特表 2024-531487 ディスプレイ構造体およびディスプレイデバイス

(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】ディスプレイ構造体およびディスプレイデバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240822BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240822BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240822BHJP

   G02C 11/00 20060101ALN20240822BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/18

H04N5/64 511A

G02C11/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024513125

(86)(22)【出願日】2022-08-24

(85)【翻訳文提出日】2024-04-03

(86)【国際出願番号】 FI2022050548

(87)【国際公開番号】W WO2023031507

(87)【国際公開日】2023-03-09

(31)【優先権主張番号】20215929

(32)【優先日】2021-09-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520184365

【氏名又は名称】ディスペリックス オサケ ユキチュア

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ハッシネン、ティモ

(72)【発明者】

【氏名】オルッコネン、ユーソ

【テーマコード（参考）】

2H006

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H199CA02

2H199CA12

2H199CA53

2H199CA66

2H199CA67

2H199CA82

2H249AA06

2H249AA16

2H249AA41

2H249AA62

(57)【要約】

ディスプレイ構造体（１０００）およびディスプレイデバイスが開示される。ディスプレイ構造体（１０００）は、第１の面（１１１０）および第２の面（１１２０）を備える導波路（１１００）と、第１の面（１１１０）上に配置され、第２の面（１１２０）を介して光（１１０１）を外部に結合するように構成された出力結合回折格子（１２００）とを備える。出力結合回折格子（１２００）は、二次横方向（１２０２）を向いた第１の端部（１２１１）と、第１の端部（１２１１）から二次横方向（１２０２）とは反対の一次横方向（１２０１）に向かって延びる第１のリッジ部分（１２１３）と、一次横方向（１２０１）を向いた第２の端部（１２１２）と、第２の端部（１２１２）から二次横方向（１２０２）に向かって延びる第２のリッジ部分（１２１５）を備える一次リッジ（１２１０）を備える。第１のリッジ部分（１２１３）は、第１の高さｈ_１を有し、第２のリッジ部分（１２１５）は、第１の高さｈ_１より小さい第２の高さｈ_２を有する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導波路（１１００）と、回折型の出力結合回折格子（１２００）とを備えるディスプレイ構造体（１０００）であって、
前記導波路（１１００）は、全反射によって前記導波路（１１００）内に光（１１０１）を閉じ込めるための第１の面（１１１０）および第２の面（１１２０）を備え、前記第２の面（１１２０）は、前記第１の面（１１１０）から厚さ方向（１１０２）に向かって配置され、
前記出力結合回折格子（１２００）は、前記第１の面（１１１０）上に配置され、前記第２の面（１１２０）を介して前記導波路（１１００）からの前記光（１１０１）を結合するように構成され、
前記出力結合回折格子（１２００）は、一次リッジ（１２１０）と、前記一次リッジ（１２１０）に平行な二次リッジ（１２２０）とを備え、前記二次リッジ（１２２０）は、前記一次リッジ（１２１０）から一次横方向（１２０１）に向かって配置され、
前記一次リッジ（１２１０）は、前記一次横方向（１２０１）とは反対の二次横方向（１２０２）を向いた第１の端部（１２１１）と、前記第１の端部（１２１１）から前記一次横方向（１２０１）に向かって延びる第１のリッジ部分（１２１３）と、前記一次横方向（１２０１）を向いた第２の端部（１２１２）と、前記第２の端部（１２１２）から前記二次横方向（１２０２）に向かって延びる第２のリッジ部分（１２１５）とを備え、
前記第１のリッジ部分（１２１３）は、前記厚さ方向（１１０２）に沿って測定される第１の高さｈ_１を有し、前記第２のリッジ部分（１２１５）は、前記厚さ方向（１１０２）に沿って測定され、前記第１の高さｈ_１よりも小さい第２の高さｈ_２を有し、前記第２の高さｈ_２と第１の高さｈ_１との高さ比ｒ_ｈは０．４５以上である、ディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項2】

前記第２の高さｈ_２と前記第１の高さｈ_１との前記高さ比ｒ_ｈは０．５以上、または０．５５以上、または０．６以上、および／または０．９以下、または０．８５以下、または０．８以下、または０．７５以下である、請求項１に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項3】

前記ディスプレイ構造体（１０００）は、前記第１の面（１１１０）上にコーティング（１３００）を備え、前記出力結合回折格子（１２００）は、前記コーティング（１３００）内に形成される、請求項１または２に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項4】

前記導波路（１１００）は、可視波長λ_ＶＩＳで第１の屈折率ｎ_１を有する第１の材料を含み、前記コーティング（１３００）は、前記可視波長λ_ＶＩＳで前記第１の屈折率ｎ_１よりも高い第２の屈折率ｎ_２を有する第２の材料を含む、請求項３に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項5】

前記可視波長λ_ＶＩＳでの前記第２の屈折率ｎ_２と前記第１の屈折率ｎ_１との屈折率差Δｎは、０．３以上、または０．４以上、または０．５以上、または０．６以上、または０．７以上である、請求項４に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項6】

前記可視波長λ_ＶＩＳは、４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、４７０ｎｍ、４８０ｎｍ、４９０ｎｍ、５００ｎｍ、５１０ｎｍ、５２０ｎｍ、５３０ｎｍ、５４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５６０ｎｍ、５７０ｎｍ、５８０ｎｍ、５９０ｎｍ、６００ｎｍ、６１０ｎｍ、６２０ｎｍ、６３０ｎｍ、６４０ｎｍ、および６５０ｎｍからなる群から選択される、請求項４または５に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項7】

前記出力結合回折格子（１２００）は、周期ｄと、前記一次リッジ（１２１０）と前記二次リッジ（１２２０）との間の前記一次横方向（１２０１）に沿って測定されたおよびリッジ間距離ｄ_ｉｒとを有し、前記リッジ間距離ｄ_ｉｒと前記周期ｄとの間の距離比ｒ_ｄは０．２５以下、または０．２以下、または０．１５以下、または０．１以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項8】

