに画像担持光ビーム１０４を生成し、青色バンドに画像担持光ビーム１０６を生成する。別の実施形態では、画像源１００は、赤色バンドに画像担持光ビーム１０４を生成し、緑色バンドに画像担持光ビーム１０６を生成する。一実施形態では、画像源１１０は、赤色バンドで画像担持光ビーム１０４を生成し、画像源１１２は、青色バンドで画像担持光ビーム１０６を生成する。別の実施形態では、画像源１１２は、緑色バンドの画像担持光ビーム１０６を生成する。
【0043】
一実施形態では、画像源１００または画像ビーム源１１０、１１２は、投影された画像担持光ビーム１０２の中心光線が平面導波路２０の上面１４に対して概して垂直であるように位置付けられる。画像源１００、または画像源１１０、１１２はまた、投影された画像担持光ビーム１０２の中心光線が平面導波路２０の上面１４または底面１２に対して垂直でないように位置付けられてもよい。当然のことながら、図２Ａおよび２Ｂは、画像光ガイドアセンブリ１０に含まれ得るすべての要素を図示するものではない。例えば、画像光ガイドアセンブリ１０は、他の特徴の中でも特に、アイウェア、および／または偏光フィルタなどのフィルタ内に投影された光を配向するためのプリズムを含んでもよい。
【0044】
図２Ａおよび２Ｂに示すように、一実施形態では、画像担持光ビーム１０２は、導波路２０の上面１４のインカップリング回折光学素子３０を通過し、画像担持光ビーム１０２の第一の部分は、インカップリングされた画像担持光ビーム５０として第一の平面導波路２０に回折される。画像担持光ビーム１０２の第二の部分は、導波路２０の底面１２のインカップリング回折光学素子１６を通過し、インカップリングされた画像担持光ビーム５２として第一の平面導波路２０内に回折される。インカップリングされた画像担持光ビーム５０、５２は、上部平面１４と底部平面１２との間の全内部反射（ＴＩＲ）によって第一の平面導波路２０を通って伝搬する。インカップリングされた画像担持光ビーム５０、５２は、それぞれターニング格子３２、１８によって再配向されてもよく、少なくとも一つの方向に拡張されてもよい。以下でさらに論じるように、インカップリングされた画像担持光ビーム５０は、少なくとも一つの方向に拡張されてもよく、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｒとして、アウトカップリング回折光学素子３４によって第一の平面導波路２０から方向付けられてもよい。インカップリングされた画像担持光ビーム５２は、少なくとも一つの方向に拡張されてもよく、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｂとして、アウトカップリング回折光学素子２２によって第一の平面導波路２０から方向付けられてもよい。
【0045】
図３Ａ～３Ｄは、平面導波路２０の図であり、同様の数字は図２Ａおよび２Ｂの同様の要素に対応する。図３Ａ～３Ｄは、それぞれ表面１２、１４上のｚ軸に沿って整列しているインカップリング回折光学素子１６、３０、および回折格子特徴および関連する格子ベクトルの各々をさらに示す。図３Ｄに示す通り、この図は、導波路２０の底面および上面を視覚的に分離する分解図であるが、この図には単一の導波路のみがあることが意図されている。平面導波路２０の各表面は、三色バンドのうちの少なくとも一つに供する回折構造を有する。格子ベクトルは、概してｋと指定され、光学素子内の回折特徴の組に特有の下付き文字で示されている。
【0046】
図３Ｂおよび３Ｃに示す通り、表面１４上のインカップリング光学素子３０は、回折特徴８０および格子ベクトルｋ１を有し、表面１２上のインカップリング回折光学素子１６は、回折特徴８２および格子ベクトルｋ２を有する。一実施形態では、インカップリング光学素子３０、１６の格子ベクトルｋ１およびｋ２はそれぞれ、互いに直交する５度（５°）以内である。インカップリング光学素子３０は、インカップリング光学素子１６の周期またはピッチ（ｄ２）とは異なる周期またはピッチ（ｄ１）を有してもよい。さらに、一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６、３０の格子ベクトルｋ１、ｋ２の間の角度は９０度（９０°）である。別の構成では、インカップリング回折光学素子１６、３０の格子ベクトルｋ１、ｋ２間の角度は、約９０度（９０°）である。平面導波路２０は、回折特徴８４および格子ベクトルｋ３を有する中間回折光学素子３２、ならびに回折特徴８６および格子ベクトルｋ４を有する中間回折光学素子１８をさらに含み得る。さらに、平面導波路２０は、それぞれが回折特徴８８および格子ベクトルｋ５、ｋ６、ｋ７を有する、アウトカップリング回折光学素子３４、２２を含み得る。
