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特表2024-531524ディスプレイモジュール光を導波路に向けるための光学システム
(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】ディスプレイモジュール光を導波路に向けるための光学システム
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240822BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20240822BHJP
G02C 11/00 20060101ALN20240822BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
G02C11/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024513753
(86)(22)【出願日】2022-08-23
(85)【翻訳文提出日】2024-02-29
(86)【国際出願番号】 US2022041249
(87)【国際公開番号】W WO2023034080
(87)【国際公開日】2023-03-09
(31)【優先権主張番号】63/240,277
(32)【優先日】2021-09-02
(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】503260918
【氏名又は名称】アップル インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ａｐｐｌｅ Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ａｐｐｌｅ Ｐａｒｋ Ｗａｙ，Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９５０１４， Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100121979
【弁理士】
【氏名又は名称】岩崎 吉信
(72)【発明者】
【氏名】デラップ スコット エム
(72)【発明者】
【氏名】バクタ ヴィクラント
(72)【発明者】
【氏名】フ ディ
(72)【発明者】
【氏名】ペン グオリン
(72)【発明者】
【氏名】カサー ダーシャン アール
(72)【発明者】
【氏名】ラフ ジョン
【テーマコード（参考）】
2H006
2H199
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H006CA00
2H199CA04
2H199CA12
2H199CA23
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA27
2H199CA29
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA47
2H199CA48
2H199CA49
2H199CA50
2H199CA52
2H199CA54
2H199CA58
2H199CA59
2H199CA60
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA86
2H199CA92
2H199CA93
2H199CA94
2H249AA07
2H249AA13
2H249AA50
2H249AA60
2H249AA62
2H249AA63
2H249AA66
(57)【要約】
ディスプレイシステムは、導波路（５０）と、第１の表面レリーフ格子（ＳＲＧ）を有する入力カプラ（７４Ｉ）と、第２のＳＲＧを有する出力カプラとを含んでもよい。ディスプレイモジュール（２０Ａ）は、第１のＳＲＧによって導波路内に結合される画像光を生成することができる。第１のＳＲＧは、導波路の法線軸に対して非平行な入力ベクトルを有してもよい。ディスプレイモジュールは、入力ベクトルに対してゼロ以外の角度だけ傾斜した光軸を有してもよい。プリズム（８６）は、モジュールからの画像光を入力ベクトルに平行な方向に第１のＳＲＧに方向転換することができる。モジュールは、画像光の視野の中心に対してオフセットされた光軸を有するレンズ素子（１００）を含んでもよい。これにより、レンズ素子は、第１のＳＲＧの入力ベクトルに平行な方向に画像光を出力することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路に結合するように構成された第１の表面レリーフ格子であって、前記第１の表面レリーフ格子が入力ベクトルを有する、第１の表面レリーフ格子と、
前記入力ベクトルに対して非平行な角度で前記光を出力するように構成されたプロジェクタと、
前記プロジェクタと前記導波路との間に光学的に結合されたプリズムであって、前記プリズムが、前記プロジェクタからの前記光を前記入力ベクトルに平行な方向に前記第１の表面レリーフ格子に方向転換するように構成されている、プリズムと、
前記導波路からの前記光を結合するように構成されている第２の表面レリーフ格子と、
を備える、ディスプレイ。
【請求項2】
前記プリズムが色消しプリズムを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項3】
前記プリズムが、第１の光学ウェッジと、前記第１の光学ウェッジ上の第２の光学ウェッジとを含み、前記第１の光学ウェッジ及び前記第２の光学ウェッジが、前記光を透過させるように構成されており、前記第１の光学ウェッジが、第１の材料を含み、前記第２の光学ウェッジが、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項4】
前記角度及び前記入力ベクトルが、５～２５度だけ分離される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項5】
前記導波路が側面を含み、前記角度及び前記入力ベクトルが各々、前記側面の法線軸に対して非平行であり、前記光が、前記法線軸の第１の側に対して追加の角度で前記第１の表面レリーフ格子に入射し、前記第２の表面レリーフ格子が、前記法線軸の第２の側に対して前記追加の角度で前記光を出力するように構成されている、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項6】
前記プリズムが、前記光を前記プリズム内に透過させる第１の表面と、第２の表面と、第３の表面と、前記光を前記プリズムから透過させる第４の表面とを有する光学ウェッジを含み、前記第２の表面が、前記光を前記第３の表面に向かって反射し、前記第３の表面が、前記光を前記第４の表面に向かって反射する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項7】
前記第１の表面、前記第２の表面、前記第３の表面、及び前記第４の表面のうちの１つ以上が湾曲している、請求項６に記載のディスプレイ。
【請求項8】
前記導波路が、前記第１の表面レリーフ格子が前記第１の媒体層内にある第１の媒体層と、
前記第１の媒体層とは異なる第２の媒体層であって、前記第２の表面レリーフ格子が前記第２の媒体層内にある、第２の媒体層と、を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項9】
前記導波路が、媒体層であって、前記第１の表面レリーフ格子及び前記第２の表面レリーフ格子が前記媒体層内にある、媒体層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項10】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路に結合するように構成された第１の表面レリーフ格子であって、前記第１の表面レリーフ格子が入力ベクトルによって特徴付けられている、第１の表面レリーフ格子と、
画像データに基づいて前記光であって、前記光が視野を有する、前記光を生成するように構成されたディスプレイパネルと、
前記ディスプレイパネルと前記導波路との間に結合された光学系であって、前記光学系が、
前記光を前記第１の表面レリーフ格子に向けて透過させるように構成されており、前記光の前記視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされている光軸を有するレンズを含む、光学系と、を備え、前記光軸が、前記入力ベクトルに対してゼロ以外の角度で配向されており、前記光学系が、前記入力ベクトルに平行な方向に前記光を出力するように構成されている、ディスプレイ。
【請求項11】
前記光学系が、前記光を透過させるように構成されており、前記レンズの前記光軸と位置合わせされた光軸を有する追加のレンズを更に備える、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項12】
前記レンズが、前記光を透過する第１の表面と、前記光を透過する前記第１の表面の反対側の第２の表面と、前記第１の表面を前記第２の表面に結合する平面とを有し、前記平面が、前記光の前記視野の前記中心の反対側の前記光軸の側に配置されている、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項13】
前記導波路が側面を備えており、前記光軸が前記側面の法線軸に平行に配向されている、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項14】
