JP2018534597A - 反射型転換アレイを有する結像光ガイド - Google Patents

Abstract

結像光ガイドは、導波路と、導波路の上に形成され、像担持光ビームを導波路に向けるよう配置された入力結合型回折光学素子を有する。２つ以上の少なくとも半反射性の表面のアレイが平行に向けられており、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを１次元で拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるよう配置される。出力結合型回折光学素子は、導波路に形成されており、像担持光ビームを１次元と直交する２次元で拡大し、像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるよう配置される。

Description

本発明は、一般に電子ディスプレイに関し、特に、結像光ガイドを用いて像担持光を観者に伝達する頭部装着型（ニアアイ(near-eye)）ディスプレイに関する。

頭部装着型ディスプレイ（Head-Mounted Displays）（HMDｓ）は、軍用、商業用、産業用、消防用、及び娯楽用のアプリケーションを含む様々な用途のために開発されている。これらのアプリケーションの多くで特に価値のあることは、ＨＭＤユーザの視野にある実世界の画像上に視覚的に重ね合わせることができる虚像を形成することである。光学的結像光ガイドは、狭小空間で観者に像担持光を伝達し、虚像を観者の瞳孔に向け、この重ね合わせ機能を可能にしている。

このような従来の結像光ガイドでは、画像ソースからのコリメートされた相対的に角度エンコードされた光ビームは、入力結合型回折光学素子のような入力結合によって平面導波路内に結合される。入力結合型回折光学素子を、平面導波路の表面に搭載又は形成することができ、導波路内に埋設することもできる。このような回折光学素子は、回折格子、ホログラフィック光学素子又は他の知られた方法で形成することができる。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成することができる。導波路に沿った伝搬の後、回折光は、虚像の第１次元に沿った瞳拡大を提供するよう構成され得る同様の出力格子によって導波路から向け戻され得る。さらに、転換格子を入力格子と出力格子の間の導波路に沿って配置して、虚像の直交する次元における瞳拡大を提供することができる。導波路から出力された像担持光は、観者に拡大されたアイボックスを提供する。

従来の結像光ガイドの構成により、ニアアイディスプレイ光学系の容積、重量及び全体のコストにおける大幅な低減がもたらされてきたが、格子の全体効率は、各格子境界面で生じる光学的損失によって制限されることが多い。各格子領域は、１つの特定の画角と１つの特定の導波路に対して十分に最適化され得るだけなので、虚像の視野にわたる性能又は同じ虚像の可視スペクトルにわたる性能は、大きく変わる可能性がある。このことは、入力結合型回折光学素子から出力結合型回折光学素子へ移動する光を方向付ける転換格子についてもいえる。光が各回折光学素子に遭遇するとき、相当量の入力光エネルギーが失われるので、入力画像ソースは、観者に提示される虚像の失われた明るさを補償するのに十分に明るくなければならない。

したがって、依然として所望の瞳拡大を提供しつつも、頭部装着型ディスプレイにおける効率の改善を提供する像担持光ガイドの改良された設計が必要であることが理解されよう。

結像に使用される光ガイドの設計の考慮において、導波路内を移動する像担持光は、結合のメカニズムが格子、ホログラム、プリズム、ミラー又は他の何らかのメカニズムを使用するかどうかにかかわらず、入力結合によって効率的にエンコードされるということに留意すべきである。入力で生じる、光のあらゆる反射、屈折及び／又は回折は、観者に提示される虚像を再構成するために出力によって、相応にデコードされなければならない。

入力結合型回折光学素子と出力結合型回折光学素子との間の中間位置に置かれる転換格子は、通常は、エンコードされた光にいかなる変化も引き起こさないように、選択される。好ましくは、転換格子は、導波路内の光線束（ray bundle）の方向を向け直すが、虚像のエンコードされた角度情報を変更させない。そのような設計のシステムで結果として生じる虚像は、回転されない。さらに、このようなシステムが虚像に回転を導入すれば、光の相違する視界角及び波長にわたって不均一になるため、結果として生じる虚像に不要な歪み又は収差を引き起こす。

「基板誘導式光学ビーム拡大器」と題する、Amitaiによる米国特許第６８２９０９５号は、平面導波路に出入りする像担持光ビームの集合を反射するミラーの形態の入力及び出力結合を開示している。出力結合は、第１次元に沿って射出瞳を拡大するための反射面のアレイに分割される。本明細書で転換ミラーと称される、中間の反射面のアレイにより、直交する次元において射出瞳が拡大される。様々な、入力面、出力面及び中間反射面は、互いに整合され、像担持光の所望の角度方向を保持する。

しかし、上記Amitai型の１次元（1-D）瞳拡大ガイドは、費用が掛かり、製造が困難であることが判明している。この概念を２次元（2-D）ビーム拡大に拡張し、第２のセットの角度で方向付けられたミラーのアレイを使用すれば、ただでさえ厄介な製造作業を非常に困難にし、極めて満足し難い位置合わせの要件がもたらされる。

このように、転換格子及び転換ミラーの双方は、同様のタイプの入力結合及び出力結合、すなわち、格子を有する格子およびミラーを有するミラーで動作するように整合され、方向付けられている。しかし、もし転換格子が、ミラー又はプリズムを用いて入力された光の方向を向け直すように用いられれば、結果として生じる虚像に望ましくない影響が生じるだろう。１つの考慮事項として、結像に使用されるあらゆるタイプの反射面では、入力結合された光の望ましくない反転／回転が存在し得る。