【0047】
描写された格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６およびｋ７などの格子ベクトルは、回折光学素子の回折特徴（例えば、溝、線、または定規）に対して垂直な方向に延在し、回折光学素子の周期またはピッチｄ（すなわち、回折光学素子の回折特徴間の中心距離）に対して逆の度合いを有する。一実施形態では、格子ベクトル±ｋ１、±ｋ３、±ｋ５の組み合わせは、先端から尾部に配置されたときに三角形を形成する。一実施形態では、格子ベクトル±ｋ２、±ｋ４、±ｋ６の組み合わせは、先端から尾部に配置されたときに三角形を形成する。一実施形態では、前記三角形は正三角形である。一実施形態では、前記三角形は二等辺三角形である。一実施形態では、前記三角形は不等辺三角形である。
【0048】
図３Ａ～３Ｄに示すように、平面導波路２０は、それぞれが回折特徴８８および格子ベクトルｋ５、ｋ６、ｋ７を有する、アウトカップリング回折光学素子３４、２２を含み得る。一実施形態では、回折特徴８８は、二つまたは三つの組の線形回折特徴を含み得る。一実施形態では、それぞれのアウトカップリング回折光学素子３４、２２は、線形回折特徴の第一の組７０、線形回折特徴の第二の組７２、および線形回折特徴の第三の組７４を含み、それぞれの組７０、７２、および７４は、異なる格子ベクトルｋ５、ｋ６、ｋ７を有する。例えば、図３Ａ～３Ｄに示すように、周期的回折特徴の第一の組７０は、第一の周期性の軸に沿って配向され得、周期的回折特徴の第二の組７２は、第二の周期性の軸に沿って配向され得、周期的回折特徴の第三の組７４は、第三の周期性の軸に沿って配向され得る。一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６およびターニング格子１８は、同じピッチ（ｄ２）およびインカップリング回折光学素子３０を有し、ターニング格子３２は、同じピッチ（ｄ１）を有する。一実施形態では、回折特徴７０は、インカップリング回折光学素子３０と同じピッチを有し、回折特徴７２は、インカップリング回折光学素子１６およびターニング格子１８と同じピッチを有する。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子３４、２２の回折特徴７０は、アウトカップリング回折光学素子３４、２２の回折特徴７２よりも強調される。例えば、回折特徴７０は、回折特徴７２よりも大きな奥行きを有してもよく、それによって、回折特徴７２に対して回折特徴７０の回折効率を増加させる。さらに、一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子３４、２２の回折特徴７２は、アウトカップリング回折光学素子３４、２２の回折特徴７０よりも強調される。例えば、回折特徴７２は、回折特徴７０よりも大きな奥行きを有してもよく、それによって、回折特徴７０に対して回折特徴７２の回折効率を増加させる。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２、３４はそれぞれ、格子ベクトルｋ５、ｋ６、ｋ７を含み、アウトカップリング回折光学素子２２、３４の格子ベクトルのうちの少なくとも一つは、アウトカップリング回折光学素子２２、３４の他の格子ベクトルよりも強調されない。例えば、図３Ｅに示すように、アウトカップリング回折光学素子２２、３４が、それぞれ格子ベクトルｋ５、ｋ６を有する第一および第二のパターンの回折特徴７０、７２を含む場合、第三のパターンの回折特徴７４は固有であり、第三のパターンの回折特徴７４は第三の格子ベクトルｋ７を有する。この例では、第三の格子ベクトルｋ７は、格子ベクトルｋ５、ｋ６と比較して程度が低減される。
【0049】
一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６、３０は同一位置に配置される。すなわち、一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６、３０は、ｚ軸方向に沿って同軸に整列またはほぼ整列される。
