JP2019053289A - Transparent waveguide display - Google Patents

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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)
  • Planar Illumination Modules (AREA)

Abstract

To provide a method for sampling an input image field to make efficient, coupling of an output image of an input image node into a wave guide path.SOLUTION: An apparatus for displaying an image is provided that comprises: a first optical substrate comprising at least one waveguide layer 101 configured to propagate light in a first direction, wherein the at least one waveguide layer of the first optical substrate comprises at least one grating lamina configured to extract the light from the first substrate along the first direction, and a second optical substrate comprising at least one waveguide layer 102 configured to propagate the light in a second direction, wherein the at least one waveguide layer of the second optical substrate comprises at least one grating lamina configured to extract the light from the second substrate along the second direction, wherein at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates comprises an SBG (Switchable Bragg Grating) in a passive mode.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

関連出願
この出願は、それぞれ参照することによりその全体が本願に組み入れられる2012年11月16日に出願された米国仮出願第61/796,632号および2013年2月4日に出願された米国仮出願第61/849,853号の優先権を主張する2013年3月15日に出願された米国出願第13/844456号の一部継続出願である。
RELATED APPLICATIONS This application is a US provisional application 61 / 796,632 filed on November 16, 2012 and a US application filed February 4, 2013, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. This is a continuation-in-part of US Application No. 13/844456, filed on March 15, 2013, claiming priority of provisional application 61 / 849,853.

記号配列および英数字配列から高分解能の画素化された画像にまで及ぶ画像内容を表示できるコンパクトな透明データディスプレイの必要性がある。透明ディスプレイの例としては、HMD、HUD、HDDなどが挙げられる。いずれの場合にも、1つの重要なファクターは、ディスプレイが非常に透明でなければならず、また、表示される画像内容が明るい背景シーン上に重ね合わされるときに明確に見えなければならないということである。ディスプレイは、最適なデータ可視性および影響のために拡張された色域を全色に与えなければならないが、白黒は多くの用途で十分である。ヘルメットマウントディスプレイにおける1つの重要なファクターは、ディスプレイが標準的なヘルメットまたは訓練のために設計されたヘルメットの複製に対して容易に取り付かなければならないということである。瞳距離および瞳は、要求の厳しい軍事活動やスポーツ活動のための頭部の移動中であっても画像損失を回避するために十分大きくなければならない。画像発生器は、コンパクトで、ソリッドステートでなければならず、また、低い電力消費量を有していなければならない。自動車用途では、人間工学的要求が同様に厳しく、審美的な検討材料が、理想的には不使用時にダッシュボード内に隠すことができなければならないディスプレイの形状因子に関して更なる要求をもたらす。多くの他の適用分野では、よりコンパクトで、安価な、より効率的な構造の必要性が高まっている。本発明者らは、飛行機および小型航空機のHUDにおける要求の高まりに留意する。自動車製造もそれらの将来のモデルでHUDおよびHDDを設けることに目を向けている。本明細書中に記載されるシステムは、拡張現実没入チームトレーニング(AITT)、本質的には、観察者の技能を認定するあるいは養うために必要とされる間接照準射撃および航空機出撃を増補するあるいはそれらに取って代わる観察者訓練のためのライブシミュレーショントレーニングシステムで用いるヘルメットマウント頭部装着型ディスプレイに適用できる場合がある。   There is a need for a compact transparent data display capable of displaying image content ranging from symbolic and alphanumeric arrays to high resolution pixelated images. Examples of the transparent display include HMD, HUD, and HDD. In any case, one important factor is that the display must be very transparent and must be clearly visible when the displayed image content is superimposed on a bright background scene. It is. The display must give all colors an extended color gamut for optimal data visibility and impact, but black and white is sufficient for many applications. One important factor in helmet mounted displays is that the display must be easily attached to a standard helmet or a replica of a helmet designed for training. The pupil distance and pupil must be large enough to avoid image loss even during head movements for demanding military and sports activities. The image generator must be compact, solid state, and have low power consumption. In automotive applications, the ergonomic requirements are equally demanding, and aesthetic considerations bring additional demands on display form factors that should ideally be able to be hidden in the dashboard when not in use. In many other applications, there is a growing need for more compact, cheaper and more efficient structures. We note the increasing demands on airplanes and small aircraft HUDs. Car manufacturers are also looking to install HUDs and HDDs in their future models. The system described herein augments augmented reality immersive team training (AITT), essentially indirect aiming and aircraft launches required to qualify or cultivate observer skills or It may be applicable to a helmet-mounted head-mounted display used in a live simulation training system for observer training to replace them.

前記目標は、現在の技術によって達成されない。現在の構造は、透けて見える適切な瞳、瞳距離、および、視野を何とか与えるにすぎず、また同時に、扱いにくい形状因子を犠牲にして高い輝度を与えるにすぎない。多くのヘルメットマウントディスプレイ構造では、重量が眼の前方の想定される最悪の場所に分配される。透明ディスプレイを提供する最も一般的な手法は、軸外光によって照明される反射バイザーまたは回折バイザーに依存する。極めて小さいフラットパネルに高分解能画像生成器を備えるマイクロディスプレイは、必ずしも小型化に役立つとは限らない。これは、非常に高い倍率の必要性が大径の光学素子をもたらすからである。理想的な透明ディスプレイは、第1に、高い透明性を伴って全景の透けて見える視野を与えることによって状況認識を保ち、第2に、高分解能な広い視野の画像を与えるディスプレイである。そのようなシステムは、控えめ、すなわち、コンパクトで、軽量で、快適でもなければならない。この場合、快適さは、十分な射出瞳および眼球運動ボックス/射出瞳(>15mm)、適切な瞳距離(≧25mm)、人間工学的な質量中心、無限遠の焦点、ならびに保護ヘッドギアとの適合性を有することによってもたらされる。現在、将来、従来の屈折光学素子は、この一連の要求を満たすことができない。他の重要な識別子としては、フルカラー能力、視野、ピクセル分解能、シースルー性(透明度)、輝度、動的グレースケール、および、電力消費レベルが挙げられる。非常に競合する開発の数年後であっても、屈折光学素子に基づくヘッドマウントディスプレイは、限られた視野をなすとともに、十分にコンパクトで軽量ではなく、あるいは、快適ではない。   Said goal is not achieved by current technology. Current structures only provide the proper pupil, pupil distance, and field of view to show through, and at the same time provide high brightness at the expense of cumbersome form factors. In many helmet mounted display structures, the weight is distributed to the worst possible location in front of the eye. The most common approach to providing a transparent display relies on a reflective or diffractive visor illuminated by off-axis light. A microdisplay having a high resolution image generator on an extremely small flat panel does not always help miniaturization. This is because the need for very high magnification results in a large diameter optical element. An ideal transparent display is a display that first preserves situational awareness by providing a transparent view of the whole scene with high transparency and secondly provides a high-resolution, wide-field image. Such a system must be modest, ie, compact, lightweight and comfortable. In this case, comfort is sufficient exit pupil and eye movement box / exit pupil (> 15 mm), proper pupil distance (≧ 25 mm), ergonomic center of mass, infinity focus, and fit with protective headgear It is brought about by having sex. Currently, in the future, conventional refractive optical elements cannot meet this series of requirements. Other important identifiers include full color capability, field of view, pixel resolution, see-through (transparency), brightness, dynamic gray scale, and power consumption level. Even after years of very competitive development, head-mounted displays based on refractive optics have a limited field of view and are not sufficiently compact and lightweight or comfortable.

導波路技術基板ガイドディスプレイに基づくディスプレイは、これらの基本的な要求の多くを満たすことができる能力を実証してきた。その概念は、10年以上にもわたってきている。特に関連するものとして、回折素子を入力で使用することによって光を導波路へどのように結合させることができ、第2の回折素子を出力で使用することによって光を同じ導波路からどのように結合させて出すことができるのかを教示する、1999年にKaiser Optical Systems社に与えられた米国特許第5,856,842号がある。米国特許第5,856,842号によれば、導波路に入射する光は、該光が導波路に沿って伝搬する際にその画像内容を維持するべく視準される必要がある。すなわち、光は、それが導波路に入る前に視準されなければならない。これは、様々な方法によって達成することができ、ここでは関係ない。この設計手法を用いると、導波路から出る光が必然的に視準され、これは、無限遠で像を合焦させて出現させるために必要とされる状態である。光は、限られた内角範囲のみにわたって導波路に沿って伝搬する。表面と平行に伝搬する光は、(当然のことながら)跳ね返ることなく導波路に沿って進む。表面と平行に伝搬しない光は、表面法線に対する入射角がある臨界角よりも大きければ表面間で前後に跳ね返りつつ導波路に沿って進む。BK−7ガラスの場合、この臨界角は約42°である。この臨界角は、反射コーティングを使用する(しかし、これは、残念ながら、基板のシースルー性能を低下させる)ことによってあるいは高屈折率材料を使用することによってわずかに小さくすることができる。とにかく、光が導波路に沿って伝搬する内角範囲は、著しく変化しない。したがって、ガラスの場合、最大内角範囲は≦50°である。
これは導波路から出る角度範囲(すなわち、空気中の角度)へと変わり、この角度範囲は、40°よりも小さく、一般的には他の設計ファクターが考慮に入れられるときには更に小さい。今まで、基板ガイド光学素子(SGO)技術は、広く受け入れられてこなかった。これは、主に、射出瞳を拡大させるために導波路光学素子を使用できるが、それらの光学素子を使用して視野を拡大するあるいはデジタル分解能を向上させることができないという事実に起因する。すなわち、導波路内でTIRを受け得る内角範囲を制約する内在する物理的過程は、導波路光学素子を用いて達成できる視野をほぼ40°に制限するとともに、達成できるデジタル分解能を関連する撮像装置のそれに制限する。それにもかかわらず、導波路光学素子に基づくコンパクトで軽量なHMDの魅力は、関心を呼び起こし続ける。非常に大きな視野を形成するための1つの方法は、その視野を一組の更に小さい複数の視野(それぞれが導波路の光学素子制限と適合できる)へと分けて解析するとともに、眼がそれらの小さい視野を統合された広角表示として認識するように十分素早くそれらの小さい視野を時系列に表示することである。これを行う1つの方法は、切り換え可能ブラッグ格子(SBG)など、非常に急速にONおよびOFFに連続的に切り換えられる得るホログラフィック素子を伴う。
Displays based on waveguide technology substrate guide displays have demonstrated the ability to meet many of these basic requirements. The concept has been around for over 10 years. Of particular relevance, how light can be coupled into a waveguide by using a diffractive element at the input, and how light can be coupled from the same waveguide by using a second diffractive element at the output. There is US Pat. No. 5,856,842 issued to Kaiser Optical Systems in 1999, which teaches what can be combined and released. According to US Pat. No. 5,856,842, light incident on a waveguide needs to be collimated to maintain its image content as it propagates along the waveguide. That is, the light must be collimated before it enters the waveguide. This can be achieved in various ways and is not relevant here. Using this design approach, the light exiting the waveguide is necessarily collimated, which is the state needed to bring the image into focus at infinity. Light propagates along the waveguide only over a limited range of internal angles. Light propagating parallel to the surface travels along the waveguide without being bounced (naturally). Light that does not propagate parallel to the surface travels along the waveguide while bouncing back and forth between the surfaces if the angle of incidence relative to the surface normal is greater than a critical angle. In the case of BK-7 glass, this critical angle is about 42 °. This critical angle can be slightly reduced by using a reflective coating (but unfortunately reducing the see-through performance of the substrate) or by using a high index material. In any case, the interior angle range in which light propagates along the waveguide does not change significantly. Therefore, in the case of glass, the maximum interior angle range is ≦ 50 °.
This translates into an angular range exiting the waveguide (ie, angles in the air), which is smaller than 40 ° and is generally smaller when other design factors are taken into account. To date, substrate guide optical element (SGO) technology has not been widely accepted. This is mainly due to the fact that waveguide optical elements can be used to enlarge the exit pupil, but these optical elements cannot be used to expand the field of view or improve the digital resolution. That is, the underlying physical process that constrains the range of internal angles that can undergo TIR within the waveguide limits the field of view that can be achieved using the waveguide optics to approximately 40 ° and the associated imaging device with the digital resolution that can be achieved. Limit it to that. Nevertheless, the appeal of compact and lightweight HMDs based on waveguide optics continues to arouse interest. One way to create a very large field of view is to divide the field of view into a set of smaller fields of view (each of which can be matched to the optical limits of the waveguide) and analyze the eye Displaying the small fields of view in time series sufficiently quickly to recognize the small fields of view as an integrated wide-angle display. One way to do this involves a holographic element that can be switched on and off continuously very rapidly, such as a switchable Bragg grating (SBG).

固有の効率的な形状因子と、屈折力および薄層への拡散などの複雑な光学的機能をエンコードできる能力とを含む回折光学素子(DOE)の光学的な構造利点は良く知られている。最も高い回折効率を与えるブラッグ格子(一般に体積位相格子またはホログラムとも称される)がヘッドアップディスプレイ(HUD)などのデバイスで幅広く使用されてきた。重要な類のブラッグ格子デバイスは切り換え可能ブラッグ格子(SBG)として知られる。SBGは、高分子分散液晶(PDLC)混合体中で体積位相格子またはホログラムを記録することにより形成される回折デバイスである。一般に、SBGデバイスは、最初に光重合可能なモノマーと液晶材料との混合体の薄膜を平行なガラスプレートまたは基板同士の間に配置することによって製造される。ガラスセルを形成して充填するための技術は、液晶ディスプレイ産業において良く知られている。一方または両方のガラス基板は、PDLC層にわたって電界を印加するために、電極、一般的には透明なインジウムスズ酸化膜を支持する。他のタイプの透明導電コーティングが使用されてもよい。その後、所望の格子構造を形成するために干渉する2つの互いにコヒーレントなレーザビームを液体材料に照射することによって体積位相格子が記録される。記録プロセス中、モノマーが重合するとともに、ホログラフィック高分子分散液晶(HPDLC)混合体が相分離を受け、それにより、透明高分子領域が散在される液晶微液滴により密集される領域が形成される。液晶リッチ領域と液晶空乏領域とが交互に入れ替わることにより、格子のフリンジ面が形成される。結果として得られる体積位相格子は、PDLC層にわたって印加される電界の大きさにより制御されてもよい非常に高い回折効率を有することができる。電界が透明電極を介してホログラム(例えば、適切に最適化されたホログラム)に印加されると、LC液滴の自然の方向性が変えられ、それにより、フリンジの屈折率変調が減少し、ホログラム回折効率が非常に低いレベルまで低下する。なお、デバイスの回折効率は、印加電圧を用いて、電圧が印加されないほぼ100%の効率から十分に高い電圧が印加されるほぼゼロの効率までの連続的な範囲にわたって調整できる。SBGは、自由空間用途のための透過格子または反射格子を形成するために使用されてもよい。SBGは導波路デバイスとして実施されてもよく、その場合、HPDLCは、導波路コアまたは導波路に近接するエバネセント結合層のいずれかを形成する。本明細書中で基板ガイド光学素子(SGO)と称される1つの特定の構造では、HPDLCセルを形成するために使用される平行なガラスプレートが、全内部反射(TIR)光ガイド構造を与える。光は、切り換え可能格子がTIR状態を超える角度で光を回折するときにSBGから「結合されて」出る。SGOは、現在、一連のディスプレイおよびセンサの用途で対象となる。HPDLCに関する以前の労力の大部分は反射ホログラムに向けられてきたが、透過デバイスは、光学系ビルディングブロックとしてかなり用途が広いことが分かっている。   The optical structural advantages of diffractive optical elements (DOEs), including the inherently efficient form factor and the ability to encode complex optical functions such as refractive power and diffusion into thin layers, are well known. Bragg gratings (commonly referred to as volume phase gratings or holograms) that give the highest diffraction efficiency have been widely used in devices such as head-up displays (HUD). An important class of Bragg grating devices is known as a switchable Bragg grating (SBG). SBG is a diffractive device formed by recording a volume phase grating or hologram in a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) mixture. In general, SBG devices are manufactured by first placing a thin film of a mixture of photopolymerizable monomer and liquid crystal material between parallel glass plates or substrates. Techniques for forming and filling glass cells are well known in the liquid crystal display industry. One or both glass substrates support electrodes, typically a transparent indium tin oxide film, to apply an electric field across the PDLC layer. Other types of transparent conductive coatings may be used. The volume phase grating is then recorded by irradiating the liquid material with two mutually coherent laser beams that interfere to form the desired grating structure. During the recording process, the monomers polymerize and the holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) mixture undergoes phase separation, thereby forming a region that is densely packed by liquid crystal droplets interspersed with transparent polymer regions. The The fringe surface of the lattice is formed by alternately switching the liquid crystal rich region and the liquid crystal depletion region. The resulting volume phase grating can have a very high diffraction efficiency that may be controlled by the magnitude of the electric field applied across the PDLC layer. When an electric field is applied to a hologram (eg, a properly optimized hologram) via a transparent electrode, the natural directionality of the LC droplet is changed, thereby reducing the fringe's refractive index modulation and the hologram The diffraction efficiency drops to a very low level. It should be noted that the diffraction efficiency of the device can be adjusted over a continuous range using applied voltage from nearly 100% efficiency where no voltage is applied to nearly zero efficiency where a sufficiently high voltage is applied. SBG may be used to form transmissive or reflective gratings for free space applications. The SBG may be implemented as a waveguide device, in which case the HPDLC forms either a waveguide core or an evanescent coupling layer proximate to the waveguide. In one particular structure, referred to herein as a substrate guide optical element (SGO), parallel glass plates used to form the HPDLC cell provide a total internal reflection (TIR) light guide structure. . Light exits “coupled” from the SBG when the switchable grating diffracts the light at an angle that exceeds the TIR state. SGO is currently targeted in a range of display and sensor applications. While most of the previous work on HPDLC has been directed to reflection holograms, transmission devices have proven to be quite versatile as optical building blocks.

一般に、SBGで使用されるHPDLCは、液晶(LC)、モノマー、光開始色素、および、共開始剤を備える。混合体は、しばしば、界面活性剤を含む。特許文献および科学文献は、SBGを製造するために使用されてもよい材料系およびプロセスの多くの例を含む。2つの基本となる特許は、Sutherlandによる米国特許第5,942,157号およびTanakaらによる米国特許第5,751,452号である。これらの出願はいずれも、SBGデバイスを製造するのに適するモノマーと液晶材料との組み合わせについて記載する。   In general, HPDLC used in SBG comprises a liquid crystal (LC), a monomer, a photoinitiating dye, and a coinitiator. The mixture often includes a surfactant. The patent and scientific literature includes many examples of material systems and processes that may be used to manufacture SBG. Two basic patents are US Pat. No. 5,942,157 by Sutherland and US Pat. No. 5,751,452 by Tanaka et al. Both of these applications describe combinations of monomers and liquid crystal materials that are suitable for manufacturing SBG devices.

透過型SBGの既知の属性のうちの1つは、LC分子が格子フリンジ面に対して垂直に整列する傾向があることである。LC分子整列の効果は、透過型SBGが、P偏光(すなわち、入射面内に偏極ベクトルを有する光)を効率的に回折するが、S偏光(すなわち、入射面内に対して垂直な偏極ベクトルを有する光)に関してはほぼゼロの回折効率を有するという効果である。透過型SBGは、ほぼすれすれの入射で使用されない場合がある。これは、P偏光における任意の格子の回折効率が、入射光と反射光との間に含まれる角度が小さいときにゼロまで低下するからである。空気中でのガラス光ガイドは、内部入射角が約42°よりも大きい場合には、全内部反射によって光を伝搬する。したがって、内部入射角が42〜約70°の範囲内にある場合には、本発明が透過型SBGを使用して実施されてもよく、その場合、格子により光ガイドから抽出される光は、主にp偏光される。通常、SBGは、電圧が印加されないときに回折し、またある時には電圧が印加されると、それらの光学的受動状態へと切り換わっている。しかしながら、SBGは、電圧が印加されるときにSBGが回折しかつそれ以外の普段においてSBGが光学的受動状態のままとなるように逆方向モードで作動するべく設計され得る。逆方向モードSBGを製造するための方法は、IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICESと題される本発明者らによる2012年8月24日の出願日を有する米国仮特許出願第61/573,066号明細書に開示される。同じ文献は、耐久性の向上、重量の減少、および、ニアアイ用途における安全性という利点を与えるために柔軟なプラスチック基板を使用してSBGがどのように製造され得るのかについても開示する。   One of the known attributes of transmissive SBG is that the LC molecules tend to align perpendicular to the lattice fringe plane. The effect of LC molecular alignment is that transmissive SBG efficiently diffracts P-polarized light (ie, light having a polarization vector in the plane of incidence), while S-polarized light (ie, perpendicular to the plane of incidence). The effect is that the diffraction efficiency is almost zero with respect to light having a pole vector. In some cases, the transmission type SBG is not used at a grazing incidence. This is because the diffraction efficiency of an arbitrary grating in P-polarized light decreases to zero when the angle included between incident light and reflected light is small. Glass light guides in air propagate light by total internal reflection when the internal incident angle is greater than about 42 °. Thus, if the internal incident angle is in the range of 42 to about 70 °, the present invention may be implemented using a transmissive SBG, in which case the light extracted from the light guide by the grating is Mainly p-polarized. Typically, SBGs diffract when no voltage is applied, and sometimes switch to their optical passive state when a voltage is applied. However, the SBG can be designed to operate in a reverse mode so that the SBG diffracts when a voltage is applied and otherwise the SBG remains in an optically passive state. A method for manufacturing reverse mode SBG is described in US Provisional Patent Application No. 61/573, filed August 24, 2012 by the present inventors entitled IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPIC POLYMER DISPRED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES. , 066 specification. The same document also discloses how SBGs can be manufactured using flexible plastic substrates to provide the benefits of increased durability, reduced weight, and safety in near eye applications.

従前の出願において、本発明者らは、大きな視野を更に小さい複数の視野(それぞれが導波路の光学素子制限と適合できる)へと分けて解析するとともに眼がそれらの小さい視野を統合された像として認識するようにそれらの小さい視野を時系列に素早く表示することによって大きな視野をもたらす導波路(SGO)ディスプレイを開示した。このプロセスは、時として、視野タイリングと称される。これを行う1つの方法は、非常に急速にONおよびOFFに連続的に切り換えられる得るホログラフィック素子を伴う。参照することによりその全体が本願に組み入れられるCOMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAYと題される本発明者らによる2010年4月26日の国際出願日を有する以前のPCT出願第PCT/GB2010/000835号明細書(出願人の整理番号SBG073PCTによっても参照される)において、本発明者らは、同じ導波路内で複数のSBGを互いに積層して急速に連続駆動させることにより高分解能で超幅広な視野を時系列でタイリングできる方法を示した。また、各部分視野は、関連する撮像装置の全デジタル分解能を有し、それにより、人の眼の視力限界に近づくあるいは更には視力限界を超える画像の形成を可能にする。この以前の出願に開示されるタイリングは、標準的な導波構造の2つの欠陥、すなわち、限られた視野および限られたピクセル分解能を克服するが、このタイリングは、大きな視野にわたって垂直および水平にタイリングする必要があるときに限界がある。適度なFOVと一方向のみの拡大を伴う白黒ディスプレイの場合、タイリングは、格子面を単に積層することによって達成され得る。しかしながら、視野が両方向で拡大されて色が加えられると、この手法を用いて必要とされる層の数が直ちに実用的でなくなる。各部分視野は、SBGの回折効率および角度帯域幅によって制限される。SBG格子デバイスは、一般に、空気中で約±5°の角度帯域幅を有する(材料特性、屈折率変調ビーム形態、および、厚さに制約される)。本発明らは、一般的には3ミクロン未満のより薄いSBGを使用することによって実際に大きい角度を達成できることを見出した。より薄いSBGに起因する帯域幅の増大は、更に低いピーク回折効率をもたらす。したがって、通常は、屈折率変調を増大させる必要がある。RGB SBGを分離する必要性を回避するための1つの方法は、多重SBGを使用することであり、その場合、R照明およびB/G照明として光ガイドの両端から照明が行われ、それにより、色域が幾分損なわれる。しかしながら、多重格子は、製造の複雑さおよびクロストークという問題を引き起こす。   In a previous application, the inventors analyzed the large field of view by dividing it into smaller fields of view (each of which can be matched to the optical element limitations of the waveguide) and the eye integrated these small fields of view. Disclosed are waveguide (SGO) displays that provide a large field of view by quickly displaying their small fields of view in time series. This process is sometimes referred to as field tiling. One way of doing this involves a holographic element that can be switched on and off continuously very rapidly. COMPACT HOLOGRAPIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY, a previous PCT application No. PCT / GB2010 / 000835 having an international filing date of April 26, 2010 by the inventors, which is hereby incorporated by reference in its entirety. (Also referred to by Applicant's serial number SBG073PCT), the inventors have provided a high resolution and ultra-wide field of view by stacking multiple SBGs together in the same waveguide and driving them rapidly and continuously. The method of tiling in time series is shown. Each partial field of view also has the full digital resolution of the associated imaging device, thereby allowing the formation of an image that approaches or exceeds the vision limit of the human eye. The tiling disclosed in this earlier application overcomes two defects of the standard waveguiding structure: limited field of view and limited pixel resolution, but this tiling is vertical and over a large field of view. There is a limit when you need to tile horizontally. For black and white displays with moderate FOV and magnification in only one direction, tiling can be achieved by simply laminating the lattice planes. However, when the field of view is magnified in both directions and colors are added, the number of layers required using this approach becomes immediately impractical. Each partial field is limited by the diffraction efficiency and angular bandwidth of the SBG. SBG grating devices generally have an angular bandwidth of about ± 5 ° in air (constrained by material properties, refractive index modulated beam morphology, and thickness). We have found that large angles can actually be achieved by using thinner SBGs, typically less than 3 microns. Increased bandwidth due to thinner SBGs results in even lower peak diffraction efficiency. Therefore, it is usually necessary to increase the refractive index modulation. One way to avoid the need to separate RGB SBGs is to use multiple SBGs, in which case illumination is done from both ends of the light guide as R illumination and B / G illumination, thereby The color gamut is somewhat impaired. However, multi-grating causes problems of manufacturing complexity and crosstalk.

出願人の整理番号SBG109によっても参照されるWIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAYと題される本発明者らによる2012年4月25日の出願日を有する米国仮特許に開示されるタイリング問題に対する優れた解決策は、格子を単に積層するのとは対照的に、SBGをインタレース状にするあるいはモザイク状にすることによって積層体を圧縮することである。出願第61/687,436号明細書に開示されるディスプレイは、2つの要素、すなわち、第1に、ディジレンズ(DigiLens)と称されるモザイク状のSBGの層を備える多層導波路デバイスと、第2に、入力画像ノード(IIN)と称される1つ以上のマイクロディスプレイから入力画像データを与えるための光学系とを備え、入力画像ノード(IIN)は、マイクロディスプレイに加えて、レーザ照射モジュールと、視準リレー光学素子導波路リンクと、格子デバイスとを含む。本発明を説明する目的で、同じ専門用語が留意される。非常に基本的な用語では、ディジレンズがアイピースを与え、一方、IINは、用途の人間工学的な制約にしたがって一般にディジレンズの上側または側部に位置づけられるコンパクトな画像生成モジュールを与える。出願第61/687,436号明細書では、所定の処方を共有する全てのSBG要素が、それらが視準された導波画像光を所定のFOVタイルへと回折するように同時に駆動される。タイリングされ得る画像の数は、入力ディスプレイリフレッシュレートによってのみ制限される。SBG要素は、一般に、サイズが数ミリメートルである。この手法は、層に関してかなりの節減を達成するが、ディジレンズで使用されるモザイク状の格子パターン、電極からの散乱、および、一般的な光学的および電気的な複雑さに起因して照明リップルの問題に見舞われる。   Superior to the tiling problem disclosed in the US provisional patent dated April 25, 2012 by the present inventors entitled WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY, also referenced by applicant's docket number SBG109 The solution is to compress the laminate by making the SBG interlaced or mosaic, as opposed to simply laminating the grid. The display disclosed in application 61 / 687,436 has two components: a multilayer waveguide device comprising a layer of mosaic SBG called DigiLens first, and Second, an optical system for providing input image data from one or more microdisplays referred to as an input image node (IIN), the input image node (IIN) being laser irradiated in addition to the microdisplay A module, a collimating relay optical element waveguide link, and a grating device. For purposes of describing the present invention, the same terminology is noted. In very basic terms, a DigiLens provides an eyepiece, while an IIN provides a compact image generation module that is generally positioned on the top or side of the DigiLens according to the ergonomic constraints of the application. In application 61 / 687,436, all SBG elements sharing a given prescription are driven simultaneously so that they diffract the collimated guided image light into a given FOV tile. The number of images that can be tiled is limited only by the input display refresh rate. SBG elements are typically a few millimeters in size. This approach achieves considerable savings with respect to layers, but illumination ripple due to the mosaic grid pattern used in DigiLens, scattering from the electrodes, and general optical and electrical complexity I am hit by a problem.

本開示の背後にある動機は、ディジレンズをモザイク状にする必要性を減らすことである。従来技術の更なる問題点は、導波路へのIIN出力画像の結合が非常に非効率であり、そのため、厚い導波路がもたらされるという点である。この問題を克服するためには、入力画像フィールドをサンプリングする更に効率的な方法が必要とされる。   The motivation behind this disclosure is to reduce the need to mosaic the DigiLens. A further problem with the prior art is that the coupling of the IIN output image to the waveguide is very inefficient, resulting in a thick waveguide. To overcome this problem, a more efficient method of sampling the input image field is needed.

以上を考慮して、本発明者らは、ディスプレイ、特に基板ガイド光学素子(SGO)と切り換え可能ブラッグ格子(SBG)とを組み合わせる透明ディスプレイの利点を認識して理解した。   In view of the foregoing, the inventors have recognized and understood the advantages of a display, particularly a transparent display that combines a substrate guide optical element (SGO) and a switchable Bragg grating (SBG).

したがって、幾つかの実施形態の1つの態様では、光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第1の光学基板であって、第1の光学基板の少なくとも1つの導波層が、光を第1の基板から第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第1の光学基板と、光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第2の光学基板であって、第2の光学基板の少なくとも1つの導波層が、光を第2の基板から第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第2の光学基板とを備える、画像を表示するための装置が提供される。第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は受動モードのSBGを備えてもよい。   Thus, in one aspect of some embodiments, a first optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate light in a first direction, the first optical substrate comprising: A first optical substrate comprising at least one grating lamina, wherein the at least one waveguide layer is configured to extract light from the first substrate along a first direction; and light in a second direction. A second optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate, wherein at least one waveguide layer of the second optical substrate transmits light from the second substrate in a second direction. There is provided an apparatus for displaying an image comprising a second optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract along. At least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates may comprise a passive mode SBG.

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの導波路が複数の格子薄板を備え、複数の格子薄板のうちの少なくとも2つが同じ表面格子周波数を有する。   In one embodiment, at least one waveguide of at least one of the first and second optical substrates comprises a plurality of grating laminae, and at least two of the plurality of grating laminae have the same surface grating frequency.

1つの実施形態において、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、順方向モードおよび逆方向モードのうちの少なくとも一方のHPDLC材料に記録される非切り換えブラッグ格子を備える。格子薄板はSBGであってもよいが、ある場合には、そうである必要がない。他のタイプの適した材料が使用されてもよい。   In one embodiment, the at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates is a non-switched Bragg grating recorded on the HPDLC material of at least one of the forward and reverse modes Is provided. The lattice sheet may be SBG, but in certain cases it need not be. Other types of suitable materials may be used.

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板が受動モードのSBGを備える。   In one embodiment, the first and second optical substrates comprise passive mode SBGs.

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、複数の導波層のそれぞれは、赤色光、緑色光、青色光、青色/緑色混合光、および、複数の部分視野(FOV)のうちの1つ、のうちの少なくとも1つを伝搬するように構成される。ある場合には、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、複数の導波層が3つの導波層を備える場合には、3つの導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬するように構成される。あるいは、複数の導波層が2つの導波層を備える場合には、3つの導波層は、赤色光、および、青色光・緑色混合光を伝搬するように構成される。   In one embodiment, at least one of the first and second optical substrates comprises a plurality of waveguide layers, each of the plurality of waveguide layers being red light, green light, blue light, blue / green mixed. It is configured to propagate at least one of light and one of a plurality of partial fields of view (FOV). In some cases, when at least one of the first and second optical substrates comprises a plurality of waveguide layers, and the plurality of waveguide layers comprises three waveguide layers, the three waveguide layers are Configured to propagate red light, green light, and blue light. Alternatively, when the plurality of waveguide layers include two waveguide layers, the three waveguide layers are configured to propagate red light and blue / green mixed light.

1つの実施形態において、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの導波層は、重ね合わされた異なる色処方を伴うホログラムを備える。   In one embodiment, at least one waveguide layer of at least one of the first and second optical substrates comprises a hologram with different color prescriptions superimposed.

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方における少なくとも1つの導波層が損失性である。   In one embodiment, at least one waveguide layer on at least one of the first and second optical substrates is lossy.

1つの実施形態において、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、約3ミクロン未満の厚さを有する。例えば、厚さは、約2.5ミクロン未満、2ミクロン、1.5ミクロン、1.2ミクロン、1ミクロン、0.5ミクロン、あるいは、それより小さくてもよい。   In one embodiment, at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates has a thickness of less than about 3 microns. For example, the thickness may be less than about 2.5 microns, 2 microns, 1.5 microns, 1.2 microns, 1 micron, 0.5 microns, or less.

1つの実施形態において、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化する厚さを有する。   In one embodiment, at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates has a thickness that varies along a respective light propagation direction.

1つの実施形態では、本明細書中に記載される装置がデバイスの一部であり、デバイスは、HMD、HUD、および、HDDのうちの少なくとも1つの一部である。   In one embodiment, the apparatus described herein is part of a device, and the device is part of at least one of HMD, HUD, and HDD.

幾つかの実施形態の他の態様では、画像を表示するための装置であって、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、変調光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第1の光学基板であり、第1の光学基板の少なくとも1つの導波層が、変調光を第1の基板から第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第1の光学基板と、変調光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第2の光学基板であり、第2の光学基板の少なくとも1つの導波層が、変調光を第2の基板から第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第2の光学基板とを備える、装置が提供される。第1の光学基板の少なくとも1つの格子薄板は、変調光を第1の基板へ結合するように構成されてもよい。第2の光学基板の少なくとも1つの格子薄板は、第1の基板から抽出される変調光を第2の基板へ結合するように構成されてもよい。第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化するkベクトルを有してもよい。   In another aspect of some embodiments, an apparatus for displaying an image, the input image node for providing image modulated light, and at least configured to propagate the modulated light in a first direction A first optical substrate comprising one waveguide layer, wherein at least one waveguide layer of the first optical substrate is configured to extract modulated light from the first substrate along a first direction. A second optical substrate comprising: a first optical substrate comprising at least one grating thin plate; and a second optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate modulated light in a second direction; An apparatus comprising: at least one waveguide layer of the substrate; and a second optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract modulated light from the second substrate along a second direction. Provided. At least one grating lamina of the first optical substrate may be configured to couple the modulated light to the first substrate. At least one grating lamina of the second optical substrate may be configured to couple the modulated light extracted from the first substrate to the second substrate. At least one grating thin plate of at least one of the first and second optical substrates may have a k vector that varies along the respective light propagation direction.

1つの実施形態において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子のうちの少なくとも1つを備える。マイクロディスプレイは、例えば放射性マイクロディスプレイを含む一般に使用される任意のタイプのマイクロディスプレイであってもよい。放射性マイクロディスプレイは、OLED、QPI、および、同様のものであってもよい。   In one embodiment, the input image node comprises at least one of a microdisplay, a laser, and collimating optics. The microdisplay may be any commonly used type of microdisplay including, for example, radioactive microdisplays. The emissive microdisplay may be OLED, QPI, and the like.

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板が変化する厚さを有する。例えば、厚さは、(i)光伝搬方向に対して平行、および、(ii)光伝搬方向に対して垂直のうちの少なくとも一方である方向において増大してもよい。あるいは、厚さは、前述した方向に沿って増大した後に減少してもよい(あるいは、その逆もまた同様)。幾何学的形態は限定されない。   In one embodiment, at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates has a varying thickness. For example, the thickness may increase in a direction that is at least one of (i) parallel to the light propagation direction and (ii) perpendicular to the light propagation direction. Alternatively, the thickness may decrease after increasing along the aforementioned direction (or vice versa). The geometric form is not limited.

1つの実施形態において、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、切り換えモードまたは受動モードにあるSBGを備える。   In one embodiment, at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates comprises an SBG that is in a switching mode or a passive mode.

1つの実施形態において、第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における少なくとも1つの格子薄板は、少なくとも2つの異なる単色処方の多重格子を備える。   In one embodiment, the at least one grating lamina on at least one of the first or second substrates comprises a multi-grating of at least two different monochromatic recipes.

1つの実施形態において、装置は、同じ表面格子周波数を有するが異なるkベクトルを有する複数の格子薄板を備え、複数の格子薄板は、入力画像視野を複数の角度間隔へと分割するように構成される。   In one embodiment, the apparatus comprises a plurality of grating lamellas having the same surface grating frequency but different k vectors, wherein the plurality of grating lamellas are configured to divide the input image field into a plurality of angular intervals. The

1つの実施形態では、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方が少なくとも1つの直交面内で湾曲される。   In one embodiment, at least one of the first and second optical substrates is curved in at least one orthogonal plane.

1つの実施形態において、第1および第2の基板から抽出される光は、任意の視野方向で均一の照明を行う。   In one embodiment, the light extracted from the first and second substrates provides uniform illumination in any viewing direction.

幾つかの実施形態の他の態様では、画像を表示する方法であって、入力画像からの変調光を第1の光学基板へ結合するステップと、第1の基板から光を抽出するステップと、第1の基板から抽出された光を第2の基板へ結合するステップとを備える方法が提供される。第1の光学基板は、光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備えてもよく、第1の光学基板の少なくとも1つの導波層は、光を第1の基板から第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える。第2の光学基板は、光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備えてもよく、第2の光学基板の少なくとも1つの導波層は、光を第2の基板から第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える。第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板は、受動モードのSBGを備えてもよい。   In another aspect of some embodiments, a method of displaying an image comprising coupling modulated light from an input image to a first optical substrate; extracting light from the first substrate; Coupling the light extracted from the first substrate to the second substrate. The first optical substrate may comprise at least one waveguide layer configured to propagate light in the first direction, and the at least one waveguide layer of the first optical substrate transmits light in the first direction. At least one grid lamina configured to extract from a substrate along a first direction. The second optical substrate may include at least one waveguide layer configured to propagate light in the second direction, and the at least one waveguide layer of the second optical substrate transmits light to the first At least one grid lamina configured to extract from a second substrate along a second direction. At least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates may comprise a passive mode SBG.