前記導波路が側面を有し、前記光が、前記側面の法線軸の第１の側に対してある角度で前記第１の表面レリーフ格子に入射し、前記第２の表面レリーフ格子が、前記法線軸の第２の側に対して前記角度で前記光を出力するように構成されている、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項15】
前記ディスプレイパネルが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）ディスプレイパネル、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、強誘電性液晶オンシリコン（ｆＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、及び透過型液晶ディスプレイパネルからなる群から選択されるディスプレイパネルを備える、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項16】
前記導波路であって、前記第１の表面レリーフ格子が前記第１の媒体層内にある第１の媒体層と、
前記第１の媒体層とは異なる第２の媒体層であって、前記第２の表面レリーフ格子が前記第２の媒体層内にある、第２の媒体層と、を備える、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項17】
前記導波路であって、媒体層であって、前記第１の表面レリーフ格子及び前記第２の表面レリーフ格子が前記媒体層内にある、媒体層を備える、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項18】
前記ゼロ以外の角度が５～３０度である、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項19】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路内に結合するように構成されている回折格子を有する入力カプラと、
照明を放射するように構成されている照明光学系と、
前記照明を変調することによって前記光を生成するように構成されている反射型ディスプレイパネルと、
前記光を前記入力カプラに透過させるように構成されており、前記光の視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされた光軸を有するレンズであって、前記レンズが、前記回折格子の入力ベクトルに平行な方向に前記光を出力するように構成されている、レンズと、
を備える、ディスプレイ。
【請求項20】
前記導波路が側面を有し、前記光軸が前記側面の法線軸に平行に配向されている、請求項１９に記載のディスプレイ。
【請求項21】
前記導波路が側面を有し、前記光軸が、前記側面の法線軸に対して非平行角度で配向されている、請求項１９に記載のディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、光学システムに関し、より具体的には、ディスプレイを有する電子デバイス用の光学システムに関する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全体が本明細書中に引用をもって援用された、２０２１年９月２日付け出願の米国仮特許出願第６３／２４０，２７７号の優先権を主張するものである。
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全体が本明細書中に引用をもって援用された、２０２１年９月２日付け出願の米国仮特許出願第６３／２４０，２７７号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【0002】
電子デバイスは、ユーザの目の近くで画像を提示するディスプレイを含むことが多い。例えば、仮想及び拡張現実ヘッドセットは、ユーザがディスプレイを見ることを可能にする光学素子を有するディスプレイを含むことができる。
【0003】
これらのようなデバイスは、設計することが困難であり得る。注意が払われない場合、これらのデバイスにおいて画像を表示するために使用される構成要素は、見栄えが悪く、かさばる、又は不快である可能性があり、所望の光学性能を示さない場合がある。
【発明の概要】
【0004】
電子デバイスは、ディスプレイシステムを備えることができる。ディスプレイシステムは、導波路、入力カプラ、及び出力カプラを含むことができる。入力カプラは、第１の表面レリーフ格子（ＳＲＧ）を含んでもよい。出力カプラは、第２のＳＲＧを含み得る。ディスプレイモジュールは、第１のＳＲＧによって導波路内に結合され、第２のＳＲＧによって導波路から結合される画像光を生成することができる。導波路は、法線軸を伴う側面を有してもよい。
【0005】
第１のＳＲＧは、法線軸に対して非平行である入力ベクトルによって特徴付けられてもよい。ディスプレイモジュールは、入力ベクトルに対してゼロ以外の角度だけ傾斜した光軸を有してもよい。色消しプリズムは、ディスプレイモジュールと第１のＳＲＧとの間に光学的に挿入されてもよい。色消しプリズムは、ディスプレイモジュールからの画像光を入力ベクトルに平行な方向に第１のＳＲＧに方向転換することができる。色消しプリズムは、分散を緩和するために異なる材料から形成された第１及び第２の光学ウェッジを含むことができる。これは、光学性能を犠牲にすることなく、ユーザによるデバイスの装着を不快に妨げることなく、ディスプレイモジュールがデバイスのためのハウジング内に配置されることを可能にし得る。
【0006】
必要に応じて、ディスプレイモジュールは、画像光を第１のＳＲＧに伝送するコリメート光学系を含んでもよい。コリメート光学系は、レンズ素子を含んでもよい。レンズ素子は、画像光の視野の中心に対してオフセットされた位置合わせされた光軸を有することができる。これにより、コリメート光学系は、第１のＳＲＧの入力ベクトルに平行な方向に画像光を出力することができる。必要に応じて、画像光を伝送するために使用されないレンズ素子の部分は、空間及び重量を節約するためにトリミング又は除去されてもよい。このようにコリメート光学系を構成することは、追加的に又は代替的に、ディスプレイモジュール内の画素から光を反射する第１のＳＲＧの高次回折モードに起因するゴーストアーチファクトの生成を軽減する役割を果たし得る。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】いくつかの実施形態に係るディスプレイを有する、例示的なシステムの図である。
【0008】
【図2】いくつかの実施形態による、光カプラを有する導波路を有するディスプレイ用の例示的な光学システムの上面図である。
【0009】
【図3A】いくつかの実施形態による、表面レリーフ格子構造が設けられた例示的な導波路の上面図である。
【図3B】いくつかの実施形態による、表面レリーフ格子構造が設けられた例示的な導波路の上面図である。
【図3C】いくつかの実施形態による、表面レリーフ格子構造が設けられた例示的な導波路の上面図である。
【0010】
【図4】いくつかの実施形態による、入力角度で画像光を受光する入力結合表面レリーフ格子と、入力角度に等しい出力角度で導波路から画像光を結合する出力結合表面レリーフ格子とを有する例示的な導波路の上面図である。
【0011】
【図5】いくつかの実施形態による、ディスプレイモジュールによって出力される画像光を、導波路上の入力結合表面レリーフ格子の入力ベクトルに一致する角度に方向転換するプリズムを有する例証的ディスプレイの上面図である。
【0012】
【図6】いくつかの実施形態による、画像光をディスプレイの視野と位置合わせするコリメート光学系を有する、例示的ディスプレイモジュールの上面図である。
【0013】
【図7】いくつかの実施形態による、入力結合表面レリーフ格子の入力ベクトルに一致する角度で画像光を入力結合表面レリーフ格子上に向けるために、ディスプレイモジュール内のコリメート光学系がどのようにオフセットされ得るかを示す図である。
【0014】
【図8】いくつかの実施形態による、ディスプレイモジュール内のオフセットコリメート光学系が、光学システム内のゴースト像生成をどのように緩和し得るかを示す図である。
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
図１のシステム１０は、１つ以上のディスプレイを有するヘッドマウントデバイスであってもよい。システム１０内のディスプレイは、支持構造（ハウジング）８内に搭載されるニアアイディスプレイ２０を含んでもよい。支持構造８は、眼鏡又はゴーグルの形状（例えば、支持フレーム）を有してもよいし、ヘルメット形状を有するハウジングを形成してもよいし、若しくはユーザの頭部又は目の近くにニアアイディスプレイ２０の構成要素を取り付けて固定するのに役立つ他の構成を有してもよい。ニアアイディスプレイ２０は、ディスプレイモジュール２０Ａなどの１つ以上のディスプレイモジュール（プロジェクタ）、及び光学システム２０Ｂなどの１つ以上の光学システムを含むことができる。ディスプレイモジュール２０Ａは、支持構造８などの支持構造に取り付けられてもよい。各ディスプレイモジュール２０Ａは、光学システム２０Ｂのうちの関連付けられたものを用いて、アイボックス２４にてユーザの目に向けて向け直される光３８（画像光）を放射することができる。
【0017】
