JP2019534478A - Method and system for wide field of view display using a scanning reflector - Google Patents

Method and system for wide field of view display using a scanning reflector Download PDF

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Abstract

画像表示システムは、第1の光ビームおよび第2の光ビームを発するように構成される、光学サブシステムを含み、第1の光ビームは、複合視野の第1の部分を照明し、第2のビームは、複合視野の第2の部分を照明する。走査ミラーが、第1の光ビームおよび第2の光ビームを捕捉し、反射するように位置付けられる。本システムはまた、導波管の中へ第1の光ビームおよび第2の光ビームを受け取るための少なくとも1つの入力結合光学要素を伴う導波管も有する。導波管はまた、導波管から、第1の光ビームおよび第2の光ビームから導出される複数の出力光ビームを投影し、複合視野を照明するための出力結合光学要素も有する。The image display system includes an optical subsystem configured to emit a first light beam and a second light beam, the first light beam illuminating a first portion of the composite field of view and a second light beam. Beam illuminates the second part of the composite field of view. A scanning mirror is positioned to capture and reflect the first light beam and the second light beam. The system also has a waveguide with at least one input coupling optical element for receiving the first light beam and the second light beam into the waveguide. The waveguide also has an output coupling optical element for projecting a plurality of output light beams derived from the first light beam and the second light beam from the waveguide to illuminate the composite field of view.

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2016年10月28日に出願された米国仮特許出願第62/414,484号、2017年7月14日に出願された米国仮特許出願第62/532,968号、および2017年8月14日に出願された米国仮特許出願第62/545,243号に対する優先権を主張するものであり、これらの全ての内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書中に援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application includes US Provisional Patent Application No. 62 / 414,484, filed October 28, 2016, US Provisional Patent Application No. 62 / 532,968, filed July 14, 2017, and 2017. And claims priority to US Provisional Patent Application No. 62 / 545,243, filed Aug. 14, the entire contents of which are hereby incorporated by reference for all purposes. The

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でウェアラブルデバイスにおいてユーザに提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「VR」シナリオは、典型的には、他の実際の現実世界視覚入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「AR」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。   Modern computing and display technology is a so-called “virtual” where a digitally reproduced image or part thereof is presented to the user in a wearable device in a manner that appears to be real or can be perceived as such. Facilitates the development of systems for "real" or "augmented reality" experiences. Virtual reality, or “VR” scenarios, typically involve the presentation of digital or virtual image information without transparency to other real world visual inputs, and augmented reality, or “AR”. Scenarios typically involve the presentation of digital or virtual image information as an extension of the visualization of the real world around the user.

ウェアラブルデバイスは、拡張および/または仮想現実眼鏡を含んでもよい。画像は、画像フレームまたはラスタ走査画像を使用して表示されることができる。走査画像表示システムでは、光ビームはそれぞれ、画像のピクセルを定義する。2つの直交軸においてミラーを走査することによって、2次元視野(FOV)が作成されることができる。画像は、導波管ベースの接眼レンズおよび光ファイバ等の他の光学要素を含み得る、眼鏡のレンズ上に投影されることができる。画像表示システムは、眼鏡のフレームの左右側のそれぞれの上に搭載されることができる。   The wearable device may include augmented and / or virtual reality glasses. The image can be displayed using an image frame or a raster scanned image. In a scanned image display system, each light beam defines an image pixel. By scanning the mirror in two orthogonal axes, a two-dimensional field of view (FOV) can be created. The image can be projected onto a spectacle lens, which may include other optical elements such as waveguide-based eyepieces and optical fibers. The image display system can be mounted on each of the left and right sides of the glasses frame.

仮想現実または拡張現実用途用のウェアラブルデバイス内の従来の走査画像ディスプレイは、多くの場合、走査ミラーが走査運動の限定された範囲および光学要素の配列の設計制約を有するので、限定された視野を有する。しかしながら、本配列は、望ましくないものであり得る、より大きいデバイスサイズにつながり得る。本発明の実施形態は、小さいデバイス形状因子を維持しながら、広い視野を伴う走査画像表示システムを提供する。いくつかの実施形態では、より広い視野は、同時に複数の入射光ビームを走査し、個々の視野をより広い複合視野に合体させることによって達成されることができる。   Conventional scanned image displays in wearable devices for virtual or augmented reality applications often have a limited field of view because the scanning mirror has a limited range of scanning motion and design constraints on the arrangement of optical elements. Have. However, this arrangement can lead to larger device sizes, which can be undesirable. Embodiments of the present invention provide a scanned image display system with a wide field of view while maintaining a small device form factor. In some embodiments, a wider field of view can be achieved by scanning multiple incident light beams simultaneously and coalescing individual fields into a wider composite field of view.

本発明の実施形態は、概して、画像表示システムに関する。本発明のいくつかの実施形態によると、画像表示システムは、2つ以上の入射光ビームを受け取り、複数の反射光ビームを提供するための走査ミラーを含む。複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野内で画像を提供するように構成される。画像表示システムはまた、入力結合光学要素と、出力結合光学要素とを有する、導波管も含む。入力結合光学要素は、導波管の中へ複数の反射光ビームを結合するために構成される。出力結合光学要素は、導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野内に投影画像を形成するために構成される。   Embodiments of the present invention generally relate to an image display system. According to some embodiments of the present invention, the image display system includes a scanning mirror for receiving two or more incident light beams and providing a plurality of reflected light beams. Each of the plurality of reflected light beams is configured to provide an image within a separate field of view. The image display system also includes a waveguide having an input coupling optical element and an output coupling optical element. The input coupling optical element is configured to couple a plurality of reflected light beams into the waveguide. The output coupling optical element is configured to project a plurality of output light beams from the waveguide to form a projected image in the composite field of view.

本発明のいくつかの実施形態によると、画像表示システムは、第1の光ビームおよび第2の光ビームを発するように構成される、光学サブシステムを含み、第1の光ビームは、複合視野の第1の部分を照明し、第2のビームは、複合視野の第2の部分を照明する。走査ミラーが、第1の光ビームおよび第2の光ビームを捕捉し、反射するように位置付けられる。本システムはまた、導波管の中へ第1の光ビームおよび第2の光ビームを受け取るための少なくとも1つの入力結合光学要素を伴う導波管も有する。導波管はまた、導波管から、第1の光ビームおよび第2の光ビームから導出される複数の出力光ビームを投影し、複合視野を照明するための出力結合光学要素も有する。   According to some embodiments of the invention, an image display system includes an optical subsystem configured to emit a first light beam and a second light beam, the first light beam comprising a composite field of view. And the second beam illuminates the second portion of the composite field of view. A scanning mirror is positioned to capture and reflect the first light beam and the second light beam. The system also has a waveguide with at least one input coupling optical element for receiving the first light beam and the second light beam into the waveguide. The waveguide also has an output coupling optical element for projecting a plurality of output light beams derived from the first light beam and the second light beam from the waveguide to illuminate the composite field of view.

いくつかの実施形態では、画像表示システムはまた、走査ミラーから導波管の反対側に配置される2つ以上のRGB(赤・青・緑)コンバイナも含む。RGBコンバイナは、異なる入射角を有する、2つ以上の入射光ビームを提供するように構成される。入力結合光学要素は、入射光ビームが導波管を通過して走査ミラーに到達することを可能にするように構成される。入力結合光学要素はまた、導波管の中へ反射光ビームを結合するように構成される。   In some embodiments, the image display system also includes two or more RGB (red / blue / green) combiners located on the opposite side of the waveguide from the scanning mirror. The RGB combiner is configured to provide two or more incident light beams having different incident angles. The input coupling optical element is configured to allow the incident light beam to pass through the waveguide and reach the scanning mirror. The input coupling optical element is also configured to couple the reflected light beam into the waveguide.

画像表示システムのいくつかの実施形態では、2つ以上のRGBコンバイナは、異なる入射角を有する2つ以上の入射光ビームを提供するように、走査ミラーに対して異なる角度で配置される。   In some embodiments of the image display system, the two or more RGB combiners are arranged at different angles with respect to the scanning mirror to provide two or more incident light beams having different incident angles.

代替実施形態では、2つ以上のRGBコンバイナは、走査ミラーに対して同一の角度で配置され、画像表示システムはさらに、異なる入射角を有する、2つ以上の光ビームを提供するための反射光学要素を含む。   In an alternative embodiment, the two or more RGB combiners are arranged at the same angle with respect to the scanning mirror, and the image display system further includes reflective optics for providing two or more light beams having different angles of incidence. Contains elements.

いくつかの実施形態では、入力結合光学要素は、偏光感受性回折入力結合格子(ICG)である。   In some embodiments, the input coupling optical element is a polarization sensitive diffractive input coupling grating (ICG).

いくつかの実施形態では、画像表示システムはまた、入射ビームを、入力結合要素が透過型である偏光に変換するように、走査ミラーと導波管との間に配置される偏光制御要素も含む。   In some embodiments, the image display system also includes a polarization control element disposed between the scanning mirror and the waveguide to convert the incident beam into polarized light that is transmissive to the input coupling element. .

いくつかの実施形態では、画像表示システムはまた、導波管と2つ以上のRGBコンバイナとの間に配置される偏光制御要素も含む。偏光要素は、入射光ビームを第1の偏光状態に変換するように構成され、走査ミラーは、第1の円偏光状態を第2の円偏光状態に変換するように構成される。偏光感受性入力結合光学要素は、第1の円偏光状態の光が通過することを可能にするように構成され、かつ導波管の中へ第2の円偏光状態の光を結合するように構成される。   In some embodiments, the image display system also includes a polarization control element disposed between the waveguide and the two or more RGB combiners. The polarizing element is configured to convert the incident light beam to a first polarization state, and the scanning mirror is configured to convert the first circular polarization state to a second circular polarization state. The polarization sensitive input coupling optical element is configured to allow light in a first circular polarization state to pass through and configured to couple light in a second circular polarization state into the waveguide Is done.

いくつかの実施形態では、画像表示システムはまた、走査ミラーに対して導波管と同一側に配置される、2つ以上のRGBコンバイナも含む。2つ以上のRGBコンバイナは、異なる入射角を有する、2つ以上の入射光ビームを提供する。画像表示システムはまた、走査ミラーに隣接して配置される4分の1波長板と、4分の1波長板と導波管との間に配置される偏光感受性ビームスプリッタとを含む。偏光感受性ビームスプリッタは、RGBコンバイナから4分の1波長板を通して走査ミラーに向かって2つ以上の入射光ビームを指向するように構成され、走査ミラーから反射される光ビームは、4分の1波長板および偏光感受性ビームスプリッタを通して伝搬するように構成され、入力結合光学要素によって導波管の中へ結合される。   In some embodiments, the image display system also includes two or more RGB combiners that are located on the same side of the waveguide as the scanning mirror. Two or more RGB combiners provide two or more incident light beams with different angles of incidence. The image display system also includes a quarter wave plate disposed adjacent to the scanning mirror and a polarization sensitive beam splitter disposed between the quarter wave plate and the waveguide. The polarization sensitive beam splitter is configured to direct two or more incident light beams from the RGB combiner through the quarter wave plate toward the scanning mirror, and the light beam reflected from the scanning mirror is a quarter. It is configured to propagate through a waveplate and a polarization sensitive beam splitter and is coupled into the waveguide by input coupling optics.

本発明のいくつかの実施形態によると、画像表示システムは、波長および/または偏光によって区別される複数の成分を含む、コリメートされた入射光ビームを出力する、画像変調光源を含む。画像表示システムはまた、コリメートされた入射光ビームを受け取り、回折によってビーム成分を角度分離するための回折表面を伴う走査ミラーも含む。複数の反射および回折ビーム成分はそれぞれ、個別の視野内で画像を提供するように構成される。画像表示システムはまた、導波管の中へ複数の反射光ビームを結合するための入力結合光学要素と、導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野を用いて投影画像を形成するための出力結合光学要素とを有する、導波管も含む。   According to some embodiments of the present invention, an image display system includes an image modulated light source that outputs a collimated incident light beam that includes a plurality of components distinguished by wavelength and / or polarization. The image display system also includes a scanning mirror with a diffractive surface for receiving the collimated incident light beam and angularly separating the beam components by diffraction. Each of the plurality of reflected and diffracted beam components is configured to provide an image within a separate field of view. The image display system also projects an input coupling optical element for combining multiple reflected light beams into the waveguide and multiple output light beams from the waveguide to form a projected image using a composite field of view. And a waveguide having an output coupling optical element.

本発明のいくつかの実施形態によると、画像を表示するための方法は、2つ以上の角度で2つ以上の入力光ビームを走査ミラーに衝突させるステップを含む。本方法は、2つ以上の入力光ビームを走査し、複数の反射光ビームを提供するステップを含む。複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。複数の反射光ビームは、導波管内で受け取られ、導波管は、導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野(FOV)内で投影画像を形成する。本方法のいくつかの実施形態では、複合視野は、2つ以上の入力光ビームのそれぞれによって提供されるFOVよりも広い。複合FOV内の画像は、入力光ビームのそれぞれからの画像を含む、タイル状画像であることができる。   According to some embodiments of the invention, a method for displaying an image includes impinging two or more input light beams onto a scanning mirror at two or more angles. The method includes scanning two or more input light beams to provide a plurality of reflected light beams. Each of the plurality of reflected light beams is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). A plurality of reflected light beams are received in the waveguide, and the waveguide projects a plurality of output light beams from the waveguide to form a projected image in a composite field of view (FOV). In some embodiments of the method, the composite field of view is wider than the FOV provided by each of the two or more input light beams. The images in the composite FOV can be tiled images that include images from each of the input light beams.

付加的特徴、利益、および実施形態が、詳細な説明、図面、および特許請求の範囲において下記に説明される。   Additional features, benefits, and embodiments are described below in the detailed description, drawings, and claims.

図1は、本発明のいくつかの実施形態による、画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 1 is a simplified schematic diagram illustrating an image display system according to some embodiments of the present invention. 図2A−2Cは、本発明のいくつかの実施形態による、画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。2A-2C are simplified schematic diagrams illustrating an image display system, according to some embodiments of the present invention. 図3は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 3 is a simplified schematic diagram illustrating an image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. 図4は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を図示する簡略化された概略図である。FIG. 4 is a simplified schematic diagram illustrating a compound field of view (FOV), according to some embodiments of the present invention. 図5は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 5 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV), according to some embodiments of the present invention. 図6Aは、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 6A is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. 図6Bは、図6Aの画像表示システム600の一部を図示する、簡略化された概略図である。FIG. 6B is a simplified schematic diagram illustrating a portion of the image display system 600 of FIG. 6A. 図7は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 7 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. 図8は、全視野の象限を別個に照明するために、独立して変調されたビーム成分を角度分離する、偏光およびスペクトル的に選択的な液晶材料の複数の層を持つ走査ミラーを使用する、表示システムの概略図である。FIG. 8 uses a scanning mirror with multiple layers of polarized and spectrally selective liquid crystal material that angularly separates independently modulated beam components to separately illuminate the full field quadrant It is the schematic of a display system. 図9は、本発明のいくつかの実施形態による、画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。FIG. 9 is a simplified schematic diagram illustrating an image display system, according to some embodiments of the present invention. 図10は、本発明のいくつかの実施形態による、別の画像表示システムを図示する、簡略化された概略図である。FIG. 10 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system, according to some embodiments of the present invention. 図11は、本発明のいくつかの実施形態による、別の画像表示システムを図示する、簡略化された概略図である。FIG. 11 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system, according to some embodiments of the present invention. 図12は、画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。FIG. 12 is a simplified flowchart illustrating a method for displaying an image. 図13は、本発明のある実施形態による、ライトエンジンの概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram of a light engine according to an embodiment of the present invention. 図14は、本発明の別の実施形態による、ライトエンジンの概略図である。FIG. 14 is a schematic diagram of a light engine according to another embodiment of the present invention. 図15は、図14に示されるライトエンジンの正面図である。FIG. 15 is a front view of the light engine shown in FIG. 図16は、本発明のさらなる実施形態による、4チャネルライトエンジンの上面図である。FIG. 16 is a top view of a four channel light engine according to a further embodiment of the present invention. 図17は、図16に示されるライトエンジンの一部の断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view of a part of the light engine shown in FIG. 図18は、本発明のある実施形態による、導波管表示システムの部分図である。FIG. 18 is a partial view of a waveguide display system according to an embodiment of the present invention. 図19は、図19に示される導波管表示システムの青色ARコーティング、青色ICG、および青色導波管を通した断面立面図である。FIG. 19 is a cross-sectional elevation view through the blue AR coating, blue ICG, and blue waveguide of the waveguide display system shown in FIG. 図20は、本発明のある実施形態による、図19に示される入力結合格子のうちの1つで使用される第1の配向層の概略平面図である。20 is a schematic plan view of a first alignment layer used in one of the input coupled gratings shown in FIG. 19, according to an embodiment of the present invention. 図21は、本発明の一実施形態による、フォトニックチップベースの2RGBカラーチャネルコンバイナおよび関連付けられるレンズの上面図である。FIG. 21 is a top view of a photonic chip-based 2RGB color channel combiner and associated lens, according to one embodiment of the invention. 図22は、本発明の別の実施形態による、フォトニックチップベースの2RGBカラーチャネルコンバイナおよび関連付けられるレンズの上面図である。FIG. 22 is a top view of a photonic chip-based 2RGB color channel combiner and associated lens according to another embodiment of the present invention. 図23は、本発明のある実施形態による、図21および/または図22に示されるコンバイナのうちの2つを含む、4RGBチャネルライトエンジンの正面図である。FIG. 23 is a front view of a 4RGB channel light engine including two of the combiners shown in FIGS. 21 and / or 22 according to an embodiment of the present invention. 図24は、本発明のある実施形態による、4RGBチャネルライトエンジンの上面図である。FIG. 24 is a top view of a 4RGB channel light engine according to an embodiment of the present invention. 図25は、本発明の図24に示される4RGBチャネルライトエンジンの一部の部分断面立面図である。25 is a partial cross-sectional elevation view of a portion of the 4RGB channel light engine shown in FIG. 24 of the present invention. 図26は、本発明の別の実施形態による、4RGBチャネルライトエンジンの上面図である。FIG. 26 is a top view of a 4RGB channel light engine according to another embodiment of the present invention. 図27は、本発明のある実施形態による、拡張現実眼鏡で使用され得る導波管表示システムの概略図である。FIG. 27 is a schematic diagram of a waveguide display system that may be used with augmented reality glasses according to an embodiment of the present invention. 図28は、本発明のある実施形態による、図27に示されるシステムで使用される、走査ミラーおよび入力結合格子の表現とともに3空間デカルト座標系を含む。FIG. 28 includes a three-space Cartesian coordinate system with a representation of the scanning mirror and input coupling grid used in the system shown in FIG. 27, according to an embodiment of the invention. 図29は、本発明のある実施形態による、図27に示されるシステム内の走査ミラー上で使用され得る、6層偏光応答性液晶格子の概略図である。FIG. 29 is a schematic diagram of a six-layer polarization-responsive liquid crystal grating that can be used on the scanning mirror in the system shown in FIG. 27, according to an embodiment of the invention. 図30は、本発明のある実施形態による、図29に示される多層選択的液晶格子を使用して、図27に示されるシステムによって生成される、異なる偏光状態にそれぞれ起因する、2つの領域中の走査角を含むグラフである。FIG. 30 illustrates in two regions, each resulting from different polarization states produced by the system shown in FIG. 27 using the multilayer selective liquid crystal grating shown in FIG. 29, according to an embodiment of the present invention. It is a graph containing the scanning angle of. 図31は、本発明のある実施形態による、拡張現実眼鏡で使用され得る導波管表示システムの概略図である。FIG. 31 is a schematic diagram of a waveguide display system that may be used with augmented reality glasses according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態は、従来の表示システムよりも広い視野(FOV)を提供し得る、ウェアラブルデバイスのための画像表示システムおよび方法を対象とする。   Embodiments of the present invention are directed to image display systems and methods for wearable devices that can provide a wider field of view (FOV) than conventional display systems.

図1は、本発明のいくつかの実施形態による、画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。本実施例では、画像表示システム100は、画像を投影する走査ミラーを含む、走査表示システムである。画像表示システム100は、ウェアラブルデバイス内の接眼レンズ、例えば、導波管ベースの接眼レンズの一部であることができる。図1に示されるように、画像表示システム100は、光源110と、ラスタ走査画像を形成するように構成される走査ミラー130とを含む。光源110は、画像変調光を形成するように画像データに基づいて画像変調される、光を発することができる。光源110は、表面150を横断して反射光140を走査し、画像を投影するように構成される、走査ミラー130に向かって、光ビーム、例えば、ビーム120を発するように構成される。例えば、反射光ビーム140は、画像を形成するように、または表面150上に画像を投影するように、2次元で、例えば、XおよびY方向に表面150を横断して走査される。表面150は、画像を表示するための表面または仮想投影表面であることができる。簡単にするために、他のコンポーネント、例えば、制御システムおよびレンズシステム等は、図1に示されていない。   FIG. 1 is a simplified schematic diagram illustrating an image display system according to some embodiments of the present invention. In this embodiment, the image display system 100 is a scanning display system including a scanning mirror that projects an image. The image display system 100 can be part of an eyepiece in a wearable device, eg, a waveguide-based eyepiece. As shown in FIG. 1, the image display system 100 includes a light source 110 and a scanning mirror 130 configured to form a raster scanned image. The light source 110 can emit light that is image-modulated based on image data to form image-modulated light. The light source 110 is configured to emit a light beam, such as the beam 120, toward the scanning mirror 130, which is configured to scan the reflected light 140 across the surface 150 and project an image. For example, the reflected light beam 140 is scanned across the surface 150 in two dimensions, eg, in the X and Y directions, to form an image or to project an image onto the surface 150. The surface 150 can be a surface for displaying an image or a virtual projection surface. For simplicity, other components, such as the control system and lens system, are not shown in FIG.

いくつかの実施形態では、光ビームは、一連の期間のそれぞれの間の光ビームの各色成分の強度を、一連のピクセルの中の特定のピクセルのピクセル色成分値に基づく値に調節することによって、画像変調される。一連のピクセルはそれぞれ、対応する角座標(LCDディスプレイパネルのデカルト座標に類似する)を有する。同時に、画像光変調ビームが、特定のピクセル色成分値に基づいて変調されている間に、ビームは、ピクセルの角座標に偏向される。光は、接眼レンズから出現し、角座標に基づく角度でユーザの眼に向かって伝搬するであろう。   In some embodiments, the light beam is adjusted by adjusting the intensity of each color component of the light beam during each of a series of periods to a value based on the pixel color component value of a particular pixel in the series of pixels. The image is modulated. Each series of pixels has a corresponding angular coordinate (similar to the Cartesian coordinates of an LCD display panel). At the same time, while the image light modulated beam is being modulated based on a particular pixel color component value, the beam is deflected to the angular coordinates of the pixel. The light will emerge from the eyepiece and will propagate towards the user's eye at an angle based on angular coordinates.

本発明のいくつかの実施形態では、光源110は、異なる入射角で2つ以上の光ビーム、例えば、ビーム120および121を提供するように構成される。第2の入射光ビーム121および反射光ビーム141は、破線で示される。この場合、画像表示システム100は、第1の視野(FOV)161内の第1の画像に光ビーム120を提供し、かつ、第2の視野(FOV)162内の第2の画像に光ビーム121を提供するように構成される。したがって、画像表示システム100は、複数の入力光ビームと関連付けられる画像を含む、複合視野を提供することができる。   In some embodiments of the invention, the light source 110 is configured to provide two or more light beams, eg, beams 120 and 121, at different angles of incidence. The second incident light beam 121 and the reflected light beam 141 are indicated by broken lines. In this case, the image display system 100 provides the light beam 120 to the first image in the first field of view (FOV) 161 and the light beam to the second image in the second field of view (FOV) 162. 121 is provided. Accordingly, the image display system 100 can provide a composite field of view that includes images associated with multiple input light beams.