前記第１のリッジ部分（１２１３）は、前記第２のリッジ部分（１２１５）に隣接し、前記一次リッジ（１２１０）は、前記第１のリッジ部分（１２１３）と前記第２のリッジ部分（１２１５）との間に配置された階段状構造体（１２１７）を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項9】

前記第１のリッジ部分（１２１３）は、前記一次横方向（１２０１）に沿って測定される第１の幅ｗ_１を有し、第２のリッジ部分（１２１５）は、前記第１の幅ｗ_１よりも大きい、前記一次横方向（１２０１）に沿って測定される第２の幅ｗ_２を有する、請求項８に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項10】

前記第１の幅ｗ_１と前記第２の幅ｗ_２との幅比ｒ_ｗは１．１以上、または１．２、以上、または１．３以上、または１．４以上、および／または３以下、または２．８以下、または２．６以下、または２．５以下、または２．４以下である、請求項９に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項11】

前記第１のリッジ部分（２２１３）は、前記第１の端部（２２１１）から延びる横方向の第１の外面（２２１４）を備え、前記第２のリッジ部分（２２１５）は、前記第２の端部（２２１２）から延びる横方向の第２の外面（２２１６）を備え、前記一次リッジ（２２１０）は、中間リッジ部分（２２１８）を備え、前記中間リッジ部分（２２１８）は、前記第１のリッジ部分（２２１３）から前記第２のリッジ部分（２２１５）まで延び、前記第１の外面（２２１４）と前記第２の外面（２２１６）を接続する傾斜中間外面（２２１９）を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項12】

前記出力結合回折格子（１２００）は、少なくとも前記一次横方向（１２０１）に沿った瞳複製によって射出瞳拡張を実行するように構成される、請求項１～１１のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項13】

前記出力結合回折格子（１２００）は、前記第１の面（１１１０）を介した前記導波路（１１００）からの光（１１０１）の結合を最小限に抑えるように構成される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（１０００）。

【請求項14】

請求項１～１３のいずれか一項に記載のディスプレイ構造体（３２００）を備えるディスプレイデバイス（３０００）。

【請求項15】

シースルーディスプレイデバイスとして実現される、請求項１４に記載のディスプレイデバイス（３０００）。

【請求項16】

ヘッドマウントディスプレイデバイスとして実現される、請求項１４または１５に記載のディスプレイデバイス（３０００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ディスプレイデバイスに関するものである。特に、本開示は、回折型の出力結合回折格子を備えた導波路ベースのディスプレイデバイスおよびその構造体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

導波路ベースのディスプレイデバイスの出力結合回折格子は、通常、導波路からの光を使用者の目に向かう方向とそこから離れる方向の両方に結合する。多くのアプリケーション、例えば、ヘッドマウントシースルーディスプレイデバイス（例えば、スマートグラス）では、使用者の片目または両目から離れる方向、つまり外界側に向かう光の結合は、エネルギー効率、情報セキュリティ、美観を含む様々な理由から望ましくない可能性がある。

【0003】

従来、異なる出力結合回折格子による世界側への光の出力結合は、出力結合回折格子の下または上に配置された様々な薄膜スタックの使用によって低減される。このようなアプローチでは、ディスプレイデバイスに許容可能な出力結合効率特性を提供できるが、従来の解決策で示される光漏れは、特にＴＭ偏光の入力光の場合に、過度になる可能性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記を考慮すると、導波路ベースのディスプレイデバイスの出力結合回折格子に関連する新しい解決策を開発することが望ましい可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される、簡略化された形式で概念の選択を紹介するために提供されている。本概要は、特許請求された主題の主要な構成または本質的な構成を特定することを意図したものではなく、また、特許請求された主題の範囲を限定するために使用されることを意図したものでもない。

【0006】

第１の態様によれば、ディスプレイ構造体が提供される。ディスプレイ構造体は、全反射によって導波路内に光を閉じ込めるための第１の面および第２の面を備える導波路を備える。第２の面は、第１の面から厚さ方向に向かって配置される。ディスプレイ構造体は、第１の面上に配置された回折型の出力結合回折格子をさらに備える。出力結合回折格子は、第２の面を介して導波路からの光を結合するように構成される。出力結合回折格子は、一次リッジ（隆起部）と、一次リッジに平行な二次リッジとを備える。二次リッジは、一次リッジから一次横方向に向かって配置される。一次リッジは、一次横方向とは反対の二次横方向を向いた第１の端部と、第１の端部から一次横方向に向かって延びる第１のリッジ部分と、一次横方向を向いた第２の端部と、第２の端部から二次横方向に向かって延びる第２のリッジ部分とを備える。第１のリッジ部分は、厚さ方向に沿って測定される第１の高さを有し、第２のリッジ部分は、厚さ方向に沿って測定される第２の高さを有し、第２の高さは、第１の高さよりも小さい。

【0007】

第２の態様によれば、第１の態様に係るディスプレイ構造体を備えるディスプレイデバイスが提供される。

【0008】

本開示は、添付図面に照らして読まれる以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】ディスプレイ構造体の断面図を示す。

【図2】別のディスプレイ構造体の断面図を示す。

【図3】ディスプレイデバイスを示す。

【0010】

特に反対の記載がない限り、前述の図面のうちのいずれの図面も、当該図面の実施形態の特定の構造的側面を強調するために、当該図面のいずれかの要素が当該図面の他の要素に対して不正確な比率で描かれている可能性があるように縮尺通りに描かれていない可能性がある。

【0011】

さらに、前述の図面のうちの任意の２つの図面の実施形態における対応する要素は、当該２つの図面の実施形態の特定の構造的側面を強調するために、当該２つの図面において互いに不均衡である場合がある。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、一実施形態に係るディスプレイ構造体１０００の部分断面図およびディスプレイ構造体１０００の一部の拡大図を示す。

