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特表2025-520027導波路、光コンバイナ及びアイウェアディスプレイ

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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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】2025-07-01

(54)【発明の名称】導波路、光コンバイナ及びアイウェアディスプレイ

(51)【国際特許分類】

G02B 27/02 20060101AFI20250624BHJP

G02B 5/18 20060101ALI20250624BHJP

G02B 5/30 20060101ALI20250624BHJP

G02B 5/08 20060101ALI20250624BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/18

G02B5/30

G02B5/08 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024567556

(86)(22)【出願日】2023-05-09

(85)【翻訳文提出日】2024-11-13

(86)【国際出願番号】 US2023021503

(87)【国際公開番号】W WO2023224837

(87)【国際公開日】2023-11-23

(31)【優先権主張番号】63/342,779

(32)【優先日】2022-05-17

(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】502208397

【氏名又は名称】グーグルエルエルシー

【氏名又は名称原語表記】ＧｏｏｇｌｅＬＬＣ

【住所又は居所原語表記】１６００ＡｍｐｈｉｔｈｅａｔｒｅＰａｒｋｗａｙ９４０４３ＭｏｕｎｔａｉｎＶｉｅｗ，ＣＡＵ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アデマ，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ポットニス，シュレヤス

【テーマコード（参考）】

2H042

2H149

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H042DB07

2H149AA01

2H149BB28

2H149FC09

2H199CA04

2H199CA12

2H199CA29

2H199CA30

2H199CA34

2H199CA42

2H199CA45

2H199CA47

2H199CA48

2H199CA50

2H199CA53

2H199CA64

2H199CA67

2H199CA68

2H199CA92

2H199CA94

2H199CA96

2H249AA25

(57)【要約】

導波路は、射出瞳拡大器を含む第１の基板と、出力カプラを含む別個の第２の基板とを含む。第１の基板及び第２の基板は、互いに重なり合い、パーティション要素によって分けられている。１つまたは複数のファセットは、出力カプラが光を出力結合できるように、射出瞳拡大後に、第１の基板から第２の基板へ光を向ける。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

射出瞳拡大器を含む第１の基板と、
前記第１の基板と重なり合う第２の基板とを備え、前記第２の基板は出力カプラを含む、導波路。

【請求項2】

前記第１の基板から前記第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットをさらに含む、請求項１に記載の導波路。

【請求項3】

前記１つまたは複数のファセットは、ミラーコーティングを含む反射ファセットを含む、請求項２に記載の導波路。

【請求項4】

前記１つまたは複数のファセットは、回折格子またはホログラフィック格子を含む、請求項２に記載の導波路。

【請求項5】

前記第１の基板と前記第２の基板との間にパーティション要素をさらに含む、請求項１に記載の導波路。

【請求項6】

前記パーティション要素は、前記第１の基板及び前記第２の基板よりも低い屈折率を有する、請求項５に記載の導波路。

【請求項7】

前記パーティション要素は、空隙を含む、請求項５に記載の導波路。

【請求項8】

前記パーティション要素は、固体材料を含む、請求項５に記載の導波路。

【請求項9】

前記パーティション要素は、偏光ビームスプリッタを含む、請求項５に記載の導波路。

【請求項10】

前記射出瞳拡大器は、光を第１の方向に拡大し、前記出力カプラは、前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記導波路から光を出力結合する、請求項１に記載の導波路。

【請求項11】

前記第１の方向は、前記第２の方向と直交する、請求項１０に記載の導波路。

【請求項12】

前記出力カプラが前記導波路から光を出力結合する方向から見たとき、前記第１の基板は前記第２の基板と重なり合う、請求項１に記載の導波路。

【請求項13】

第１のレンズ層及び第２のレンズ層と、
前記第１のレンズ層と前記第２のレンズ層との間に配置された導波路とを備え、
前記導波路は、
射出瞳拡大器を含む第１の基板と、
前記第１の基板と重なり合う第２の基板とを含み、前記第２の基板は出力カプラを含む、光コンバイナ。

【請求項14】

前記導波路は、前記第１の基板から前記第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットを含む、請求項１３に記載の光コンバイナ。

【請求項15】

前記導波路は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置されたパーティション要素を含む、請求項１３に記載の導波路。

【請求項16】

前記パーティション要素は、前記第１の基板及び前記第２の基板よりも低い屈折率を有する、請求項１５に記載の光コンバイナ。

【請求項17】

前記パーティション要素は、偏光ビームスプリッタを含む、請求項１３に記載の光コンバイナ。

【請求項18】

光コンバイナを含む１つまたは複数のレンズを備え、
前記光コンバイナは導波路を含み、前記導波路は、
射出瞳拡大器を含む第１の基板と、
前記第１の基板と重なり合う第２の基板とを含み、前記第２の基板は出力カプラを含む、アイウェアディスプレイ。

【請求項19】

前記光コンバイナは、第１のレンズ層及び第２のレンズ層をさらに含み、前記導波路は、前記第１のレンズ層と前記第２のレンズ層との間に配置されている、請求項１８に記載のアイウェアディスプレイ。

【請求項20】

前記導波路は、
前記第１の基板から前記第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットと、
前記第１の基板と前記第２の基板との間のパーティション要素とを含む、請求項１８に記載のアイウェアディスプレイ。

【請求項21】

前記パーティション要素は、前記第１の基板及び前記第２の基板よりも低い屈折率を有する、請求項１８に記載のアイウェアディスプレイ。

【請求項22】

前記１つまたは複数のレンズを保持するフレームをさらに含む、請求項１８に記載のアイウェアディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