製造可能性の観点から、導波路に出入りする像担持光ビームの入力及び出力に回折光学素子を使用することにより、多くの光学的な設計問題を単純化することができる。しかしながら、依然として、平面導波路内の光を入力結合から出力結合に向け直すための、より良い性能、効率性の向上、及びコンパクトな実装構成を可能にする光学的解決策の必要性が依然として存在する。

本開示の目的は、コンパクトな頭部装着型（ニアアイ）ディスプレイ内での像提示技術を進歩させることである。有利には、本開示の実施形態は、観者に高解像度で広い視野（field of view(FOV)）のコンテンツを提示するために拡大された瞳サイズを提供する結像光ガイドを有する身体装着可能なディスプレイを提供する。

本開示の実施形態の結像装置は、(a)虚像の第１次元に沿った瞳拡大を提供しながら、平面導波路に光を出入りさせる回折、及び、(b) 光の方向転換及び虚像の第２次元に沿った瞳拡大のための、導波路内の反射を用いている。

この新規な構成は、全くの回折による解決策と比較して、像の回転及び反転の双方を提供するから、この構成により、光学的効率性と輝度の向上という利点がもたらされ、よりコンパクトな頭部装着型ディスプレイ及び関連する表示設計オプションが可能になる。

本発明のこれらの及び他の、態様、目的、特徴及び利点は、以下の、好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を検討し、添付の図面を参照することにより、より明確に理解され、認識されるであろう。

本開示の一態様によれば、結像光ガイドは、導波路と、入力結合型回折光学素子と、互いに平行に方向付けられた２以上の少なくとも半反射性の表面のアレイと、出力結合型回折光学素子と、を有する。入力結合型回折光学素子は、それぞれが虚像の画素（pixel）を表す複数の光ビームを導波路に導く。２以上の少なくとも半反射性の表面のアレイは、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを第１次元において拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向ける。出力結合型回折光学素子は、第２次元において像担持光ビームを拡大し、導波路からの像担持光ビームをビューアーアイボックスに向ける。

単眼式の回折型ビーム拡大器の１つの可能な構成を簡略化された断面で示す概略図である。

転換格子を有する回折型ビーム拡大器を示す斜視図である。

本開示の実施形態に係る斜視図であって、入力結合型回折光学素子とビーム転換用レフレクタとを用いる、単一方向の拡大のためのハイブリッドビーム拡大器を示す。

本開示の実施形態に係る斜視図であって、入力結合型回折光学素子、出力結合型回折光学素子及びビーム転換用レフレクタを用いるハイブリッド２次元ビーム拡大器を示す。

レフレクターアレイを用いるビーム拡大器を提供する結像光ガイドを示す平面図である。

レフレクターアレイを用いるビーム拡大器を提供する結像光ガイドを示す平面図であって、入射像の領域点の拡大された部分も示す。

勾配レフレクターアレイを使用する結像光ガイドを示す平面図である。

勾配レフレクターアレイがどのように動作するかを示す概略図である。

勾配レフレクタの例示的な領域を示す平面図である。

勾配レフレクターアレイを有するビーム拡大器を示す斜視図である。

本開示の結像光ガイドを用いた拡張現実視のためのディスプレイシステムを示す斜視図である。

勾配レフレクターアレイを用いた、本開示の他の実施形態を示す概略図である。

発明の詳細な説明

本説明は、特に、本発明による装置の一部を形成する要素、又は本発明による装置とより直接的に協働する要素に関する。特に示されず、記載されていない要素は、当業者に周知のさまざまな形態をとり得ることが理解されるであろう。

本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」などの用語は、必ずしも序数的、逐次的、又は優先順位の関係を示すものではなく、別段の定めがない限り、ある要素又は要素の集合を別のものとより明確に区別するために単に用いられる。

本開示の文脈において、「観者」、「オペレータ」、「観察者」及び「ユーザ」という用語は、同等であると見なされ、ＨＭＤ視覚装置を装着する人を指す。

本明細書で使用される場合、「稼働可能」という用語は、電力を受け取ったときに、及び任意に許可信号（enabling signal）を受け取ったときに、指示された機能を実行する１つの装置又は構成要素の集合に関係している。

本明細書で使用される「集合（set）」という用語は、要素の集まり又は集合の元の概念が基本数学において広く理解されているように、空でない集合を指す。特に明記しない限り、「部分集合（subset）」という用語は、空でない適切な部分集合、即ち、１又は複数の元を有する大きな集合の部分集合を指すために本明細書では使用される。集合Ｓについて、部分集合は完全集合Ｓを含むことができる。しかし、集合Ｓの「真部分集合」は、集合Ｓに厳密に含まれ、集合Ｓの少なくとも１つの元を除外する。

本開示の文脈において、「斜めの（oblique）」という用語は、９０度の整数倍ではない角度を意味する。例えば、２つの、線、線形構造又は平面は、それらが平行から少なくとも約５度以上離れた角度で、又は直交から少なくとも約５度以上離れた角度で、互いに発散する（それる）か又は収束する（近づく）場合には、互いに斜めであると見なされる。