図2A−2Cは、本発明のいくつかの実施形態による、画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。図2A−2Bは、走査ミラー230と、導波管250とを含む、画像表示システム200を図示する。走査ミラー230は、2つ以上の入射光ビームを受け取り、複数の反射光ビームを提供するために構成され、複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。   2A-2C are simplified schematic diagrams illustrating an image display system, according to some embodiments of the present invention. 2A-2B illustrate an image display system 200 that includes a scanning mirror 230 and a waveguide 250. The scanning mirror 230 is configured to receive two or more incident light beams and provide a plurality of reflected light beams, each of the plurality of reflected light beams providing an image within a separate field of view (FOV). Composed.

図2Aでは、第1の反射光ビーム241は、導波管250の中へ反射光ビーム241を結合するための入力結合光学要素252を横断して走査されて示されている。全内部反射(TIR)を受けた後、光ビーム241は、導波管から光ビームを投影し、第1の視野FOV−1(261)内で第1の画像を形成するための出力結合光学要素254に到達する。   In FIG. 2A, the first reflected light beam 241 is shown scanned across the input coupling optical element 252 for coupling the reflected light beam 241 into the waveguide 250. After undergoing total internal reflection (TIR), the light beam 241 projects the light beam out of the waveguide and forms output first optics in the first field of view FOV-1 (261). Element 254 is reached.

入力結合光学要素252および出力結合光学要素254は、回折格子であることができる。いくつかの実施形態では、投入された光は、特定の波長または偏光の光を回折する一方で、他の波長または偏光の光が入力結合回折光学要素(DOE)を通して透過することを可能にするように構成される、寸法およびレリーフパターンを伴うナノ格子構造等の入力結合DOEまたは入力結合格子(ICG)を通して導波管に進入する。同様に、出力結合光学要素は、出力結合格子(OCG)を含むことができる。   The input coupling optical element 252 and the output coupling optical element 254 can be diffraction gratings. In some embodiments, the input light diffracts light of a particular wavelength or polarization, while allowing other wavelengths or polarization light to pass through the input coupled diffractive optical element (DOE). The waveguide is entered through an input coupled DOE or input coupled grating (ICG), such as a nano-grating structure with dimensions and relief pattern. Similarly, the output coupling optical element can include an output coupling grating (OCG).

図2Bでは、第2の反射光ビーム242は、導波管250の中へ反射光ビーム242を結合するための入力結合光学要素252を横断して走査されて示されている。全内部反射(TIR)を受けた後、光ビーム242は、導波管から光ビームを投影し、第2の視野FOV−2(262)内で第2の画像を形成するための出力結合光学要素254に到達する。   In FIG. 2B, the second reflected light beam 242 is shown scanned across the input coupling optical element 252 for coupling the reflected light beam 242 into the waveguide 250. After undergoing total internal reflection (TIR), the light beam 242 projects the light beam out of the waveguide and forms an output coupled optics for forming a second image in the second field of view FOV-2 (262). Element 254 is reached.

図2Cでは、第1の反射光241および第2の反射光ビーム242は、導波管250の中へ反射光ビーム241および242を結合するための入力結合光学要素252を横断して走査されて示されている。全内部反射(TIR)を受けた後、光ビーム241および242は、導波管から光ビームを投影し、複合視野266内で投影画像を形成するための出力結合光学要素254に到達する。いくつかの実施形態では、画像表示システムはまた、画像をユーザの眼290に指向する、接眼レンズ等の光学要素280を含むこともできる。いくつかの実施形態では、複合視野内の投影画像は、複数の光ビームによって投影され、拡大された視野をもたらす画像を含む、タイル状画像であってもよい。いくつかの実施形態では、個々のビームからの各サブFOVの間の重複は、タイル状画像内のより円滑な遷移をもたらし得る。いくつかの実施形態では、投影画像は、画像ピクセルのより高い密度を提供し、解像度を向上させ得る、異なる光ビームからの奇数および偶数の交互領域を含む、交互配置された画像を含むことができる。   In FIG. 2C, the first reflected light 241 and the second reflected light beam 242 are scanned across the input coupling optical element 252 for coupling the reflected light beams 241 and 242 into the waveguide 250. It is shown. After undergoing total internal reflection (TIR), the light beams 241 and 242 reach the output coupling optical element 254 for projecting the light beam from the waveguide and forming a projected image within the composite field 266. In some embodiments, the image display system may also include an optical element 280, such as an eyepiece, that directs the image to the user's eye 290. In some embodiments, the projected image in the composite field of view may be a tiled image including an image projected by multiple light beams to provide an expanded field of view. In some embodiments, overlap between each sub-FOV from an individual beam can result in a smoother transition in the tiled image. In some embodiments, the projected image may include an interleaved image that includes odd and even alternating regions from different light beams that may provide higher density of image pixels and improve resolution. it can.

画像表示システムはまた、複合視野内の投影画像の形成を制御するための走査コントローラを含むこともできる。画像表示システムは、RGBコンバイナ(赤・緑・青コンバイナ)等の複数の光源から画像を形成するための2−D X−Yスキャナを含むことができる。各RGBコンバイナは、画像を形成するための重複した赤、青、および緑色コリメートレーザビームを提供する。コントローラは、フィードバックループおよび同期化モジュール等のタイミングおよびマッチング機構を含むことができる。   The image display system can also include a scan controller for controlling the formation of a projected image within the composite field of view. The image display system can include a 2-D XY scanner for forming an image from a plurality of light sources such as RGB combiners (red, green, blue combiners). Each RGB combiner provides overlapping red, blue, and green collimated laser beams to form an image. The controller can include timing and matching mechanisms such as feedback loops and synchronization modules.

図3は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。画像表示システムは、ユーザが仮想画像を視認するためのウェアラブル結像システムの一部であることができる。図3に示されるように、画像表示システム300は、本実施例では、4つのRGB(赤・緑・青)レーザコンバイナ310を含む、画像変調光源310を含む。レーザコンバイナ310によって発せられる画像変調光ビーム320は、固定角度によって相互から分離される。画像表示システム300はまた、走査ミラー330と、導波管350とを含む。残りの2つのビームが図3で可視であるものの真後ろに存在するであろうため、4つの光ビームのうちの2つのみが、図3の斜視図で可視であることに留意されたい。走査ミラー330は、光をユーザの眼に結合する導波管350の中へ画像を投影するためのMEMS(微小電気機械システム)反射器/スキャナであることができる。表示システム300はまた、レーザコンバイナ310によって出力される直線偏光を円偏光に変換する、4分の1波長板(QWP)等の波長板370も含む。   FIG. 3 is a simplified schematic diagram illustrating an image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. The image display system can be part of a wearable imaging system for a user to view a virtual image. As shown in FIG. 3, the image display system 300 includes an image modulation light source 310 that includes four RGB (red, green, blue) laser combiners 310 in this embodiment. The image modulated light beams 320 emitted by the laser combiner 310 are separated from each other by a fixed angle. The image display system 300 also includes a scanning mirror 330 and a waveguide 350. Note that only two of the four light beams are visible in the perspective view of FIG. 3, since the remaining two beams will be directly behind what is visible in FIG. The scanning mirror 330 can be a MEMS (microelectromechanical system) reflector / scanner for projecting an image into a waveguide 350 that couples light to the user's eye. The display system 300 also includes a wave plate 370, such as a quarter wave plate (QWP), that converts linearly polarized light output by the laser combiner 310 into circularly polarized light.

図3に示されるように、光源310、例えば、RGBコンバイナ310は、異なる入射角を有する複数の入射光ビーム320を提供するように構成される。本実施形態では、走査ミラー330および偏光要素370は、光源310から導波管350の反対側に配置される。本構成は、代替的な配列と比べて多くの利点を有する。例えば、導波管の反対側にミラーおよび光源を配置することは、コンパクトな構成を可能にし、画像表示デバイスのより小さい形状因子を達成する。本構成は、走査ミラーが入力結合要素に近いことを可能にし、ひいては、小さい光円錐およびシステムのコンパクトな形状因子を可能にする。小さい形状因子は、ウェアラブル接眼結像デバイスのためにそれを好適にする。   As shown in FIG. 3, the light source 310, eg, RGB combiner 310, is configured to provide a plurality of incident light beams 320 having different incident angles. In this embodiment, the scanning mirror 330 and the polarizing element 370 are disposed on the opposite side of the waveguide 350 from the light source 310. This arrangement has many advantages over alternative arrangements. For example, placing the mirror and light source on the opposite side of the waveguide allows for a compact configuration and achieves a smaller form factor of the image display device. This configuration allows the scanning mirror to be close to the input coupling element and thus allows a small light cone and a compact form factor of the system. The small form factor makes it suitable for wearable eyepiece imaging devices.

入力結合格子(ICG)352(ある形態の入力結合要素)が、導波管350の下面353上に配置される。ICG352は、RGBコンバイナ310によって発せられる直線偏光を有する光が通過することを可能にし、RGBコンバイナ310によって発せられるものと垂直な直線偏光を有する光を反射的に回折するという点で、偏光状態に選択的であり得る。故に、RGBコンバイナ310からの入射光ビーム320は、走査ミラー330に到達する前に、ICG352、導波管350、および波長板370を通過する。光を透過させる際に、波長板370は、光の偏光状態を、RGBコンバイナ310によって発せられる直線偏光状態から第1の掌性(例えば、RHまたはLH)の円偏光に変換する。走査ミラー330による反射に応じて、円偏光の掌性は、第2の掌性(例えば、LHまたはRH)に変更される。ここで第2の掌性を有する光が2度目に波長板370を通過するとき、偏光状態は、RGBコンバイナ310によって発せられる直線偏光状態と垂直である直線偏光状態に変更される。ICG352の相互作用は、それに入射する光の直線偏光の配向に依存し、走査ミラー330から波長板370を通して後方反射され、上記で説明されるようにその偏光を回転させている、光を反射的に回折するように構成される。ICG352によって反射的に回折される光は、導波管350の全内部反射(TIR)のための臨界角を超える角度で回折され、したがって、導波管350の導波モードに結合されるであろう。導波管350はまた、導波管から複数の出力光ビーム346を投影し、複合視野(FOV)366内で投影画像を形成するための出力結合光学要素354も有する。   An input coupling grating (ICG) 352 (a form of input coupling element) is disposed on the lower surface 353 of the waveguide 350. The ICG 352 is in a polarization state in that it allows light having linear polarization emitted by the RGB combiner 310 to pass through and reflectively diffracts light having linear polarization perpendicular to that emitted by the RGB combiner 310. It can be selective. Therefore, the incident light beam 320 from the RGB combiner 310 passes through the ICG 352, the waveguide 350, and the wave plate 370 before reaching the scanning mirror 330. When transmitting the light, the wave plate 370 converts the polarization state of the light from the linear polarization state emitted by the RGB combiner 310 to the first palm-like (for example, RH or LH) circularly polarized light. In response to the reflection by the scanning mirror 330, the palm of the circularly polarized light is changed to the second palm (for example, LH or RH). Here, when light having the second palmar property passes through the wave plate 370 for the second time, the polarization state is changed to a linear polarization state that is perpendicular to the linear polarization state emitted by the RGB combiner 310. The ICG 352 interaction depends on the orientation of the linear polarization of the light incident on it and is reflected back from the scanning mirror 330 through the waveplate 370 and rotating its polarization as described above. It is configured to diffract. The light that is refractively diffracted by the ICG 352 is diffracted at an angle above the critical angle for total internal reflection (TIR) of the waveguide 350 and is therefore coupled to the waveguide mode of the waveguide 350. Let's go. The waveguide 350 also has an output coupling optical element 354 for projecting a plurality of output light beams 346 from the waveguide and forming a projected image in a composite field of view (FOV) 366.

図4は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を図示する簡略化された概略図400である。本実施例では、全画像が、4つの象限内で4つのRGBビームによって同時に走査される。いくつかの実施形態では、各象限は、VGA(ビデオグラフィックアレイ)画像であるが、全スティッチングされた画像は、2倍の視野を伴うフルHD(高解像度)である。図3を参照すると、MEMS反射器/スキャナ330は、20×20度の光学走査範囲を有する。複数のRGB(赤・緑・青)レーザ入力ビーム320は、10度の角度シータθによって分離される。光ビーム320は、走査ミラー330に到達する前に、入力結合格子352および4分の1波長板370を通過する。走査ミラー330は、(異なる入射角に起因する)異なる角度で光ビームを反射し、異なる視野を網羅する。例えば、いくつかの実施形態では、画像表示システム300は、2つまたは4つの光ビームを用いて、高解像度40×40度仕様に適合する、2倍視野(40×40度)および解像度を伴う結果として生じる走査画像を提供することができる。また、最終画像は、高解像度ディスプレイのための50度対角線を有することができる。   FIG. 4 is a simplified schematic diagram 400 illustrating a compound field of view (FOV), according to some embodiments of the present invention. In this example, the entire image is scanned simultaneously by four RGB beams in four quadrants. In some embodiments, each quadrant is a VGA (video graphic array) image, but all stitched images are full HD (high resolution) with twice the field of view. Referring to FIG. 3, the MEMS reflector / scanner 330 has a 20 × 20 degree optical scan range. A plurality of RGB (red / green / blue) laser input beams 320 are separated by a 10 degree angle theta θ. The light beam 320 passes through the input coupling grating 352 and the quarter wave plate 370 before reaching the scanning mirror 330. The scanning mirror 330 reflects the light beam at different angles (due to different angles of incidence) and covers different fields of view. For example, in some embodiments, the image display system 300 involves a double field of view (40 × 40 degrees) and resolution that conforms to a high resolution 40 × 40 degree specification using two or four light beams. The resulting scanned image can be provided. The final image can also have a 50 degree diagonal for a high resolution display.

図5は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。画像表示システム500は、上記に説明される図3の画像表示システム300に類似し、同一の参照番号が、図3および5の両方で対応するコンポーネントを指定するために使用される。図5に示されるように、画像表示システム500は、複数のRGB(赤・緑・青)レーザコンバイナを有する、光源510を含む。相互から固定角度によって分離されるビーム320を出力する、図3のレーザコンバイナ310と異なり、図5の2つのレーザコンバイナ510は、平行光ビーム511および512を出力する。ミラー516、517、518は、光ビームを方向転換し、走査ミラー330に対して異なる入射角を有する入射光ビーム320を提供するために使用される。   FIG. 5 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV), according to some embodiments of the present invention. Image display system 500 is similar to image display system 300 of FIG. 3 described above, and the same reference numbers are used to designate corresponding components in both FIGS. As shown in FIG. 5, the image display system 500 includes a light source 510 having a plurality of RGB (red / green / blue) laser combiners. Unlike the laser combiner 310 of FIG. 3, which outputs beams 320 that are separated from each other by a fixed angle, the two laser combiners 510 of FIG. 5 output parallel light beams 511 and 512. Mirrors 516, 517, 518 are used to redirect the light beam and provide an incident light beam 320 having a different angle of incidence with respect to the scanning mirror 330.

光源以外に、画像表示システム500のコンポーネントおよび機能は、画像表示システム300のものに類似し得る。故に、図3に関連して提供される説明は、適宜、図5に適用可能である。画像表示システム500はまた、走査ミラー330と、導波管350とを含む。走査ミラー330は、画像をユーザの眼に指向するための導波管350内で画像を投影するためのMEMS(微小電気機械システム)反射器/スキャナであることができる。表示システム500はまた、4分の1波長板(QWP)等の偏光制御要素370も含む。   Apart from the light source, the components and functions of the image display system 500 may be similar to those of the image display system 300. Therefore, the description provided in connection with FIG. 3 is applicable to FIG. 5 as appropriate. The image display system 500 also includes a scanning mirror 330 and a waveguide 350. The scanning mirror 330 can be a MEMS (microelectromechanical system) reflector / scanner for projecting an image in a waveguide 350 for directing the image to the user's eye. Display system 500 also includes a polarization control element 370, such as a quarter wave plate (QWP).

図5に示されるように、RGBコンバイナ510は、走査ミラー330から導波管350の反対側に配置される。導波管の反対側にミラーおよび光源を配置することは、コンパクトな構成を可能にし、画像表示デバイスのより小さい形状因子を可能にする。異なる入射角を有する入射光ビーム320は、偏光感受性入力結合光学要素352に指向される。入力結合光学要素352はまた、導波管の中へ走査ミラー330によって反射される光ビームを反射的に回折するように構成される。   As shown in FIG. 5, the RGB combiner 510 is disposed on the opposite side of the waveguide 350 from the scanning mirror 330. Placing the mirror and light source on the opposite side of the waveguide allows a compact configuration and allows a smaller form factor of the image display device. Incident light beams 320 having different angles of incidence are directed to the polarization sensitive input coupling optical element 352. The input coupling optical element 352 is also configured to reflectively diffract the light beam reflected by the scanning mirror 330 into the waveguide.

光は、第1の直線偏光状態でRGBコンバイナ510から発せられる。入力結合光学要素352は、実質的に光を(すなわち、回折によって)偏向させることなく、第1の直線偏光状態で光を透過させるように構成される。入力結合光学要素352を通過した後、光は、導波管350を横断し、続いて、偏光制御要素370を横断する。偏光制御要素370を通過する際、光の偏光は、第1の直線偏光状態から第1の円偏光状態(例えば、LHまたはRH)に変換される。続いて、光は、走査ミラー330によって反射される。反射は、光を第2の円偏光状態(例えば、RHまたはLH)に変更する。続いて、光は、偏光制御要素370を通過し、RGBコンバイナ510によって発せられる光の偏光と垂直な方向に偏光される、直線偏光に変換される。入力結合光学要素352は、偏光制御要素を通した第2の通過後に達成される光の偏光のみを選択的に反射的に回折するように構成される。光は、導波管350内の全内部反射(TIR)のための臨界角を上回る角度まで入力結合光学要素352によって回折される。導波管350の内側で、光ビーム340の光路345が、TIRに起因して取得される。導波管350はまた、導波管から複数の出力光ビーム346を投影し、複合視野(FOV)366内で投影画像を形成するための出力結合光学要素354も有する。複合視野は、複数のRGBコンバイナのそれぞれによって生成される部分を含む。   Light is emitted from the RGB combiner 510 in the first linear polarization state. The input coupling optical element 352 is configured to transmit light in the first linear polarization state without substantially deflecting light (ie, by diffraction). After passing through the input coupling optical element 352, the light traverses the waveguide 350 and subsequently traverses the polarization control element 370. As it passes through the polarization control element 370, the polarization of the light is converted from a first linear polarization state to a first circular polarization state (eg, LH or RH). Subsequently, the light is reflected by the scanning mirror 330. Reflection changes the light to a second circular polarization state (eg, RH or LH). Subsequently, the light passes through the polarization control element 370 and is converted to linearly polarized light that is polarized in a direction perpendicular to the polarization of the light emitted by the RGB combiner 510. The input coupling optical element 352 is configured to selectively refractively diffract only the polarization of light achieved after the second pass through the polarization control element. Light is diffracted by the input coupling optical element 352 to an angle above the critical angle for total internal reflection (TIR) in the waveguide 350. Inside the waveguide 350, the optical path 345 of the light beam 340 is acquired due to TIR. The waveguide 350 also has an output coupling optical element 354 for projecting a plurality of output light beams 346 from the waveguide and forming a projected image in a composite field of view (FOV) 366. The composite field of view includes a portion generated by each of the plurality of RGB combiners.

図6Aは、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。画像表示システム600は、上記に説明される図3の画像表示システム300に類似し、同一の参照番号が、図3および6の両方で対応するコンポーネントを指定するために使用される。図6Aに示されるように、画像表示システム600は、異なる入射角を伴う入射光ビーム320を提供する、複数のRGB(赤・緑・青)レーザコンバイナを有する光源310を含む。4分の1波長板370が走査ミラー330と導波管350との間に配置される、図3のシステム300と異なり、図6Aに示される画像表示システム600は、RGBコンバイナ310と導波管350との間に配置される4分の1波長板670を有する。いくつかの実施形態では、4分の1波長板670から出現する入射光ビーム320は、第1の掌性の円偏光(例えば、RHまたはLH)を有してもよく、走査ミラー330から反射される反射光ビーム340は、第2の掌性の円偏光(例えば、LHまたはRH)を有してもよい。本実施形態では、入力結合光学要素352は、偏光感受性である。例えば、入力結合光学要素352(例えば、ICG)は、第1の掌性の円偏光を伴う入射光ビーム320が通過することを可能にするように、かつ導波管350の中へ第2の掌性の円偏光を伴う反射光ビーム340を結合するように構成されることができる。入力光学要素352は、導波管350に関して全内部反射のための臨界角を上回る角度で、第2の掌性の円偏光を伴う光を反射的に回折することができる。反射光ビーム340は、タイル状画像を投影するように構成される。導波管350の内側で、光ビーム340は、全内部反射(TIR)を受ける。導波管350はまた、導波管から複数の出力光ビーム346を投影し、複合視野(FOV)366内で投影画像を形成するための出力結合光学要素354も有する。   FIG. 6A is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. Image display system 600 is similar to image display system 300 of FIG. 3 described above, and the same reference numbers are used to designate corresponding components in both FIGS. As shown in FIG. 6A, the image display system 600 includes a light source 310 having a plurality of RGB (red, green, blue) laser combiners that provide an incident light beam 320 with different angles of incidence. Unlike the system 300 of FIG. 3 in which a quarter wave plate 370 is disposed between the scanning mirror 330 and the waveguide 350, the image display system 600 shown in FIG. 6A includes an RGB combiner 310 and a waveguide. A quarter-wave plate 670 disposed between the first and second plates; In some embodiments, the incident light beam 320 emerging from the quarter wave plate 670 may have a first palmar circular polarization (eg, RH or LH) and reflected from the scanning mirror 330. The reflected light beam 340 may have a second palmar circular polarization (eg, LH or RH). In this embodiment, the input coupling optical element 352 is polarization sensitive. For example, the input coupling optical element 352 (eg, ICG) allows the incident light beam 320 with the first palmar circular polarization to pass therethrough and into the waveguide 350 a second. It can be configured to combine the reflected light beam 340 with hand-held circularly polarized light. The input optical element 352 can reflectively diffract light with the second palmar circular polarization at an angle above the critical angle for total internal reflection with respect to the waveguide 350. The reflected light beam 340 is configured to project a tiled image. Inside the waveguide 350, the light beam 340 undergoes total internal reflection (TIR). The waveguide 350 also has an output coupling optical element 354 for projecting a plurality of output light beams 346 from the waveguide and forming a projected image in a composite field of view (FOV) 366.

第1の反射防止層602は、入力光学結合要素の外表面606に形成される。第2の反射防止層604は、走査ミラー330に面する入力結合要素の反対側の導波管350の表面608上に形成される。反射防止層602、604は、屈折率を効果的に徐々に遷移させ、それによって、反射を低減させる、または実質的に排除する、サブ波長サイズテーパ状構造を含む、単層または多層の光学干渉コーティングまたは表面レリーフ構造化層であることができる。反射防止層602、604は、導波管350の表面608におけるフレネル反射と関連付けられる、システム300の視野内の意図しない輝点を回避する役割を果たす。   A first antireflective layer 602 is formed on the outer surface 606 of the input optical coupling element. A second antireflective layer 604 is formed on the surface 608 of the waveguide 350 opposite the input coupling element facing the scanning mirror 330. Anti-reflective layers 602, 604 include single-layer or multi-layer optical interference, including sub-wavelength sized tapered structures that effectively gradually transition the refractive index, thereby reducing or substantially eliminating reflection. It can be a coating or a surface relief structured layer. Anti-reflective layers 602, 604 serve to avoid unintentional bright spots in the field of view of system 300 that are associated with Fresnel reflection at surface 608 of waveguide 350.