拡張現実（ＡＲ）または複合現実（ＭＲ）アイウェアディスプレイでは、画像源からの光は、一般に導波路またはライトガイドと呼ばれるライトガイド基板内で、基板の表面に形成することができる、または基板内に配置することができる、入力光結合（すなわち、入力カプラ）によって結合される。光ビームが導波路内で結合されると、光ビームは、通常、複数回の全反射（ＴＩＲ）によって、基板を通して「ガイド」され、次に、出力光結合（すなわち、「出力カプラ」）によって導波路の外に向けられる。場合によっては、射出瞳拡大器として知られている別の光学コンポーネントが、入力カプラと出力カプラとの間の光路に配置されて、光ビームを少なくとも１次元で拡大する。出力カプラによって導波路から投影された光ビームは、導波路からアイレリーフ距離で重なり合い、射出瞳を形成し、その中の画像源が生成した仮想画像をアイウェアディスプレイのユーザは視認することができる。

【発明の概要】

【0002】

第１の実施形態では、導波路は、射出瞳拡大器を含む第１の基板を含む。導波路はまた、第１の基板に重なり合う第２の基板を含み、第２の基板は出力カプラを含む。

【0003】

第１の実施形態のいくつかの態様では、導波路は、第１の基板から第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットを含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、１つまたは複数のファセットは、ミラーコーティングを含む反射ファセットを含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、１つまたは複数のファセットは、回折格子またはホログラフィック格子を含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、導波路は、第１の基板と第２の基板との間にパーティション要素を含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、第１の基板及び第２の基板よりも低い屈折率を有する。第１の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、空隙を含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、固体材料を含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、偏光ビームスプリッタを含む。第１の実施形態のいくつかの態様では、射出瞳拡大器は、光を第１の方向に拡大し、出力カプラは、第１の方向とは異なる第２の方向に導波路から光を出力結合する。第１の実施形態のいくつかの態様では、第１の方向は、第２の方向と直交する。第１の実施形態のいくつかの態様では、第１の基板は、出力カプラが導波路から光を出力結合する方向から見るとき、第２の基板と重なる。

【0004】

第２の実施形態では、光コンバイナは、第１のレンズ層と第２のレンズ層とを含み、第１のレンズ層と第２のレンズ層との間に導波路が配置される。導波路は、射出瞳拡大器を含む第１の基板を含む。導波路はまた、第１の基板に重なり合う第２の基板を含み、第２の基板は出力カプラを含む。

【0005】

第２の実施形態のいくつかの態様では、導波路は、第１の基板から第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットを含む。第２の実施形態のいくつかの態様では、導波路は、第１の基板と第２の基板との間に配置されたパーティション要素を含む。第２の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、第１の基板及び第２の基板よりも低い屈折率を有する。第２の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、偏光ビームスプリッタを含む。

【0006】

第３の実施形態では、アイウェアディスプレイは、光コンバイナを含む１つまたは複数のレンズを含む。光コンバイナは、導波路を含む。導波路は、射出瞳拡大器を含む第１の基板を含む。導波路はまた、第１の基板に重なり合う第２の基板を含み、第２の基板は出力カプラを含む。

【0007】

第３の実施形態のいくつかの態様では、光コンバイナは、第１のレンズ層及び第２のレンズ層を含み、導波路は、第１のレンズ層と第２のレンズ層との間に配置される。第３の実施形態のいくつかの態様では、導波路は、第１の基板から第２の基板へ光を向ける１つまたは複数のファセットと、第１の基板と第２の基板との間のパーティション要素とを含む。第３の実施形態のいくつかの態様では、パーティション要素は、第１の基板及び第２の基板よりも低い屈折率を有する。第３の実施形態のいくつかの態様では、アイウェアディスプレイは、１つまたは複数のレンズを保持するフレームを含む。

【0008】

添付図面を参照することによって、本開示は、より良く理解され、その多数の特徴及び利点が当業者に明らかになり得る。異なる図面における同じ参照記号の使用は、類似または同一の項目を示す。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】いくつかの実施形態による、例示的なアイウェアディスプレイを示す。

【図2】いくつかの実施形態による、図１のアイウェアディスプレイなどのアイウェアディスプレイによってユーザの目に画像を表すディスプレイ光を投影する投影システムの例示的な図を示す。

【図3】本開示で特定されるように、限られた視野（ＦＯＶ）エリアを備えるアイウェアディスプレイの一部の例を示す。

【図4】本開示で特定されるように、従来の技法によるＦＯＶエリアの拡大の問題を示す。

【図5】本開示で特定されるように、従来の技法によるＦＯＶエリアの拡大の問題を示す。

【図6】いくつかの実施形態による、異なる基板に射出瞳拡大器（ＥＰＥ）及び出力カプラを備える導波路の拡大図を示す。

【図7】いくつかの実施形態による、ＥＰＥを備える第１の基板と出力カプラを備える第２の基板との間に配置された異なるパーティション要素を備える導波路の例を示す。

【図8】いくつかの実施形態による、ＥＰＥを備える第１の基板と出力カプラを備える第２の基板との間に配置された異なるパーティション要素を備える導波路の例を示す。

【図9】いくつかの実施形態による、ＥＰＥを備える第１の基板と出力カプラを備える第２の基板との間に配置された異なるパーティション要素を備える導波路の例を示す。

【図10】いくつかの実施形態による、２つのレンズ層の間に、図７～図９に示すような導波路を備える光コンバイナの例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