システム１０の動作は、制御回路１６を用いて制御されてもよい。制御回路１６は、システム１０の動作を制御する記憶及び処理回路を含むことができる。制御回路１６は、例えば、ハードディスクドライブ記憶装置、不揮発性メモリ（例えば、ソリッドステートドライブを形成するように構成された電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ）、揮発性メモリ（例えば、静的又は動的ランダムアクセスメモリ）などの記憶装置を含むことができる。制御回路１６の処理回路は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、ベースバンドプロセッサ、電力管理ユニット、音声チップ、グラフィック処理ユニット、特定用途向け集積回路及び他の集積回路に基づくことができる。ソフトウェアコードは、回路１６の記憶装置に格納され、回路１６の処理回路上で作動されて、システム１０の動作（例えば、データ収集動作、制御信号を用いて構成要素の調整を伴う動作、ユーザに表示するために画像コンテンツを生成するための画像レンダリング動作など）を実行することができる。
【0018】
システム１０は、入出力デバイス１２などの入出力回路機構を含むことができる。入出力デバイス１２は、システム１０によって外部機器（例えば、テザリングされたコンピュータ、ハンドヘルドデバイス若しくはラップトップコンピュータなどのポータブルデバイス、又は他の電子機器）からデータを受信可能にし、ユーザがヘッドマウントデバイス１０にユーザ入力を与えることを可能にするために用いられてもよい。入出力デバイス１２はまた、システム１０（例えば、ヘッドマウントデバイス１０）が動作している環境についての情報を収集するために用いられてもよい。デバイス１２内の出力構成要素は、システム１０がユーザに出力を提供することを可能にすることができ、また、外部電気機器との通信に使用することができる。入出力デバイス１２は、センサ、及び他の構成要素１８（例えば、システム１０のディスプレイ上の仮想オブジェクトとデジタル的に併合される現実世界オブジェクトの画像を収集するための画像センサ、加速度計、深度センサ、光センサ、触覚出力デバイス、スピーカ、バッテリ、システム１０と外部電子機器との間で通信するための無線通信回路など）を含んでもよい。
【0019】
ディスプレイモジュール２０Ａは、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、レーザベースのディスプレイ、又は他の種類のディスプレイであってもよい。ディスプレイモジュール２０Ａは、光源、発光型ディスプレイパネル、画像光を生成するために光源からの照明光で照明される透過型ディスプレイパネル、画像光を生成するために光源からの照明光で照明されるデジタルマイクロミラーディスプレイ（ＤＭＤ）パネル及び／又は液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネルなどの反射型ディスプレイパネルなどを含み得る。ディスプレイモジュール２０Ａは、本明細書ではプロジェクタ２０Ａと呼ばれることもある。
【0020】
光学システム２０Ｂは、ビューア（例えば、アイボックス２４でのビューアの目を参照）がディスプレイ（複数可）２０上の画像を見ることを可能にするレンズを形成することができる。ユーザの左右それぞれの目に関連付けられた（例えば、左側のレンズ及び右側のレンズを形成するための）２つの光学システム２０Ｂがあってもよい。単一のディスプレイ２０によって両方の目のための画像を生成することができ、又は一対のディスプレイ２０を用いて画像を表示してもよい。複数のディスプレイ（例えば、左目用ディスプレイと右目用ディスプレイ）を有する構成では、システム２０Ｂによって形成されるレンズの焦点距離及びポジションは、ディスプレイ間に存在する任意の隙間がユーザに見えないように（すなわち、左側のディスプレイの画像と右側のディスプレイの画像が重なるように又はシームレスに併合されるように）、選択され得る。
【0021】
所望であれば、光学システム２０Ｂは、現実世界画像又はオブジェクト２８からの現実世界画像光を、画像光３８内の仮想画像などの仮想（コンピュータ生成）画像と光学的に組み合わせることを可能にする構成要素（例えば、光コンバイナなど）を含んでもよい。拡張現実システムと呼ばれることもあるこの種類のシステムでは、システム１０のユーザは、現実世界コンテンツ、及び現実世界コンテンツの上に重ね合わされたコンピュータ生成コンテンツの両方を見ることができる。カメラベースの拡張現実システムもまた、デバイス１０内で（例えば、カメラがオブジェクト２８の現実世界画像をキャプチャし、このコンテンツが光学システム２０Ｂ上の仮想コンテンツとデジタル的に併合される構成で）用いられてもよい。
【0022】
システム１０は、所望であれば、コンピュータ又は他の外部機器（例えば、ディスプレイ２０に画像コンテンツを供給するコンピュータ）との通信をサポートするための無線回路及び／又は他の回路を含むことができる。動作中、制御回路１６は画像コンテンツをディスプレイ２０に供給することができる。コンテンツは、（例えば、システム１０に結合された、コンピュータ又は他のコンテンツソースから）遠隔受信されてもよく、及び／又は（例えば、テキスト、他のコンピュータ生成コンテンツなどが）制御回路１６によって生成されてもよい。制御回路１６によってディスプレイ２０に供給されたコンテンツを、ビューアはアイボックス２４において見ることができる。
【0023】
図２は、図１のシステム１０において使用され得る例示的なディスプレイ２０の上面図である。図２に示すように、ニアアイディスプレイ２０は、ディスプレイモジュール（複数可）２０Ａなどの１つ以上のディスプレイモジュール、及び光学システム２０Ｂなどの光学システムを含むことができる。光学システム２０Ｂは、１つ以上の導波路５０などの光学素子を含んでもよい。導波路５０は、プラスチック、ポリマー、ガラスなどの光学的に透明な材料の１つ以上の積層された基板（例えば、本明細書で導波路基板と呼ばれることもある積層された平面層及び／又は湾曲層）を含むことができる。
【0024】
必要に応じて、導波路５０はまた、１つ以上の回折格子が記録されたホログラフィック記録媒体（本明細書ではホログラフィック媒体、格子媒体、又は回折格子媒体と呼ばれることもある）（例えば、本明細書ではホログラムと呼ばれることもあるホログラフィック位相格子）の１つ以上の層を含むこともできる。ホログラフィック記録は、ホログラフィック媒体などの感光性光学材料内に光干渉パターン（例えば、屈折率が異なる領域が交互に現れる領域）として記憶され得る。光干渉パターンは、所与の光源で照明されると、光を回折させて虚像の３次元復元物を生成する、ホログラフィック位相格子を生成することができる。ホログラフィック位相格子は、永続的な干渉パターンでエンコードされた切り換え不可能な回折格子であってもよいし、ホログラフィック記録媒体に印加される電界を制御することによって回折光を変調することができる切り換え可能な回折格子であってもよい。所望であれば、複数のホログラフィック位相格子（ホログラム）を同じ体積のホログラフィック媒体内に記録する（例えば、その中に重ね合わせる）ことができる。ホログラフィック位相格子は、例えば、格子媒体内の体積ホログラム又は薄膜ホログラムであってもよい。格子媒体は、フォトポリマー、重クロム酸ゼラチンなどのゼラチン、ハロゲン化銀、ホログラフィックポリマー分散液晶、又は他の適切なホログラフィック媒体を含むことができる。
【0025】
導波路５０上の回折格子は、体積ホログラム若しくは薄膜ホログラムなどのホログラフィック位相格子、メタ格子、又は任意の他の所望の回折格子構造を含むことができる。導波路５０上の回折格子はまた、導波路５０内の基板の１つ以上の表面上に形成される表面レリーフ格子、金属構造のパターンから形成される格子などを含んでもよい。回折格子は、例えば、格子媒体の同じ体積内で少なくとも部分的に重複する複数の多重格子（例えば、ホログラム）を含んでもよい（例えば、異なる色の光及び／又は１つ以上の対応する出力角度における異なる入力角度の範囲からの光を回折するため）。必要に応じて、ルーバーミラーなどの他の光方向転換要素を導波路５０内の回折格子の代わりに使用することができる。
【0026】
図２に示すように、ディスプレイモジュール２０Ａは、アイボックス２４に表示される画像コンテンツに関連する画像光３８を生成することができる（例えば、画像光３８は、アイボックス２４での表示のために一連の画像フレームを伝達することができる）。画像光３８は、所望であれば、コリメートレンズを使用してコリメートされてもよい。光学システム２０Ｂを用いて、ディスプレイモジュール２０Ａからアイボックス２４に出力される画像光３８を提示することができる。所望であれば、ディスプレイモジュール２０Ａは、図１の支持構造８内に取り付けられてもよく、その一方で光学システム２０Ｂは、（例えば、アイボックス２４と整列するレンズを形成するために）支持構造８の部品間に取り付けられてもよい。所望であれば、他の取り付け構成を使用してもよい。
【0027】
光学システム２０Ｂは、入力カプラ５２、クロスカプラ５４、及び出力カプラ５６などの１つ以上の光カプラ（例えば、光方向転換要素）を含むことができる。図２の例では、入力カプラ５２、クロスカプラ５４、及び出力カプラ５６は、導波路５０において、又は導波路５０上に形成される。入力カプラ５２、クロスカプラ５４、及び／又は出力カプラ５６は、導波路５０の基板層内に完全に埋め込まれていてもよく、導波路５０の基板層内に部分的に埋め込まれていてもよく、導波路５０に取り付けられていてもよい（例えば、導波路５０の外面に取り付けられていてもよい）。