1つの実施形態において、方法は、入力画像を複数の角度間隔へとサンプリングするステップを更に備え、複数の角度間隔のそれぞれは、瞳全体のサイズの一部分である有効射出瞳を有する。ある見地において、これは、驚くべきことに、第1の導波路の厚さを既存のデバイスと比べてかなり小さくできるという利点を与える。したがって、入力格子のサイズおよび配置に有利に影響を及ぼすことができる。   In one embodiment, the method further comprises sampling the input image into a plurality of angular intervals, each of the plurality of angular intervals having an effective exit pupil that is a portion of the overall pupil size. In one aspect, this surprisingly provides the advantage that the thickness of the first waveguide can be significantly reduced compared to existing devices. Thus, the size and placement of the input grid can be beneficially affected.

1つの実施形態において、方法は、第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの格子薄板の以下のうちの少なくとも1つ、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、kベクトル回転プロファイル、表面格子周期、および、ホログラム基板屈折率差のうちの少なくとも1つを変更することによって画像の表示を向上させるステップを更に備える。   In one embodiment, the method includes at least one of at least one of the following: a grating thickness, a refractive index modulation, a k-vector rotation, of at least one of the first and second optical substrates. The method further includes improving the display of the image by changing at least one of the profile, the surface grating period, and the hologram substrate refractive index difference.

他の実施形態では、画像を表示するための装置であって、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、第1および第2の光学導波基板と、画像変調光を前記第1の基板へ結合するための第1の光学手段と、第1の基板から抽出される光を第2の基板へ結合するための第2の光学手段とを備える装置が提供される。第1の光学基板は、光を第1の方向で伝搬する少なくとも1つの導波層を備える。各導波層は、第1の基板から光を抽出するようになっている少なくとも1つの格子薄板を含み、光抽出は第1の方向に沿って行われる。第2の光学基板は少なくとも1つの導波層を備える。各導波層は、光を第2の方向で伝搬する。各導波層は、第2の基板からディスプレイ用の光を抽出するようになっている少なくとも1つの格子薄板を含み、光抽出は第2の方向に沿って行われる。1つの実施形態では、第1の光学基板が画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、各部分は角度領域または空間領域のうちのいずれかによって特徴付けられる。   In another embodiment, an apparatus for displaying an image, comprising: an input image node for providing image modulated light; first and second optical waveguide substrates; and image modulated light on the first substrate. An apparatus is provided comprising first optical means for coupling to and second optical means for coupling light extracted from the first substrate to the second substrate. The first optical substrate comprises at least one waveguide layer that propagates light in a first direction. Each waveguiding layer includes at least one grating lamina adapted to extract light from the first substrate, the light extraction taking place along the first direction. The second optical substrate includes at least one waveguide layer. Each waveguiding layer propagates light in the second direction. Each waveguiding layer includes at least one grating lamina adapted to extract display light from the second substrate, the light extraction taking place along the second direction. In one embodiment, the first optical substrate selectively samples portions of the image modulated light, each portion being characterized by either an angular region or a spatial region.

言うまでもなく、前述した概念と以下で更に詳しく説明する更なる概念との全ての組み合わせは(そのような概念が互いに矛盾しなければ)、本明細書中に開示される本発明の主題の一部として考えられる。特に、この開示の終わりに現れる特許請求の範囲に記載される主題の全ての組み合わせは、本明細書中に開示される本発明の主題の一部として考えられる。また、言うまでもなく、参照することにより組み入れられる任意の開示にも現れ得る本明細書中で明示的に使用される専門用語には、本明細書中に開示される特定の概念と最も一致する意味が与えられるべきである。   Needless to say, all combinations of the aforementioned concepts with further concepts described in more detail below (as long as such concepts do not contradict each other) are part of the subject matter of the invention disclosed herein. Is considered. In particular, all combinations of claimed subject matter appearing at the end of this disclosure are contemplated as being part of the inventive subject matter disclosed herein. It is also to be understood that the terminology explicitly used herein, which may appear in any disclosure incorporated by reference, has the meaning most consistent with the specific concepts disclosed herein. Should be given.

当業者であれば分かるように、図面は、主に、例示目的であって、本明細書中に記載される本発明の主題の範囲を限定しようとするものではない。図面は、必ずしも原寸に比例しているとは限らず、ある場合には、異なる特徴の理解を容易にするために、本明細書中に開示される本発明の主題の様々な態様が図面で誇張されてあるいは拡大されて示される場合がある。図面中、同様の参照符号は、一般に、同様の特徴(例えば、機能的に類似するおよび/または構造的に類似する要素)を示す。   As will be appreciated by those skilled in the art, the drawings are primarily for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of the inventive subject matter described herein. The drawings are not necessarily drawn to scale, and in some cases, various aspects of the inventive subject matter disclosed herein are shown in the drawings to facilitate understanding of different features. It may be shown exaggerated or enlarged. In the drawings, like reference numbers generally indicate similar features (eg, functionally similar and / or structurally similar elements).

図1Aは、接平面内のブラッグ格子の光学的構造の概略図である。図1Bは、矢状面内のブラッグ格子の光学的構造の概略図である。FIG. 1A is a schematic diagram of the optical structure of a Bragg grating in the tangential plane. FIG. 1B is a schematic view of the optical structure of a Bragg grating in the sagittal plane.

図2Aは、1つの実施形態における第1の作動状態を示す概略側面図である。図2Bは、1つの実施形態における第2の作動状態を示す概略側面図である。図2Cは、1つの実施形態の概略正面図である。FIG. 2A is a schematic side view showing a first operating state in one embodiment. FIG. 2B is a schematic side view illustrating a second operating state in one embodiment. FIG. 2C is a schematic front view of one embodiment.

1つの実施形態の構成要素の概略三次元図である。It is a schematic three-dimensional view of the components of one embodiment.

1つの実施形態の構成要素の概略側面図である。2 is a schematic side view of components of one embodiment. FIG.

1つの実施形態における画像の形成を表わすフローチャートである。6 is a flowchart illustrating image formation in one embodiment.

1つの実施形態の概略側面図である。1 is a schematic side view of one embodiment.

1つの実施形態の概略側面図である。1 is a schematic side view of one embodiment.

1つの実施形態の概略側面図である。1 is a schematic side view of one embodiment.

1つの実施形態の回折効率特性を示すチャートである。It is a chart which shows the diffraction efficiency characteristic of one embodiment.

1つの実施形態における水平ビーム拡大器の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a horizontal beam expander in one embodiment.

1つの実施形態で使用されるSBGの回折効率特性を与える表である。6 is a table giving diffraction efficiency characteristics of SBG used in one embodiment.

図12Aは、1つの実施形態の第1の作動状態を示す概略三次元図である。図12Bは、1つの実施形態の第2の作動状態を示す概略三次元図である。FIG. 12A is a schematic three-dimensional view showing a first operating state of one embodiment. FIG. 12B is a schematic three-dimensional view showing a second operating state of one embodiment.

図13Aは、1つの実施形態の第3の作動状態を示す概略三次元図である。図13Bは、1つの実施形態の第4の作動状態を示す概略三次元図である。FIG. 13A is a schematic three-dimensional view showing a third operating state of one embodiment. FIG. 13B is a schematic three-dimensional view showing a fourth operating state of one embodiment.

図14Aは、本発明のHMD器具の第1の向きの専門家の印象である。図14Bは、本発明のHMD器具の第2の向きの専門家の印象である。図14Cは、本発明のHMD器具の第3の向きの専門家の印象である。FIG. 14A is an impression of an expert in the first orientation of the HMD device of the present invention. FIG. 14B is an impression of a second orientation expert of the HMD device of the present invention. FIG. 14C is an impression of a third orientation expert of the HMD device of the present invention.

1つの実施形態で使用される楔形状の導波路格子の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a wedge-shaped waveguide grating used in one embodiment. FIG.

1つの実施形態の概略側面図である。1 is a schematic side view of one embodiment.

1つの実施形態の回折効率対角度特性を示すチャートである。It is a chart which shows the diffraction efficiency versus angle characteristic of one embodiment.

1つの実施形態の概略側面図である。1 is a schematic side view of one embodiment.

図19Aは、1つの実施形態の第1の作動状態を示す概略側面図である。図19Bは、1つの実施形態の第2の作動状態を示す概略側面図である。FIG. 19A is a schematic side view illustrating a first operational state of one embodiment. FIG. 19B is a schematic side view illustrating a second operational state of one embodiment.

図20Aは、1つの実施形態における入力画像ノードの第1の作動状態を示す概略側面図である。図20Bは、1つの実施形態における入力画像ノードの第2の作動状態を示す概略側面図である。FIG. 20A is a schematic side view illustrating a first operational state of an input image node in one embodiment. FIG. 20B is a schematic side view illustrating a second operational state of the input image node in one embodiment.

傾斜した格子縞を含むHBEの概略平面図である。It is a schematic plan view of HBE containing the inclined lattice stripe.

傾斜した格子縞を含むHBEを使用する1つの実施形態の概略三次元図である。FIG. 3 is a schematic three-dimensional view of one embodiment using HBE with tilted plaid.

図23Aは、1つの実施形態により与えられるHUDの第1の作動状態を示す概略側面図である。図23Bは、1つの実施形態により与えられるHUDの第2の作動状態を示す概略側面図である。FIG. 23A is a schematic side view illustrating a first operational state of a HUD provided by one embodiment. FIG. 23B is a schematic side view illustrating a second operational state of the HUD provided by one embodiment.

1つの実施形態により与えられるHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD provided by one embodiment. FIG.

1つの実施形態により与えられるHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD provided by one embodiment. FIG.

従来技術の視準画像ディスプレイの概略図である。1 is a schematic view of a prior art collimated image display. FIG.

本発明の原理にしたがったHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD according to the principles of the present invention.

ホログラフィックミラーの概略側面図である。It is a schematic side view of a holographic mirror.

1つの実施形態により与えられるHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD provided by one embodiment. FIG.

1つの実施形態により与えられるHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD provided by one embodiment. FIG.

1つの実施形態により与えられるHUDの概略側面図である。1 is a schematic side view of a HUD provided by one embodiment. FIG.

図32Aは、1つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの三次元図である。図32Bは、1つの実施形態により与えられるカラーディスプレイで使用される光源のスペクトル特性を示すチャートである。図32Cは、1つの実施形態により与えられるカラーディスプレイで使用される光源のスペクトル特性を示す表である。FIG. 32A is a three-dimensional view of a color display provided by one embodiment. FIG. 32B is a chart showing the spectral characteristics of a light source used in a color display provided by one embodiment. FIG. 32C is a table showing the spectral characteristics of the light sources used in the color display provided by one embodiment.

本発明の1つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるHUDの断面図である。It is sectional drawing of HUD integrated in the windscreen in one embodiment of this invention.

本発明の1つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるHUDの断面図である。It is sectional drawing of HUD integrated in the windscreen in one embodiment of this invention.

1つの実施形態により与えられるディスプレイの三次元図である。FIG. 3 is a three-dimensional view of a display provided by one embodiment.

1つの実施形態により与えられるディスプレイの三次元図である。FIG. 3 is a three-dimensional view of a display provided by one embodiment.

1つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの概略側面図である。1 is a schematic side view of a color display provided by one embodiment. FIG.

1つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの概略三次元図である。FIG. 3 is a schematic three-dimensional view of a color display provided by one embodiment.

図39Aは、1つの実施形態の概略側面図である。図39Bは、1つの実施形態の概略正面図である。FIG. 39A is a schematic side view of one embodiment. FIG. 39B is a schematic front view of one embodiment.

1つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるHUDの断面図である。It is sectional drawing of HUD integrated in the windscreen in one embodiment.

1つの実施形態のHUDにおける画像形成を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the image formation in HUD of one Embodiment.

図42Aは、1つの実施形態における多重ディジレンズの第1の回折効率対角度特性を示すチャートである。図42Bは、1つの実施形態における多重ディジレンズの第2の回折効率対角度特性を示すチャートである。FIG. 42A is a chart showing first diffraction efficiency versus angular characteristics of a multiple digi lens in one embodiment. FIG. 42B is a chart showing second diffraction efficiency vs. angle characteristics of the multiple digi lens in one embodiment.

1つの実施形態におけるカラー多重ディスプレイの概略三次元図である。FIG. 2 is a schematic three-dimensional view of a color multiplex display in one embodiment.

1つの実施形態におけるカラー多重ディスプレイで使用されるディジレンズの概略側面図である。It is a schematic side view of the DigiLens used in the color multiplex display in one embodiment.

3つのHBE導波路と3つのディジレンズ導波路とが設けられる1つの実施形態におけるディスプレイの一実施形態の三次元図である。FIG. 3 is a three-dimensional view of one embodiment of a display in one embodiment in which three HBE waveguides and three DigiLens waveguides are provided.

IINによる投影絞りの形成を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows formation of the projection stop by IIN.

IINからHBE導波路への光の結合を示す概略平面図である。It is a schematic plan view showing the coupling of light from the IIN to the HBE waveguide.

図47のHBE導波路の詳細を示す。ビームと格子との相互作用を示す画像入力端。48 shows details of the HBE waveguide of FIG. An image input that shows the interaction between the beam and the grating.

1つの実施形態における4層HBEの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of 4 layer HBE in one embodiment.

図49の実施形態で使用される格子を示す表である。FIG. 50 is a table showing a grid used in the embodiment of FIG. 49.

図49の実施形態における重合DE対角度プロファイルを示すチャートである。FIG. 50 is a chart showing a polymerization DE versus angle profile in the embodiment of FIG. 49. FIG.

1つの実施形態における楔SBG格子の三次元図である。FIG. 3 is a three-dimensional view of a wedge SBG grating in one embodiment.

図53Aは、1つの実施形態におけるHBEの第1の作動状態の概略図である。図53Bは、1つの実施形態におけるHBEの第2の作動状態の概略図である。図53Cは、1つの実施形態におけるHBEの第3の作動状態の概略図である。FIG. 53A is a schematic diagram of a first operational state of an HBE in one embodiment. FIG. 53B is a schematic diagram of the second operational state of the HBE in one embodiment. FIG. 53C is a schematic diagram of a third operational state of the HBE in one embodiment.

図54Aは、瞳が投影レンズの内側に形成される、明細書本文で前述したタイプの投影瞳をもたらさない1つの実施形態における投影方式を示す。図54Bは、絞り562を使用する投影レンズの前に形成される、明細書本文で前述したタイプの投影瞳をもたらさない1つの実施形態における投影方式を示す。FIG. 54A shows a projection scheme in one embodiment that does not result in a projection pupil of the type described earlier in the specification, where the pupil is formed inside the projection lens. FIG. 54B shows a projection scheme in one embodiment that does not result in a projection pupil of the type previously described herein, formed in front of a projection lens that uses a stop 562.

1つの実施形態におけるインカップル光のピークDEを最大にするための回転kベクトル格子の使用の概略図を示す。FIG. 6 shows a schematic diagram of the use of a rotating k-vector grating to maximize the in-coupled light peak DE in one embodiment.

1つの実施形態における回転kベクトル格子を含む導波路部分580を通じた典型的な光線の伝搬を示している概略図を示す。FIG. 6 shows a schematic diagram illustrating exemplary ray propagation through a waveguide portion 580 that includes a rotated k-vector grating in one embodiment.

1つの実施形態におけるHBE590およびVBE591を示している平面図を示す。FIG. 6 shows a top view showing HBE590 and VBE591 in one embodiment.

1つの実施形態におけるHBEおよびVBEの概略側面図を示す。FIG. 3 shows a schematic side view of HBE and VBE in one embodiment.

1つの実施形態における導波路の内側のビーム伝搬を示すHBEの展開図を示す。FIG. 6 shows an exploded view of HBE showing beam propagation inside a waveguide in one embodiment.

1つの実施形態における密着印画プロセスを使用してHBEを製造するための装置を示す。1 illustrates an apparatus for manufacturing HBE using a contact printing process in one embodiment.

図61Aは、一実施形態におけるコーン形状レンズの幅広端が上側に位置づけられるHBE590のZ=L端の断面を示す。図61Bは、一実施形態におけるレンズの平面図を示す。図61Cは、一実施形態におけるレンズの幅狭端が上側に位置づけられるHBEのZ=0端を示す。FIG. 61A shows a Z = L end cross-section of HBE590 with the wide end of the cone-shaped lens in one embodiment positioned on the upper side. FIG. 61B shows a plan view of a lens in one embodiment. FIG. 61C shows the Z = 0 end of the HBE with the narrow end of the lens in one embodiment positioned on the upper side.

図62Aは、円錐が側面図で示される、頂点620および底辺621の円錐からの円錐断面の形成を示す。図62Bは、円錐が正面図で示される、頂点620および底辺621の円錐からの円錐断面の形成を示す。図62Cは、カットラインに沿って底辺から投影された切断光学素子の図が示される、頂点620および底辺621の円錐からの円錐断面の形成を示す。FIG. 62A shows the formation of a conical section from the cone at the apex 620 and base 621, with the cone shown in side view. FIG. 62B shows the formation of a conical section from the apex 620 and the base 621 cone, with the cone shown in front view. FIG. 62C shows the formation of a conical section from the cone of apex 620 and base 621 where a view of the cutting optics projected from the base along the cut line is shown.

1つの実施形態における導波路の基本構造を示す。1 shows the basic structure of a waveguide in one embodiment.

入力格子635A〜635Cが積層される導波路の図である。1つの実施形態では、各格子が固有のkベクトル636A〜636Cを有する。It is a figure of the waveguide by which the input gratings 635A-635C are laminated | stacked. In one embodiment, each lattice has a unique k vector 636A-636C.

1つの実施形態において入力格子が導波路伝搬方向に沿って互いに隣接して配置されることを示す。FIG. 5 illustrates that in one embodiment the input gratings are arranged adjacent to each other along the waveguide propagation direction.

1つの実施形態において図64〜図65に示される原理が出力格子に適用されてもよいことを示す。FIG. 6 illustrates that in one embodiment the principles shown in FIGS. 64-65 may be applied to the output grating.

1つの実施形態のプロセスを表わすフローチャートである。2 is a flowchart representing a process of one embodiment.

1つの実施形態における構造の単色バージョンの光線トレースを示す。Fig. 4 shows a ray trace of a monochromatic version of the structure in one embodiment.

1つの実施形態における図63のIINのおおよその寸法を示す。FIG. 64 shows the approximate dimensions of the IIN of FIG. 63 in one embodiment.

1つの実施形態における図64の光学レイアウトの展開図を与える。FIG. 64 provides a development view of the optical layout of FIG. 64 in one embodiment.

図71Aは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用する1つの実施形態におけるHBEの内側の投影絞りの形成を示す。図71Bは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用する1つの実施形態におけるHBEの内側の投影絞りの形成を示す。FIG. 71A shows the formation of a projection stop inside the HBE in one embodiment using a simplified thin lens representation of the microdisplay projection optics. FIG. 71B shows the formation of a projection stop inside the HBE in one embodiment using a simplified thin lens representation of the microdisplay projection optics.

HBEがその入力端に結合格子を備えるとともに、2つの異なる処方の交互に入れ替わるSBG縞が45°で傾けられる、1つの実施形態を示す。FIG. 6 shows one embodiment where the HBE is provided with a coupling grid at its input and the alternating SBG stripes of two different prescriptions are tilted at 45 °.

1つの実施形態における射出瞳への経路に沿って生じる4つの方向変化を示すディジレンズの単層を通じたIINからのビーム伝搬を示す。FIG. 6 shows beam propagation from an IIN through a single layer of DigiLens showing four direction changes that occur along the path to the exit pupil in one embodiment.

1つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の平面図を示す。FIG. 6 shows a plan view of a near eye configuration of a proposed helmet mounted display in one embodiment.

1つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の側面図を示す。FIG. 6 shows a side view of the near eye configuration of the proposed helmet mounted display in one embodiment.

1つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の正面図を示す。FIG. 6 shows a front view of the near eye configuration of the proposed helmet mounted display in one embodiment.

1つの実施形態におけるFOV、瞳距離、および、アイボックスに対するディジレンズ(登録商標)開口の関係を示す。FIG. 6 shows the relationship of FOV, pupil distance, and DigiLens® aperture to eyebox in one embodiment. FIG.

1つの実施形態における部分的な両眼重なりを示す。Fig. 4 shows partial binocular overlap in one embodiment.

他の実施形態における部分的な両眼重なりを示す。Fig. 6 shows partial binocular overlap in another embodiment.

1つの実施形態における透明導波路ディスプレイを示す。1 illustrates a transparent waveguide display in one embodiment.

以下、本発明の透明ディスプレイに関連する様々な概念および本発明の透明ディスプレイの実施形態について更に詳しく説明する。言うまでもなく、開示される概念は任意の特定の実施態様に限定されないため、先に紹介された様々な概念および以下で更に詳しく論じられる様々な概念は、任意の多くの方法で実施されてもよい。特定の実施および用途の例は、主に、例示目的で与えられる。   Hereinafter, various concepts related to the transparent display of the present invention and embodiments of the transparent display of the present invention will be described in more detail. Of course, since the disclosed concepts are not limited to any particular embodiment, the various concepts introduced above and the various concepts discussed in more detail below may be implemented in any of a number of ways. . Examples of specific implementations and uses are given primarily for illustrative purposes.

ここで、添付図面を参照して、本発明を単なる一例として更に説明する。当業者であれば分かるように、本発明は、以下の説明に開示される本発明の一部または全てを伴って実施されてもよい。本発明を説明する目的のため、本発明の基本的な原理を不明瞭にしないように、光学設計およびビジュアルディスプレイの当業者に知られる光学技術の周知の特徴が省かれあるいは簡略化されている。別に他に述べられなければ、光線またはビームの方向に関する用語「軸上」とは、本発明に関連して記載される光学的な構成要素の表面に対して垂直な軸と平行な伝搬のことである。以下の説明において、光、光線、ビーム、および、方向という用語は、直線的な軌道に沿う光エネルギーの伝搬の方向を示すために、置き換え可能に互いに関連して使用されてもよい。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般に使用される専門用語を用いて与えられる。また、本発明の以下の説明において、「1つの実施形態では」という語句の度重なる使用は、必ずしも同じ実施形態に言及しているとは限らないことにも留意すべきである。   The present invention will now be further described by way of example only with reference to the accompanying drawings. As will be appreciated by one skilled in the art, the present invention may be practiced with some or all of the invention disclosed in the following description. For the purpose of illustrating the present invention, well-known features of optical technology known to those skilled in the art of optical design and visual display have been omitted or simplified so as not to obscure the basic principles of the present invention. . Unless otherwise stated, the term “on-axis” with respect to the direction of a ray or beam refers to propagation parallel to an axis perpendicular to the surface of the optical component described in connection with the present invention. It is. In the following description, the terms light, light beam, beam, and direction may be used interchangeably with each other to indicate the direction of propagation of light energy along a linear trajectory. Some of the descriptions below are given using terminology commonly used by those skilled in the art of optical design. It should also be noted that in the following description of the present invention, repeated use of the phrase “in one embodiment” does not necessarily refer to the same embodiment.

本発明は、今まで利用されてこなかったSBGの2つの基本的な特性、すなわち、第1に、回折面に対して直交する面内のブラッグ格子の比較的幅広い角度帯域幅と、第2に、SBGを非常に薄くすることにより生じる幅広い角度帯域幅とによって可能にされる。結果として、FOVタイルのサイズを約10°×10°に制限する制約がこの場合に適用されず、それにより、前述したモザイク手法がもたらされる。ここで、結果として、より少ない更に大きなタイルを使用できる。以下の説明で示されるように、必要とされるFOVは、それぞれが1つのディジレンズ(DigiLens)を有する2つのタイルへと分割されてもよい。他の数のタイルが可能であってもよい。光学設計に関して、この新たな手法は、照明リップルの問題を、完全に排除しないまでも、最小限に抑えることができる。ディジレンズを受動にすることにより、電極からの散乱の問題、および、モザイク要素の大きなマトリクスに配線をつなぐという軽くはない問題を回避できる。受動SBGは、そのHPDLC形成および記録プロセスに関して切り換えSDBGとは異ならない。唯一の違いは、電極が必要とされないことである。SBGの回折特性は、通常は、接平面内で特定される。光を1つの面内で回折するための格子構造において、接平面は、入射して回折される光線ベクトルと格子ベクトルとを含む面である。幾何学的な光学理論にしたがって、接平面と直交する面は矢状面と称される。図1は、91などの傾斜したフリンジを含む透過型SBG90の基本的な幾何光学素子を示し、この場合、格子ベクトルKがフリンジと垂直に位置合わせされる。ブラッグ格子においては、入射光線およびkベクトル回折光線とKベクトルとの間の角度がブラッグの式を満たせば、多数の入力光線および出力光線がブラッグの条件を満たす。(実際に、ブラッグ格子のコゲルニック理論によれば、オンブラッグ光線方向からの角度偏移または波長偏移が小さいかなり高い回折がオフブラッグ角度において得られることに留意されたい)。図1において、これらのオフブラッグ光線は、オンブラッグ(図面の面内にある)光線900,901を取り囲む光線円錐902,903により示される。図1Aに示されるように、オンブラッグ光線フリンジ切片の軌跡が円904である。図1Bに示されるように、光線905,906もオンブラッグである。図1Aの幾何学的形態を考慮すれば、言うまでもなく、接平面内のブラッグ回折角度帯域幅は、接平面上への円錐902,903の投影によって制限される。しかしながら、図1Bを参照すれば明らかなように、矢状面内の有効角度帯域幅(「ABW」)は非常に大きく、それは矢状面内への円錐904の投影によって与えられる。実際には、矢状方向の帯域幅は、主に、導波路により設定されるTIR角度制約によって制限される。ブラッグ格子の大きな矢状面(すなわち、我々の目的のための水平面)の角度帯域幅(一般に、約4×接線方向の帯域幅)の結果として、現在の水平FOV目標をほとんどのディスプレイ用途において達成できる。実際には、帯域幅は、導波路内で維持され得るTIR角度範囲のみによって制限される。   The present invention provides two basic properties of SBG that have not been used so far: first, a relatively wide angular bandwidth of a Bragg grating in a plane orthogonal to the diffractive surface; , And the wide angular bandwidth that results from making the SBG very thin. As a result, the constraint that limits the size of the FOV tile to about 10 ° × 10 ° is not applied in this case, which results in the mosaic approach described above. Here, as a result, fewer, larger tiles can be used. As will be shown in the following description, the required FOV may be divided into two tiles, each having one DigiLens. Other numbers of tiles may be possible. With respect to optical design, this new approach can minimize the problem of illumination ripple, if not completely eliminated. By making the DigiLens passive, it is possible to avoid the problem of scattering from the electrodes and the non-light problem of connecting wires to a large matrix of mosaic elements. A passive SBG is not different from a switched SDBG with respect to its HPDLC formation and recording process. The only difference is that no electrode is required. The diffraction characteristics of SBG are usually specified in the tangential plane. In a grating structure for diffracting light in one plane, the tangent plane is a plane including a light vector and a grating vector that are incident and diffracted. According to geometrical optical theory, the plane perpendicular to the tangent plane is called the sagittal plane. FIG. 1 shows a basic geometric optical element of a transmissive SBG 90 that includes an inclined fringe such as 91, where the grating vector K is aligned perpendicular to the fringe. In a Bragg grating, a large number of input rays and output rays satisfy the Bragg condition if the angle between the incident ray, the k vector diffracted ray and the K vector satisfies the Bragg equation. (Note that, indeed, according to the cogelonic theory of Bragg gratings, fairly high diffraction with small angular or wavelength shift from the on-Bragg ray direction is obtained at off-Bragg angles). In FIG. 1, these off-bragg rays are indicated by ray cones 902 and 903 that surround on-bragg rays 900 and 901 (in the plane of the drawing). As shown in FIG. 1A, the locus of the on-Brag ray fringe intercept is a circle 904. As shown in FIG. 1B, rays 905 and 906 are also on-braggs. Considering the geometry of FIG. 1A, it goes without saying that the Bragg diffraction angular bandwidth in the tangent plane is limited by the projection of the cones 902, 903 onto the tangential plane. However, as is apparent with reference to FIG. 1B, the effective angular bandwidth (“ABW”) in the sagittal plane is very large, which is given by the projection of the cone 904 into the sagittal plane. In practice, the sagittal bandwidth is limited primarily by the TIR angle constraints set by the waveguide. As a result of the angular bandwidth (typically about 4 x tangential bandwidth) of the large sagittal plane (ie, the horizontal plane for our purposes) of the Bragg grating, the current horizontal FOV target is achieved in most display applications it can. In practice, the bandwidth is limited only by the TIR angle range that can be maintained in the waveguide.

本発明者らは、薄いSBG格子が非常に幅広い角度帯域幅を与えることを既に実証してしまっている。低屈折率変調SBG RMLCM形成を使用して製作された実験的なSBG導波路は、1ミクロン厚のSBG層により21°のFWHM帯域幅を有することが分かってきた。   The inventors have already demonstrated that a thin SBG grating provides a very wide angular bandwidth. Experimental SBG waveguides fabricated using low index modulation SBG RMLCM formation have been found to have a 21 ° FWHM bandwidth with a 1 micron thick SBG layer.

以下の説明では、一般的にブラッグ格子、望ましくはSBGを意味するように理解されるべき格子への多くの言及がなされる。多くの場合、SBGは、前述したようなそれらの通常の切り換えモードで動作される。しかしながら、一部のケースでは、SBGが受動(例えば、完全受動)モードで使用され、すなわち、SBGを切り換えることができない。非切り換えSBGは従来の受動ホログラムよりも優れている。これは、HPDLCのLC構成要素が、従来のホログラフィックフォトポリマーで達成され得るよりもかなり高い屈折率変調をもたらすからである。本発明の特定の実施形態において、ディスプレイは、切り換えSBGと非切り換えSBGとの混合を使用する。しかしながら、ディジレンズ出力格子は常に受動状態である(切り換えしない)。1つの特定の類の実施形態では、ディスプレイが全て受動SBGを使用する。   In the following description, many references will be made to a grating that should be understood to generally mean a Bragg grating, preferably SBG. In many cases, SBGs are operated in their normal switching mode as described above. However, in some cases, the SBG is used in a passive (eg, fully passive) mode, ie, the SBG cannot be switched. Non-switching SBGs are superior to conventional passive holograms. This is because the LC component of HPDLC provides significantly higher refractive index modulation than can be achieved with conventional holographic photopolymers. In certain embodiments of the invention, the display uses a mixture of switched and non-switched SBGs. However, the DigiLens output grating is always in a passive state (not switched). In one particular class of embodiments, all displays use passive SBGs.

本発明の原理にしたがった透明ディスプレイが図2に概略的に示されている。薄くて透明性の高いアイピース(またはHUDコンバイナ)を備えるディジレンズ(登録商標)は、視野の上側半分および下側半分をアイボックス(図示せず)へと投影するための2つの導波路101,102を備える。導波路はそれぞれ、透明基板間に挟まれる切り換えできないSBG層を備える。各導波路は、数字107,109および108,110のそれぞれによっても示されるDIGI−I1,DIGI−O1およびDIGI−I2,DIGI−O2と名付けられる切り換え可能な入力格子と切り換え不能な(受動)出力格子とを有する。導波路は半波長膜(HWF)106によって分離される。(なお、以下で説明されるべき他の実施形態では、HWFがDIGI−I格子間に配置され、DIGI−O格子が空気(または、低屈折率材料)により分離される)。以下で論じられる入力画像ノード(IIN)103は、マイクロディスプレイ、レーザモジュール、ビーム拡大光学素子、視準光学素子、および、リレー光学素子を含む。図2Aおよび図2Bには概略側面図が与えられ、また、図2Cには正面図が与えられる。図2Aおよび図2Bは、ディスプレイの2つの切り換え状態に関して、ディジレンズ層を通じたIINからの光線経路を示している。第1の状態において、格子DIGI−I1は、アクティブであり、IIN103からの入射P偏光1000をTIR経路1001へと回折する。TIR光は、1002により示されるように、その光に沿って導波路から回折されて出る。出力格子は損失性のものであり、すなわち、回折効率が1よりもかなり小さく、そのため、ガイド光の一部が各ビーム−格子相互作用で回折されて出る。残りの光は、全ての光が導波路から抽出されるまで、TIRと回折とを繰り返し受け続ける。回折効率の注意深い最適化(屈折率変調、格子厚さ、および、他のパラメータに依存する)によって、出力開口にわたる均一な照明が達成される。一般に、IINに最も近い導波路の端部では低い回折効率が必要とされ、また、最先端では最も高い効率が必要とされる。なお、損失性抽出に起因して、高い角度におけるよりも多くのピークエネルギー(0°の角度における)がディジレンズに結合される。したがって、損失性格子の端部で抽出のために幅広い角度の光を利用できる。「損失性格子」という語句が幾つかの実施形態で使用されるが、この語句は「損失性導波路」を包含する。如何なる理論にも拘束されるべきではないが、これは、「損失性」が、導波路に沿う均一な損失をもたらし得る導波作用と格子効率との組み合わせでないことに起因し得るからである。   A transparent display according to the principles of the present invention is schematically illustrated in FIG. DigiLens® with a thin and highly transparent eyepiece (or HUD combiner) has two waveguides 101 for projecting the upper half and the lower half of the field of view into an eyebox (not shown). 102. Each waveguide comprises a non-switchable SBG layer sandwiched between transparent substrates. Each waveguide has a switchable input grating, designated DIGI-I1, DIGI-O1 and DIGI-I2, DIGI-O2, also indicated by numerals 107, 109 and 108, 110, respectively, and a non-switchable (passive) output. And a lattice. The waveguides are separated by a half-wave film (HWF) 106. (Note that in other embodiments to be described below, the HWF is placed between the DIGI-I gratings and the DIGI-O gratings are separated by air (or a low index material)). The input image node (IIN) 103, discussed below, includes a microdisplay, a laser module, beam expanding optics, collimating optics, and relay optics. A schematic side view is given in FIGS. 2A and 2B, and a front view is given in FIG. 2C. 2A and 2B show the ray path from the IIN through the DigiLens layer for the two switching states of the display. In the first state, the grating DIGI-I 1 is active and diffracts the incident P-polarized light 1000 from the IIN 103 into the TIR path 1001. TIR light is diffracted out of the waveguide along the light, as indicated by 1002. The output grating is lossy, i.e. the diffraction efficiency is much less than 1, so that part of the guide light is diffracted out by each beam-grating interaction. The remaining light continues to undergo TIR and diffraction repeatedly until all the light is extracted from the waveguide. Careful optimization of diffraction efficiency (depending on refractive index modulation, grating thickness, and other parameters) achieves uniform illumination across the output aperture. Generally, the lowest diffraction efficiency is required at the end of the waveguide closest to the IIN, and the highest efficiency is required at the forefront. Note that due to lossy extraction, more peak energy (at an angle of 0 °) is coupled to the DigiLens than at higher angles. Therefore, a wide angle of light is available for extraction at the end of the lossy grating. The phrase “lossy grating” is used in some embodiments, but this phrase encompasses “lossy waveguides”. While not to be bound by any theory, this is because “lossy” may be due to not a combination of waveguiding and grating efficiency that can result in uniform loss along the waveguide.

このことは、特にDE曲線が狭まる導波路の厚肉端でピーク角度変化およびエッジ角度変化を均一化するのに役立つ。回折光1002は、HWFによってその偏光が90°回転され(S偏光になる)、したがって、偏りを伴うことなく第2の導波路102を通る。これは、SBGがS偏光に関して比較的低いDEを有するからである。なお、一方のディジレンズ(登録商標)層はS偏光を放射し、他方のディジレンズ層はP偏光を放射する。しかしながら、各SBG層はP回折している。   This helps to equalize peak and edge angle changes, especially at the thick end of the waveguide where the DE curve is narrowed. The polarization of the diffracted light 1002 is rotated by 90 ° (becomes S-polarized) by the HWF, and therefore passes through the second waveguide 102 without being biased. This is because SBG has a relatively low DE for S polarization. One DigiLens (registered trademark) layer emits S-polarized light, and the other DigiLens layer emits P-polarized light. However, each SBG layer is P diffracted.

表示HBE1,HBE2により示される(数字(104,105)によっても参照される)水平ビーム拡大器(HBE)は、大きな瞳孔にわたって画像光を拡大するために損失性高ABW格子を使用する多層SBG導波路である。前述した実施形態では、HBEがディジレンズの上縁に沿って延びる。HBEについては以下で更に詳しく論じる。なお、前側ディジレンズ(登録商標)素子と後側ディジレンズ(登録商標)素子との間には空隙がある。これは、屈折率が低い(1に近い)適切な材料と置き換えられてもよい。出力画像光がP偏光とS偏光との混合であるため、ポラロイド(登録商標)型アイウェアとの適合性のために1/4波長膜をディジレンズの出力面上に設けることが必要な場合がある。そうしなければ視野の半分の損失をもたらす。   A horizontal beam expander (HBE) indicated by the displays HBE1, HBE2 (also referred to by the numbers (104, 105)) is a multilayer SBG waveguide that uses a lossy high ABW grating to expand the image light over a large pupil. It is a waveguide. In the embodiment described above, the HBE extends along the upper edge of the DigiLens. HBE is discussed in more detail below. There is a gap between the front DigiLens (registered trademark) element and the rear DigiLens (registered trademark) element. This may be replaced by a suitable material with a low refractive index (close to 1). When the output image light is a mixture of P-polarized light and S-polarized light, it is necessary to provide a 1/4 wavelength film on the output surface of the DigiLens for compatibility with Polaroid (registered trademark) eyewear There is. Otherwise, you lose half your vision.