眼鏡フレームのフォームファクタを備えるＡＲ／ＭＲアイウェアディスプレイのレンズは、一般的に、アイウェアディスプレイの画像源によって生成された画像を投影するために比較的小さい視野（ＦＯＶ）エリアを有する。例えば、このタイプの従来のアイウェアディスプレイでは、ＦＯＶエリアは通常、水平方向及び垂直方向に約１０°×１０°のスケールである。場合によっては、ユーザが、アイウェアディスプレイのレンズのより広いエリアにわたって画像を認識することができるように、ＦＯＶエリアのサイズを大きくすることが有利になり得る。ＦＯＶエリアを拡大することは、一般に、導波路内の出力カプラのサイズ及び対応する射出瞳拡大器（ＥＰＥ）のサイズを大きくすることを含む。しかし、従来の導波路では利用可能な空間が限られているため、従来の技法を使用して導波路内のＥＰＥと出力カプラの両方のサイズを大きくすることは、２つのコンポーネント間の干渉が大きくなるため、実用的ではない。例えば、導波路基板内のＥＰＥのサイズを拡大すると、出力カプラを拡大するために導波路基板で利用可能な空間が減少する。図１～図１０では、導波路の別個の基板にＥＰＥ及び出力カプラを実装することによって、アイウェアディスプレイのＦＯＶエリアを大きくする技法を提示する。したがって、ＥＰＥ及び出力カプラのそれぞれが互いに干渉することなく拡大することができる。

【0011】

例えば、いくつかの実施形態では、導波路は、第１の基板に入力カプラとＥＰＥを含み、第２の基板に出力カプラを含む。いくつかの実施形態では、第１の基板と第２の基板は、重なり合う層のスタックに含まれる。導波路はまた、第１の基板と第２の基板との間に配置されたパーティション要素または層と、第１の基板から第２の基板へパーティション要素を通って、またはその周りを通って光を向けるための反射ファセットのセットとを含む。パーティション要素は、第１の基板のＥＰＥ内を伝播する光が、第２の基板の出力カプラで伝播する光と干渉しないことを保証し、逆もまた同様である。反射ファセットのセットは、光がＥＰＥを通過した後に、光が出力カプラも通過できるように、第１の基板から第２の基板へ光を向けるように配置される。いくつかの実施形態では、パーティション要素は、第１の基板及び第２の基板の材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料を含む。ＥＰＥと出力カプラを異なる重なり合う基板上に配置することにより、ＥＰＥ及び出力カプラの両方を、互いに干渉することなく導波路内で拡大することができる。したがって、アイウェアディスプレイのＦＯＶエリアのサイズを大きくすることができ、それにより、ユーザは、アイウェアディスプレイのより広い表示領域にわたって生成された画像を見ることができる。

【0012】

図１～図１０では、以下でより詳細に説明されるように、アイウェアディスプレイのＦＯＶエリアを大きくすることにより、仮想画像表示エリアを大きくするためのデバイス及び技法を示す。開示したデバイス及び技法は、例示的なディスプレイシステムに関して説明されているが、本開示は、この特定のディスプレイシステムにおける実施に限定されるものではなく、本明細書に提供されたガイドラインを使用して、様々なディスプレイシステムのうちのいずれかにおいて実施され得ることを理解されたい。

【0013】

図１は、様々な実施形態による、例示的なアイウェアディスプレイ１００を示す。アイウェアディスプレイ１００（ウェアラブルヘッドアップディスプレイ（ＷＨＵＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ニアアイディスプレイなどとも呼ばれる）は、アーム１０４を含む支持構造１０２を有し、アーム１０４は、ユーザの目に向かって画像を投影するように構成されたマイクロディスプレイ投影システムを収容しており、これによって、ユーザは、レンズ要素１０８、１１０のうちの一方または両方においてディスプレイの視野（ＦＯＶ）エリア１０６に表示されるものとして投影された画像を認識する。示された実施形態では、アイウェアディスプレイ１００の支持構造１０２は、ユーザの頭部に装着されるように構成され、眼鏡フレームの一般的な形状及び外観（すなわち、フォームファクタ）を有する。支持構造１０２は、画像源（ライトエンジン、光学エンジン、プロジェクタなどとも呼ばれる）、導波路（例えば、図２に示される）などの、ユーザの目に向かってこのような画像の投影を容易にするための様々なコンポーネントを収容する、または含む。いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、１つまたは複数の前面カメラ、後面カメラ、その他の光センサ、モーションセンサ、加速度計などの、様々なセンサをさらに含む。支持構造１０２は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）インタフェース、ＷｉＦｉインタフェースなどの、１つまたは複数の無線周波数（ＲＦ）インタフェースまたは他の無線インタフェースをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、例えば、アイトラッキング機能など、アイウェアディスプレイ１００の機能を実行するための処理回路または制御回路をさらに含む。さらに、いくつかの実施形態では、支持構造１０２は、アイウェアディスプレイ１００の電気部品に電力を供給するための１つまたは複数の電池または他のポータブル電源を含む。いくつかの実施形態では、アイウェアディスプレイ１００のこれらのコンポーネントのうちのいくつかまたはすべては、支持構造１０２のつる領域１１２におけるアーム１０４内または支持構造１０２の鼻ブリッジ１１４内など、支持構造１０２の内部体積内に完全にまたは部分的に収容される。例示的なフォームファクタが示されているが、他の実施形態では、アイウェアディスプレイ１００は図１に示されている眼鏡フレームとは異なる形状及び外観を有し得ることに留意されたい。