【0028】
導波路５０は、全内部反射によって画像光３８をその長さに沿って下方に導くことができる。入力カプラ５２は、ディスプレイモジュール２０Ａからの画像光３８を導波路５０に結合するように構成され得るが、これに対し出力カプラ５６は、導波路５０内から、導波路５０の外部にアイボックス２４に向けて画像光３８を結合するように構成され得る。入力カプラ５２は、入力結合プリズム、導波路５０のエッジ又は面、レンズ、ステアリングミラー又は液晶ステアリング要素、あるいは任意の他の所望の入力結合要素を含むことができる。例えば、ディスプレイモジュール２０Ａは、画像光３８を＋Ｙ方向において光学システム２０Ｂへと放射することができる。画像光３８が入力カプラ５２に当たると、入力カプラ５２は、光が導波路５０内を全内部反射を介して（例えば、導波路５０の全内部反射（ＴＩＲ）範囲内の方向＋Ｘにおいて）出力カプラ５６に向かって伝搬するように、画像光３８を方向転換することができる。画像光３８が出力カプラ５６を照らすと、出力カプラ５６は、画像光３８を、導波路５０からアイボックス２４に向けて（例えばＹ軸に沿って戻る）方向転換することができる。レンズ６０などのレンズは、画像光３８をアイボックス２４上に向けるか又は集束させるのを助けることができる。所望であれば、レンズ６０を省略してもよい。クロスカプラ５４が導波路５０上に形成されるシナリオでは、クロスカプラ５４は、例えば、画像光３８が導波路５０の長さに沿って伝搬する際に、画像光３８を１つ以上の方向に方向転換することができる。画像光３８を方向転換する際に、クロスカプラ５４は、画像光３８に対して瞳拡大を実行することもできる。
【0029】
入力カプラ５２、クロスカプラ５４及び／又は出力カプラ５６は、反射光学系及び屈折光学系に基づくものであってもよいし、又は回折（例えば、ホログラフィック）光学系に基づくものであってもよい。カプラ５２、５４及び５６が反射光学系及び屈折光学系から形成される構成では、カプラ５２、５４及び５６は、１つ以上の反射器（例えば、マイクロミラー、部分ミラー、ルーバーミラー又は他の反射器のアレイ）を含むことができる。カプラ５２、５４、及び５６が回折光学系に基づく構成では、カプラ５２、５４、及び５６は、回折格子（例えば、体積ホログラム、表面レリーフ格子など）を含むことができる。
【0030】
図２の例は、単に例示に過ぎない。光学システム２０Ｂは、互いに対して横方向及び／又は垂直方向に積み重ねられた複数の導波路を含むことができる。各導波路は、カプラ５２、５４、及び５６のうちの１つ、２つ、すべてを含んでもよく、又はいずれも含まなくてもよい。導波路５０は、必要に応じて、少なくとも部分的に湾曲又は屈曲されてもよい。カプラ５２、５４、及び５６のうちの１つ以上が省略されてもよい。必要に応じて、光学システム２０Ｂは、クロスカプラ５４及び出力カプラ５６の両方の動作を実行する光カプラ（本明細書では、インターリーブカプラ、ダイヤモンドカプラ、又はダイヤモンド拡張器と呼ばれることもある）を含むことができる。例えば、表面レリーフ格子構造は、画像光が導波路５０を伝搬するにつれて（例えば、画像光を拡大しながら）画像光３８を方向転換してもよく、表面レリーフ格子構造はまた、画像光３８を導波路５０からアイボックス２４に向けて結合してもよい。
【0031】
図３Ａは、導波路５０上に表面レリーフ格子構造がどのように形成され得るかの一例を示す上面図である。図３Ａに示すように、導波路５０は、第１の横方向（例えば、外部）表面７０と、側面７０の反対側の第２の側面７２とを有することができる。導波路５０は、任意の所望の数の１つ以上の積層された導波路基板を含んでもよい。所望であれば、導波路５０はまた、第１の導波路基板と第２の導波路基板との間に挟まれた（挿入された）格子媒体の層を含んでもよい（例えば、第１の導波路基板は側面７０を含み、第２の導波路基板は側面７２を含む）。
【0032】
導波路５０は、表面レリーフ格子構造７４などの表面レリーフ格子構造を備えることができる。表面レリーフ格子（ＳＲＧ）構造７４は、ＳＲＧ基板（媒体）７６の層などの基板内に形成されてもよい。図３Ａの例では、ＳＲＧ基板７６は、導波路５０の側面７０上に積層される。これは単なる例示であり、所望であれば、ＳＲＧ基板７６は、側面７２（例えば、アイボックスに面する導波路５０の表面）上に積層されてもよい。
【0033】
必要に応じて、ＳＲＧ構造７４は、１つの表面レリーフ格子又は少なくとも２つの部分的に重なり合う表面レリーフ格子を含んでもよい。ＳＲＧ構造７４内の各表面レリーフ格子は、ＳＲＧ基板７６の厚さ内の対応するリッジ（ピーク）７８及びトラフ（最小）８０によって画定されてもよい。図３Ａの例では、ＳＲＧ構造７４は、明確にするために、ＳＲＧ構造７４内の表面レリーフ格子が、ピーク７８に関連する第１の厚さ又はトラフ８０に関連する第２の厚さのいずれかによって画定されるバイナリ構造として示されている。これは、単なる例示に過ぎない。所望であれば、ＳＲＧ構造７４は、非バイナリであってもよい（例えば、任意の所望のプロファイルに従う任意の所望の数の厚さを含んでもよく、Ｙ軸に対して非平行なフリンジ角度で傾斜したピーク７８を含んでもよい、など）。必要に応じて、ＳＲＧ基板７６は、接着剤層（図示せず）を用いて導波路５０の側面７０に接着されてもよい。ＳＲＧ構造７４は、導波路５０から別個に製作されてもよく、例えば製造後に導波路５０に接着されてもよい。
【0034】
図３Ａの例は、単に例示に過ぎない。別の実装形態では、ＳＲＧ構造７４は、図３Ｂの例に示すように、導波路５０の内部のあるロケーションに配置されてもよい。図３Ｂに示すように、導波路５０は、第１の導波路基板７３と、第２の導波路基板７５と、導波路基板７３と導波路基板８６との間に挿入された媒体層８２とを含むことができる。媒体層８２は、回折格子又はホログラフィック記録媒体、接着剤層、ポリマー層、導波路基板の層、又は導波路５０内の任意の他の所望の層であってもよい。ＳＲＧ基板７６は、導波路基板８６に面する導波路基板７３の表面上に積層されてもよい。あるいは、ＳＲＧ基板７６は、導波路基板７３に面する導波路基板８６の表面上に積層されてもよい。
【0035】
必要に応じて、ＳＲＧ構造７４は、図３Ｃの例に示されるように、ＳＲＧ基板の複数の層にわたって分散されてもよい。図３Ｃに示すように、光学システムは、少なくとも第１の導波路５０及び第２の導波路５０’などの複数の積層導波路を含むことができる。第１のＳＲＧ基板７６は、導波路５０の側面の１つの上に積層されてもよく、第２のＳＲＧ基板７６’は、導波路５０’の側面の１つの上に積層される。第１のＳＲＧ基板７６は、ＳＲＧ構造７４内に１つ以上の表面レリーフ格子を含むことができる。第２のＳＲＧ基板７６’は、ＳＲＧ構造７４内に１つ以上の表面レリーフ格子を含むことができる。この例は単なる例示に過ぎない。必要に応じて、光学システムは、３つ以上の積層された導波路及び／又は１つ以上のそれぞれのＳＲＧを有するＳＲＧ基板を含んでもよい。光学システムが３つ以上の導波路を含む例では、ＳＲＧ基板が設けられた各導波路は、ＳＲＧ構造７４内に１つ以上の表面レリーフ格子を含むことができる。本明細書では別個の導波路として説明したが、図３Ｃの導波路５０及び５０’はまた、必要に応じて、同じ導波路のそれぞれの導波路基板から形成することができる。図３Ａ、図３Ｂ、及び／又は図３Ｃの構成は、必要に応じて組み合わせることができる。
【0036】
ＳＲＧ構造７４は、図２の入力カプラ５２、クロスカプラ５４、及び／又は出力カプラ５６を形成するため、及び／又は導波路５０上にインターリーブカプラを形成するために使用されてもよい。所望であれば、ＳＲＧ構造７４などのＳＲＧ構造を使用して、導波路５０上に入力カプラ５２及び出力カプラ５６の両方を形成することができる。図４は、導波路５０上に入力カプラ５２及び出力カプラ５６の両方を形成するためにＳＲＧ構造がどのように使用され得るかを示す図である。
【0037】
図４に示すように、導波路５０上の入力カプラ５２は、第１の表面レリーフ格子構造７４Ｉを含むことができ、導波路５０上の出力カプラ５６は、第２の表面レリーフ格子構造７４Ｏを含むことができる。表面レリーフ格子構造７４Ｉは、１つ以上の重なり合う表面レリーフ格子を含んでもよいが、本明細書では、簡略化のために、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ又は表面レリーフ格子入力カプラ７４Ｉと呼ばれることもある。同様に、表面レリーフ格子構造７４Ｏは、１つ以上の重なり合う表面レリーフ格子を含んでもよいが、本明細書では、簡略化のために、出力結合表面レリーフ格子７４Ｉ又は表面レリーフ格子出力カプラ７４Ｏと呼ばれることもある。入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、出力結合表面レリーフ格子７４Ｏと同じＳＲＧ媒体層内に形成されてもよく、又は入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ及び出力結合表面レリーフ格子７４Ｏは、導波路５０上のＳＲＧ媒体の別々の層内に形成されてもよい。
【0038】