【0050】
一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２、３４は、同一のピッチおよび配向を含む同一の回折特徴を有する。別の実施形態では、平面導波路２０は、図４に示すように、一つのみのアウトカップリング回折光学素子を含む。例えば、平面導波路２０は、アウトカップリング回折光学素子２２、３４のうちのいずれかを含んでもよい。一つのアウトカップリング回折光学素子２２、３４のみを含む実施形態では、アウトカップリング回折光学素子２２、３４を介した二次元アイボックス拡張が可能である。少なくとも二つの方向に沿った屈折率の変動は、アイボックスの第二の方向を拡張し、アイボックスの二方向拡張を提供することができる。アウトカップリング回折光学素子の第一の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、導波路から出た各ビームのエネルギーの一部分を回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。アウトカップリング回折光学素子の第二の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、各ビームのエネルギーの一部分を、ビームの元の伝搬方向に対して角度付けた方向へと回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。
【0051】
本明細書に記載される実施形態のいずれかでは、アウトカップリング回折特徴８８は、少なくとも二つの異なる格子ベクトルｋ５、ｋ６を有する二次元構造として形成され得る。一実施形態では、アウトカップリング回折特徴８８は、少なくとも三つの一次格子ベクトルｋ５、ｋ６、ｋ７を有する。一実施形態では、二次元構造８８は、ブレーズド格子を含む。別の実施形態では、二次元構造８８は、概して三角形の形状によって描写される。
【0052】
再び図２Ａ、２Ｂ、および図３Ａ～３Ｄに戻ると、一実施形態では、平面導波路２０のそれぞれの表面は、三つの波長（または色バンド）のうちの少なくとも一つを供する回折構造を有する。したがって、底部１２上の構成要素は、主に一つまたは二つの波長／光路のためのものであり、一方で上部１４上に示される構成要素は、底部１２上の波長／光路とは異なる波長／光路のためのものである。しかしながら、アウトカップリング回折光学素子２２、３４のそれぞれは、導波路２０の光路のそれぞれで動作する。例えば、図３Ｄでは、一つの波長範囲の光路ＣＢは、青色光（約４５０～４８５ｎｍ）に対して提供され、第二の波長範囲の光路ＣＲは赤色光（約６１０～７８０ｎｍ）に対して提供される。波長範囲の光路ＣＢは、回折素子１６および２２と、平面導波路２０の裏面１２上に形成されたターニング格子１８とを有する。波長範囲の光路ＣＲは、導波路２０の上面１４に沿って配置されたインカップリング回折光学素子３０、中間回折光学素子３２、およびアウトカップリング回折光学素子３４と、導波路２０の底面１２に沿って配置されたアウトカップリング回折光学素子２２とを含む。一実施形態では、インカップリング回折光学素子１６および３０は、平行な底面１２および上面１４に対して垂直な共通の虚軸に沿って互いに整列する。同様に、アウトカップリング回折光学素子２２および３４はまた、平行な上面１２および底面１４に対して垂直な共通の虚軸に沿って整列する。それぞれのターニング格子１８、３２は、同様に整列されていない。当然のことながら、波長範囲の光路およびそれらの関連する帯域幅範囲のいくつかの配置のいずれかを使用することができる。図２Ａおよび２Ｂに示すように、一実施形態では、画像担持光ビーム１０２は、導波路２０の上面１４のインカップリング回折光学素子３０を通過し、第一の波長範囲の画像担持光ビーム１０２の第一の部分は、インカップリングされた画像担持光ビーム５０として第一の平面導波路２０に回折される。一実施形態では、第一の波長範囲は赤色バンドである。画像担持光ビーム１０２の第二の部分は、導波路２０の底面１２のインカップリング回折光学素子１６を通過する第二の波長範囲を含むことができ、インカップリングされた画像担持光ビーム５２として第一の平面導波路２０内に回折される。一実施形態では、第二の波長範囲は青色バンドである。