本開示の文脈において、「反射率」は、表面から反射された光の強度と、考慮されるスペクトルにわたって表面に入射する光の比に基づく百分率として表される。

実像投影の代替として、光学システムは虚像ディスプレイを生成することができる。実像を形成する方法とは異なり、虚像は表示面には形成されない。すなわち、もし表示面が虚像の知覚された位置に配置されれば、その面には画像が形成されないだろう。虚像ディスプレイは拡張現実感ディスプレイにいくつかの固有の利点を有する。例えば、虚像の見かけ上のサイズは、表示面のサイズ又は位置によって限定されない。実像を投影するシステムと比較して、遠くにあるように見える虚像を形成することにより、より現実的な視覚体験を提供することができる。虚像を提供することにより、実像を投影するときに必要とされるスクリーンのような人工物を補う必要はなくなる。

回折を用いて、虚像ディスプレイを提供する結像光ガイドの内部の光を観者に向ける以前の導波路の実施形態とは異なり、本開示の結像光ガイドの実施形態は、回折よりむしろ反射を用いて導波路内の回折光の方向を向け直し、一方向に瞳を拡大している。この構成により、効率性と明るさの改善及び画像ソースの向きに関する制約条件の緩和が、結像光ガイドにもたらされる。

図１は、単眼式の回折型ビーム拡大器又は結像光ガイド２２として形成される射出瞳拡大器１０の１つの可能な構成を簡略化された断面で示す概略図である。結像光ガイド２２は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯのような入力結像と、出力結合型回折光学素子ＯＤＯのような出力結合とを備える結合光ガイド２２として形成された射出瞳拡大器１０を備える。これら入力結合及び出力結合は、結像光ガイド基板Ｓと称され、かつ瞳拡大基板Ｓとも呼ばれる透明かつ平坦な導波路上に配置されている。この例では、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、瞳拡大基板Ｓの上面に配置された反射型回折光学素子として示されている。しかし、入力光ビームＷＩが最初に瞳拡大基板Ｓに作用する限り、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、代わりに、瞳拡大基板Ｓの下面１２に配置された透過性回折光学素子でもよい。回折光学素子は、導波路上に、内部に、接して、若しくは隣接して形成され、又は光学的に結合されてもよい。回折光学素子は、回折格子、体積ホログラム、若しくは他のホログラフィックパターン要素、又は、罫線状の若しくは他の周期的な配列を有する他のタイプの光学的構成要素として形成されてもよく、入射する像担持光を導波路の内部若しくは外部に回折する。体積ホログラムは、ホログラフィック高分子分散液晶(HPDLC)のような、屈折率の変化する代わりの材料で形成することができる。

仮想ディスプレイシステムの一部として使用される場合、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、適切な前行程の光学素子（図示せず）を経た、撮像素子からの例示の軸上の入射孔ビームＷＩを、結像光ガイド２２の基板Ｓに結合する。入力光ビームＷＩは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯによって回折される。一次回折光の一部は、導波光ビームＷＧを形成する。導波光ビームＷＧは、基板Ｇに沿って伝搬し、図１のシステムの右方に向かって、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって移動する。格子又は他のタイプの回折光学素子の間で、全反射(Total Internal Reflection)(TIR)によって結像光ガイドに導かれるか、又は向けられる。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、図１の視座におけるｘ軸に沿うビーム拡大に寄与し、基板Ｓを介して受け取った光を結合し、一連の相対的に配置されたビームレット(beamlets)としての光ビームを外方、観察者に向けて方向付ける。

図２の斜視図は、結像光ガイドとして構成された従来のビーム拡大器２０を示す。このビーム拡大器２０は、中間の転換格子ＴＧを用いて入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力された光（第１の回折モード）を出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向け直して、所望の像のｘ軸及びｙ軸に沿うビーム拡大を提供している。図２の装置では、周期ｄの周期的な罫線を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、画像ソース１６によって生成された複数の画素のうちの１つを表す、入射する入力光ビームＷＩを受け取る。虚像を生成するための角度エンコードされたあらゆるビームは、焦点調節光学系とともに実際のディスプレイによって、ビームの角度をより直接的に設定するビームスキャナによって、又はスキャナと共に使用される一次元の実際のディスプレイなどの組み合わせによって、生成され得る。ビーム拡大器２０によって、中間格子ＴＧを用いることにより、出力結合型回折光学素子ＯＤＯから拡大された出力ビームが提供される。中間格子ＴＧにより、ｙ軸方向にビーム拡大される。中間格子ＴＧは、回折光学系の角度方向を有するとともに、間隔周期ｄの周期性と、回折光学素子ＩＤＯ及び回折光学素子ＯＤＯの間の回折特性の角度差とによって決定される間隔構造を有する。

転換格子ＴＧの使用により、ビーム拡大器２０の設計に固有の幾何学的精度が提供される。これにより、入力ビーム及び出力ビームは、互いに対称的に方向付けられる。像の対称性は、図２の文字「Ｒ」の像に示される。注目すべきは、結像光ガイドビューアに形成される像は、無限遠に焦点が合った虚像であるが、図２に示すように、入力像コンテンツに対する出力像コンテンツの相対的な向き(orientation)を有している、ということである。文字「Ｒ」を用いて相対的な像の向きを示す同様のパターンは、以降の図に続く。z軸まわりの回転、又はx-y平面に対する入射光ビームＷＩの角度方向における変化により、出力結合型回折光学素子ＯＤＯからの出射光の回転又は角度方向における対応する対称的な変化が引き起こされる。像の向きの観点から、転換格子ＴＧは、単純に一種の光リレーとして機能し、入力結合型回折光学素子ＩＤＯで入力され出力結合型回折光学素子ＯＤＯで出力される像の一つの軸に沿うビーム拡大を提供する。転換格子ＴＧは、一般的には、傾斜した若しくは四角形の格子であり、又は、ブレーズド格子(blazed grating)であり得る。