【0013】

本明細書では、「ディスプレイデバイス」は、画像および／またはデータを視覚的に表示するための、操作可能な出力デバイス、例えば電子デバイスを指すことができる。ディスプレイデバイスは、一般的に、画像および／またはデータの視覚的表示に必要または有益な任意の部品または要素（例えば、電源ユニット、光学エンジン、コンバイナ光学ユニット（例えば、導波路ベースのコンバイナ光学ユニット）、視線追跡ユニット、頭部追跡ユニット、ジェスチャ感知ユニット、および／または深度マッピングユニット）を備えることができる。ディスプレイデバイスは、可搬型ディスプレイデバイス（例えば、ヘッドマウントディスプレイデバイスおよび／またはシースルーディスプレイデバイス）であってもよいし、そうでなくてもよい。

【0014】

本明細書において、「ヘッドマウントディスプレイデバイス」とは、ヘッドギアの部品の一部として頭部に装着されるように、および／または目の上にまたは目の上を覆って装着されるように構成されたディスプレイデバイスを指すことができる。

【0015】

さらに、「シースルーディスプレイデバイス」または「透明ディスプレイデバイス」は、その使用者がディスプレイデバイスを通して見るだけでなく、ディスプレイデバイス上に表示される画像および／またはデータを見ることを可能にするディスプレイデバイスを指すことができる。

【0016】

本開示全体を通して、「ディスプレイ構造体」は、動作可能なディスプレイデバイスの少なくとも一部を指すことができる。追加的または代替的に、ディスプレイ構造体とは、ディスプレイデバイスでの使用に適した構造体を指すことができる。

【0017】

図１の実施形態では、ディスプレイ構造体１０００は、導波路１１００を備える。

【0018】

本開示では、「導波路」は、光導波路を指すことができる。追加的または代替的に、導波路は、二次元導波路を指すことができ、光を当該導波路の厚さ方向に沿って閉じ込めることができる。

【0019】

図１の実施形態の導波路１１００は、全反射によって導波路１１００内に光１１０１を閉じ込めるための第１の面１１１０および第２の面１１２０を備える。第２の面は、第１の面１１１０の反対側に、そこから厚さ方向１１０２に向かって配置される。

【0020】

本開示において、導波路の「面」は、特定の視線方向から見える、または特定の視線方向を向いた当該導波路の表面の一部を指すことができる。追加的または代替的に、導波路の面は、全反射によって当該導波路内に光を閉じ込めるのに適した、またはそのように構成された表面を指すことができる。

【0021】

図１の実施形態では、ディスプレイ構造体１０００は、第１の面１１１０上に配置された回折型の出力結合回折格子１２００も備える。

【0022】

本明細書において、「回折格子」は、その動作が可視光の回折に基づいている光学格子を指すことができる。一般的に、回折格子は、可視光の波長程度の少なくとも１つの寸法（例えば、１マイクロメートル未満の少なくとも１つの寸法）を有する１つまたは複数の構造的特徴を備えることができる。一般的に、回折格子は、単一領域回折格子として、または複数領域回折格子として実装することができる。回折格子は、一般的に、少なくとも表面レリーフ回折格子または体積ホログラフィック回折格子として実装することができ、透過型および／または反射型回折格子として機能するように構成することができる。当然のことながら、「回折型の出力結合回折格子」は、導波路からの光を結合するように構成された回折格子を指すことができる。一般的に、回折型の出力結合回折格子は、瞳複製によって射出瞳拡張を実行するようにさらに構成することができる。

【0023】

本明細書において、「射出瞳拡張」とは、光の出力結合が生じる当該導波路の部分を拡張するために、制御された方法で導波路内に光を分配するプロセスを指すことができる。さらに、「瞳複製」とは、複数の射出副瞳が結像系内に形成される射出瞳拡張プロセスを指すことができる。

【0024】

出力結合回折格子１２００は、第２の面１１２０を介して導波路１１００からの光１１０１を結合するように構成される。したがって、出力結合回折格子１２００は、反射型回折格子として機能するように構成される。

【0025】

図１の実施形態の出力結合回折格子１２００は、一次リッジ１２１０と、一次リッジ１２１０に平行な二次リッジ１２２０とを備える。図１において、一次リッジ１２１０および二次リッジ１２２０の各々は、図面の平面に対して垂直に長手方向に延び、二次リッジ１２２０は、一次リッジ１２１０から一次横方向１２０１に向かって配置される。

【0026】

図１の挿入図に示されているように、一次リッジ１２１０は、一次横方向１２０１とは反対の二次横方向１２０２を向いた第１の端部１２１１と、第１の端部１２１１から一次横方向１２０１に向かって延びる第１のリッジ部分１２１３とを備える。一次リッジ１２１０はまた、一次横方向１２０１を向いた第２の端部１２１２と、第２の端部１２１２から二次横方向１２０２に向かって延びる第２のリッジ部分１２１５とを備える。

【0027】

図１の実施形態では、第１のリッジ部分１２１３は、厚さ方向１１０２に沿って測定される第１の高さ（ｈ_１）を有し、第２のリッジ部分１２１５は、厚さ方向１１０２に沿って測定される第２の高さ（ｈ_２）を有し、第２の高さ（ｈ_２）は、ｈ_１よりも低い。一般的に、第１の高さを有する第１のリッジ部分と、第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のリッジ部分とにより、使用者の片目または両目への光の出力結合効率を高めること、および／または使用者の片目または両目への光の出力結合効率の、世界側への出力結合効率に対する比率を高めることが可能になり得る。使用者の片目または両目への光の出力結合効率は、ＴＥ偏光入力光とＴＭ偏光入力光の両方でかなり大きくなる可能性がある。従来の解決策と比較して、このような出力結合効率の増加は、特にＴＭ偏光入力光で観察される可能性がある。

【0028】

本明細書において、リッジ部分の「高さ」は、導波路の厚さ方向に沿った当該リッジ部分の範囲の尺度を指すことができる。出力結合回折格子が、一次リッジと二次リッジとを備える場合、当該出力結合回折格子は、当該一次リッジと当該二次リッジとの間に間隙を備えてもよく、当該一次リッジのリッジ部分の高さは、当該間隙の最も低い点から当該リッジ部分の最も高い点まで測定されてもよい。