HBE(および先願のVBE)に付されているが、この文脈のみにおける水平および垂直という用語は、本発明を説明する目的で重要性をもつ。実際に、本発明は、多くの異なる形態のコメントを許容し、また、ビーム拡大をなすビームが垂直または水平であってもよい幾つかの異なる実施方法を許容する。導波路という用語に関しては、これらが実際に層状に積み重ねられる複数の分離された導波路を備えてもよいことに留意すべきである。最後に、格子要素に関して、3つの格子要素のそれぞれは、隣接配置されて単一の層をなすあるいはホログラフ的に多重化されて単一の層をなす複数の層状の格子積層体を含んでもよいことは言うまでもない。ディスプレイ開示の基本的なビルディングブロックは、格子、通常はブラッグ格子を含む導波路である。言うまでもなく、機能は、特定の実施形態では、わずか1つの導波層によって達成され得る。しかしながら、導波層の数は、視野のサイズや必要とされる色によって決まる。格子は、切り換え可能(SBG)であってもよく、あるいは、受動状態、すなわち、切り換え不能であってもよい。原理上ではあるが、受動格子を与えるために任意のタイプのブラッグ格子が使用されてもよい。電極を伴わないSBGの使用には大きな利点が存在する。SBG材料は、LCとポリマーとの混合が従来のホログラフィックポリマー材料の屈折率変調よりも高い屈折率変調を与えるという利点を有する。本発明の好ましい実施形態では、出力導波路構成要素が非モザイク状の受動格子のみを使用する。これは、電極からの散乱および照明不均一性の想定し得る問題を最小限に抑える。格子という用語は、他に別に特定されなければ、ブラッグ格子を示すために使用される。受動格子は、電気的に切り換えられない格子を意味する。   Although attached to HBE (and earlier VBE), the terms horizontal and vertical in this context only are important for purposes of describing the present invention. Indeed, the present invention allows many different forms of comments and allows several different implementations where the beam making up the beam expansion may be vertical or horizontal. With respect to the term waveguide, it should be noted that they may comprise a plurality of separate waveguides that are actually stacked in layers. Finally, with respect to lattice elements, each of the three lattice elements may include a plurality of layered lattice stacks arranged adjacent to form a single layer or holographically multiplexed to form a single layer. Needless to say. The basic building block of the display disclosure is a waveguide containing a grating, usually a Bragg grating. Of course, the function may be achieved with only one waveguiding layer in certain embodiments. However, the number of waveguiding layers depends on the size of the field of view and the required color. The grid may be switchable (SBG) or may be passive, i.e. not switchable. In principle, any type of Bragg grating may be used to provide a passive grating. There are significant advantages to using SBG without an electrode. SBG materials have the advantage that mixing LC and polymer gives a higher refractive index modulation than that of conventional holographic polymer materials. In a preferred embodiment of the present invention, the output waveguide component uses only non-mosaic passive gratings. This minimizes the possible problems of electrode scattering and illumination non-uniformity. The term lattice is used to denote a Bragg lattice unless specified otherwise. Passive grating means a grating that is not electrically switched.

図3および図4にはディスプレイが更に詳しく示されている。視準ディスプレイ(例えば、HMD)がどのように動作するのかを理解する更なる助けとして、最初の焦点が設計の白黒バージョンに合わせられる。構造的に、HMDの白黒実施およびカラー実施は非常に類似する。言うまでもなく、重要な相違点は、白黒構成が、少ない導波層でかつIINおよびHBEにおける幾つかの受動格子構成要素を使用できる可能性をもって達成され得るのに対し、カラー実施が、赤、緑、および、青の光チャネルの角度内容を同時に管理するのが非常に難しいことから切り換え可能となるためにIINおよびHBEのほとんどの構成要素を必要とするという点である。両方のケースでは、ディジレンズ(登録商標)が受動構成要素のままである。   3 and 4 show the display in more detail. As a further aid in understanding how collimated displays (eg, HMDs) work, the initial focus is focused on the black and white version of the design. Structurally, the black and white and color implementations of HMD are very similar. Needless to say, an important difference can be achieved in that the black and white configuration can be used with fewer waveguiding layers and the possibility of using several passive grating components in IIN and HBE, whereas the color implementation is red, green And, because it is very difficult to manage the angular content of the blue light channel simultaneously, it requires most of the components of IIN and HBE to be switchable. In both cases, the DigiLens® remains a passive component.

本発明は、透明ビジュアルディスプレイの分野で多くの用途を有するが、最初に、1つの特定の用途、すなわち、拡張現実(AR)用途におけるヘルメットマウントディスプレイを考慮する。この場合の目的は、高い透明性、高い分解能、超コンパクトな(薄い)形状因子、軽量、および、十分な射出瞳という当初の目的の全てを達成しつつ、52°H×30°V単眼視野仕様を満たすことである。目標仕様が表1にまとめられている。

Figure 2019053289
The present invention has many applications in the field of transparent visual displays, but first considers a helmet mounted display in one particular application, namely augmented reality (AR) applications. The purpose in this case is a 52 ° H × 30 ° V monocular field of view while achieving all of the original goals of high transparency, high resolution, ultra-compact (thin) form factor, light weight, and sufficient exit pupil. Meet the specification. The target specifications are summarized in Table 1.
Figure 2019053289

ディスプレイの重要な構成要素が図3の概略的な三次元図および図4の側面図に示される。ディスプレイは、FOVを上側FOVタイルと下側FOVタイル(図面表示に参照数字1,2により示される)とに分ける。なお、ディジレンズの導波路基板およびHBE構成要素は、説明を簡単にするために示されていない。ディスプレイは、HWFを間に挟む2つの導波層から構成されるディジレンズ(登録商標)を備え、ディジレンズは、入力構成要素DIGI−Iと出力構成要素DIGI−Oとに分けられる。なお、SBGの幅広い矢状方向の角度帯域幅は、タイルを水平に張る必要性を排除する。入力格子HBE−Iおよび出力格子HBE−Oを備える2つの水平ビーム拡大器HBEがそれぞれ設けられる。HBE−O1からの拡大された出力光は、DIGI−I11を介して第1のディジレンズ導波路に入り、また、第2の導波路に関しても同様である。なお、図3および図4では、前記構成要素も数字130−145によって参照される。2つのIINが、上側FOVに関して1つ、および、下側FOVに関して1つ設けられる。各IINにおけるディスプレイパネルは、1080p 5mm×3mm LCoSデバイスである。両方のディスプレイパネルを照明するために1つのレーザモジュールが使用されてもよい。しかしながら、本発明は、使用されるべきマイクロディスプレイの数に何ら制限を加えない。十分に速いリフレッシュ速度と十分に高い分解能とを有する単一のマイクロディスプレイであれば、最も要求の厳しいディスプレイ用途を除く全てのディスプレイ用途において事足りそうである。   The important components of the display are shown in the schematic three-dimensional view of FIG. 3 and the side view of FIG. The display divides the FOV into upper FOV tiles and lower FOV tiles (indicated by reference numerals 1 and 2 in the drawing display). Note that the Digilens waveguide substrate and HBE components are not shown for the sake of simplicity. The display includes a DigiLens (registered trademark) composed of two waveguide layers sandwiching the HWF, and the DigiLens is divided into an input component DIGI-I and an output component DIGI-O. Note that the wide sagittal angular bandwidth of the SBG eliminates the need to tile the tiles horizontally. Two horizontal beam expanders HBE with an input grating HBE-I and an output grating HBE-O are respectively provided. The expanded output light from the HBE-O1 enters the first daisy lens waveguide via the DIGI-I11, and the same applies to the second waveguide. In FIGS. 3 and 4, the components are also referred to by numerals 130-145. Two IINs are provided, one for the upper FOV and one for the lower FOV. The display panel in each IIN is a 1080p 5 mm × 3 mm LCoS device. One laser module may be used to illuminate both display panels. However, the present invention does not limit the number of microdisplays to be used. A single microdisplay with a sufficiently fast refresh rate and a sufficiently high resolution would be sufficient for all display applications except the most demanding display applications.

DIGI−Iは、HBE−Oから投影される瞳出力点で全角度範囲にわたって高い入力結合効率を必要とするため、システムにおいて最も取り組みがいのある格子である。DIGI−I格子が切り換わり、それにより、HBE−Oにより2つのディジレンズ導波路へ出力される52°水平×30°垂直視野をサンプリングする。この格子が高い角度帯域幅と高いDEとを必要とすることが望ましい。DIGI−Iは、少なくとも15°を与えるためにそれぞれが8.5°角度帯域幅オーバーラップにわたって動作する2つのSBGを備える。DIGI−Iは、空気中で8.5°〜9.0°の角度帯域幅を伴うDE約87%の2つの3ミクロンSBGを使用する。−15°〜0°の垂直視野がDIGI−I1にて切り換えられ、また、0°〜+15°の垂直視野がDIGI−2へ切り換えられる。そのため、DIGI−I1が52°水平×−15°垂直を与え、また、DIGI−I2が52°水平×+15°垂直を与える。DIGI−Oにおける全ての格子は、受動的であり、したがって薄い格子となり得る。各対のうちの一方が赤に関するものであり、他方の対が青/緑に関するものである。下側15°を与えるDIGI−O1すなわち後側の格子、および、上側15°を与える前側の格子すなわちDIGI−O2は、全体で52°水平×30°垂直を与える。図4に示されるように、ディジレンズ(登録商標)は〜8−10°のすくい角で傾けられる。これは、画像光を単にディジレンズ(登録商標)へ垂直に投影するよりも良好なDEを与えるためにレイトレーシング解析から見出される。   DIGI-I is the most challenging grid in the system because it requires high input coupling efficiency over the entire angular range at the pupil output point projected from HBE-O. The DIGI-I grating switches, thereby sampling the 52 ° horizontal × 30 ° vertical field of view output to the two DigiLens waveguides by HBE-O. It is desirable that this grating requires a high angular bandwidth and a high DE. DIGI-I comprises two SBGs each operating over an 8.5 ° angular bandwidth overlap to provide at least 15 °. DIGI-I uses two 3 micron SBGs with a DE of about 87% with an angular bandwidth of 8.5 ° to 9.0 ° in air. The vertical field of view of -15 ° to 0 ° is switched by DIGI-I1, and the vertical field of view of 0 ° to + 15 ° is switched to DIGI-2. Therefore, DIGI-I1 gives 52 ° horizontal × −15 ° vertical, and DIGI-I2 gives 52 ° horizontal × + 15 ° vertical. All gratings in DIGI-O are passive and can therefore be thin gratings. One of each pair is for red and the other pair is for blue / green. The DIGI-O1 or rear grid giving the lower 15 ° and the front grid or DIGI-O2 giving the upper 15 ° gives a total of 52 ° horizontal × 30 ° vertical. As shown in FIG. 4, DigiLens® is tilted at a rake angle of ˜8-10 °. This is found from ray tracing analysis to give a better DE than simply projecting image light vertically onto a DigiLens.

画像形成プロセスにおけるIIN、HBE、および、ディジレンズ同士の間の相互作用を表わすフローチャートが図5に与えられる。回折光学素子が分散的であるため、複数の格子が組み合わされる場合には、格子によってもたらされる分散がキャンセルするようにそれらの格子を相補的態様で構成することが望ましい。相補性は、通常は、同じ格子ピッチ(すなわち、ブラッグ格子と基板との交差部の空間周波数が同一)を有するように格子を設計することによって達成される。なお、前述した実施形態では、HBE−I2およびHBE−O2が相補的となる必要がある。しかしながら、HBE−I1およびHBE−I2は相補的である必要はない。   A flow chart representing the interaction between IIN, HBE and DigiLens in the image forming process is given in FIG. Because the diffractive optical element is dispersive, it is desirable to configure the gratings in a complementary manner so that the dispersion caused by the gratings is canceled when multiple gratings are combined. Complementarity is typically achieved by designing the gratings to have the same grating pitch (ie, the spatial frequency at the intersection of the Bragg grating and the substrate is the same). In the above-described embodiment, HBE-I2 and HBE-O2 need to be complementary. However, HBE-I1 and HBE-I2 need not be complementary.

図6に示される1つの実施形態では、(DIGI−O格子と重なり合う)ディジレンズ導波路同士の間のHWFが除去され、ディジレンズDIGI−I入力格子間の空間内にHWDが挿入される。HWPによって残される空隙には、低屈折率ナノ多孔性材料が充填されてもよい。1/4波長膜(QWF)が前側および後側の導波路の対向面157,158に付けられ、その結果、各TIR跳ね返りが90°偏光回転をもたらし、それにより、約4倍薄い格子が可能になり、前側ディジレンズ(登録商標)と後側ディジレンズ(登録商標)との間の相互作用をなくすことができる。図7は、第1の導波路内の光線経路1010,1012,1014および1011,1013,1015により表わされる2つのディジレンズ導波路内の上側および下側のFOV光の伝搬を示す。また、図6および図7に示される構成要素も数字150〜159によって参照される。図8は、QWF層162の機能を更に詳しく示すディジレンズ導波路160のうちの1つの図である。HBE1020からの入力光は、DIGI−I格子161によってTIR経路1021へと偏向される。QWFコーティングに入射する1022などの光線は、それらの偏光がP偏光から第1の方向の円偏光へと変換される。反射時には、偏光は、円偏光のままであるが、反対方向であり、それにより、QWFを通過した後、2回目の光は、S偏光1023されて出現する。S光は、SBGによって回折されず、したがって、TIRを受け続ける。QWF膜での次の反射時に、光はP偏光1024へと変換され、このP偏光は、DIGI−Iに対してオフブラッグであり、そのため、元のHBEへ向けて回折されない。その後、ビームのTIRがDIGI−O格子へと進み、この格子では、前述した導波路からビームのTIRが漸進的に抽出される。   In one embodiment shown in FIG. 6, the HWF between the DigiLens waveguides (overlapping with the DIGI-O grating) is removed and the HWD is inserted into the space between the DigiLens DIGI-I input gratings. The void left by the HWP may be filled with a low refractive index nanoporous material. A quarter-wave film (QWF) is attached to the front and back waveguide facing surfaces 157, 158 so that each TIR bounce results in a 90 ° polarization rotation, thereby allowing a grating that is about four times thinner Thus, the interaction between the front DigiLens (registered trademark) and the rear DigiLens (registered trademark) can be eliminated. FIG. 7 shows the propagation of the upper and lower FOV light in the two DigiLens waveguides represented by the ray paths 1010, 1012, 1014 and 1011, 1013, 1015 in the first waveguide. The components shown in FIGS. 6 and 7 are also referred to by numerals 150-159. FIG. 8 is a diagram of one of the DigiLens waveguides 160 showing the function of the QWF layer 162 in more detail. Input light from the HBE 1020 is deflected to the TIR path 1021 by the DIGI-I grating 161. Rays such as 1022 incident on the QWF coating have their polarization converted from P-polarized light to circularly polarized light in a first direction. At the time of reflection, the polarized light remains circularly polarized, but in the opposite direction, so that after passing through the QWF, the second light appears as S-polarized light 1023. S light is not diffracted by the SBG and therefore continues to undergo TIR. At the next reflection at the QWF film, the light is converted to P-polarized light 1024, which is off Bragg relative to DIGI-I and therefore is not diffracted towards the original HBE. Thereafter, the TIR of the beam proceeds to the DIGI-O grating, where the TIR of the beam is gradually extracted from the waveguide described above.

1つの実施形態では、角度帯域幅を増大させるために、2つの積層されたDIGI−I格子が各ディジレンズ導波路に設けられてもよい。図9は、空気中で角度帯域幅8.5°(FWHM)の2つの格子を使用して空気中に約15°(FWHM)の上側および下側のFOVを形成するために個々のDE角度帯域幅を組み合わせる効果を示すチャートである。本発明の他の実施形態において、ディジレンズは、より多くの層、例えば各導波路内の2つのDIGI−I層と組み合わされる3つのDIGI−I層を備えることができる。なお、DIGI−I格子およびDIGI−O格子が同一平面上にある必要はない。しかしながら、製造に関しては、材料コストおよびプロセスステップを最小限に抑えるために、格子、基板、電極層、および、低屈折率材料層の数を制限することが有益である。   In one embodiment, two stacked DIGI-I gratings may be provided in each DigiLens waveguide to increase the angular bandwidth. FIG. 9 shows individual DE angles to form an upper and lower FOV of about 15 ° (FWHM) in air using two grids with an angular bandwidth of 8.5 ° (FWHM) in air. It is a chart which shows the effect which combines a bandwidth. In other embodiments of the present invention, the DigiLens can comprise more layers, for example three DIGI-I layers combined with two DIGI-I layers in each waveguide. The DIGI-I lattice and the DIGI-O lattice need not be on the same plane. However, for manufacturing, it is beneficial to limit the number of gratings, substrates, electrode layers, and low index material layers in order to minimize material costs and process steps.

図10は、ディジレンズ170に対するHBEを断面で示している。2つのHBE導波路171,172が存在し、各HBE導波路171,172は、3つの積層された格子(HBE−I1A〜CおよびHBE−I2A〜C)と、2つの損失性出力格子(HBE−O1A〜BおよびHBE−O2A〜B)とを備える。HBEはディジレンズ170に結合され、2つのIIN(IIN1およびIIN2)が設けられる。IINからディジレンズへの光の経路が光線1030,1031,1034および1032,1033,1035によって示される。なお、構成要素も数字170−183によって参照される。各LCoSは26°H×30°VのFOVを与える。各HBE−Iは、26°ハーフの水平視野を与えるために8.5°ABWステップでP偏光に作用する3つの格子を含む。30°視野は、矢状面内のABWの多大な増大に起因して、その全体が結合する。HBE−I SBGは、高いDEを可能にするが幅狭いABWを可能にする厚い格子である。2つのHBE−I実施選択肢、すなわち、第1に、より低いDE、より高いデューティサイクルのSBGを与える2つのHBE−I格子によりサンプリングされる26°H、または、第2に、3×8.5°角度帯域幅を与える3つのHBE−I格子によりサンプリングされる26°Hとが考慮される。これは、より高いDE、より低いデューティサイクルのSBGを与える。格子は、一般に、1〜2ミクロンの厚さを有して、損失性があり、そのため、格子の長さに沿って均一な効率をもって光が抽出される。損失性格子は、大きなABWと、低いDEとを有する。HBE−I1およびHBE−I2の格子が相補的(すなわち、色分散補正)である必要はない。HBE−I1およびHBE−O1(ならびにHBE−I2およびHBE−O2)の格子は相補的となる必要がある。受動HBE−Iでは、より高い角度帯域幅を得るために、単一の切り換えられた格子が薄い必要がある。現在の材料を用いると、現在の材料では約30%ピークDEであり、また、60%が、予期される材料改善が得られる得る範囲内である。切り換えHBE−Iの場合には、角度帯域幅が減少した更に厚い格子を得ることができる。現在の材料の屈折率変調を用いると、格子厚さが1.4ミクロンから2.0ミクロンへと増大されるため、角度帯域幅がほぼ半分になり、DEが倍になる。薄いSBGおよび厚いSBGの典型的なDE特性およびABW特性が図11の表にまとめられている。   FIG. 10 shows the HBE for the DigiLens 170 in cross section. There are two HBE waveguides 171, 172, each HBE waveguide 171, 172 having three stacked gratings (HBE-I1A-C and HBE-I2A-C) and two lossy output gratings (HBE). -O1A-B and HBE-O2A-B). The HBE is coupled to the DigiLens 170 and two IINs (IIN1 and IIN2) are provided. The path of light from the IIN to the DigiLens is indicated by light rays 1030, 1031, 1034 and 1032, 1033, 1035. Components are also referenced by the numbers 170-183. Each LCoS gives an FOV of 26 ° H × 30 ° V. Each HBE-I includes three gratings that act on P-polarized light in 8.5 ° ABW steps to give a 26 ° half horizontal field of view. The 30 ° field of view is combined in its entirety due to the great increase in ABW in the sagittal plane. HBE-I SBG is a thick grid that allows high DE but narrow ABW. Two HBE-I implementation options: firstly lower DE, 26 ° H sampled by two HBE-I gratings giving higher duty cycle SBG, or secondly 3 × 8. Consider 26 ° H sampled by three HBE-I gratings giving a 5 ° angular bandwidth. This gives a higher DE, lower duty cycle SBG. The grating generally has a thickness of 1-2 microns and is lossy so that light is extracted with uniform efficiency along the length of the grating. The lossy grating has a large ABW and a low DE. The lattices of HBE-I1 and HBE-I2 need not be complementary (ie, chromatic dispersion correction). The lattices of HBE-I1 and HBE-O1 (and HBE-I2 and HBE-O2) need to be complementary. In passive HBE-I, a single switched grating needs to be thin to obtain a higher angular bandwidth. With current materials, the current material has a peak DE of about 30% and 60% is within the range where the expected material improvement can be obtained. In the case of switched HBE-I, a thicker grating with a reduced angular bandwidth can be obtained. Using current material refractive index modulation, the grating thickness is increased from 1.4 microns to 2.0 microns, so the angular bandwidth is almost halved and the DE is doubled. The typical DE and ABW characteristics for thin and thick SBGs are summarized in the table of FIG.

図12および図13は、画像光を一方(左眼)のIINから±15°垂直視野および0°〜26°水平視野を与えるアイボックスへ投影するプロセスの段階的な説明を与える。構成要素は、図3および図4に示される構成要素と同一である。図12Aは、LCoSパネルからIINの出力までの経路1040を示す。図12Bは、一方の導波路内のTIR経路1042およびその長さに沿う光抽出1043を表わすHBEを貫く光経路を示す。図13Aは、HBEから(DIGI−Iを介して)ディジレンズへと抽出される光1044の結合を示す。最後に、図13Bは、ディジレンズにおける光1045の下方伝搬を示し、この場合、出力される画像光1046はFOVの下側半分を与える。   12 and 13 provide a step-by-step description of the process of projecting image light from one (left eye) IIN to an eyebox that provides ± 15 ° vertical field of view and 0 ° -26 ° horizontal field of view. The components are the same as those shown in FIGS. FIG. 12A shows a path 1040 from the LCoS panel to the output of the IIN. FIG. 12B shows the light path through the HBE representing the TIR path 1042 in one waveguide and the light extraction 1043 along its length. FIG. 13A shows the coupling of light 1044 extracted from HBE (via DIGI-I) to the DigiLens. Finally, FIG. 13B shows the downward propagation of light 1045 in the digi lens, where the output image light 1046 provides the lower half of the FOV.

図14A〜図14Cは、HMD190で実施される前述した本発明の3つの3D図を示す。3つの異なる斜視図191〜193が示される。ディスプレイモジュールは水平ヒンジ194を含む。配備位置において、ユーザは、高い透明性をもって全景にわたり透けて見える。格納位置において、ユーザは、距離計、暗視システム、または、他のそのような機器を自由に使用できる。図示のように、眼鏡着用者が受け入れられ、デザインもポラロイド(登録商標)アイウェアの使用を受け入れることができる。別の実施形態では、簡単なディスプレイ引き込み機構により、ディスプレイを不使用時にヘルメットの額の下のコンパクトモジュール内に隠すことができる。本発明の更なる他の実施形態において、ディスプレイは、不使用時に、ヘルメット内へ垂直に引き込まれる。現在好ましい実施は特注のヘルメットを使用し、このヘルメットは、供給光ファイバ通信リンクおよび給電接続を介してベルトパックに連結される。トレーニング用途では、ベルトパックがトレーニングセンターに無線でつながれる。   14A-14C show three 3D views of the above-described invention as implemented in HMD 190. FIG. Three different perspective views 191-193 are shown. The display module includes a horizontal hinge 194. In the deployed position, the user can see through the entire view with high transparency. In the storage position, the user is free to use a distance meter, night vision system, or other such equipment. As shown, the spectacle wearer is accepted and the design can also accept the use of Polaroid® eyewear. In another embodiment, a simple display pull-in mechanism can hide the display in a compact module under the helmet forehead when not in use. In yet another embodiment of the invention, the display is pulled vertically into the helmet when not in use. The presently preferred implementation uses a custom helmet, which is coupled to the belt pack via a feed fiber optic communication link and a feed connection. For training applications, the belt pack is connected wirelessly to the training center.

光学設計の重要な特徴は、HBEおよびディジレンズの一方または両方で使用される格子が、図15に示されるように伝搬方向に沿って格子の厚さを変えることにより得られる仕立てられたDEプロファイルを有する点である。楔形格子203は、格子基板201に小さい楔を含めることによって設けられる。第2の基板202は長方形であってもよい。楔格子を得る他の方法は、光学の当業者に明らかである。2つの積層された格子が使用される場合には、2つの格子のDEプロファイルが反対方向に延びる。望ましくは、格子厚さが1.0〜1.2ミクロンから最大で2.8〜3.0ミクロンまで変化してもよく、下側の厚さは、所定の出力方向1053において最も大きい帯域幅と最も低いDEとをもたらす。より高い厚さは、所定の出力方向1051において最も低い帯域幅1050と更に高いDEとをもたらす。なお、楔角度は、非常に小さく、照明均一性および画質に対して最小限の影響しか与えない。   An important feature of the optical design is that the grating used in one or both of the HBE and DigiLens is a tailored DE profile obtained by varying the grating thickness along the propagation direction as shown in FIG. It is a point which has. The wedge-shaped lattice 203 is provided by including a small wedge in the lattice substrate 201. The second substrate 202 may be rectangular. Other ways of obtaining a wedge grating will be apparent to those skilled in the art of optics. If two stacked gratings are used, the DE profiles of the two gratings extend in opposite directions. Desirably, the grating thickness may vary from 1.0-1.2 microns up to 2.8-3.0 microns, with the lower thickness being the largest bandwidth in a given output direction 1053 And the lowest DE. A higher thickness results in the lowest bandwidth 1050 and higher DE in a given output direction 1051. Note that the wedge angle is very small and has minimal impact on illumination uniformity and image quality.

約1.585の屈折率は、TIR表面に対する一般に70°以下の導波路TIR角度をサポートするために必要とされる。一般に、導波路内での更に高い角度の使用を制限して、導波路内に隙間をもたらすアウトカップリング格子と光束との相互作用の低下を回避することが望ましい。より高い角度(約85°)は、格子が非常に高い角度帯域幅を与えるように形成される場合に画像折り重なりをもたらし得る。ポリカーボネートは、最大で約72°のTIR角度を可能にする。   A refractive index of about 1.585 is required to support a waveguide TIR angle of generally less than 70 ° relative to the TIR surface. In general, it is desirable to limit the use of higher angles in the waveguide to avoid a reduction in the interaction between the outcoupling grating and the light flux, which creates gaps in the waveguide. Higher angles (about 85 °) can lead to image folding when the grating is formed to give a very high angular bandwidth. Polycarbonate allows a TIR angle of up to about 72 °.

ほとんど受動的な格子構成要素を用いて白黒ディスプレイを達成できるが、フルカラーディスプレイの場合には、HBE−IおよびHBE−Oならびにディジレンズ入力格子DIGI−Iがアクティブであり、その場合、唯一の受動格子が出力格子DIGI−Oである。白黒HMDとカラーHMDとの間の更なる違いは、後者において、赤波長および青/緑波長をカバーするために別個の導波路がHBEで使用される点である。図16は、2つのディジレンズダブレット導波路を備えるカラーディスプレイに関する本発明の一実施形態で使用されるディジレンズを示す。各ダブレット導波路は、図6および図7の実施形態に類似する。しかしながら、各ディジレンズ導波路ダブレットにおいては、導波路のうちの一方が赤色光に作用し、第2の導波路が青色光と緑色光との混合に作用する。なお、各ダブレットにおいて、赤格子は、B/G格子の後、すなわち、眼に近接して配置される。入力ディジレンズ格子および出力ディジレンズ格子は、赤ダブレットの場合にはDIGI−IRおよびDIGI−ORにより表わされ、また、青/緑ダブレットの場合にはDIGI−IB/GおよびDIGI−OB/Gによって表わされる。導波路の出力格子部分はHWFを間に挟む。入力格子部分は、図示のように空隙を間に挟んでもよく、あるいは、好ましくは低屈折率材料を間に挟んでもよい。QWFは、各ダブレットにおける導波路の対向面に適用されてもよい。構成要素には数字210〜227も付される。赤導波路および青/緑導波路は、空気または図示しないが後述するメソ多孔質シリカなどの低屈折率(ほぼ1)材料によって光学的に分離される。HWFは、後側の出力をPからSへと変換する。SBG格子はP感度が良いため、これが前方の格子と光との再結合を防止する。すくい角(8°〜10°)は、より高い角度帯域幅を与えるとともに、青/緑格子の共用を可能にするより低い色分散を与える。ほとんどの場合、カラー画像は、高屈折率基板と、青TIR角度範囲を大きくするための特別なコーティングとを必要とし得る。   Black and white displays can be achieved with almost passive grating components, but for full color displays, HBE-I and HBE-O and DigiLens input grating DIGI-I are active, in which case the only passive The grid is the output grid DIGI-O. A further difference between black and white HMDs and color HMDs is that in the latter, separate waveguides are used in HBE to cover the red and blue / green wavelengths. FIG. 16 shows a DigiLens used in one embodiment of the present invention for a color display with two DigiLens doublet waveguides. Each doublet waveguide is similar to the embodiment of FIGS. However, in each DigiLens waveguide doublet, one of the waveguides acts on the red light and the second waveguide acts on the mixture of blue light and green light. In each doublet, the red lattice is arranged after the B / G lattice, that is, close to the eye. The input and output DigiLens gratings are represented by DIGI-IR and DIGI-OR for red doublets and DIGI-IB / G and DIGI-OB / G for blue / green doublets. Is represented by The output grating portion of the waveguide sandwiches the HWF. The input grating portion may have a gap in between as shown, or preferably a low refractive index material in between. QWF may be applied to the opposing surface of the waveguide in each doublet. The components are also numbered 210-227. The red waveguide and the blue / green waveguide are optically separated by air or a low refractive index (approximately 1) material such as mesoporous silica (not shown), which will be described later. The HWF converts the rear output from P to S. Since the SBG grating has good P sensitivity, this prevents recombination of the front grating and light. The rake angle (8 ° -10 °) gives a higher angular bandwidth and a lower chromatic dispersion that allows sharing of the blue / green lattice. In most cases, color images may require a high index substrate and a special coating to increase the blue TIR angle range.

赤色光のための光線経路が光線1071,1073,1075によって示される。青/緑色光のための光線経路が光線1070,1072,1074によって示される。図面に示されるように、この光の一部は、第2の導波路ダブレットへと、すなわち、1076,1078(青/緑)および1077,1079(赤)により示される光経路へと結合する。我々のHMD構造では、後側の導波路から回折される光が上層に入る光と相互作用して元の導波路へと結合するリスクが回避される。赤格子および青/緑格子は、偏光管理に起因して交差結合しない。各カラーチャネルはそれ自体と交差結合し得る。しかしながら、これは、前方の格子で生じるTIRと、アウトカップリングが正しい出力方向にあるようにする相互依存とによって軽減される。千鳥状の経路に起因する前後のアウトカップリングされたビームのオフセットは、出力光を均一化するのに役立つ。元のディジレンズ(登録商標)へ再結合される光のスループットへの影響は無視できるほど小さい。格子結合からの免除を与えるために、パッシンブ導波路積層体の1つの層にHWPが導入され得る。1/2波長遅延層が後側の出力光をPからSへと変換する。SBG格子はP感度のみが良いため、これが前方の格子と光との再結合を防止する。10°のすくい角は、より高いABWおよびより低い色分散が得られる格子処方に関する要求を軽減する。これは、青/緑格子の共用を可能にする。しかしながら、本発明のほとんどの実施形態では、赤が別個の格子を必要としてもよい。   The ray path for red light is indicated by rays 1071, 1073, 1075. The ray path for blue / green light is indicated by rays 1070, 1072, 1074. As shown in the drawing, a portion of this light couples into the second waveguide doublet, ie, the optical path indicated by 1076, 1078 (blue / green) and 1077, 1079 (red). In our HMD structure, the risk that light diffracted from the rear waveguide interacts with light entering the upper layer and couples back into the original waveguide is avoided. The red and blue / green gratings do not cross-couple due to polarization management. Each color channel may cross-couple with itself. However, this is mitigated by the TIR occurring in the forward grating and the interdependence that ensures that the outcoupling is in the correct output direction. The front and back outcoupled beam offset due to the staggered path helps to uniform the output light. The impact on the throughput of the light that is recombined into the original DigiLens® is negligible. To provide an exemption from lattice coupling, HWP can be introduced into one layer of the passive waveguide stack. The ½ wavelength delay layer converts the output light on the rear side from P to S. Since the SBG grating only has P sensitivity, this prevents recombination of the front grating with light. A 10 ° rake angle alleviates the requirement for a grid formulation that results in higher ABW and lower chromatic dispersion. This allows sharing of the blue / green grid. However, in most embodiments of the invention, red may require a separate grid.

図17のグラフは、各光子ごとの計算されたDEと角度との間の関係、および、元のTIRへ結合される光を引いた層における出力DEを示す。この光が再び戻って出て結合されないと仮定する。単一の相互作用結合損失を含む格子の複合出力が円形記号により表わされる。なお、ピークDEプロファイルの2*1/eオフセットを伴って、前側格子への後側格子の再結合効果を考慮すると、単一の格子のFWHMにおける効果的な倍増が得られる。再結合された光の二次的な出力結合により、プロファイルは、損失がない複合格子プロファイルへと近づく(三角形記号)。   The graph of FIG. 17 shows the relationship between the calculated DE and angle for each photon, and the output DE in the subtracted layer coupled to the original TIR. Assume that this light returns again and is not coupled. The composite output of a lattice containing a single interaction coupling loss is represented by a circular symbol. Note that an effective doubling in the FWHM of a single grating is obtained when considering the recombination effect of the back grating to the front grating with a 2 * 1 / e offset of the peak DE profile. Due to the secondary output coupling of the recombined light, the profile approaches a lossless composite grating profile (triangle symbol).

図18は、カラー画像における本発明の更なる実施形態を示す。ディジレンズは、2つの分離された単色ダブレット導波路230,231、すなわち、赤用の単色ダブレット導波路(DIGI−O1A,DIGI−O1B)および青−緑用の単色ダブレット導波路(DIGI−O2A,DIGI−O2B)を備える。入力SBG(DIGI1A〜1D,DIGI2A〜2D)は、A〜Dにより示される4つの単色の赤格子または青−緑格子の積層体を備える。全ての他の点で、構造は図16の実施形態に非常に類似する。HWFおよびQWFは図16と同様に配置される。ダブレットは、空気分離されてもよく、あるいは、低屈折率材料を間に挟んでもよい。構成要素には数字230〜246も付される。   FIG. 18 shows a further embodiment of the invention in a color image. The DigiLens are divided into two separate monochromatic doublet waveguides 230, 231: a monochromatic doublet waveguide for red (DIGI-O1A, DIGI-O1B) and a monochromatic doublet waveguide for blue-green (DIGI-O2A, DIGI-O2B). The input SBG (DIGI 1A to 1D, DIGI 2A to 2D) comprises a stack of four monochromatic red or blue-green lattices indicated by AD. In all other respects, the structure is very similar to the embodiment of FIG. HWF and QWF are arranged similarly to FIG. The doublet may be air separated or may have a low refractive index material in between. Components 230 are also numbered 230-246.

図19に示される図1の実施形態に類似する本発明の別の実施形態において、各ディジレンズ導波路は、赤、緑、および、青のTIRをサポートする単一のSBG層を備える。IINを発端として、経路が、第1の導波路250において数字1080,1082,1083により示されるとともに、第2の導波路において数字1081,1084,1085により示される。いずれの場合にも、赤経路、緑経路、および、青経路は、文字R,G,Bによって参照される。システム構成要素は、図1と同様の表示が付されるとともに、図19では更に数字250〜258により参照される。言うまでもなく、本発明のそのような実施は、3つの色に関する回折光経路が正確に重なり合うようにするためにTIR角度の注意深い制御を必要とする。本発明者らは、スペクトルの青端で反射を高めるために更なるコーティングが必要とされてもよいことを見出した。図19の別の実施形態では、DIGI−O格子が多重格子として実施され得る。   In another embodiment of the present invention similar to the embodiment of FIG. 1 shown in FIG. 19, each DigiLens waveguide comprises a single SBG layer that supports red, green, and blue TIRs. Starting from IIN, the path is indicated by the numbers 1080, 1082, 1083 in the first waveguide 250 and by the numbers 1081, 1084, 1085 in the second waveguide. In any case, the red path, the green path, and the blue path are referred to by the letters R, G, and B. System components are labeled as in FIG. 1 and are further referenced by numerals 250-258 in FIG. Needless to say, such an implementation of the present invention requires careful control of the TIR angle to ensure that the diffracted light paths for the three colors overlap exactly. We have found that additional coatings may be required to enhance reflection at the blue end of the spectrum. In another embodiment of FIG. 19, the DIGI-O grating can be implemented as a multi-grating.

本発明と共に使用するIIN構造が図20に示される。光学系は、重なり合うSBG要素261,262、重なり合うSBG要素263,264、ビームスプリッタ層265、湾曲ミラー266、プリズム267、投影レンズ268、および、マイクロディスプレイパネル269を含む導波路260を備える。湾曲ミラー要素間の空隙270は、反射光のTIRを可能にするために設けられる。図示のように、別個のSBG入力格子および出力格子が各画像領域ごとに設けられる。導波路260および格子263,264は、特に、HBEの入力格子を形成してもよい。あるいは、導波路260は、HBEの入力格子へ光を結合するために使用されてもよい。言うまでもなく、IINは、空間、コスト、および、光学効率の制約を満たすように多くの異なる方法で構成されてもよい。図示の実施形態では、マイクロディスプレイからの画像の半分がHBEへと連続的に画像化される。そのため、図20Aでは、格子261,264がそれらのアクティブ状態にあり、また、他の格子が非アクティブである。画像部分1090からの光は、投影レンズによって経路1091へと投影される。その後、その光は、プリズムにより光線経路1092へと反射されて、湾曲ミラー266で経路1093へと反射されるとともに、格子261により経路1094へと回折されて、経路1095内へとTIRを受け、格子264により導波路から回折されて出る。図20Bは、第2の画像領域1097からの光経路を示す。ここで、格子261,264がそれらの非アクティブ状態へと切り換えられ、また、格子262,263がそれらのアクティブ状態へと切り換えられる。マイクロディスプレイからの経路が1098〜1104により示される。本発明の幾つかの実施形態では、IINが画像全体をHBEへと結合する。しかしながら、入力画像を2つに分割すると、導波路経路への画像のより最適な結合を行うことができる。以下でも、議論が白黒実施だけを考慮する。本発明者らによる最初の設計計算は、基本的な手法が音であることを示し、これは、投影瞳(20mm、格子結合点の前方)、テレセントリシティ、再画像化絞り、2%未満の幾何学的歪みなどの特徴を含みつつ、コンパクトな構造形態で視野にわたってほぼ回折制限性能を満たす。IINの白黒実施のための設計波長は532nmである。分解能は、1080pLCoSに垂直に適合される(LCoSピクセルピッチ:2.8ミクロン;ナイキスト周波数178lp/mm)。なお、設計の特徴は、格子相互依存性を損なうことなくIIN/HBEを眼と同じ導波路の側に位置づけることができるという点である。   The IIN structure for use with the present invention is shown in FIG. The optical system includes waveguides 260 including overlapping SBG elements 261, 262, overlapping SBG elements 263, 264, beam splitter layer 265, curved mirror 266, prism 267, projection lens 268, and microdisplay panel 269. An air gap 270 between the curved mirror elements is provided to allow TIR of the reflected light. As shown, separate SBG input and output grids are provided for each image region. The waveguide 260 and the gratings 263 and 264 may in particular form an HBE input grating. Alternatively, the waveguide 260 may be used to couple light to the input grating of the HBE. Of course, the IIN may be configured in many different ways to meet space, cost, and optical efficiency constraints. In the illustrated embodiment, half of the image from the microdisplay is continuously imaged into HBE. Thus, in FIG. 20A, the gratings 261, 264 are in their active state and the other gratings are inactive. Light from the image portion 1090 is projected onto the path 1091 by the projection lens. Thereafter, the light is reflected by the prism to the light path 1092, reflected by the curved mirror 266 to the path 1093, diffracted by the grating 261 to the path 1094, and subjected to TIR into the path 1095. It is diffracted out of the waveguide by the grating 264. FIG. 20B shows the light path from the second image region 1097. Here, the grids 261, 264 are switched to their inactive state, and the grids 262, 263 are switched to their active state. The path from the microdisplay is indicated by 1098-1104. In some embodiments of the invention, IIN combines the entire image into HBE. However, splitting the input image in two allows more optimal coupling of the image to the waveguide path. In the following, the discussion only considers black and white implementation. Initial design calculations by the inventors show that the basic approach is sound, which is the projection pupil (20 mm, in front of the grid junction), telecentricity, re-imaging aperture, less than 2% While satisfying features such as the geometric distortion of the image, the diffraction limiting performance is almost satisfied over the field of view with a compact structure. The design wavelength for IIN black and white implementation is 532 nm. The resolution is adapted vertically to 1080pLCoS (LCoS pixel pitch: 2.8 microns; Nyquist frequency 178 lp / mm). Note that the design feature is that the IIN / HBE can be positioned on the same waveguide side as the eye without compromising the lattice interdependency.