図１と図２に示す、従来の結像光ガイドビーム拡大器２０は、観者にイメージコンテンツを提供するための、いくつかの既存の頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）の設計に用いられている。このタイプのビーム拡大器は、透明な結像光ガイドを通して見える現実世界の視界にイメージコンテンツを重ね合わせることができる拡張現実アプリケーションに特によく適している。しかし、転換格子ＴＧの使用に関する、いくつかの性能の限界と寸法的／角度的な制約がある。

転換格子の角度に関す性能は、制限される可能性がある。転換格子は、正しく設計された場合、単一の視界角及び単一の波長では、理想的な解決策となり得る。実際に光を方向転換する反射屈折配列の効率曲線は、入力結合型と出力結合型の回折光学素子の効率曲線と同様の特性を有する。システムを伝搬する、設計波長で中心視界角の光線は、効率よく入射結合され（回折光学素子ＩＤＯ）、効率よく転換され１次元で拡大され（格子ＴＧ）、効率よく出射結合され直交する次元で拡大される（回折光学素子ＯＤＯ）。同じ波長であるが、末端の視野点からの同様の光線は、逆に、効率的でなく入力結合され、効率的でなく転換され、効率的でなく出力結合される。これにより、画角全体にわたる平衡性能、カラーバランス、及び輝度における困難が生じる。

例えばピコプロジェクタのような従来の携帯型投影装置は、一般的に９：１６の高さ幅比でイメージコンテンツを提供する。従来の結像光ガイド設計の角度範囲の制約は、同様にして、プロジェクタ装置の許容される姿勢を抑制し、一般的に、例えばＨＭＤにおけるピコプロジェクター装置のコンパクトなパッケージングを妨げる。更なる制約として、前に言及したとおり、全体的な光効率が制限される。

本開示の実施形態は、拡大された観察瞳(view pupil)又はアイボックスを有する虚像を形成する光学システムを提供する。この光学システムは、単一の平面導波路の構成要素の形式の結像光ガイドを含む。平面導波路の構成要素は、次のものを有する。(i) 入射する像担持光ビームを受け、少なくとも、入射する光ビームからの一次回折光を、全反射を用いて平坦な構成要素に沿うように向ける入力結合型回折光学素子ＩＤＯのような入力結合要素。(ii) それぞれの像担持光ビームを、ビームの伝搬方向に対して横方向の第１方向に拡げ、像担持光ビームを外に向けて虚像を形成する出力結合型回折光学素子ＯＤＯのような出力結合要素。(iii) 少なくとも第１及び第２の平行な、反射率を互いに異ならせた反射性の表面を有するレフレクターアレイ。レフレクターアレイは、各像担持光ビームを、ビームの伝搬方向に対して横方向かつ第１方向と直交方向の第２方向に拡大するとともに、入力結合型回折光学素子からの回折光を出力結合型回折光学素子に向ける角度に配置されて虚像を形成する。回折光学素子が使用される場合、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯは、それぞれ好ましくは、同じ回折周期を有する。

結像光ガイドビーム拡大器の全体的な効率を高めるのを助けるために、本開示の実施形態は、ビーム拡大基板の内部に入れられ、ビーム拡大基板に取り付けられ、又はビーム拡大基板の一部として形成された１つ又は複数の反射面を使用し、転換及びy軸に関するビーム拡大機能を実行している。第１の例示的な実施形態として、図３は、レフレクタ３６を使用して出力ビームを転換する、導波路基板Ｓ上のビーム拡大器３０を示すレフレクタ３６は、ビーム拡大器３０の外縁内部に、又は外縁に沿って形成され、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯのそれぞれの周期性の方向の格子ベクトルに適切な角度に配置される。本開示の実施形態によれば、レフレクタ３６は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの格子ベクトルと平行な光を反射し、反射された光が、同様にして出力結合型回折光学素子ＯＤＯと平行になるようにする。破線は、結合光ガイド内の回折一次光の光路を示す。破線が示すように、レフレクタ３６は、虚像の向きを変え、この図で文字「Ｒ」で示されるように、虚像コンテンツを効率的に反転させ、レフレクタでの中心視野主光線の入射角の２倍で像を回転させる。上述したように、出力結合型回折光学素子ＯＤＯを用いる図３の構成において、瞳拡大は一方向においてのみ行われる。

図４は、本開示の実施形態に係るビーム拡大器３０を示す斜視図である。ビーム拡大器３０は、図２、図３に関して述べたような、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯをそれぞれ有しており、２次元（2-D）ビーム拡大のためのレフレクターアレイを用いる。このタイプの構成は、光ビーム出力をx及びy方向に拡大する。レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃとして図４の実施形態に示す、３つの鏡面反射面を有する。アレイにおけるいくつかの特定の反射面は半反射性であり、これにより、レフレクタ３４ａへのある入射光は、レフレクタ３４ｂに伝達し、同様に、レフレクタ３４ｂへのある入射光は、レフレクタ３４ｃに伝達する。レフレクタは、入力結合型又は出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯからさらに分離されるので、反射率は、アレイにおける連続するレフレクタで増加する。一連における一番後の又は最後尾のレフレクタ、図４の例におけるレフレクタ３４ｃは、一般的に１００%の公称反射率を有する。