入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、ディスプレイモジュール２０Ａからの画像光３８を導波路５０内に結合することができる。出力結合表面レリーフ格子７４Ｏは、導波路５０の法線軸（表面）８１に対して角度－θで導波路５０からの画像光３８を結合することができる。法線軸８１は、導波路５０の側面７２に直交（垂直）している。角度θの大きさは、アイボックス２４の配置に対応するためにゼロより大きくてもよい（例えば、アイボックス２４は、ユーザがシステム１０を頭部に装着している間にユーザの目のロケーションに配置されてもよく、このロケーションは、導波路５０の射出瞳における法線軸８１に対してずれていてもよい）。例として、角度θは、０～１０度、０～１５度、１～１５度、０～２０度、２～３度、１～５度、又は他の角度であってもよい。
【0039】
出力結合表面レリーフ格子７４Ｏは、角度－θにおいて最大効率で画像光３８を出力し、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉはまた、出力結合表面レリーフ格子７４Ｏが（法線軸８１に対して）画像光３８を出力結合する角度－θに等しくかつ反対である入射角＋θで、画像光３８を受光する必要がある。言い換えれば、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、法線軸の第１の側に配向された入射角で画像光３８を受け取り、出力結合表面レリーフ格子７４Ｏは、同じ角度であるが法線軸の反対（第２の）側に配向された画像光３８を出力する。画像光３８を回折させる際に、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、その入力ベクトルに平行に入射する画像光３８を、導波路５０の全内部反射（ＴＩＲ）範囲内にある対応する出力ベクトルに方向転換する（マッピングする）（例えば、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、入力ベクトルから出力ベクトルに延びる格子ベクトルによって特徴付けられる）。導波路５０のＴＩＲ範囲内の角度で導波路５０内から導波路５０の表面に入射する光は、ＴＩＲを介して導波路５０の長さを伝搬する。
【0040】
画像光３８を法線軸８１に対して、入射角θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに提供するために、ディスプレイモジュール２０Ａは、システム１０内のロケーション８４に取り付けられてもよい。しかしながら、ロケーション８４は、システム１０のハウジングがロケーション８４において（例えば、ハウジングがヘッドマウントデバイスハウジングを含む例では、ハウジングのテンプル部分内に）ディスプレイモジュール２０Ａを嵌合することができないように、又はユーザがシステム１０を装着している間に、ディスプレイモジュール２０Ａがユーザの頭部上に不快に突出するように、アイボックス２４に近すぎる場合がある。必要に応じて、ディスプレイモジュール２０Ａは、アイボックス２４からロケーション８４よりも遠い距離８３に位置するロケーション８２に取り付けられてもよい。これは、ディスプレイモジュール２０Ａがロケーション８４にあるときよりも、ディスプレイモジュール２０Ａがシステム１０のハウジング内に（例えば、ユーザの頭部内に不快に突出することなく、ハウジングのテンプル部分内に）より容易かつ人間工学的に嵌合することを可能にし得る。同時に、ディスプレイモジュール２０Ａがロケーション８２に取り付けられるとき、ディスプレイモジュール２０Ａが、画像光３８を入射角θで、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに提供することは困難であり得る。
【0041】
これらの問題を軽減するために、光学システム２０Ｂは、ロケーション８２に取り付けられている間に、ディスプレイ２０Ａによって放射された画像光３８を、入射角θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ上に方向転換するプリズム又は他の光方向転換構造を含んでもよい。図５は、プリズムが、ロケーション８２に取り付けられている間にディスプレイ２０Ａによって放出された画像光３８を、入射角θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ上にどのように方向転換し得るかを示す図である。
【0042】
図５に示すように、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、入力ベクトルＶi及び出力ベクトルＶOによって特徴付けられてもよい。入力ベクトルＶiは、導波路の法線面に対して角度θで配向され得る。出力ベクトルＶOは、導波路５０のＴＩＲ範囲内に配向されてもよい。入力結合表面レリーフ格子７４Ｉはまた、（例えば、ベクトルＶi及びＶIが共通点から始まる）入力ベクトルＶiの先端から出力ベクトルＶOの尾部まで延在する格子ベクトルによって特徴付けられてもよい。入力結合表面レリーフ格子７４Ｉは、入力ベクトルＶiに平行に入射する画像光３８を、出力ベクトルＶOに平行な方向に回折（方向転換）させてもよく、それによって、回折された画像光が、全内部反射を介して導波路５０を伝搬することを可能にする。
【0043】
ディスプレイモジュール２０Ａは、システム１０内のロケーション８２に配置することができる。ディスプレイモジュール２０Ａは、ディスプレイモジュール２０Ａの光軸が、導波路５０の法線軸８１に対して角度αで配向されるように傾けられ得る。言い換えれば、ディスプレイモジュール２０Ａは、プロジェクタベクトルＶPに平行な方向に画像光３８を放射することができる。ディスプレイモジュール２０Ａの光軸（プロジェクタベクトルＶP）は、角度空間において、約１０～２０度、１５度、５～２５度、１５度未満、２０度未満、１４～１６度、１２～１８度、２５度未満、３０度未満、５度超、又は他の角度の角度（例えば、角度θ＋α）によって、入力ベクトルＶiからある角度だけ分離されてもよい。
【0044】
プリズム８６などの光方向転換要素を、ディスプレイモジュール２０Ａと入力結合表面レリーフ格子７４Ｉとの間に光学的に介在させることができる。プリズム８６は、色消しプリズムであってもよく、したがって、本明細書では色消しプリズム８６と呼ばれることもある。ディスプレイモジュール２０Ａは、画像光３８をプリズム８６に伝送してもよい。プリズム８６は、画像光３８を入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに向けて透過させることができる。プリズム８６の外寸形状及び材料（複数可）は、プロジェクタベクトルＶPに平行に入射する画像光３８を、入力結合表面レリーフ格子構造７４Ｉの入力ベクトルＶiに平行な出力角度に方向転換させる（例えば、屈折させる）ように選択されてもよい。このようにして、プリズム８６は、画像光３８が、出力結合表面レリーフ格子７４Ｏが画像光３８を角度－θでアイボックス２４に向けて出力することを可能にする角度θで、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに入射するように、画像光３８を方向転換する働きをすることができる（図４）。
【0045】
プリズム８６は、１つ以上の光学ウェッジを含んでもよい。例えば、プリズム８６は、第１の光学ウェッジ９０と、第１の光学ウェッジ９０の上に積み重ねられた又は層にされた第２の光学ウェッジ８８とを含むことができる。必要に応じて、第１の光学ウェッジ９０は、光学的に透明な接着剤を用いて第２の光学ウェッジ８８に接着されてもよい。いくつかの例では、光学ウェッジ９０は、ディスプレイモジュール２０Ａから受け取った画像光３８に分散を与える第１の材料から形成されてもよく、光学ウェッジは、画像光を波長の関数として異なる角度で屈折／分散させる。これらの例では、光学ウェッジ８８は、光学ウェッジ９０によって画像光３８に導入された分散を反転させる働きをする第２の材料から形成することができる。例として、光学ウェッジ９０は、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）から形成されてもよく、一方、光学ウェッジ８８は、ランタン重ガラス／フリント（例えば、ＬａＳｆ３５）などの光学ガラスから形成されてもよく、逆もまた同様であり、光学ウェッジ９０は、リン酸クラウンガラス（例えば、ＰＫ５１）から形成されてもよく、一方、光学ウェッジ８８は、ランタン重ガラス／フリント（例えば、Ｓｆ１）から形成されてもよく、逆もまた同様であり、光学ウェッジ９０は、ランタン重ガラス／フリント（例えば、ＬａＳＦ３１Ａ）から形成されてもよく、一方、光学ウェッジ８８は、光学ガラス（例えば、ＴｉＦ６）から形成されてもよく、逆もまた同様である。
【0046】
このようにして、ディスプレイモジュール２０Ａは、ディスプレイモジュール２０Ａの光軸が入力ベクトルＶiに平行に配向された状態で、ロケーション８４ではなく、ロケーション８４よりもアイボックスから距離８３だけ離れて位置するロケーション８２に配置され得る一方で、画像光３８が角度θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに入射することを依然として可能にする。これにより、ディスプレイモジュール２０Ａが、ユーザ内に不快に突出することなく、かつアイボックス２４において画像を表示する際にシステム１０の光学性能を犠牲にすることなく、システム１０のためのハウジング内に嵌合することを可能にし得る。図５の例は、単に例示に過ぎない。所望であれば、プリズム８６は、３つ以上の光学ウェッジ、又は単一の光学ウェッジのみを含んでもよい。追加的又は代替的に、非プリズム光方向転換構造体（例えば、回折格子、ミラーなど）が、画像光３８を方向転換するために使用され得る。光学ウェッジ９０及び８８は、他の所望の形状を有してもよい。