光は、26°H×30°VのFOVを与えるために各LCoSからF/2.8(焦点距離:5.65mm)で投影される。光は、0°〜+26°の角度でHBE−I格子に入る。IINは13°の角度で傾けられる。典型的な0°(入力)/52°(ガラス中)格子においては、この角度増大により、角度帯域幅が約20%だけ増大される。なお、図13の赤色光線は、HBE−Iに0°で衝突して、TIRへと回折する。緑色光線は約26°/nでSBGに衝突し、この場合、屈折率nは1.592(ポリカーボネート)である。なお、ポリカーボネートに非常に類似する屈折率を有するS−BAL25ガラスを試作品製造のために使用できる。設計を二色および三色にまで拡張させることができる。最初の結果は、基本的な手法が音であることを示し、これは、投影瞳(20mm、格子結合点の前方)、テレセントリシティ、再画像化停止、2%未満の幾何学的歪みなどの特徴を含みつつ、コンパクトな構造形態で視野にわたってほぼ回折制限性能を満たす。設計波長は532nmである。分解能は、1080pLCoSに垂直に適合される(LCoSピクセルピッチ:2.8ミクロン;ナイキスト周波数178lp/mm)。IINにおける予備的な仕様が表2に与えられる。

Figure 2019053289
Light is projected from each LCoS at F / 2.8 (focal length: 5.65 mm) to give a 26 ° H × 30 ° V FOV. Light enters the HBE-I grating at an angle of 0 ° to + 26 °. The IIN is tilted at an angle of 13 °. In a typical 0 ° (input) / 52 ° (in glass) grid, this angular increase increases the angular bandwidth by about 20%. Note that the red ray in FIG. 13 collides with HBE-I at 0 ° and is diffracted into TIR. The green light beam strikes the SBG at about 26 ° / n, where the refractive index n is 1.592 (polycarbonate). It should be noted that S-BAL25 glass having a refractive index very similar to polycarbonate can be used for prototype production. The design can be extended to two and three colors. Initial results show that the basic approach is sound, which is the projection pupil (20mm, in front of the grid junction), telecentricity, re-imaging stop, less than 2% geometric distortion, etc. The diffraction limiting performance is almost satisfied over the field of view with a compact structure. The design wavelength is 532 nm. The resolution is adapted vertically to 1080pLCoS (LCoS pixel pitch: 2.8 microns; Nyquist frequency 178 lp / mm). A preliminary specification in IIN is given in Table 2.
Figure 2019053289

1つの実施形態では、投影光学素子に硬質な物理的絞りが存在しないが、代わりに、投影絞りが設けられる。投影絞りの利点は、導波路厚さの減少である。1つの実施形態において、絞りは、導波路内の開口直径を最小にするためにHBEの上方へと中ほどに投影され、そのため、ディジレンズ導波路カプラの開口幅が最小限に抑えられる。   In one embodiment, there is no hard physical stop in the projection optic, but instead a projection stop is provided. The advantage of the projection stop is a reduction in waveguide thickness. In one embodiment, the stop is projected midway above the HBE to minimize the aperture diameter in the waveguide, so that the aperture width of the DigiLens waveguide coupler is minimized.

1つの実施形態において、SBG層の下側の段階的反射プロファイルは、ディジレンズ導波路の長さに沿う格子DE変化を制御する(あるいは助ける)ために使用される。これは、通常は、屈折率変調を使用してSBG格子で達成される。これは、低い割合の光が第1の跳ね返りでアウトカップリングされるが高い割合が導波路の他端でアウトカップリングされる場合には、HBEに利点を与え得る。   In one embodiment, the stepped reflection profile below the SBG layer is used to control (or help) the grating DE change along the length of the DigiLens waveguide. This is usually achieved with an SBG grating using refractive index modulation. This can benefit HBE when a low percentage of light is out-coupled at the first bounce but a high percentage is out-coupled at the other end of the waveguide.

IIN構造の体積は現在は20×40立方ミリメートルである。しかしながら、図面を考慮すれば明らかなように、IIN構造の全体積を減少させるための多くの異なる方法が存在する。例えば、バードバスミラーおよび投影レンズ系などの構造の屈折要素を回折光学素子と置き換えることができる。マイクロディスプレイの前方にSBG導波路を導入することにより、マイクロディスプレイを照明して、回転されて反射された偏光が湾曲ミラーへ向けて前記導波路を通じて進むことができるようにするための偏光格子ビームスプリッタを設けることができる。   The volume of the IIN structure is currently 20 × 40 cubic millimeters. However, there are many different ways to reduce the total volume of the IIN structure, as will be apparent when considering the drawings. For example, refractive elements with structures such as bird bath mirrors and projection lens systems can be replaced with diffractive optical elements. A polarization grating beam for illuminating the microdisplay by introducing an SBG waveguide in front of the microdisplay so that the rotated and reflected polarized light can travel through the waveguide towards the curved mirror A splitter can be provided.

図21および図22に示される1つの実施形態において、HBE281は、その入力端に結合格子283(例えば、先の実施形態のHBE−I)を備えるとともに、一般に45°で傾けられる2つの異なる処方284,285の交互SBG縞を備える出力格子(例えば、HBE−O)を備える。縞が等間隔で示されるが、それらのサイズおよび間隔は、より良好な照明および画像サンプリング制御のために変えられてもよい。しかしながら、縞を非常に狭くすると、システムMTFが低下する場合がある。一般に、縞の幾何学的形態は、注意深い最適化を必要とする場合がある。図22は、DIGI−I288およびDIGI−O289を備えるディジレンズ287とIIN286とを有するディスプレイに組み込まれるHBEを示す。IINからの光線経路が1105〜1110により示され、その場合、HBEおよびDIGI−OにおけるTIR経路が1107,1109により示される。ディジレンズ(DIGI−I)へと結合されるHBEの出力光が1108により示される。DIGI−Oからのディスプレイからの出力光が1110により示される。   In one embodiment shown in FIGS. 21 and 22, the HBE 281 is provided with a coupling grating 283 at its input end (eg, HBE-I of the previous embodiment) and is typically two different formulations that are tilted at 45 °. An output grid (e.g., HBE-O) with 284,285 alternating SBG stripes is provided. Although fringes are shown equally spaced, their size and spacing may be varied for better illumination and image sampling control. However, making the fringes very narrow can reduce the system MTF. In general, the stripe geometry may require careful optimization. FIG. 22 shows an HBE incorporated into a display having a DigiLens 287 with DIGI-I288 and DIGI-O289 and an IIN286. The ray paths from IIN are indicated by 1105-1110, in which case the TIR paths in HBE and DIGI-O are indicated by 1107, 1109. The HBE output light coupled to the DigiLens (DIGI-I) is indicated by 1108. Output light from the display from DIGI-O is indicated by 1110.

図80は、他の実施形態の透明導波路ディスプレイを与える。導波路8001のこの実施形態において、入力格子8003および出力格子8002のうちの少なくとも一方の屈折率変調の大きさは、x方向に沿って少量だけ変化する。この実施形態において、入力格子および出力格子のピッチは、相互依存性要件を満たすために同一でなければならない。屈折率変調がz方向で変えられてもよい。1つの事例では、この実施形態の構造が出力光均一性を制御するのに役立ち得る。この実施形態で説明される原理は、水平ビーム拡大器および垂直ビーム拡大器に適用されてもよい。1つの事例では、切り換え可能な格子が使用される場合には、屈折率変調が入力画像内容の時間的変化に適合するように時間的に変化されてもよい。   FIG. 80 provides another embodiment of a transparent waveguide display. In this embodiment of waveguide 8001, the magnitude of the refractive index modulation of at least one of input grating 8003 and output grating 8002 varies by a small amount along the x direction. In this embodiment, the pitch of the input and output grids must be the same to meet the interdependency requirements. The refractive index modulation may be changed in the z direction. In one case, the structure of this embodiment can help control the output light uniformity. The principles described in this embodiment may be applied to horizontal and vertical beam expanders. In one case, if a switchable grating is used, the refractive index modulation may be changed in time to match the time change of the input image content.

本発明の任意の実施形態において、効率的な導波は、TIRビームが低屈折率媒体間に閉じ込められることを必要としてもよい。フッ化マグネシウム(1.46)や二酸化ケイ素(1.39)などの現在利用できる低屈折率材料の屈折率があまりにも高すぎてHMDのフルカラー実施で必要とされる厳格なTIR角度制約を満たすことができない状態では、空隙を形成して維持することが難しい。提案された解決策は、ナノ多孔性材料(メソ多孔性シリコン)を使用することである。ナノ多孔性材料(例えば、メソ多孔性シリコン)は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波路を含む多くの光学的用途で使用されている。それらの高い多孔性は、高品質で低い誘電定数の薄膜の形成を可能にする。ナノ多孔性材料は、単一のステップで薄層状に形成され得る。非常に低いほぼ1の屈折率を得るために、多孔性を非常に高くして95%に近づける必要である。高い透明性および低い屈折率は、これらの膜と同時に達成できる。それらの膜は、非常に効率的に吸水するため、水分に抗して注意深くシールされなければならない。最良の手法は、受動格子、HWP、および、材料を一緒にシールすることであってもよい。SBG研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、40°〜約45°の水平FOVを増大させる可能性をもって我々の導波路で維持され得るTIR角度の範囲を増大する。ナノ多孔性材料は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波路を含む多くの光学的用途で使用されている。したがって、我々のプロジェクトのために技術を利用しやすいと想定することは道理にかなっている。製造プロセスは、望まれる仕様へと変換可能でなければならない。ナノ多孔性材料を単一のコーティングステップで形成できる。あるいは、屈折率が段階的な多層構造を使用できる。SBG研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、我々の導波路で維持され得るTIR角度の範囲を増大する。要約すると、主な利点は、より大きな機械的安定性および耐久性と、より高いFOVをもたらす更に良好なビーム閉じ込めとを与えるモノリシック構造である。
自動車のHUDのための実施形態
In any embodiment of the invention, efficient guiding may require the TIR beam to be confined between low index media. Currently available low refractive index materials such as magnesium fluoride (1.46) and silicon dioxide (1.39) are too high in refractive index to meet the strict TIR angle constraints required for full color implementation of HMD. If this is not possible, it is difficult to form and maintain voids. The proposed solution is to use a nanoporous material (mesoporous silicon). Nanoporous materials (eg, mesoporous silicon) are currently used in many optical applications, including antireflective coatings and planar optical waveguides. Their high porosity allows the formation of high quality and low dielectric constant thin films. Nanoporous materials can be formed into thin layers in a single step. In order to obtain a very low refractive index of approximately unity, the porosity needs to be very high and close to 95%. High transparency and low refractive index can be achieved simultaneously with these films. These membranes absorb water very efficiently and must be carefully sealed against moisture. The best approach may be to seal the passive grating, HWP, and material together. The SBG laboratory is also studying the potential role of nanoporous materials as high refractive index media. This increases the range of TIR angles that can be maintained in our waveguides with the potential to increase the horizontal FOV from 40 ° to about 45 °. Nanoporous materials are currently used in many optical applications including antireflective coatings and planar optical waveguides. Therefore, it makes sense to assume that the technology is accessible for our project. The manufacturing process must be convertible to the desired specification. Nanoporous materials can be formed in a single coating step. Alternatively, a multilayer structure with a stepped refractive index can be used. The SBG laboratory is also studying the potential role of nanoporous materials as high refractive index media. This increases the range of TIR angles that can be maintained in our waveguide. In summary, the main advantage is a monolithic structure that provides greater mechanical stability and durability and better beam confinement resulting in higher FOV.
Embodiment for automotive HUD

既に論じたように、本発明は、多くの異なる用途で使用されてもよい。本発明の幾つかの実施形態は特に自動車のHUDに向けられており、これについては以下の段落で論じる。   As already discussed, the present invention may be used in many different applications. Some embodiments of the present invention are specifically directed to automotive HUDs, which are discussed in the following paragraphs.

図23は、ドライバ301および搭乗者302のためのディジレンズ導波路を組み込む複数の射出瞳を有するカーHUD300の概略側面図である。ディスプレイは、前述した実施形態のうちのいずれかに基づいてもよい。ディジレンズ要素が共有の導波路構造内に組み込まれ、この場合、前述したように入力画像がIIN303により生成される。ドライバ射出瞳へと向かう光線経路が光線1110〜1113により示され、この場合、瞳が1113により示される。搭乗者射出瞳へと向かう光線経路が光線1114〜1116により示され、この場合、瞳が1117により示される。   FIG. 23 is a schematic side view of a car HUD 300 having multiple exit pupils that incorporate DigiLens waveguides for driver 301 and occupant 302. The display may be based on any of the embodiments described above. Digilens elements are incorporated into the shared waveguide structure, in which case the input image is generated by the IIN 303 as described above. The ray path toward the driver exit pupil is indicated by rays 1110-1113, in which case the pupil is indicated by 1113. The ray path toward the occupant exit pupil is indicated by rays 1114-1116, in which case the pupil is indicated by 1117.

図25は、図23の実施形態に類似する本発明の実施形態を示す概略側面図であり、ドライバディスプレイの射出瞳は、隣接する射出瞳1120,1121を与えるために複数の重なり合うディジレンズ要素305,306を使用してタイルが張られる。瞳へと向かう光線経路が1118〜1120により示される。   FIG. 25 is a schematic side view showing an embodiment of the present invention similar to the embodiment of FIG. , 306 are tiled. The ray paths toward the pupil are indicated by 1118-1120.

図25は、図23の実施形態に基づく本発明の更なる実施形態の概略側面図であり、この実施形態において、重なり合うディジレンズ要素311,312は、共通の射出瞳1133を与えつつ隣接する視野タイル1132と共に1131により示されるFOVをタイル張りするために使用される。   FIG. 25 is a schematic side view of a further embodiment of the present invention based on the embodiment of FIG. Used to tile the FOV indicated by 1131 along with tile 1132.

1つの実施形態の導波路において、ディジレンズは、画素化された視準画像を形成するために使用されてもよい。図26の概略側面図に示されるそのようなディスプレイの簡単な伝統的なアナログは、視準レンズ320の焦点面に位置づけられる画素化されたディスプレイパネル321を備える。このディスプレイの導波路ホログラフィックバージョンが図27に示される。入力画像は、324の符号が付される配列などの切り換え可能要素の2次元配列を備える画素化されたSBG323によって与えられる。各要素は、入射平行光を導波路内のTIR経路へと回折する。SBG配列は、図示しない外部光源からの1142,1143により示される平行光によって照明される。ピクセル324は平行光1145によって照明される。好適には、SBGピクセルが拡散特性を有する。ディジレンズ要素325,326は、これまで説明した格子などの単純な平面格子ではなく、屈折力を有し、そのため、SBG配列の表面上の点で生じる光が視準され、それにより、瞳1148を通じて見るために光線1146,1147により境界付けられる切り換え可能な視野(FOVタイル)が与えられる。そのため、ディジレンズ要素は、図27Aのレンズの回折アナログを与える。ディジレンズ要素は、図25の実施形態と同様にFOVをタイル張りするように構成される。   In one embodiment of the waveguide, a DigiLens may be used to form a pixelated collimated image. A simple traditional analog of such a display shown in the schematic side view of FIG. A waveguide holographic version of this display is shown in FIG. The input image is provided by a pixelated SBG 323 comprising a two-dimensional array of switchable elements, such as an array labeled 324. Each element diffracts incident parallel light into the TIR path in the waveguide. The SBG array is illuminated by parallel light indicated by 1142 and 1143 from an external light source (not shown). Pixel 324 is illuminated by parallel light 1145. Preferably, the SBG pixel has diffusion characteristics. The DigiLens elements 325, 326 are not simple planar gratings, such as the gratings described so far, but have a refractive power so that the light generated at points on the surface of the SBG array is collimated, thereby the pupil 1148. A switchable field of view (FOV tile) bounded by rays 1146 and 1147 for viewing through is provided. As such, the DigiLens element provides a diffractive analog of the lens of FIG. The DigiLens element is configured to tile the FOV as in the embodiment of FIG.

1つの実施形態では、前述したディジレンズがミラーを与えるように構成されてもよい。図28は、基板330,331間に挟まれる透過型SBG333とディジレンズ上に位置するミラーコーティング332とを使用して自動車用途のための後方確認ミラーをどのように設けることができるのかを示す。SBG回折角は、R1,R2の符号が付される経路をたどってディジレンズに入射する光がSBG層によって回折されてミラー層で反射される一方で、ドライバアイボックスへと通じるR3,R4の符号が付される反射経路が、オフブラッグとなる、すなわち、SBGによる回折のための角度範囲から外れるように設計される。また、光経路には数字1151〜1154も付される。図28を考慮すれば明らかなように、ディジレンズは、格子処方の適した選択によって異なる反射角度範囲を与えるように構成され得る。   In one embodiment, the aforementioned DigiLens may be configured to provide a mirror. FIG. 28 shows how a rear-view mirror for automotive applications can be provided using a transmissive SBG 333 sandwiched between substrates 330 and 331 and a mirror coating 332 located on the DigiLens. The SBG diffraction angle follows the path of R1 and R2, and the light incident on the DigiLens is diffracted by the SBG layer and reflected by the mirror layer, while R3 and R4 leading to the driver eyebox. The reflection path that is labeled is designed to be off Bragg, i.e., out of the angular range for diffraction by SBG. Also, numerals 1151-1154 are attached to the optical path. As will be apparent when considering FIG. 28, the DigiLens can be configured to provide different ranges of reflection angles depending on the appropriate choice of grating prescription.

図29は、外部画像をドライバ付近の観察瞳へと中継するためのHUD335を示す。外部画像源からの光1155は、ディジレンズ338を介して導波路に入って、1156〜1157により示されるTIRを受けるとともに、ディジレンズ336による光1158として導波路から結合されて出て観察者の方へ向かう。この実施形態は、盲点を見るのに役立ち得る。図29の装置はビームスプリッタ層337を更に備え、このビームスプリッタ層337は、入射するTIR光を複数の経路へと分割することにより、均一性を高めて、出力照明における隙間を最小限に抑えることができる。この原理は、本発明の他の実施形態のいずれかに適用されてもよい。   FIG. 29 shows a HUD 335 for relaying an external image to the observation pupil near the driver. The light 1155 from the external image source enters the waveguide through the DigiLens 338 and receives TIR indicated by 1156 to 1157 and is coupled out of the waveguide as the light 1158 by the DigiLens 336 and exits the viewer. Head towards. This embodiment can help to see blind spots. The apparatus of FIG. 29 further comprises a beam splitter layer 337, which splits the incident TIR light into multiple paths, thereby increasing uniformity and minimizing gaps in the output illumination. be able to. This principle may be applied to any of the other embodiments of the present invention.

図30は、本発明の原理にしたがったIIN341およびディジレンズ342を備えるHUD340の正面図であり、HUD340は、赤外光1159を放射する構造化された光源343と、ドライバの手の動きを感知してディスプレイを制御するために戻り赤外光1159を検出する検出器344とを更に備える。   FIG. 30 is a front view of a HUD 340 comprising an IIN 341 and a DigiLens 342 in accordance with the principles of the present invention, the HUD 340 sensing a structured light source 343 that emits infrared light 1159 and a driver's hand movement. And a detector 344 for detecting return infrared light 1159 for controlling the display.

図31は、図26の実施形態に類似する本発明の実施形態であり、この実施形態では、視野タイル(FOVタイル1,2)に含まれる情報がD1,D2により示される異なる範囲で与えられる。IIN351からの画像光は、導波路光1170へと変換される。ディジレンズ354は、方向1173に中心付けられる1174のFOVを有する範囲D2で画像を形成し、また、ディジレンズ355は、方向1172に中心付けられる1171のFOVを有するD1で画像を形成する。2つのFOVタイルが瞳1175を通して観察される。   FIG. 31 is an embodiment of the present invention similar to the embodiment of FIG. 26, in which the information contained in the view tiles (FOV tiles 1, 2) is given in different ranges indicated by D1, D2. . Image light from the IIN 351 is converted into waveguide light 1170. The DigiLens 354 forms an image with a range D2 having a 1174 FOV centered in the direction 1173, and the DigiLens 355 forms an image with a D1 having a 1171 FOV centered in the direction 1172. Two FOV tiles are observed through pupil 1175.

本発明のほとんどの用途において、好ましい光源は特定のレーザであり、この場合、視準および導波路閉じ込めに対する制約が満たされる必要がある。しかしながら、本発明は、幾つかの変更を伴って、LEDおよび他の比較的狭帯域のインコヒーレント光源を使用して適用されてもよい。図32Aは、カラーHUDにおけるRGB LEDのスペクトル帯域幅を補償するためにSBGが使用される本発明の実施形態を示す。図示の赤色LEDは、図32Bに示されるように、639nmにピーク出力を有するとともに、波長634nmおよび644nmで規定されるFWHM帯域幅を有する。ディジレンズはRGB回折層の積層体を備え、各層が入力格子と出力格子とを備える。各層において、SBGは、ピーク回折効率と図32Cの表に示されるようにピーク波長からの小さな増分だけシフトされる(導波路に沿う)波長特性との間の関係を与えるように記録される。構成波長および記録角度の制御を通常は伴う、再生で波長シフトを与えるブラッグ格子を記録するための技術は、ホログラフィの当業者に良く知られる。RGB SBG層は、RGB LEDと同期して連続的に切り換えられる。図32Aに示されるように、カラーディスプレイ360は、記号R,G,Bにより表示される赤色、緑色、および、青色のディジレンズ導波路を備えるとともに、360R,360G,360Bにより示されるDIGI−I格子および361R,361G,361Bにより示されるDIGI−O格子と、光1180を与える赤色、緑色、および、青色光源362R,362G,362Bと、マイクロディスプレイ363と、平行光1182を与えるための回折レンズまたはホログラフィックレンズ364,365を備えるビーム拡大器とを備える。光は、ディジレンズ要素へ結合された後、前述したように1183により表わされるTIRを受けるとともに、赤色光、緑色光、青色光1184R,1184G,1184Bとしてディジレンズから回折されて出る。   In most applications of the present invention, the preferred light source is a specific laser, in which case constraints on collimation and waveguide confinement need to be met. However, the present invention may be applied using LEDs and other relatively narrowband incoherent light sources with some modifications. FIG. 32A shows an embodiment of the invention in which SBG is used to compensate for the spectral bandwidth of RGB LEDs in a color HUD. The illustrated red LED has a peak output at 639 nm and a FWHM bandwidth defined by wavelengths 634 nm and 644 nm, as shown in FIG. 32B. The DigiLens includes a laminate of RGB diffraction layers, and each layer includes an input grating and an output grating. In each layer, the SBG is recorded to give a relationship between peak diffraction efficiency and wavelength characteristics (along the waveguide) shifted by small increments from the peak wavelength as shown in the table of FIG. 32C. Techniques for recording Bragg gratings that give a wavelength shift upon reproduction, usually with control of the constituent wavelength and recording angle, are well known to those skilled in holography. The RGB SBG layer is continuously switched in synchronization with the RGB LEDs. As shown in FIG. 32A, the color display 360 includes red, green, and blue Digi-Lens waveguides indicated by symbols R, G, and B, and DIGI-I indicated by 360R, 360G, and 360B. A diffractive lens or a DIGI-O grating indicated by the grating and 361R, 361G, 361B, a red, green, and blue light source 362R, 362G, 362B that provides light 1180, a microdisplay 363, and a parallel light 1182 A beam expander including holographic lenses 364 and 365. After being coupled to the DigiLens element, the light undergoes a TIR represented by 1183 as described above and is diffracted out of the DigiLens as red light, green light, blue light 1184R, 1184G, and 1184B.

図33および図34に示される1つの実施形態では、ディジレンズがウインドスクリーンと組み合わされる。ディジレンズはそのような実施に極めて適する。これは、ディジレンズが、湾曲導波路内で作用するように設計され得るとともに、1.8〜3ミクロン厚のSBG層を間に挟む100ミクロン程度の薄さの基板を使用して非常に薄い層から形成され得るからである。ディジレンズは、前述したタイプのメソ多孔性材料の薄層によって分離される。また、典型的なカーウインドスクリーンが導波路を維持するために大きな課題を与えない一般に数千mmの曲率半径を有することにも留意すべきである。   In one embodiment shown in FIGS. 33 and 34, a DigiLens is combined with a windscreen. DigiLens is very suitable for such an implementation. This is because the DigiLens can be designed to work in a curved waveguide and is very thin using a substrate as thin as 100 microns with an SBG layer 1.8 to 3 microns thick in between. It is because it can form from a layer. DigiLens are separated by a thin layer of mesoporous material of the type described above. It should also be noted that typical car windscreens typically have a radius of curvature of a few thousand millimeters that does not pose significant challenges for maintaining the waveguide.

1つの実施形態において、ディジレンズは、図33に示されるように既存のウインドスクリーン370の内面または外面に接着され得る柔軟層371として形成される。IIN372は一般にダッシュボードの下側に位置づけられる。   In one embodiment, the DigiLens is formed as a flexible layer 371 that can be adhered to the inner or outer surface of an existing windscreen 370 as shown in FIG. The IIN 372 is generally located below the dashboard.

あるいは、ディジレンズ層は、図34に示されるようにスクリーン製造プロセスの一部としてウインドスクリーン内に組み込まれ得る。一般に、ウインドスクリーンは、外側強化ガラス層373と、UV遮断のためのPVBの2つ以上の層374,376と、内側強化ガラス層377とを備える。ディジレンズ375はPVB層のうちの2つによって挟まれる。1つの実施形態において、ディジレンズ組み込みウインドスクリーン製造プロセスは、RMLCMをPVB膜上に噴射するステップと、ホログラフィック記録ステップでSBGを記録する前に第2のPVB膜を用いてRMLCMを間に挟み込むステップとを含む。   Alternatively, the DigiLens layer can be incorporated into the windscreen as part of the screen manufacturing process as shown in FIG. Generally, the windscreen comprises an outer tempered glass layer 373, two or more PVB layers 374, 376 for UV blocking, and an inner tempered glass layer 377. The DigiLens 375 is sandwiched between two of the PVB layers. In one embodiment, the DigiLens built-in windscreen manufacturing process uses a second PVB film to sandwich the RMLCM before injecting the RMLCM onto the PVB film and recording the SBG in the holographic recording step. Steps.

図35に示される1つの実施形態では、導波路構成要素DIGI−I,DIGI−O,HBE−I,HBE−Oと、前述したIINと同様のIINとを備える透明ディスプレイが提供される。しかしながら、この場合、前記導波路構成要素のそれぞれは単一のSBG層を備える。なお、前記導波路のSBG層だけが示されており、基板および電極は省かれている。IINからの光線経路が1200〜1203により示されており、光線経路は、HBE内のTIR経路1201、HBEからの拡大されたビームの抽出1202、ディジレンズ内のTIR1203、および、ディジレンズからのディスプレイのための光の抽出1204を含む。構成要素は数字390〜394によっても参照される。   In one embodiment shown in FIG. 35, a transparent display is provided comprising waveguide components DIGI-I, DIGI-O, HBE-I, HBE-O and IIN similar to the IIN described above. In this case, however, each of the waveguide components comprises a single SBG layer. Only the SBG layer of the waveguide is shown and the substrate and electrodes are omitted. The ray path from the IIN is indicated by 1200 to 1203, which are the TIR path 1201 in the HBE, the expanded beam extraction 1202 from the HBE, the TIR 1203 in the DigiLens, and the display from the DigiLens. A light extraction 1204 for. Components are also referenced by the numbers 390-394.

図36に示される1つの実施形態では、透明ディスプレイDIGI−O,HBE−Iと、前述したIINと同様のIINとが提供される。2つの導波路構成要素HBE−O,DIGI−Iは、ビーム拡大およびビーム回転の二重機能を果たすHBE−O/DIGI−Iの符号が付される単一の導波路構成要素に組み込まれる。この構成の利点は、例えば図35および他の実施形態の大部分の場合のように導波路格子から出て再び導波路格子に入る必要なくビーム方向の変化が達成されるという点である。これは、DIGI−Iの格子が図面の平面内で傾けられること、実用的対象のほとんどのケースでは45°の角度で傾けられることを必要としてもよい。そのため、DIGI−I導波路内でTIR経路が90°回転されてDIGI−Oへと進む。IINからの光線経路が1205〜1208によって示される。ディスプレイの構成要素は数字400〜403によっても参照される。   In one embodiment shown in FIG. 36, a transparent display DIGI-O, HBE-I and an IIN similar to the IIN described above are provided. The two waveguide components HBE-O, DIGI-I are incorporated into a single waveguide component labeled HBE-O / DIGI-I that performs the dual function of beam expansion and beam rotation. An advantage of this configuration is that a change in beam direction is achieved without having to exit the waveguide grating and enter the waveguide grating again, as in, for example, FIG. 35 and most other embodiments. This may require that the DIGI-I grating be tilted in the plane of the drawing, in most cases of practical objects, tilted at an angle of 45 °. Therefore, the TIR path is rotated 90 ° in the DIGI-I waveguide and proceeds to DIGI-O. The ray path from IIN is indicated by 1205-1208. The components of the display are also referenced by numbers 400-403.

図面および先の説明から明らかなように、このケースでは、確かに、本発明の実施形態の大部分において、HBE−IおよびHBE−OならびにDIGI−IおよびDIGI−Oが単一のSBG層において実現されてもよい。しかしながら、これは全体的に層の数を減らすが、ディスプレイの全体のサイズが増大するという不利益がある。HBEおよびDIGI−Oの幅は、大体において、マイクロディスプレイ寸法と必要とされる視野とによって仕切られる。HUD用途およびHDD用途において、DIGI−O構成要素およびHBE構成要素を実施するために必要とされる空間がDIGI−Oのサイズに対して小さい状態では、同様のサイズのマイクロディスプレイを使用して更に厳しいFOV要求を有するとともにHBE導波路およびDIGI−I導波路の相対的な幅を更に増大させるニアアイ用途およびHMD用途においてトレードオフが更に困難になる。   As is apparent from the drawings and previous description, in this case, in most of the embodiments of the present invention, HBE-I and HBE-O and DIGI-I and DIGI-O are in a single SBG layer. It may be realized. However, this reduces the overall number of layers, but has the disadvantage of increasing the overall size of the display. The width of HBE and DIGI-O is largely bounded by the microdisplay dimensions and the required field of view. In HUD and HDD applications, if the space required to implement DIGI-O and HBE components is small relative to the size of DIGI-O, a similar sized microdisplay can be used to further The trade-off becomes even more difficult in near-eye and HMD applications that have stringent FOV requirements and further increase the relative widths of HBE and DIGI-I waveguides.

図37に示されるカラーディスプレイに向けられる本発明の更なる実施形態において、ディジレンズは、別個の赤色、緑色、および、青色の導波路を備える。好適には、導波路が互いに光学的に分離され、これは、それらの導波路が空気分離されあるいは低屈折率膜の薄層によって分離されることを必要としてもよい。好ましい選択肢は、ナノ多孔性材料を使用することである。ディジレンズ導波路が図37に示されており、層がDIGI−IおよびDIGI−Oの表示に数字1〜3を付して参照される(導波路構成要素も数字415〜420により参照される)。IINおよびHBEの構成要素は、詳しく示されず、単に421によって示される。   In a further embodiment of the invention directed to the color display shown in FIG. 37, the DigiLens comprises separate red, green and blue waveguides. Preferably, the waveguides are optically separated from each other, which may require that the waveguides be separated by air or by a thin layer of low refractive index film. A preferred option is to use nanoporous materials. A DigiLens waveguide is shown in FIG. 37, and the layers are referenced by the numerals 1-3 on the DIGI-I and DIGI-O designations (waveguide components are also referenced by numerals 415-420). ). The components of IIN and HBE are not shown in detail, but are simply indicated by 421.

一般に、ディジレンズは、図1に示されるように導波路内で最も有利な回折角を可能にするために約10°のすくい角で傾けられる。IINおよびHBEは、図面に示されるように眼422に最も近いディスプレイの側にあってもよい。しかしながら、多くの他の形態が可能であることは言うまでもない。眼へと向かう光線経路が光線1210〜1212により示される。図3は、3つのディジレンズを示す同じディスプレイの三次元図である。   In general, the DigiLens are tilted at a rake angle of about 10 ° to allow the most advantageous diffraction angle in the waveguide as shown in FIG. The IIN and HBE may be on the side of the display closest to the eye 422 as shown in the figure. However, it will be appreciated that many other forms are possible. The ray path toward the eye is indicated by rays 1210-1212. FIG. 3 is a three-dimensional view of the same display showing three DigiLens.

図38は、図35の実施形態に基づくカラーディスプレイを示す。この実施は、各色ごとに1つ、3つのディジレンズ層410〜412を有し、この場合、DIGI−IおよびHBE−Iが436により示される格子などの回転/ビーム拡大格子に組み込まれ、IINからの赤色、緑色、および、青色の光線経路が1220〜1223により示され、この場合、赤、緑、および、青が記号R,G,Bで表示される。なお、図示されないHBE−I構成要素は、図35に示される構成要素と同様であるが、赤、緑、および、青のための別個の層を伴う。   FIG. 38 shows a color display according to the embodiment of FIG. This implementation has three DigiLens layers 410-412, one for each color, where DIGI-I and HBE-I are incorporated into a rotating / beam expanding grating, such as the grating indicated by 436, and IIN The red, green, and blue ray paths from are indicated by 1220-1223, where red, green, and blue are indicated by the symbols R, G, B. Note that the HBE-I component not shown is similar to the component shown in FIG. 35, but with separate layers for red, green, and blue.

車のHMDにおいて、視野は、10°垂直×25°水平の視野が長期目標であると考えられるHMDの視野と比べて比較的小さい。そのような角度内容は、単一層SBGを使用する導波路によって容易に取り扱われ得る。しかしながら、カラーへの関心が存在するため、これは、導波路の情報処理能力に関する更なる要求をもたらす。図39に示される1つの実施形態では、ホログラフィック多重化を使用して少なくとも2つの色を導波路に導いて回折する受動単一SBG層ディジレンズが提供される。多重化は、複数のブラッグ格子を同じ層に記録できる能力である。第1に、多重化は、同様の処方の2つの格子を組み合わせて回折効率角度帯域幅を広げるとともに射出瞳と視野とにわたってより良好な輝度均一性および色バランスを与えることによって改善された角度プロファイルを生み出すべく使用され得る。第2に、多重化は、光を別個の視野領域へと投影するあるいは2つの異なる波長の光を所定の視野領域へと回折するようになっていてもよい2つの別個の回折処方をエンコードするために使用されてもよい。また、多重化は、導波路構造における層の数を減らすという大きな利点も与える。不釣り合いなDesをもたらす競合が記録中に格子間に存在しないようにするとともに、再生時に格子間にクロストークが存在しないようにするための配慮が必要とされる。図39の装置は図35の装置に類似するが、主に、DIGI−O構成要素がここでは多重化された格子であるという点において異なる。構成要素は数字470〜474によっても参照され、また、IINからHBEおよびディジレンズを通じた光線経路が数字1240〜1243によって参照される。好適には、水平ビーム拡大器(HBE)は、IINをダッシュボードの下側に隠すことができるようにするためにディジレンズ(登録商標)の下縁に沿って延びる。一般に、そのようなHUDは、800〜900mmの瞳距離で145mm水平×80mm垂直のアイボックスを有する。目標視野は、10°〜15°垂直×10°〜15°水平である。ウインドスクリーンは75%を上回る透明性を有する。一般に、ウインドスクリーンは、水平3000mm;垂直9000mmの曲率を有する。IINは、1〜2リットルの容積内に受け入れられ得る。   In a car HMD, the field of view is relatively small compared to the field of view of a HMD where a 10 ° vertical × 25 ° horizontal field of view is considered a long-term goal. Such angular content can be easily handled by waveguides using single layer SBGs. However, since there is an interest in color, this brings further demands on the information processing capabilities of the waveguide. In one embodiment shown in FIG. 39, a passive single SBG layer digi lens is provided that uses holographic multiplexing to guide and diffract at least two colors into the waveguide. Multiplexing is the ability to record multiple Bragg gratings on the same layer. First, multiplexing is an improved angular profile by combining two gratings of similar prescription to broaden the diffraction efficiency angular bandwidth and provide better brightness uniformity and color balance across the exit pupil and field of view. Can be used to produce Second, multiplexing encodes two separate diffraction prescriptions that may be designed to project light into separate field regions or to diffract light of two different wavelengths into a given field region. May be used for Multiplexing also provides the great advantage of reducing the number of layers in the waveguide structure. Care must be taken to ensure that there is no contention between the lattices during recording and that there is no crosstalk between the lattices during playback, resulting in unbalanced Des. The apparatus of FIG. 39 is similar to the apparatus of FIG. 35, except that the DIGI-O component is here a multiplexed grid. Components are also referenced by the numbers 470-474, and the ray path from the IIN through the HBE and DigiLens is referenced by the numbers 1240-1243. Preferably, a horizontal beam expander (HBE) extends along the lower edge of the DigiLens® so that the IIN can be hidden under the dashboard. In general, such a HUD has a 145 mm horizontal x 80 mm vertical eye box with a pupil distance of 800-900 mm. The target field of view is 10 ° -15 ° vertical × 10 ° -15 ° horizontal. Windscreens have transparency greater than 75%. Generally, the wind screen has a curvature of horizontal 3000 mm; vertical 9000 mm. IIN can be received in a volume of 1-2 liters.