【0014】

レンズ要素１０８、１１０の一方または両方は、ＡＲまたはＭＲディスプレイを提供するためにアイウェアディスプレイ１００によって使用され、ＡＲまたはＭＲディスプレイにおいて、レンダリングされたグラフィックコンテンツが、レンズ要素１０８、１１０を通してユーザによって認識された現実世界の光景上に重ね合わされる、または現実世界の光景と連動して提供され得る。いくつかの実施形態では、レンズ要素１０８、１１０の一方または両方は、第１のレンズ層と第２のレンズ層とを含み、これらの層の間に導波路が配置される。いくつかの実施形態では、レンズ要素１０８、１１０の一方または両方は、アイウェアディスプレイ１００の外側からの環境光（周辺光とも呼ばれる）と、アイウェアディスプレイ１００の画像源から放射された光とを組み合わせる光コンバイナとして機能する。例えば、認識可能な画像または一連の画像を形成するために使用される光は、対応するレンズ要素において少なくとも部分的に形成された導波路、１つまたは複数のスキャンミラー、１つまたは複数の光リレー、及び／または１つまたは複数のプリズムなど、一連の光学素子を介して、アイウェアディスプレイ１００の画像源によって、ユーザの目に投影されてよい。いくつかの実施形態では、複数の画像源が支持構造１０２に含まれる。場合によっては、複数の画像源は、つる領域１１２、鼻ブリッジ、または２つの領域の組み合わせ（例えば、つる領域１１２の１つの画像源と、鼻ブリッジ領域のもう１つの画像源）に配置される。いくつかの実施形態では、導波路は、入力カプラとＥＰＥを含む第１の基板と出力カプラを含む第２の基板を備える層状スタックを含む。いくつかの実施形態では、２つの基板のそれぞれを伝搬する光に対してＴＩＲ条件が確実に維持されるように、パーティション要素が２つの基板の間に配置される。さらに、光がＥＰＥを通過した後、第１の基板から第２の基板へ（例えば、反射によって）光を向けるように、ファセットのセットが、両方の基板のうちの一端にまたはその近くに含まれ、これにより、出力カプラに光を向けることができる。したがって、レンズ要素１０８、１１０のうちの一方または両方は、導波路の入力カプラによって受け取られたディスプレイ光を、導波路のＥＰＥを通して出力カプラへ送る導波路の少なくとも一部を含み、出力カプラは、アイウェアディスプレイ１００のユーザの目に向かってディスプレイ光を出力する。ディスプレイ光は、ユーザがディスプレイ光をＦＯＶエリア１０６内の画像として認識するように、変調され、ユーザの目に投影される。加えて、レンズ要素１０８、１１０の各々は、ユーザがレンズ要素を通して見ることができるように十分に透明であるため、ユーザの現実世界環境の視野を提供し、これにより画像が現実世界環境の少なくとも一部の上に重ね合わされて見える。

【0015】

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の画像源の各々は、マトリクスベースのプロジェクタ、スキャニングレーザプロジェクタ、またはレーザもしくは１つまたは複数のＬＥＤなどの変調光源と、１つまたは複数のダイナミックスキャナもしくはデジタル光プロセッサなどのダイナミックリフレクタメカニズムとの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、画像源は、例えば、複数のレーザダイオード（例えば、赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオード、及び／または青色レーザダイオード）と、少なくとも１つのスキャンミラー（例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式または圧電式である２つの一次元スキャンミラー）とを含む。画像源は、コントローラと、コントローラによって実行されると、コントローラに画像源の動作を制御させる、プロセッサ実行可能命令と他のデータを記憶する非一時的なプロセッサ可読記憶媒体またはメモリとに通信可能に結合される。いくつかの実施形態では、コントローラは、画像源のスキャンエリアサイズとスキャンエリア位置を制御し、アイウェアディスプレイ１００に表示されるコンテンツを生成するプロセッサ（図示せず）に通信可能に結合される。画像源は、アイウェアディスプレイ１００の可変エリアである、指定されたＦＯＶエリア１０６にわたって光をスキャンする。スキャンエリアサイズは、ＦＯＶエリア１０６のサイズに対応し、スキャンエリア位置は、ＦＯＶエリア１０６がユーザに可視であるレンズ要素１０８、１１０のうちの一方の領域に対応する。一般に、広い角度範囲にわたる光の出力結合に対応するために、ディスプレイが広いＦＯＶエリアを有することが望ましい。本明細書では、ディスプレイを見ることができる異なるユーザの目の位置の範囲は、アイウェアディスプレイ１００のアイボックスと呼ばれる。

【0016】

本明細書に記載の技法及び装置は、アイウェアディスプレイ１００によって課されるフォームファクタの制限内で、導波路のＦＯＶエリア１０６を大きくする。いくつかの実施形態では、レンズ要素１０８、１１０の一方または各々に組み込まれる導波路は、２つの別個の基板層を含む層のスタックから作られる。入力カプラとＥＰＥは、２つの基板層のうちの第１の層内またはその上に埋め込まれ、出力カプラは、２つの基板層のうちの第２の層内またはその上に埋め込まれる。ＥＰＥと出力カプラを異なる基材層上に配置することによって、潜在的に他方を拡張するために空間を減らすことなく、ＥＰＥと出力カプラの各々を拡張することができる。このようにして、ＦＯＶエリア１０６を全体的に大きくすることができる。これにより、アイウェアディスプレイ１００が生成した画像をユーザに表示することができるエリアが大きくなる。

【0017】

図２は、図１に示されるアイウェアディスプレイ１００などのアイウェアディスプレイの導波路２１０を介してユーザの目２２２上に画像を表すディスプレイ光を投影する投影システム２００の図を示す。投影システム２００は、画像源２０２と、光学スキャナ２２０と、導波路２１０とを含む。図２には、明確にするために、１つの画像源２０２と対応する光学スキャナ２２０が示されているが、いくつかの実施形態では、複数の画像源２０２と光学スキャナ２２０が投影システム２００に含まれる。

【0018】

いくつかの実施形態では、画像源２０２は、レーザ光（例えば、赤色、青色、及び緑色のレーザ光などの可視レーザ光、及び／または赤外レーザ光などの非可視レーザ光）を生成し出力するように構成された１つまたは複数のレーザ光源を含む。いくつかの実施形態では、画像源２０２は、コントローラまたはドライバ（図示せず）に結合されており、コントローラまたはドライバは、ユーザの目２２２の網膜へ出力されたときに画像として認識されるようにディスプレイ光２１８を変調するために、（例えば、そこに結合されたコンピュータプロセッサからコントローラまたはドライバが受信した命令に従って）画像源２０２の光源からのディスプレイ光の放出のタイミングを制御する。