【0047】
追加的又は代替的に、ディスプレイモジュール２０Ａがロケーション８２に配置されているにも関わらず、ディスプレイモジュール２０Ａ内のコリメート光学系は、画像光３８を角度θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに提供するようにオフセットされてもよい。図６は、オフセットなしコリメート光学系を有するディスプレイモジュール２０Ａの図である。
【0048】
図６に示すように、ディスプレイモジュール２０Ａは、照明光学系１０８及び空間光変調器１０３を含むことができる。照明光学系１０８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、マイクロＬＥＤ（ｕＬＥＤ）、レーザなどの１つ以上の光源を含んでもよい。照明光学系１０８内の光源は、１つ以上の波長帯域（例えば、赤色、緑色、及び青色帯域）の照明光１１０を放射してもよい。
【0049】
空間光変調器１０３は、プリズム１０４と、ディスプレイパネル１０６などの反射型ディスプレイパネルとを含んでもよい。ディスプレイパネル１０６は、ＤＭＤパネル、ＬＣＯＳパネル、強誘電性液晶オンシリコン（ｆＬＣＯＳ）パネル、又は他の反射型ディスプレイパネルであってもよい。プリズム１０４は、照明光１１０をディスプレイパネル１０６（例えば、ディスプレイパネル１０６上の異なる画素）上に向けてもよい。制御回路１６（図１）は、各画素ロケーションにおいて照明光１１０を選択的に反射して画像光３８（例えば、ディスプレイパネル１０６によって照明光を使用して／照明光上に、変調された画像を有する画像光）を生成するように、ディスプレイパネル１０６を制御することができる。プリズム１０４は、画像光３８をコリメート光学系１００に向けてもよい。コリメート光学系１００は、画像光３８を導波路５０の入力カプラに向けてもよい（例えば、コリメート光学系１００は、導波路５０の入力／入射瞳上に画像光３８を集束させてもよい）。
【0050】
ディスプレイパネル１０６が反射型ディスプレイパネルである図６の例は、単なる例示である。必要に応じて、ディスプレイパネル１０６は、画像データを用いて照明光を透過させて変調し、画像光３８を生成する透過型ディスプレイパネル（例えば、透過型液晶ディスプレイパネル）であってもよい。
【0051】
コリメート光学系１００は、本明細書では、コリメートレンズ１００、接眼レンズ光学系１００、又は接眼レンズ１００と呼ばれることがある。コリメート光学系１００は、１つ以上のレンズ素子１０２を含んでもよい。各レンズ素子１０２は、１つ以上の凹面、凸面、球面、非球面、自由曲面（例えば、非球面、非楕円などである任意の所望の３次元自由曲面経路に従う曲率を有する表面）などを有してもよい。１つ以上のレンズ素子１０２は、所望であれば、画像光３８に光パワーを付与してもよい。
【0052】
レンズ素子１０２は、ディスプレイパネル１０６の視野の中心と位置合わせされた光軸を有することができる。例えば、図６に示すように、ディスプレイパネル１０６は視野１１２を有してもよい。画像光３８は、ディスプレイパネル１０６の視野１１２の中心を中心とするそれ自体の視野１１４を有し得る。したがって、画像光は、ディスプレイパネル及び入力カプラの視野の中心の上、下、左、及び右に等しい数の角度で導波路５０上の入力カプラに入射する。
【0053】
所望であれば、コリメート光学系１００内のレンズ素子は、角度θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ（図５）に入射する画像光３８を出力するようにオフセットされてもよい。（例えば、図５のプリズム８６を必要としない）。図７は、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに角度θで入射する画像光３８を生成するために、コリメート光学系１００内のレンズ素子がどのようにオフセットされ得るかの一例を示す図である。
【0054】
図７に示すように、コリメート光学系１００は、１つ以上のオフセットレンズ素子１２１を含んでもよい。各レンズ素子１２１は、画像光３８を透過する第１の表面１２０及び反対側の第２の表面１２２を有し得る。各レンズ素子１２１は、光軸１２５を有してもよい（例えば、各レンズ素子の光軸は位置合わせされてもよい）。光軸１２５は、画像光３８の中心からオフセットＸだけオフセットされてもよい。レンズ素子１２１は、例えば、図６のレンズ素子１０２に対して拡大されてもよい。しかしながら、画像光３８は、光軸１２５からオフセットされた（例えば、平均オフセットＸを有する）レンズ素子１２１の部分のみを通過する。言い換えれば、光軸１２５の反対側には、画像光が通過しないレンズ素子の部分が存在する（例えば、レンズ素子が視野及びプリズム１０４によって出力される画像光３８に対してオフセットされているため）。
【0055】
画像光３８はレンズ素子の全領域を通過しないので、レンズ素子１２１は、レンズ素子１２１の部分１１８を除去するようにトリミング又は切断されてもよい（例えば、画像光３８は、そうでなければ部分１１８を通過しない）。これは、レンズ性能に影響を及ぼすことなく、レンズ素子１２１が視野よりも大きいにもかかわらず、レンズ素子１２１によって占有されるディスプレイモジュール２０Ａ内の面積の量及びディスプレイモジュール２０Ａの重量を最小限に抑える働きをし得る。このようにして、各レンズ素子１２１は、表面１２２と１２０との間に延在する（切断された）垂直（平面）側壁１２４を有し得る。レンズ素子１２１は、部分１１８が含まれるとき、光軸１２５の周りで回転対称性を示し得る。しかしながら、部分１１８を除去することは、レンズ素子１２１のこの回転対称性を壊す（例えば、レンズ素子１２１は、部分１１８が除去されなければ、光軸１２５の周りで回転対称性を示す）。
【0056】
このようにレンズ素子１２１をオフセットすることにより、画像光３８の視野を図６の視野１１４から図７の視野１１６にシフトさせることができる。言い換えれば、このようにレンズ素子１２１をオフセットすることにより、画像光３８の視野を、ディスプレイパネル１０６の視野１１２の中心から、したがって導波路５０上の入力カプラの視野から、角度オフセットＡ（例えば、図７のオフセットＸに対応する角度オフセットＡ）だけシフトさせることができる。これにより、コリメート光学系１００は、視野１１２の中心の一方の側に他方よりも多くの画像光３８を供給することができる。必要に応じて、視野１１６の全体を視野１１２の中心の一方の側に配置してもよい。角度オフセットＡは、例えば、５～４５度、５～３０度、１０～２０度、５～２０度、１２～１７度、１５度、８～２２度、３～２８度などであってもよい。
【0057】
このようにレンズ素子１２１をオフセットさせ、画像光３８の視野をシフトさせることにより、画像光３８は、光軸１２５の一方の側に位置するレンズ素子１２１の部分によってのみ透過され得る。これにより、コリメート光学系１００は、角度θで、又は、画像光３８が角度θで入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに入射するような任意の他の所望の角度で、画像光３８を透過させることができ、これにより、必要に応じて図５のプリズム８６を省略することができる。このように構成される場合、ディスプレイモジュール２０Ａは、図５のロケーション８２に配置され得る一方で、依然として画像光３８を、出力結合表面レリーフ格子７４Ｏが角度－θでアイボックス２４に向けて画像光３８を出力することを可能にするために必要である角度θで、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉに提供する。同時に、画像光３８を生成するために、照明光１１０を使用してディスプレイパネル１０６の領域全体を照明する必要はない（例えば、視野の一部のみが画像光によって占有されるため）。例えば、照明光１１０は、レンズ素子１２１がオフセットされていない場合（図６）に必要とされるディスプレイパネル１０６の長さ１０９よりも小さいディスプレイパネル１０６の領域１２６のみに提供されてもよい。これにより、ディスプレイパネル１０６のサイズを図６の実施形態に比べて小さくすることができる。
【0058】
図７の実施例は、単なる例示に過ぎない。空間光変調器１０３は、透過型空間光変調器又は変調器１０３であってもよく、照明光学系１０３は、発光型ディスプレイパネルによって置き換えられてもよい。コリメート光学系１００は、任意の所望の外寸形状を有する任意の所望の数のレンズ素子１２１を有してもよい。レンズ素子１２１は切断される必要はない（例えば、部分１１８がレンズ素子１２１上に残っていてもよい）。追加又は代替として、オフセットレンズ素子１２１は、導波路５０内で生成されるゴーストアーチファクトを軽減するようにディスプレイモジュール２０Ａを構成し得る。
【0059】
図８は、オフセットレンズ素子１２１がゴーストアーチファクトを軽減するためにディスプレイモジュール２０Ａをどのように構成し得るかを示す図である。図８に示すように、ディスプレイパネル１０６は、コリメート光学系１００を介して導波路５０上の入力カプラ５２に画像光３８を提供することができる。入力カプラ５２の基本回折モードは、画像光３８を導波路５０内に結合して全内部反射を介して伝搬させることができるが、入力カプラ５２の１つ以上の高次回折モードは、矢印１３０によって示されるように、入射画像光３８の一部をディスプレイパネル１０６に向かって反射して戻すことができる。
【0060】