【0029】

図１の実施形態では、出力結合回折格子１２００は、光１１０１を出力結合するように特に構成されており、光１１０１は、全反射によって導波路１１００内に閉じ込められ、一次横方向１２０１に向かって導かれる。他の実施形態では、出力結合回折格子は、導波路から一次横方向に導かれた光を、その第２の面を介して結合するように構成されていてもよいし、構成されていなくてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、出力結合回折格子は、任意の適切な方向、例えば、厚さ方向に垂直であり、一次横方向と鋭角（例えば、４５°以下、または３０°以下、または２０°以下、または１５°以下、または１０°以下、または５°以下の角度）を形成する方向に導かれる光を結合するように構成することができる。

【0030】

図１の実施形態の出力結合回折格子１２００は、一次横方向１２０１に沿った瞳複製によって射出瞳拡張を実行するように構成されている。他の実施形態では、出力結合回折格子は、少なくとも一次横方向に沿って、すなわち、一次横方向に沿って、および任意選択で厚さ方向に垂直な１つまたは複数の他の方向に沿って、瞳複製によって射出瞳拡張を実行するように構成されてもよいし、構成されなくてもよい。

【0031】

図１の実施形態では、ｈ_２とｈ_１との高さ比（ｒ_ｈ）は、約０．７とすることができる。他の実施形態では、任意の適切な高さ比（例えば、０．４５以上、または０．５以上、または０．５５以上、または０．６以上、および／または０．９以下、または０．８５以下、または０．８以下、または０．７５以下の高さ比）を使用できる。

【0032】

図１の実施形態では、ｈ_１は、約６５ｎｍとすることができる。他の実施形態では、第１のリッジ部分は、任意の適切な第１の高さ（例えば、４０ｎｍ以上、または４５ｎｍ以上、または５０ｎｍ以上、および／または２００ｎｍ以下、または１８０ｎｍ以下、または１６０ｎｍ以下の第１の高さ）を有することができる。

【0033】

図１の実施形態では、ｈ_２は、約４５ｎｍとすることができる。他の実施形態では、第２のリッジ部分は、任意の適切な第２の高さ（例えば、２０ｎｍ以上、または２５ｎｍ以上、または３０ｎｍ以上、および／または１５０ｎｍ以下、または１４０ｎｍ以下、または１２０ｎｍ以下の第２の高さ）を有することができる。

【0034】

図１の実施形態のディスプレイ構造体１０００は、第１の面１１１０上にコーティング１３００を備え、出力結合回折格子１２００は、コーティング１３００内に形成される。一般的に、コーティング内に形成される出力結合回折格子は、ディスプレイ構造体の製造を容易にする、および／または導波路の屈折率を変えることなく出力結合回折格子の回折効率の調整を容易にすることができる。他の実施形態では、ディスプレイ構造体は、導波路の第１の面上にコーティングを備えてもよいし、備えなくてもよい。ディスプレイ構造体が導波路の第１の面上にコーティングを備える実施形態では、出力結合回折格子は、当該コーティング内に形成されてもよいし、形成されなくてもよい。いくつかの実施形態では、出力結合回折格子は、少なくとも部分的に（すなわち、部分的または全体的に）導波路に形成されてもよい。

【0035】

図１の実施形態の導波路１１００は、可視波長（λ_ＶＩＳ）で第１の屈折率（ｎ_１）を有する第１の材料を含み、コーティング１３００は、λ_ＶＩＳでｎ_１よりも高い第２の屈折率（ｎ_２）を有する第２の材料を含む。一般的に、当該第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料を含むコーティングは、第１のリッジ部分の第１の高さおよび第２のリッジ部分の第２の高さを低減することを可能にし、これにより、次いで、ディスプレイ構造体の製造を容易にすることができる、および／または使用者の片目または両目への出力結合効率の、世界側への出力結合効率に対する比を増加させることを可能にする。導波路が、可視波長で第１の屈折率を有する第１の材料を含むか、それから本質的になるか、またはそれからなる他の実施形態では、コーティングは、当該可視波長で当該第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料を含むか、それから本質的になるか、またはそれからなってもよいし、それを含まないか、それから本質的になっていないか、またはそれからなっていなくてもよい。

【0036】

図１の実施形態では、λ_ＶＩＳでｎ_２とｎ_１との屈折率差（Δｎ）は、約０．７とすることができる。一般的に、より高い屈折率差は、使用者の片目または両目への光の出力結合効率をさらに増加させる、および／または使用者の片目または両目への出力結合効率の、世界側への出力結合効率に対する比を増加させることができる。他の実施形態では、第２の屈折率と第１の屈折率との任意の適切な屈折率差を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、０．３以上、または０．４以上、または０．５以上、または０．６以上、または０．７以上の屈折率差を使用することができる。

【0037】

図１の実施形態では、ｎ_１は、λ_ＶＩＳで約２とすることができる一方で、ｎ_２は、λ_ＶＩＳで約２．７とすることができる。他の実施形態では、任意の適切な屈折率が使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ｎ_１は、λ_ＶＩＳで１．５以上または１．６以上、および／または２．１以下または２．０以下とすることができる。そのような実施形態では、ｎ_２は、例えば、２．２以上、または２．３以上、および／または３以下、または２．８以下とすることができる。

【0038】

図１の実施形態の場合、ｎ_１、ｎ_２、およびΔｎの値は、５００ｎｍのλ_ＶＩＳで考慮することができる。他の実施形態では、ｎ_１、ｎ_２、およびΔｎの値は、任意の適切な可視波長（すなわち、３８０ｎｍ～７６０ｎｍに及ぶスペクトル範囲内の任意の波長）で考慮することができる。例えば、いくつかの実施形態では、関連する可視波長は、４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、４７０ｎｍ、４８０ｎｍ、４９０ｎｍ、５００ｎｍ、５１０ｎｍ、５２０ｎｍ、５３０ｎｍ、５４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５６０ｎｍ、５７０ｎｍ、５８０ｎｍ、５９０ｎｍ、６００ｎｍ、６１０ｎｍ、６２０ｎｍ、６３０ｎｍ、６４０ｎｍ、および６５０ｎｍからなる群から選択することができる。