図6Bは、図6Aの画像表示システム600の一部を図示する、簡略化された概略図である。いくつかの実施形態では、入射光ビーム320は、異なる入射角を有する、第1の入射光ビームと、第2の入射光ビームとを含むことができる。結果として、反射光ビーム340は、第1の入射光ビームからの第1の反射光ビーム341と、第2の入射光ビームからの第2の反射光ビーム342とを含むことができる。いくつかの実施形態では、入力結合要素352は、2つの反射光ビームのための2つの別個のICG、例えば、ICG1およびICG2を含むことができる。代替実施形態では、2つの反射光ビームは、単一の入力結合光学要素の異なる部分によって結合されてもよい。いくつかの実施形態では、第1の反射光ビーム341および第2の反射光ビーム342はまた、異なる偏光を有することもできる。この場合、ICG1およびICG2は、異なる偏光応答を有することができる。   FIG. 6B is a simplified schematic diagram illustrating a portion of the image display system 600 of FIG. 6A. In some embodiments, the incident light beam 320 can include a first incident light beam and a second incident light beam having different incident angles. As a result, the reflected light beam 340 can include a first reflected light beam 341 from the first incident light beam and a second reflected light beam 342 from the second incident light beam. In some embodiments, the input coupling element 352 can include two separate ICGs for the two reflected light beams, eg, ICG1 and ICG2. In an alternative embodiment, the two reflected light beams may be combined by different parts of a single input coupling optical element. In some embodiments, the first reflected light beam 341 and the second reflected light beam 342 can also have different polarizations. In this case, ICG1 and ICG2 can have different polarization responses.

図7は、本発明のいくつかの実施形態による、複合視野(FOV)を提供するための別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。図7に示されるように、画像表示システム700は、本実施例では、複数のRGB(赤・緑・青)レーザコンバイナ、例えば、4つのコンバイナを有し得る、光源710を含む。光源710は、異なる入射角を伴う入射光ビーム720を提供する。光ビーム720はそれぞれ、完全視野の一部からの画像データに基づいて画像変調される。複数の光ビーム720はともに、完全視野を表示するために使用される。上記に説明される画像表示システムと同様に、画像表示システム700はまた、走査ミラー730と、導波管750とを含む。光源および走査ミラーが導波管の反対側に配置される、図3、5、および6Aの表示システムと異なり、画像表示システム700では、光源710および走査ミラー730は、導波管750の同一側に配置される。走査ミラー730が導波管750に向かって入射光ビーム720を走査することを可能にするために、画像表示システム700は、4分の1波長板770を通して走査ミラー730に向かって入射光ビーム720を指向する、偏光感受性ビームスプリッタ(PBS)780を含む。偏光感受性ビームスプリッタ(PBS)780はまた、反射光ビーム740が通過して入力結合格子752に到達することも可能にする。PBS780は、その対角線に沿って反射偏光子781(例えば、ワイヤグリッド)を含む。第1の光学経路区画は、RGBコンバイナ710から偏光子781まで、次いで、4分の1波長板770を通して走査MEMSミラー730まで延在する。   FIG. 7 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system for providing a composite field of view (FOV) according to some embodiments of the present invention. As shown in FIG. 7, the image display system 700 includes a light source 710 that, in this example, can have a plurality of RGB (red, green, blue) laser combiners, eg, four combiners. The light source 710 provides an incident light beam 720 with a different angle of incidence. Each light beam 720 is image modulated based on image data from a portion of the full field of view. Both light beams 720 are used to display a complete field of view. Similar to the image display system described above, the image display system 700 also includes a scanning mirror 730 and a waveguide 750. Unlike the display system of FIGS. 3, 5, and 6A, where the light source and the scanning mirror are located on opposite sides of the waveguide, in the image display system 700, the light source 710 and the scanning mirror 730 are on the same side of the waveguide 750. Placed in. In order to allow the scanning mirror 730 to scan the incident light beam 720 towards the waveguide 750, the image display system 700 passes through the quarter wave plate 770 towards the scanning mirror 730. Including a polarization sensitive beam splitter (PBS) 780. A polarization sensitive beam splitter (PBS) 780 also allows the reflected light beam 740 to pass through to the input coupling grating 752. The PBS 780 includes a reflective polarizer 781 (eg, a wire grid) along its diagonal. The first optical path section extends from the RGB combiner 710 to the polarizer 781 and then through the quarter wave plate 770 to the scanning MEMS mirror 730.

第2の光学経路区画は、走査MEMSミラー730から偏光子781を通して入力結合格子752まで延在する。RGBコンバイナ710は、偏光子781によって反射される偏光配向を伴う直線偏光を出力することができる。4分の1波長板770は、偏光子781によって反射される直線偏光を、ある掌性(例えば、RHまたはLH)を有する円偏光に変換する。走査MEMSミラー730による反射に応じて、円偏光の掌性は(本来LHである場合はRHになるように、および本来RHである場合はLHになるように)逆転される。続いて、掌性が逆転された円偏光は、4分の1波長板770を通過し、そうする際に、RGBコンバイナ710によって発せられるものと垂直な直線偏光状態に変換され、したがって、偏光子781を通過する。この場合、入力結合格子752は、偏光非感受性であり、導波管750の中へ反射光ビーム740を結合する。導波管750の内側で、光ビーム740は、全内部反射(TIR)を受ける。導波管750はまた、導波管から複数の出力光ビーム746を投影し、複合視野(FOV)766内で投影画像を形成するための出力結合格子754も有する。   The second optical path section extends from the scanning MEMS mirror 730 through the polarizer 781 to the input coupling grating 752. The RGB combiner 710 can output linearly polarized light with a polarization orientation reflected by the polarizer 781. The quarter wave plate 770 converts the linearly polarized light reflected by the polarizer 781 into circularly polarized light having a certain handedness (for example, RH or LH). In response to reflection by scanning MEMS mirror 730, the circularity of circularly polarized light is reversed (to be RH when it is originally LH and LH when it is originally RH). Subsequently, the circularly polarized light with reversed palmality passes through the quarter wave plate 770 and in doing so is converted to a linear polarization state perpendicular to that emitted by the RGB combiner 710, and thus the polarizer Pass 781. In this case, the input coupling grating 752 is polarization insensitive and couples the reflected light beam 740 into the waveguide 750. Inside the waveguide 750, the light beam 740 undergoes total internal reflection (TIR). The waveguide 750 also has an output coupling grating 754 for projecting a plurality of output light beams 746 from the waveguide and forming a projected image in a composite field of view (FOV) 766.

画像表示システム700では、入力結合光学要素またはICG752は、偏光感受性ではない。これは、導波管の中へ入射光ビームを結合するが、入射光ビームが導波管を通過することを可能にしないように構成される。したがって、これらの実施形態では、光源710は、走査ミラーと導波管の同一側上に配置され、ビームスプリッタ780は、入射光ビームを走査ミラーに指向するように使用される。いくつかの実施形態では、入射光ビームは、走査ミラーと垂直であるように構成される。略図を単純化するために、1つだけの入射光ビーム720が、図7に示されている。複数の入射光ビームを使用して、拡大された視野が、図4に関連して上記で説明されるように取得されることができる。実施形態に応じて、複数のICGまたは単一のICGのいずれかが、使用されることができる。   In the image display system 700, the input coupling optical element or ICG 752 is not polarization sensitive. This is configured to couple the incident light beam into the waveguide but not to allow the incident light beam to pass through the waveguide. Thus, in these embodiments, the light source 710 is located on the same side of the scanning mirror and the waveguide, and the beam splitter 780 is used to direct the incident light beam to the scanning mirror. In some embodiments, the incident light beam is configured to be perpendicular to the scanning mirror. To simplify the schematic, only one incident light beam 720 is shown in FIG. Using multiple incident light beams, an enlarged field of view can be obtained as described above in connection with FIG. Depending on the embodiment, either multiple ICGs or a single ICG can be used.

図8は、全視野の象限を別個に照明するために、独立して変調されたビーム成分を角度分離する、偏光およびスペクトル的に選択的な液晶材料の複数の層を持つ走査ミラーを使用する、表示システム800の概略図である。本システムは、3つのレーザダイオードの4つのセットに論理的に編成される、12個のレーザダイオード801−810(そのうちの10個のみが図8で可視である)を含む。第1のセットは、第1の赤色レーザダイオード801と、第1の緑色レーザダイオード802と、第1の青色レーザダイオード803とを含む。第2のセットは、第2の赤色レーザダイオード804と、第2の緑色レーザダイオード805と、第2の青色レーザダイオード(図8では可視ではない)とを含む。第3のセットは、第3の赤色レーザダイオード806と、第3の緑色レーザダイオード807と、第3の青色レーザダイオード808とを含む。第4のセットは、第4の赤色レーザダイオード(図8では可視ではない)と、第4の緑色レーザダイオード809と、第4の青色レーザダイオード810とを含む。第2の青色レーザダイオード(図8では可視ではない)は、第1の青色レーザダイオード803の下方に位置し、第4の赤色レーザダイオード(図8では可視ではない)は、第3の赤色レーザダイオード806の下方に位置する。3つのレーザダイオードの4つのセットはそれぞれ、相対駆動電流、それによって、各セット内の3つのレーザダイオードの相対出力を制御することによって、各セット内の3つのレーザの複合出力の色度座標が、ある色域内で制御され得るように、赤色レーザダイオードと、緑色レーザダイオードと、青色レーザダイオードとを含む。   FIG. 8 uses a scanning mirror with multiple layers of polarized and spectrally selective liquid crystal material that angularly separates independently modulated beam components to separately illuminate the full field quadrant 1 is a schematic diagram of a display system 800. FIG. The system includes 12 laser diodes 801-810 (only 10 of which are visible in FIG. 8) that are logically organized into 4 sets of 3 laser diodes. The first set includes a first red laser diode 801, a first green laser diode 802, and a first blue laser diode 803. The second set includes a second red laser diode 804, a second green laser diode 805, and a second blue laser diode (not visible in FIG. 8). The third set includes a third red laser diode 806, a third green laser diode 807, and a third blue laser diode 808. The fourth set includes a fourth red laser diode (not visible in FIG. 8), a fourth green laser diode 809, and a fourth blue laser diode 810. The second blue laser diode (not visible in FIG. 8) is located below the first blue laser diode 803, and the fourth red laser diode (not visible in FIG. 8) is the third red laser. Located below the diode 806. Each of the four sets of three laser diodes controls the relative drive current, and thereby the relative output of the three laser diodes in each set, so that the chromaticity coordinates of the combined output of the three lasers in each set are Including a red laser diode, a green laser diode, and a blue laser diode so that they can be controlled within a certain color gamut.

レーザダイオード801、802、803の第1のセットは、3つのレーザダイオード801、802、803の出力を単一のビームに合体させる、第1のダイクロイックコンバイナキューブ811に光学的に結合される。同様に、第2の赤色レーザダイオード804、第2の緑色レーザダイオード805、および第2の青色レーザダイオード(図8では可視ではない)は、3つのレーザダイオード804、804、および第2の青色レーザダイオードの出力を単一のビームに合体させる、第2のダイクロイックコンバイナキューブ812に光学的に結合される。加えて、第3の赤色レーザダイオード806、第3の緑色レーザダイオード807、および第3の青色レーザダイオード808は、レーザダイオード806、807、808の第3のセットの出力を単一のビームに合体させる、第3のダイクロイックコンバイナキューブ813に光学的に結合される。さらに、第4の赤色レーザダイオード(図8では可視ではない)、第4の緑色レーザダイオード809、および第4の青色レーザダイオード810は、第4のダイクロイックコンバイナキューブ814に光学的に結合される。上記に記述されるダイクロイックコンバイナキューブ811、812、813、814はそれぞれ、赤色反射フィルタ815および青色反射フィルタが90°で交差するように、1つの対角線に沿った埋込赤色反射(短波長通過)フィルタ815と、第2の対角線に沿った埋込青色反射(長波長通過)フィルタ816とを含む。   The first set of laser diodes 801, 802, 803 is optically coupled to a first dichroic combiner cube 811 that combines the outputs of the three laser diodes 801, 802, 803 into a single beam. Similarly, the second red laser diode 804, the second green laser diode 805, and the second blue laser diode (not visible in FIG. 8) are the three laser diodes 804, 804, and the second blue laser. Optically coupled to a second dichroic combiner cube 812 that combines the output of the diode into a single beam. In addition, the third red laser diode 806, the third green laser diode 807, and the third blue laser diode 808 combine the output of the third set of laser diodes 806, 807, 808 into a single beam. Optically coupled to a third dichroic combiner cube 813. Furthermore, a fourth red laser diode (not visible in FIG. 8), a fourth green laser diode 809, and a fourth blue laser diode 810 are optically coupled to a fourth dichroic combiner cube 814. The dichroic combiner cubes 811, 812, 813, 814 described above are each embedded red reflection (short wavelength pass) along one diagonal so that the red reflection filter 815 and the blue reflection filter intersect at 90 °. A filter 815 and a buried blue reflection (long wavelength pass) filter 816 along a second diagonal.

レーザコリメートレンズ817(その一部のみが図8で可視である)は、ダイクロイックコンバイナキューブの入力面818(図を混雑させることを回避するように、その限定された数のみが標識化されている)とレーザダイオード801−810との間に位置付けられる。その出力が第1のダイクロイックコンバイナ811によって組み合わせられる、レーザダイオード801、802、803の第1のセットは、その出力が第3のダイクロイックコンバイナ813と組み合わせられる、レーザダイオード806、807、808の第3のセットの偏光(PまたはS)と垂直である偏光(SまたはP)を有することができる。第1のダイクロイックコンバイナ811および第3のダイクロイックコンバイナ813は、PBS819が、第1の入力面820においてレーザダイオード801、802、803の第1のセットの複合出力を受け取り、第2の入力面821においてレーザダイオード806、807、808の第3のセットの複合出力を受け取り、出力面822においてレーザダイオード801、802、803、806、807、808の第1および第3のセットの複合出力を含む複合的な共線コリメートビームを出力するように、(コンバイナとしての役割を果たす)第1の偏光ビームスプリッタ(PBS)819に光学的に結合される。   The laser collimating lens 817 (only part of which is visible in FIG. 8) is labeled with only a limited number of its input surface 818 (to avoid congesting the figure) of the dichroic combiner cube. ) And laser diodes 801-810. The first set of laser diodes 801, 802, 803 whose output is combined by the first dichroic combiner 811 is the third set of laser diodes 806, 807, 808 whose output is combined with the third dichroic combiner 813. Can have a polarization (S or P) that is perpendicular to the set of polarizations (P or S). The first dichroic combiner 811 and the third dichroic combiner 813 are such that the PBS 819 receives a first set of composite outputs of laser diodes 801, 802, 803 at the first input surface 820, and at the second input surface 821. A composite that receives a third set of combined outputs of laser diodes 806, 807, 808 and includes a combined output of first and third sets of laser diodes 801, 802, 803, 806, 807, 808 at output surface 822 Optically coupled to a first polarizing beam splitter (PBS) 819 (acting as a combiner) to output a collinear collimated beam.

類似的に、第2のダイクロイックビームコンバイナ812および第4のダイクロイックビームコンバイナ814は、第2のPBSコンバイナ823に光学的に結合される。上記に説明される事例と類似して、その出力が第2のダイクロイックコンバイナ812によって組み合わせられる、レーザダイオード804、805(および図8では可視ではない第2の青色レーザダイオード)の第2のセットは、その出力が第3のダイクロイックコンバイナ813と組み合わせられる、レーザダイオード809、810(および図8では可視ではない第4の赤色レーザダイオード)の第4のセットの偏光(PまたはS)と垂直である偏光(SまたはP)を有することができる。第2のPBS823は、第2のダイクロイックビームコンバイナ812から、第2の赤色レーザダイオード804、第2の緑色レーザダイオード805、および第2の青色レーザダイオード(図8では可視ではない)の複合出力を受け取り、第4のダイクロイックビームコンバイナから、第4の赤色レーザダイオード(図8では可視ではない)、第4の緑色レーザダイオード809、および第4の青色レーザダイオード810の複合出力を受け取り、そこから、レーザダイオード804、805、および第2の青色レーザダイオード(図8では可視ではない)の第2のセットの出力と、第4の赤色レーザダイオード(図8では可視ではない)を含むレーザダイオード809、810の第4のセットの出力と含む、6成分ビームを生成する。第1のPBS819に光学的に結合される、対応するカラーレーザダイオード(例えば、第1の赤色レーザダイオード801および第3の赤色レーザダイオード806)は、公称上(製造相違を許容する)同一の発光波長を好適に有し、第2のPBS823に光学的に結合される、対応するカラーレーザダイオード(例えば、第2の緑色レーザダイオード805および第4の緑色レーザダイオード809)は、公称上同一の発光波長を好適に有するが、しかしながら、一実施形態では、第1のPBS819および第2のPBS823に結合される、対応するカラーレーザダイオードの発光波長の意図的な差がある。例えば、第1の緑色レーザダイオード802および第3の緑色レーザダイオード807が、520ナノメートルの発光波長を有することができる一方で、第2の緑色レーザダイオード804および第4の緑色レーザダイオードは、535ナノメートルの発光波長を有することができる。   Similarly, the second dichroic beam combiner 812 and the fourth dichroic beam combiner 814 are optically coupled to the second PBS combiner 823. Similar to the case described above, the second set of laser diodes 804, 805 (and the second blue laser diode not visible in FIG. 8) whose outputs are combined by a second dichroic combiner 812 is , Whose output is combined with a third dichroic combiner 813, perpendicular to the polarization (P or S) of the fourth set of laser diodes 809, 810 (and the fourth red laser diode not visible in FIG. 8) It can have polarization (S or P). The second PBS 823 provides the combined output of the second red laser diode 804, the second green laser diode 805, and the second blue laser diode (not visible in FIG. 8) from the second dichroic beam combiner 812. Receiving a composite output of a fourth red laser diode (not visible in FIG. 8), a fourth green laser diode 809, and a fourth blue laser diode 810 from a fourth dichroic beam combiner; A laser diode 809 comprising an output of a second set of laser diodes 804, 805 and a second blue laser diode (not visible in FIG. 8) and a fourth red laser diode (not visible in FIG. 8); A six-component beam is generated that includes the output of the fourth set of 810. Corresponding color laser diodes (eg, first red laser diode 801 and third red laser diode 806) optically coupled to the first PBS 819 have nominally the same emission (allowing manufacturing differences). Corresponding color laser diodes (eg, second green laser diode 805 and fourth green laser diode 809), preferably having a wavelength and optically coupled to the second PBS 823, have nominally the same emission. Preferably, however, in one embodiment, there is an intentional difference in the emission wavelength of the corresponding color laser diodes that are coupled to the first PBS 819 and the second PBS 823. For example, the first green laser diode 802 and the third green laser diode 807 can have an emission wavelength of 520 nanometers, while the second green laser diode 804 and the fourth green laser diode are 535 It can have an emission wavelength of nanometers.

第1のPBS819の6成分出力は、ビーム折り畳みミラー824を通して3スペクトル成分反射器825に光学的に結合される。ビーム折り畳みミラー824および3スペクトル成分反射器825は、ダイクロイックビームコンバイナ811、812、813、814、およびPBS819、823と同様に、透明キューブに埋め込まれることに留意されたい。第2のPBS823の6成分出力はまた、3成分反射器825に光学的に結合される。3スペクトル成分反射器825は、第2のPBS823の出力を反射し、上記で議論されるレーザダイオード801−810の発光波長の差に由来する、第1のPBS819および第2のPBS823を通して結合される光の波長の差に起因して、第1のPBS819の出力を伝達する。反射器825によって反射される3つのスペクトル成分はそれぞれ、2つの異なるレーザダイオードから生じる2つの異なる偏光成分を含むことに留意されたい。3スペクトル成分反射器825は、したがって、カラーチャネル毎に4つの成分(すなわち、4つの赤色成分、4つの緑色成分、および4つの青色成分)を含む、12成分ビーム845を出力する。カラーチャネル毎に、4つの色成分は、直線偏光配向および波長によって区別され、カラーチャネル毎に2つの可能性として考えられる偏光配向および2つの可能性として考えられる波長が存在する。3スペクトル反射器825の12成分出力は、4分の1波長板(QWP)826を通して走査ミラー830に結合される。QWP826は、1つの直線偏光状態を右旋円偏光(RHCP)状態に変換し、第1の直線偏光状態に垂直である第2の直線偏光状態を左旋円偏光(LHCP)状態に変換する。   The six component output of the first PBS 819 is optically coupled to a three spectral component reflector 825 through a beam folding mirror 824. Note that the beam folding mirror 824 and the three spectral component reflector 825 are embedded in a transparent cube, similar to the dichroic beam combiners 811, 812, 813, 814, and PBS 819, 823. The six component output of the second PBS 823 is also optically coupled to a three component reflector 825. A three-spectral component reflector 825 reflects the output of the second PBS 823 and is coupled through the first PBS 819 and the second PBS 823 resulting from the emission wavelength difference of the laser diodes 801-810 discussed above. Due to the difference in light wavelength, the output of the first PBS 819 is transmitted. Note that each of the three spectral components reflected by the reflector 825 includes two different polarization components originating from two different laser diodes. The three-spectral component reflector 825 therefore outputs a 12-component beam 845 that includes four components for each color channel (ie, four red components, four green components, and four blue components). For each color channel, the four color components are distinguished by linear polarization orientation and wavelength, and there are two possible polarization orientations and two possible wavelengths for each color channel. The 12-component output of the three-spectral reflector 825 is coupled to the scanning mirror 830 through a quarter wave plate (QWP) 826. The QWP 826 converts one linear polarization state into a right circular polarization (RHCP) state, and converts a second linear polarization state perpendicular to the first linear polarization state into a left circular polarization (LHCP) state.

走査ミラー830は、ビーム接面833上に多層回折格子832を有する。多層回折格子832は、走査ミラー830の配向毎に、特定の方向に12成分ビーム845の1つの成分を回折するように所定の動作波長に基づいて設計される、所定の格子周期および配向をそれぞれ有する、12個のスペクトル的偏光状態選択的層を含むことができる。走査ミラー830は、2D画像を生成することができるように、2自由度を有する。多層回折格子832は、例えば、複数のコレステリック液晶格子(CLCG)層を含むことができる。CLCG回折格子は、分子層間相対回転を表す掌性を有する。CLCG回折格子は、CLCGの掌性に合致する円偏光を反射的に回折し、回折を伴わずに反対掌性の円偏光を透過させる。いくつかの実施形態では、12成分ビームは、625nmの波長を伴う2つの赤色光成分と、650nmの波長を伴う2つの赤色光成分と、520nmの波長を伴う2つの第1の緑色光成分と、波長535nmを伴う2つの第2の緑色光G2と、450nmの波長を伴う2つの青色B1光成分と、465nmの波長を伴う2つの青色光成分とを有することができる。共通波長を伴う成分は、円偏光の掌性によって区別される。多層回折格子832は、12成分ビーム845の成分を反射的に回折する。   The scanning mirror 830 has a multilayer diffraction grating 832 on the beam contact surface 833. The multilayer diffraction grating 832 is designed based on a predetermined operating wavelength so as to diffract one component of the 12-component beam 845 in a specific direction for each orientation of the scanning mirror 830. Having twelve spectral polarization state selective layers. The scanning mirror 830 has two degrees of freedom so that a 2D image can be generated. The multilayer diffraction grating 832 can include, for example, a plurality of cholesteric liquid crystal grating (CLCG) layers. The CLCG diffraction grating has a palm property representing relative rotation between molecular layers. The CLCG diffraction grating refractively diffracts circularly polarized light that matches the palmarity of the CLCG, and transmits the oppositely polarized circularly polarized light without diffraction. In some embodiments, the 12-component beam has two red light components with a wavelength of 625 nm, two red light components with a wavelength of 650 nm, and two first green light components with a wavelength of 520 nm; , Two second green light G2 with a wavelength of 535 nm, two blue B1 light components with a wavelength of 450 nm, and two blue light components with a wavelength of 465 nm. Components with a common wavelength are distinguished by the circularity of circularly polarized light. The multilayer diffraction grating 832 diffracts the components of the 12-component beam 845 in a reflective manner.