ウインドスクリーンへのディジレンズの組み込みが図40に示される。ウインドスクリーンにおける層の積層体は、ガラス(外側)1.60mm;PVB(3層):0.8mm;ガラス(内側):2.0mmを備える。全体で4.4mmである。SBG層は、50〜100ミクロンの基板によって挟み込まれる5ミクロンのSBGを備え、SBGセルは0.5〜2ミクロン厚の低屈折率層により挟み込まれる。UV接着剤ガスケットラインが、ディスプレイの有効領域を境界付けるSBG材料充填を制限する。格子領域間の隙間には透明なアクリルが充填され、完全な透明性のためにアクリルがUV硬化される。この多層構造は、非常に強力な積層を可能にし、積層強度に関してSBG膜に全く依存しない。図41は、自動車HUDにおける図39の実施形態の実施を示すフローチャートである。   The incorporation of a DigiLens into a windscreen is shown in FIG. The stack of layers in the windscreen comprises glass (outside) 1.60 mm; PVB (3 layers): 0.8 mm; glass (inside): 2.0 mm. The total is 4.4 mm. The SBG layer comprises a 5 micron SBG sandwiched by a 50-100 micron substrate and the SBG cell is sandwiched by a low refractive index layer 0.5-2 microns thick. The UV adhesive gasket line limits the SBG material filling that bounds the effective area of the display. Clear gaps between the lattice regions are filled with transparent acrylic, and the acrylic is UV cured for complete transparency. This multilayer structure allows very strong lamination and does not depend on the SBG film at all for lamination strength. FIG. 41 is a flowchart illustrating the implementation of the embodiment of FIG. 39 in an automobile HUD.

図39の実施形態で使用されるカラー多重化は、2つの方法で、すなわち、第1に、2つの多重格子、例えば赤回折格子および青/緑回折格子を使用して、または、第2に、3つの多重化された格子を使用して、すなわち、多重化された赤、緑、および、青の格子を使用して行うことができる。設計上の問題は、10°の垂直(あるいは、より正確には接平面)視野のために2つ以上の多重格子を使用して最適な処方を決定することである。設計変数は、各色におけるブラッグ波長およびTIR角度、DEプロファイル(すなわち、格子厚さおよび変調)である。ディジレンズは、ウインドスクリーンに結合されあるいは幾つかのケースではウインドスクリーンに埋め込まれるため、導波路が低屈折率材料(空隙を許容し得ない場合)によって挟み込まれる。ナノ多孔性材料層の屈折率が1.2であると想定されてきた。1.52のSBG屈折率において、これは、52°の最小TIR角度に対応する。多重格子を設計する際には、重要であるDEプロファイルの形状を得るために特別な注意が必要とされる場合があり、また、色間のクロストークを回避するためには、より狭いDEプロファイルが好ましい。所望のDEプロファイルは、格子の厚さおよび屈折変調を最適化することによって達成できる。単一のSBG層に多重化される典型的な赤色、緑色、および、青色の回折格子に関するコゲルニック回折理論に基づくシミュレートされた回折効率(DE)とTIR角度プロセスとの間の関係が図42Aおよび図42Bに示される。曲線は、3つの多重格子のそれぞれにおけるDEプロファイルを表わしている。長方形領域は、おおよそのRGB TIR角度範囲を表わす。図42Aは、多重格子が赤色光によって照明されるケースを示している。図42Bは、緑色光または青色光が格子を照明するケースを示している。なお、曲線はシフトする。これは、照明波長が変化するにつれて、ブラッグ条件を満たす角度がシフトするからである。青緑帯域におけるTIR範囲は赤におけるTIR範囲を下回るため、2つの色帯域間にクロストークは存在しない。   The color multiplexing used in the embodiment of FIG. 39 is in two ways: first, using two multigratings, eg red and blue / green gratings, or secondly. This can be done using three multiplexed grids, ie using multiplexed red, green and blue grids. The design problem is to use two or more multiple grids to determine the optimal recipe for a 10 ° vertical (or more precisely tangential) field of view. Design variables are the Bragg wavelength and TIR angle, DE profile (ie, grating thickness and modulation) in each color. Because the DigiLens are coupled to the windscreen or in some cases embedded in the windscreen, the waveguide is sandwiched by a low index material (if the air gap cannot be tolerated). It has been assumed that the refractive index of the nanoporous material layer is 1.2. At an SBG index of 1.52, this corresponds to a minimum TIR angle of 52 °. When designing a multi-grating, special care may be required to obtain the shape of the DE profile, which is important, and a narrower DE profile to avoid crosstalk between colors. Is preferred. The desired DE profile can be achieved by optimizing the grating thickness and refractive modulation. The relationship between simulated diffraction efficiency (DE) and TIR angle process based on cogelonic diffraction theory for typical red, green, and blue gratings multiplexed into a single SBG layer is shown in FIG. 42A. And shown in FIG. 42B. The curve represents the DE profile in each of the three multigratings. The rectangular area represents the approximate RGB TIR angle range. FIG. 42A shows a case where the multiple grating is illuminated with red light. FIG. 42B shows a case where green light or blue light illuminates the grid. The curve shifts. This is because the angle that satisfies the Bragg condition shifts as the illumination wavelength changes. Since the TIR range in the blue-green band is below the TIR range in red, there is no crosstalk between the two color bands.

図43および図44は、IINと、それぞれがHBE−IおよびHBE−Oを備える2つのHBE構成要素と、それぞれがDIGI−I,DIGI−Oを備える2つのディジレンズ構成要素と、ビームスプリッタ(B/S)とを備える本発明の更なる実施形態を示し、DIG−Iは半波長膜(HWF)を間に挟む。図43は三次元図を示す。図44は、光線経路を示すディジレンズのみの断面図である。HBE−OおよびDIGI−O格子は、図44に実線光線および破線光線のそれぞれにより示されるように赤色回折格子および青−緑色回折格子を多重化する。後側のディジレンズ導波路460における赤色光線は、経路1231,1232,1239をたどる。同じ導波路における青−緑色光線は、経路1230,1233,1239をたどる。前側の導波路における光線経路には数字1234〜1237が付される。後側および前側の導波路構成要素は、数字1,2のそれぞれによって参照されるとともに、数字440〜447によっても参照される。HBEは、2つの導波路要素(すなわち、適切な基板によって分離される2つの切り換え可能なSBG層)を備え、各導波路要素は20°水平×22.5°垂直をサポートする。HBEは切り換え可能である。各HBE導波路は、低屈折率層によって他のHBE導波路から分離される。IINは、HD 1366x768(例えば Himax社により供給されるような0.37”ダイアゴナルLCoSマイクロディスプレイ)を使用する。別のマイクロディスプレイは、Syndiant社により供給されるSyndiant 720P(0.37”ディスプレイ)である。これは、1.76arc min/pixel(全40°×22.5°FOVを超える)の分解能を与える。各格子は、単色に関して空気中で約10°(ガラス中の約6.5°に等しい)の角度幅を与える。(IINの側部入口の)HBEすくい角に起因して角度空間のわずかなバイアスが存在し、そのため、視野がわずかに不均等になる。例えば、18°および22°になる。なお、角度空間内の隣接格子の切り換えは、交差結合が隣接格子間で生じないようにする。各導波路における角度は最小限に抑えられる。緑は、小さい許容マージン(例えば+0.5°〜1.0°)をもってTIR角度付近に配置される。各導波路は、導波路角度範囲にわたってコーティングされる狭帯域青色ミラーである。各HBEからディジレンズへと出力される光は、−20〜0°水平(おおよそ)×±11.25°垂直、および、0〜+20°水平(おおよそ)×±11.25°垂直である。これは、−20〜+20°水平×±15°(すなわち、40°×22.5°)の複合視野を与える。好ましい材料は、ポリカーボネート(n=1.585)または等価物である。基板厚さは0.5mmである。各セルは1.0mm厚であり、そのため、各HBE導波路は2.0mm厚である。両方のHBE導波路は、小さい空隙または低屈折率材料隙間を伴う4.0mm厚である。HBEは、前述したように色に関して多重化される。HBE寸法は、70mm幅×11mm高さである。なお、高さは、垂直縁で1mmマージンを含む。図43および図44の実施形態で使用されるIINは1.3mmの焦点距離を有する。マイクロディスプレイ(LCoS)ピクセルピッチは6.0ミクロンである。光学素子のF値は4.6である。エアリー円盤をLCoSピクセルピッチに適合させることにより、約75%コントラストがナイキスト限界で得られる。IINの開口は2.4mmである。図43および図44の光学的な構造は、2つのディジレンズ導波路(すなわち、適切な基板によって分離される2つのSBG層)を必要としてもよく、それぞれのディジレンズ導波路が11.25°垂直×40°水平をサポートする。入力DIGI−I要素が切り換え可能である。DIGI−O要素は受動的である。入力格子および出力格子は両方とも、先に記載された多重化された赤色格子および緑色−青色格子である。ディジレンズ基板の寸法は、50mm幅×61mm高さである。1つの実施形態では、入力格子が切り換え可能であり多重化されない。すなわち、この場合には、4つの切り換え可能な入力格子が使用される。重要なことには、入力処方および出力処方が相互依存的である。入力光はP偏光でなければならない(ディジレンズがP偏光だけを回折するため)。各導波路は全長の下方にQW膜を有する。これは、2倍薄い導波路を可能にする。TIR反射は半波長だけ回転される(QW膜を二重に通過するため)。したがって、導波路からの光線抽出は、SBGとの1つおきの相互作用でのみ生じる。後側ディジレンズ(すなわち、図43および図44に示されるようにIINに最も近いディジレンズ)の出力は、2つのQW膜相互作用を受けて、Sへと回転し、したがって、前側ディジレンズと相互作用しない。そのため、ディスプレイからの出力は、P偏光とS偏光との混合である。   43 and 44 show IIN, two HBE components each comprising HBE-I and HBE-O, two DigiLens components each comprising DIGI-I and DIGI-O, and a beam splitter ( B / S), DIG-I sandwiches a half-wave film (HWF) in between. FIG. 43 shows a three-dimensional view. FIG. 44 is a cross-sectional view of only the DigiLens showing the light path. The HBE-O and DIGI-O gratings multiplex the red and blue-green diffraction gratings as shown by the solid and dashed rays in FIG. Red light rays in the rear DigiLens waveguide 460 follow paths 1231, 1232, and 1239. Blue-green rays in the same waveguide follow paths 1230, 1233, 1239. Numbers 1234 to 1237 are attached to the light beam paths in the front waveguide. The rear and front waveguide components are referenced by numerals 1 and 2, respectively, as well as by numerals 440-447. The HBE comprises two waveguide elements (ie, two switchable SBG layers separated by a suitable substrate), each waveguide element supporting 20 ° horizontal × 22.5 ° vertical. HBE is switchable. Each HBE waveguide is separated from other HBE waveguides by a low refractive index layer. IIN uses HD 1366x768 (eg, 0.37 "diagonal LCoS microdisplay as supplied by Himax. Another microdisplay is the Syndiont 720P (0.37" display) supplied by Syndiant. is there. This gives a resolution of 1.76 arc min / pixel (over 40 ° × 22.5 ° FOV). Each grid provides an angular width of about 10 ° in air for a single color (equal to about 6.5 ° in glass). There is a slight bias in the angular space due to the HBE rake angle (at the side entrance of the IIN), so the field of view becomes slightly uneven. For example, 18 ° and 22 °. Note that switching of adjacent grids in the angle space prevents cross coupling from occurring between adjacent grids. The angle in each waveguide is minimized. Green is arranged near the TIR angle with a small allowable margin (for example, + 0.5 ° to 1.0 °). Each waveguide is a narrow band blue mirror that is coated over the waveguide angular range. The light output from each HBE to the DigiLens is −20 to 0 ° horizontal (approximately) × ± 11.25 ° vertical and 0 to + 20 ° horizontal (approximately) × ± 11.25 ° vertical. This gives a composite field of view of −20 to + 20 ° horizontal × ± 15 ° (ie, 40 ° × 22.5 °). A preferred material is polycarbonate (n = 1.585) or equivalent. The substrate thickness is 0.5 mm. Each cell is 1.0 mm thick, so each HBE waveguide is 2.0 mm thick. Both HBE waveguides are 4.0 mm thick with small air gaps or low index material gaps. HBE is multiplexed with respect to color as described above. The HBE dimension is 70 mm wide x 11 mm high. Note that the height includes a 1 mm margin at the vertical edge. The IIN used in the embodiment of FIGS. 43 and 44 has a focal length of 1.3 mm. The microdisplay (LCoS) pixel pitch is 6.0 microns. The F value of the optical element is 4.6. By adapting the Airy disk to the LCoS pixel pitch, approximately 75% contrast is obtained at the Nyquist limit. The opening of the IIN is 2.4 mm. The optical structure of FIGS. 43 and 44 may require two DigiLens waveguides (ie, two SBG layers separated by a suitable substrate), each DigiLens waveguide being 11.25 °. Supports vertical x 40 ° horizontal. The input DIGI-I element is switchable. The DIGI-O element is passive. Both the input and output gratings are the multiplexed red and green-blue gratings described above. The dimensions of the DigiLens substrate are 50 mm wide × 61 mm high. In one embodiment, the input grid is switchable and not multiplexed. That is, in this case, four switchable input grids are used. Importantly, the input recipe and the output recipe are interdependent. The input light must be P-polarized (since the DigiLens only diffracts P-polarized light). Each waveguide has a QW film below its entire length. This allows a waveguide that is twice as thin. The TIR reflection is rotated by half a wavelength (since it passes double through the QW film). Therefore, ray extraction from the waveguide only occurs with every other interaction with the SBG. The output of the rear digi lens (ie, the digi lens closest to the IIN as shown in FIGS. 43 and 44) undergoes two QW film interactions and rotates to S, thus Does not interact. Therefore, the output from the display is a mixture of P-polarized light and S-polarized light.

図45〜図52に示される1つの実施形態では、完全に受動的なHBEおよびディジレンズ導波路構成要素に基づく透明ディスプレイが提供される。以下の説明で明らかにされるように、この実施形態は、IINからの画像光の開口および/またはFOVをサンプリングするために構成されるHBE−Iを使用する。ここで、例えばHMDを与えるために使用されてもよい52°×30°FOV白黒ディスプレイに関連してこの実施形態を説明する。しかしながら、以下の説明および図面から明らかなように、この実施形態は、本明細書中で与えられる技術の利点を伴って、幅広い範囲の異なるFOVを与えるために使用されてもよい。
受動SBGを全て使用する実施形態
In one embodiment shown in FIGS. 45-52, a transparent display based on fully passive HBE and DigiLens waveguide components is provided. As will be elucidated in the following description, this embodiment uses HBE-I configured to sample the aperture and / or FOV of the image light from the IIN. This embodiment will now be described in the context of a 52 ° × 30 ° FOV black and white display that may be used, for example, to provide an HMD. However, as will be apparent from the following description and drawings, this embodiment may be used to provide a wide range of different FOVs, with the advantages of the techniques provided herein.
Embodiment using all passive SBGs

図45は、3つのHBE導波路と3つのディジレンズ導波路とが設けられる1つの実施形態におけるディスプレイの一実施形態の三次元図である。HBE導波路が数字541により示され、また、ディジレンズ導波路が542により示され、この場合、HBE導波路にはこれまでのように記号W〜Zが付され、ディジレンズ導波路には記号P〜Rが付される。各HBE導波路は、543,544のそれぞれによっても参照されるHBE−IおよびHBE−Oを含み、また、各ディジレンズは、545,546のそれぞれによっても参照されるDIGI−IおよびDIGI−Oを含む。IINは394によって示される。IINからHBE導波路541Zおよびディジレンズ導波路542Rを通じた光線経路は、光線1330〜1334を使用して示される。なお、瞳はDIGI−Iの前で組み合わされており、それにより、全52°水平×30°垂直FOVがこの段階で存在する。   FIG. 45 is a three-dimensional view of one embodiment of a display in one embodiment in which three HBE waveguides and three DigiLens waveguides are provided. The HBE waveguide is indicated by numeral 541 and the DigiLens waveguide is indicated by 542. In this case, the HBE waveguide is marked with symbols W to Z as before, and the DigiLens waveguide is marked with the symbol. P to R are attached. Each HBE waveguide includes HBE-I and HBE-O, also referenced by 543,544 respectively, and each DigiLens is DIGI-I and DIGI-O, also referenced by 545,546, respectively. including. IIN is indicated by 394. The ray path from IIN through HBE waveguide 541Z and DigiLens waveguide 542R is shown using rays 1330-1334. Note that the pupils are combined in front of DIGI-I, so that a total 52 ° horizontal × 30 ° vertical FOV exists at this stage.

1つの実施形態は投影絞りに関連する。図46は、IINによる投影絞りの形成を示す概略側面図である。マイクロディスプレイ500上に表示される画像の中心および縁部の画像ピクセルからの光は、周縁ビーム1300,1302と軸上ビーム1301とを与えるために絞り502を通過する。投影レンズ501は、この光を視準して、投影絞り1306で重なり合う視準ビーム1303〜1305を与える。入力の他のポイントからの光も同様に投影絞りへと集光される。なお、投影光学素子は図46では簡略化されており、実際には、投影レンズは前述したように多素子系である。光学設計の技術分野の当業者であれば分かるように、物理的な絞り502の必要性は、照明供給光学素子の適切な構造によりマイクロディスプレイで開口数(NA)を制限することによって最小限に抑えられる(あるいは更には排除される)。なお、レンズから投影絞りまでの距離は、HBE積層体の厚さと比べて非常に大きい。   One embodiment relates to a projection stop. FIG. 46 is a schematic side view showing the formation of a projection stop by IIN. Light from image pixels at the center and edge of the image displayed on microdisplay 500 passes through stop 502 to provide peripheral beams 1300, 1302 and on-axis beam 1301. The projection lens 501 collimates this light and provides collimated beams 1303 to 1305 that overlap at the projection stop 1306. Light from other points at the input is similarly focused to the projection stop. Note that the projection optical element is simplified in FIG. 46, and actually the projection lens is a multi-element system as described above. As will be appreciated by those skilled in the art of optical design, the need for a physical stop 502 is minimized by limiting the numerical aperture (NA) in the microdisplay with the appropriate structure of the illumination supply optics. Be suppressed (or even eliminated). Note that the distance from the lens to the projection aperture is very large compared to the thickness of the HBE laminate.

図47は、IINからHBE導波路503への光の結合を示す概略平面図である。入力格子すなわちHBE−Iは、導波路伝搬軸に沿って小さい距離間隔を有する2つの格子504,505を備える。重要なことには、2つの格子は、実質的に重なり合わないDE対角度特性を有する。HBE−O格子は、506により示されるように導波路の更に下側に位置づけられる。入力格子とは対照的に、出力格子は、後述するように2つの異なる格子処方で多重化される。この結合方式の利点は、それが所定の格子領域504,505に対する入力光の角度内容のマッピングを可能にし、それにより、HBEの入力格子(HBE−I)を導波路光軸に沿って分離できるという点である。この効果は、小さい入射瞳直径を有することによって強調される。簡単にするため、ここでは、導波路を通る2つの光線経路だけが示されている。第1の経路では、入射光線1307がHBE−Iの第1の格子要素504によって第1のTIR経路1309へと回折される。第2の経路では、入射光線1308が第2の格子要素505によって第2のTIR経路1308へと回折される。   FIG. 47 is a schematic plan view showing the coupling of light from the IIN to the HBE waveguide 503. The input grating or HBE-I comprises two gratings 504 and 505 having a small distance spacing along the waveguide propagation axis. Importantly, the two gratings have DE versus angular properties that do not substantially overlap. The HBE-O grating is positioned further down the waveguide as indicated by 506. In contrast to the input grid, the output grid is multiplexed with two different grid prescriptions as described below. The advantage of this coupling scheme is that it allows the mapping of the angular content of the input light to a given grating region 504, 505, thereby separating the HBE input grating (HBE-I) along the waveguide optical axis. That is the point. This effect is accentuated by having a small entrance pupil diameter. For simplicity, only two ray paths through the waveguide are shown here. In the first path, incident light 1307 is diffracted by the first grating element 504 of HBE-I into the first TIR path 1309. In the second path, incident light 1308 is diffracted by the second grating element 505 into the second TIR path 1308.

ビームと格子との相互作用は、図47の入力格子を含むHBE導波路の一部を示す図48に更に詳しく示される。入射光線1307は、第1の格子504によって光線経路1311へと回折される。第1のTIR反射の後、反射光線1312は、オフブラッグであり、したがって、偏移を伴うことなく第1の格子を通過する。第2の反射の後、光線は、第1の格子の後縁を避けて通り、回折を回避する。このとき、TIRは次の格子へと進む。第3の反射の後、光線1314は、第2の格子の前縁を避けて通る。第4の反射の後、結果として得られる光線1315はオフブラッグである。最後に、第5の反射の後、光線1316は第2の格子の後縁を避けて通り、HBE−Oへと進む。明らかに、この単純化した説明は、主な光線にのみ適用され、格子をとらえる光線の望ましくない回折をもたらす発散ビームの挙動を適切に述べていない。しかしながら、導波路内の狭いビーム角度は、望ましくないビーム−格子交差の影響を減らす。   The interaction between the beam and the grating is shown in more detail in FIG. 48, which shows a portion of the HBE waveguide that includes the input grating of FIG. The incident light beam 1307 is diffracted by the first grating 504 into the light beam path 1311. After the first TIR reflection, the reflected ray 1312 is off Bragg and therefore passes through the first grating without any deviation. After the second reflection, the light beam avoids the diffraction by passing through the trailing edge of the first grating. At this time, the TIR advances to the next lattice. After the third reflection, ray 1314 passes away from the leading edge of the second grating. After the fourth reflection, the resulting ray 1315 is off Bragg. Finally, after the fifth reflection, ray 1316 passes through the second grating's trailing edge and proceeds to HBE-O. Obviously, this simplified explanation applies only to the main rays and does not adequately describe the behavior of the diverging beam that results in unwanted diffraction of the rays that capture the grating. However, narrow beam angles in the waveguide reduce the effects of unwanted beam-grating intersections.

図49は、図45に示される4層HBEの概略断面図である。先の説明に続いて、各導波層は、2つの別個の格子を備えるHBE−I格子と、多重格子を備えるHBE−Oとを備える。導波路は、空隙によってあるいは好ましくはナノ多孔性低屈折率材料の薄層によって分離されてもよい。入力格子には数字511,512が付され、また、出力格子には数字510が付されており、この場合、導波層は記号W,X,YおよびZによって参照される。図面は、各層の入力格子のそれぞれと相互作用する投影レンズ514からの入力光線を示す。なお、導波層Wからの出力光線は、層X〜Zのうちの1つ以上と相互作用してもよい。しかしながら、既に論じたように、格子相互依存性の特性は、任意のそのような相互作用に関してビーム角度を維持する。そのような層間相互作用に起因する結果としてのビームシフトは、ビームスプリッタまたは均一化器を与えてもよい。例えば、入力光線1320を考慮されたい。この光線は、第1の格子511WによってTIR経路1321へと回折され、TIR経路1321は、偏移を伴うことなく第2の格子512Wを通じて伝搬して、そのTIR経路1322を続ける。出力格子510Wでは、この光の一部が導波路510X内の光線1323へと回折される。この光の一部は、第2の導波路に入ると、TIR経度1324へと回折され、残りの光は方向1323に進む。格子510Yとの更なる相互作用が光線1325および1326により示される。   FIG. 49 is a schematic cross-sectional view of the four-layer HBE shown in FIG. Following the previous description, each waveguiding layer comprises an HBE-I grating with two separate gratings and an HBE-O with multiple gratings. The waveguides may be separated by voids or preferably by a thin layer of nanoporous low refractive index material. The input grating is numbered 511, 512 and the output grating is numbered 510, where the waveguiding layer is referenced by the symbols W, X, Y and Z. The figure shows the input rays from the projection lens 514 interacting with each of the input gratings in each layer. Note that the output light from the waveguiding layer W may interact with one or more of the layers X-Z. However, as already discussed, the property of lattice interdependence maintains the beam angle for any such interaction. The resulting beam shift due to such interlayer interaction may provide a beam splitter or homogenizer. For example, consider the input ray 1320. This ray is diffracted by the first grating 511W into the TIR path 1321, which propagates through the second grating 512W without a shift and continues its TIR path 1322. In the output grating 510W, a part of this light is diffracted into the light beam 1323 in the waveguide 510X. When part of this light enters the second waveguide, it is diffracted to TIR longitude 1324 and the remaining light travels in direction 1323. Further interaction with grating 510Y is indicated by rays 1325 and 1326.

図50は、図48の実施形態の各導波層で使用される多重格子のペアリングを示す表である。格子の各対は、大きな重なり合いを避けるために十分な距離間隔をもってDE対角度帯域幅を有さなければならない。格子は低いDEピークと幅広い角度帯域幅とによって特徴付けられる損失性の薄い格子であるため、この距離間隔はかなり大きい必要がある。図51は、図45の実施形態における重合DE対角度プロファイルに関する1つの想定し得る方式を示すチャートである。格子の各対は、26°主光線角距離に対応する。全水平FOVが52°であると仮定される。薄い(低いピークDE、高いABW)格子の場合、ABWは約13°である。入力HBE格子が6.5°のABWを有すると仮定する。この場合、角度範囲はAとして−6.6°〜0°であり、また、角度範囲はBとして0°〜6.5°である。AおよびBは、第1にDE対角度重なりに起因して、第2に相互依存性の欠如に起因して、同じ導波路で使用されるべきでないことが認識される。格子分離はFWHMに基づく。しかしながら、他の手段は全照明プロファイルのより良い最適化を与えてもよい。例えば、格子重なりはピーク角度の30%で可能である。FWHMを想定すると、これは、52°のFOVにまたがるために8個の格子を与える(すなわち、8×6.5°)。   FIG. 50 is a table showing multi-grating pairing used in each waveguide layer of the embodiment of FIG. Each pair of grids must have a DE versus angular bandwidth with sufficient distance spacing to avoid large overlaps. Since the grating is a lossy thin grating characterized by a low DE peak and a wide angular bandwidth, this distance spacing needs to be quite large. FIG. 51 is a chart showing one possible scheme for the polymerization DE versus angle profile in the embodiment of FIG. Each pair of gratings corresponds to a 26 ° principal ray angular distance. It is assumed that the total horizontal FOV is 52 °. For a thin (low peak DE, high ABW) grating, the ABW is about 13 °. Assume that the input HBE grating has an ABW of 6.5 °. In this case, the angle range is −6.6 ° to 0 ° as A, and the angle range is 0 ° to 6.5 ° as B. It will be appreciated that A and B should not be used in the same waveguide, first due to DE versus angular overlap and secondly due to lack of interdependence. Lattice separation is based on FWHM. However, other means may give better optimization of the overall lighting profile. For example, lattice overlap is possible at 30% of the peak angle. Assuming FWHM, this gives 8 grids to span a 52 ° FOV (ie, 8 × 6.5 °).

高い照明均一性を得ることはSGO設計において重要な問題である。主な設計パラメータは、厚さおよび屈折率変調である。前述したように、小さい楔角度を格子層に適用することにより、ピークDEおよび角度帯域幅を導波路に沿って調整することができる。しかしながら、伝搬経路の端部で導波路内に残存する光は、不均一な出力照明をもたらす大きい角度で蓄積する傾向がある。現在、本発明者らは、この効果があまり大きくないと考えている。非常に厳格な照明制御が必要とされる場合のより洗練された方法は、2つの方向の傾斜を適用することによって格子層を成形することである。更なる改良として、格子の表面を湾曲させることができる。必要とされる格子厚変化は、非常にわずかであり、一般に導波路にわたって1〜2ミクロンであるため、視準およびMTFへの影響はほとんどの実施において無視できる。図51は、2つの直交する傾斜によって特徴付けられるSBG格子530の三次元図である。直交する傾斜に起因する導波路の平面に対する4つの異なる角部高さが531〜532によって示される。しかしながら、本発明者らによる予備的なレイトレーシング解析は、導波路内で必要とされる最適なDEプロファイルが一次元関数であって導波路内のビームの跳ね返り数ではなく導波路の長さの関数であるというある証拠を生み出した。主光線付近の光線角度変位(すなわち、±角度)は、(導波路の長さに応じて)主光線と同じ格子厚さプロファイルを必要とすると思われる。このことは、最適な均一性のために2Dプロファイルが必要とされない場合があることを示唆する。なお、一次DEは、導波路長さとビームにより進行される距離との間の差の相互依存としてスケーリングしなければならない。   Obtaining high illumination uniformity is an important issue in SGO design. The main design parameters are thickness and refractive index modulation. As described above, by applying a small wedge angle to the grating layer, the peak DE and angular bandwidth can be adjusted along the waveguide. However, the light remaining in the waveguide at the end of the propagation path tends to accumulate at large angles resulting in non-uniform output illumination. At present, the present inventors consider that this effect is not so great. A more sophisticated method when very strict lighting control is required is to shape the grating layer by applying a gradient in two directions. As a further improvement, the surface of the grating can be curved. The required grating thickness changes are very small and are typically 1-2 microns across the waveguide, so the impact on collimation and MTF is negligible in most implementations. FIG. 51 is a three-dimensional view of the SBG grating 530 characterized by two orthogonal slopes. Four different corner heights relative to the plane of the waveguide due to orthogonal tilt are indicated by 531-532. However, the preliminary ray-tracing analysis by the inventors has shown that the optimal DE profile required in the waveguide is a one-dimensional function and is not the number of beam bounces in the waveguide, but the length of the waveguide. Produced some evidence that it was a function. The ray angular displacement (ie, ± angle) near the chief ray would require the same grating thickness profile as the chief ray (depending on the length of the waveguide). This suggests that a 2D profile may not be required for optimal uniformity. Note that the primary DE must be scaled as the interdependence of the difference between the waveguide length and the distance traveled by the beam.

図53A〜図53Cは、1つの実施形態におけるHBEの3つの動作状態の概略図である。導波路551およびIIN投影レンズ550の投影の一部は、いずれの場合にも、1341〜1342により示される3つの視準ビーム部分を用いて示される。影付き領域は、30°全垂直FOVを与えるためにディジレンズ導波路のうちの1つへ結合される3つの別個の10°垂直FOV帯域のそれぞれに関して各ディジレンズ導波路により見られるHBE断面に対応する。また、図53A〜図53Cにおける影付き領域は、3つの垂直FOV領域におけるHBE−Oから光を受け入れるDIGI−Iの一部も示す。開口の1/3だけが各状態のDIGI−Iによって集められる。このように有効開口を低く維持することによって、ディジレンズ導波路が大きな厚さを必要としないことが確保される。上記開口方法(および、明細書本文において先に言及された偏光管理)を使用して3つのディジレンズ導波路のために必要とされる全体の厚さが6mmの全厚をもたらすことが推定される。これは、長方形の射出瞳を前提とする。円形の瞳が許容される場合には、極端な斜めの角度を達成する必要性が除去され、それにより、全体の厚さが小さくなる。   53A-53C are schematic diagrams of three operating states of the HBE in one embodiment. The projections of the waveguide 551 and the IIN projection lens 550 are in each case shown using three collimated beam portions indicated by 1341-1342. The shaded area is in the HBE cross section seen by each DigiLens waveguide for each of three separate 10 ° Vertical FOV bands that are coupled to one of the DigiLens waveguides to give a 30 ° full vertical FOV. Correspond. The shaded areas in FIGS. 53A to 53C also show a part of DIGI-I that receives light from HBE-O in the three vertical FOV areas. Only 1/3 of the aperture is collected by DIGI-I in each state. By keeping the effective aperture low in this way, it is ensured that the DigiLens waveguide does not require a large thickness. Using the above aperture method (and polarization management referred to earlier in the specification), it is estimated that the total thickness required for the three DigiLens waveguides results in a total thickness of 6 mm. The This assumes a rectangular exit pupil. If a circular pupil is allowed, the need to achieve extreme oblique angles is eliminated, thereby reducing the overall thickness.

前述した全ての受動格子は白黒においては実現可能であるが、フルカラーを与えてクロストークが克服されるようにするために切り換えを導入する必要があるように思われる。   Although all the passive gratings described above are feasible in black and white, it seems necessary to introduce switching in order to give full color and crosstalk can be overcome.

前記実施形態の固有の特徴は、HBEが入力画像の一部分を選択的にサンプリングする方法であり、各部分が角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる、ということに留意することは重要である。この手法は、導波路、特にディジレンズを非常に薄くできるようにする。これは、HMDおよびニアアイにおいて特に重要な特徴である。前述した入力画像をサンプリングするプロセスは、先願に開示されるように入力画像全体をFOVタイリングで使用される導波路へと切り換えるプロセスから区別されるべきである。
典型的な特徴
It is important to note that a unique feature of the embodiment is how HBE selectively samples portions of the input image, each portion being characterized by either an angular region or a spatial region. is there. This approach allows the waveguide, especially the DigiLens, to be very thin. This is a particularly important feature in HMD and near eye. The process of sampling the input image described above should be distinguished from the process of switching the entire input image to a waveguide used in FOV tiling as disclosed in the prior application.
Typical features

1つの実施形態において、屈折力は、HBEおよびディジレンズ導波路で使用される格子のうちの少なくとも1つで与えられてもよい。回折光学素子におけるレンズ処方の記録は良く知られている。本発明において、これは、補助レンズを必要とすることなくディスプレイの焦点を微調整できる可能性を与える。そのようなレンズは、収差を補正するために使用することもできる。切り換えホログラムは、異なる範囲で画像を与えるためのソリッドステートな(可動部がない)解決策のための可能性を与える。これは複数の層を必要とする場合がある。これは、HUD用途およびHDD用途において魅力的な特徴を与える。大きな屈折力のホログラムレンズの記録は、軸外ホログラフィック収差を克服することに対する注意深い配慮を必要とする場合がある。構成光学素子は、潜在的には更に複雑であるが、マスターホログラムが形成されると、密着印画プロセスが任意の他のホログラムと同じである。   In one embodiment, the refractive power may be provided by at least one of the gratings used in HBE and DigiLens waveguides. The recording of lens prescriptions in diffractive optical elements is well known. In the present invention, this gives the possibility of fine tuning the display focus without the need for an auxiliary lens. Such a lens can also be used to correct aberrations. Switching holograms offer the possibility for a solid-state (no moving parts) solution to give images in different ranges. This may require multiple layers. This provides an attractive feature in HUD and HDD applications. The recording of a high refractive power hologram lens may require careful consideration for overcoming off-axis holographic aberrations. The constituent optical elements are potentially more complex, but once the master hologram is formed, the contact printing process is the same as any other hologram.

1つの実施形態では、TIR範囲を越える導波路範囲を高めるために、多層薄膜コーティングがディジレンズ導波路の反射面に塗布される。ガラスおよびプラスチックは、大きな視野のために必要なTIR角度の範囲を可能にしない。例えば、39°を下回る光線は、ポリカーボネートTIR(532nmでの屈折率=1.585)によってサポートされない。その問題は、詰まるところ、プラスチックおよび低コストガラスにおける臨界角度をはるかに下回る最小導波路角度30°角度を達成するということになる。コーティングの設計上の課題は、画質劣化またはシースルー透過の損失を伴うことなく必要とされる反射力を得る反射力コーティング処方を達成することである。コーティングは、波長偏光、角度、散乱、吸収からの損失のための最適化を必要とする場合がある。誘電体膜を基板上に加える1つの利点は、必要とされる回折力の大きさをかなり減少させ、それにより、格子角度帯域幅が向上する。誘電体コーティングは、以下の特性、すなわち、a)30°(ガラス中)〜39°(TIR角度)の角度におけるS&P光に関して高い反射率、b)P光に関して0°±13°(ガラス中)における高い透過率;空気中での35°×20°角部領域に等しい、c)光源の狭い帯域性に起因して反射率の良好な角度制御を達成できる、d)全ての層に関する非レーザノッチ波長における高いシースルー、を有する。   In one embodiment, a multilayer thin film coating is applied to the reflective surface of the DigiLens waveguide to increase the waveguide range beyond the TIR range. Glass and plastic do not allow the range of TIR angles required for large fields of view. For example, light below 39 ° is not supported by polycarbonate TIR (refractive index at 532 nm = 1.585). The problem is to achieve a minimum waveguide angle of 30 °, which is far below the critical angle in plastics and low cost glass. The challenge in coating design is to achieve a reflective coating formulation that obtains the required reflective power without image quality degradation or loss of see-through transmission. The coating may require optimization for loss from wavelength polarization, angle, scattering, absorption. One advantage of adding a dielectric film on the substrate is to significantly reduce the amount of diffractive power required, thereby improving the grating angular bandwidth. The dielectric coating has the following properties: a) high reflectivity for S & P light at angles from 30 ° (in glass) to 39 ° (TIR angle), b) 0 ° ± 13 ° for P light (in glass) High transmittance at; equal to 35 ° × 20 ° corner area in air, c) good angular control of reflectivity can be achieved due to the narrow bandwidth of the light source, d) non-laser notch for all layers Having high see-through at the wavelength.

1つの実施形態において、HBEまたはディジレンズのうちの少なくとも一方における入力格子、すなわち、格子HBE−IおよびDIGI−Iは、HBEおよびディジレンズを通じて伝えられるべきビーム角度の範囲にわたって特徴的に均一に分配されるDE対角度を与えるために、異なるkベクトルの格子の積層体を備える。一般に、格子は、積層体を可能な限り薄く維持するために、200ミクロン(あるいは更には100ミクロン)基板だけ離間される。最終的に、本発明者らは、スピンコーティング技術を使用して最小実用格子積層体厚さを得ることができると考える。   In one embodiment, the input gratings in at least one of the HBE or DigiLens, i.e. the gratings HBE-I and DIGI-I, are characteristically uniformly distributed over a range of beam angles to be transmitted through the HBE and DigiLens. In order to give the DE versus angle, a stack of grids with different k vectors is provided. In general, the gratings are spaced apart by a 200 micron (or even 100 micron) substrate to keep the stack as thin as possible. Finally, we believe that the minimum practical grid stack thickness can be obtained using spin coating techniques.