【0053】
一実施形態では、画像担持光ビーム１０２の第二の部分は、第三のインカップリング回折光学素子を有する第二の平面導波路（図示せず）を通過する第三の波長範囲をさらに含んでもよい。一実施形態では、第三の波長範囲は緑色バンドである。インカップリングされた画像担持光ビーム５０、５２は、上部平面１４と底部平面１２との間の全内部反射（ＴＩＲ）によって第一の平面導波路２０を通って伝搬する。インカップリングされた画像担持光ビーム５０、５２は、それぞれターニング格子３２、１８によって再び方向付けられてもよく、少なくとも一つの方向に拡張されてもよい。インカップリングされた画像担持光ビーム５０は、少なくとも一つの方向に拡張されてもよく、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｒとしてアウトカップリング回折光学素子３４によって第一の平面導波路２０から方向付けられてもよい。インカップリング担持光ビーム５２は、少なくとも一つの方向に拡張されてもよく、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｂとして、アウトカップリング回折光学素子２２によって第一の平面導波路２０から方向付けられてもよい。
【0054】
典型的には、例えば、赤色波長範囲内の画像担持光ビーム１０４が、例えば、青色波長範囲内の画像担持光ビーム１０６をインカップリングするように配置されたインカップリング回折光学素子１６を介してインカップリングする場合、画像担持光ビーム５０としてインカップリングされた画像担持光ビーム１０４は、極端なかすめ角にあり、ＴＩＲによって第一の平面導波路２０を通して伝搬しない。一実施形態では、インカップリング回折光学素子３０の回折特徴８０は、インカップリング回折光学素子１６の回折特徴のピッチよりも粗いピッチを有し、画像担持光ビーム５２は臨界角よりも大きい角度で回折せず、これは画像担持光ビーム５２がＴＩＲによって第一の平面導波路を通って伝搬することを妨害する。
【0055】
波長範囲の光路間のクロストークは、複数の積み重ねられた導波路を使用する配置を含む、多くのタイプの撮像システムにおいて問題となる場合があるが、両面導波路を含む単一の導波路を使用する設計について特に懸念される。クロストークを低減するための一つのアプローチは、角度および距離の両方の観点から、光ガイド内の光路を可能な限り分離することである。したがって、図３Ｄに示すように、波長範囲の光路ＣＲ内の画像担持光の経路は、波長範囲の光路ＣＢ内の画像担持光の経路から角度および距離の両方だけ分離され、その結果、間違った色路への光の「漏れ」は発生しないか、または無視できる。したがって、図３Ｂ～３Ｃに示すように、インカップリング回折光学素子１６の複数の周期的回折構造８２は、インカップリング回折光学素子３０の複数の周期的回折構造８０に対して概して９０度（９０°）に位置付けられる。
【0056】
インカップリング回折光学素子１６、３０でのクロストークを減少させる必要があるが、驚くべきことに、このクロストークは、出力開口全体にわたって画像担持光１３０の出力強度および均一性を改善するのに有利であり得る。図２Ａおよび２Ｂに示す通り、画像担持光ビーム５０、５２は、「ハーフバウンス」時にアウトカップリング回折光学素子２２、３４と相互作用する。例えば、画像担持光ビーム５０は、ハーフバウンスでアウトカップリング回折光学素子２２と相互作用し、画像担持光ビーム１３０Ｒ（１／２）としてアウトカップリングされ、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｒ、１３０Ｒ（１／２）の周波数および均一性を増加させる。さらに、画像担持光ビーム５２は、ハーフバウンスでアウトカップリング回折光学素子３４と相互作用し、画像担持光ビーム１３０Ｂ（１／２）としてアウトカップリングされ、アウトカップリングされた画像担持光ビーム１３０Ｂ、１３０Ｂ（１／２）の頻度および均一性を増加させる。
【0057】