コリメート光学系１２１がオフセットされていない実装形態（例えば、図６の実装形態）では、入力カプラ５２によってディスプレイパネル１０６に向かって反射された画像光は、ディスプレイパネル１０６の領域１２８内の「オフ」状態にある１つ以上の画素に当たり得る。これらの画素は、入射画像光を非オフセットコリメートレンズに向けて反射して戻すことができ、非オフセットコリメートレンズは、画像光を入力カプラ５２に向けて方向転換して戻すことができる。これは、導波路５０内をアイボックスに向かって伝搬する望ましくない迷光につながる可能性があり、見栄えが悪いゴーストアーチファクトを生成するか、又はアイボックスに表示される画像の全体的なコントラストを制限する可能性がある。
【0061】
しかしながら、コリメート光学系１００においてレンズ素子１２１をオフセットすることによって（例えば、図７に示すように）、ディスプレイパネル１０６の部分１２８（例えば、領域１２６の外側のディスプレイパネル１０６の部分）を除去することができ、レンズ素子１２１の部分１１８を除去することができる。これは、任意の反射された画像光３８（例えば、矢印１３０によって示されるような）が、ディスプレイパネル１０６内の画素に衝突し、そうでなければ矢印１３２と関連付けられる迷光を生成することを防止し得る。このようにして、オフセットレンズ素子１２１は、ゴーストアーチファクトの生成を軽減することができ、アイボックスにおけるコントラストを最大化することができる。
【0062】
図８の例では、ディスプレイモジュール２０Ａはロケーション８２に配置されている。これは単なる例示であり、所望であれば、ディスプレイモジュール２０Ａは、ロケーション８４に配置されてもよく、ディスプレイモジュール２０Ａの光軸が角度θで配向されるように傾けられてもよい。ディスプレイモジュール２０Ａがロケーション８４に配置されるとき、矢印１３０に関連する反射光はディスプレイモジュール２０Ａに入射しないので、レンズ素子１２１はオフセットされる必要はない。入力カプラ５２は、入力結合表面レリーフ格子７４Ｉ又は他の入力カプラ（例えば、体積ホログラム入力カプラ、入力結合プリズム、ルーバーミラーなど）を含んでもよい。
【0063】
図５の例では、プリズム８６は２つの光学ウェッジ８８及び９０を含む。他の実施態様では、プリズム８６は単一の光学ウェッジを含むことができる。光学ウェッジは、図５に示すものと同様に、画像光３８を導波路に方向転換する反射面及び透過面を有することができる。図９は、プリズム８６が単一の光学ウェッジをどのように含み得るかを示す図である。
【0064】
図９に示すように、プリズム８６は、単一の光学ウェッジを含むことができる。光学ウェッジは、第１の表面１４２、第２の表面１４０、第３の表面１４６、及び第４の表面１４４などの少なくとも４つの表面（面）を有することができる。プリズム８６は、コリメート光学系１００（図６）から表面１４２を通して画像光３８を受け取ることができる。画像光３８は、次いで、表面１４０から表面１４４に向かって反射し得る（例えば、全内部反射を介して）。画像光３８は、次いで、表面１４４から表面１４６に向かって反射し得る（例えば、全内部反射を介して）。プリズム８６は、表面１４６を通して画像光３８を導波路に向かって透過してもよい。換言すれば、面１４２及び１４６は透過面であってもよく、面１４０及び１４４は反射面である。所望であれば、表面１４０及び／又は表面１４４の上に反射層を積層してもよい。
【0065】
表面１４２、１４０、１４６、及び１４４は各々、平面であってもよく、又は所望であれば、表面１４２、１４０、１４６、及び１４４のうちの１つ以上は、湾曲していてもよい（例えば、自由曲面、双円錐曲面、球状曲面など）。表面を湾曲させることは、例えば、表面による反射又は透過の際に画像光３８に屈折力を与えることができる。一例として、表面１４２及び１４６は湾曲していてもよい（例えば、同じ屈折力を付与するために同じ曲率を有する）。プリズム８６は、所望であれば、表面のうちの１つ以上が湾曲している実施例において、射出成形プラスチックから形成されてもよい。図９のプリズム８６は、複数の光学ウェッジを有するプリズム８６（図５）と同じ光方向転換効果を有し得る。プリズム８６は単一の材料から形成されるので、プリズム８６は、注意が払われない場合、画像光に分散を導入し得る。所望であれば、入力カプラを形成するために使用されるＳＲＧは、プリズム８６からの色収差を補正するように調整されたピッチを有してもよい。所望であれば、分散を（例えば、各色について）補正するために、追加の要素が光路に沿って挿入されてもよい。図９の例は単なる例示であり、一般に、プリズム８６は他の形状を有してもよい。図９のプリズム８６は、本明細書では複合折り畳みプリズムと呼ばれることもある。
【0066】
一実施形態によれば、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、光を導波路内に結合するように構成され、入力ベクトルを有する第１の表面レリーフ格子と、入力ベクトルに対して非平行な角度で光を出力するように構成されたプロジェクタと、プロジェクタと導波路との間に光学的に結合され、プロジェクタからの光を第１の表面レリーフ格子に入力ベクトルに平行な方向に方向転換するように構成されたプリズムと、光を導波路外に結合するように構成された第２の表面レリーフ格子とを含むディスプレイが提供される。
【0067】
別の実施形態によれば、プリズムは色消しプリズムを含む。
【0068】
別の実施形態によれば、プリズムは、第１の光学ウェッジと、第１の光学ウェッジ上の第２の光学ウェッジとを含み、第１の光学ウェッジ及び第２の光学ウェッジが、光を透過させるように構成されており、第１の光学ウェッジが、第１の材料を含み、第２の光学ウェッジが、第１の材料とは異なる第２の材料を含む。
【0069】
別の実施形態によれば、角度及び入力ベクトルは、５～２５度だけ分離される。
【0070】
別の実施形態によれば、導波路は側面を含み、角度及び入力ベクトルは各々、側面の法線軸に対して非平行であり、光は、法線軸の第１の側に対して追加の角度で第１の表面レリーフ格子に入射し、第２の表面レリーフ格子は、法線軸の第２の側に対して追加の角度で光を出力するように構成される。
【0071】
別の実施形態によれば、プリズムが、光をプリズム内に透過させる第１の表面と、第２の表面と、第３の表面と、光をプリズムから透過させる第４の表面とを有する光学ウェッジを含み、第２の表面が、光を第３の表面に向かって反射し、第３の表面が、光を第４の表面に向かって反射する。
【0072】
別の実施形態によれば、第１、第２、第３、及び第４の表面のうちの１つ以上は湾曲している。
【0073】
別の実施形態によれば、ディスプレイは、導波路を含み、導波路は、第１の媒体層を含み、第１の表面レリーフ格子は、第１の媒体層内にあり、第２の媒体層は、第１の媒体層とは異なり、第２の表面レリーフ格子は、第２の媒体層内にある。
【0074】
別の実施形態によれば、ディスプレイは、媒体層を含む導波路を含み、第１及び第２の表面レリーフ格子は、媒体層内にある。
【0075】
一実施形態によれば、ディスプレイが提供され、ディスプレイは、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、光を導波路に結合するように構成された第１の表面レリーフ格子であって、第１の表面レリーフ格子が入力ベクトルによって特徴付けられている、第１の表面レリーフ格子と、画像データに基づいて光であって、光が視野を有する、光を生成するように構成されたディスプレイパネルと、ディスプレイパネルと導波路との間に結合された光学系であって、光学系が、光を第１の表面レリーフ格子に向けて透過させるように構成されており、光の視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされている光軸を有するレンズを含む、光学系と、を含み、光軸が、入力ベクトルに対してゼロ以外の角度で配向されており、光学系が、入力ベクトルに平行な方向に光を出力するように構成されている。
【0076】
別の実施形態によれば、ディスプレイは、光を透過させるように構成され、レンズの光軸と位置合わせされた光軸を有する追加のレンズを含む光学系を含む。
【0077】
別の実施形態によれば、レンズが、光を透過する第１の表面と、光を透過する第１の表面の反対側の第２の表面と、第１の表面を第２の表面に結合する平面とを有し、平面が、光の視野の中心の反対側の光軸の側に配置されている。
【0078】
別の実施形態によれば、導波路が側面を含み、光軸が側面の法線軸に平行に配向されている。
【0079】
別の実施形態によれば、導波路が側面を有し、光が、側面の法線軸の第１の側に対してある角度で第１の表面レリーフ格子に入射し、第２の表面レリーフ格子が、法線軸の第２の側に対して角度で光を出力するように構成されている。
【0080】
別の実施形態によれば、ディスプレイパネルが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）ディスプレイパネル、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、強誘電性液晶オンシリコン（ｆＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、及び透過型液晶ディスプレイパネルからなる群から選択されるディスプレイパネルを含む。
【0081】