1つの実施形態では、異なるkベクトルの多重格子の別の方式が積層の必要性を回避する。   In one embodiment, another scheme of multi-grids with different k vectors avoids the need for stacking.

レーザ照明を使用する前述した実施形態のうちのいずれかは、レーザ経路から眼鏡へと向かう照明経路中の任意の点に配置されるレーザスペックルを排除するためのデスペックラーデバイスを組み入れてもよい。好適には、デスペックラーは電気光学デバイスである。望ましくは、デスペックラーはHPDLCデバイスに基づく。   Any of the previously described embodiments using laser illumination may incorporate a despeckle device to eliminate laser speckles placed at any point in the illumination path from the laser path to the glasses. Good. Preferably, the despeckler is an electro-optic device. Desirably, the despeckler is based on an HPDLC device.

1つの実施形態において、ディスプレイは、ビーム成形とスペックル排除とを組み合わせる均一化器を組み込む。望ましくは、前記機能を果たすために使用されるSBG配列は、それら自体、導波路の1つ以上の中またはIIN内に更なるSBG層としてシームレスに実装され得る回折導波路デバイスである。スペックル排除は、角度ダイバーシティと位相ダイバーシティとの組み合わせによって達成される。典型的な導波路均一化器は、2012年11月20日の出願日を有するCOMPACT LASER ILLUMINATOR INCORPORATING A DESPCKLERと題される米国仮特許出願第61/796,795号明細書、および、LASER ILLUMINATION DEVICEと題される2008年7月22日の国際出願日を有するPCT出願第2008/001909号明細書に開示される。図面および明細書本文を考慮することにより明らかなように、本発明は、そのようなデバイスをディスプレイのIIN構成要素および導波路構成要素に組み込む幾つかの機会を与える。   In one embodiment, the display incorporates a homogenizer that combines beam shaping and speckle exclusion. Desirably, the SBG arrays used to perform the function are themselves diffractive waveguide devices that can be seamlessly implemented as additional SBG layers in one or more of the waveguides or within the IIN. Speckle rejection is achieved by a combination of angle diversity and phase diversity. Exemplary waveguide homogenizers include US Provisional Patent Application No. 61 / 796,795 entitled COMPACT LASER ILLUMINATOR INCORPORATION A DESPCKLER having a filing date of November 20, 2012, and LASER ILLUMINATION DEVICE. PCT Application No. 2008/001909 having an international filing date of July 22, 2008, entitled As will be apparent from consideration of the drawings and specification text, the present invention provides several opportunities for incorporating such devices into the IIN and waveguide components of a display.

本発明は、1つ以上の受動SBG導波路を備えるディジレンズに基づく透明ディスプレイを提供し、受動SBG導波路のそれぞれは、垂直視野または特定の色の一部を投影する。本発明は、より薄いSBGを使用してブラッグ格子の本質的に広い矢状角度帯域幅をうまく利用することによって得られる回折効率角度帯域幅の向上によって可能にされる。本発明は、高い透明度の通常の目標、高分解能、超コンパクトな(薄い)形状因子、軽量、および、十分なアイボックスのうちのいずれかを犠牲にすることなく、大きな視野、例えば52°水平×30°垂直を与えることができる。導波路構成要素およびコンパクトな入力画像ノードは、小さい形状因子、湾曲したバイザーへの経路、および、スリムラインという目標と一致する。角度帯域幅および光学効率における予期される向上の利点を伴うと、前記FOVを増大できると考えられる。ディスプレイモジュール設計手法は、大きな構造再設計を必要とすることなく、白黒からカラーへの素早い成長を可能にする。カラー解決策および白黒解決策の両方において1.0cyc/mrの適度な撮像性能を与えることができる。白黒における光学性能は、1.4cyc/mrディスプレイピクセル分解能を超える。最良の分解能は白黒で達成されるが、カラーディスプレイにおいても良好な性能を達成できる。HMDにおいて、本発明は、25mmの瞳距離で25mm幅のアイボックスを与えることができる。これにより、調整を何ら伴わずに人口の90%を受け入れることができる。基板ガイド回折光学素子は、入力画像ノード(IIN)内を除き、任意の場所で使用される。しかしながら、設計の今後の開発では、更なる形状因子圧縮および製造利点を生み出すために、屈折構成要素を回折要素と置き換えることができる。IINは、ディジレンズの上側、または、側部、または、前側、または、後側に装着されてもよい。これにより、中核的なディジレンズ機能性を保ちつつ、一連の人間工学的要求を満たすことができる。設計は、ニアアイディジレンズの分割またはモザイク化を必要としない場合があり、それにより、照明リップルおよび電極からの不連続および散乱の問題が排除される。本発明の原理にしたがった透明ディスプレイは、出願人の整理番号SBG104によっても参照されるIMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICESと題される本発明者らによる2012年8月24日の出願日を有する米国仮特許出願第61/573,066号明細書に開示されるプラスチックSBG技術によってもたらされる利益も享受する。   The present invention provides a transparent display based on a DigiLens comprising one or more passive SBG waveguides, each of which projects a vertical field of view or a portion of a particular color. The present invention is made possible by the improved diffraction efficiency angular bandwidth obtained by using the thinner SBGs and taking advantage of the inherently wide sagittal angular bandwidth of the Bragg grating. The present invention provides a large field of view, for example 52 ° horizontal, without sacrificing any of the usual goals of high transparency, high resolution, ultra-compact (thin) form factor, light weight, and sufficient eyebox. X30 ° vertical can be provided. Waveguide components and compact input image nodes meet the goals of small form factors, paths to curved visors, and slimlines. It is believed that the FOV can be increased with the expected improvement in angular bandwidth and optical efficiency. The display module design approach allows for rapid growth from black and white to color without the need for large structural redesigns. A reasonable imaging performance of 1.0 cyc / mr can be provided in both color and black and white solutions. Optical performance in black and white exceeds 1.4 cyc / mr display pixel resolution. The best resolution is achieved in black and white, but good performance can also be achieved in color displays. In HMD, the present invention can provide a 25 mm wide eye box with a pupil distance of 25 mm. This allows 90% of the population to be accepted without any adjustments. The substrate guide diffractive optical element is used anywhere except within the input image node (IIN). However, in future developments of the design, refractive components can be replaced with diffractive elements to create additional form factor compression and manufacturing advantages. The IIN may be mounted on the upper side, side portion, front side, or rear side of the DigiLens. Thereby, a series of ergonomic requirements can be satisfied while maintaining the core DigiLens functionality. The design may not require near-idigi lens segmentation or mosaicking, thereby eliminating the problem of illumination ripple and discontinuities and scattering from the electrodes. A transparent display according to the principles of the present invention is filed on August 24, 2012 by the inventors, entitled IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPIC POLYMER DISPLIED CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES, also referred to by applicant's serial number SBG104. We also benefit from the plastic SBG technology disclosed in US Provisional Patent Application No. 61 / 573,066 having

本発明は、先のように明記された先願の教示内容を前提とする。特に、本発明は、出願人の整理番号SBG109によっても参照されるWIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAYと題される本発明者らによる2012年4月25日の出願日を有する米国仮特許出願第61/687,436号明細書に開示される偏光再循環方式を使用してもよい。この特定の特徴は、SBG材料(現在の材料または将来開発される材料)の特性によってあるいは偏光回転成分が導波路に意図的に導入されてそれにより偏光再循環および偏光再循環によるデバイス効率の向上の機会を広げる場合において、SBGアウトカップリング導波路により偏光が維持されないときに関連があるかもしれない。具体的には、直線的に偏向される光がディジレンズ導波路へ入力されて(すなわち、HBEから導波路へと結合されるp光)該光がS偏光とP偏光との混合へと変換される場合に、より薄いディジレンズ導波路を使用できる。これは、最大で導波路の薄さの2倍の減少というファクターを可能にし得る。   The present invention is premised on the teaching contents of the prior application specified as described above. In particular, the present invention relates to US Provisional Patent Application No. 61/61, filed April 25, 2012 by the present inventors entitled WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY, also referred to by applicant's serial number SBG109. The polarization recycling method disclosed in the '687,436 specification may be used. This particular feature is due to the properties of the SBG material (current or future developed material) or intentionally introducing a polarization rotation component into the waveguide, thereby improving device efficiency through polarization recycling and polarization recycling. May be relevant when the polarization is not maintained by the SBG outcoupling waveguide. Specifically, linearly polarized light is input to the DigiLens waveguide (ie, p-light coupled from the HBE to the waveguide) and the light is converted to a mixture of S-polarized light and P-polarized light. If so, thinner DigiLens waveguides can be used. This may allow a factor of up to twice the thinness of the waveguide.

本発明は、均一性を得るためにビームスプリッタ層を導波路に組み込んでもよい。更なる改良として、導波路におけるビームスプリッタオフセットが得られてもよい。すなわち、導波面の中間ではなく、導波路の中間点からオフセットされ、それにより、複数の跳ね返り相互作用の後に均一性が最大となる。更なる他の改良は、ビーム混合を最適化して調整するためにビームスプリッタにおいて異なる反射率を使用することである。概念は、ビームスプリッタの反射率%を50/50以外の何かへ変えることによって、あるいは、B/S長さに沿うt×/R×分割を変えることによって、瞳充填を均一化して最適化できることである。   The present invention may incorporate a beam splitter layer into the waveguide to achieve uniformity. As a further improvement, a beam splitter offset in the waveguide may be obtained. That is, it is offset from the midpoint of the waveguide rather than in the middle of the waveguide surface, thereby maximizing uniformity after multiple bounce interactions. Yet another improvement is to use different reflectivities in the beam splitter to optimize and adjust beam mixing. The concept is to optimize and optimize pupil filling by changing the reflectivity% of the beam splitter to something other than 50/50, or by changing the t × / R × split along the B / S length It can be done.

なお、図面に示されるホログラムの厚さは誇張されている。一般に、格子は、100〜200ミクロンの厚さの基板によって挟まれる1.8〜3ミクロンの厚さである。基板の両面に適用される透明電極は、ナノメートル単位で測定される。   Note that the thickness of the hologram shown in the drawings is exaggerated. In general, the grating is 1.8-3 microns thick sandwiched by 100-200 micron thick substrates. Transparent electrodes applied to both sides of the substrate are measured in nanometers.

1つの実施形態では、ホログラフィック輝度増強膜または他の狭帯域反射器がディスプレイの一方側に取り付けられ、その目的は、ディスプレイ照明波長光だけを反射させることであり、シースルーディスプレイを反対の視野方向で見えなくすることができる(そのため、安全である)。ここで、反射されたディスプレイ照明は、効果的に映し出され、したがって、一方向で遮られ、それにより、銀行や金融サービス設定ではよくある顧客設定または個人面接設定において照明が透明デスクトップディスプレイ用途にとって理想的となる。   In one embodiment, a holographic brightness enhancement film or other narrow band reflector is attached to one side of the display, the purpose of which is to reflect only the display illumination wavelength light, making the see-through display the opposite viewing direction. Can be invisible (and therefore safe). Here, the reflected display lighting is effectively projected and thus blocked in one direction, which makes the lighting ideal for transparent desktop display applications in customer or personal interview settings that are common in banking and financial services settings It becomes the target.

この文脈における重要な性能パラメータは、ディスプレイの透けて見える透過である。透過に影響を及ぼす変数は、ITOコーティング(0.995)、ARコーティング(0.99)、ならびに、基板およびホログラフィック層の吸収である。導波路と低屈折率結合層との間の界面にはフレネル損失も存在する。カラーディスプレイに必要とされる透過率は、90%を超える目的をもって、70%を超える。1つのディスプレイごとに3つの導波路、1つの導波路ごとに2つの基板を前提にすると、計算される透過率は93%であり、したがって、求められる目的が満たされる。なお、100ミクロンガラス基板を使用してこの構造を実施することが我々の意図である。3つの導波路を用いるとともに、1つの導波路ごとに3つの基板を用いても(なお、2つのホログラフィック層が3つの基板を必要とする場合がある)、カラーディスプレイのディスプレイの全体の厚さは依然として1mm未満である。ホログラフィック層(コーティングを含む)の厚さはごくわずかであり、各ホログラフィック層は全体の厚さに4〜5ミクロン寄与するにすぎない。重量が常に問題になるため、これは、我々の手法の極めて重要な特徴である。プラスチックが使用される場合には、重量を更に減らすことができる。   An important performance parameter in this context is the see-through transparency of the display. Variables affecting transmission are the ITO coating (0.995), the AR coating (0.99), and the absorption of the substrate and holographic layer. Fresnel loss also exists at the interface between the waveguide and the low index coupling layer. The transmittance required for a color display exceeds 70% with the aim of exceeding 90%. Assuming three waveguides per display and two substrates per waveguide, the calculated transmission is 93%, thus meeting the required objective. It is our intention to implement this structure using a 100 micron glass substrate. Even with three waveguides and three substrates per waveguide (note that two holographic layers may require three substrates), the overall thickness of the display of the color display It is still less than 1 mm. The thickness of the holographic layers (including the coating) is negligible and each holographic layer contributes only 4-5 microns to the overall thickness. This is a very important feature of our approach because weight is always a problem. If plastic is used, the weight can be further reduced.

好ましい実施形態において、SBGは、それらが電圧印加時に回折しかつそれ以外のときは常に光学的に受動状態にとどまるように逆方向モードで動作する。SBGは、図示のように薄い(100ミクロン程度の薄さ)基板層によって分離される連続SBG薄板として実施される。最終的に、設計目標は、(ITOに取って代わるために)透過型導電コーティングを有するプラスチック基板を使用することである。本出願に適するプラスチックSBG技術は、パラレルSBIRプロジェクトで開発されている。これは、モノリシックホログラフィック光学素子を用いた狭帯域レーザ照射の利点全体を利用する平面モノリシック構造である。   In a preferred embodiment, the SBGs operate in a reverse mode so that they diffract when voltage is applied and otherwise remain optically passive. The SBG is implemented as a continuous SBG sheet separated by a thin (as thin as 100 microns) substrate layer as shown. Ultimately, the design goal is to use a plastic substrate with a transmissive conductive coating (to replace ITO). Plastic SBG technology suitable for this application has been developed in the parallel SBIR project. This is a planar monolithic structure that takes full advantage of narrowband laser irradiation using monolithic holographic optical elements.

本発明は、基板ガイド光学素子に理想的に適する一連の利点を有する。第1に、構成要素のコストが大きく低減される。光学的な複雑さは、様々なホログラフィック光学素子に含まれる。一組のマスターの形成と関連付けられる非反復エンジニアリング(NRE)が完了すると、複製コストは、別個の屈折構成要素と関連付けられる反復材料コストと比べると比較的わずかである。第2に、組み立て時間が大きく減少される。部品数が大きく減少されるだけでなく、組み立てプロセスがかなり高速である。平面構造は、アライメント基準を使用して非常に高い光学的精度をもって互いに高い費用効率で積層され得る。接触労力は、厳しい基準に合わせて一部品アセンブリを形成する労力と比べて大きく減少される。第3に、光学的精度がかなり高い。新規な光学的構造を設計する際の最も大きい課題のうちの1つは、一部品、機械的なハウジング、および組み立て手続きに関する許容範囲の増大を制御することである。ホログラフィック光学素子(HOE)を用いると、「判断基準」を上級エンジニアによりまとめることができ、このレベルの品質をNRE段階中にHOEマスターでとらえることができる。HOEの光学的アライメントを高い精度で達成できるという事実に加えて、個々のHOEは、アライメントの変化をより大きく許容する。したがって、高品質デバイスの全体の歩留まりは非常に高い。最後に、サイズおよび重量は、サブシステム全体の耐久性のように、このモノリシック構造によって大きく減少される。   The present invention has a series of advantages that are ideally suited for substrate guide optics. First, the cost of the component is greatly reduced. Optical complexity is included in various holographic optical elements. Once the non-repetitive engineering (NRE) associated with the formation of a set of masters is complete, the replication cost is relatively small compared to the iterative material cost associated with a separate refractive component. Second, assembly time is greatly reduced. Not only is the number of parts greatly reduced, but the assembly process is much faster. Planar structures can be stacked cost-effectively with each other with very high optical accuracy using alignment criteria. The contact effort is greatly reduced compared to the effort to form a one-part assembly to strict standards. Third, the optical accuracy is quite high. One of the biggest challenges in designing a new optical structure is controlling the increase in tolerances for one-part, mechanical housing, and assembly procedures. With holographic optical elements (HOE), “determination criteria” can be compiled by senior engineers, and this level of quality can be captured by the HOE master during the NRE stage. In addition to the fact that optical alignment of HOE can be achieved with high accuracy, individual HOEs tolerate greater alignment changes. Therefore, the overall yield of high quality devices is very high. Finally, size and weight are greatly reduced by this monolithic structure, as is the durability of the entire subsystem.

前記実施形態のうちのいずれかにおいては、眼のレンズおよび網膜が任意のタイプの結像レンズおよびスクリーンと置き換えられてもよいことは明らかである。本発明の前述した実施形態のうちのいずれかは、直接観察ディスプレイまたは虚像ディスプレイのいずれかで使用されてもよい。想定し得る適用範囲は、ビューファインダーで使用されるディスプレイなどの小型ディスプレイから、大面積広報ディスプレイにまで及ぶ。前述した実施形態は、透明ディスプレイが必要とされる用途で使用されてもよい。例えば、本発明は、ヘッドアップディスプレイやテレプロンプターなど、表示される画像が背景シーンの上に重ね合わされる用途で使用されてもよい。本発明は、光学系の内部撮像面またはその近傍に位置づけられる表示装置を設けるために使用されてもよい。例えば、前述した実施形態のうちのいずれかは、カメラのビューファインダーのための記号データ表示を行うために使用されてもよい。カメラのビューファインダーでは、記号データが中間画像平面に投影され、次いでビューファインダーアイピースによって拡大される。本発明が両眼ディスプレイまたは単眼ディスプレイにおいて適用されてもよいことは明らかである。本発明は、立体視装着型ディスプレイで使用されてもよい。本発明の前述した実施形態のうちのいずれかは、背面投射型テレビで使用されてもよい。本発明は、航空電子工学ディスプレイ、工業用ディスプレイ、および、医療用ディスプレイにおいて適用されてもよい。また、娯楽システム、シミュレーションシステム、仮想現実システム、トレーニングシステム、および、スポーツにおいても用途がある。   Obviously, in any of the above embodiments, the eye lens and retina may be replaced with any type of imaging lens and screen. Any of the aforementioned embodiments of the present invention may be used in either a direct viewing display or a virtual image display. Possible applications range from small displays such as those used in viewfinders to large area public information displays. The embodiments described above may be used in applications where a transparent display is required. For example, the present invention may be used in applications where displayed images are superimposed on a background scene, such as a head-up display or a teleprompter. The present invention may be used to provide a display device positioned at or near the internal imaging surface of the optical system. For example, any of the embodiments described above may be used to provide symbol data display for a camera viewfinder. In the camera viewfinder, the symbol data is projected onto the intermediate image plane and then magnified by the viewfinder eyepiece. It will be clear that the invention may be applied in binocular or monocular displays. The present invention may be used in a stereoscopic mounted display. Any of the above-described embodiments of the present invention may be used in a rear projection television. The present invention may be applied in avionics displays, industrial displays, and medical displays. There are also applications in entertainment systems, simulation systems, virtual reality systems, training systems, and sports.

ディスプレイのための好ましい光源は、回折光学素子に理想的に適合するレーザであり、したがって、我々のHMD構造、HUD構造、HDD構造の全ての能力を解き放つ。輝度、分解能、および、色域に関して、本発明は、光学的性能がLEDを使用して適用されるのにあまり重要でない幾つかの用途においても可能である。   The preferred light source for the display is a laser that is ideally suited for diffractive optics, thus unleashing all the capabilities of our HMD, HUD, and HDD structures. With respect to brightness, resolution, and color gamut, the present invention is also possible in some applications where optical performance is less important to be applied using LEDs.

現在、1つの実施形態で用いるSBGは、遠隔露光(stand−off exposure)を使用して製造される。しかしながら、プロセスは、密着印画プロセスへ容易に変換され得る。IINは、別個の屈折構成要素のアセンブリとして実装されてもよい。しかしながら、構造を平面ホログラフィック要素の積層体へと変換することが非常に望ましい。十分な量により、IINのそのような実施は、非常に魅力的な価格ポイントを達成する。好適には、導波路で使用される基板は、バリスティック−品質(ballistic−quality)プラスチック基板から製造される。実現可能性の立証が確立され、また、プロセス最適化活動が進行中である。屈折構成要素を積層プラスチック系平面ホログラフィック要素と置き換えると、本発明に基づくディスプレイが本質的に更に頑丈になる。
更なる実施形態
Currently, the SBG used in one embodiment is manufactured using stand-off exposure. However, the process can be easily converted to a contact printing process. The IIN may be implemented as an assembly of separate refractive components. However, it is highly desirable to convert the structure into a stack of planar holographic elements. With a sufficient amount, such an implementation of IIN achieves a very attractive price point. Preferably, the substrate used in the waveguide is manufactured from a ballistic-quality plastic substrate. Proof of feasibility has been established and process optimization activities are ongoing. Replacing the refractive component with a laminated plastic-based planar holographic element makes the display according to the invention essentially more robust.
Further embodiments

以下の実施形態は、単一の導波路HBEを使用するディスプレイに関する。この特定の実施形態は、現在、HUDなどの低視野デバイスにより適すると考えられる。しかしながら、HBEのサイズを管理できる可能性が高いことを認識すれば、HMDなどの高FOV用途のために同じ実施形態を使用できない理由が理論的にない。後述するように、必要条件は非投影瞳である。   The following embodiments relate to displays that use a single waveguide HBE. This particular embodiment is currently considered more suitable for low field devices such as HUD. However, recognizing that it is likely that the size of the HBE can be managed, there is theoretically no reason why the same embodiment cannot be used for high FOV applications such as HMD. As will be described later, the necessary condition is a non-projection pupil.

図54は、明細書本文中で前述したタイプの投影瞳をもたらさない投影方式を示す。瞳は、図54Aに示されるように投影レンズの内側に形成されてもよく、図54Bに示されるように開口562を使用して投影レンズの前側に形成されてもよい。そのような投影方式は、全FOVよりも小さい角度ダイバーシティをz軸または光軸に沿うある距離にもたらす。例えば図54Aを参照すると、レンズ560により視準光線束1351A〜1351Cへと視準される像点源1350A〜1350Cからの光が考慮される場合には、光線束1351A,1351B間および光線束1351B,1351C間に重なりが存在する。基本的な幾何学から、一次に対する角度ダイバーシティは、投影レンズ射出瞳開口Dと光軸zに沿う距離とによって与えられる。   FIG. 54 shows a projection scheme that does not result in a projection pupil of the type previously described in the specification text. The pupil may be formed inside the projection lens as shown in FIG. 54A, or may be formed in front of the projection lens using an aperture 562 as shown in FIG. 54B. Such a projection scheme provides angular diversity at a distance along the z-axis or optical axis that is less than the total FOV. For example, referring to FIG. 54A, when light from the image point sources 1350A to 1350C collimated by the lens 560 to the collimated light bundles 1351A to 1351C is considered, the light bundles 1351A and 1351B and the light bundle 1351B are considered. , 1351C. From basic geometry, the angular diversity relative to the first order is given by the projection lens exit pupil aperture D and the distance along the optical axis z.

図55は、インカップル光のピークDEを最大にするための回転kベクトル格子(例えば、HBE−I格子)の使用の概略図を示す。導波路部分570の格子要素572A〜572Cにおけるkベクトル回転は、kベクトル573A〜573Cの異なる方向性により示される。表面格子ピッチPは、導波路の長さに沿って一定である。格子ベクトルは、高い回折効率をもって、主光線および軸外光線を表わす光線1360A〜1360を回折するように最適化される。回転kベクトルの使用は、格子への高効率入力結合を可能にするとともに、ビーム広がり角を最適化して導波路の厚さを最小限に抑えることができるようにする。これは、導波路厚さ、入力格子の角度帯域幅、および、入力格子上の任意の所定の点での視野角度の広がりを釣り合わせることを必要とする。kベクトルが回転される際の格子の低い角度応答(表面ピッチは維持される)は出力結合を防止し、それにより、導波路厚さを最小にできる。   FIG. 55 shows a schematic diagram of the use of a rotating k-vector grating (eg, HBE-I grating) to maximize the peak DE of in-coupled light. The k vector rotation in the grating elements 572A-572C of the waveguide portion 570 is indicated by the different orientations of the k vectors 573A-573C. The surface grating pitch P is constant along the length of the waveguide. The grating vector is optimized to diffract rays 1360A-1360 representing the chief and off-axis rays with high diffraction efficiency. The use of a rotational k-vector allows for high-efficiency input coupling to the grating and optimizes the beam divergence angle so that the waveguide thickness can be minimized. This requires balancing the waveguide thickness, the input grating angular bandwidth, and the viewing angle spread at any given point on the input grating. The low angular response of the grating as the k-vector is rotated (surface pitch is maintained) prevents output coupling, thereby minimizing the waveguide thickness.

図56は、回転kベクトル格子を含む導波路部分580を通じた典型的な光線の伝搬を示す概略図である。点XおよびYを隔てる寸法は、導波路の45°TIR角度における導波路厚さのほぼ2倍である。伝搬経路が光線1370〜1371によって示される。点Xは、光線1370が格子へと結合する点に対応する。主光線角度は、格子のFWHM角度帯域幅以上の大きさだけ変えるために必要とされる場合がある。点Yでは、光線角度がオフブラッグである。そのため、相互依存の出力結合がYで得られない。設計目的は、最大入力結合をXで確保すると同時に、zに沿う距離を設計して角度ダイバーシティを最小にし、位置Yで相互にアウトカップリングを伴わずに格子厚さを最小限に抑えることができるようにすることである。   FIG. 56 is a schematic diagram illustrating exemplary ray propagation through a waveguide portion 580 that includes a rotated k-vector grating. The dimension separating points X and Y is approximately twice the waveguide thickness at the 45 ° TIR angle of the waveguide. The propagation path is indicated by rays 1370-1371. Point X corresponds to the point at which ray 1370 couples into the grid. The chief ray angle may be required to change by more than the FWHM angular bandwidth of the grating. At point Y, the ray angle is off Bragg. Therefore, an interdependent output coupling cannot be obtained with Y. The design objective is to ensure maximum input coupling at X, while at the same time designing the distance along z to minimize angular diversity and to minimize grid thickness without mutual outcoupling at position Y. Is to be able to do it.

図57〜図59は、射出瞳拡大を直交方向で与えるためにkベクトル回転を使用する実施形態の斜視図を示す。図57は、HBE590およびVBE591を示す平面図である。図58は、HBEおよびVBEの概略側面図を示す。図59は、導波路の内側のビーム伝搬を示すHBEの展開図を示す。デカルトXYZ座標系が基準のために与えられる。HBEの損失性出力格子が592により示される。入力格子が593により示される。入力格子および出力格子は、共通の表面格子ピッチを有する。HBEに沿うZ=0およびZ=Lでは、VBE内で高い入力結合を有することが望ましい場合がある。限界Z=Lに近づくにつれて角度ダイバーシティが減少するため(角度ダイバーシティが1/Lとしてスケーリングする)、格子厚さを増大させることができる。これは、Z=Lでのビーム充填WがZ=0におけるよりもかなり大きく、それにより、厚さtを有するVBEにインカップリングされる光がインカップリング後に導波路内でより大きな格子相互作用を受けるため、有益である。より厚い格子は、アウトカップリングを減少させる。角度ダイバーシティを使用してVBEの厚さを微調整できる。   57-59 show perspective views of an embodiment that uses k-vector rotation to provide exit pupil magnification in an orthogonal direction. FIG. 57 is a plan view showing HBE590 and VBE591. FIG. 58 shows a schematic side view of HBE and VBE. FIG. 59 shows a developed view of HBE showing beam propagation inside the waveguide. A Cartesian XYZ coordinate system is provided for reference. The lossy output grid of HBE is indicated by 592. The input grid is indicated by 593. The input and output gratings have a common surface grating pitch. For Z = 0 and Z = L along the HBE, it may be desirable to have high input coupling within the VBE. Since the angular diversity decreases as the limit Z = L is approached (the angular diversity scales as 1 / L), the grating thickness can be increased. This is because the beam filling W at Z = L is much larger than at Z = 0, so that the light that is incoupled into the VBE with thickness t is larger in the waveguide after the incoupling. It is beneficial because it works. A thicker grid reduces outcoupling. Angle diversity can be used to fine tune the thickness of the VBE.

図60〜図62は、図57〜図59に示される導波路を製造するための装置を示す。図60を参照すると、600A〜602Cなどの光線1390Aに沿う全ての点は、同一の表面格子ピッチと平行なkベクトルとを有さなければならない。kベクトルは、z軸に対して直交する面内で回転される。図60は、密着印画プロセスを使用してHBEを製造するための装置を示す。図61Aは、コーン形状レンズの幅広端が上側に位置づけられるHBE590のZ=L端の断面を示す。図61Bはレンズの平面図を示す、また、図61Cは、レンズの幅狭端が上側に位置づけられるHBEのZ=0端を示す。格子層が611により示され、また、回転された格子が詳細612により示される。レンズに入射する視準された記録ビームの経路が1391,1393によって示される。回転される格子を形成するために使用される収束光線が1392,1394により示される。レンズは屈折要素として示される。1つの実施形態では、等価な処方の回折レンズが使用されてもよい。コーン形状レンズ密着印画セットアップは、記録段階で補償される必要があり得るホログラフィック軸外収差を克服するために注意深い配慮を必要とする場合がある。   60-62 show an apparatus for manufacturing the waveguide shown in FIGS. 57-59. Referring to FIG. 60, all points along ray 1390A, such as 600A-602C, must have the same surface grid pitch and a parallel k-vector. The k vector is rotated in a plane orthogonal to the z axis. FIG. 60 shows an apparatus for manufacturing HBE using a contact printing process. FIG. 61A shows a cross section of the Z = L end of HBE590 with the wide end of the cone-shaped lens positioned on the upper side. FIG. 61B shows a plan view of the lens, and FIG. 61C shows the Z = 0 end of the HBE where the narrow end of the lens is positioned on the upper side. The lattice layer is indicated by 611 and the rotated lattice is indicated by details 612. The paths of the collimated recording beam incident on the lens are indicated by 1391, 1393. The convergent rays used to form the rotated grating are indicated by 1392, 1394. The lens is shown as a refractive element. In one embodiment, an equivalent prescription diffractive lens may be used. Cone-shaped lens contact print setups may require careful consideration to overcome holographic off-axis aberrations that may need to be compensated for during the recording stage.

図62は、頂点620および底辺621の円錐からの円錐断面の形成を示す。円錐は、切断された光学素子およびカットラインを示す図62Aにおいて側面図で示されるとともに、同様に切断された光学素子を示す図62Bにおいて正面図で示される。カットラインに沿って底辺から投影された切断光学素子の図が図62Cに示される。円錐断面は、円錐縁と平行に切断することにより得られる。このとき、z軸と平行な光線は、y軸で偏向されないまま(すなわち、屈折成分を伴わない)である。x軸での偏向(屈折)の大きさは、光線がy軸に衝突する位置の関数である。   FIG. 62 shows the formation of a conical section from the cone at the apex 620 and the base 621. The cone is shown in side view in FIG. 62A showing the cut optical elements and cut lines, and in front view in FIG. 62B showing the cut optical elements as well. A view of the cutting optics projected from the bottom along the cut line is shown in FIG. 62C. A conical section is obtained by cutting parallel to the cone edge. At this time, the light beam parallel to the z-axis remains unpolarized on the y-axis (that is, does not involve a refraction component). The magnitude of deflection (refraction) on the x-axis is a function of the position at which the light ray collides with the y-axis.

図63〜図66はkベクトル回転の原理を示す。図63は、本発明の原理にしたがった導波路の基本構造を示す。導波路630は、入力格子631と出力格子632とにグループ分けされ得る複数の格子薄板を備える。各ブラッグ格子と関連付けられるいずれの場合にも、633,634により示される表面格子が存在する。入力画像光が視準ビーム1400〜1402により表わされ、この場合、文字A,Bは各ビームの過度な光線を示す。対応する出力画像光は、過度な光線を同様に示す文字A,Bを伴う3つの視準ビーム1410〜1412によって表わされる。出力ビームは、前述したように導波路に沿う光の抽出に起因して大きく拡大された瞳を有する。一般に、出力格子は、非常に長く、導波路の長さの大部分にわたって延びる。特定の実施形態に関して説明されたDIGI−I格子およびHBE−I格子は入力格子の例であり、一方、DIGI−O格子およびHBE−O格子は出力格子の例である。各クループでは、複数の格子が互いに隣接して積層されあるいは層状に配置されてもよい。図64は、入力格子635A〜635Cが積層される導波路の図である。各格子は固有のkベクトル636A〜636Cを有する。kベクトル636Aは、ビーム方向1401に中心付けられる視野に関して高い回折効率を与えるようになっている。kベクトル636B,636Cは、入射ビーム方向1400,1402のそれぞれの付近で高い回折効率に関して最適化される。したがって、入力画像は、複数の角度間隔へとサンプリングされる。各角度間隔は、全瞳の一部分である有効射出瞳と関連付けられる。   63 to 66 show the principle of k-vector rotation. FIG. 63 shows the basic structure of a waveguide according to the principles of the present invention. The waveguide 630 includes a plurality of grating thin plates that can be grouped into an input grating 631 and an output grating 632. In any case associated with each Bragg grating, there is a surface grating indicated by 633,634. Input image light is represented by collimated beams 1400 to 1402, where letters A and B indicate the excessive rays of each beam. The corresponding output image light is represented by three collimated beams 1410-1412 with letters A and B that also indicate excessive rays. The output beam has a pupil that is greatly enlarged due to the extraction of light along the waveguide as described above. In general, the output grating is very long and extends over most of the length of the waveguide. The DIGI-I and HBE-I gratings described with respect to particular embodiments are examples of input gratings, while the DIGI-O and HBE-O gratings are examples of output gratings. In each group, a plurality of lattices may be stacked adjacent to each other or arranged in layers. FIG. 64 is a diagram of a waveguide in which input gratings 635A to 635C are stacked. Each lattice has a unique k vector 636A-636C. The k vector 636A provides high diffraction efficiency for the field of view centered in the beam direction 1401. The k vectors 636B and 636C are optimized for high diffraction efficiency near the respective incident beam directions 1400 and 1402. Thus, the input image is sampled into a plurality of angular intervals. Each angular interval is associated with an effective exit pupil that is part of the entire pupil.

図65に示される1つの実施形態では、入力格子が導波路伝搬方向に沿って互いに隣接して配置される。導波路が637A〜637Cにより示され、kベクトルが638A〜638Cにより示される。本発明は、導波路伝搬方向に沿うkベクトルの変化する方向性を表わすために「回転kベクトル」という用語を作った。   In one embodiment shown in FIG. 65, the input gratings are arranged adjacent to each other along the waveguide propagation direction. The waveguides are indicated by 637A-637C and the k vector is indicated by 638A-638C. The present invention has created the term "rotated k vector" to describe the changing directionality of the k vector along the waveguide propagation direction.

図64〜図65に示される原理は、図66に示される出力格子に適用されてもよい。ここで、出力格子は、kベクトル640A〜640Cを伴う639A〜639Cなどの複数の隣接して配置される格子を備える。本発明の別の実施形態では、出力格子が図64の原理に基づく積層格子から構成されてもよい。   The principles shown in FIGS. 64-65 may be applied to the output grid shown in FIG. Here, the output grid comprises a plurality of adjacently arranged grids, such as 639A-639C with k vectors 640A-640C. In another embodiment of the present invention, the output grating may be composed of a stacked grating based on the principle of FIG.

画像を表示する方法は、本発明の基本原理にしたがった本発明の1つの実施形態であり、図67のフロー図に示される。フロー図を参照すると、方法は以下のステップを備えてもよい。   The method of displaying an image is one embodiment of the present invention according to the basic principles of the present invention and is illustrated in the flow diagram of FIG. Referring to the flow diagram, the method may comprise the following steps.

ステップ650では、光を第1の方向に伝搬するための第1の光学基板と、光を第2の方向で伝搬するための第2の光学基板と、入力画像ノード(IIN)とを設け、第1および第2の光学基板は少なくとも1つの導波層を備え、少なくとも1つの導波層のそれぞれが少なくとも1つの格子薄板を備え、少なくとも1つの格子薄板が受動モードSBGを備える。   Step 650 includes providing a first optical substrate for propagating light in a first direction, a second optical substrate for propagating light in a second direction, and an input image node (IIN); The first and second optical substrates comprise at least one waveguiding layer, each of the at least one waveguiding layer comprising at least one grating lamina and at least one grating lamina comprising a passive mode SBG.

ステップ651では、IINを使用して画像変調光を与える。   In step 651, IIN is used to provide image modulated light.

ステップ652では、画像光を第1の光学基板へ結合し;   In step 652, coupling image light to a first optical substrate;

ステップ653では、第1の光学基板から第1の方向に沿って光を抽出し;   In step 653, light is extracted from the first optical substrate along a first direction;

ステップ654では、画像光を第2の光学基板へ結合し;   In step 654, image light is coupled to the second optical substrate;

ステップ655では、第1の光学基板から第2の方向に沿って光を抽出し;   Step 655 extracts light from the first optical substrate along a second direction;

ステップ656では、ディスプレイのための画像光を与える。
幾つかの実施形態の概要
In step 656, image light for a display is provided.
Summary of some embodiments

本明細書中で与えられる少なくとも幾つかの実施形態は、別個の垂直および水平のビーム拡大導波路を使用して、拡大された射出瞳(または、アイボックス)を与える。各導波路は入力ブラッグ格子および出力ブラッグ格子を含む。導波路のそれぞれが複数の導波層を備えてもよい。カラー実施形態では、各原色ごとに別個の単色導波路が使用されてもよい。色を与えるための他の選択肢は、異なる色処方を有するホログラムが重ね合わされる多重格子を導波路へ記録することである。   At least some embodiments provided herein use separate vertical and horizontal beam expansion waveguides to provide an expanded exit pupil (or eyebox). Each waveguide includes an input Bragg grating and an output Bragg grating. Each of the waveguides may include a plurality of waveguide layers. In color embodiments, a separate monochromatic waveguide may be used for each primary color. Another option for providing color is to record in the waveguide a multi-grating where holograms with different color recipes are superimposed.