拡大された瞳における光の均一な分布を提供するために、レフレクターアレイ３２の連続したレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、異なる量の反射率を有することができ、逆に言うと、異なる量の透過率を有することができる。吸収を伴わない５レフレクタの実施形態の例示的な値を以下の表に示す。

図５Ａは、レフレクターアレイ３２を使用する場合に、中心視野点の軸光路を入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力結合型回折光学素子ＯＤＯへトレースするビーム拡大器４０の平面図である。図５Ａの例において、レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄとして示される４つの反射面を有する。

図５Ａの実施形態に関して、ビーム拡大は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに透過された光の反射によってだけでなく、反射光の一部がレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄによってさらに反射されることによっても生じる。したがって、同じ光は、透過又は反射の条件下で、同じ個々のレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに複数回遭遇する可能性がある。この多重反射の一部が示されている。図５Ａに示すように、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、両面で反射性であるので、平行な反射面の各組み合わせの間で光の減衰部分が伝搬する。それぞれの表面の各々について指定された反射率は、これら追加の反射を構成する。レフレクタ自体や目標出力格子領域を越えた光伝搬によるのと同様に、吸収による若干の不可避の損失が生じることにも注意する必要がある。

レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及び３４ｄの反射面間の間隔は、それぞれの拡大されたビームにわたって所望の強度プロファイルを維持するための別の考慮事項である。例えば、個々の（ピクセル）ビームを、隣接するビームレットとの近接オーバーラップ領域を越えて逸れたビームレットに分割して、アイボックス内で視認可能な像におけるギャップや輝度変動を回避することは、望ましくない。適切な反射率と反射面間の間隔はまた、、複数のビームレットからなる拡大された個々の（ピクセル）ビームにわたって所望のエネルギー分布を生成することができる。一般に、レフレクタ表面間の距離は、ガイド基板Ｓの厚さの約２．５倍を超えてはならない。

図５Ｂは、垂直入射の光で、中心視野点から離れた視野点の方向転換を示すように変更されたビーム拡大器４０の平面図である。レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及び３４ｄのそれぞれには、光の同じ角度の入射が適用される。

図６Ａは、勾配レフレクターアレイ４２によって提供されるボックス構成において２つのレフレクタ４４ａ及び４４ｂのみを用いて可変量の反射率を提供する結像光ガイド２２を用いるビーム拡大器５０の代替の実施形態を示す。レフレクタ４４ｂは、１００%の可視光の公称反射率を有する標準ミラーである。レフレクタ４４ａは、その長さに沿って反射率を変化させる勾配コーティングを有し、ビーム拡大を提供するためにレフレクターアレイ４２の内部の反射光を分配する。「勾配反射率」という語句は、反射率値が徐々に、好ましくは連続的に増加又は減少するように変化することを指すが、製造又は光学的性能のために好ましいように反射率におけるより漸進的変化を含むこともできる。本開示の実施形態によれば、レフレクタ４４ａの長さ部分にわたる勾配反射率は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率までの範囲にわたって単調に変化する。他の範囲も提供することができる。

図６Ｂは、わかりやすくするために、図６Ａの結像光ガイド２２の詳細の一部を選択的に省略した概略図であって、勾配レフレクターアレイ４２が、連続して配置された可変透過領域を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの光を繰り返し反射しながら、どのように動作するかを示している。出力結合型回折光学素子ＯＤＯから出力された回折光は、最初に、レフレクタ４４ａの全透過性領域４６ａを通過し、その光をレフレクタ４４ａの方に戻すように向けるレフレクタ４４ｂによって反射される。レフレクタ４４ａの半透過性領域４６ｂは、例として、レフレクタ４４ａの長さに沿って７５%の反射率から５０%未満の範囲の反射勾配を提供するようにコーティングされている。レフレクタ４４ａを透過する光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって外側に向けられる。レフレクタ４４ｂは、領域４６ｂから反射された入射光を、半透過性領域４６ｂに向けて戻すように、例えばこの例における６６%の反射率のように、反射率の低いレフレクタ４４ａのセグメントの向こう側に向けて、反射する。６６%の反射率であるレフレクタ４４ａの部分を越えて、約1/3の入射光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯの別の部分に透過される。減少する光量は、レフレクタ４４ａと４４ｂとの間で往復して繰り返し反射され、入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの像担持光の最後の残りが、勾配レフレクタ４４ａを介して回折光学素子ＯＤＯに伝達されるまで繰り返される。

勾配レフレクタ４４ａの領域４６ａ及び４６ｂの１つの可能な全体構成を、図６Ｃの側面図で示す。破線は、勾配レフレクタ４４ａに沿った反射率の局所値を示す。図６Ｄは、ビーム拡大器５０の斜視図である。レフレクタ４４ｂは、図示した例では、結像光ガイド２２の縁に沿って形成されている。図６Ａから図６Ｄの例に与えられた反射率値は、勾配レフレクタ４４ａの反射率を変化させる一般的な原理を示しているが、限定的と見なされるべきではないことは、容易に理解できる。あらゆる実施形態で実際に使用される反射率値は、光損失量、コーティング許容値、及び他の性能変数を含む様々な要因に依存し得る。代わりに、均一な反射率値を有し、レフレクタ４４ａの長さに沿って変化する小領域を設けることができる。