多層回折格子832による回折に応じて、ビーム845の12個の成分は、全視野の象限の画像情報を用いて変調される、赤、緑、および青色成分をそれぞれ有する、4つの象限ビーム841、842、843、844に分離されることができる。走査ミラーが偏向すると、4つの象限ビーム841、842、843、844は、角度を付けて走査され、多様なビームおよびそれらの角度分離に起因して、より広いFOVが形成されることができる。本発明の実施形態では、全視野のためのビデオデータの部分が、複数の走査されたビームを別個に変調させるために使用される。さらに、象限ビーム841、842、843、844に適用される強度変調は、4つの象限ビーム841、842、843、844のそれぞれにおける波長と関連付けられる重複色域に対応する色度座標面積にわたって同一の色度座標を生成するように、調節されることができる。   In response to diffraction by multilayer grating 832, the four components of beam 845 have four quadrant beams 841, each having red, green, and blue components that are modulated using full-field quadrant image information. 842, 843, and 844. When the scanning mirror is deflected, the four quadrant beams 841, 842, 843, 844 are scanned at an angle, and a wider FOV can be formed due to the various beams and their angular separation. In an embodiment of the present invention, the portion of video data for the entire field of view is used to separately modulate multiple scanned beams. Further, the intensity modulation applied to the quadrant beams 841, 842, 843, 844 is the same over the chromaticity coordinate area corresponding to the overlapping color gamut associated with the wavelength in each of the four quadrant beams 841, 842, 843, 844. It can be adjusted to produce chromaticity coordinates.

4つの象限ビーム841、842、843、844は、導波管/接眼レンズ851の入力結合格子(ICG)850を通して結合される。導波管/接眼レンズ851は、拡張現実眼鏡(図8に示されていない)のコンポーネントである。導波管/接眼レンズ851はまた、直交瞳拡張器(OPE)852と、射出瞳拡張器(EPE)853とを含む。OPE852は、EPE853にわたって(図8の配向で)垂直に光を分配する役割を果たし、EPE853は、EPE853を通して見るユーザの眼(図示せず)に光を出力結合する役割を果たす。EPEは、それを越えて伝搬するビームの部分を連続的に出力し、それによって、複数の出力結合された部分の複合物である、より広い出力ビームを形成する。EPE853から出力されるビームは、入力結合格子850を通して入力されるビームに由来する。EPE853は、重なる関係ではなくて、OPE852に対して図面の平面と垂直に変位され得ることに留意されたい。   Four quadrant beams 841, 842, 843, 844 are coupled through an input coupling grating (ICG) 850 of a waveguide / eyepiece 851. Waveguide / eyepiece 851 is a component of augmented reality glasses (not shown in FIG. 8). The waveguide / ocular 851 also includes an orthogonal pupil dilator (OPE) 852 and an exit pupil dilator (EPE) 853. OPE 852 serves to distribute light vertically across EPE 853 (in the orientation of FIG. 8), and EPE 853 serves to outcouple light to the user's eye (not shown) viewed through EPE 853. EPE continuously outputs the portion of the beam that propagates beyond it, thereby forming a wider output beam that is a composite of multiple output combined portions. The beam output from the EPE 853 is derived from the beam input through the input coupling grating 850. Note that the EPE 853 can be displaced perpendicular to the plane of the drawing relative to the OPE 852 and not in an overlapping relationship.

図9は、本発明のいくつかの実施形態による、別の画像表示システムを図示する簡略化された概略図である。図9に示されるように、画像表示システム900は、異なる波長または異なる偏光を有し得る、複数の入射光ビームを含む、コリメートされた入射光ビーム920を提供するための光源(図示せず)を含む。画像表示システム900はまた、コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および異なる回折角を有する複数の反射的に回折された光ビームを提供するための回折表面932を伴う走査ミラー930も有する。回折表面は、図8を参照して上記で議論される多層回折格子832の構造を有することができる。複数の反射的に回折された光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。導波管950は、導波管の中へ複数の反射光ビームを結合するための入力結合光学要素952と、導波管から複数の出力光ビーム946を投影し、複合視野(FOV)966を用いて投影画像を形成するための出力結合光学要素954とを含む。   FIG. 9 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system, according to some embodiments of the present invention. As shown in FIG. 9, the image display system 900 is a light source (not shown) for providing a collimated incident light beam 920 that includes a plurality of incident light beams, which may have different wavelengths or different polarizations. including. The image display system 900 also has a scanning mirror 930 with a diffractive surface 932 for receiving a collimated incident light beam and for providing a plurality of reflectively diffracted light beams having different diffraction angles. The diffractive surface can have the structure of a multilayer diffraction grating 832 discussed above with reference to FIG. Each of the plurality of reflectively diffracted light beams is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). The waveguide 950 projects an input coupling optical element 952 for combining a plurality of reflected light beams into the waveguide, and a plurality of output light beams 946 from the waveguide, creating a composite field of view (FOV) 966. And an output coupling optical element 954 for use in forming a projected image.

図9の実施形態では、走査ミラー930は、入射光ビーム920を提供する光源とは導波管950の反対側に配置される。導波管の入力結合光学要素952は、コリメートされた入射光ビーム920が入力結合要素952および導波管950を通過することを可能にするように構成され、また、導波管の臨界角を上回る角度で複数の反射的に回折されたビームを回折することによって、導波管950の中へ複数の反射的に回折された光ビーム940を結合するように構成される。いくつかの実施形態では、入力結合光学要素952は、偏光感受性入力結合格子(ICG)である。使用され得る、あるタイプの偏光感受性ICGが、図19を参照して下記で議論される。複数の入射光ビームはそれぞれ、走査された画像を形成するための複合RGB光ビームを含む。実施形態では、複数の入射光ビームは、それぞれ、波長625nm、520nm、および450nmを有する、R1 G1 B1を伴う第1の複合RGB光ビームと、それぞれ、波長650nm、535nm、および465nmを有する、R2 G2 B2を伴う第2の複合RGB光ビームとを含む。   In the embodiment of FIG. 9, the scanning mirror 930 is located on the opposite side of the waveguide 950 from the light source that provides the incident light beam 920. The waveguide input coupling optical element 952 is configured to allow the collimated incident light beam 920 to pass through the input coupling element 952 and the waveguide 950, and to reduce the critical angle of the waveguide. A plurality of reflectively diffracted light beams 940 are configured to be coupled into waveguide 950 by diffracting the plurality of reflectively diffracted beams at an angle greater than. In some embodiments, the input coupling optical element 952 is a polarization sensitive input coupling grating (ICG). One type of polarization sensitive ICG that can be used is discussed below with reference to FIG. Each of the plurality of incident light beams includes a composite RGB light beam for forming a scanned image. In an embodiment, the plurality of incident light beams have a first composite RGB light beam with R1 G1 B1 having wavelengths 625 nm, 520 nm, and 450 nm, respectively, and R2 with wavelengths 650 nm, 535 nm, and 465 nm, respectively. And a second composite RGB light beam with G2 B2.

図10は、代替実施形態による、導波管表示システム1000の横向きの図である。画像変調光源1002は、赤色(R)、緑色(G)、および青色(B)スペクトル成分(例えば、R1、G1、B1;R2、G2、B2)の少なくとも2つのセットを含む、複合ビーム1004を出力し、各スペクトル成分は、ビデオデータに基づいて変調される。RGBスペクトル成分のセットは、直線偏光状態によって、円偏光掌性(例えば、LH対RH)によって、または波長のわずかな差によって、区別されることができる。複合ビーム1004は、接眼導波管1006を通過し、2自由度走査ミラー1008に衝突する。回折格子1009は、複合ビーム1004が入射する、走査ミラー1008の表面1007上に形成または支持される。回折格子1009は、RGB成分の少なくとも2つのセットのうちの1つが、導波管表示システム1000の視野の第1の部分を照明し、RGB成分の少なくとも2つのセットのうちの第2のものが、導波管表示システム1000の視野の第2の部分を照明するように、RGB成分の少なくとも2つのセットを角度分離するように設計される。示されるように、回折格子1009は、複合ビーム1004を第1のRGBセットビーム1111および第2のRGBセットビーム1115に分離する。示されていないが、個々のRGB成分はまた、角度分離され、そのような場合において、RGB成分の角度分離に従って設定されるR、G、Bチャネル遅延を伴うビデオ情報を用いて変調されてもよい。回折格子1009は、例えば、6つのコレステリック液晶格子(CLCG)のスタックの形態をとってもよく、6つはそれぞれ、特定のスペクトル成分(R1、G1、B1;R2、G2、B2成分のうちの1つ)に同調された螺旋ピッチを有し、設計された回折角に従って設定される格子(側方)ピッチを有する。故に、RGB成分の第1のセットは、第1の角度で回折されることができ、RGB成分の第2のセットは、第2の角度で回折されることができる。そのような角度分散は、通常の回折格子によって生成される分散と異なり、その場合において、回折角は、波長の単調関数であることに留意されたい。CLCGは、図19および図20を参照して下記でさらに議論される。CLCGが使用される場合、画像変調光源1002は、例えば、広帯域4分の1波長板(QWP)を含むことによって、円偏光を出力するように構成されることができる。   FIG. 10 is a side view of a waveguide display system 1000 according to an alternative embodiment. Image modulated light source 1002 includes a composite beam 1004 that includes at least two sets of red (R), green (G), and blue (B) spectral components (eg, R1, G1, B1; R2, G2, B2). And each spectral component is modulated based on the video data. The set of RGB spectral components can be distinguished by the linear polarization state, by circular polarization palmarity (eg, LH vs. RH), or by slight differences in wavelength. The composite beam 1004 passes through the eyepiece waveguide 1006 and collides with the two-degree-of-freedom scanning mirror 1008. The diffraction grating 1009 is formed or supported on the surface 1007 of the scanning mirror 1008 where the composite beam 1004 is incident. The diffraction grating 1009 is such that one of at least two sets of RGB components illuminates a first portion of the field of view of the waveguide display system 1000, and a second one of the at least two sets of RGB components is Designed to angularly separate at least two sets of RGB components to illuminate a second portion of the field of view of the waveguide display system 1000. As shown, the diffraction grating 1009 separates the composite beam 1004 into a first RGB set beam 1111 and a second RGB set beam 1115. Although not shown, the individual RGB components are also angularly separated and in such cases may be modulated using video information with R, G, B channel delays set according to the angular separation of the RGB components. Good. The diffraction grating 1009 may take the form of, for example, a stack of six cholesteric liquid crystal gratings (CLCG), each of which is one of the specific spectral components (R1, G1, B1; R2, G2, B2 components). ) And a grating (side) pitch set according to the designed diffraction angle. Thus, a first set of RGB components can be diffracted at a first angle, and a second set of RGB components can be diffracted at a second angle. Note that such angular dispersion is different from the dispersion produced by a normal diffraction grating, in which case the diffraction angle is a monotonic function of wavelength. CLCG is discussed further below with reference to FIGS. 19 and 20. When CLCG is used, the image modulated light source 1002 can be configured to output circularly polarized light, for example, by including a broadband quarter wave plate (QWP).

走査ミラー1008は、入力結合プリズム1012の第1の表面1010の中へ第1のRGBセットビーム1111および第2のRGBセットビーム1115を偏向させる。走査ミラー1008は、ビーム1111、1115のRGB成分の変調と協調して駆動される。入力結合プリズム1012は、屈折率整合接着剤1015を用いて接眼導波管1006の第1の表面1016に結合される、第2の表面1014を有する。ビーム1111、1115は、全内部反射のための臨界角を上回る角度で入力結合プリズム1112を通して接眼導波管1006の中へ伝搬され、接眼導波管1006に沿って伝搬しながら、接眼導波管1006の第1の表面1116および反対の第2の表面1018において複数の反射を受ける。最終的に、ビーム1011、1115は、図面の平面と垂直な平面内に、そして図面の平面と垂直に対して45度でその平面内に延在する溝を伴う回折格子の形態をとる、直交瞳拡張器1016に到達する。直交瞳拡張器1016は、ユーザの眼に向かって接眼導波管1006から外へ光を方向転換する、回折光学要素(例えば、格子)の形態をとる、射出瞳拡張器(図示せず)に向かって本紙の平面と垂直にビーム1011、1115の部分を漸増的に反射する。   The scanning mirror 1008 deflects the first RGB set beam 1111 and the second RGB set beam 1115 into the first surface 1010 of the input coupling prism 1012. The scanning mirror 1008 is driven in cooperation with the modulation of the RGB components of the beams 1111 and 1115. The input coupling prism 1012 has a second surface 1014 that is coupled to the first surface 1016 of the eyepiece waveguide 1006 using a refractive index matching adhesive 1015. Beams 1111, 1115 propagate through the input coupling prism 1112 into the eyepiece waveguide 1006 at an angle above the critical angle for total internal reflection, and propagate along the eyepiece waveguide 1006 while passing through the eyepiece waveguide 1006. The first surface 1116 of 1006 and the opposite second surface 1018 undergo multiple reflections. Finally, the beams 1011, 1115 are orthogonal, in the form of a diffraction grating with a groove extending in a plane perpendicular to the plane of the drawing and in that plane at 45 degrees to the plane of the drawing. A pupil dilator 1016 is reached. Orthogonal pupil dilator 1016 is an exit pupil dilator (not shown) that takes the form of a diffractive optical element (eg, a grating) that redirects light out of eyepiece waveguide 1006 toward the user's eye. The portions of the beams 1011 and 1115 are incrementally reflected in the direction perpendicular to the plane of the paper.

図11は、本発明のいくつかの実施形態による、別の画像表示システムを図示する、簡略化された概略図である。図11の画像表示システム1100は、図10の画像表示システム1000に類似する。導波管の中へ光ビームを入力結合するための入力結合プリズム1112に依拠する、図10の画像表示システム1000と異なり、画像表示システム1100では、入力結合要素1052が、導波管1050の中へ光ビームを入力結合するために使用され、入力結合要素1052は、偏光感受性である必要はない。例証を単純化するために、同一の参照番号が、共通コンポーネントを指定するように図10および11の両方で使用される。図11に示されるように、画像表示システム1100は、入射光ビーム1020を受け取り、走査反射光ビーム1040を提供するための走査ミラー1030、例えば、MEMS走査ミラーを含む。画像表示システム1000はまた、走査反射光ビームを受け取るための導波管1050も含む。入射光ビーム1020は、上記で説明されるように、赤色、緑色、および青色、例えば、R1 R2...、G1 G2...、B1 B2...の近傍に波長を含有するように多重化される。さらに、入射光ビーム1020は、全内部反射(TIR)臨界角未満の角度で導波管1050に入射するように指向され、したがって、導波管1050の中へ入力結合されない。走査ミラー1030は、別個の光ビームをもたらす波長に応じて、異なる方向に入射光ビームの成分を指向する、回折要素を含むことができる。図8に関連して上記で議論される回折格子832は、走査ミラー1030の中に含まれる回折要素に使用されることができる。導波管の中へのこれらの光ビームの入射角は、MEMS走査ミラー回転角を使用して変動される。図11の簡略化された図面では、2つの光円錐1041および1042が、走査ミラー1030から反射された2つの光ビームを走査することの結果として示されている。いくつかの実施形態では、光ビーム1041および1042は、ICG等の入力結合要素1052によって導波管1050の中へ入力結合される。本実施形態では、入力結合要素1052は、偏光感受性である必要はない。   FIG. 11 is a simplified schematic diagram illustrating another image display system, according to some embodiments of the present invention. The image display system 1100 in FIG. 11 is similar to the image display system 1000 in FIG. Unlike the image display system 1000 of FIG. 10, which relies on an input coupling prism 1112 to couple the light beam into the waveguide, in the image display system 1100, the input coupling element 1052 is in the waveguide 1050. The input coupling element 1052 need not be polarization sensitive. To simplify the illustration, the same reference numbers are used in both FIGS. 10 and 11 to designate common components. As shown in FIG. 11, the image display system 1100 includes a scanning mirror 1030, eg, a MEMS scanning mirror, for receiving an incident light beam 1020 and providing a scanning reflected light beam 1040. Image display system 1000 also includes a waveguide 1050 for receiving the scanned reflected light beam. Incident light beam 1020 can be red, green, and blue, eg, R1 R2. . . , G1 G2. . . , B1 B2. . . Are multiplexed so as to contain wavelengths in the vicinity of. Further, the incident light beam 1020 is directed to enter the waveguide 1050 at an angle that is less than the total internal reflection (TIR) critical angle, and is therefore not coupled into the waveguide 1050. The scanning mirror 1030 can include diffractive elements that direct components of the incident light beam in different directions depending on the wavelengths that result in separate light beams. The diffraction grating 832 discussed above in connection with FIG. 8 can be used for the diffractive element included in the scanning mirror 1030. The angle of incidence of these light beams into the waveguide is varied using the MEMS scanning mirror rotation angle. In the simplified drawing of FIG. 11, two light cones 1041 and 1042 are shown as a result of scanning the two light beams reflected from the scanning mirror 1030. In some embodiments, light beams 1041 and 1042 are input coupled into waveguide 1050 by an input coupling element 1052, such as ICG. In this embodiment, the input coupling element 1052 need not be polarization sensitive.

図11に示されるように、走査光ビーム1041は、導波管1050内で全内部反射(TIR)を受け、第2の視野(FOV1)1066内で第1の画像を形成するように、導波管から出力結合光学要素1054を通して投影される。同様に、走査光ビーム1042は、導波管1050内で全内部反射(TIR)を受け、第2の視野(FOV2)1068内で第2の画像を形成するように、導波管から出力結合光学要素1054を通して投影される。本発明の実施形態では、画像データが、複数の走査されたビームに必要に応じてエンコードされる。画像表示システム1100は、第1のFOV1066および第2のFOV1068を含む、複合FOV1060内で画像を形成するように構成される。   As shown in FIG. 11, the scanned light beam 1041 undergoes total internal reflection (TIR) in the waveguide 1050 and is guided to form a first image in the second field of view (FOV1) 1066. Projected from the wave tube through the output coupling optical element 1054. Similarly, the scanning light beam 1042 undergoes total internal reflection (TIR) in the waveguide 1050 and is output coupled from the waveguide to form a second image in the second field of view (FOV2) 1068. Projected through optical element 1054. In embodiments of the present invention, image data is encoded as needed into multiple scanned beams. Image display system 1100 is configured to form an image within a composite FOV 1060 that includes a first FOV 1066 and a second FOV 1068.

図11に示されるように、いくつかの実施形態では、入射光ビーム1020を提供する光源は、走査ミラー1030とは導波管950の反対側に配置される。光源は、TIR臨界角未満である導波管1050に対する角度で入射光ビーム1020を提供するように構成される。したがって、入射光ビーム1020は、導波管の中へ入力結合されることなく、導波管1050を通過して走査ミラー1030に到達する。さらに、反射光ビーム1040は、入射光ビーム1020からオフセットされる入力結合光学要素1052を通して、導波管1050の中へ進入する。いくつかの実施形態では、走査ミラーの反射面は、入射角が反射角と同一ではなく、結像デバイスのよりコンパクトな構成につながり得る、回折軸外ミラーを使用することによって、(体積を節約するように)基板と略平行にされることができる。   As shown in FIG. 11, in some embodiments, the light source that provides the incident light beam 1020 is located on the opposite side of the waveguide 950 from the scanning mirror 1030. The light source is configured to provide an incident light beam 1020 at an angle to the waveguide 1050 that is less than the TIR critical angle. Accordingly, the incident light beam 1020 passes through the waveguide 1050 and reaches the scanning mirror 1030 without being coupled into the waveguide. Further, the reflected light beam 1040 enters the waveguide 1050 through the input coupling optical element 1052 that is offset from the incident light beam 1020. In some embodiments, the reflecting surface of the scanning mirror is not the same as the angle of reflection, and by using a diffractive off-axis mirror (which saves volume), which can lead to a more compact configuration of the imaging device. Can be made substantially parallel to the substrate.

図12は、画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。図12に示されるように、方法1200は、2つ以上の入力光ビームを走査ミラーに提供するステップ(1210)を含む。本方法はまた、2つ以上の入力光ビームを走査し、複数の反射光ビームを提供するステップ(1220)も含む。複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。本方法はさらに、導波管内で複数の反射光ビームを受け取るステップ(1230)を含む。加えて、本方法は、導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野(FOV)内で投影画像を形成するステップ(1240)を含む。方法1200を実装する画像表示システムの実施例は、図1−10に関連して上記に説明される。本方法のいくつかの実施形態では、複合視野は、2つ以上の入力光ビームのそれぞれによって提供されるFOVよりも広い。複合FOV内の画像は、入力光ビームのそれぞれからの画像を含む、タイル状画像であることができる。   FIG. 12 is a simplified flowchart illustrating a method for displaying an image. As shown in FIG. 12, method 1200 includes providing (1210) two or more input light beams to a scanning mirror. The method also includes scanning (1220) two or more input light beams to provide a plurality of reflected light beams. Each of the plurality of reflected light beams is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). The method further includes receiving (1230) a plurality of reflected light beams within the waveguide. In addition, the method includes projecting (1240) a plurality of output light beams from the waveguide to form a projected image in a composite field of view (FOV). An example of an image display system that implements method 1200 is described above in connection with FIGS. 1-10. In some embodiments of the method, the composite field of view is wider than the FOV provided by each of the two or more input light beams. The images in the composite FOV can be tiled images that include images from each of the input light beams.