【0019】

いくつかの実施形態では、光学スキャナ２２０は、第１のスキャンミラー２０４と、第２のスキャンミラー２０６と、光リレー２０８を含む。場合によっては、スキャンミラー２０４と２０６のうちの一方または両方はＭＥＭＳミラーである。例えば、スキャンミラー２０４とスキャンミラー２０６は、レーザ投影システム２００の能動的動作中に振動するようにそれぞれの作動電圧によって駆動されるＭＥＭＳミラーであり、導波路２１０の入力カプラ２１２に向けてスキャンミラー２０４とスキャンミラー２０６にディスプレイ光２１８をスキャンさせる。

【0020】

投影システム２００の導波路２１０は、入力カプラ２１２と、ＥＰＥ２１４と、出力カプラ２１６を含む。本明細書で使用される「導波路」という用語は、全反射（ＴＩＲ）を使用して、またはＴＩＲ、特殊フィルタ、及び／または反射面の組み合わせによって、ＥＰＥを通る入力カプラからの光と、対応する出力カプラへの光を伝送するコンバイナを意味することが理解されよう。ディスプレイ用途では、例えば、光はコリメートされた画像を表しており、導波路はコリメートされた画像を目に伝送し、複製する。一般に、「入力カプラ」、「射出瞳拡大器（または略して「ＥＰＥ」）」、及び「出力カプラ」という用語は、回折格子、傾斜格子、ブレーズド格子、ホログラム、ホログラフィック光学素子（例えば、１つまたは複数のホログラムを使用する光学素子）、体積回折格子、体積ホログラム、表面レリーフ回折格子、及び／または表面レリーフホログラムを含むが、これらに限定されない、あらゆるタイプの光学格子構造を指すことが理解されよう。いくつかの実施形態では、所与の入力カプラ、ＥＰＥ、または出力カプラは、光を入力カプラ、ＥＰＥ、または出力カプラに透過させ、その透過中に、設計された光学機能（複数可）を光に適用する透過型回析格子として構成される。いくつかの実施形態では、所与の入力カプラ、ＥＰＥ、または出力カプラは、光を入力カプラ、ＥＰＥ、または出力カプラに反射させ、その反射中に、設計された光学機能（複数可）を光に適用する反射型回析格子である。本実施例では、入力カプラ２１２で受け取られたディスプレイ光２１８は、光を一次元に（例えば、図２に示されるように紙面内または紙面外の方向に）拡大し、導波路２１０内のＴＩＲによってその光を出力カプラ２１６へ向けるＥＰＥ２１４に中継される。次に、ディスプレイ光は、光２２４（明確にするため１本のビームにラベルが付けられている）として出力カプラ２１６を介してユーザの目２２２へ出力される。

【0021】

いくつかの実施形態では、ＥＰＥ２１４は、入力カプラ２１２から光を受け取り、投影システム２００を収容するアイウェアディスプレイ（アイウェアディスプレイ１００に対応するものなど）のアイボックスで光を一次元に拡大する。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ２１４は、このようにして光を拡大する一次元回折格子を含む。光を一次元に拡大した後、ＥＰＥ２１４は、光を出力カプラ２１６に送る。ＥＰＥ２１４から光を受け取った後、出力カプラ２１６は、光を２次元に拡大し、光２２４をユーザの目２２２へ出力結合する。したがって、いくつかの実施形態では、出力カプラ２１６のサイズは、ユーザが画像源２０２によって生成された画像を認識できるエリアに対応する。換言すれば、出力カプラ２１６のサイズは、投影システム２００を備えたアイウェアディスプレイのＦＯＶエリア（図１に示されるＦＯＶエリア１０６など）のサイズに対応する。

【0022】

図２は、説明を明確にするために、導波路２１０の光学コンポーネント、すなわち、入力カプラ２１２、ＥＰＥ２１４、及び出力カプラ２１６を、右から左の順に示し、導波路内の光の伝搬経路を示している。いくつかの実施形態では、入力カプラ２１２、ＥＰＥ２１４、及び出力カプラ２１６の構成は、図２に示されるものとは異なる。例えば、いくつかの実施形態では、導波路２１０は、層状スタックの第１の基板上に入力カプラ２１２とＥＰＥ２１４を備え、層状スタックの第２の基板上に出力カプラ２１６を備える層状スタックからなる。いくつかの実施形態では、導波路２１０はまた、第１の基板と第２の基板との間にパーティション要素（図２には示されていない）と、第１の基板から第２の基板へ光を向ける反射ファセット（図２には示されていない）を含む。

【0023】

図３は、いくつかの実施形態によって特定されるように、限られたＦＯＶ３０６を備える眼鏡フレームのフォームファクタを有するアイウェアディスプレイ３００の一部の例を示す。例えば、従来の導波路を組み込むために利用可能な空間がレンズ３０８では限られているため、ＦＯＶ３０６は、水平方向及び垂直方向で約１０°×１０°の範囲内である。図３に示すように、導波路のコンポーネントは、入力カプラ３１２、ＥＰＥ３１４、及び出力カプラ３１６を含む。図３において、入力カプラ３１２は、アイウェアディスプレイ３００の支持構造のつる領域に配置される。ＥＰＥ３１４は、つる領域に部分的に、かつレンズ３０８に部分的に配置されているが、出力カプラ３１６は、レンズ３０８の全体的に配置されており、ＦＯＶエリア３０６に対応している。したがって、ＦＯＶエリア３０６を大きくすることは、出力カプラ３１６のサイズを大きくすることを含み、これには、ＥＰＥ３１４のサイズを拡大させることも必要である。しかし、レンズ３０８では利用可能な空間が限られているため、従来の技法に従ってＥＰＥ３１４と出力カプラ３１６のサイズを大きくすることは、図４及び図５に示される問題により、一般的に不可能である。