レフレクターアレイ４２の勾配反射率は、傾斜角に影響を受ける付加的な自由度を提供することができる。個々の（ピクセル）ビームを単純に拡大することは、アイボックスを拡大するのに役立つが、拡大されたビームはアイボックスで完全には交差しないので、一般的なアイボックスは、個々の拡大されたビームのサイズよりもずっと小さいままである。アイボックスでより完全に交差するために、異なる方向に伝搬する個々のビームは、出力格子内の異なる位置から出なければならない。一次元における交差（すなわち、重なり）の可能性を改善するために、ある角度のビームは、出力格子の一方の側へ他方の側よりもより向けることができる。これを行うために、勾配反射面を、他の入射角よりも特定の入射角の光に選択的により反射性があるようにすることができる。これにより、異なる角度は、出力格子の異なる側に向けられる。この方法の使用は、個々の（ピクセル）ビームが２次元で角度エンコードされることによって複雑になる。したがって、反射感度は、次元の１つに限定されるべきである。

最良の性能を得るために、ビーム拡大器光学系は、各個別の（ピクセル）ビームにそれ自身の横方向エネルギー分布を提供する。これにより、エネルギーの大部分がアイボックスに到達し、ビームの重なり合わない部分はより少ないエネルギーしか含まない。アレイ３２及び４２の反射面は、相対的にオフセットされたビームレットの個々の集まりとして、出力個別（ピクセル）ビームを構成し、各ビームレットは、強度及び位置の双方で変化可能である。本開示の実施形態は、反射中間ビーム拡大器が少なくとも９０度にわたる角度の範囲を介して光を出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向けることを可能にする。この光は、像の直交軸に沿って、又は、図５Ａに示すような斜めの角度のような中間のどこかに沿って、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに近づくことができる。傾斜角度での方向づけの機能は、部品の位置決め及びパッケージングに有利であり得る。さらに、レフレクターアレイ３２，４２は、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯの間で中心視野光線を傾斜角度で相互接続することができ、その間に、像の直交軸x，yの１つとの配列を維持し、特に出力結合型回折光学素子で維持する。

図７の斜視図は、本開示の結像光ガイドを使用する３次元（３−Ｄ）拡張現実視のためのディスプレイシステム６０を示す。表示システム６０は、ＨＭＤとして示されており、左眼用ビーム拡大器５０ｌを有する左眼光学システム５４ｌと、対応する、右眼用ビーム拡大器５０ｒを有する右眼光学システム５４ｒと、を備えている。上述したように、ピコプロジェクタや同様の装置などの画像ソース５２が提供可能であり、正立像表示のために必要な像方向を有する虚像として形成される各眼に別個の像を生成するよう稼働可能である。生成される像は、３−Ｄ視のための立体的な対の像であり得る。光学システムによって形成された虚像は、観者によって見られる現実世界のシーンに重ね合わされて又は覆われているように見え得る。拡張現実感視覚化技術の当業者によく知られた追加の構成要素、例えば、シーンコンテンツを観るためにＨＭＤのフレームに搭載された１つ又は複数のカメラや、観者視線追跡なども提供することができる。

図８の平面図は、勾配レフレクターアレイ４２を用いる結像光ガイド２２の他の実施形態を示す。この構成により、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、１００%の反射率のレフレクタ４４ｂに向かって、他の実施形態よりもより近接して配置され、勾配反射性レフレクタ４４ａと一直線上にあり、勾配反射性レフレクタ４４ａと一致する線Ｌ１は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと交差する。レフレクタ４４ａ及び４４ｂは、周期性の方向に延在する、入力結合型回折光学素子ＩＤＯのｋベクトル又は格子ベクトルに対して４５度にある。

本明細書に記載された実施形態は、入力結合及び出力結合の機能のために回折光学素子を使用し、従来の導波路に使用される。入力結合及び出力結合は、例えば、角度エンコードされたビームを結像導波路に出し入れして所望のビーム拡大を提供する反射のような、回折以外のメカニズムを使用することができることに留意しなければならない。
ビーム拡大器製造

レフレクターアレイ３２又は勾配レフレクターアレイ４２を形成するレフレクタは、二色性コーティング、金属化コーティング、又は二色性及び金属化のコーティングの組み合わせを使用して形成することができる。瞳拡大装置では、レフレクターアレイ３２を形成する方法は、ガラス又は他の透明基板の個々のピースをコーティングし、これらの部分を繋ぎ合わせてビーム拡大器を部分品で形成することを含むことができる。

結像光ガイドは、好ましくは、別々に分けて製造される。平行な表面（結像光ガイドの外面に垂直）を最初に切断し、研磨することができる。そのブロックは、複数の結像光ガイドガイドの複数の結像光ガイドの内部とすることができ、コーティングされ、組み立てられるが、理想的には、屈折率を整合させた接着剤を使用する。この組み立てプロセスは、自動コリメータのもとで又は再帰反射スポットを用いて、実施することができ、適切なアラインメントを維持する。角度アラインメントの精度は、１つの虚像ピクセルの角度広がりの1/4程度であり得る。より精密な解像度を達成するには、より正確な製造プラクティスが必要になる。

位置合わせされた表面のブロックは、これらの面に対して垂直に切断され、結像光ガイドの外面を画定する。ガラスの各ブロックは、複式遊星研磨装置のもとで高品質平面として研磨され、ブランクを形成する。研磨されたブランクは好ましくは１分（one arc minute）より優れた平行度を有する。

結像光ガイドの最終的な外形は、ブランクから適切な方法で切断することができる。

ガラスの結像光ガイドブランクの適切な表面処理の後、例えば、ナノインプリント法を使用して、回折光学素子を結像光ガイドの一方又は双方の外面上に形成することができる。

本明細書に記載された同じ方法は、特定のコーティングにおいて及び整列を要する表面の数において差異のある、図４の例によって示される複数の半反射表面システム及び図６Ａに示す勾配レフレクターシステムを使用する実施形態に適用される。