図13は、ある実施形態による、ライトエンジン1300の概略図である。ライトエンジン1300は、本明細書の上記で説明される表示システムの光源110、310、510、または710のうちのいずれかとして使用されることができる。図13を参照すると、ライトエンジン1300は、赤色光源1302と、緑色光源1304と、青色光源1306とを含む。光源1302、1304、1306は、例えば、レーザダイオード(LD)または発光ダイオード(LED)の形態をとってもよい。赤色チャネルコリメートレンズ1308、緑色チャネルコリメートレンズ1310、および青色チャネルコリメートレンズ1312は、それぞれ、赤色光源1302、緑色光源1304、および青色光源1306の出力において配列される。青色光源1306は、青色チャネルコリメートレンズ1312を通して、青色チャネル光学経路折り畳みミラー1314を介して、緑色帯域反射ダイクロイックミラー1318を通して、赤色帯域反射ダイクロイックミラー1320を通して、ビーム偏向プリズム1322に光学的に結合される。緑色光源1304は、緑色チャネルコリメートレンズ1310を通して、緑色帯域反射ダイクロイックミラー1318を介してビーム偏向プリズム1322に光学的に結合される。赤色光源1302は、赤色チャネルコリメートレンズ1308を通して、赤色帯域反射ダイクロイックミラー1320を介してビーム偏向プリズム1322に光学的に結合される。光源1302、1304、1306からの光は、多重スペクトル成分コリメートビーム1324としてビーム偏向プリズム1322に到達する。多重スペクトル成分コリメートビーム1324は、ビーム偏向プリズム1322の入力表面1326に入射し、多重スペクトル成分コリメートビーム1324を屈折させ、それによって、偏向させる役割を果たす、ビーム偏向プリズム1322の傾斜面1328を通して出射する。随意に、回折格子(図示せず)が、ビーム324の偏向に寄与し、傾斜面1328における屈折と関連付けられる色分散を補償するように、入力表面上に設置されることができる。ビーム偏向プリズム1322は、入射多重スペクトル成分コリメートビーム1324と平行である軸1330を中心として、角度アルファによって回転される。角度アルファによってビーム偏向プリズム1322を回転させることは、図面の平面と垂直なビーム方向余弦を付与する役割を果たす。図13に示される形態の複数、例えば、2つ、4つ、またはそれよりも多いライトエンジンは、アセンブリ(図示せず)の中に配列され、4つの複数のライトエンジン1300からのマルチスペクトル成分ビーム1324が、本明細書の上記で説明される実施形態で使用されるビーム走査ミラーのうちの1つの表面において収束するように配向される、それらの個別のビーム偏向プリズム1322を有することができる。図13に図示されていないが、異なるスペクトル出力をそれぞれ有する、より多くの光源が、図13に示される配列と同様の様式で追加されることができる。例えば、異なるピーク波長および実質的に重複しないスペクトル出力を伴う一対の狭帯域光源が、赤色、青色、および緑色毎に提供されることができる。そのような付加的光源を提供することは、本明細書の上記で説明される表示システムのための増加した色域をもたらすであろう。   FIG. 13 is a schematic diagram of a light engine 1300 according to an embodiment. The light engine 1300 can be used as any of the light sources 110, 310, 510, or 710 of the display system described hereinabove. Referring to FIG. 13, the light engine 1300 includes a red light source 1302, a green light source 1304, and a blue light source 1306. The light sources 1302, 1304, 1306 may take the form of, for example, laser diodes (LD) or light emitting diodes (LEDs). Red channel collimating lens 1308, green channel collimating lens 1310, and blue channel collimating lens 1312 are arranged at the outputs of red light source 1302, green light source 1304, and blue light source 1306, respectively. Blue light source 1306 is optically coupled to beam deflecting prism 1322 through blue channel collimating lens 1312, through blue channel optical path folding mirror 1314, through green band reflecting dichroic mirror 1318, and through red band reflecting dichroic mirror 1320. . The green light source 1304 is optically coupled to the beam deflection prism 1322 through the green channel collimating lens 1310 and through the green band reflecting dichroic mirror 1318. The red light source 1302 is optically coupled to the beam deflection prism 1322 through the red channel collimating lens 1308 and the red band reflecting dichroic mirror 1320. Light from the light sources 1302, 1304, 1306 reaches the beam deflection prism 1322 as a multispectral component collimated beam 1324. Multispectral component collimated beam 1324 is incident on input surface 1326 of beam deflecting prism 1322 and exits through inclined surface 1328 of beam deflecting prism 1322, which serves to refract and thereby deflect multispectral component collimated beam 1324. . Optionally, a diffraction grating (not shown) can be placed on the input surface to contribute to deflection of the beam 324 and compensate for chromatic dispersion associated with refraction at the inclined surface 1328. The beam deflection prism 1322 is rotated by an angle alpha about an axis 1330 that is parallel to the incident multispectral component collimated beam 1324. Rotating the beam deflection prism 1322 by the angle alpha serves to provide a beam direction cosine that is perpendicular to the plane of the drawing. Multiple, eg, two, four, or more light engines in the form shown in FIG. 13 are arranged in an assembly (not shown) and multispectral components from the four multiple light engines 1300. Beams 1324 can have their individual beam deflection prisms 1322 oriented to converge at the surface of one of the beam scanning mirrors used in the embodiments described hereinabove. . Although not shown in FIG. 13, more light sources, each having a different spectral output, can be added in a manner similar to the arrangement shown in FIG. For example, a pair of narrowband light sources with different peak wavelengths and substantially non-overlapping spectral outputs can be provided for each of red, blue, and green. Providing such an additional light source will result in an increased color gamut for the display system described hereinabove.

図14は、別の実施形態による、ライトエンジン1400の概略図であり、図15は、図14に示されるライトエンジン1400の正面(出力端)図である。ライトエンジン1400は、本明細書の上記で説明される表示システムの光源110、310、510、または710のうちのいずれかとして使用されることができる。図14−15を参照すると、ライトエンジン1400は、第1のビーム源1402と、第2のビーム源1404と、第3のビーム源1502と、第4のビーム源1504とを含む。第3のビーム源1502および第4のビーム源1504は、下記でさらに議論されるように、ビーム形成レンズの位置付けを明らかな例外として、同一の構造を有するであろう。特に、図14を参照すると、第1のビーム源1402および第2のビーム源1404の内部詳細が示されている。第1のビーム源1402は、第1の出力レンズ1414aを含み、第2のビーム源1404は、第2の出力レンズ1414bを含む。各ビーム源1402、1404は、関連付けられるコリメートおよびビーム偏向レンズ1414a、1414bへとダイクロイックビームコンバイナ1412を通して結合される、赤色レーザダイオード1406と、緑色レーザダイオード1408と、青色レーザダイオード1410とを含む。(代替として、レーザダイオード1406、1408、1410の代わりに、例えば、発光ダイオード等の別のタイプの光源が使用されてもよい。)各ダイクロイックビームコンバイナ1412は、入力表面1416と、示されるZ軸から+45度で傾斜した下側ビーム折り畳みミラー表面1418と、(各場合において各個別の表面の左縁が回転軸と見なされると仮定して)示されるZ軸から−45度で傾転した上側ビーム折り畳みミラー表面1420と、出力表面1422とを含む。ビーム折り畳みミラー表面1418、1420は、例えば、全内部反射(TIR)表面または金属化表面であってもよい。+45度で傾転した青色帯域反射ダイクロイックミラー1424および−45度で傾転した赤色帯域反射ダイクロイックミラー1426は、ダイクロイックビームコンバイナ1412に埋め込まれる。ダイクロイックビームコンバイナ1412は、ダイクロイックコーティングでコーティングされ、光学接着剤で継合される、複数の光学ガラスから作製されてもよい。青色レーザダイオード1410からの光は、下側ビーム折り畳みミラー表面1418、青色帯域反射ダイクロイックミラー1424、および出力表面1422を介して出力レンズ1414a、1414bに結合される。同様に、赤色レーザダイオード1406からの光は、上側ビーム折り畳みミラー表面1420、赤色帯域反射ダイクロイックミラー1426、および出力表面1422を介して出力レンズ1414a、1414bに結合される。緑色レーザダイオード1408からの光は、入力表面1416、青色帯域反射ダイクロイックミラー1424、赤色帯域反射ダイクロイックミラー1426、および出力表面1422を通して、出力レンズ1414a、1414bまで通過する。   14 is a schematic view of a light engine 1400 according to another embodiment, and FIG. 15 is a front (output end) view of the light engine 1400 shown in FIG. The light engine 1400 can be used as any of the light sources 110, 310, 510, or 710 of the display system described hereinabove. Referring to FIGS. 14-15, the light engine 1400 includes a first beam source 1402, a second beam source 1404, a third beam source 1502, and a fourth beam source 1504. The third beam source 1502 and the fourth beam source 1504 will have the same structure, with the obvious exception of the positioning of the beam forming lens, as discussed further below. In particular, referring to FIG. 14, the internal details of the first beam source 1402 and the second beam source 1404 are shown. The first beam source 1402 includes a first output lens 1414a, and the second beam source 1404 includes a second output lens 1414b. Each beam source 1402, 1404 includes a red laser diode 1406, a green laser diode 1408, and a blue laser diode 1410 coupled through an dichroic beam combiner 1412 to an associated collimator and beam deflection lens 1414a, 1414b. (Alternatively, instead of the laser diodes 1406, 1408, 1410, another type of light source, such as a light emitting diode, may be used.) Each dichroic beam combiner 1412 includes an input surface 1416 and a Z axis shown. Lower beam folding mirror surface 1418 tilted at +45 degrees from the upper side tilted at −45 degrees from the Z axis shown (assuming that in each case the left edge of each individual surface is considered the axis of rotation) A beam folding mirror surface 1420 and an output surface 1422 are included. Beam folding mirror surfaces 1418, 1420 may be, for example, total internal reflection (TIR) surfaces or metallized surfaces. A blue band reflecting dichroic mirror 1424 tilted at +45 degrees and a red band reflecting dichroic mirror 1426 tilted at −45 degrees are embedded in a dichroic beam combiner 1412. The dichroic beam combiner 1412 may be made from a plurality of optical glasses that are coated with a dichroic coating and joined with an optical adhesive. Light from blue laser diode 1410 is coupled to output lenses 1414a, 1414b via lower beam folding mirror surface 1418, blue band reflecting dichroic mirror 1424, and output surface 1422. Similarly, light from red laser diode 1406 is coupled to output lenses 1414a, 1414b via upper beam folding mirror surface 1420, red band reflecting dichroic mirror 1426, and output surface 1422. Light from the green laser diode 1408 passes through the input surface 1416, the blue band reflecting dichroic mirror 1424, the red band reflecting dichroic mirror 1426, and the output surface 1422 to the output lenses 1414a, 1414b.

図15も参照すると、第3のビーム源1502は、第3の出力レンズ1514aを含み、第4のビーム源1504は、第4の出力レンズ1514bを含む。図15では、十字線は、出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bの中心を示す。出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bは、レーザダイオード1406、1408、1410によって発せられる光を収集する、その発散角を改変する(例えば、コリメートする)、偏向させる役割を果たす。ダイクロイックビームコンバイナ1412内の赤色レーザダイオード1406および青色レーザダイオードからの光の光学経路長は、図4に示されるような緑色レーザダイオード1408からの光の光学経路長よりも長い。加えて、出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bは、均質な光学材料から作製される単純な屈折レンズであり、出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bが、赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオード、および青色レーザダイオード1406、1408、1410からの光の異なる焦点距離を有することを意味する、ある程度の色収差を呈し得る。ダイクロイックビームコンバイナ内の色収差および異なる経路長を補償するために、各レーザダイオード1406、1408、1410は、ダイクロイックビームコンバイナ1412の入力表面1416から異なる距離に設定される。出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bが光をコリメートするために使用される場合における一実施例として、各特定のレーザダイオード1406、1408、1410は、特定のレーザダイオード1406、1408、1410の発光のピーク波長に特有の背面焦点距離に等しい光学経路距離によって、その関連付けられる出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bから離間されることができる。   Referring also to FIG. 15, the third beam source 1502 includes a third output lens 1514a, and the fourth beam source 1504 includes a fourth output lens 1514b. In FIG. 15, the crosshairs indicate the centers of the output lenses 1414a, 1414b, 1514a, and 1514b. The output lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b serve to collect light emitted by the laser diodes 1406, 1408, 1410, modify its divergence angle (eg, collimate), and deflect. The optical path length of light from the red laser diode 1406 and blue laser diode in the dichroic beam combiner 1412 is longer than the optical path length of light from the green laser diode 1408 as shown in FIG. In addition, the output lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b are simple refractive lenses made from a homogeneous optical material, and the output lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b are red laser diodes, green laser diodes, and blue Some chromatic aberration may be exhibited, meaning that the light from the laser diodes 1406, 1408, 1410 has different focal lengths. In order to compensate for chromatic aberration and different path lengths in the dichroic beam combiner, each laser diode 1406, 1408, 1410 is set at a different distance from the input surface 1416 of the dichroic beam combiner 1412. As an example in the case where output lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b are used to collimate light, each particular laser diode 1406, 1408, 1410 is a light emitting element of a particular laser diode 1406, 1408, 1410. It can be spaced from its associated output lens 1414a, 1414b, 1514a, 1514b by an optical path distance equal to the back focal length characteristic of the peak wavelength.

出力レンズ1414a、1414b、1514a、1514bは、レーザダイオード1406、1408、1410からの光の複合光軸1415に対して(増分ΔXおよびΔYの観点から識別される量だけ)軸外に変位される。レンズ1414a、1414b、1514a、1514bへの入力において、複合光軸1415は、図14に示されるZ軸と平行である。XおよびY方向にレンズ1414a、1414bをオフセットすることは、ゼロではないXおよびY方向余弦を有するビーム伝搬方向を誘発する役割を果たす。第1のビーム源1402の場合、ビームXおよびYレンズオフセットが、(ΔX,ΔY)である一方で、第2のビーム源1404の場合、XおよびYレンズオフセットは、(−ΔX,ΔY)であることに留意されたい。X座標オフセットの反対称性は、2つのビーム源1402、1404によって形成される光ビームを、本明細書の上記で説明される実施形態で使用されるビーム走査ミラーの表面と一致する交点1428に操向する役割を果たす。図14に示される一対のビーム源1402、1404の中のレンズ1414a、1414bが、レンズ1414a、1414bに到達する複合光軸に対して正のY軸オフセットを有する一方で、第2の一対のビーム源1502、1504は、負のY軸オフセット(−ΔY)を有する。Y軸オフセットのそのような反対称性は、2対のビーム源1402、1404、1502、1504からのビームを前述の交点1428で交わらせる役割を果たす。したがって、4つのマルチスペクトル成分の発散制御された(例えば、コリメート)ビームが、単一のビーム走査ミラーにおいて指向されることができる。出力レンズ1414a、1414b、15141、1514bは、非限定的実施例として、ガラスまたはプラスチックであってもよく、接合アクロマート複合レンズであってもよく、回折光学表面を含んでもよい。   The output lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b are displaced off-axis with respect to the composite optical axis 1415 of light from the laser diodes 1406, 1408, 1410 (by an amount identified in terms of increments ΔX and ΔY). At the input to the lenses 1414a, 1414b, 1514a, 1514b, the compound optical axis 1415 is parallel to the Z axis shown in FIG. Offsetting the lenses 1414a, 1414b in the X and Y directions serves to induce a beam propagation direction with non-zero X and Y direction cosines. In the case of the first beam source 1402, the beam X and Y lens offset is (ΔX, ΔY), whereas in the case of the second beam source 1404, the X and Y lens offset is (−ΔX, ΔY). Note that there are. The anti-symmetry of the X coordinate offset causes the light beam formed by the two beam sources 1402, 1404 to be at an intersection 1428 that coincides with the surface of the beam scanning mirror used in the embodiments described hereinabove. Play the role of steering. While the lenses 1414a, 1414b in the pair of beam sources 1402, 1404 shown in FIG. 14 have a positive Y-axis offset with respect to the compound optical axis reaching the lenses 1414a, 1414b, the second pair of beams Sources 1502, 1504 have a negative Y-axis offset (−ΔY). Such anti-symmetry of the Y-axis offset serves to cause the beams from the two pairs of beam sources 1402, 1404, 1502, 1504 to intersect at the aforementioned intersection 1428. Thus, a divergence-controlled (eg, collimated) beam of four multispectral components can be directed at a single beam scanning mirror. The output lenses 1414a, 1414b, 15141, 1514b may be glass or plastic, may be cemented achromatic compound lenses, and may include diffractive optical surfaces, as non-limiting examples.

図16は、ある実施形態による、4チャネルライトエンジン1600の上面図であり、図17は、図16に示されるライトエンジン1600の一部の断面図である。ライトエンジンは、陥凹1604が形成される基板1602を含む。基板1602は、非限定的実施例として、シリコンまたはセラミックであることができる。基板1602は、下記に説明されるコンポーネントのための搭載突起および位置付け特徴(図示せず)を形成するようにエッチングされる。気密封止が要求されない場合には、基板1602は、ガラス繊維プリント回路基板であり得る。下記で本明細書に説明されるような種々の光学コンポーネントは、陥凹1604の中に搭載され、光学窓1606は、基板1602上に密閉され、陥凹1604に重なり密閉する。4つのマルチスペクトル(RGB)成分ビーム源1608、1610、1612、1614は、陥凹1604の中に位置する。図14−15を参照して上記に説明される実施形態に類似し、下記で説明されるであろう、出力レンズ1616a、1616b、1616c、1616dのオフセットを除いて、ビーム源1608、1610、1612、1614の内部詳細は、同一である。図16に示される第1のビーム源1608を参照して、青色レーザダイオード1618、緑色レーザダイオード1620、および赤色レーザダイオード1622は、ダイクロイックビームコンバイナ1412のうちの1つを介して第1のレンズ1624に光学的に結合される。ダイクロイックビームコンバイナ1412の内部詳細の説明に関して、図14−15との関連で本明細書の上記の説明が参照される。   16 is a top view of a four-channel light engine 1600 according to an embodiment, and FIG. 17 is a cross-sectional view of a portion of the light engine 1600 shown in FIG. The light engine includes a substrate 1602 in which a recess 1604 is formed. The substrate 1602 can be silicon or ceramic as a non-limiting example. The substrate 1602 is etched to form mounting protrusions and positioning features (not shown) for the components described below. If a hermetic seal is not required, the substrate 1602 can be a glass fiber printed circuit board. Various optical components, as described herein below, are mounted in recesses 1604 and optical window 1606 is sealed over substrate 1602 and overlaps and seals over recesses 1604. Four multispectral (RGB) component beam sources 1608, 1610, 1612, 1614 are located in the recess 1604. Beam sources 1608, 1610, 1612 are similar to the embodiments described above with reference to FIGS. 14-15, except for the offset of output lenses 1616a, 1616b, 1616c, 1616d, which will be described below. , 1614 have the same internal details. Referring to the first beam source 1608 shown in FIG. 16, the blue laser diode 1618, the green laser diode 1620, and the red laser diode 1622 are coupled to the first lens 1624 via one of the dichroic beam combiners 1412. To be optically coupled. For a description of the internal details of the dichroic beam combiner 1412, reference is made to the above description herein in connection with FIGS. 14-15.

第2のマルチスペクトル成分ビーム源1610の一部を通した(図16に示されるような)断面である、図17に示されるように、第1のレンズ1624は、光学接着剤1628を用いてビーム折り畳みプリズム1632の入力表面1630に接合される平面1626を有する、第1の平凸レンズである。ビーム折り畳みプリズム1632の反射面1634は、ダイクロイックビームコンバイナ1412から出射するビームを光学窓1606に向かって90度上向きに偏向させる。ビーム折り畳みプリズム1632は、光学接着剤1638を用いて光学窓1606の下面1640に接合される出射表面1636を含む。平凸レンズ出力レンズ1616bの平面1642は、光学接着剤1644を使用して、ビーム折り畳みプリズム1632の出射表面1636に重なる光学窓1606の上面1646に接合される。代替として、第1のレンズ1624は、所望のビーム発散変化(例えば、コリメーション)を達成し、平凸出力レンズ1616a、1616b、1616c、1616dは、プリズムおよび/または回折光学要素等のビーム偏向コンポーネントと置換される。第1のマルチスペクトル成分ビーム源1608に示されるように、代替として、発散改変(例えば、コリメート)レンズ1648が、ダイクロイックビームコンバイナ1412の入力表面1416の表面上に位置付けられる。代替として、回折、反射光学、反射屈折、または他の屈折コンポーネントまたはサブシステムが、第1のレンズ1624、レンズ1648、および/または出力レンズ1616a、1616b、1616c、1616dの代わりに、またはそれに加えて、使用されてもよい。ビーム源1608、1610、1612、1614はそれぞれ、出力レンズ1616a、1616b、1616c、1616dのうちの1つを具備し、出力レンズ1616a、1616b、1616c、1616dはそれぞれ、そのビーム源1608、1610、1612、1614の複合光軸(横ビーム重心)1415に対する距離増分ΔXおよびΔYの観点から示される量だけ横方向にオフセットされる。このようにして、4つのビーム源1608、1610、1612、1614から出力されるビームは、本明細書の上記で説明される実施形態のビーム走査ミラーのうちの1つの表面に位置付けられ得る、共通交点1648、1650において交差させられる。したがって、独立して変調された赤色スペクトル成分、緑色スペクトル成分、および青色スペクトル成分をそれぞれ有する、4つのマルチスペクトル成分ビームは、単一の走査ミラーに衝突され、ディスプレイ導波管の入力光学要素(例えば、入力結合回折格子)にわたって走査ミラーによって走査されることができる。走査ミラーは、走査ミラーに入射する多成分ビームの間の角度分離の少なくとも半分である十分な角度範囲にわたって各多成分ビームを走査するように駆動されることができ、このようにして、各ビームは、継合してより広い立体角範囲を(少なくとも)隣接して充填する、部分範囲にわたって走査されることができる。(部分範囲に重複することも可能である。)そのようなより広い立体角範囲は、ビームが入力される導波管ディスプレイ接眼レンズの中を見るユーザのためのより広い視野に対応する。各ビーム源内の各レーザダイオードは、カラー画像変調光を形成する画像データを用いて別個に変調されることができる。   As shown in FIG. 17, which is a cross-section (as shown in FIG. 16) through a portion of the second multi-spectral component beam source 1610, the first lens 1624 uses an optical adhesive 1628. A first plano-convex lens having a plane 1626 joined to the input surface 1630 of the beam folding prism 1632. The reflecting surface 1634 of the beam folding prism 1632 deflects the beam emitted from the dichroic beam combiner 1412 upward 90 degrees toward the optical window 1606. Beam folding prism 1632 includes an exit surface 1636 that is bonded to lower surface 1640 of optical window 1606 using optical adhesive 1638. The plane 1642 of the plano-convex lens output lens 1616b is bonded to the upper surface 1646 of the optical window 1606 overlying the exit surface 1636 of the beam folding prism 1632 using an optical adhesive 1644. Alternatively, the first lens 1624 achieves the desired beam divergence change (eg, collimation) and the plano-convex output lenses 1616a, 1616b, 1616c, 1616d are coupled with beam deflection components such as prisms and / or diffractive optical elements. Replaced. As shown in the first multispectral component beam source 1608, alternatively, a divergence modifying (eg, collimating) lens 1648 is positioned on the surface of the input surface 1416 of the dichroic beam combiner 1412. Alternatively, diffractive, reflective optics, catadioptric, or other refractive components or subsystems may be substituted for or in addition to the first lens 1624, lens 1648, and / or output lenses 1616a, 1616b, 1616c, 1616d. , May be used. Each of the beam sources 1608, 1610, 1612, 1614 comprises one of the output lenses 1616a, 1616b, 1616c, 1616d, and the output lenses 1616a, 1616b, 1616c, 1616d are respectively their beam sources 1608, 1610, 1612. , 1614 to the composite optical axis (lateral beam centroid) 1415 is offset laterally by the amount indicated in terms of distance increments ΔX and ΔY. In this way, the beams output from the four beam sources 1608, 1610, 1612, 1614 can be positioned on the surface of one of the beam scanning mirrors of the embodiments described herein above. Crossed at intersections 1648, 1650. Thus, four multi-spectral component beams, each having independently modulated red, green, and blue spectral components, are impinged on a single scanning mirror and the input optical element of the display waveguide ( For example, it can be scanned by a scanning mirror across the input coupled diffraction grating). The scanning mirrors can be driven to scan each multi-component beam over a sufficient angular range that is at least half of the angular separation between the multi-component beams incident on the scanning mirror, and thus each beam Can be scanned across subranges that are stitched together to fill a wider solid angle range (at least) adjacent. (It is also possible to overlap the partial range.) Such a wider solid angle range corresponds to a wider field of view for the user looking into the waveguide display eyepiece into which the beam is input. Each laser diode in each beam source can be separately modulated with image data forming color image modulated light.