【0039】

図１の実施形態の導波路１１００の第１の材料は、例えば、高屈折率ガラスとすることができ、コーティング１３００の第２の材料は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）とすることができる。他の実施形態では、任意の適切な材料（複数可）、例えば、ガラス（複数可）、酸化物材料（複数可）、および／または窒化物材料（複数可）などの無機材料（複数可）、または有機ポリマー（複数可）を、第１の材料および／または第２の材料として使用することができる。

【0040】

図１の実施形態では、図１に示すように、出力結合回折格子１２００は、周期（ｄ）と、一次リッジ１２１０と二次リッジ１２２０との間の一次横方向１２０１に沿って測定されるリッジ間距離（ｄ_ｉｒ）とを有する。出力結合回折格子１２００は、約０．１のｄ_ｉｒとｄとの距離比（ｒ_ｄ）を有することができる。一般的に、距離比が低いほど、使用者の片目または両目への光の出力結合効率が増加する、および／または使用者の片目または両目への出力結合効率の、世界側への出力結合効率に対する比が増加する可能性がある。他の実施形態では、任意の適切な距離比（例えば、０．２５以下、または０．２以下、または０．１５以下、または０．１以下の距離比）を使用することができる。

【0041】

図１の実施形態の場合、ｄは、約３４０ｎｍとすることができる。他の実施形態では、任意の適切な周期（例えば、３００ｎｍ以上、または３１０ｎｍ以上、または３２０ｎｍ以上、または３２５ｎｍ以上、および／または４７０ｎｍ以下、または４６０ｎｍ以下、または４５０ｎｍ以下、または４４０ｎｍ以下の周期）を使用することができる。

【0042】

図１の実施形態の場合、ｄ_ｉｒは、約３０ｎｍとすることができる。他の実施形態では、任意の適切なリッジ間距離（例えば、１５ｎｍ以上、または２０ｎｍ以上、または２５ｎｍ以上、または３０ｎｍ以上、および／または１００ｎｍ以下、または８０ｎｍ以下、または６０ｎｍ以下、または５０ｎｍ以下のリッジ間距離）を使用することができる。

【0043】

図１の実施形態の第１のリッジ部分１２１３は、第２のリッジ部分１２１５に隣接しており、一次リッジ１２１０は、第１のリッジ部分１２１３と第２のリッジ部分１２１５との間に配置された階段状構造体１２１７を備える。したがって、図１の実施形態の出力結合回折格子１２００は、図１の回折格子は、３レベル（すなわち、２段）の階段状回折格子として実現される。一般的に、３レベルの階段状回折格子などの階段状回折格子をディスプレイ構造体に利用すると、当該ディスプレイ構造体の製造が容易になる可能性がある。他の実施形態では、一次リッジの第１のリッジ部分は、当該一次リッジの第２のリッジ部分に隣接してもよいし、隣接しなくてもよく、当該一次リッジは、当該第１のリッジ部分と当該第２のリッジ部分との間に配置された階段状構造体を備えてもよいし、備えなくてもよい。

【0044】

図１の実施形態では、第１のリッジ部分１２１３は、第１の端部１２１１から延びる横方向の第１の外面１２１４を備え、第２のリッジ部分１２１５は、第２端壁から延びる横方向の第２の外面１２１６を備える。他の実施形態では、第１のリッジ部分は、そのような横方向の第１の外面を備えてもよいし、備えなくてもよく、および／または第２のリッジ部分は、そのような横方向の第２の外面を備えてもよいし、備えなくてもよい。

【0045】

図１の実施形態では、第１のリッジ部分１２１３は、一次横方向１２０１に沿って測定される第１の幅（ｗ_１）を有し、第２のリッジ部分１２１５は、一次横方向１２０１に沿って測定され、ｗ_１よりも大きい第２の幅（ｗ_２）を有する。第１のリッジ部分が第２のリッジ部分に隣接する他の実施形態では、第２のリッジ部分の第２の幅は、第１のリッジ部分の第１の幅よりも大きくてもよいし、大きくなくてもよい。いくつかの実施形態では、第２のリッジ部分は、第１のリッジ部分の第１の幅以下の第２の幅を有することができる。

【0046】

図１の実施形態では、ｗ_２とｗ_１との幅比（ｒ_ｗ）は、約１．４とすることができる。第１のリッジ部分が第２のリッジ部分に隣接する他の実施形態では、任意の適切な幅比を使用することができる。第２のリッジ部分の第２の幅が第１のリッジ部分の第１の幅よりも大きい他の実施形態では、例えば、１．１以上、または１．２以上、または１．３以上、または１．４以上、および／または３以下、または２．８以下、または２．６以下、または２．５以下、または２．４以下の幅比を使用することができる。

【0047】

図１の実施形態の場合、ｗ_１は、約１３０ｎｍとすることができる。第１のリッジ部分が第２のリッジ部分に隣接する他の実施形態では、第１のリッジ部分は、任意の適切な第１の幅（例えば、８０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上、または１２０ｎｍ以上、および／または３００ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、または２６０ｎｍ以下の第１の幅）を有することができる。

【0048】

図１の実施形態では、ｗ_２は、約１８０ｎｍとすることができる。第１のリッジ部分が第２のリッジ部分に隣接する他の実施形態では、第２のリッジ部分は、任意の適切な第２の幅（例えば、１００ｎｍ以上、または１２０ｎｍ以上、または１４０ｎｍ以上、および／または３００ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、または２６０ｎｍ以下の第２の幅）を有することができる。