【0024】

図４及び図５は、従来の技法による、ＦＯＶエリアを拡大するときの問題を示す。図４は、入力カプラ４１２が支持構造のつる領域に配置される例を示す。図５は、入力カプラ５１２が支持構造の鼻ブリッジ領域に配置される例を示す。いずれの場合も、より大きな出力カプラ（それぞれ図４の出力カプラ４１６及び図５の出力カプラ５１６）とより大きなＥＰＥ（それぞれ図４のＥＰＥ４１４及び図５のＥＰＥ５１４）が、各レンズ４０８、５０８の各々においてより広いＦＯＶエリアを提供するために必要とされる。しかし、出力カプラとＥＰＥのサイズが大きくなると、ぞれぞれ、図４及び図５に示すように、導波路基板内の２つの間での干渉４２０と５２０がかなり大きくなる。これらの干渉４２０と５２０は、ＥＰＥの機能（すなわち、第１の次元でディスプレイ光を拡大する）と出力カプラの機能（すなわち、第１の次元とは異なる第２の次元でディスプレイ光を拡大し、ユーザに光を出力結合する）との間に衝突をもたらす。この衝突は、ＥＰＥまたは出力カプラのいずれかまたは両方を調整しても、ユーザに届けられる画像の品質を損なうことなく解決できない。したがって、導波路のＦＯＶエリアを広くするための従来の技法は、このタイプの眼鏡ディスプレイにおけるレンズ及び／または眼鏡フレームのフォームファクタによって大幅に制限される。

【0025】

図６は、様々な実施形態による、導波路６００の拡大図を示す。導波路６００は、第１の基板６０２と第２の基板６０４を含むコンポーネントまたは層のスタックを含む。いくつかの実施形態では、導波路６００はまた、パーティション要素６２２も含む。

【0026】

いくつかの実施形態では、第１の基板６０２と第２の基板６０４は、同じ材料から作られる。例えば、いくつかの実施形態では、第１の基板６０２と第２の基板６０４の各々は、ＡＲ／ＭＲアイウェアディスプレイの機能を有効にする光学特性を備える透明または半透明の材料（例えば、プラスチック、ポリマー、ガラスなど）から作られる。他の実施形態では、第１の基板６０２と第２の基板６０４は、異なる導波路材料から作られる。第１の基板６０２は、入力カプラ６１２とＥＰＥ６１４（前の図に記載された入力カプラまたはＥＰＥなど）を含み、第２の基板６０４は、出力カプラ６１６（前の図に記載された出力カプラなど）を含む。図示のように、第１の基板６０２と第２の基板６０４は互いに重なり合う。例えば、第１の基板６０２と第２の基板６０４は、図６に示されるｚ方向に互いに重なり合う導波路６００を構成するコンポーネントのスタックに含まれる。いくつかの実施形態では、第１の基板と第２の基板に関する「重なり合う」という用語は、図６に示すように、第１の基板の少なくとも５０％が、少なくとも１つの軸（例えば、ｚ方向）に沿って、第２の基板６０４と一致すること（またその逆）を意味する。すなわち、ユーザ側（すなわち、ユーザの目２２２の視点）から見たとき、第２の基板６０４の少なくとも５０％が第１の基板６０２と重なり合う、または世界側（すなわち、ユーザの目２２２とは反対側の導波路）から見たとき、第１の基板６０２の少なくとも５０％が第２の基板６０４と重なり合う。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ６１４と出力カプラ６１６に関する「重なり合う」という用語は、これらの光学コンポーネント（すなわち、ＥＰＥと出力カプラ）の各々が、別個であるが隣接する平面で、それぞれの光学機能を実行すること（例えば、ＥＰＥにおける、光ビームを一次元に沿って拡大すること）を意味する。例えば、図６に示される導波路６００を参照すると、ＥＰＥ６１４は、第１の基板６０２に対応する平面において光ビームを拡大しており、出力カプラ６１６は、第２の基板６０４に対応する別個であるが隣接する平面において光ビームを拡大している。いくつかの実施形態では、導波路６００の製造を容易にするために、第１の基板６０２と第２の基板６０４は、互いに全体に、または大部分が一致している。すなわち、第１の基板と第２の基板は、互いに完全に、またはほぼ完全に、例えば、９０％以上が重なり合う。いくつかの実施形態では、第１の基板６０２と第２の基板６０４の寸法は基本的に同じであり、両方の基板は、例えば、ユーザによって観察されたときに、端が見えないように、互いに完全に重なり合う。

【0027】

いくつかの実施形態では、導波路６００は、第１の基板６０２と第２の基板６０４との間にパーティション要素６２２を含む。いくつかの実施形態では、パーティション要素は、空隙（または他のガス入りの隙間）、低屈折率材料（すなわち、第１の基板６０２と第２の基板６０４の材料（複数可）の屈折率と比較して低い屈折率を有する材料）、または偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。いずれの場合も、パーティション要素６２２は、ＥＰＥ６１４を伝播する光と、出力カプラ６１６を伝播する光とが、互いに干渉しないようにバリアの役割を果たす。例えば、ＥＰＥ６１４の光は、第１の基板６０２側からパーティション要素６２２に入射するときにＴＩＲによってＥＰＥ６１４内を伝播し、出力カプラ６１６の光は、第２の基板６０４側からパーティション要素６２２に入射するときにＴＩＲによって出力カプラ６１６内を伝播する。したがって、いくつかの実施形態では、第１の基板６０２とパーティション要素６２２との間の境界面、及び第２の基板６０４とパーティション要素６２２との間の境界面は、それぞれ、第１の基板６０２の光及び第２の基板６０４の光に対してＴＩＲ条件を可能にする。