図18は、ある実施形態による、導波管表示システム1800の部分図である。図18に示されるように、導波管表示システムは、両凸非球面コリメートレンズ1808に面する発光方向を有する、赤色レーザダイオード1802と、緑色レーザダイオード1804と、青色レーザダイオード1806とを含む。代替として、非限定的実施例として、複合レンズ、回折、反射光学、および/または反射屈折コンポーネント等の別のタイプのコリメート光学系または光学システムが、使用されてもよい。レンズ1808によってコリメートされる光は、4分の1波長板(QWP)1810に入射する。レーザダイオード1802、1804、1806によって発せられる光が、実質的に直線偏光される程度まで、QWP1810は、偏光状態を右側(RH)または左側(LH)円偏光のいずれかに変換する役割を果たす。QWP1810から出射する光は、第1の青色反射防止(AR)コーティング1830、青色入力結合格子(ICG)1814、青色光導波管1809、第2の青色ARコーティング1831、第1の緑色ARコーティング1832、緑色ICG1816、緑色光導波管1811、第2の緑色ARコーティング1833、第1の赤色ARコーティング1834、赤色ICG1818、赤色導波管1812、および第2の赤色ARコーティング1836を通過する。ICG1814、1816、1818は、好適に反射コレステリック液晶格子(CLCG)である。入力結合CLCG1814、1816、1818の構造は、下記でさらに詳細に議論される。青色ICG1814は、青色光導波管1809の前側1824で支持され、緑色ICG1816は、緑色光導波管1811の前側1826で支持され、赤色ICG1816は、赤色導波管1812の前側1828で支持される。導波管1809、1811、1812の前側1824、1826、1828は、レーザダイオード1802、1804、1806の方を向いている。第1の青色ARコーティング1830、第1の緑色ARコーティング1832、および第1の赤色ARコーティング1834は、それぞれ、青色ICG1814のレーザ接面1838、緑色ICG1816のレーザ接面1840、および赤色ICG1818のレーザ接面1842上に配置される。   FIG. 18 is a partial view of a waveguide display system 1800, according to an embodiment. As shown in FIG. 18, the waveguide display system includes a red laser diode 1802, a green laser diode 1804, and a blue laser diode 1806 having an emission direction facing a biconvex aspherical collimating lens 1808. Alternatively, as a non-limiting example, other types of collimating optics or optical systems such as compound lenses, diffractive, reflective optics, and / or catadioptric components may be used. The light collimated by the lens 1808 is incident on a quarter wave plate (QWP) 1810. To the extent that the light emitted by laser diodes 1802, 1804, 1806 is substantially linearly polarized, QWP 1810 serves to convert the polarization state to either right (RH) or left (LH) circular polarization. The light emanating from the QWP 1810 includes a first blue anti-reflection (AR) coating 1830, a blue input coupling grating (ICG) 1814, a blue light waveguide 1809, a second blue AR coating 1831, a first green AR coating 1832, It passes through the green ICG 1816, the green light waveguide 1811, the second green AR coating 1833, the first red AR coating 1834, the red ICG 1818, the red waveguide 1812, and the second red AR coating 1836. ICGs 1814, 1816, 1818 are preferably reflective cholesteric liquid crystal gratings (CLCGs). The structure of the input coupling CLCGs 1814, 1816, 1818 is discussed in further detail below. The blue ICG 1814 is supported on the front side 1824 of the blue light waveguide 1809, the green ICG 1816 is supported on the front side 1826 of the green light waveguide 1811, and the red ICG 1816 is supported on the front side 1828 of the red waveguide 1812. The front sides 1824, 1826, 1828 of the waveguides 1809, 1811, 1812 face the laser diodes 1802, 1804, 1806. The first blue AR coating 1830, the first green AR coating 1832, and the first red AR coating 1834 are respectively the blue ICG 1814 laser contact surface 1838, the green ICG 1816 laser contact surface 1840, and the red ICG 1818 laser contact. Located on surface 1842.

導波管1809、1811、1812の一部のみが、図18で可視である。導波管1809、1811、1812の残りの部分は、ユーザの眼への光の結合を制御するためのその上に形成された付加的光学コンポーネントを含む、または有する。そのような付加的コンポーネントは、例えば、直交瞳拡張格子(OPE)および射出瞳拡張格子(EPE)を含むことができる。導波管1809、1811、1812は、ユーザが仮想コンテンツおよび実際の環境を同時に見ることを可能にするように透明である。導波管1809、1811、1812およびICG1814、1816、1818を通過した後、レーザダイオード1802、1804、1806によって発せられる光は、走査ミラー1822の前面1820において反射される。光が最初にQWP1810を通過するとき、光は、直線偏光から、LHまたはRHであり得る円偏光の具体的初期掌性に変換される。ICG1814、1816、1818は、光が実質的に偏向を伴わずに最初にICGを通過するように、光の初期掌性の反対の掌性を有する。走査ミラー1822の前面1820は、正反射性である、またはゼロではない回折次数に光を方向転換する反射回折格子(例えば、ブレーズド表面緩和格子、または例えば、体積ホログラフィック格子)を含んでもよい。前面1820からの反射に応じて、円偏光のその掌性は、CLCG ICG1814、1816、1818の掌性に合致するように逆転され、したがって、走査ミラー1822の前面1820から反射される光は、導波管1809、1811、1812内のTIRのための臨界角を上回る第1の回折角へ反射的に回折される。   Only a portion of the waveguides 1809, 1811, 1812 is visible in FIG. The remaining portions of the waveguides 1809, 1811, 1812 include or have additional optical components formed thereon to control the coupling of light to the user's eye. Such additional components can include, for example, an orthogonal pupil extension grating (OPE) and an exit pupil extension grating (EPE). Waveguides 1809, 1811, 1812 are transparent to allow the user to view virtual content and the actual environment simultaneously. After passing through the waveguides 1809, 1811, 1812 and ICG 1814, 1816, 1818, the light emitted by the laser diodes 1802, 1804, 1806 is reflected at the front surface 1820 of the scanning mirror 1822. When light first passes through QWP 1810, it is converted from linear polarization to a specific initial palmarity of circular polarization, which can be LH or RH. ICGs 1814, 1816, 1818 have a palmarity that is opposite to the initial palmarity of the light so that the light first passes through the ICG with substantially no deflection. The front surface 1820 of the scanning mirror 1822 may include a reflective diffraction grating (eg, a blazed surface relaxation grating or, eg, a volume holographic grating) that redirects light to a diffraction order that is specular or non-zero. In response to reflection from the front surface 1820, its palmality of circularly polarized light is reversed to match that of CLCG ICGs 1814, 1816, 1818, so that the light reflected from the front surface 1820 of the scanning mirror 1822 is guided. Reflectively diffracted to a first diffraction angle above the critical angle for TIR in wave tubes 1809, 1811, 1812.

図19は、図18に示される導波管表示システム1800の一部を通した断面図である。図19は、青色ARコーティング1830、1831、青色ICG1814、および青色導波管1809を通した断面立面図を含み、青色ICG1814の内部詳細を含む。緑色ICG1816および赤色ICG1818は、下記でさらに議論される異なる軸方向および側方ピッチにもかかわらず、青色ICG1814の構造に類似する構造を有する。青色ICG1814は、第1の基板1910、第2の基板1912、および第1の縁シール1914によって形成される、第1のセル1908の中に位置するコレステリック液晶材料1902を含む。第1のセル1908は、第1の基板1910上に形成される配向層1928を含む。コレステリック液晶は、液晶材料の複数の階層のスタックを含む。図19の場合のように、積層方向が図示されるデカルト三つ組構造(triad)のZ方向に対応すると仮定して、スタックの中の各連続層内の分子の配向は、Z軸を中心としてわずかな角度増分だけ回転される。Z軸を中心とした回転は、分子の1回の全回転に対応するZ距離である、ピッチによって特徴付けられる。カイラルドーパント分子が、左側捻転または右側捻転のいずれかであり得る、捻転の方向を制御するように添加されることができる。反射性は、コレステリック液晶の捻転の掌性に合致する円偏光を有し、Z方向ピッチに合致する波長を有する光に関して、最大限にされる。青色CLCGに関するZ軸を中心とした分子の回転を特徴付けるピッチは、図19のピッチの半分に等しい、標識寸法0.5Pitch_Zによって示される。 FIG. 19 is a cross-sectional view through a portion of the waveguide display system 1800 shown in FIG. FIG. 19 includes a cross-sectional elevation view through blue AR coatings 1830, 1831, blue ICG 1814, and blue waveguide 1809, including internal details of blue ICG 1814. The green ICG 1816 and the red ICG 1818 have a structure similar to that of the blue ICG 1814, despite the different axial and lateral pitches discussed further below. Blue ICG 1814 includes a cholesteric liquid crystal material 1902 located in a first cell 1908 formed by a first substrate 1910, a second substrate 1912, and a first edge seal 1914. The first cell 1908 includes an alignment layer 1928 formed on the first substrate 1910. A cholesteric liquid crystal includes a stack of multiple layers of liquid crystal material. As in the case of FIG. 19, assuming that the stacking direction corresponds to the Z direction of the illustrated Cartesian triad (triad), the molecular orientation in each successive layer in the stack is slightly centered about the Z axis. It is rotated by an angle increment. A rotation around the Z axis is characterized by a pitch, which is the Z distance corresponding to one full rotation of the molecule. Chiral dopant molecules can be added to control the direction of twisting, which can be either left-handed or right-handed. The reflectivity is maximized for light having circularly polarized light that matches the twist of the cholesteric liquid crystal and having a wavelength that matches the Z-direction pitch. The pitch that characterizes the rotation of the molecule around the Z axis for the blue CLCG is indicated by the marker dimension 0.5 * Pitch_Z, which is equal to half the pitch in FIG.

格子が、各層内の分子の配向の周期的側方(例えば、図9のX方向)変化を確立することによって作成されることができる。配向層1928は、コレステリック液晶の配向の側方変化を確立するために使用される。配向層1928は、液晶分子の局所整合を確立するためのパターンが、偏光のパターンに暴露することによって確立される、光配向層であってもよい。光配向層の実施例は、ポリイミド、直線偏光光重合可能ポリマー(LPP)、アゾ含有ポリマー、クマリン含有ポリマー、およびケイ皮酸含有ポリマーを含む。液晶材料1902の側方ピッチは、図19ではPitch_Xと標識される。液晶材料1902は、第1の回折次数に光を優先的に回折する、反射偏光掌性選択的格子を形成する。液晶材料1902の垂直ピッチは、それが反射することを意図している光の波長(例えば、青色レーザダイオード1806によって発せられる光の波長)に従って設定される。側方ピッチPitch_Xは、一次回折光の回折角を確立するように格子方程式に従って設定される。導波管表示システム1800との関連で、液晶材料1902の側方ピッチは、走査ミラー1822の全ての配向のための液晶材料1902からの回折角が、導波管1812に関して全内部反射のための臨界角を超えるように選定される。ピッチPitch_XおよびPitch_Zに関する「垂直」および「側方」の言及は、図19に示されるシステム1800の配向に適用可能であり、実践では、システム1800は、任意の配向で使用され得ることを理解されたい。図19に示されるものに類似して、緑色入力結合格子1816および赤色入力結合格子1818は、それらが働く光の波長(例えば、赤色レーザダイオード1802および緑色レーザダイオード1806によって発せられる波長)に対応する垂直ピッチPitch_Zを有し、それらが働く波長に基づく側方ピッチPitch_Xを有し、本明細書に照らして、その光は、個別の導波管1811および1812内のTIRのための臨界角を超える角度で回折されるであろう。   A lattice can be created by establishing periodic lateral (eg, X-direction in FIG. 9) changes in the orientation of molecules within each layer. The alignment layer 1928 is used to establish a lateral change in the orientation of the cholesteric liquid crystal. The alignment layer 1928 may be a photo-alignment layer in which a pattern for establishing local alignment of liquid crystal molecules is established by exposure to a polarized pattern. Examples of photoalignment layers include polyimides, linearly polarized photopolymerizable polymers (LPP), azo-containing polymers, coumarin-containing polymers, and cinnamic acid-containing polymers. The lateral pitch of the liquid crystal material 1902 is labeled Pitch_X in FIG. The liquid crystal material 1902 forms a reflective polarization palm-selective grating that preferentially diffracts light to the first diffraction order. The vertical pitch of the liquid crystal material 1902 is set according to the wavelength of light it is intended to reflect (eg, the wavelength of light emitted by the blue laser diode 1806). The lateral pitch Pitch_X is set according to the lattice equation so as to establish the diffraction angle of the first-order diffracted light. In the context of the waveguide display system 1800, the lateral pitch of the liquid crystal material 1902 is such that the diffraction angle from the liquid crystal material 1902 for all orientations of the scanning mirror 1822 is for total internal reflection with respect to the waveguide 1812. It is selected to exceed the critical angle. It is understood that the “vertical” and “lateral” references with respect to pitches Pitch_X and Pitch_Z are applicable to the orientation of system 1800 shown in FIG. 19, and in practice, system 1800 can be used in any orientation. I want. Similar to that shown in FIG. 19, the green input coupling grating 1816 and the red input coupling grating 1818 correspond to the wavelengths of light that they work on (eg, wavelengths emitted by the red laser diode 1802 and the green laser diode 1806). With a vertical pitch Pitch_Z and with a lateral pitch Pitch_X based on the wavelength at which they work, in light of this specification, the light exceeds the critical angle for TIR in the individual waveguides 1811 and 1812 Will be diffracted at an angle.

図20は、ある実施形態による、第1の配向層1928の概略平面図である。図20に示されるように、配向層1928は、一連のストリップ形状の面積2002−2034を含む。図20に示される図は、わずか2つ超の周期(Pitch_Xと表される)を示し、実戦では、第1の配向層1928は、より多数のピッチ周期を含むであろうことを理解されたい。各ピッチ周期(Pitch_X)内で、各連続ストリップ面積(例えば、2002−2016)は、先行ストリップ面積に対して増分される整合方向を有する。図20に示されるように、ピッチ周期につき異なる整合方向をそれぞれ伴う8つのストリップ形状の面積が存在する。異なる整合方向をそれぞれ伴う、例えば、4または16個のストリップ形状の面積等の代替物が、ピッチ周期につき提供されてもよい。代替として、整合方向は、連続的に変動し得る。連続変動は、例えば、上記で引用される光配向材料等の光配向材料を、反対掌性の円偏光を有する2つのビームの干渉によって生成される干渉パターンに暴露することによって、取得されることができる。反対掌性の円偏光ビームの振幅和は、直線偏光され、直線偏光和の配向は、位相差の関数として変動し、故に、光配向層を横断して変動する。   FIG. 20 is a schematic plan view of a first alignment layer 1928 according to an embodiment. As shown in FIG. 20, the alignment layer 1928 includes a series of strip-shaped areas 2002-2034. The diagram shown in FIG. 20 shows only more than two periods (denoted Pitch_X), and it should be understood that in practice, the first alignment layer 1928 will include a greater number of pitch periods. . Within each pitch period (Pitch_X), each continuous strip area (eg, 2002-2016) has an alignment direction that is incremented relative to the preceding strip area. As shown in FIG. 20, there are eight strip-shaped areas, each with a different alignment direction per pitch period. Alternatives such as 4 or 16 strip shaped areas, each with a different alignment direction, may be provided per pitch period. Alternatively, the alignment direction can vary continuously. The continuous variation is obtained, for example, by exposing a photo-alignment material, such as the photo-alignment material cited above, to an interference pattern generated by the interference of two beams with opposite palmar circular polarization. Can do. The sum of amplitudes of the opposite-handed circularly polarized beam is linearly polarized, and the orientation of the linear polarization sum varies as a function of the phase difference and therefore varies across the photo-alignment layer.

図21は、一実施形態による、フォトニックチップベースの2RGBカラーチャネルコンバイナ2100および第1のレンズ2102および第2のレンズ2104の上面図である。コンバイナ2100は、第1の分岐導波管2108および第2の分岐導波管2110が画定される、ガラス練板2106を含む。分岐導波管2108、2110は、ガラス練板の屈折率のパターンに関する改変によって画定されることができる。屈折率の改変は、例えば、マスクパターンを通して、外来原子種を埋め込む、または注入することによって、遂行されることができる。   FIG. 21 is a top view of a photonic chip-based 2RGB color channel combiner 2100 and a first lens 2102 and a second lens 2104 according to one embodiment. The combiner 2100 includes a glass plate 2106 in which a first branch waveguide 2108 and a second branch waveguide 2110 are defined. The branching waveguides 2108, 2110 can be defined by modifications relating to the refractive index pattern of the glass plate. Refractive index modification can be accomplished, for example, by embedding or implanting foreign atomic species through a mask pattern.

第1の分岐導波管2108は、基幹2118に結合される、第1の赤色受光分岐2112と、第1の青色受光分岐2116とを有する。第1の赤色レーザダイオード2122は、第1の赤色受光分岐2112の入力端2124に光学的に結合され、第1の緑色レーザダイオード2126は、基幹2118の入力端2128に光学的に結合され、第1の青色レーザダイオード2130は、第1の青色受光分岐2116の入力端2132に光学的に結合される。第1の赤色受光分岐2112の出力端2134は、第1のY接合点2136において基幹2118に結合される。同様に、第1の青色受光分岐2116の出力端2138は、第2のY接合点2140において基幹2118に結合される。   The first branching waveguide 2108 has a first red light receiving branch 2112 and a first blue light receiving branch 2116 coupled to the backbone 2118. The first red laser diode 2122 is optically coupled to the input end 2124 of the first red light receiving branch 2112, and the first green laser diode 2126 is optically coupled to the input end 2128 of the backbone 2118, One blue laser diode 2130 is optically coupled to the input end 2132 of the first blue light receiving branch 2116. The output end 2134 of the first red light receiving branch 2112 is coupled to the backbone 2118 at the first Y junction 2136. Similarly, the output end 2138 of the first blue light receiving branch 2116 is coupled to the backbone 2118 at the second Y junction 2140.

第2の分岐導波管2110は、上記で説明されるような第1の分岐導波管2108と同一の構造を有し、第2の赤色レーザダイオード2142、第2の緑色レーザダイオード2144、および第2の青色レーザダイオード2146からの光を、第2の分岐導波管2110の基幹2114の出力端2148に結合する役割を果たす。   The second branch waveguide 2110 has the same structure as the first branch waveguide 2108 as described above, and includes a second red laser diode 2142, a second green laser diode 2144, and It plays a role of coupling light from the second blue laser diode 2146 to the output end 2148 of the trunk 2114 of the second branch waveguide 2110.

第1のレンズ2102は、基幹2118の(故に、第1の分岐導波管2108の)出力端2120の前に位置付けられ、それに光学的に結合され、第2のレンズ2104は、第2の分岐導波管2110の出力端2148の前に位置付けられ、それに光学的に結合される。第1のレンズ2102の第1のレンズ光軸(例えば、回転対称軸)2150および第2のレンズ2104の第2の光軸2152が、図21に示されている。第1のレンズ光軸2150は、(図2の視点から)下向きに、かつ第1の分岐導波管2108の基幹2118に対して図面の平面に垂直である方向にオフセットされる。同様に、第2のレンズ光軸2152は、上向きに、かつ第2の分岐導波管2110の基幹2114に対して図面の平面に垂直である方向にオフセットされる。レンズ光軸2150、2152の前述のオフセットは、基幹2118、2114の出力端2120、2148から出現する光を、本明細書の上記で説明される実施形態で使用されるビーム走査ミラー(例えば、330、730)のうちの1つの表面と一致して配列される共通交点2154に指向する役割を果たす。   The first lens 2102 is positioned in front of the output end 2120 of the backbone 2118 (hence the first branching waveguide 2108) and optically coupled thereto, and the second lens 2104 is connected to the second branch. It is positioned in front of the output end 2148 of the waveguide 2110 and is optically coupled thereto. A first lens optical axis (eg, rotational symmetry axis) 2150 of the first lens 2102 and a second optical axis 2152 of the second lens 2104 are shown in FIG. The first lens optical axis 2150 is offset downward (from the perspective of FIG. 2) and in a direction perpendicular to the plane of the drawing relative to the backbone 2118 of the first branch waveguide 2108. Similarly, the second lens optical axis 2152 is offset upward and in a direction perpendicular to the plane of the drawing relative to the backbone 2114 of the second branch waveguide 2110. The aforementioned offset of the lens optical axes 2150, 2152 causes light emerging from the output ends 2120, 2148 of the backbones 2118, 2114 to be beam scanning mirrors (eg, 330) used in the embodiments described hereinabove. , 730) is directed to a common intersection 2154 that is aligned with the surface.

図22は、別の実施形態による、フォトニックチップベースの2RGBカラーチャネルコンバイナ2200の上面図である。コンバイナ2200は、共通参照番号によって示されるように、コンバイナ2100と共通する多数の要素を有する。コンバイナ2200は、赤色受光分岐2112の出力端2134および青色受光分岐2116の出力端が、Y接合点2136および2140の代わりにエバネセント結合によって基幹2118に結合されるという点で、コンバイナ2100と異なる。   FIG. 22 is a top view of a photonic chip-based 2RGB color channel combiner 2200 according to another embodiment. Combiner 2200 has a number of elements in common with combiner 2100, as indicated by common reference numbers. Combiner 2200 differs from combiner 2100 in that the output end 2134 of red light receiving branch 2112 and the output end of blue light receiving branch 2116 are coupled to backbone 2118 by evanescent coupling instead of Y junction points 2136 and 2140.

図23は、ある実施形態による、図21−22に示されるコンバイナ2100および/または2200のうちの2つを含む、4RGBチャネルライトエンジン2300の正面図である。上部位置コンバイナ2100、2200および底部位置コンバイナ2100、220は、スペーサブロック2300の反対側に位置付けられる。示されるように、レンズ2102、2104は、基幹2118、2114の出力端2120、2148から出現する光が、ライトエンジン2300が本明細書の上記で説明される実施形態で使用されるときにビーム走査ミラー(例えば、330、730)のうちの1つの表面と一致して位置するであろう共通交点2154に収束されるように、それらの関連付けられる基幹出力端2120、2148に対してオフセットされる。   FIG. 23 is a front view of a 4RGB channel light engine 2300 that includes two of the combiners 2100 and / or 2200 shown in FIGS. 21-22, according to an embodiment. The top position combiner 2100, 2200 and the bottom position combiner 2100, 220 are positioned on the opposite side of the spacer block 2300. As shown, the lenses 2102, 2104 are used to scan the light emerging from the outputs 2120, 2148 of the backbones 2118, 2114 when the light engine 2300 is used in the embodiments described hereinabove. Offset relative to their associated core output ends 2120, 2148 to converge to a common intersection 2154 that would be located coincident with the surface of one of the mirrors (eg, 330, 730).