【0049】

図１の実施形態では、出力結合回折格子１２００は、第１の面１１１０を介して導波路１１００から出た光１１０１の結合を最小限に抑えるように構成される。特に、ｒ_ｈ、ｈ_１、ｈ_２、ｒ_ｗ、ｗ_１、ｗ_２、ｒ_ｄ、ｄ、およびｄ_ｉｒの各々は、導波路１１００から世界側に向かう光１１０１の結合を最小限に抑えるように選択される。他の実施形態では、出力結合回折格子は、第１の面を介した導波路からの光の結合を最小限に抑えるように構成されてもよいし、構成されなくてもよい。出力結合回折格子が第１の面を介した導波路からの光の結合を最小限に抑えるように構成された実施形態では、高さ比、第１の高さ、第２の高さ、幅比、第１の幅、第２の幅、距離比、周期、およびリッジ間距離のうちの１つまたは複数は、当該第１の面を介した当該導波路からの光の結合を最小限に抑えるように選択することができる。

【0050】

図１の実施形態のディスプレイ構造体１０００は、少なくとも部分的にナノインプリントリソグラフィを使用して形成された可能性がある。他の実施形態では、任意の適切な１つまたは複数の方法（例えば、ナノインプリントリソグラフィおよび／またはグレースケール電子ビームリソグラフィ）を使用することができる。

【0051】

図１の実施形態では、出力結合回折格子１２００は、一次リッジ１２１０の断面形状と同一の断面形状を有する複数のリッジを備える。特に、二次リッジ１２２０は、一次リッジ１２１０の形状と同一の形状を有する。他の実施形態では、出力結合回折格子は、当該出力結合回折格子の一次リッジの断面形状と同一の断面形状を有する複数（すなわち、２つ以上、３つ以上、４つ以上など）のリッジを備えてもよいし、備えなくてもよい。出力結合回折格子が、当該出力結合回折格子の一次リッジの断面形状と同一の断面形状を有する複数のリッジを備える実施形態では、二次リッジは、当該一次リッジの形状と同一の形状を有してもよいし、有さなくてもよい。

【0052】

図２は、一実施形態に係るディスプレイ構造体２０００を示す。図２の実施形態は、図１を参照して、および／または図１と併せて開示された実施形態のいずれかに従うことができる。追加的または代替的に、図２には明示的に示されていないが、図２の実施形態またはその任意の部分は、一般的に、図２では省略されている図１の実施形態の任意の構成および／または要素を備えることができる。

【0053】

図１の実施形態のディスプレイ構造体１０００と同様に、図２の実施形態のディスプレイ構造体２０００は、回折型の出力結合回折格子２２００を備え、回折型の出力結合回折格子２２００は、導波路１１００の第１の面１１１０上に配置され、導波路１１００の第２の面１１２０を介して光１１０１を導波路１１００から結合するように構成される。しかしながら、出力結合回折格子２２００の一次リッジ２２１０および二次リッジ２２２０の断面形状は、図１の実施形態の出力結合回折格子１２００の一次リッジ１２１０および二次リッジ１２２０の断面形状とは異なる。

【0054】

図１の実施形態の一次リッジ１２１０と同様の方法で、図２の実施形態の一次リッジ２２１０は、一次横方向１２０１とは反対の二次横方向１２０２を向いた第１の端部２２１１と、第１の端部２２１１から一次横方向１２０１に向かって延びる第１のリッジ部分２２１３と、一次横方向１２０１を向いた第２の端部２２１２と、第２の端部２２１２から二次横方向１２０２に向かって延びる第２のリッジ部分２２１５とを備える。第１のリッジ部分２２１３は、厚さ方向１１０２に沿って測定される第１の高さ（ｈ_１）を有する。第２のリッジ部分２２１５は、厚さ方向１１０２に沿って測定される第２の高さ（ｈ_２）を有し、第２の高さ（ｈ_２）は、ｈ_１よりも低い。

【0055】

図１の実施形態とは反対に、第１のリッジ部分２２１３は、第１の端部２２１１から延びる横方向の第１の外面２２１４を備え、第２のリッジ部分２２１５は、第２の端部２２１２から延びる横方向の第２の外面２２１６を備え、一次リッジ２２１０は、中間リッジ部分２２１８を備え、中間リッジ部分２２１８は、第１のリッジ部分２２１３から第２のリッジ部分２２１５まで延び、第１の外面２２１４と第２の外面２２１６を接続する傾斜中間外面２２１９を備える。一般的に、そのような中間リッジ部分はさらに、使用者の片目または両目への光の出力結合効率を高める、および／または使用者の片目または両目への出力結合効率の、世界側への出力結合効率に対する比率を高めることができる。

【0056】

図２の実施形態では、ｈ_２とｈ_１との間のｒ_ｈは、約０．６とすることができる。例えば、ｈ_１は、約９０ｎｍとすることができる一方、ｈ_２は、約５５ｎｍとすることができる。

【0057】

図２の実施形態の出力結合回折格子２２００は、約０．１の、ｄ_ｉｒとｄとの間のｒ_ｄを有することができる。例えば、ｄは、約３７０ｎｍとすることができ、ｄ_ｉｒは、約４０ｎｍとすることができる。

【0058】

図２の実施形態では、ｗ_２とｗ_１との間のｒ_ｗは、約０．９とすることができる。一次リッジが傾斜中間外面を備える中間リッジ部分を備える他の実施形態では、任意の適切な幅比（例えば、０．８以上、または０．９以上、または１．０以上、または１．１以上、および／または、２以下、または１．８以下、または１．６以下、または１．４以下の幅比）を使用することができる。

【0059】

図２の実施形態の場合、ｗ_１は、約１１０ｎｍとすることができる。一次リッジが傾斜中間外面を備える中間リッジ部分を備える他の実施形態では、第１のリッジ部分は、任意の適切な第１の幅（例えば、６０ｎｍ以上、または８０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上、および／または３００ｎｍ以下、または２８０ｎｍ以下、または２６０ｎｍ以下の第１の幅）を有することができる。