【0028】

いくつかの実施形態では、導波路６００はまた、ファセット６３２、６３４のセットも含む。例えば、第１のファセット６３２は第１の基板６０２に配置され、第２のファセット６３４は第２の基板６０４に配置される。ファセット６３２、６３４のセットは、光を第１の基板６０２から第２の基板６０４へ向ける。例えば、光がＥＰＥ６１６を通過し、第１の次元／方向に（例えば、図６のｙ次元に沿って）拡大された後、ファセット６３２は、光を第１の基板６０２からパーティション要素６２２を通って、またはその周りを通ってファセット６３４へ向ける。いくつかの実施形態では、パーティション要素６２２は、光が第１のファセット６３２から第２のファセット６３４へ通過することができる１つまたは複数の穴または開口部６７０を含む。いくつかの実施形態では、ファセット６３２は、そこに入射する光が、第１の基板６０２のＴＩＲ条件を破り、第１の基板６０２を出て、ファセット６３４に入射するように配置される。ファセット６３４は、その上に入射する光を第２の基板６０４内でＴＩＲによって出力カプラ６１６へ向け、第２の次元／方向（例えば、図６のｘ次元に沿って）に拡大し、ユーザの目２２２に出力結合されるようにする。いくつかの実施形態では、ファセット６３２、６３４のセットは、ミラーまたは金属層などの任意のタイプの反射面である。いくつかの実施形態では、ファセット６３２、６３４のセットは、ミラーコーティングでコーティングされたファセット、またはブラッグミラーコーティングでコーティングされたファセットを含む。他の実施形態では、ファセット６３２、６３４のセットは、回折格子またはホログラフィック格子である。

【0029】

このようにＥＰＥ６１４と出力カプラ６１６を異なる基板上に分離することにより、導波路６００は、互いに干渉することなく、ＥＰＥ６１４と出力カプラ６１６を拡張することができる。これにより、ＦＯＶエリアが拡大されることによって、導波路６００を備えたアイウェアディスプレイは、より広いディスプレイエリアにわたって（例えば、画像源２０２などの画像源から）生成された画像を提供することができる。

【0030】

いくつかの実施形態では、光は、以下の経路に従って導波路６００を通して送られる。最初に、光は、入力カプラ６１２で入力結合され、入力結合された光６４２としてＴＩＲによって第１の基板６０２内でＥＰＥ６１４へ向けられる。ＥＰＥ６１４は、ディスプレイ光をＥＰＥ光６４４（明確にするため１本の矢印にラベルが付けられている）として、第１の次元に（例えば、図６のｙ方向に沿って）拡大する。この光は、ＥＰＥ６１４内を、一方のパーティション要素６２２と、他方の第１の基板６０２の外面（図６の手前側）を介してＴＩＲにより伝播する。第１のファセット６３２に到達すると、光は、基板間光６４６（明確にするため１本の破線矢印にラベルが付けられている）として、第１の基板６０２から外へ向けられる。基板間光６４６は、パーティション要素６２２を通過するか、またはパーティション要素６２２の周りに向けられ、第２の基板６０４の第２のファセット６３４に入射する。第２のファセット６３４は、そこに入射した光を、第２の基板光６４８（明確にするため１本の矢印にラベルが付けられている）として、第２の基板外面（ユーザの目２２２に面している、図６の向こう側）とパーティション要素６２２を介してＴＩＲにより第２の基板内に向ける。第２の基板光６４８は、出力カプラ６１６へ向けられ、出力カプラ６１６は、光を別の次元／方向に拡大し、出力結合された光６５０として光をユーザの目２２２に向かって出力結合する。

【0031】

図７～図９は、様々な実施形態による、２つの基板間に配置された異なるタイプのパーティション要素を備える、導波路６００などの導波路の異なる実施形態を示す。図７～図９の導波路内及び導波路から外への光伝播経路は、破線で示される。図７～図９に示すように、各図の第１の基板（例えば、図７の第１の基板７０２、図８の第１の基板８０２、及び図９の第１の基板９０２）は、各図の第２の基板（例えば、図７の第２の基板７０４、図８の第２の基板８０４、及び図９の第２の基板９０４）と重なり合う。このようにして、対応する各ＥＰＥ及び出力カプラは、他方のサイズを制限することなく拡大することができる。例えば、図７を参照すると、ＥＰＥ７１４のエリアは、ｚ方向において異なる平面上にあるため、ｘ次元及びｙ次元に沿った出力カプラ７１６の拡大を干渉することなく、ｘ次元及びｙ次元に沿って拡大することができる。したがって、レンズ要素に導波路７００を備えたアイウェアディスプレイのＦＯＶエリアを拡大することができる。これは、図８及び図９に示される導波路構成にも同様に適用される。

【0032】

図７を参照すると、導波路７００は、入力カプラ７１２とＥＰＥ７１４を備えた第１の基板７０２を含む。図７に示すように、ＥＰＥ７１４は、光を図の内／外に、すなわち、ｙ方向に沿って拡大する。導波路７００はまた、出力カプラ７１６を備えた第２の基板７０４を含む。導波路７００は、第１の基板７０２から第２の基板７０４へ光を向けるためのファセット７３２、７３４のセットをさらに含む。導波路７００に示されるパーティション要素は、第１の基板７０２と第２の基板７０４との間の空隙７２２（または他のガス入りの隙間）である。したがって、光は、第１の基板７０２の外面７４２及び第１の基板７０２と空隙７２２との間の境界面７４４のＴＩＲによって、第１の基板７０２内を伝播する。同様に、光は、第２の基板７０４の外面７４６及び第２の基板７０４と空隙７２２との間の境界面７４８のＴＩＲによって、第２の基板７０４内を伝播する。第２の基板７０４内を伝播する光は、出力カプラ７１６によって第２の基板７０４から放出される。