図24は、別の実施形態による、4RGBチャネルライトエンジン2400の上面図であり、図25は、図24に示される4RGBチャネルライトエンジン2400の一部の部分断面立面図である。ライトエンジン2400は、第1の分岐導波管2404、第2の分岐導波管2406、第3の分岐導波管2408、および第4の分岐導波管2410が画定される、ガラス練板2402を含む。分岐導波管2404、2406、2408、2410は、図21に示される実施形態を参照して上記で議論される様式で確立されてもよい。示されるように、練板2402は、正方形であり、第1の側面2412と、第2の側面2414と、第3の側面2416と、第4の側面2418とを含む。代替として、成形ガラス練板2402もまた、使用されてもよい。赤色、緑色、および青色(RGB)レーザダイオードの第1のセット2420は、第1の側面2412に沿って配列され、RGBレーザダイオードの第2のセット2422は、第2の側面2414に沿って配列され、RGBレーザダイオードの第3のセット2424は、第3の側面2416に沿って配列され、RGBレーザダイオードの第4のセット2426は、第4の側面2418に沿って配列される。   FIG. 24 is a top view of a 4RGB channel light engine 2400 according to another embodiment, and FIG. 25 is a partial cross-sectional elevation view of a portion of the 4RGB channel light engine 2400 shown in FIG. The light engine 2400 includes a glass plate 2402 in which a first branch waveguide 2404, a second branch waveguide 2406, a third branch waveguide 2408, and a fourth branch waveguide 2410 are defined. including. Branch waveguides 2404, 2406, 2408, 2410 may be established in the manner discussed above with reference to the embodiment shown in FIG. As shown, the platen 2402 is square and includes a first side 2412, a second side 2414, a third side 2416, and a fourth side 2418. Alternatively, a shaped glass mill plate 2402 may also be used. A first set 2420 of red, green, and blue (RGB) laser diodes is arranged along a first side 2412 and a second set of RGB laser diodes 2422 is arranged along a second side 2414. The third set of RGB laser diodes 2424 is arranged along the third side 2416 and the fourth set of RGB laser diodes 2426 is arranged along the fourth side 2418.

RGBレーザダイオードの第1のセット2420は、赤色レーザダイオード2428と、緑色レーザダイオード2430と、青色レーザダイオード2432とを含む。第1の分岐導波管2404は、第1の側面2412に隣接して位置付けられ、レーザダイオードの第1のセット2420からの光を第1の出力結合ファセット2434に結合する役割を果たす。第1の分岐導波管2404は、赤色レーザダイオード2428に光学的に結合される赤色受光分岐2436と、緑色レーザダイオード2430に光学的に結合される緑色受光分岐2438と、青色レーザダイオード2432に光学的に結合される青色受光分岐2440とを含む。赤色受光分岐、緑色受光分岐、および青色受光分岐2436、2438、2440は、第1の分岐導波管2404の基幹2442に接続する(または代替として、一過性に結合される)。基幹2442は、第1の出力結合ファセット2434まで延在する。出力結合ファセット2434は、基幹2442の配向に対して45度で傾斜した全内部反射(TIR)表面である。第1の出力結合ファセット2434は、ガラス練板2402の平面から外へ光を反射的に偏向させる。   The first set of RGB laser diodes 2420 includes a red laser diode 2428, a green laser diode 2430, and a blue laser diode 2432. The first branch waveguide 2404 is positioned adjacent to the first side 2412 and serves to couple light from the first set of laser diodes 2420 to the first output coupling facet 2434. The first branch waveguide 2404 is optically coupled to the red light receiving branch 2436 optically coupled to the red laser diode 2428, the green light receiving branch 2438 optically coupled to the green laser diode 2430, and the blue laser diode 2432. And a blue light receiving branch 2440 coupled to each other. The red light receiving branch, the green light receiving branch, and the blue light receiving branch 2436, 2438, 2440 are connected (or alternatively, transiently coupled) to the backbone 2442 of the first branch waveguide 2404. Core 2442 extends to first output coupling facet 2434. The output coupling facet 2434 is a total internal reflection (TIR) surface that is inclined at 45 degrees with respect to the orientation of the backbone 2442. The first output coupling facet 2434 deflects light reflectively out of the plane of the glass plate 2402.

第2、第3、および第4の分岐導波管2406、2408、2410は、説明されるような第1の分岐導波管2404のものと同一の構造を有するが、それらが隣接して位置付けられる個別の側面2414、2416、2418と整合するように、該第1の分岐導波管に対して回転される。第2、第3、および第4の分岐導波管2406、2408、2410は、それぞれ、第2の出力結合ファセット2444、第3の出力結合ファセット2446、および第4の出力結合ファセット2448に結合される。第1のレンズ2450、第2のレンズ2452、第3のレンズ2454、および第4のレンズ2456は、それぞれ、第1の出力結合ファセット2434、第2の出力結合ファセット2444、第3の出力結合ファセット2446、および第4の出力結合ファセット2448にわたって位置付けられる。レンズ2450、2452、2454、2456はそれぞれ、それが出力結合ファセット2434、2444、2446、2448の間の正中位置に向かって重なる、出力結合ファセットに対してオフセットされる。故に、レンズ2450、2452、2454、2456は、出力結合ファセット2434、2444、2446、2448から出現する光を、本明細書の上記で説明される実施形態で使用されるビーム走査ミラー(例えば、330、730)のうちの1つの表面と一致する共通交点2458に指向する役割を果たす。交点2458は、ガラス練板の上方に離間されるが、これは、図24の平面視点では明白ではない。代替物によると、他の波長において発光するレーザダイオードおよび関連付けられる受光分岐は、ライトエンジン2400が3つを上回る(RGB)波長チャネルを提供するように、ライトエンジン2400に追加される。例えば、付加的チャネルは、視線追跡システムのための照明を提供することに有用である、赤外光であり得る。   The second, third, and fourth branch waveguides 2406, 2408, 2410 have the same structure as that of the first branch waveguide 2404 as described, but are positioned adjacent to each other. Rotated relative to the first branch waveguide to align with the individual side surfaces 2414, 2416, 2418. Second, third, and fourth branch waveguides 2406, 2408, 2410 are coupled to second output coupling facet 2444, third output coupling facet 2446, and fourth output coupling facet 2448, respectively. The The first lens 2450, the second lens 2452, the third lens 2454, and the fourth lens 2456 are respectively a first output coupling facet 2434, a second output coupling facet 2444, and a third output coupling facet. 2446, and a fourth output coupling facet 2448. Lenses 2450, 2452, 2454, 2456 are each offset with respect to the output coupling facet, which overlaps toward the median position between output coupling facets 2434, 2444, 2446, 2448. Thus, lenses 2450, 2452, 2454, 2456 cause light emerging from output coupling facets 2434, 2444, 2446, 2448 to be beam scanning mirrors (eg, 330) used in the embodiments described hereinabove. , 730) is directed to a common intersection 2458 that coincides with one surface. The intersection points 2458 are spaced above the glass plate, but this is not obvious from the planar view of FIG. According to an alternative, laser diodes emitting at other wavelengths and associated receiving branches are added to the light engine 2400 so that the light engine 2400 provides more than three (RGB) wavelength channels. For example, the additional channel can be infrared light, which is useful for providing illumination for the eye tracking system.

図26は、別の実施形態による、4RGBチャネルライトエンジン2600の上面図である。赤色レーザバー2602、緑色レーザバー2604、および青色レーザバー2606は、それぞれ、導波管網2616が形成される、ガラス練板2614の赤色入力側2608、緑色入力側2610、および青色入力側2612に近接して配列される。赤色レーザバー2602は、4つの別個に制御可能な赤色レーザダイオード2602A、2602B、2602C、2602Dを含み、同様に、緑色レーザバー2604は、4つの別個に制御可能な緑色レーザダイオード2604A、2604B、2604C、2602Dを含み、同様に、青色レーザバー2606は、4つの別個に制御可能な青色レーザダイオード2606A、2606B、2606C、2606Dを含む。4つの出力ファセット2608A、2608B、2608C、および2608Dが、ガラス練板2614の中に画定される。出力ファセット2608A、2608B、2608C、および2608Dは、図25に示される出力ファセット2434のものと同一の設計、または代替として、異なる設計を有する。レーザバー2602、2604、2606のそれぞれからの別個に制御可能なレーザダイオードのうちの1つは、導波管網2616を通して出力ファセット2608A、2608B、2608C、および2608Dのそれぞれに結合される。レンズ2450、2452、2454、2456は、出力ファセット2608A、2608B、2608C、および2608Dにわたって位置付けられ、図24に関連して上記で説明されるように機能する。代替実施形態によると、異なる波長(例えば、赤外線)において動作し得る、別のレーザバーは、ガラス練板2614の第4の側面に沿って位置付けられ、そのような目的のために延在され得る、導波管網2616を介して出力ファセット2608A、2608B、2608C、および2608Dに光学的に結合されてもよい。   FIG. 26 is a top view of a 4RGB channel light engine 2600 according to another embodiment. The red laser bar 2602, the green laser bar 2604, and the blue laser bar 2606 are proximate to the red input side 2608, the green input side 2610, and the blue input side 2612 of the glass plate 2614, respectively, where the waveguide network 2616 is formed. Arranged. The red laser bar 2602 includes four separately controllable red laser diodes 2602A, 2602B, 2602C, 2602D, and similarly the green laser bar 2604 has four separately controllable green laser diodes 2604A, 2604B, 2604C, 2602D. Similarly, the blue laser bar 2606 includes four separately controllable blue laser diodes 2606A, 2606B, 2606C, 2606D. Four output facets 2608A, 2608B, 2608C, and 2608D are defined in the glass plate 2614. Output facets 2608A, 2608B, 2608C, and 2608D have the same design as, or alternatively, different from that of output facet 2434 shown in FIG. One of the individually controllable laser diodes from each of the laser bars 2602, 2604, 2606 is coupled to each of the output facets 2608 A, 2608 B, 2608 C, and 2608 D through the waveguide network 2616. Lenses 2450, 2452, 2454, 2456 are positioned over output facets 2608A, 2608B, 2608C, and 2608D and function as described above in connection with FIG. According to an alternative embodiment, another laser bar, which can operate at a different wavelength (e.g., infrared), can be positioned along the fourth side of the glass plate 2614 and extended for such purposes. It may be optically coupled to output facets 2608A, 2608B, 2608C, and 2608D via a waveguide network 2616.

図27は、本発明のある実施形態による、拡張現実眼鏡で使用され得る導波管表示システム2700の概略図である。図27を参照すると、本システムは、この場合は偏光ビームコンバイナとして使用される、偏光ビームスプリッタ(PBS)2702を含む。PBS2702は、PBS2702の対角線に沿って埋め込まれた偏光選択的反射器2704を含む。偏光選択的反射器2704は、例えば、ワイヤグリッドアレイまたはマクニールタイプであることができる。   FIG. 27 is a schematic diagram of a waveguide display system 2700 that may be used with augmented reality glasses according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 27, the system includes a polarizing beam splitter (PBS) 2702, which in this case is used as a polarizing beam combiner. PBS 2702 includes a polarization selective reflector 2704 embedded along the diagonal of PBS 2702. The polarization selective reflector 2704 can be, for example, a wire grid array or a McNeill type.

第1のダイクロイックX−キューブコンバイナ2706は、PBS2702の第1の面2708に隣接して配列され、第2のダイクロイックX−キューブコンバイナ2710は、PBS2702の第2の面2712に隣接して配列される。第1のダイクロイックX−キューブコンバイナ2706は、第1の対角線に沿った第1の埋込赤色反射ダイクロイックミラー2714と、90度で第1の対角線に交差する第2の対角線に沿った第1の埋込青色反射ダイクロイックミラー2716とを含む。第2のダイクロイックX−キューブコンバイナ2710は、同様に、1つの対角線に沿った埋め込まれた第2の赤色反射ダイクロイックミラー2718と、第2の対角線に沿った第2の埋込青色反射ダイクロイックミラー2720とを有する。代替として、X−キューブコンバイナ2706、2710の代わりに、複数のレーザダイオードからの光を組み合わせるための他の光学サブシステムが、使用されてもよい。例えば、上記の図21および図22に示されるRGBカラーチャネルコンバイナのようなコンポーネントが、使用されてもよい。   The first dichroic X-cube combiner 2706 is arranged adjacent to the first face 2708 of the PBS 2702 and the second dichroic X-cube combiner 2710 is arranged adjacent to the second face 2712 of the PBS 2702. . The first dichroic X-cube combiner 2706 includes a first embedded red reflective dichroic mirror 2714 along a first diagonal and a first along a second diagonal that intersects the first diagonal at 90 degrees. Embedded blue reflective dichroic mirror 2716. The second dichroic X-cube combiner 2710 similarly includes an embedded second red reflective dichroic mirror 2718 along one diagonal and a second embedded blue reflective dichroic mirror 2720 along the second diagonal. And have. Alternatively, other optical subsystems for combining light from multiple laser diodes may be used instead of X-cube combiners 2706, 2710. For example, components such as the RGB color channel combiner shown in FIGS. 21 and 22 above may be used.

第1のダイクロイックX−キューブコンバイナ2706を参照すると、第1の赤色光コリメートレンズ2722は、第1のダイクロイックX−キューブコンバイナ2706の第1の赤色光入力面2724に近接して配列され、第1の緑色光コリメートレンズ2726は、第1の緑色光入力面2728に近接して配列され、第1の青色光コリメートレンズ2730は、第1の青色光入力面2732に近接して配列される。第2のダイクロイックX−キューブコンバイナ2710を参照すると、第2の赤色光コリメートレンズ2734は、第2のX−キューブコンバイナ2710の第2の赤色光入力面2736に近接して配列され、第2の緑色光コリメートレンズ2738は、第2の緑色光入力面2740に近接して配列され、第2の青色光コリメートレンズ2742は、第2の青色光入力面2744に近接して配列される。   Referring to the first dichroic X-cube combiner 2706, the first red light collimating lens 2722 is arranged proximate to the first red light input surface 2724 of the first dichroic X-cube combiner 2706, and the first The green light collimating lens 2726 is arranged close to the first green light input surface 2728, and the first blue light collimating lens 2730 is arranged close to the first blue light input surface 2732. Referring to the second dichroic X-cube combiner 2710, the second red light collimating lens 2734 is arranged proximate to the second red light input surface 2736 of the second X-cube combiner 2710, and the second The green light collimating lens 2738 is arranged close to the second green light input surface 2740, and the second blue light collimating lens 2742 is arranged close to the second blue light input surface 2744.

以下の議論では、s−偏光およびp−偏光配向が、偏光選択的反射器2704における光入射の観点から画定される。再度、図27を参照すると、s−偏光赤色レーザダイオード2746は、第1のダイクロイックx−キューブコンバイナ2706の第1の赤色光コリメートレンズ2722および第1の赤色入力面2724に面して配列され、s−偏光緑色レーザダイオード2748は、第1の緑色光コリメートレンズ2726および第1の緑色入力面2728に面して配列され、s−偏光青色レーザダイオード2750は、第1の青色光コリメートレンズ2730および第1の青色光入力面2732に面して配列される。同様に、p−偏光赤色レーザダイオード2752は、第2のダイクロイックx−キューブコンバイナ2710の第2の赤色光コリメートレンズ2734および第2の赤色光入力面2736に面して配列され、p−偏光緑色レーザダイオード2754は、第2の緑色光コリメートレンズ2738および第2の緑色光入力面2740に面して配列され、p−偏光青色レーザダイオード2756は、第2の青色光コリメートレンズ2742および第2の青色光入力面2744に面して配列される。前述のレーザダイオードの偏光は、単純に、それらが搭載される配向を決定することによって決定されることができる。前述のレーザダイオードは、一連のピクセルに関するピクセル色強度値に基づいて変調される。下記でさらに解説されるであろうように、s−偏光レーザダイオード2746、2748、2750は、導波管表示システム2700によって生成される視野の第1の部分を照明し、p−偏光レーザダイオード2752、2754、2756は、導波管表示システム2700によって生成される視野の第2の部分を照明する。コリメートレンズ2722、2726、2732、2734、2738、2742は、平凸として描写されるが、代替として、両凸である、または別の形状を有してもよい。   In the following discussion, s-polarized and p-polarized orientations are defined in terms of light incidence at the polarization selective reflector 2704. Referring again to FIG. 27, the s-polarized red laser diode 2746 is arranged facing the first red light collimating lens 2722 and the first red input surface 2724 of the first dichroic x-cube combiner 2706, The s-polarized green laser diode 2748 is arranged facing the first green light collimating lens 2726 and the first green input surface 2728, and the s-polarized blue laser diode 2750 is aligned with the first blue light collimating lens 2730 and They are arranged facing the first blue light input surface 2732. Similarly, the p-polarized red laser diode 2752 is arranged facing the second red light collimating lens 2734 and the second red light input surface 2736 of the second dichroic x-cube combiner 2710 and is p-polarized green. The laser diode 2754 is arranged facing the second green light collimating lens 2738 and the second green light input surface 2740, and the p-polarized blue laser diode 2756 is the second blue light collimating lens 2742 and the second green light collimating lens 2742. They are arranged facing the blue light input surface 2744. The polarization of the aforementioned laser diodes can be determined simply by determining the orientation in which they are mounted. The aforementioned laser diode is modulated based on pixel color intensity values for a series of pixels. As will be further described below, s-polarized laser diodes 2746, 2748, 2750 illuminate a first portion of the field of view generated by the waveguide display system 2700 and p-polarized laser diodes 2752. , 2754, 2756 illuminate a second portion of the field of view generated by the waveguide display system 2700. The collimating lenses 2722, 2726, 2732, 2734, 2738, 2742 are depicted as plano-convex, but may alternatively be biconvex or have another shape.

第1のダイクロイックx−キューブコンバイナ2706は、第1の埋込赤色ダイクロイック反射ミラー2714および第1の埋込青色ダイクロイック反射ミラー2716の効果によって、s−偏光レーザダイオード2746、2748、2750からの光を、第1のダイクロイックx−キューブコンバイナ2706からPBS2702の第1の面2708の中へ通過するコリメートされたs−偏光赤・青・緑色(RGB)ビームに合体させる。同様に、第2のダイクロイックx−キューブコンバイナ2710は、第2の埋込赤色ダイクロイック反射ミラー2718および第2の埋込青色ダイクロイック反射ミラー2720の効果によって、p−偏光レーザダイオード2752、2754、2756からの光を、第2のダイクロイックx−キューブコンバイナ2710からPBS2702の第1の第2の面2712の中へ通過するコリメートされたp−偏光RGBビームに合体させる。   The first dichroic x-cube combiner 2706 receives light from the s-polarized laser diodes 2746, 2748, 2750 by the effects of the first embedded red dichroic reflecting mirror 2714 and the first embedded blue dichroic reflecting mirror 2716. , A collimated s-polarized red-blue-green (RGB) beam passing from the first dichroic x-cube combiner 2706 into the first surface 2708 of the PBS 2702. Similarly, the second dichroic x-cube combiner 2710 is coupled to p-polarized laser diodes 2752, 2754, 2756 by virtue of the second embedded red dichroic reflecting mirror 2718 and the second embedded blue dichroic reflecting mirror 2720. Are collimated into a collimated p-polarized RGB beam passing from the second dichroic x-cube combiner 2710 into the first second surface 2712 of the PBS 2702.

偏光選択的反射器2704は、第1の面2708から到達するコリメートされたs−偏光RGBビームを反射し、第2の面2712から到達するコリメートされたp−偏光RGBビームを透過させ、それによって、PBS2702の第3の面2758を介して出力される複合s−偏光RGBおよびp−偏光RGBビームを形成するように、配向される。迷光吸収体2760は、PBS2702の第4の面2762に近接して位置付けられ、偏光選択的反射器2704によって反射される任意のp−偏光および偏光反射器2704の非理想的性能に起因して偏光選択的反射器2704によって透過される任意のs−偏光を吸収する役割を果たす。   Polarization selective reflector 2704 reflects the collimated s-polarized RGB beam arriving from first surface 2708 and transmits the collimated p-polarized RGB beam arriving from second surface 2712, thereby , Oriented to form a composite s-polarized RGB and p-polarized RGB beam output through the third surface 2758 of PBS 2702. The stray light absorber 2760 is positioned adjacent to the fourth surface 2762 of the PBS 2702 and polarized due to any p-polarized light reflected by the polarization selective reflector 2704 and the non-ideal performance of the polarization reflector 2704. It serves to absorb any s-polarized light transmitted by the selective reflector 2704.

PBS2702の第3の面2758を通過した後、光は、4分の1波長板(QWP)2764を通過する。PBSは、偏光成分のうちの1つ(SまたはP)を右旋円偏光(RHCP)に変換し、残りの偏光成分(PまたはS)を左旋円偏光(LHCP)に変換する。いずれの直線偏光成分がいずれの円偏光成分に変換されるかは、QWP2764を回転させることによって、改変されることができる。QWPの出力は、s−偏光RGBビームおよびp−偏光RGBビームから導出される、RHCP RGBビームと、LHCP RGBビームとを含む。議論の目的のために、s−偏光がRHCP光に変換され、p−偏光がLHCP光に変換されると仮定して、RHCP光は、FOVの上記に記述される第1の部分を照明し、LHCPは、システム2700によって生成されるFOVの上記に記述される第2の部分を照明するであろう。   After passing through the third surface 2758 of the PBS 2702, the light passes through a quarter wave plate (QWP) 2764. The PBS converts one of the polarization components (S or P) to right-handed circularly polarized light (RHCP) and converts the remaining polarized component (P or S) to left-handed circularly polarized light (LHCP). Which linearly polarized light component is converted to which circularly polarized light component can be modified by rotating the QWP 2764. The output of the QWP includes an RHCP RGB beam and an LHCP RGB beam derived from an s-polarized RGB beam and a p-polarized RGB beam. For discussion purposes, assuming that s-polarized light is converted to RHCP light and p-polarized light is converted to LHCP light, the RHCP light illuminates the first part of the FOV described above. , LHCP will illuminate the above-described second portion of the FOV generated by system 2700.

システム2700はさらに、画像変調光をユーザの眼の位置2768に移送するために使用される、導波管2766と、入力結合格子(ICG)2770と、直交瞳拡張格子(OPE)2772と、射出瞳拡張格子(EPE)2774とを含む。実質的にコリメートされた光は、ICGを通して入力され、OPE格子2772に向かってICG2770によって偏向される。OPE格子2772は、EPE格子2774に向かって光の部分を漸増的に偏向させ、そうする際に、コリメートされたビームの横幅(図27のx方向)を増加させる。X−Y−Z座標三つ組構造が、参考のために図27に示されている。EPE格子2774は、ユーザの眼の位置2768の方向に向かって外に光を漸増的に回折し、そうする際に、コリメートされたビームのy方向範囲を増加させる。OPEおよびEPE格子2772、2774のビーム拡張効果によって、比較的大きい射出瞳(アイボックス)が形成され、これは、光が、ユーザが異なる方向を見ると動き回り得るユーザの瞳の中へ結合されるであろうことを確実にすることに役立つ。   The system 2700 further includes a waveguide 2766, an input coupling grating (ICG) 2770, an orthogonal pupil extension grating (OPE) 2772, and an exit, which are used to transfer the image modulated light to the user's eye position 2768. And a pupil extended grating (EPE) 2774. The substantially collimated light is input through the ICG and is deflected by the ICG 2770 towards the OPE grating 2772. The OPE grating 2772 progressively deflects a portion of the light toward the EPE grating 2774 and in doing so increases the width of the collimated beam (in the x direction in FIG. 27). An XYZ coordinate triplet structure is shown in FIG. 27 for reference. The EPE grating 2774 incrementally diffracts light toward the user's eye position 2768 and in doing so increases the y-direction range of the collimated beam. The beam expansion effect of the OPE and EPE gratings 2772, 2774 creates a relatively large exit pupil (eyebox) that couples light into the user's pupil where the user can move around when looking at different directions. It helps to ensure that it will be.