【0060】

図２の実施形態では、ｗ_２は、約１００ｎｍとすることができる。一次リッジが傾斜中間外面を備える中間リッジ部分を備える他の実施形態では、第２のリッジ部分は、任意の適切な第２の幅（例えば、６０ｎｍ以上、または８０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上、および／または３００ｎｍ以下、または２８０ｎｍ以下、または２６０ｎｍ以下の第２の幅）を有することができる。

【0061】

図２の実施形態では、中間リッジ部分２２１８は、一次横方向１２０１に沿って測定される第３の幅（ｗ_３）を有し、第３の幅（ｗ_３）は、ｗ_１およびｗ_２のいずれよりも大きい。一次リッジが傾斜中間外面を備える中間リッジ部分を備える他の実施形態では、当該中間リッジ部分は、ｗ_１および／またはｗ_２よりも大きい第３の幅を有してもよいし、有さなくてもよい。いくつかの実施形態では、中間リッジ部分は、ｗ_１および／またはｗ_２以下の第３の幅を有してもよい。

【0062】

図２の実施形態では、ｗ_３は、約１２０ｎｍとすることができる。一次リッジが傾斜中間外面を備える中間リッジ部分を備える他の実施形態では、中間リッジ部分は、任意の適切な第３の幅（例えば、６０ｎｍ以上、または８０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上、および／または３００ｎｍ以下、または２８０ｎｍ以下、または２６０ｎｍ以下の第３の幅）を有することができる。

【0063】

上記では、主にディスプレイ構造体の構造的および材料関連の構成について説明した。以下では、ディスプレイデバイスに関連する構成に重点を置く。実装方法、定義、詳細、および利点について上で述べたことは、以下で説明するディスプレイデバイスの態様にも準用される。その逆も同様である。

【0064】

図３は、一実施形態に係るディスプレイデバイス３０００を示す。図３の実施形態は、図１および図２のいずれかを参照して、および／または図１および図２のいずれかと併せて開示された実施形態のいずれかに従うことができる。追加的または代替的に、図３には明示的に示されていないが、図３の実施形態またはその任意の部分は、一般的に、図３では省略されている図１および図２の実施形態のいずれかの任意の構成および／または要素を備えることができる。

【0065】

図３の実施形態では、ディスプレイデバイス３０００は、シースルーヘッドマウントディスプレイデバイスとして、より具体的には、シースルーディスプレイを備えた眼鏡として実装される。他の実施形態では、ディスプレイデバイスは、例えば、シースルーディスプレイデバイスおよび／またはヘッドマウントディスプレイデバイスとして、任意の適切な方法で実装することができる。

【0066】

図３の実施形態では、ディスプレイデバイス３０００は、フレーム３１００と、フレーム３１００によって支持される第１の態様に係るディスプレイ構造体３２００とを備える。他の実施形態では、ディスプレイデバイスは、そのようなフレームを備えてもよいし、備えなくてもよい。

【0067】

図３の実施形態では、ディスプレイ構造体３２００は、導波路３２１０と、光３２０１を導波路３２１０に結合するための入力結合回折格子３２２０と、入力結合回折格子３２２０からの光３２０１を受け取るように構成された中間瞳拡張構造体３２３０と、中間瞳拡張構造体３２３０から光３２０１を受け取るように構成された反射型出力結合回折格子３２４０とを備える。他の実施形態では、ディスプレイ構造体は、そのような入力結合回折格子および／またはそのような中間瞳拡張構造体を備えてもよいし、備えなくてもよい。

【0068】

図５に示されるように、ディスプレイデバイス３０００は、全反射によって導波路３２１０内を伝播させるために光３２０１を導波路３２１０内に導くように構成された光学エンジン３２５０をさらに備える。他の実施形態では、ディスプレイデバイスは、そのような光学エンジンを備えてもよいし、備えなくてもよい。

【0069】

以下では、いくつかの例について説明する。

【0070】

第１の例では、第１の例のディスプレイ構造体、第１の参照ディスプレイ構造体、および第２の参照ディスプレイ構造体が、１５°の視野（ＦＯＶ）を提供するディスプレイデバイス内で約５２０ｎｍのλ_ＶＩＳの単色照明用に設計され最適化された。これら３つのディスプレイ構造体を最適化した後、それらの出力結合効率特性が計算され、比較された。

【0071】

第１の例のディスプレイ構造体は、導波路、入力結合回折格子、および回折型の３レベルの階段状出力結合回折格子を備えていた。参照ディスプレイ構造体は、例のディスプレイ構造体とほぼ同一であった。しかしながら、第１および第２の参照ディスプレイ構造体には、階段状出力結合回折格子の代わりに、それぞれバイナリ出力結合回折格子および傾斜出力結合回折格子が設けられていた。これらの出力結合回折格子の各々は、一次横方向に沿った瞳複製による一次元の射出瞳拡張用に構成され、中間瞳拡張構造体が存在しない場合に入力結合回折格子から直接光を受け取った。

【0072】

結果によると、第１の参照ディスプレイ構造体の目から世界への外部結合効率比（

【数1】

）は、ＴＥ偏光入力光の場合はＦＯＶ全体で約１．６であり、ＴＭ偏光入力光の場合はＦＯＶ全体で１．６～１．７であった。第２の参照ディスプレイ構造体の場合、

【数2】

は、ＴＥ偏波の場合は１７～２３、ＴＭ偏波の場合は３～３０の範囲であった。

【0073】

第１の例のディスプレイ構造体の場合、

【数3】

は、ＴＥ偏光の場合は３０～１１０、ＴＭ偏光の場合は２５～１１０の範囲であった。このように、第１の例のディスプレイ構造体は、第１および第２の参照ディスプレイ構造体の