【0033】

図８を参照すると、導波路８００は、入力カプラ８１２とＥＰＥ８１４を備えた第１の基板８０２を含む。図８に示すように、ＥＰＥ８１４は、光を図の内／外に、すなわち、ｙ方向に沿って拡大する。導波路８００はまた、出力カプラ８１６を備えた第２の基板８０４を含む。導波路８００は、第１の基板８０２から第２の基板８０４へ光を向けるためのファセット８３２、８３４のセットをさらに含む。導波路８００に示されるパーティション要素は、第１の基板８０２と第２の基板８０４との間の低屈折率材料８２２である。低屈折率材料８２２は、第１の基板８０２及び第２の基板８０４の各々の材料よりも低い屈折率を有する。したがって、光は、第１の基板８０２の外面８４２及び第１の基板８０２と低屈折率材料８２２との間の境界面８４４のＴＩＲによって、第１の基板８０２内を伝播する。同様に、光は、第２の基板８０４の外面８４６及び第２の基板７０４と低屈折率材料８２２との間の境界面８４８のＴＩＲによって、第２の基板８０４内を伝播する。第２の基板８０４内を伝播する光は、出力カプラ８１６によって第２の基板８０４から放出される。

【0034】

図９を参照すると、導波路９００は、入力カプラ９１２とＥＰＥ９１４を備えた第１の基板９０２を含む。図９に示すように、ＥＰＥは、光を図の内／外に、すなわち、ｙ方向に沿って拡大する。導波路はまた、出力カプラ９１６を備えた第２の基板９０４を含む。導波路９００は、第１の基板９０２から第２の基板９０４へ光を向けるためのファセット９３２、９３４のセットをさらに含む。導波路８００に示されるパーティション要素は、第１の基板９０２と第２の基板９０４との間の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）層９２２である。ＰＢＳ層９２２の材料のタイプは、導波路を通って伝播する光の偏光のタイプを反映するように選択される。例えば、いくつかの実施形態では、導波路９００内に入力結合される画像源から放射されたディスプレイ光は、ｐ偏光である。したがって、ＰＢＳ層９２２は、ｐ偏光状態である光を反射するように構成される。別の実施形態では、導波路９００内に入力結合される画像源から放射されたディスプレイ光は、ｓ偏光であってよい。この場合、ＰＢＳ層９２２は、ｓ偏光状態である光を反射するように構成される。いずれの場合も、光は、第１の基板９０２内を、第１の基板９０２の外面９４２と第１の基板９０２の反対側のＰＢＳ層９２２で反射しながらＴＩＲにより伝播する。同様に、光は、第２の基板９０４内を、第２の基板９０４の外面９４６と第２の基板９０４の反対側のＰＢＳ層９２２で反射しながらＴＩＲにより伝播する。第２の基板９０４内を伝播する光は、出力カプラ９１６によって第２の基板９０４から放出される。

【0035】

図１０は、様々な実施形態による、光コンバイナ１０００を示す。例えば、光コンバイナ１０００は、図１のレンズ要素１０８、１１０の一方または両方に対応し得る。

【0036】

いくつかの実施形態では、光コンバイナ１０００が、世界側１０３０からの環境光（周辺光とも呼ばれる）と、画像源（図２の画像源２０２など）から放射された光とを組み合わせることで、ユーザの目２２２が、現実世界環境にオーバーレイされた画像源からの画像を認識する。したがって、光コンバイナ１０００は、第１のレンズ層１０１０と第２のレンズ層１０２０とを含み、これらの間に導波路１０１５が配置される。いくつかの実施形態では、第１のレンズ層１０１０と第２のレンズ層１０２０は、環境からの周辺光がユーザの目２２２に到達することができるように、透明または半透明である。いくつかの実施形態では、導波路１０１５は、図６～図９にそれぞれ示される導波路６００、導波路７００、導波路８００、または導波路９００のうちのいずれか１つに対応する。したがって、光コンバイナ１０００の導波路１０１５は、拡大された出力カプラを含み、それにより、光コンバイナ１０００は、ユーザの目２２２によって観察される、より広いエリアにわたって画像を表示することができる。

【0037】

一般的な説明において上記で説明された動作または要素のすべてが必要とされるわけではなく、特定の動作またはデバイスの一部は必要とされない場合があり、説明されたものに加えて、１つまたは複数のさらなる動作が実行されても、または要素が含まれてもよいことに留意されたい。さらに、動作が列挙された順序は、必ずしもそれらが実行される順序ではない。また、概念は、特定の実施形態を参照して説明されている。しかし、当業者は、下記の特許請求の範囲に示されるように本開示の範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を行うことができることを理解する。したがって、明細書及び図面は、制限的な意味ではなく例示的な意味で見なされるべきであり、すべてのこのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

【0038】

利益、他の利点、及び問題に対する解決手段は、特定の実施形態に関して上記で説明されている。しかし、利益、利点、問題に対する解決手段、及びあらゆる利益、利点、または解決手段を生じさせ得る、またはより顕著なものにし得る、あらゆる特徴（複数可）は、任意のまたはすべての請求項の決定的な、必要な、または必須の特徴として解釈されないものとする。さらに、開示された主題が、本明細書における教示の利益を有する当業者に明らかな、異なるが同等の形式で修正及び実施され得るため、上記に開示された特定の実施形態は、例示的でしかない。下記の特許請求の範囲に記述されているもの以外は、本明細書に示された構成または設計の詳細に対する限定を意図されていない。したがって、上記で開示された特定の実施形態は、変更または修正されてよく、すべてのこのような変形は、開示された主題の範囲内であると考えられることは明白である。したがって、本明細書において求められる保護は、下記の特許請求の範囲内に示されている。

【図1】