別の実施形態によれば、ディスプレイは、導波路を含み、導波路は、第１の媒体層を含み、第１の表面レリーフ格子は、第１の媒体層内にあり、第２の媒体層は、第１の媒体層とは異なり、第２の表面レリーフ格子は、第２の媒体層内にある。
【0082】
別の実施形態によれば、ディスプレイは、媒体層を含む導波路を含み、第１及び第２の表面レリーフ格子は、媒体層内にある。
【0083】
別の実施形態によれば、ゼロ以外の角度は、５度～３０度である。
【0084】
一実施形態によれば、ディスプレイが提供され、ディスプレイは、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、光を導波路内に結合するように構成されている回折格子を有する入力カプラと、照明を放射するように構成されている照明光学系と、照明を変調することによって光を生成するように構成されている反射型ディスプレイパネルと、光を入力カプラに透過させるように構成されており、光の視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされた光軸を有するレンズであって、レンズが、回折格子の入力ベクトルに平行な方向に光を出力するように構成されている、レンズと、
を含む。
を含む。
【0085】
別の実施形態によれば、導波路が側面を有し、光軸が側面の法線軸に平行に配向されている。
【0086】
別の実施形態によれば、導波路は側面を有し、光軸は、側面の法線軸に対して非平行角度で配向される。
【0087】
上記は、単に例示に過ぎず、様々な修正を記載の実施形態に行ってもよい。上記の実施形態は、個々に又は任意の組み合わせで実装されてもよい。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-29
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路に結合するように構成された第１の表面レリーフ格子であって、前記第１の表面レリーフ格子が入力ベクトルを有する、第１の表面レリーフ格子と、
前記入力ベクトルに対して非平行な角度で前記光を出力するように構成されたプロジェクタと、
前記プロジェクタと前記導波路との間に光学的に結合されたプリズムであって、前記プリズムが、前記プロジェクタからの前記光を前記入力ベクトルに平行な方向に前記第１の表面レリーフ格子に方向転換するように構成されている、プリズムと、
前記導波路からの前記光を結合するように構成されている第２の表面レリーフ格子と、
を備える、ディスプレイ。
【請求項2】
前記プリズムが色消しプリズムを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項3】
前記プリズムが、第１の光学ウェッジと、前記第１の光学ウェッジ上の第２の光学ウェッジとを含み、前記第１の光学ウェッジ及び前記第２の光学ウェッジが、前記光を透過させるように構成されており、前記第１の光学ウェッジが、第１の材料を含み、前記第２の光学ウェッジが、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項4】
前記角度及び前記入力ベクトルは、５～２５度だけ分離される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項5】
前記導波路は側面を備え、前記角度及び前記入力ベクトルは各々、前記側面の法線軸に対して非平行であり、前記光は、前記法線軸の第１の側に対して追加の角度で前記第１の表面レリーフ格子に入射し、前記第２の表面レリーフ格子は、前記法線軸の第２の側に対して前記追加の角度で前記光を出力するように構成される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項6】
前記プリズムが、前記光を前記プリズム内に透過させる第１の表面と、第２の表面と、第３の表面と、前記光を前記プリズムから透過させる第４の表面とを有する光学ウェッジを含み、前記第２の表面が、前記光を前記第３の表面に向かって反射し、前記第３の表面が、前記光を前記第４の表面に向かって反射し、前記第１の表面、前記第２の表面、前記第３の表面、及び前記第４の表面のうちの１つ以上が湾曲している、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項7】
前記導波路が、前記第１の表面レリーフ格子が前記第１の媒体層内にある第１の媒体層と、
前記第１の媒体層とは異なる第２の媒体層であって、前記第２の表面レリーフ格子が前記第２の媒体層内にある、第２の媒体層と、を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項8】
前記導波路が、媒体層であって、前記第１の表面レリーフ格子及び前記第２の表面レリーフ格子が前記媒体層内にある、媒体層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項9】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路に結合するように構成された第１の表面レリーフ格子であって、前記第１の表面レリーフ格子が入力ベクトルによって特徴付けられている、第１の表面レリーフ格子と、
画像データに基づいて前記光であって、前記光が視野を有する、前記光を生成するように構成されたディスプレイパネルと、
前記ディスプレイパネルと前記導波路との間に結合された光学系であって、前記光学系が、
前記光を前記第１の表面レリーフ格子に向けて透過させるように構成されており、前記光の前記視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされている光軸を有するレンズを含む、光学系と、を備え、前記光軸が、前記入力ベクトルに対してゼロ以外の角度で配向されており、前記光学系が、前記入力ベクトルに平行な方向に前記光を出力するように構成されている、ディスプレイ。
【請求項10】
前記光学系が、前記光を透過させるように構成されており、前記レンズの前記光軸と位置合わせされた光軸を有する追加のレンズを更に含む、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項11】
前記レンズが、前記光を透過する第１の表面と、前記光を透過する前記第１の表面の反対側の第２の表面と、前記第１の表面を前記第２の表面に結合する平面とを有し、前記平面が、前記光の前記視野の前記中心の反対側の前記光軸の側に配置されている、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項12】
前記導波路が側面を備えており、前記光軸が前記側面の法線軸に平行に配向されている、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項13】
前記導波路が側面を有し、前記光が、前記側面の法線軸の第１の側に対してある角度で前記第１の表面レリーフ格子に入射し、前記第２の表面レリーフ格子が、前記法線軸の第２の側に対して前記角度で前記光を出力するように構成されている、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項14】
前記ディスプレイパネルが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）ディスプレイパネル、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、強誘電性液晶オンシリコン（ｆＬＣＯＳ）ディスプレイパネル、及び透過型液晶ディスプレイパネルからなる群から選択されるディスプレイパネルを備える、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項15】
前記導波路が、前記第１の表面レリーフ格子が前記第１の媒体層内にある第１の媒体層と、
前記第１の媒体層とは異なる第２の媒体層であって、前記第２の表面レリーフ格子が前記第２の媒体層内にある、第２の媒体層と、を含む、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項16】
前記導波路が、媒体層であって、前記第１の表面レリーフ格子及び前記第２の表面レリーフ格子が前記媒体層内にある、媒体層を含む、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項17】
前記ゼロ以外の角度が５～３０度である、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項18】
ディスプレイであって、全内部反射を介して光を伝搬するように構成された導波路と、
前記光を前記導波路内に結合するように構成されている回折格子を有する入力カプラと、
照明を放射するように構成されている照明光学系と、
前記照明を変調することによって前記光を生成するように構成されている反射型ディスプレイパネルと、
前記光を前記入力カプラに透過させるように構成されており、前記光の視野の中心に対してゼロ以外の角度でオフセットされた光軸を有するレンズであって、前記レンズが、前記回折格子の入力ベクトルに平行な方向に前記光を出力するように構成されている、レンズと、
を備える、ディスプレイ。
【請求項19】
前記導波路が側面を有し、前記光軸が前記側面の法線軸に平行に配向されている、請求項１８に記載のディスプレイ。
【請求項20】
前記導波路が側面を有し、前記光軸が、前記側面の法線軸に対して非平行角度で配向されている、請求項１８に記載のディスプレイ。
【国際調査報告】