【数4】

よりもそれぞれ約２桁および１桁高い

【数5】

を示した。

【0074】

さらに、結果は、第１の参照ディスプレイ構造体の目側の外部結合効率（

【数6】

）が、ＴＥ偏光入力光の場合はＦＯＶ全体で３．２％～４．５％の範囲であり、ＴＭ偏光入力光の場合はＦＯＶ全体で１．６％～２．３％の範囲であったのに対して、第２の参照ディスプレイ構造体の

【数7】

は、ＴＥ偏光の場合は４．９％～６．４％の範囲であり、ＴＭ偏光の場合は０．４％～０．９％の範囲であったことを示していた。

【0075】

第１の例のディスプレイ構造体の場合、

【数8】

は、ＴＥ偏光の場合は４．４％～４．６％の範囲であり、ＴＭ偏光の場合は３．５％～６．８％の範囲であった。このように、第１の例のディスプレイ構造体は、ＴＭ偏光の場合、第１および第２の参照ディスプレイ構造体の

【数9】

よりも著しく高い

【数10】

を示した。

【0076】

第２の例では、第２の例のディスプレイ構造体が、１５°のＦＯＶを提供するディスプレイデバイス内で約５２０ｎｍの

【数11】

の単色照明用に設計され最適化された。第２の例のディスプレイ構造体を最適化した後、その出力結合効率特性が計算され、第１の例の第１および第２の参照ディスプレイ構造体の出力結合効率特性と比較された。

【0077】

第２の例のディスプレイ構造体は、第１の例のディスプレイ構造体のものと同一の導波路および入力結合回折格子を備えていた。しかしながら、第２の例のディスプレイ構造体は、リッジを備えた回折型の出力結合回折格子を備え、傾斜中間外面を備える中間リッジ部分が、横方向の第１の外面を備える第１のリッジ部分から、横方向の第２の外面を備える第２のリッジ部分まで延びており、中間外面が第１の外面と第２の外面を接続していた。換言すれば、第２の例のディスプレイ構造体の出力結合回折格子のリッジは、図２の実施形態の出力結合回折格子２２００のリッジと同様の形状を有していた。

【0078】

結果によると、第２の例のディスプレイ構造体の

【数12】

は、ＴＥ偏光の場合には３０～１００の範囲であり、ＴＭ偏光の場合には３０～６５の範囲であった。したがって、第２の例のディスプレイ構造体は、第１および第２の参照ディスプレイ構造体よりもそれぞれ約２桁および１桁高い

【数13】

を示した。

【0079】

さらに、第２の例のディスプレイ構造体の

【数14】

は、ＴＥ偏光の場合は３．８％～４％の範囲であり、ＴＭ偏光の場合は４．２％～８．３％の範囲であることを結果は示した。したがって、第２の例のディスプレイ構造体は、ＴＭ偏光の場合、第１および第２の参照ディスプレイ構造体の

【数15】

よりも著しく高い

【数16】

を示した。

【0080】

上述の第１および第２の例では、第１および第２の例のディスプレイ構造体、ならびに第１および第２の参照ディスプレイ構造体は、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方の入力光で使用するために設計され、最適化された。当然のことながら、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の入力光のうちの１つだけを使用するように最適化されたディスプレイ構造体の場合、より高い値の

【数17】

および

【数18】

を得られる場合がある。

【0081】

技術の進歩に伴い、本発明の基本的な考え方が様々な方法で実装することができることは、当業者には明らかである。したがって、本発明およびその実施形態は、上記の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で変更することができる。

【0082】

上記の恩恵および利点はいずれも、１つの実施形態に関連する場合もあれば、いくつかの実施形態に関連する場合もあることが理解されるであろう。実施形態は、記載された問題の一部またはすべてを解決するもの、あるいは記載された恩恵および利点のいずれかまたはすべてを有するものに限定されない。

【0083】

「備える」という用語は、本明細書では、１つまたは複数の追加の構成または活動の存在を排除することなく、その後に続く構成（複数可）または活動（複数可）を含むことを意味するために使用される。さらに、「１つの」項目への言及は、それらの項目のうちの１つまたは複数を指すことが理解されるであろう。

【符号の説明】

【0084】

ｈ_１ 第１の高さ
ｈ_２ 第２の高さ
ｒ_ｈ＝ｈ_２／ｈ_１ 高さ比
ｄ 周期
ｄ_ｉｒ リッジ間距離
ｒ_ｄ＝ｄ_ｉｒ／ｄ 距離比
ｗ_１ 第１の幅
ｗ_２ 第２の幅
ｗ_３ 第３の幅
ｒ_ｗ＝ｗ_２／ｗ_１ 幅比
ｎ_１ 第１の屈折率
ｎ_２ 第２の屈折率
λ_ＶＩＳ 可視波長
Δｎ＝ｎ_２－ｎ_１ 屈折率差

【数19】

外部結合効率比

【数20】

目側外部結合効率
１０００ ディスプレイ構造体
１１００ 導波路
１１０１ 光
１１０２ 厚み方向
１１１０ 第１の面
１１２０ 第２の面
１２００ 出力結合回折格子
１２０１ 一次横方向
１２０２ 二次横方向
１２１０ 一次リッジ
１２１１ 第１の端部
１２１２ 第２の端部
１２１３ 第１のリッジ部分
１２１４ 第１の外面
１２１５ 第２のリッジ部分
１２１６ 第２の外面
１２１７ 階段状構造体
１２２０ 二次リッジ
１３００ コーティング
２０００ ディスプレイ構造体
２２００ 出力結合回折格子
２２１０ 一次リッジ
２２１１ 第１の端部
２２１２ 第２の端部
２２１３ 第１のリッジ部分
２２１４ 第１の外面
２２１５ 第２のリッジ部分
２２１６ 第２の外面
２２１８ 中間リッジ部分
２２１９ 中間外面
２２２０ 二次リッジ
３０００ ディスプレイデバイス
３１００ フレーム
３２００ ディスプレイ構造体
３２０１ 光
３２１０ 導波路
３２２０ 入力結合回折格子
３２３０ 中間瞳拡張構造体
３２４０ 出力結合回折格子
３２５０ 光学エンジン

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】