結像光ガイドは、本開示の実施形態を参照して説明したように、光学ガラスなどの平坦な基板で形成することができる。例えば、本開示の実施形態は、平坦な導波路に形成された結像光ガイドを提供する。この結像光ガイドは、基板上に形成された入力結合型回折光学素子及び２つ以上の反射面のアレイを有する。この入力結合型回折光学素子は、虚像のピクセルを表す各入射光ビームから一次回折光を形成するように配置される。上記アレイを構成する反射面は、上記基板に沿って又は上記基板内に平行に配置される。２以上の反射面のうちの少なくとも１つは、上記入力結合型回折光学素子から形成された一次回折光の経路に置かれる。２つ以上の反射面は、入力結合型回折光学素子から形成された一次回折光を出力結合型回折光学素子に向ける角度で配置される。この出力結合型回折光学素子は、光を結像光ガイドから外向きに向けるよう配置される。出力結合型回折光学素子及び入力結合型回折光学素子は、好ましくは同じ格子周期を有し、２つ以上の反射面の各々は、異なる反射率を有する。

本発明は、現在の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲内で変形及び修正が可能であることは理解されるであろう。したがって、ここに開示された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的でないと見なされる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示され、その等価物の意味及び範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。

本開示の一態様によれば、結像光ガイドは、導波路と、入力結合型回折光学素子と、互いに平行に方向付けられた２以上の少なくとも部分反射性の面のアレイと、出力結合型回折光学素子と、を有する。入力結合型回折光学素子は、それぞれが虚像の画素（pixel）を表す複数の光ビームを導波路に導く。２以上の少なくとも部分反射性の面のアレイは、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを第１次元において拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向ける。出力結合型回折光学素子は、第２次元において像担持光ビームを拡大し、導波路からの像担持光ビームをビューアーアイボックスに向ける。

図４は、本開示の実施形態に係るビーム拡大器３０を示す斜視図である。ビーム拡大器３０は、図２、図３に関して述べたような、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯをそれぞれ有しており、２次元（2-D）ビーム拡大のためのレフレクターアレイを用いる。このタイプの構成は、光ビーム出力をx及びy方向に拡大する。レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃとして図４の実施形態に示す、３つの鏡面反射面を有する。アレイにおけるいくつかの特定の反射面は部分反射性であり、これにより、レフレクタ３４ａへのある入射光は、レフレクタ３４ｂに伝達し、同様に、レフレクタ３４ｂへのある入射光は、レフレクタ３４ｃに伝達する。レフレクタは、入力結合型又は出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯからさらに分離されるので、反射率は、アレイにおける連続するレフレクタで増加する。一連における一番後の又は最後尾のレフレクタ、図４の例におけるレフレクタ３４ｃは、一般的に１００%の公称反射率を有する。

図６Ｂは、わかりやすくするために、図６Ａの結像光ガイド２２の詳細の一部を選択的に省略した概略図であって、勾配レフレクターアレイ４２が、連続して配置された可変透過領域を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの光を繰り返し反射しながら、どのように動作するかを示している。出力結合型回折光学素子ＯＤＯから出力された回折光は、最初に、レフレクタ４４ａの全透過性領域４６ａを通過し、その光をレフレクタ４４ａの方に戻すように向けるレフレクタ４４ｂによって反射される。レフレクタ４４ａの部分透過性領域４６ｂは、例として、レフレクタ４４ａの長さに沿って７５%の反射率から５０%未満の範囲の反射勾配を提供するようにコーティングされている。レフレクタ４４ａを透過する光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって外側に向けられる。レフレクタ４４ｂは、領域４６ｂから反射された入射光を、部分透過性領域４６ｂに向けて戻すように、例えばこの例における６６%の反射率のように、反射率の低いレフレクタ４４ａのセグメントの向こう側に向けて、反射する。６６%の反射率であるレフレクタ４４ａの部分を越えて、約1/3の入射光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯの別の部分に透過される。減少する光量は、レフレクタ４４ａと４４ｂとの間で往復して繰り返し反射され、入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの像担持光の最後の残りが、勾配レフレクタ４４ａを介して回折光学素子ＯＤＯに伝達されるまで繰り返される。

本明細書に記載された同じ方法は、特定のコーティングにおいて及び整列を要する表面の数において差異のある、図４の例によって示される複数の部分反射性の面システム及び図６Ａに示す勾配レフレクターシステムを使用する実施形態に適用される。

Claims (24)