視準された画像光が、マイクロディスプレイおよび視準光学素子により規定される視野(FOV)を有する水平ビーム拡大導波路へ供給される。本発明は、伝統的な光学レンズ−ミラー構造から回折(ホログラフィック)光学素子に完全に基づく更にコンパクトな構造にまで及ぶ多くの異なる方法で入力光学素子または「結合」光学素子を構成できるようにする。   The collimated image light is supplied to a horizontal beam expanding waveguide having a field of view (FOV) defined by the microdisplay and collimating optics. The present invention allows input or “coupled” optical elements to be constructed in many different ways, ranging from traditional optical lens-mirror structures to more compact structures that are entirely based on diffractive (holographic) optical elements. To do.

水平ビーム拡大導波路は損失性である。すなわち、水平ビーム拡大導波路は、導波路からその長さに沿って光を均一に抽出するようになっている。その後、抽出された光は、垂直拡大導波路へと結合される。   Horizontal beam expanding waveguides are lossy. That is, the horizontal beam expanding waveguide uniformly extracts light from the waveguide along its length. The extracted light is then coupled into a vertically expanding waveguide.

同様に損失性の垂直拡大導波路は、垂直および水平に拡大される射出瞳を与えるべくビーム拡大を完了する。   Similarly, a lossy vertical expanding waveguide completes the beam expansion to provide an exit pupil that is expanded vertically and horizontally.

本発明の固有の特徴は、受動格子を使用して前述した全てを達成できることである(しかしながら、幾つかの用途においては、切り換え可能な格子の使用が依然として随意的である)。従来の受動格子は役に立たない。受動SBGを使用する主な利点は、格子の屈折率変調を非常に低い値から非常に高い値まで対応して広い範囲の回折効率をもって調整できるという点である。SBGの高屈折率変調は、ブラッグフリンジを形成する高分子リッチ領域とLCリッチ領域とが交互に入れ替わる帯域に起因する。   An inherent feature of the present invention is that all of the above can be achieved using a passive grating (however, in some applications, the use of a switchable grating is still optional). Traditional passive gratings are useless. The main advantage of using a passive SBG is that the refractive index modulation of the grating can be adjusted with a wide range of diffraction efficiencies corresponding to very low to very high values. The high refractive index modulation of SBG results from the band where the polymer rich region and the LC rich region forming the Bragg fringe are alternately switched.

損失性格子は従来技術で知られているが、本発明は、格子にわたって厚さ(および変調)を変えることによって導波路からの効率的で均一な抽出を達成するという点で独特である。その最も簡単なケースにおいて、これは、ホログラム厚さが伝搬方向で増大するように(セル壁を傾けることによって)楔状格子を形成することを伴う。一般的に、格子厚さが1.0〜1.2ミクロンから最大で2.8〜3.0ミクロンまで変化してもよく、下側の厚さが最も低い効率(最大の角度帯域幅)をもたらす。本発明は、2つの楔角度を使用して、厚さを直交方向で変えることによって、あるいは、より一般的な態様では格子の一方または両方の面に曲率を適用することによって、より洗練された抽出制御を可能にする。   While lossy gratings are known in the prior art, the present invention is unique in that it achieves efficient and uniform extraction from the waveguide by varying the thickness (and modulation) across the grating. In its simplest case, this entails forming a wedge-shaped grating (by tilting the cell wall) so that the hologram thickness increases in the propagation direction. In general, the grating thickness may vary from 1.0-1.2 microns up to 2.8-3.0 microns, with the lowest thickness at the lowest efficiency (maximum angular bandwidth) Bring. The present invention is more sophisticated by using two wedge angles to change the thickness in orthogonal directions, or in a more general manner, by applying curvature to one or both faces of the grating. Allows extraction control.

ビーム拡大格子の更なる固有の特徴は、それらを非常に薄く(3ミクロンをはるかに下回る)することができ、それにより、非常に広い回折効率角度帯域幅をもたらすことができ、その結果、FOVが広くなるという点である。厚さおよび屈折率変調を最適化することにより、ディスプレイで必要な所要の格子特性の全て、すなわち、格子への結合のための非常に高い効率、および、ビーム拡大に必要な効率的で均一な抽出のための大きなダイナミックレンジを満たすことができる。   Further inherent features of the beam expansion gratings can make them very thin (much less than 3 microns), thereby providing a very wide diffraction efficiency angular bandwidth, resulting in FOV Is that it becomes wider. By optimizing the thickness and refractive index modulation, all the required grating properties required for the display, i.e. very high efficiency for coupling to the grating, and efficient and uniform required for beam expansion A large dynamic range for extraction can be satisfied.

画像転送の効率の悪さや形状因子に影響を及ぼす本発明の極めて重要な特徴は、画像サンプリングの使用である。FOVが幅広い画像光の導波路への結合は、通常、導波路下に効率的に伝搬され得る限られた角度範囲に起因して、画像角度内容の何らかの損失をもたらす。この光の一部は、導波路から結合されて出てもよい。本発明は、入力画像を複数の角度間隔へサンプリングすることによってこの問題を克服し、それぞれの角度間隔は、全瞳のサイズの一部である効果的な射出瞳を有し、導波路の厚さがそれに対応して減少される。   A very important feature of the present invention that affects the inefficiency and form factor of image transfer is the use of image sampling. The coupling of image light into a waveguide with a wide FOV usually results in some loss of image angle content due to the limited angular range that can be efficiently propagated under the waveguide. Some of this light may be coupled out of the waveguide. The present invention overcomes this problem by sampling the input image into multiple angular intervals, each angular interval having an effective exit pupil that is part of the size of the entire pupil, and the thickness of the waveguide. Is correspondingly reduced.

独自に、本発明は、各導波路の入力および出力で導波路に沿う回転kベクトルを伴って固定周波数表面格子を組み合わせる。表面格子は、ブラッグフリンジと基板縁部との交わりであり、導波路の基本的な光線光学素子に(ほぼ)相当する。kベクトルは、ブラッグ格子に対して垂直な方向であり、格子の回折効率対角度特性に相当する。導波路伝搬方向に沿ってkベクトル方向を変える(kベクトル回転)ことにより、第1に、導波路への画像光の効率的な結合を行うことができ、第2に、インカップリング時に必要な全ての角度内容が高い効率をもって導波路下に伝えられるようにすることができる。kベクトル回転は、望ましくは、前述した格子厚制御によって増補される。我々の知る限りでは、この原理は従来技術で適用されない。   Independently, the present invention combines a fixed frequency surface grating with a rotating k vector along the waveguide at the input and output of each waveguide. The surface grating is the intersection of the Bragg fringe and the substrate edge and corresponds (almost) to the basic light beam optical element of the waveguide. The k vector is a direction perpendicular to the Bragg grating and corresponds to the diffraction efficiency vs. angular characteristics of the grating. By changing the k-vector direction along the waveguide propagation direction (k-vector rotation), first, it is possible to efficiently couple image light to the waveguide, and secondly, it is necessary for in-coupling. All angular content can be transmitted under the waveguide with high efficiency. The k-vector rotation is preferably augmented by the lattice thickness control described above. To our knowledge, this principle does not apply in the prior art.

カラー撮像に関しては、各導波路の入力格子および出力格子が前述したように同じ表面格子周波数を有するようにすることにより、クロストークがない別個の導波路でカラーを実施することができる。これは、本発明の固有の特徴であると考えられる。   For color imaging, color can be implemented in separate waveguides without crosstalk by having the input and output gratings of each waveguide have the same surface grating frequency as described above. This is considered an inherent feature of the present invention.

一般に、導波路下の角度内容の伝搬は、以下のうちの1つ以上、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、kベクトル回転、表面格子周期、および、ホログラム−基板屈折率差のうちの1つ以上を微調整することにより最適化され得る。   In general, propagation of angular content under the waveguide is one or more of the following: grating thickness, refractive index modulation, k-vector rotation, surface grating period, and hologram-substrate refractive index difference. It can be optimized by fine-tuning one or more.

本明細書中に記載される装置および方法は、HMD、HUD、および、HDDに適用されてもよい。
典型的な実施形態
The apparatus and method described herein may be applied to HMD, HUD, and HDD.
Exemplary embodiments

本明細書中に記載される装置、システム、および、方法の様々な態様は、以下に与えられる様々な実施形態で更に記載されてもよい。   Various aspects of the devices, systems, and methods described herein may be further described in various embodiments given below.

1つの実施形態において、第1の光学基板は、画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、各部分は角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる。   In one embodiment, the first optical substrate selectively samples a portion of the image modulated light, each portion being characterized by either an angular region or a spatial region.

1つの実施形態において、各光学基板における少なくとも1つの格子薄板は、前記基板に結合される光をTIR経路へと回折するようになっている入力格子と、前記TIR経路からの光を回折して前記基板から出すようになっている出力格子とを備える。   In one embodiment, at least one grating lamina on each optical substrate diffracts light from the TIR path and an input grating adapted to diffract light coupled to the substrate into the TIR path. An output grid adapted to exit from the substrate.

1つの実施形態において、前記第2の基板からの抽出は、導波層の前面を通じて行われる。   In one embodiment, the extraction from the second substrate is performed through the front surface of the waveguiding layer.

1つの実施形態において、前記第2の基板からの抽出は、導波層縁部を通じて行われる。   In one embodiment, the extraction from the second substrate is performed through the waveguide layer edge.

1つの実施形態において、第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、第1の基板の前面に対してほぼ直交する平面内にある。   In one embodiment, the lattice vector of the lattice sheet on the first substrate is in a plane that is substantially orthogonal to the front surface of the first substrate.

1つの実施形態において、第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、第1の基板の前面に対してほぼ平行な平面内にある。   In one embodiment, the lattice vector of the lattice sheet on the first substrate is in a plane that is substantially parallel to the front surface of the first substrate.

1つの実施形態において、導波層は透明な誘電体である。   In one embodiment, the waveguiding layer is a transparent dielectric.

1つの実施形態では、導波層が単色光を伝搬する。   In one embodiment, the waveguiding layer propagates monochromatic light.

1つの実施形態において、第1、第2、および、第3の導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬する目的で第1または第2の基板のうちの少なくとも一方に設けられる。   In one embodiment, the first, second, and third waveguide layers are on at least one of the first or second substrate for the purpose of propagating red light, green light, and blue light. Provided.

1つの実施形態において、第1および第2の導波層は、赤色光および青色・緑色混合光を伝搬する目的で第1または第2の基板のうちの少なくとも一方に設けられる。   In one embodiment, the first and second waveguide layers are provided on at least one of the first and second substrates for the purpose of propagating red light and blue / green mixed light.

1つの実施形態において、第1または第2の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、半波長膜を間に挟む。   In one embodiment, at least one waveguide layer of the first or second substrate sandwiches a half-wave film therebetween.

1つの実施形態において、第1または第2の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、空隙を間に挟む。   In one embodiment, at least one waveguide layer of the first or second substrate has an air gap therebetween.

1つの実施形態において、第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも2つの異なる単色処方の格子を多重化する。   In one embodiment, the grid sheets on at least one of the first or second substrates multiplex at least two different monochromatic recipe grids.

1つの実施形態において、前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも2つの異なる色の格子を多重化する。   In one embodiment, the grating lamina on at least one of the first or second substrates multiplex at least two different color gratings.

1つの実施形態では、第1の基板が第1の方向に沿う瞳拡大を行い、第2の基板が第2の方向に沿う瞳拡大を行う。   In one embodiment, the first substrate performs pupil magnification along a first direction, and the second substrate performs pupil magnification along a second direction.

1つの実施形態において、第1および第2の基板から抽出される光は、任意の視野方向で均一の照明を行う。   In one embodiment, the light extracted from the first and second substrates provides uniform illumination in any viewing direction.

1つの実施形態において、第1の基板または第2の基板のうちの少なくとも一方における各格子は、第1および第2の回折状態を有する。第1の回折状態は高い回折効率によって特徴付けられ、また、第2の回折状態は低い回折効率によって特徴付けられる。   In one embodiment, each grating on at least one of the first substrate or the second substrate has first and second diffraction states. The first diffraction state is characterized by a high diffraction efficiency, and the second diffraction state is characterized by a low diffraction efficiency.

1つの実施形態において、回折状態は、格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、非回折状態は、電界が加えられないときに存在する。   In one embodiment, the diffractive state occurs when an electric field is applied across the grating, and the non-diffractive state exists when no electric field is applied.

1つの実施形態において、非回折状態は、格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、回折状態は、電界が加えられないときに存在する。   In one embodiment, the non-diffractive state occurs when an electric field is applied across the grating, and the diffractive state exists when no electric field is applied.

1つの実施形態では、第1および第2の伝搬方向が直交する。   In one embodiment, the first and second propagation directions are orthogonal.

1つの実施形態において、基板のうちの少なくとも1つが少なくとも1つの直交面内で湾曲される。   In one embodiment, at least one of the substrates is curved in at least one orthogonal plane.

1つの実施形態において、導波層のうちの少なくとも1つがビームスプリッタ薄板を含む。   In one embodiment, at least one of the waveguiding layers includes a beam splitter sheet.

1つの実施形態では、第1の基板または第2の基板のいずれかの導波層の少なくとも1つの前面に1/4波長膜が加えられる。   In one embodiment, a quarter wave film is added to at least one front surface of the waveguiding layer of either the first substrate or the second substrate.

1つの実施形態では、第1の基板または第2の基板のいずれかの導波層の少なくとも1つの前面に反射薄膜コーティングが塗布される。   In one embodiment, a reflective thin film coating is applied to at least one front surface of the waveguiding layer of either the first substrate or the second substrate.

1つの実施形態において、第1の結合手段は、第1の基板の一部とほぼ重なり合う少なくとも1つの格子薄板を備える。   In one embodiment, the first coupling means comprises at least one lattice lamina that substantially overlaps a portion of the first substrate.

1つの実施形態において、第1の結合手段は、導波層内に配置される少なくとも1つの格子薄板を備える。   In one embodiment, the first coupling means comprises at least one grating lamina disposed in the waveguiding layer.

1つの実施形態では、第1の結合手段が少なくとも1つの格子薄板を備える。各格子薄板が異なる処方の少なくとも2つの多重格子を備える。各格子薄板が第1の基板の一部とほぼ重なり合う。   In one embodiment, the first coupling means comprises at least one grid sheet. Each grid sheet comprises at least two multiple grids of different formulations. Each lattice sheet substantially overlaps a portion of the first substrate.

1つの実施形態において、第2の結合手段は、第1の基板とほぼ重なり合う少なくとも1つの格子薄板を備える。   In one embodiment, the second coupling means comprises at least one lattice lamina that substantially overlaps the first substrate.

1つの実施形態では、第2の結合手段が少なくとも1つの格子薄板を備える。各格子薄板が2つの異なる処方の少なくとも2つの多重格子を備える。各格子薄板が第1の基板の一部とほぼ重なり合う。   In one embodiment, the second coupling means comprises at least one grid sheet. Each grid sheet comprises at least two multiple grids of two different formulations. Each lattice sheet substantially overlaps a portion of the first substrate.

1つの実施形態では、第2の結合手段が第2の基板内に配置される。   In one embodiment, the second coupling means is disposed in the second substrate.

1つの実施形態において、第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、基板の前面とほぼ平行な平面内にあり、第1の基板格子が第2の結合手段を与える。   In one embodiment, the lattice vector of the lattice sheet in the first substrate is in a plane substantially parallel to the front surface of the substrate, and the first substrate lattice provides the second coupling means.

本発明は、HMD、HHD、または、HUDの1つのアイピースを提供するために使用されてもよい。   The present invention may be used to provide one eyepiece for HMD, HHD, or HUD.

1つの実施形態では、第1または第2の基板における少なくとも1つの格子が屈折力をエンコードする。   In one embodiment, at least one grating in the first or second substrate encodes the refractive power.

1つの実施形態では、第2の基板がウインドスクリーン内に埋め込まれる。   In one embodiment, the second substrate is embedded in the wind screen.

1つの実施形態において、導波層は、ナノ多孔性膜と接触する少なくとも1つの前面を有する。   In one embodiment, the waveguiding layer has at least one front surface that contacts the nanoporous membrane.

本発明の原理にしたがったディスプレイはアイトラッカーを更に備えてもよい。   A display according to the principles of the present invention may further comprise an eye tracker.

本発明の原理にしたがったディスプレイはビーム均一化器を更に備えてもよい。   A display according to the principles of the present invention may further comprise a beam homogenizer.

1つの実施形態において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子を備える。   In one embodiment, the input image node comprises a microdisplay, a laser, and collimating optics.

1つの実施形態では、格子薄板が切り換え可能なブラッグ格子である。   In one embodiment, the grating lamina is a switchable Bragg grating.

1つの実施形態において、第1または第2の基板のうちの少なくとも一方で使用される格子薄板は、HPDLC材料に記録される切り換え不能なブラッグ格子である。   In one embodiment, the grating lamina used on at least one of the first or second substrates is a non-switchable Bragg grating recorded on HPDLC material.

本明細書中に記載される幾つかの実施例では、HPDLC材料の代わりに、POlymer Liquid CRYstal Polymer Slice(「POLICRYPS」)が使用されてもよい。   In some embodiments described herein, a POLYMER LIQUID CRYSTAL POLYMER SLICE (“POLICRYPS”) may be used instead of HPDLC material.

HPDLC材料は、LCリッチな材料(例えば、高いLC濃度および低い高分子濃度)の帯域と高分子リッチな材料(高い高分子濃度および低いLC濃度)の帯域とを交互に入れ替えることによって特徴付けられてもよい。LCは多くの場合に液滴形態を有するため、HPDLCは、2つの問題、すなわち、LC液滴からの散乱と、低い格子定数(最終的に、ピーク回折効率を制限する場合がある)とに見舞われる場合がある。新たな類の材料は、その例がPOLICRYPSであるが、先の問題の両方を克服するより均一な形態を与えるためにLCと高分子とを組み合わせる。格子は、HPDLCで生じる拡散プロセスに類似する拡散プロセスによって形成されるが、POLICRYPSにおける最終結果は、均一な高度に位置合わせされたLCと均一な高分子とが交互に入れ替わる帯域を備える格子であってもよい。微粒子散乱損失は、LC液滴の欠如によって、完全とまではいかなくても、ほぼ除去され得る。格子は、バルクLC複屈折により設定される理論的限界に近い屈折率変調を伴う非常に高いコントラストを有し得る。結果として、約98%という高い(あるいは、ある場合には、更に高い)回折効率値を容易に得ることができる。   HPDLC materials are characterized by alternating the bands of LC rich materials (eg, high and low polymer concentrations) and polymer rich materials (high and low LC concentrations). May be. Since LCs often have droplet morphology, HPDLC has two problems: scattering from LC droplets and low lattice constants (which can ultimately limit peak diffraction efficiency) You may be hit. A new class of materials, an example of which is POLICRYPS, combines LC and polymers to give a more uniform morphology that overcomes both of the previous problems. The lattice is formed by a diffusion process similar to that produced in HPDLC, but the end result in POLICRYPS is a lattice with bands that alternate between uniform highly aligned LC and uniform polymer. May be. Particulate scattering losses can be nearly eliminated if not completely due to the lack of LC droplets. The grating may have a very high contrast with refractive index modulation close to the theoretical limit set by bulk LC birefringence. As a result, diffraction efficiency values as high as about 98% (or even higher in some cases) can be easily obtained.

実用的なディスプレイにおける対象範囲をカバーする格子ピッチを困難なく得ることができ、実際に、1つの実施形態では、材料が0.2ミクロン程度の小さいピッチおよび15ミクロン程度の高いピッチを維持してもよい。電気光学的には、POLICRYPSは従来のHPDLCに類似し得る。ある場合には、POLICRYPSの切り換え速度はHPDLCよりも高い場合があり、また、切り換え電圧は、HPDLCの切り換え電圧に少なくとも等しいあるいはそれよりも低い。1つの実施形態では、HPDLC格子と同様に、POLICRYPS格子が、透過および反射の両方で利用されてもよく、また、導波路で実施されてもよい。POLICRYPSにおけるホログラフィック記録プロセスは、HPDLCにおけるそれと同じであってもよく、また、標準的な市販のモノマーおよびLCを伴ってもよい。1つの実施形態において、POLICRYPSの1つの難問は、高温プロセスが必要とされる場合があるという点である。この実施形態において、温度は、等方性混合を維持するとともに露光中の等方性−ネマチック移行を防止するように十分高くなければならない。   A grid pitch that covers the target area in a practical display can be obtained without difficulty, and in one embodiment, in one embodiment, the material maintains a small pitch on the order of 0.2 microns and a high pitch on the order of 15 microns. Also good. Electro-optically, POLICRYPS can be similar to conventional HPDLC. In some cases, the POLICRYPS switching speed may be higher than HPDLC, and the switching voltage is at least equal to or lower than the HPDLC switching voltage. In one embodiment, like a HPDLC grating, a POLICRYPS grating may be utilized for both transmission and reflection, and may be implemented in a waveguide. The holographic recording process in POLICRYPS may be the same as that in HPDLC and may involve standard commercial monomers and LC. In one embodiment, one challenge with POLICRYPS is that high temperature processes may be required. In this embodiment, the temperature must be high enough to maintain isotropic mixing and to prevent an isotropic-nematic transition during exposure.

POLICRYPSはLICRYL(Liquid Crystals Laboratory,IPCF−CNR),Center of Excellence and Department of Physics,カラブリア大学,イタリア)で開発された。POLICRYPSの一例は、その全体が参照することにより本源に組み入れられるCaputo,RらのJournal of Display Technology,Vol.2,No.1,2006年3月,38〜50頁に記載される。POLICRYPISの更なる詳細は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる2007年1月25日に公開された「Holographic Diffraction Grating,Process for Its Preparation and Opto−Electronic Device Incorporating It」と題されるCaputo,Rらによる米国特許出願第2007/0019152号明細書において見出され得る。   POLICRYPS was developed at LICRYL (Liquid Crystals Laboratory, IPCF-CNR), Center of Excellence and Department of Physics, University of Calabria, Italy). An example of POLICRYPS is described in Capto, R. et al., Journal of Display Technology, Vol. 2, no. 1, 2006, pages 38-50. Further details of POLICRYPIS can be found in the title “Holographic Diffraction Gratting, Process for Its Preparation and Opto-Electronic Incorporation” published on January 25, 2007, which is incorporated herein by reference in its entirety. , R. et al. In US Patent Application No. 2007/0019152.

使用されてもよい他の均一形態格子技術は、Fraunhoffer Institute for Applied Polymer Research,Potsdam(ドイツ)によって開発されたPOlymer LIquid Crystal Polymer Holograms Electrically Manageable(「POLIPHEM」)である。1つの実施形態において、POLIPHEMは、基本形態学的および電気光学的にはPOLICRYPSに類似する。POLICRYPSよりもPOLIPHEMの方を使用する1つの利点は、POLIPHEMが、ある場合に、材料配合でLCおよびモノマーの特性および比率を最適化することによってPOLICRYPSで必要とされる高温プロセスを回避し得るという点である。POLIPHEM格子を製造するための材料および方法の詳細は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる2006年1月に公開された「Method for the Preparation of High Efficient,Tunable and Switchable Optical Elements Based on Polymer−Liquid Crystal Composites」と題されるStumpe,Jらによる国際特許公開第2006002870(PCT/EP2005/006950)号明細書において見出され得る。   Another uniform-form grid technology that may be used is the Polymer Liquidar PolymerElectricalHolePolymerHyperMlMlMlPlM.Essentially developed by Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research, Potsdam (Germany). In one embodiment, POLIPHEM is similar to POLICRYPS in basic morphological and electro-optical. One advantage of using POLIPHEM over POLICRYPS is that POLIPHEM can in some cases avoid the high temperature processes required by POLICRYPS by optimizing LC and monomer properties and ratios in material formulation. Is a point. Details of materials and methods for making POLIPHEM grids are published in January 2006, “Method for the Preparation of High Efficient, Tunable and Switchable Element Elements,” which is incorporated herein by reference in its entirety. Can be found in International Patent Publication No. 2006002870 (PCT / EP2005 / 006950) by Stumpe, J et al. Entitled “Liquid Crystal Compositions”.

1つの実施形態では、本明細書中に記載される格子が高い回折効率および幅広い角度帯域幅の両方を与えることが望ましい場合がある。しかしながら、1つの実施形態において、これらの2つの目標は、幅広い角度帯域幅にわたり格子が薄くなければならないことを意味するが、厚さが減少されるにつれて薄い格子が回折効率の漸進的な減少に見舞われ得るという点において対立する。1つの解決策は、各格子がその真下の格子からの0次光を回折し得るように複数の薄い格子を積層することであり、それにより、最終的に、入力光の大部分を回折することができる。幾つかの実施形態では、格子層がスペーサによって分離されてもよい。そのような層状格子構造は、基本的なビルディングブロックのような薄い格子を使用することによってもたらされるかなり幅広い帯域幅という少なくとも1つの利点を伴う厚いあるいはボリューム(すなわち、ブラッグ)格子による回折と同等であると見なされてもよい。   In one embodiment, it may be desirable for the gratings described herein to provide both high diffraction efficiency and a wide angular bandwidth. However, in one embodiment, these two goals mean that the grating must be thin over a wide angular bandwidth, but as the thickness is reduced, the thinner grating becomes a gradual decrease in diffraction efficiency. Conflict in that it can be hit. One solution is to stack a plurality of thin gratings so that each grating can diffract the zeroth order light from the grating beneath it, thereby ultimately diffracting most of the input light. be able to. In some embodiments, the lattice layers may be separated by spacers. Such a layered grating structure is equivalent to diffraction by a thick or volume (ie Bragg) grating with at least one advantage of a fairly wide bandwidth provided by using a thin grating such as a basic building block. It may be considered to be.

1つの実施形態において、薄い格子は、望ましくは、高次回折を回避するために(ラマンナス形態にしたがった薄い格子ではなく)ブラッグ形態で作用してもよい。1つの実施形態では、薄い格子がラマンナス形態で作用する場合、回折次数のそれらが層間を伝搬する際の相対的な位相整合が+1次の固有の切り欠き状の回折応答をもたらす(ブラッグ入射の場合において)ようにするために、厚さおよびピッチの注意深い最適化が使用されてもよい。他の実施形態において、ブラッグ格子は、層状体積ホログラフィック光学素子(SVHOE)として知られる層状格子構造で記録されてもよい。SVHOEの一例は、その全体が参照することにより本願に組み入れられるNordin,G.ら,J.OptSoc.Am.A.,Vol.9,NO.12,1992年12月,2206〜2217頁に記載される   In one embodiment, the thin grating may desirably operate in a Bragg form (rather than a thin grating according to the Ramanus form) to avoid higher order diffraction. In one embodiment, when thin gratings act in a Ramanus form, the relative phase matching of the diffraction orders as they propagate through the layers results in a + 1st order intrinsic notch diffraction response (of Bragg incidence). Careful optimization of thickness and pitch may be used to do so. In other embodiments, the Bragg grating may be recorded with a layered grating structure known as a layered volume holographic optical element (SVHOE). An example of SVHOE is Nordin, G., which is incorporated herein by reference in its entirety. J. et al. Opt Soc. Am. A. , Vol. 9, NO. 12, December 1992, described on pages 2206 to 2217

本発明のより完全な理解は、同様の参照符号が同様の部分を示す添付図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することによって得ることができる。明確にする目的で、本発明に関連する技術分野において知られる技術的材料に関する詳細については詳しく記載しなかった。
更なる実施形態
A more complete understanding of the present invention can be obtained by considering the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, wherein like reference numerals designate like parts, and in which: For the purpose of clarity, details regarding technical materials known in the technical field related to the present invention have not been described in detail.
Further embodiments

以下の実施形態は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる2013年4月2日に出願された仮出願第61/849,853号の特許請求の範囲から引用される。   The following embodiments are cited from the claims of provisional application 61 / 849,853 filed Apr. 2, 2013, which is incorporated herein by reference in its entirety.

1.画像を表示するための装置において、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、少なくとも1つの導波層を備える第1の光学基板であって、前記導波層のそれぞれが光を第1の方向で伝搬し、前記導波層のそれぞれが光を前記第1の基板から前記第1の方向に沿って抽出するようになっている少なくとも1つの格子薄板を備える、第1の光学基板と、少なくとも1つの導波層を備える第2の光学基板であって、前記導波層のそれぞれが光を第2の方向で伝搬し、前記導波層のそれぞれが光を前記第2の基板から前記第2の方向に沿って抽出するようになっている少なくとも1つの格子薄板を備える、第2の光学基板と、前記画像変調光を前記第1の基板へ結合するための第1の光学手段と、前記第1の基板から抽出された光を前記第2の基板へ結合するための第2の光学手段とを備える、装置。   1. In an apparatus for displaying an image, a first optical substrate comprising an input image node for providing image-modulated light and at least one waveguide layer, each of the waveguide layers delivering light to a first A first optical substrate comprising at least one grating lamina propagating in a direction, each of the waveguide layers adapted to extract light from the first substrate along the first direction; A second optical substrate comprising at least one waveguide layer, wherein each of the waveguide layers propagates light in a second direction, and each of the waveguide layers transmits light from the second substrate to the A second optical substrate comprising at least one grating lamina adapted to extract along a second direction; and first optical means for coupling the image modulated light to the first substrate , The light extracted from the first substrate is the second And a second optical means for coupling the plate, device.

2.前記第1の光学基板が前記画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、前記各部分は角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる実施形態1の装置。   2. The apparatus of embodiment 1 wherein the first optical substrate selectively samples a portion of the image modulated light, wherein each portion is characterized by either an angular region or a spatial region.

3.前記各光学基板における前記少なくとも1つの格子薄板は、前記基板に結合される光をTIR経路へと回折するようになっている入力格子と、前記TIR経路からの光を回折して前記基板から出すようになっている出力格子とを備える実施形態1の装置。   3. The at least one grating thin plate in each of the optical substrates diffracts light from the TIR path out of the input grating configured to diffract light coupled to the substrate into the TIR path. 2. The apparatus of embodiment 1 comprising an output grid configured as described above.

4.前記第2の基板からの前記抽出は、導波層の前面を通じて行われる実施形態1の装置。   4). The apparatus of embodiment 1, wherein the extraction from the second substrate is performed through the front surface of the waveguiding layer.

5.前記抽出は、導波層縁部を通じて第2の基板から行われる実施形態1の装置。   5. The apparatus of embodiment 1, wherein the extraction is performed from a second substrate through a waveguide layer edge.

6.前記第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面に対してほぼ直交する平面内にある実施形態1の装置。   6). The apparatus of embodiment 1, wherein the lattice vector of the lattice lamina on the first substrate is in a plane substantially orthogonal to the front surface of the substrate.

7.前記第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面に対してほぼ平行な平面内にある実施形態1の装置。   7). The apparatus of embodiment 1, wherein the lattice vector of the lattice lamina on the first substrate is in a plane substantially parallel to the front surface of the substrate.

8.前記導波層が透明な誘電体である実施形態1の装置。   8). The apparatus of embodiment 1 wherein the waveguiding layer is a transparent dielectric.

9.前記導波層が単色光を伝搬する実施形態1の装置。   9. The apparatus of embodiment 1 wherein the waveguiding layer propagates monochromatic light.

10.第1、第2、および、第3の導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬するために前記基板のうちの少なくとも一方に設けられる実施形態1の装置。   10. The apparatus of embodiment 1, wherein the first, second, and third waveguide layers are provided on at least one of the substrates for propagating red light, green light, and blue light.

11.第1および第2の導波層は、赤色光および青色・緑色混合光を伝搬するために前記基板のうちの少なくとも一方に設けられる実施形態1の装置。   11. The apparatus of embodiment 1, wherein the first and second waveguide layers are provided on at least one of the substrates for propagating red light and mixed blue / green light.

12.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、半波長膜を間に挟む実施形態1の装置。   12 The apparatus of Embodiment 1 wherein at least one of the first and second substrates has a half-wave film in between.

13.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、空隙を間に挟む実施形態1の装置。   13. The apparatus according to Embodiment 1, wherein at least one of the first and second substrates has a gap therebetween.

14.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも2つの異なる単色処方の多重格子を備える実施形態1の装置。   14 The apparatus of embodiment 1, wherein the grating lamina on at least one of the first or second substrates comprises a multiple grating of at least two different monochromatic recipes.

15.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも2つの異なる色の多重格子を備える実施形態1の装置。   15. The apparatus of embodiment 1, wherein the grating lamina on at least one of the first or second substrates comprises at least two multi-gratings of different colors.

16.前記第1の基板が前記第1の方向に沿う瞳拡大を行い、前記第2の基板が前記第2の方向に沿う瞳拡大を行う実施形態1の装置。   16. The apparatus according to embodiment 1, wherein the first substrate performs pupil enlargement along the first direction, and the second substrate performs pupil enlargement along the second direction.

17.前記第1および第2の基板から抽出される前記光は、任意の視野方向で均一の照明を行う実施形態1の装置。   17. The apparatus according to Embodiment 1, wherein the light extracted from the first and second substrates performs uniform illumination in any viewing direction.

18.前記第1の基板または第2の基板のうちの少なくとも一方における前記各格子が第1の回折状態を有し、前記第1の回折状態が高い回折効率によって特徴付けられ、前記第2の回折状態が低い回折効率によって特徴付けられる実施形態1の装置。   18. Each grating in at least one of the first substrate or the second substrate has a first diffractive state, the first diffractive state is characterized by a high diffraction efficiency, and the second diffractive state The device of embodiment 1, wherein the is characterized by low diffraction efficiency.

19.前記回折状態は、前記格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、非回折状態は、電界が加えられないときに存在する実施形態17の装置。   19. The apparatus of embodiment 17, wherein the diffractive state occurs when an electric field is applied across the grating, and a non-diffractive state exists when no electric field is applied.

20.前記非回折状態は、前記格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、回折状態は、電界が加えられないときに存在する実施形態17の装置。   20. The apparatus of embodiment 17, wherein the non-diffractive state occurs when an electric field is applied across the grating, and the diffractive state exists when no electric field is applied.

21.前記第1および第2の伝搬方向が直交する実施形態1の装置。   21. The apparatus of embodiment 1, wherein the first and second propagation directions are orthogonal.

22.前記基板のうちの少なくとも1つが少なくとも1つの直交面内で湾曲される実施形態1の装置。   22. The apparatus of embodiment 1, wherein at least one of the substrates is curved in at least one orthogonal plane.

23.前記導波層のうちの少なくとも1つがビームスプリッタ薄板を含む実施形態1の装置。   23. The apparatus of embodiment 1, wherein at least one of the waveguide layers comprises a beam splitter sheet.

24.前記第1の基板または前記第2の基板のいずれかの前記導波層の少なくとも1つの前面に1/4波長膜が加えられる実施形態1の装置。   24. The apparatus of embodiment 1, wherein a quarter-wave film is added to at least one front surface of the waveguide layer of either the first substrate or the second substrate.

25.前記第1の基板または前記第2の基板のいずれかの前記導波層の少なくとも1つの前面に反射薄膜コーティングが塗布される実施形態1の装置。   25. The apparatus of embodiment 1, wherein a reflective thin film coating is applied to at least one front surface of the waveguiding layer of either the first substrate or the second substrate.

26.前記第1の結合手段は、前記第1の基板の一部とほぼ重なり合う少なくとも1つの格子薄板を備える実施形態1の装置。   26. The apparatus of embodiment 1, wherein the first coupling means comprises at least one lattice lamina that substantially overlaps a portion of the first substrate.

27.前記第1の結合手段は、前記導波層内に配置される少なくとも1つの格子薄板を備える実施形態1の装置。   27. The apparatus of embodiment 1, wherein the first coupling means comprises at least one grating lamina disposed in the waveguiding layer.

28.前記第1の結合手段が少なくとも1つの格子薄板を備え、前記各格子薄板が2つの異なる処方の少なくとも2つの多重格子を備え、前記各格子薄板が前記第1の基板の一部とほぼ重なり合う実施形態1の装置。   28. Implementation wherein said first coupling means comprises at least one grid lamina, each grid lamina comprises at least two multiple grids of two different formulations, each grid lamina substantially overlapping a portion of said first substrate. Apparatus of form 1.

29.前記第2の結合手段は、前記第1の基板とほぼ重なり合う少なくとも1つの格子薄板を備える実施形態1の装置。   29. The apparatus of embodiment 1, wherein the second coupling means comprises at least one lattice lamina that substantially overlaps the first substrate.

30.前記第2の結合手段が少なくとも1つの格子薄板を備え、前記各格子薄板が2つの異なる処方の少なくとも2つの多重格子を備え、前記各格子薄板が前記第1の基板とほぼ重なり合う実施形態1の装置。   30. The embodiment of Embodiment 1 wherein the second coupling means comprises at least one grating lamina, each grating lamina comprises at least two multiple gratings of two different prescriptions, and each grating lamina substantially overlaps the first substrate. apparatus.

31.前記第2の結合手段が前記第2の基板内に配置される実施形態1の装置。   31. The apparatus of embodiment 1 wherein the second coupling means is disposed within the second substrate.

32.前記第1の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面とほぼ平行な平面内にあり、前記第1の基板格子が前記第2の結合手段を与える実施形態1の装置。   32. The apparatus of embodiment 1 wherein the lattice vector of the lattice lamina on the first substrate is in a plane substantially parallel to the front surface of the substrate, and the first substrate lattice provides the second coupling means.

33.前記装置は、HMD、HHD、または、HUDの1つのアイピースを形成する実施形態1の装置。   33. The apparatus of embodiment 1, wherein the apparatus forms one eyepiece of HMD, HHD, or HUD.

34.前記基板における少なくとも1つの格子が屈折力をエンコードする実施形態1の装置。   34. The apparatus of embodiment 1, wherein at least one grating in the substrate encodes refractive power.

35.前記第2の基板がウインドスクリーン内に埋め込まれる実施形態1の装置。   35. The apparatus of embodiment 1, wherein the second substrate is embedded in a windscreen.

36.導波層は、ナノ多孔性膜と接触する少なくとも1つの前面を有する実施形態1の装置。   36. The apparatus of embodiment 1, wherein the waveguiding layer has at least one front surface in contact with the nanoporous membrane.

37.アイトラッカーを更に備える実施形態1の装置。   37. The apparatus of embodiment 1, further comprising an eye tracker.

38.ビーム均一化器を更に備える実施形態1の装置。   38. The apparatus of embodiment 1, further comprising a beam homogenizer.