画像光ガイドシステムでは、画像担持光の異なる角度範囲は、画像担持光の異なる波長範囲と同様に挙動する。画像担持光の異なる角度範囲を利用して、虚像の視野を増加させる（すなわち、広い視野）ことができる。例えば、上述のような二つの波長範囲の画像担持光のための二つの光路を利用する画像光ガイドは、＋／－１５度の角度範囲の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有してもよい。対照的に、波長範囲が画像光ガイド１０内の両方の光路に対して同じである一実施形態は、－３０～０度の角度範囲で光を伝搬するために第一の光路が利用されてもよく、第二の光路が０～＋３０度の角度範囲で光を伝搬するために利用されてもよい。
【0058】
一実施形態では、複数の波長範囲経路を提供するのではなく、画像光ガイド１０は、複数の角度範囲経路を提供するように動作可能である。例えば、画像源１００は、左角度範囲（例えば、－３０～０度）の角度に関連する画像担持光ビーム１０４および右角度範囲（例えば、０～＋３０度）の角度に関連する画像担持光ビーム１０６を生成し得る。同様に、画像源１１０は、左角度範囲内で角度に関連する画像担持光ビーム１０４を生成してもよく、画像源１１２は、右角度範囲内で角度に関連する画像担持光ビーム１０６を生成してもよい。上述の画像光ガイド１０は、角度範囲経路の改善された分離を介して、低減されたクロストークを提供する。
【0059】
図５の斜視図は、本開示の画像光ガイドを使用した拡張現実視聴のための、三次元（３Ｄ）表示システム６０を示す。表示システム６０は、左眼用の導波路２０Ｌを有する左眼用光学システム６２Ｌと、右眼用の導波路２０Ｒを有する右眼用光学システム６２Ｒを有するＨＭＤとして示されている。ピコプロジェクターまたは類似の装置などの画像源１００が提供され、各眼に対して別個の画像を生成するように通電可能であり得る。生成される画像は、３Ｄ視聴のための、立体視可能な一対の画像とすることができる。光学システムによって伝達される虚像は、ビューアにより鑑賞される現実世界の情景コンテンツ上に重ね合わされるか、またはオーバーレイされているように見えることがある。情景コンテンツを視聴するために、またはビューアの視線追跡などのために、ＨＭＤのフレームへ取り付けられた、一つ以上のカメラなど、拡張現実可視化技術分野の当業者であれば周知である追加の構成要素を、提供することもできる。一実施形態では、各眼用の別個のプロジェクターが含まれる。
【0060】
ここで図６を参照すると、一実施形態では、導波路２０は、中間回折光学素子１８、３２を用いて設計されてもよい。例えば、アウトカップリング回折光学素子２２、３４は、インカップリング回折光学素子１６、３０から伝搬する画像担持光ビームの入射速度を増加させるために増大した面積を有し得る。
【0061】
本明細書に記載される実施形態の一つ以上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製してもよい。本発明は、現在好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されてきたが、当然のことながら、変形および修正が、本発明の趣旨および範囲内で達成され得る。したがって、本開示の実施形態は、すべての点において例示として考慮されるべきであり、限定的なものではない。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がその中に包含されることが、意図される。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2024-03-26
【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１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項19】
前記画像担持光ビームの前記第一の組が第一の波長範囲を含み、前記画像担持光ビームの前記第二の組が第二の波長範囲を含む、請求項１８に記載の画像光ガイド。
【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２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項20】
画像担持光ビームの前記第一の組が、角度関連ビームの第一の範囲を含み、画像担持光ビームの前記第二の組が、角度関連ビームの前記第一の範囲とは異なる角度関連ビームの第二の範囲を含む、請求項１８に記載の画像光ガイド。
【国際調査報告】