1. 導波路と、
   上記導波路に像担持光ビームを向けるように配置された入力結合回折光学素子と、
   平行に配向され、かつ、上記入力結合型回折光学素子からの各々の上記像担持光ビームを第１次元において拡大するとともに上記拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるように配置された２以上の少なくとも半反射性の表面、を有するレフレクターアレイと、を備え、
   上記出力結合型回折光学素子は、各々の上記像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大するとともに上記導波路からの上記像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるように配置されていることを特徴とする虚像伝達用結像光ガイド。
2. 上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも半反射性の表面は、第１及び第２表面を備え、
   上記第１表面は半反射性及び半透過性を有し、上記第２表面は完全な反射性を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
3. 上記第１表面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
4. 上記第１表面の上記反射率値は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率まで上記長さに沿って単調に変化することを特徴とする請求項３に記載の結像光ガイド。
5. 上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
6. 上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、体積ホログラムであるか、又はホログラフィック高分子分散液晶から形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
7. 上記少なくとも半反射性の表面の１又は複数は、二色性コーティングを用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
8. 上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも半反射性の表面は、第３の表面をさらに備え、
   上記第３の表面は、上記第１及び第２の表面間に配置され、上記第３の表面は、半反射性及び半透過性を有し、上記第３の表面は、上記第１の表面の反射率値より大きい反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
9. 上記２以上の少なくとも半反射性の表面のうちの１つは、上記基板の縁部に沿っていることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
10. 上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
11. 上記レフレクターアレイは、上記虚像の中心視野光線を斜めの角度で上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間に反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
12. 平坦な基板に形成され、虚像を伝達する結像光ガイドであって、
    a)上記基板に形成され、かつ入射する像担持光ビームを上記基板に沿って伝搬するよう回折する入力結合型回折光学素子、
    b)上記基板に沿って又は上記基板内で平行に配置されている第１及び第２の少なくとも半反射性の表面、及び
    c)上記基板に形成され、かつ上記像担持光を上記基板から外方に向ける出力結合型回折光学素子、を備え、
    上記第１の少なくとも半反射性の表面は、半反射性であるとともに半透過性であり、
    上記第２の少なくとも半反射性の表面は、完全な反射性を有し、
    上記第１の半反射半透過性の表面は、(a)上記第２の全反射性の表面によって反射された上記像担持光ビームの一部を上記第２の全反射性の表面に戻すように反射し、(b)上記第２の全反射性の表面によって反射された上記像担持光ビームの一部を上記出力結合型回折光学素子に向けて透過するように配設されていることを特徴とする結像光ガイド。
13. 上記第１の半反射性かつ半透過性の表面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
14. 上記第１の半反射性かつ半透過性の表面の上記さまざまの反射率値は、１０%未満の反射率値から５０%より大きい反射率値までの勾配に及ぶことを特徴とする請求項１３に記載の結像光ガイド。
15. 上記第１及び第２の少なくとも半反射性の表面は、上記虚像の中心視野光線を斜めの角度で上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間に反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
16. 上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
17. 上記第１及び第２の少なくとも半反射性の表面は、上記各々の像担持ビームの上記第２の部分が上記出力結合型回折光学素子への途上で少なくとも近接して重複する、限られた距離で離間していることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
18. 左眼用画像を形成する左眼用光学システムと、右眼用画像を形成する右眼光学システムとを備えた、観者のための３次元ディスプレイ装置であって、
    上記光学システムのそれぞれは、
    a)像担持光の入力ビームを生成するよう稼働可能である画像ソース、
    b)結像光ガイド、を備え、
    上記結像光ガイドは、
    導波路と、
    上記画像ソースから入射する上記像担持光ビームの経路にある導波路に形成され、かつ上記像担持光ビームを上記導波路内へ方向を変えるように配置された入力結合型回折光学素子と、
    平行に配向され、かつ、上記入力結合型回折光学素子からの各々の上記像担持光ビームを第１次元において拡大するとともに上記拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるように配置された２以上の少なくとも半反射性の表面、を有するレフレクターアレイと、を備え、
    上記出力結合型回折光学素子は、上記導波路に形成され、かつ、上記第１次元と直交する第２次元において上記像担持光ビームを拡大するとともに上記像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるように配置されていることを特徴とする、観者のための３次元ディスプレイ装置。
19. 上記導波路は、平行な前表面及び後表面を相互接続する縁部を含み、上記２以上の少なくとも半反射性の表面のうちの１つは、上記導波路の縁部に沿っていることを特徴とする請求項１８に記載の結像光ガイド。
20. 第１の格子周期と第１の格子ベクトルとを有する平坦な基板に、入力結合型回折光学素子を形成するステップと、
    上記平坦な基板に、上記第１の格子周期に等しい第２の格子周期と、上記第１の格子ベクトルと平行でない第２の格子ベクトルとを有する出力結合型回折光学素子を形成するステップと、
    上記平坦な基板に沿って又は上記平坦な基板のなかに、上記入力結合型回折光学素子からの回折光を上記出力結合型回折光学素子に向けるように配置されるレフレクターアレイを形成するステップと、を含み、
    上記レフレクターアレイは、平行に方向付けられた２以上の少なくとも半反射性の表面で形成され、
    上記２以上の少なくとも半反射性の表面の各々は、異なる反射率を有して形成されることを特徴とする、結像光ガイドの製造方法。
21. 上記入力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子を、入射する像担持光ビームを上記平坦な基板内に回折してレフレクターアレイに向かって上記基板内を伝搬するように、配置することを含み、
    上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記出力結合型回折光学素子を、上記レフレクターアレイから反射された入射する像担持光ビームを虚像として見ることのために上記平坦な基板から外へ回折するように、配置することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 上記レフレクターアレイを形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子からの上記像担持光ビームを第１次元において拡大するように上記レフレクターアレイを配置することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記レフレクターアレイからの上記像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大するように上記出力結合型回折光学素子を配置することを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 上記入力結合型回折光学素子を形成するステップ、上記出力結合型回折光学素子を形成するステップ、及び上記レフレクターアレイを形成するステップは、上記虚像の中心視野光線を斜めの角度で上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間に反射するように上記レフレクターアレイを相対的に位置づけることを含むことを特徴とする請求項２３に記載の結像光ガイド。
    
    

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