39.前記入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子を備える実施形態1の装置。   39. The apparatus of embodiment 1 wherein the input image node comprises a microdisplay, a laser, and collimating optics.

40.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板がSBGである実施形態1の装置。   40. The apparatus of embodiment 1, wherein the lattice lamina on at least one of the first or second substrates is SBG.

41.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板は、HPDLC材料に記録される切り換え不能なブラッグ格子である実施形態1の装置。   41. The apparatus of embodiment 1, wherein the grating lamina on at least one of the first or second substrates is a non-switchable Bragg grating recorded in HPDLC material.

42.前記第1または第2の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板は、逆方向モード材料に記録されるSBGである実施形態1の装置。
引用文献
42. The apparatus of embodiment 1, wherein the lattice lamina on at least one of the first or second substrates is an SBG recorded in reverse mode material.
Cited references

以下の特許出願は、それらの全体が参照することにより本願に組み入れられる。   The following patent applications are hereby incorporated by reference in their entirety:

出願人の整理番号SBG109によっても参照されるWIDE ANGLE COLOUR HEAD MOUNTED DISPLAYと題される本発明者らによる2012年4月25日の出願日を有する米国仮特許出願第61/687,436号明細書;   US Provisional Patent Application No. 61 / 687,436, filed April 25, 2012 by the present inventors entitled WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY, also referenced by applicant's serial number SBG109 ;

出願人の整理番号SBG113Aによっても参照されるHOLOGRAPHIC HEAD MOUNTED DISPLAY WITH IMPROVED IMAGE UNIFORMITYと題される本発明者らによる2012年4月25日の出願日を有する米国仮特許出願第61/689,907号明細書;   US Provisional Patent Application No. 61 / 689,907, filed April 25, 2012 by the present inventors entitled HOLOGRAPIC HEAD MOUNTED DISPLAY WITH IMPROVED IMAGE UNIFORMITY, also referenced by applicant's docket number SBG113A Specification;

LASER ILLUMINATION DEVICEと題される2008年7月22日の国際出願日を有するPCT出願第US2008/001909号明細書;   PCT Application No. US2008 / 001909 having an international filing date of 22 July 2008 entitled LASER ILLUMINATION DEVICE;

METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAYと題されるPCT出願第US2006/043938号明細書;   PCT application US 2006/043938 entitled METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY;

COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAYと題されるPCT出願第PCT/GB2010/001982号明細書;   PCT Application No. PCT / GB2010 / 001982 entitled COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY;

出願人の整理番号SBG104によっても参照されるIMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICESと題される本発明者らによる2012年8月24日の出願日を有する米国仮特許出願第61/573,066号明細書;   US Provisional Patent Application No. 61/573, filed August 24, 2012 by the present inventors, entitled IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPIC POLYMER DISPRED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES, also referenced by applicant's docket number SBG104 No. 066;

APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLEと題される本発明者らによる2010年11月2日に出願されたPCT出願第PCT/GB2010/002023号明細書;   PCT Application No. PCT / GB2010 / 002023 filed on November 2, 2010 by the present inventors entitled APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE;

COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAYと題される2010年4月26日の国際出願日を有する(出願人の整理番号SBG073PCTによっても参照される)PCT出願第PCT/GB2010/000835号明細書;   PCT Application No. PCT / GB2010 / 000835 having an international filing date of 26 April 2010 entitled COMPACT HOLOGRAPIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY (also referred to by applicant's docket number SBG073PCT);

2000年9月5日に発行されたHOLOGRAPHIC ILLUMINATION SYSTEMと題される米国特許第6,115,152号明細書;   U.S. Patent No. 6,115,152 entitled HOLOGRAPIC ILLUMINATION SYSTEM, issued September 5, 2000;

2012年11月20日の出願日を有するCOMPACT LASER ILLUMINATOR INCORPORATING A DESPCKLERと題される米国仮特許出願第61/796,795号明細書。
更なる例
US Provisional Patent Application No. 61 / 796,795, entitled COMPACT LASER ILLUMINATOR INCORPORATION A DESPCKLER, having a filing date of November 20, 2012.
Further examples

図68は、構造の単色バージョンの光線トレースである。図69は、図68のIINのおおよその寸法を示す。図70は、図69の光学レイアウトの展開図を与える。   FIG. 68 is a ray trace of a monochromatic version of the structure. FIG. 69 shows the approximate dimensions of the IIN of FIG. FIG. 70 provides a development view of the optical layout of FIG.

IIN絞りは、入力照明のプロファイルを制御することによって形成される。現在、投影光学素子に硬質な物理的絞りは存在しない。投影絞りの利点は、導波路厚さの減少である。絞りは、VBE内の開口直径を最小にするためにHBEの上方途中に投影され、そのため、ディジレンズ導波路結合器に対するVBEの開口幅が最小になる。すなわち、第1軸拡大器の幅の減少が、第2軸拡大光学素子の厚さを制限する。図71Aおよび図71Bは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用するHBEの内側の投影絞りの形成を示す。   The IIN stop is formed by controlling the profile of the input illumination. Currently, there is no hard physical aperture in the projection optics. The advantage of the projection stop is a reduction in waveguide thickness. The stop is projected midway above the HBE to minimize the aperture diameter in the VBE, thereby minimizing the VBE aperture width relative to the DigiLens waveguide coupler. That is, the reduction in the width of the first axis expander limits the thickness of the second axis expander optical element. 71A and 71B illustrate the formation of a projection stop inside the HBE using a simplified thin lens display of a microdisplay projection optic.

1つの実施形態において、SBG層の下側の段階的反射プロファイルは、長さに沿う格子DE変化を制御する(あるいは助ける)ために使用される(通常、屈折率変調を用いてSBG格子で達成される)。これは、低い割合の光が第1の跳ね返りでアウトカップリングされるが高い割合が導波路の他端でアウトカップリングされる場合には、HBEなどのケースで有益となり得る。
縞模様のHBEを使用する実施形態
In one embodiment, the stepped reflection profile below the SBG layer is used to control (or help) the grating DE change along the length (usually achieved with an SBG grating using refractive index modulation). ) This can be beneficial in cases such as HBE, where a low percentage of light is outcoupled at the first bounce but a high percentage is outcoupled at the other end of the waveguide.
Embodiment using striped HBE

1つの実施形態では、HBEがその入力端に結合格子を備え、また、2つの異なる処方の交互に入れ替わるSBG縞が図72に示される面内で45°で傾けられる。縞が等間隔で示されるが、それらのサイズおよび間隔は、より良好な照明および画像サンプリング制御のために変えられてもよい。しかしながら、縞は、これがMTFに影響を及ぼす場合があるため、非常に狭く形成されるべきではない。一般に、縞の幾何学的形態は、注意深い最適化を必要とする場合がある。これは、例えば、瞳に位相差をもたらす場合がある縞の先端からの光線が存在するからである。入力SBGは大きな角度帯域幅と高い効率とを必要とし、一方、ディジレンズ受動格子は損失性である。格子の角度帯域幅は著しい中心−縁部間変化を有するが、受動格子からの抽出は、より多くの光が抽出ビームの中心から回折され、それにより、導波路の端部で照明プロファイルの効果的な反転がもたらされるように見出される。この効果は、照明プロファイル全体の釣り合わせで利益を得るべく使用され得る。図73は、射出瞳への経路に沿って生じる4つの方向変化を示すディジレンズの単層を通じたIINからのビーム伝搬を示す。光路には数字1〜7が付される。
FOV、アイボックス、および、瞳距離の幾何学的性質
In one embodiment, the HBE has a coupling grating at its input, and the alternating SBG stripes of two different recipes are tilted at 45 ° in the plane shown in FIG. Although fringes are shown equally spaced, their size and spacing may be varied for better illumination and image sampling control. However, the fringes should not be made very narrow as this can affect the MTF. In general, the stripe geometry may require careful optimization. This is because, for example, there are rays from the fringe tips that can cause a phase difference in the pupil. The input SBG requires a large angular bandwidth and high efficiency, while the DigiLens passive grating is lossy. Although the angular bandwidth of the grating has a significant center-to-edge variation, extraction from the passive grating causes more light to be diffracted from the center of the extraction beam, thereby increasing the effect of the illumination profile at the end of the waveguide. Is found to result in a general reversal. This effect can be used to benefit in balancing the entire lighting profile. FIG. 73 shows beam propagation from the IIN through a single layer of DigiLens showing the four direction changes that occur along the path to the exit pupil. Numbers 1 to 7 are attached to the optical path.
Geometric properties of FOV, eyebox and pupil distance

提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイの幾何学的性質が、図74の平面図、図75の側面図、および、図76の正面図に示されている。図77には、FOV、瞳距離、および、アイボックスに対するディジレンズ(登録商標)開口の関係も示される。なお、ディジレンズ(登録商標)開口は、瞳距離に伴って拡大縮小する。
両眼重なり
The near eye geometry of the proposed helmet mounted display is shown in the plan view of FIG. 74, the side view of FIG. 75, and the front view of FIG. FIG. 77 also shows the relationship between FOV, pupil distance, and DigiLens (registered trademark) aperture with respect to the eye box. Note that the DigiLens (registered trademark) aperture scales with the pupil distance.
Binocular overlap

図78および図79に示されるように、部分的な両眼重なりは、収束光学素子または発散光学素子を使用して与えられ得る。いずれの場合にも、両眼重なりは、最大で1.4倍のコントラストの向上を与えることができる。収束重なりは、両眼の対立を回避するためにより良い場合がある。非常に粗いガイドとして、ほとんど広角機能は低い重なりのみを必要とする場合があり、一方、ほとんど拡大機能(一般的には、腕の長さ)は高い重なりを必要とする場合がある。一般に、FOVに関する公表データ対作業成果は、しばしば逸話的であり、あるいは、わずかな特定のサンプルに限定される。1つの適用領域から他の適用領域へのデータの外挿は、危険となり得る。特定のタイプのディスプレイに関してFOVと作業成果との間のトレードオフを検討する研究は存在しない。その結果、アイボックス、幾何学的な歪み、形状因子などの影響が文献に全く反映されない。眼は、衝動性眼球運動範囲(0°から最大で約±10°〜±15°)内にとどまる傾向がある。この範囲から外れると、頭部は、画像を再び中心付けるように移動する傾向がある。頭部追跡器が設けられる場合には、全ての重要な情報はサッカード領域に関するものでなければならない。幾つかの用途は、適切な外周のキュー表示と中心の画質との間の釣り合いを必要とする。ある研究は、両眼重なりが約20°を下回る場合に、ルーニング(重なり領域の縁部付近でのシャドーイング)などの結果をもたらす両眼対立がかなりの数のユーザに関して問題となり始めることを示唆する。20〜25の範囲のHWD重なりが、両眼対立の危険を最小限に抑えつつ水平視野全体を最大するために選択されてきた。
内側瞳孔間距離(IPD)
As shown in FIGS. 78 and 79, partial binocular overlap may be provided using converging or diverging optical elements. In any case, the binocular overlap can give a contrast improvement of up to 1.4 times. Convergence overlap may be better to avoid binocular conflict. As a very rough guide, most wide-angle functions may require only a low overlap, while most magnification functions (typically arm length) may require a high overlap. In general, published data versus work outcomes for FOVs are often anecdotal or limited to a few specific samples. Extrapolation of data from one application area to another application area can be dangerous. There are no studies that consider the trade-off between FOV and work output for a particular type of display. As a result, the effects of eyeboxes, geometric distortions, form factors, etc. are not reflected in the literature at all. The eye tends to stay within the impulsive eye movement range (from 0 ° up to about ± 10 ° to ± 15 °). Beyond this range, the head tends to move to re-center the image. If a head tracker is provided, all important information must be related to the saccade area. Some applications require a balance between proper perimeter cue display and central image quality. One study suggests that binocular rivalry, such as running (shadowing near the edge of the overlap area), will begin to be a problem for a significant number of users when the binocular overlap is below about 20 °. To do. HWD overlap in the range of 20-25 has been selected to maximize the entire horizontal field of view while minimizing the risk of binocular conflict.
Medial interpupillary distance (IPD)

内側瞳孔間距離(IPD)目標は、成人人口の大部分(90%)において内側瞳孔間距離調整を有さないようになっている。成人人口の90%以上が、57mm〜70mm(±6.5mm範囲)の範囲のIPDを有する。眼の横揺れ(eye roll)±20°に起因する瞳位置変化は±4.5mmである。ヘルメット配置/バイザースリップの許容範囲(バジェット)は±6.4mmである。アライメントは、式:アライメント=√[(IPD90%+Eye Roll)2+Slip2]=√[(6.3mm+4.5mm)+6.4mm]=+/−12.5=25.0mm幅広いアイボックスを使用して推定されてもよい。なお、IPDが範囲から外れた人口の10%においては、十分な視野ビジョンが与えられる。最適なアライメントのため、視野の一方側だけが一方の眼のみに関して失われる。他方の眼は、依然として視野の他方側を見る。すなわち、人口の90%が100%の重なりを得る。人口の残りの10%(52mm〜75mmIPDの範囲内)は、IPDおよびディスプレイアライメントに依存する何らかの重なりを伴って視野の100%を得る。結論として、25mm幅のアイボックスは、上記アライメントパラメータをとる調整を何ら伴わずに人口の90%を受け入れることができるようにする。眼に対するバイザー/ヘッドギアのアライメント許容範囲の向上は、必要に応じて、アイボックス寸法の減少を可能にする。これは、後に、システム輝度に対するトレードオフをなすことができる。
低屈折率材料
The medial interpupillary distance (IPD) target is designed to have no medial interpupillary distance adjustment in the majority (90%) of the adult population. More than 90% of the adult population has an IPD in the range of 57 mm to 70 mm (± 6.5 mm range). The change in pupil position due to eye roll ± 20 ° is ± 4.5 mm. The allowable range (budget) of helmet placement / visor slip is ± 6.4 mm. Alignment uses the formula: Alignment = √ [(IPD 90% + Eye Roll) 2 + Slip2] = √ [(6.3 mm + 4.5 mm) 2 +6.4 mm 2 ] = + / − 12.5 = 25.0 mm May be estimated. In 10% of the population whose IPD is out of range, sufficient vision is given. For optimal alignment, only one side of the field is lost for only one eye. The other eye still sees the other side of the field of view. That is, 90% of the population gets 100% overlap. The remaining 10% of the population (within 52mm to 75mm IPD) gets 100% of the field of view with some overlap depending on IPD and display alignment. In conclusion, a 25 mm wide eyebox will be able to accept 90% of the population without any adjustment taking the alignment parameters. Increased alignment tolerance of the visor / headgear to the eye allows for a reduction in eyebox dimensions as needed. This can later make a trade-off for system brightness.
Low refractive index material

効率的な導波は、TIRビームが低屈折率媒体間に閉じ込められる必要がある。フッ化マグネシウム(1.46)や二酸化ケイ素(1.39)などの現在利用できる低屈折率材料の屈折率があまりにも高すぎてHMDのフルカラー実施で必要とされる厳格なTIR角度制約を満たすことができない状態では、空隙を形成して維持することが難しい。提案された解決策は、ナノ多孔性材料(メソ多孔性シリコン)を使用することである。ナノ多孔性材料(例えば、メソ多孔性シリコン)は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波路を含む多くの光学的用途で使用されている。それらの高い多孔性は、高品質で低い誘電定数の薄膜の形成を可能にする。ナノ多孔性材料は、単一のステップで薄層状に形成され得る。非常に低いほぼ1の屈折率を得るために、多孔性を非常に高くして95%に近づける必要がある。高い透明性および低い屈折率は、これらの膜と同時に達成できる。それらの膜は、非常に効率的に吸水するため、水分に抗して注意深くシールされなければならない。最良の手法は、受動格子、HWP、および、材料を一緒にシールすることであってもよい。SBG研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、40°〜約45°の水平FOVを増大させる可能性をもって我々の導波路で維持され得るTIR角度の範囲を増大する。ナノ多孔性材料は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波路を含む多くの光学的用途で使用されている。したがって、我々のプロジェクトのために技術を利用しやすいと想定することは道理にかなっている。製造プロセスは、製造ニーズへと変換可能でなければならない。ナノ多孔性材料を単一のコーティングステップで形成できる。あるいは、屈折率が段階的な多層構造を使用できる。SBG研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、我々の導波路で維持され得るTIR角度の範囲を増大する。
結論
Efficient guiding requires that the TIR beam be confined between low index media. Currently available low refractive index materials such as magnesium fluoride (1.46) and silicon dioxide (1.39) are too high in refractive index to meet the strict TIR angle constraints required for full color implementation of HMD. If this is not possible, it is difficult to form and maintain voids. The proposed solution is to use a nanoporous material (mesoporous silicon). Nanoporous materials (eg, mesoporous silicon) are currently used in many optical applications, including antireflective coatings and planar optical waveguides. Their high porosity allows the formation of high quality and low dielectric constant thin films. Nanoporous materials can be formed into thin layers in a single step. In order to obtain a very low refractive index of approximately unity, the porosity needs to be very high and close to 95%. High transparency and low refractive index can be achieved simultaneously with these films. These membranes absorb water very efficiently and must be carefully sealed against moisture. The best approach may be to seal the passive grating, HWP, and material together. The SBG laboratory is also studying the potential role of nanoporous materials as high refractive index media. This increases the range of TIR angles that can be maintained in our waveguides with the potential to increase the horizontal FOV from 40 ° to about 45 °. Nanoporous materials are currently used in many optical applications including antireflective coatings and planar optical waveguides. Therefore, it makes sense to assume that the technology is accessible for our project. The manufacturing process must be convertible to manufacturing needs. Nanoporous materials can be formed in a single coating step. Alternatively, a multilayer structure with a stepped refractive index can be used. The SBG laboratory is also studying the potential role of nanoporous materials as high refractive index media. This increases the range of TIR angles that can be maintained in our waveguide.
Conclusion

特許、特許出願、論文、本、専門書、および、ウェブページを含むがこれらに限定されないこの出願で挙げられた全ての文献および同様の資料は、そのような文献および同様の資料の書式にかかわらず、その全体が参照することにより明確に本願に組み入れられる。組み入れられた文献および同様の資料のうちの1つ以上が、所定の用語、用語使用、記載される技術、あるいは、同様のものに限定されないがこれらを含めて、この出願と異なるあるいはこの出願と矛盾する場合には、この出願が優先する。   All documents and similar materials cited in this application, including but not limited to patents, patent applications, papers, books, technical books, and web pages, are subject to the format of such documents and similar materials. Rather, the entirety of which is expressly incorporated herein by reference. One or more of the incorporated literature and similar materials may differ from this application, including, but not limited to, certain terms, terminology, techniques described, or the like. In case of conflict, this application will prevail.

本技術を様々な実施形態および実施例と併せて説明してきたが、本教示内容がそのような実施形態または実施例に限定されることは意図されない。それどころか、本教示内容は、当業者であれば分かるように、様々な置き換え、変更、および、等価物を包含する。   Although the present technology has been described in conjunction with various embodiments and examples, it is not intended that the present teachings be limited to such embodiments or examples. On the contrary, the present teachings encompass various substitutions, modifications, and equivalents, as will be appreciated by those skilled in the art.

様々な本発明の実施形態を本明細書中で説明して図示してきたが、当業者は、本明細書中に記載される機能を果たすためおよび/または本明細書中に記載される結果を得るためおよび/または本明細書中に記載される利点のうちの1つ以上を得るための様々な他の手段および/または構造を容易に想起し、また、そのような変形および/または変更のそれぞれは、本明細書中に記載される本発明の実施形態の範囲内に入ると考えられる。より一般的には、当業者であれば容易に分かるように、本明細中に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、および、形態は、典型的なものであると意図され、実際のパラメータ、寸法、材料、および/または、形態は、本発明の教示内容が使用される特定の1つ以上の用途に依存する。当業者は、本明細書中に記載される特定の本発明の実施形態と同等の多くの等価物を認識する。したがって、言うまでもなく、前述の実施形態は単なる一例として与えられ、また、添付の特許請求項およびその等価物の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に説明されて特許請求の範囲に記載される以外のやり方で実施されてもよい。本開示の本発明の実施形態は、本明細書中に記載されるそれぞれの個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および/または、方法へと向けられる。また、2つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および/または、方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および/または、方法が互いに矛盾しなければ、本開示の本発明の範囲内に含まれる。   While various embodiments of the invention have been described and illustrated herein, one of ordinary skill in the art will understand that the functions described herein may be performed and / or the results described herein. Various other means and / or structures to easily obtain and / or obtain one or more of the advantages described herein are easily recalled, and such variations and / or modifications Each is considered to be within the scope of the embodiments of the invention described herein. More generally, as will be readily appreciated by those skilled in the art, all parameters, dimensions, materials, and configurations described herein are intended to be exemplary and actual parameters The dimensions, materials, and / or forms may depend on the particular application or applications in which the teachings of the invention are used. Those skilled in the art will recognize many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Therefore, it is to be understood that the foregoing embodiments are given by way of example only, and that, within the scope of the appended claims and their equivalents, embodiments of the present invention have been specifically described and are within the scope of the claims. It may be implemented in ways other than those described. Inventive embodiments of the present disclosure are directed to each individual feature, system, article, material, kit, and / or method described herein. Also, any combination of two or more such features, systems, articles, materials, kits, and / or methods is such that such features, systems, articles, materials, kits, and / or methods are mutually related. If not inconsistent, they are included in the scope of the present disclosure.

また、本明細書中に記載される技術が方法として具現化されてもよく、そのような方法の少なくとも1つの実施例は与えられてしまっている。方法の一部として行われる行為は、任意の適した方法で順序付けられてもよい。したがって、例示された順序と異なる順序で行為が行われる実施形態が構成されてもよく、そのような実施形態は、例示された実施形態で連続的な行為として示される場合であっても、幾つかの行為を同時に行うことを含んでもよい。   Also, the techniques described herein may be embodied as a method, and at least one embodiment of such a method has been given. The acts performed as part of the method may be ordered in any suitable manner. Accordingly, embodiments may be configured in which acts are performed in a different order than the illustrated order, and such embodiments may be implemented in any number of ways, even if shown as a continuous act in the illustrated embodiment. It may also include performing these actions simultaneously.

本明細書中で規定されて使用される全ての定義は、辞書の定義、参照により組み入れられる文献中における定義、および/または、規定された用語の普通の意味に優って支配するように理解されるべきである。   All definitions defined and used herein are understood to govern over dictionary definitions, definitions in the literature incorporated by reference, and / or the ordinary meaning of the defined terms. Should be.

明細書および特許請求の範囲においてここで使用される不定冠詞「1つの(a)」および「1つの(an)」は、反対のことが明確に示唆されなければ、「少なくとも1つ」を意味するように理解されるべきである。本明細書中に挙げられる任意の範囲は包括的である。   The indefinite articles "a" and "an" as used herein in the specification and claims mean "at least one" unless the contrary is clearly suggested. Should be understood to do. Any ranges listed herein are inclusive.

この明細書の全体にわたって使用される用語「ほぼ」および「約」は、わずかな変動を表わして考慮に入れるために使用される。例えば、それらの用語は、±5%以下、例えば±2%以下、例えば±1%以下、例えば±0.5%以下、例えば±0.2%以下、例えば±0.1%以下、例えば±0.05%以下を示すことができる。   The terms “approximately” and “about” as used throughout this specification are used to represent and take into account slight variations. For example, the terms are ± 5% or less, such as ± 2% or less, such as ± 1% or less, such as ± 0.5% or less, such as ± 0.2% or less, such as ± 0.1% or less, such as ± 0.05% or less can be shown.

明細書および特許請求の範囲においてここで使用される語句「および/または」は、そのように結合される要素、すなわち、幾つかのケースでは接続的に存在しかつ他のケースでは離接的に存在する要素の「一方または両方」を意味するように理解されるべきである。「および/または」を用いて記載される複数の要素は、同じ態様で、すなわち、そのように結合される要素のうちの「1つ以上」として解釈されるべきである。随意的に、「および/または」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関連するかあるいは関連しないかどうかにかかわらず存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「備える」などの非制約的言語と併せて使用されるときの「Aおよび/またはB」への言及は、1つの実施形態ではAのみ(随意的にB以外の要素を含む)を示し、他の実施形態ではBのみ(随意的にA以外の要素を含む)を示し、更なる他の実施形態ではAおよびBの両方(随意的に他の要素を含む)を示すことができる。   As used herein in the specification and in the claims, the phrase “and / or” refers to the elements so coupled, ie, in some cases connected, and in others disconnected. It should be understood to mean “one or both” of the elements present. Multiple elements described with “and / or” should be construed in the same manner, ie, “one or more” of the elements so conjoined. Optionally, other elements than those specifically identified by the “and / or” clause may be present whether or not related to those elements specifically identified. Good. Thus, as a non-limiting example, a reference to “A and / or B” when used in conjunction with an unconstrained language such as “comprising” is only A (optionally B) in one embodiment. In other embodiments, only B (optionally including elements other than A) is shown, and in still other embodiments both A and B (optionally including other elements) are shown. Including).

明細書および特許請求の範囲においてここで使用される「または」は、先に規定された「および/または」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離するときには、「または」あるいは「および/または」は、包括的に解釈されるべきであり、すなわち、多くの要素または要素のリストのうちの少なくとも1つを含むが複数も含むように、および、随意的には更なるリストに挙げられていない項目も含むように解釈されるべきである。「のうちの1つのみ」または「のうちの正確に1つ」、あるいは、特許請求の範囲で使用されるときの「からなる」などの反対のことが明確に示唆される用語だけは、多くの要素または要素のリストのうちの正確に1つを含むことを示す。一般に、本明細書中で使用される用語「または」は、「いずれか」、「のうちの1つ」、「のうちの1つのみ」、または、「のうちの正確に1つ」などの排他性の用語により先行されるときには、排他的な選択肢(すなわち、1つまたはその他であるが両方ではない)を示すとしてのみ解釈されるべきである。特許請求の範囲で使用されるときの「から本質的になる」は、特許法の領域で使用されるその通常の意味を有するべきである。   As used herein in the specification and in the claims, “or” should be understood to have the same meaning as “and / or” as defined above. For example, when separating items in a list, “or” or “and / or” should be construed comprehensively, ie include at least one of many elements or lists of elements. It should be construed to include a plurality, and optionally to include items not listed further. Only terms explicitly suggesting the opposite, such as “only one of” or “exactly one of” or “consisting of” when used in the claims, Indicates to contain exactly one of many elements or lists of elements. In general, the term “or” as used herein is “any”, “one of”, “only one of”, “exactly one of”, etc. Should be construed only as indicating an exclusive option (ie, one or the other but not both). “Consisting essentially of” as used in the claims should have its ordinary meaning as used in the field of patent law.

1つ以上の要素のリストに関連して明細書および特許請求の範囲においてここで使用される語句「少なくとも1つ」は、要素のリスト内の任意の1つ以上の要素から選択される少なくとも1つの要素を意味するように理解されるべきであるが、必ずしも要素のリスト内で具体的に挙げられたそれぞれ要素および全ての要素のうちの少なくとも1つを含まず、また、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除しない。また、この定義は、「少なくとも1つ」が参照する要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連するかあるいは関連しないかどうかにかかわらず随意的に存在してもよいことを許容する。したがって、非限定的な例として、「AおよびBのうちの少なくとも1つ」(または、同等に、「AまたはBのうちの少なくとも1つ」、または、同等に、「Aおよび/またはBのうちの少なくとも1つ」)は、1つの実施形態ではBが存在しない状態で随意的に複数を含む(随意的にはB以外の要素を含む)少なくとも1つのAを示すことができ、他の実施形態ではAが存在しない状態で随意的に複数を含む(随意的にはA以外の要素を含む)少なくとも1つのBを示すことができ、更なる他の実施形態では随意的に複数を含む少なくとも1つのA、および、随意的に複数を含む少なくとも1つのB(随意的に他の要素を含む)を示すことができる、などである。   The phrase “at least one” as used herein in the specification and claims in connection with a list of one or more elements is at least one selected from any one or more elements in the list of elements. Should be understood to mean one element, but does not necessarily include at least one of each and every element specifically listed in the list of elements, and Do not exclude any combination of elements. This definition also applies regardless of whether an element other than the element specifically identified in the list of elements referenced by “at least one” is related to or not related to the element specifically identified. Allow that it may optionally be present. Thus, as a non-limiting example, “at least one of A and B” (or equivalently, “at least one of A or B”, or equivalently “of A and / or B At least one of them ”) can indicate at least one A optionally including a plurality (optionally including elements other than B) in the absence of B in one embodiment, In embodiments, at least one B can optionally be shown (optionally including elements other than A) in the absence of A, and in still other embodiments, optionally included. At least one A and optionally at least one B (optionally including other elements) can be shown, etc.

特許請求の範囲において、および、前記明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含む」、「伴う」、「保持する」、「から構成される」、および、同様のものなどの全ての移行句は、非制約的に、すなわち、を含むがこれに限定されないという意味で理解されなければならない。移行句「からなる」および「から本質的になる」だけが、特許審査手続きの米国特許庁マニュアルの節2111.03に記載されるように、閉鎖的移行句または半閉鎖的移行句のそれぞれでなければならない。   In the claims and in the specification, “comprising”, “including”, “carrying”, “having”, “including”, “with”, “holding”, “consisting of”, And all transition phrases, such as the like, should be understood in a non-constraining manner, ie, including but not limited to. Only the transitional phrases “consisting of” and “consisting essentially of” are not included in each of the closed transitional or semi-closed transitional phrases, as described in Section 2111.03 of the US Patent Office Manual of Patent Examination Procedures. There must be.

特許請求の範囲は、その趣旨で述べられなければ、記載された順序または要素に限定されるように読み取られるべきではない。言うまでもなく、添付の特許請求の範囲および思想から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が当業者によりなされてもよい。以下の特許請求項およびその等価物の思想および範囲内に入る全ての実施形態が要求される。
The claims should not be read as limited to the described order or elements unless stated to that effect. It will be appreciated that various changes in form and detail may be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the appended claims. All embodiments that fall within the spirit and scope of the following claims and their equivalents are required.

Claims (21)

画像を表示するための装置において、
光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第1の光学基板であって、前記第1の光学基板の少なくとも1つの前記導波層が、光を前記第1の光学基板から前記第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第1の光学基板と、
光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第2の光学基板であって、前記第2の光学基板の少なくとも1つの前記導波層が、光を前記第2の光学基板から前記第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第2の光学基板と
を備え、
前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板が受動モードのSBGを備える装置。
In an apparatus for displaying an image,
A first optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate light in a first direction, wherein at least one of the waveguide layers of the first optical substrate transmits light to the A first optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract from the first optical substrate along the first direction;
A second optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate light in a second direction, wherein at least one waveguide layer of the second optical substrate transmits light to the A second optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract from the second optical substrate along the second direction;
The apparatus in which at least one of the lattice laminae of at least one of the first and second optical substrates comprises a passive mode SBG.
前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの導波路が複数の格子薄板を備え、前記複数の格子薄板のうちの少なくとも2つが同じ表面格子周波数を有する請求項1に記載の装置。   The at least one waveguide of at least one of the first and second optical substrates comprises a plurality of grating thin plates, and at least two of the plurality of grating thin plates have the same surface grating frequency. Equipment. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板は、順方向モードおよび逆方向モードのうちの少なくとも一方のHPDLC、POLICRYPS、POLIPHEM、および、SVHOEのうちの少なくとも1つに記録される非切り換えブラッグ格子を備える請求項1に記載の装置。   At least one of the grating thin plates of at least one of the first and second optical substrates is at least one of HPDLC, POLICRYPS, POLIPHEM, and SVHOE of at least one of a forward mode and a reverse mode. 2. The apparatus of claim 1 comprising a non-switching Bragg grating recorded on one. 前記第1および第2の光学基板の両方が受動モードのSBGを備える請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein both the first and second optical substrates comprise passive mode SBGs. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、前記複数の導波層のそれぞれは、赤色光、緑色光、青色光、青色/緑色混合光、および、複数の部分視野(FOV)のうちの1つ、のうちの少なくとも1つを伝搬するように構成される請求項1に記載の装置。   At least one of the first and second optical substrates includes a plurality of waveguide layers, and each of the plurality of waveguide layers includes red light, green light, blue light, blue / green mixed light, and The apparatus of claim 1, configured to propagate at least one of one of a plurality of partial fields of view (FOV). 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの導波層は、重ね合わされた異なる色処方を伴うホログラムを備える請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein at least one waveguide layer of at least one of the first and second optical substrates comprises a hologram with different color prescriptions superimposed. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方における少なくとも1つの導波層が損失性である請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein at least one waveguide layer in at least one of the first and second optical substrates is lossy. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板は、約3ミクロン未満の厚さを有する請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the at least one grating lamina of at least one of the first and second optical substrates has a thickness of less than about 3 microns. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化する厚さを有する請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein at least one of the lattice sheets of at least one of the first and second optical substrates has a thickness that varies along a respective light propagation direction. 請求項1の装置を備えるデバイスであって、前記デバイスがHMD、HUD、および、HDDのうちの少なくとも1つの一部であるデバイス。   A device comprising the apparatus of claim 1, wherein the device is part of at least one of an HMD, a HUD, and an HDD. 画像を表示するための装置において、
画像変調光を与えるための入力画像ノードと、
変調光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第1の光学基板であって、前記第1の光学基板の少なくとも1つの前記導波層が、変調光を前記第1の光学基板から前記第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第1の光学基板と、
変調光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備える第2の光学基板であって、前記第2の光学基板の少なくとも1つの前記導波層が、変調光を前記第2の光学基板から前記第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備える第2の光学基板と
を備え、
前記第1の光学基板の少なくとも1つの前記格子薄板は、変調光を第1の光学基板へ結合するように構成され、
前記第2の光学基板の少なくとも1つの前記格子薄板は、前記第1の光学基板から抽出される変調光を前記第2の光学基板へ結合するように構成され、
前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化するkベクトルを有する装置。
In an apparatus for displaying an image,
An input image node for providing image modulated light;
A first optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate modulated light in a first direction, the at least one waveguide layer of the first optical substrate comprising modulated light A first optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract from the first optical substrate along the first direction;
A second optical substrate comprising at least one waveguide layer configured to propagate modulated light in a second direction, wherein at least one waveguide layer of the second optical substrate is modulated light A second optical substrate comprising at least one grating lamina configured to extract from the second optical substrate along the second direction;
At least one grating lamina of the first optical substrate is configured to couple modulated light to the first optical substrate;
At least one of the grating thin plates of the second optical substrate is configured to couple modulated light extracted from the first optical substrate to the second optical substrate;
The apparatus wherein at least one of the grating thin plates of at least one of the first and second optical substrates has a k-vector that varies along a respective light propagation direction.
前記入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子のうちの少なくとも1つを備える請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein the input image node comprises at least one of a microdisplay, a laser, and a collimating optical element. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板が変化する厚さを有する請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein at least one of the lattice sheets of at least one of the first and second optical substrates has a varying thickness. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板は、切り換えモードまたは受動モードにあるSBGを備える請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein at least one of the grating laminae of at least one of the first and second optical substrates comprises an SBG that is in a switching mode or a passive mode. 前記第1または第2の光学基板のうちの少なくとも一方における少なくとも1つの前記格子薄板は、少なくとも2つの異なる単色処方の多重格子を備える請求項11に記載の装置。   12. The apparatus of claim 11, wherein at least one of the grating lamellas in at least one of the first or second optical substrates comprises a multi-grating of at least two different monochromatic recipes. 同じ表面格子周波数を有するが異なるkベクトルを有する複数の格子薄板を備え、前記複数の格子薄板は、入力画像視野を複数の角度間隔へと分割するように構成される請求項11に記載の装置。   12. The apparatus of claim 11, comprising a plurality of grating lamellas having the same surface grating frequency but different k vectors, wherein the plurality of grating lamellas are configured to divide the input image field into a plurality of angular intervals. . 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方が少なくとも1つの直交面内で湾曲される請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein at least one of the first and second optical substrates is curved in at least one orthogonal plane. 前記第1および第2の光学基板から抽出される光は、任意の視野方向で均一の照明を行う請求項11に記載の装置。   The apparatus according to claim 11, wherein the light extracted from the first and second optical substrates performs uniform illumination in an arbitrary viewing direction. 画像を表示する方法であって、
入力画像からの変調光を第1の光学基板へ結合するステップと、
前記第1の光学基板から光を抽出するステップと、
前記第1の光学基板から抽出された光を第2の光学基板へ結合するステップと
を備え、
前記第1の光学基板は、光を第1の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備え、前記第1の光学基板の少なくとも1つの前記導波層は、光を前記第1の光学基板から前記第1の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備え、
前記第2の光学基板は、光を第2の方向で伝搬するように構成される少なくとも1つの導波層を備え、前記第2の光学基板の少なくとも1つの前記導波層は、光を前記第2の光学基板から前記第2の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも1つの格子薄板を備え、
前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板が受動モードのSBGを備える方法。
A method of displaying an image,
Coupling modulated light from an input image to a first optical substrate;
Extracting light from the first optical substrate;
Coupling the light extracted from the first optical substrate to a second optical substrate;
The first optical substrate includes at least one waveguide layer configured to propagate light in a first direction, and the at least one waveguide layer of the first optical substrate transmits light to the Comprising at least one grating lamina configured to extract from a first optical substrate along the first direction;
The second optical substrate comprises at least one waveguide layer configured to propagate light in a second direction, and the at least one waveguide layer of the second optical substrate transmits light to the Comprising at least one grating lamina configured to extract along a second direction from a second optical substrate;
The method wherein at least one of the grating laminae of at least one of the first and second optical substrates comprises a passive mode SBG.
入力画像を複数の角度間隔へとサンプリングするステップを更に備え、前記複数の角度間隔のそれぞれは、瞳全体のサイズの一部分である有効射出瞳を有する請求項19に記載の方法。   20. The method of claim 19, further comprising sampling the input image into a plurality of angular intervals, each of the plurality of angular intervals having an effective exit pupil that is a portion of the overall pupil size. 前記第1および第2の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも1つの前記格子薄板の以下のうちの少なくとも1つ、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、kベクトル、表面格子周期、および、ホログラム基板屈折率差のうちの少なくとも1つを変更することによって画像の表示を向上させるステップを更に備える請求項19に記載の方法。
At least one of at least one of the grating sheets of at least one of the first and second optical substrates: grating thickness, refractive index modulation, k vector, surface grating period, and hologram The method of claim 19, further comprising improving display of the image by changing at least one of the substrate refractive index differences.
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