QWP2764とICG2770との間の光学経路に沿って、2軸走査ミラー2780が存在する。走査ミラー2780は、例えば、微小電気機械システム(MEMS)ミラーであることができる。1回の走査ミラー移動は、1自由度で共鳴し、第2の自由度で準静的に制御されてもよい。例えば、共鳴軸は、ディスプレイの線に沿った移動に類似する移動に対応してもよく、準静的に制御された第2の自由度は、ディスプレイの線の間の垂直移動に類似する移動に対応してもよい。比較的高解像度の画像に関して、例えば、1,000または2,000本の走査線の均等物と、毎秒30〜60フレームのフレームリフレッシュレートとを有することが望ましい。そのようなパラメータは、30KHz〜120KHzのラインレートを要求する。拡張現実ウェアラブルの中に含まれるために十分小さい小型MEMSスキャナに関して、概して、(視野(FOV)に関する)共鳴軸の角度範囲と(ラインレートと同等である)共鳴周波数との間のトレードオフが存在する。本トレードオフを回避し、広い視野および高いラインレートの両方を獲得することが望ましいであろう。   A biaxial scanning mirror 2780 is present along the optical path between the QWP 2764 and the ICG 2770. Scanning mirror 2780 can be, for example, a microelectromechanical system (MEMS) mirror. One scanning mirror movement may resonate with one degree of freedom and be quasi-statically controlled with a second degree of freedom. For example, the resonance axis may correspond to movement similar to movement along a line of the display, and the second degree of quasi-static control is movement similar to vertical movement between the lines of the display. It may correspond to. For relatively high resolution images, for example, it may be desirable to have an equivalent of 1,000 or 2,000 scan lines and a frame refresh rate of 30-60 frames per second. Such parameters require a line rate between 30 KHz and 120 KHz. For small MEMS scanners that are small enough to be included in an augmented reality wearable, there is generally a trade-off between the angular range of the resonance axis (with respect to the field of view (FOV)) and the resonance frequency (equivalent to the line rate). To do. It would be desirable to avoid this trade-off and obtain both a wide field of view and a high line rate.

システム2700では、FOVは、2つの異なるタイプの偏光選択的格子と組み合わせて上記に説明されるシステム2700の部分の提供を通して増加される。システム2700では、左旋(LH)反射液晶格子のセット2776および右旋(RH)反射液晶格子のセット2778は、2軸走査ミラー2780上に配置される。反射液晶格子2776および2778のセットは、下記でさらに説明されるであろう。   In system 2700, the FOV is increased through the provision of the portions of system 2700 described above in combination with two different types of polarization selective gratings. In system 2700, a set of left-handed (LH) reflective liquid crystal gratings 2776 and a set of right-handed (RH) reflective liquid crystal gratings 2778 are placed on a biaxial scanning mirror 2780. The set of reflective liquid crystal gratings 2776 and 2778 will be further described below.

ここで、図27に示されるシステム2700の走査ミラー2780およびICG2770の表現とともに、3空間デカルト(X−Y−Z)座標系を含む図28を注目されたい。図28に示されるデカルト座標系は、図27に示される座標三つ組構造に対応する。一連の可能性として考えられる設定の例示にすぎない、図28に図示される場合では、入射ビーム(例えば、QWP2764から到達するビーム)は、−X方向に伝搬している。走査ミラー2780は、走査ミラー2780がフレーム2804に対してβとして示される角度だけ回転することを可能にする、内側ジンバル枢動点2802を含む。フレーム2804は、フレーム2804全体が回転することを可能にする、外側ジンバル枢動点2806によって支持される。内側ジンバル枢動点2802を中心とした回転軸は、外側ジンバル枢動点2806を中心とした回転軸に直交する。外側ジンバル枢動点2806を中心とした回転は、角度α0+α1によって表され、α0は、フレーム2804の正中静止位置に対応し、α1は、α0からの偏差に対応する。βによって表される内側ジンバル枢動点2802を中心とした回転は、「ロール」と称され得、α0+α1によって表される外側ジンバル枢動点2806を中心とした回転は、「ピッチ」と称され得る。格子2776、2778は、一連の水平線として走査ミラー2780の表面上に図式的に図示されるが、上記で記述され、かつ下記でさらに説明されるような実際の構造は、より複雑である。   Attention is now directed to FIG. 28, which includes a three-space Cartesian (XYZ) coordinate system, with representations of the scanning mirror 2780 and ICG 2770 of the system 2700 shown in FIG. The Cartesian coordinate system shown in FIG. 28 corresponds to the coordinate triplet structure shown in FIG. In the case illustrated in FIG. 28, which is merely an illustration of a possible set of possibilities, the incident beam (eg, a beam arriving from QWP 2764) is propagating in the −X direction. Scanning mirror 2780 includes an inner gimbal pivot point 2802 that allows scanning mirror 2780 to rotate by an angle denoted as β relative to frame 2804. Frame 2804 is supported by an outer gimbal pivot point 2806 that allows the entire frame 2804 to rotate. The rotation axis centered on the inner gimbal pivot point 2802 is orthogonal to the rotation axis centered on the outer gimbal pivot point 2806. The rotation about the outer gimbal pivot point 2806 is represented by the angle α0 + α1, where α0 corresponds to the mid-stationary position of the frame 2804, and α1 corresponds to the deviation from α0. A rotation about the inner gimbal pivot point 2802 represented by β can be referred to as a “roll”, and a rotation about the outer gimbal pivot point 2806 represented by α0 + α1 can be referred to as a “pitch”. obtain. Although the gratings 2776, 2778 are schematically illustrated on the surface of the scanning mirror 2780 as a series of horizontal lines, the actual structure as described above and further described below is more complex.

図29は、本発明のある実施形態による、図27に示されるシステム内の走査ミラー上で使用され得る、6層偏光応答性液晶格子スタック2900の概略図である。スタック2900は、LH反射液晶格子2776と、RH反射液晶格子2778とを含む。LH反射液晶格子2776は、LH赤色反射層2902と、LH緑色反射層2904と、LH青色反射層2906とを含む。同様に、RH反射液晶格子2778は、RH赤色反射層2908と、RH緑色反射層2910と、RH青色反射層2912とを含む。LH反射液晶格子2776は、QWP2764から受け取られるLH偏光RGB光ビーム成分と相互作用し、RH反射液晶格子2778は、QWPから受け取られるRH偏光RGB光ビーム成分と相互作用するであろう。   FIG. 29 is a schematic diagram of a six-layer polarization-responsive liquid crystal grating stack 2900 that may be used on the scanning mirrors in the system shown in FIG. 27, according to an embodiment of the invention. The stack 2900 includes an LH reflective liquid crystal grating 2776 and an RH reflective liquid crystal grating 2778. The LH reflective liquid crystal lattice 2776 includes an LH red reflective layer 2902, an LH green reflective layer 2904, and an LH blue reflective layer 2906. Similarly, the RH reflective liquid crystal grating 2778 includes an RH red reflective layer 2908, an RH green reflective layer 2910, and an RH blue reflective layer 2912. The LH reflective liquid crystal grating 2776 will interact with the LH polarized RGB light beam component received from the QWP 2764, and the RH reflective liquid crystal grating 2778 will interact with the RH polarized RGB light beam component received from the QWP.

層2902、2904、2906、2908、2910、2912はそれぞれ、図19−20に示される青色ICG1814のような構造を好適に有するが、それが働くことを意図している光の波長に合致するように選定されるZ軸ピッチ(図19の座標系を指す)と、第1または第2のFOV部分のいずれかに光を回折するように選択される側方ピッチとを伴う。下記でさらに説明されるであろうように、LH反射液晶格子2776が、システム2700のFOVの第1の部分を照明し、RH反射液晶格子2778が、FOVの第1の部分に隣接するシステム2700のFOVの第2の部分を照明するであろうように、異なる格子ピッチが、層2902、2904、2906、2908、2910、2912に関して選定される。反射格子による光線の偏向は、下記の方程式1によって表されることができる。
式中、Iは、入射光線ベクトルであり、
Nは、格子の表面に対して垂直である単位長ベクトルであり、
Dは、回折光線ベクトルであり、
Gは、格子の線と平行な格子の平面内の単位長ベクトルであり、
Λは、格子パラメータであり、下記の方程式2によって求められる。
式中、mは、回折次数(例えば、1)であり、
λは、光の自由空間波長であり、
は、格子線ピッチである。
Each of the layers 2902, 2904, 2906, 2908, 2910, 2912 preferably has a structure, such as the blue ICG 1814 shown in FIGS. 19-20, but to match the wavelength of light it is intended to work with. With a Z-axis pitch (pointing to the coordinate system of FIG. 19) and a side pitch selected to diffract light into either the first or second FOV portion. As will be described further below, an LH reflective liquid crystal grating 2776 illuminates a first portion of the FOV of the system 2700, and an RH reflective liquid crystal grating 2778 is adjacent to the first portion of the FOV. Different grating pitches are selected for the layers 2902, 2904, 2906, 2908, 2910, 2912 so as to illuminate the second part of the FOV. The deflection of the light beam by the reflection grating can be expressed by Equation 1 below.
Where I is the incident ray vector,
N is a unit length vector that is perpendicular to the surface of the lattice;
D is the diffracted ray vector,
G is a unit length vector in the plane of the grid parallel to the grid lines,
Λ is a lattice parameter, and is obtained by the following equation 2.
Where m is the diffraction order (eg, 1),
λ 0 is the free space wavelength of light,
d g is a lattice line pitch.

波長λへの回折光線ベクトルDの依存性は、LH反射LC格子セット2776およびRH反射格子セット2778のそれぞれの中で、同一の比λ/dが、RGB層に使用されるが、比λ/dの異なる値が、2つのセット2776、2778で使用されるように、dの値を選択することによって、対処されることができる。このようにして、視野の各部分内のRGB成分が、整合されるであろう。 The dependence of the diffracted ray vector D on the wavelength λ 0 is that the same ratio λ 0 / d g is used for the RGB layer in each of the LH reflective LC grating set 2776 and the RH reflective grating set 2778, Different values of the ratio λ 0 / d g can be addressed by selecting the value of d g so that it is used in the two sets 2776, 2778. In this way, the RGB components in each part of the field of view will be matched.

方程式1は、3(X、Y、およびZ)成分方程式に分解されることができ、回折光線ベクトルDのユークリッド長を統一規模に設定する補足正規化方程式が、ピッチ角α0+α1およびロール角βによって規定される法線ベクトルNの観点から、回折光線ベクトルD(Dx、Dy、Dzと標識される)のX、Y、およびZベクトル成分について解くために、前述の成分方程式のうちの2つと組み合わせて、使用されることができる。(α0+α1およびβの値に基づいて、法線ベクトルNおよび格子ベクトルGは、U−V−W座標系に、ひいては、X−Y−Z座標系に変換されることができる。)図27および28のX−Y−Z座標系を参照すると、Dxのある選定された値、例えば、Dx=0.0は、それぞれ、2つの格子セット2776、2778によって照明されるFOVの2つの部分の間の境界として選定されることができる。法線ベクトルNは、α1の最小極値および最大極値およびβの選定された値(例えば、ゼロまたは極値)に基づいて設定されることができ、各場合(α1の最小値および最大値)において、方程式1は、λ/dの2つの値を取得するように、λ/dについて解くことができる。λ/dの1つの値は、LH反射LC反射格子セット2776に使用され、λ/dの他の値は、RH反射格子セット2778に使用されるであろう。格子セット2776、2778のそれぞれの中で、dの値は、層2902−2912毎にλの値に従って(すなわち、R、G、またはB色成分のうちの1つに関してその設計に基づいて)、層2902−2912毎に変更されるであろう。 Equation 1 can be decomposed into 3 (X, Y, and Z) component equations, and a supplemental normalization equation that sets the Euclidean length of the diffracted light vector D to a unified scale is given by the pitch angle α0 + α1 and the roll angle β. Combined with two of the above component equations to solve for the X, Y, and Z vector components of the diffracted ray vector D (labeled Dx, Dy, Dz) in terms of the normal vector N defined Can be used. (Based on the values of [alpha] 0+ [alpha] 1 and [beta], the normal vector N and the lattice vector G can be converted to the U-V-W coordinate system, and hence to the XYZ coordinate system). Referring to the 28 XYZ coordinate system, some selected value of Dx, eg, Dx = 0.0, is between the two parts of the FOV illuminated by the two grid sets 2776, 2778, respectively. Can be selected as the boundary. The normal vector N can be set based on the minimum and maximum extreme values of α1 and a selected value of β (eg, zero or extreme value), and in each case (the minimum and maximum values of α1). in), equation 1, so as to obtain two values of λ 0 / d g, can be solved for λ 0 / d g. one value of λ 0 / d g is used LH reflective LC reflective grating set 2776, other values of λ 0 / d g will be used in the RH reflective grating set 2778. Within each of the lattice sets 2776, 2778, the value of d g is in accordance with the value of λ 0 for each layer 2902-2912 (ie, based on its design with respect to one of the R, G, or B color components). ), Will change every layer 2902-2912.

代替実施形態によると、格子セット2776、2778のうちの1つは、液晶反射器(格子用語との関連では0次反射器と称され得る)と置換される。そのような代替的液晶反射器は、垂直ピッチ(図19のPitch_Z)を有するが、側方周期性(図19のPitch_Y)を有していないであろう。そのような代替物は、α0+α1の1つの極値が45°に等しい場合においてλ/dを決定するための上記で説明される方法と一致する。 According to an alternative embodiment, one of the grating sets 2776, 2778 is replaced with a liquid crystal reflector (which may be referred to as a zero order reflector in the context of grating terminology). Such an alternative liquid crystal reflector would have a vertical pitch (Pitch_Z in FIG. 19) but no lateral periodicity (Pitch_Y in FIG. 19). Such an alternative is consistent with the method described above for determining λ 0 / d g when one extreme value of α 0 + α 1 is equal to 45 °.

図30は、本発明のある実施形態による、図29に示される多層選択的液晶格子2900を使用して、図27に示されるシステム2700によって生成される、異なる偏光状態にそれぞれ起因する、全視野の2つの部分の中の走査角を含むグラフ3000である。グラフの水平軸は、6層スタック2900によって回折される光線のX成分(Dxと表される)の値を示し、垂直軸は、6層スタック2900によって回折される光線のY成分(Dyと表される)を示す。システム2700のFOVの第1の部分3002は、図30の垂直軸の略右側にあり、システム2700のFOVの第2の部分3004は、図30の垂直軸の略左側にあるが、2つの部分3002、3004の間の境界にある程度のわずかな湾曲が存在する。第1の部分3002の中の回折光線は、丸いプロット記号によって表され、第2の部分3004の中の回折光線は、四角いプロット記号によって表される。各部分3002、3004は、走査ミラーのピッチ角α1およびロール角βの可変部分の全範囲に個別に対応する。左部分3002が、例えば、QWP2764から受け取られるLH偏光を回折する、LH反射LC格子2776(λ/dの1つの値を有するであろう)によって生成されてもよい一方で、右部分3004は、例えば、RH反射LC格子2778(λ/dの別の値を有するであろう)によって生成されてもよい。λ/dの値は、前述で説明されたように決定されるであろう。代替として、掌性およびλ/dの値の関連性は、交換されてもよい。 FIG. 30 illustrates a full field of view, each resulting from different polarization states generated by the system 2700 illustrated in FIG. 27 using the multilayer selective liquid crystal grating 2900 illustrated in FIG. 29, according to an embodiment of the present invention. Is a graph 3000 including the scan angle in the two parts of The horizontal axis of the graph represents the value of the X component (denoted as Dx) of the light diffracted by the six-layer stack 2900, and the vertical axis represents the Y component (represented as Dy) of the light diffracted by the six-layer stack 2900 Is shown). The first portion 3002 of the FOV of the system 2700 is approximately on the right side of the vertical axis of FIG. 30, and the second portion 3004 of the FOV of the system 2700 is approximately on the left side of the vertical axis of FIG. There is some slight curvature at the boundary between 3002, 3004. The diffracted rays in the first portion 3002 are represented by round plot symbols, and the diffracted rays in the second portion 3004 are represented by square plot symbols. Each portion 3002, 3004 individually corresponds to the entire range of variable portions of the pitch angle α1 and roll angle β of the scanning mirror. The left portion 3002 may be generated, for example, by an LH reflective LC grating 2776 (which would have a value of λ 0 / d g ) that diffracts the LH polarization received from the QWP 2764, while the right portion 3004 May be generated, for example, by an RH reflective LC grating 2778 (which would have another value of λ 0 / d g ). The value of λ 0 / d g will be determined as described above. Alternatively, the relationship between palmarity and the value of λ 0 / d g may be exchanged.

したがって、FOVの別個の領域を達成するためのLH反射液晶格子2776およびRH反射液晶格子2778の提供によって、走査ミラー2776の機械的走査範囲を増加させる必要がなく、これは、典型的には、獲得可能な線周波数および垂直解像度またはフレームレートを犠牲にして行われるであろう。したがって、比較的高いFOV、フレームレート、および垂直解像度が、1つのシステムにおいて獲得されることができる。   Thus, the provision of the LH reflective liquid crystal grating 2776 and the RH reflective liquid crystal grating 2778 to achieve separate regions of the FOV eliminates the need to increase the mechanical scanning range of the scanning mirror 2776, which is typically This will be done at the expense of the obtainable line frequency and vertical resolution or frame rate. Thus, relatively high FOV, frame rate, and vertical resolution can be obtained in one system.

図31は、本発明のある実施形態による、拡張現実眼鏡で使用され得る導波管表示システム3100の概略図である。図31を参照すると、システム3100は、赤色ライトエンジン3102と、緑色ライトエンジン3104と、青色ライトエンジン3106とを含む。3つのライトエンジン3102、3104、3106が、それぞれの中の適切な色のレーザダイオードの代用を除いて同一の構造を有する程度まで、赤色ライトエンジン3102の構造のみが、詳細に説明されるであろう。赤色ライトエンジンのコンポーネント部品の参照番号は、文字「R」の接尾語を含み、緑色ライトエンジン3104および青色ライトエンジン3106の中の同等のコンポーネントは、それぞれ、文字「G」の接尾語および文字「B」の接尾語を有するであろう。   FIG. 31 is a schematic diagram of a waveguide display system 3100 that may be used with augmented reality glasses according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 31, system 3100 includes a red light engine 3102, a green light engine 3104, and a blue light engine 3106. To the extent that the three light engines 3102, 3104, 3106 have the same structure except for the substitution of the appropriate color laser diode in each, only the structure of the red light engine 3102 will be described in detail. Let's go. The reference numbers for the component parts of the red light engine include the letter “R” suffix, and the equivalent components in the green light engine 3104 and the blue light engine 3106 are suffixed with the letter “G” and the letter “ It will have the suffix "B".

赤色ライトエンジン3102は、図31の視点では区別可能ではない偏光選択的反射器を含む、図27に示されるPBS2702のような構造を有する、偏光ビームスプリッタ3108R(本事例では、偏光ビームコンバイナとして使用される)を含む。p−偏光コリメートレンズ3110Rは、PBS3108Rのp−偏光入力面3112Rに近接して位置付けられ、s−偏光コリメートレンズ3114Rは、PBS3108のs−偏光入力面3116Rに近接して位置付けられる。p−偏光赤色レーザダイオード3118Rは、p−偏光コリメートレンズ3110Rおよびp−偏光入力面3112Rに面して位置付けられ、同様に、s−偏光赤色レーザダイオード3120Rは、s−偏光コリメートレンズ3114Rおよびs−偏光入力面3116Rに面して位置付けられる。PBS3108Rは、p−偏光赤色レーザダイオード3118Rおよびp−偏光赤色レーザダイオード3120Rによって発せられたs−偏光およびp−偏光を、PBS3108Rの出力面3122Rにおいて発せられる単一のビームに合体させる役割を果たす。出力面3122Rを通過した後、レーザダイオード3118R、3120Rからの光は、p−偏光およびs−偏光を2つの異なる円偏光状態RHCP光およびLHCP光に変換し、複合RHCPおよびLHCP赤色光ビーム3126Rを形成する、4分の1波長板(QWP)3124Rを通過する。直線偏光状態と円形偏光状態との間のいずれかの割当が、使用されることができ、選択肢は、QWP3124Rを回転させることによって実装される。赤色レーザダイオード3118R、3120は、システム3100の全視野の別個であるが隣接する部分からの赤色チャネル情報に基づいて、別個に変調されるであろう。故に、RHCP光およびLHCP光は、システム3100のFOVの別個であるが隣接する部分からのピクセル情報に基づいて、画像変調されるであろう。   The red light engine 3102 has a polarization beam splitter 3108R (in this case, used as a polarization beam combiner) having a structure like PBS 2702 shown in FIG. 27, including a polarization selective reflector that is not distinguishable from the viewpoint of FIG. Included). The p-polarization collimating lens 3110R is positioned in proximity to the p-polarization input surface 3112R of the PBS 3108R, and the s-polarization collimating lens 3114R is positioned in proximity to the s-polarization input surface 3116R of the PBS 3108. The p-polarized red laser diode 3118R is positioned facing the p-polarized collimating lens 3110R and the p-polarized input surface 3112R, and similarly, the s-polarized red laser diode 3120R is s-polarized collimating lens 3114R and s- It is positioned facing the polarization input surface 3116R. PBS 3108R serves to merge the s-polarized and p-polarized light emitted by p-polarized red laser diode 3118R and p-polarized red laser diode 3120R into a single beam emitted at output surface 3122R of PBS 3108R. After passing through the output surface 3122R, the light from the laser diodes 3118R, 3120R converts p-polarized light and s-polarized light into two different circular polarization states RHCP light and LHCP light, resulting in a combined RHCP and LHCP red light beam 3126R. It passes through a quarter wave plate (QWP) 3124R to be formed. Any assignment between linear and circular polarization states can be used, and the options are implemented by rotating the QWP 3124R. Red laser diodes 3118R, 3120 will be separately modulated based on the red channel information from a separate but adjacent portion of the total field of view of system 3100. Thus, RHCP light and LHCP light will be image modulated based on pixel information from separate but adjacent portions of the FOV of system 3100.

赤色RHCPおよびLHCP光ビーム3126R、緑色RHCPおよびLHCP光ビーム3126G、および青色RHCPおよびLHCP光ビーム3126Bは、2−D走査ミラー3130の表面3128に入射する。重畳LH反射液晶格子3132およびRH反射液晶格子3134は、2−D走査ミラー3130の表面3128上に配置される。LH反射液晶格子3132が、LHCP光をシステム3100のFOVの第1の部分に対応する第1の立体角範囲に偏向させるであろう一方で、RH反射液晶格子3134は、RHCP光をFOVの第1の部分に実質的に重複しないシステム3100のFOVの第2の部分に対応する第2の立体角範囲に偏向させるであろう。液晶格子3132、3134によって反射される光は、図27との関連で前述に説明されたように、ICG2770に進入し、ユーザの眼の位置2768に伝搬するであろう。図27に示される実施形態と対照的に、図31に示される実施形態では、LHおよびRH反射液晶格子3132、3134は、3つ全てのR、G、およびB色成分に対処する、1つの層を含む。より高い複屈折性の液晶材料が、より広い反射率帯域を達成するために使用されることができる。しかしながら、格子ピッチdが色毎に個別に設定されることができないという事実を補償するために、3つのライトエンジン3102、3104、3106は、3つのRHCPおよびLHCP複合ビームが角度分離されるように配向される。目的は、3つ全ての色成分が平行ビームにおいて走査ミラー3130に到達する場合よりも3(RGB)カラーチャネルの視野を密接に整合させるために、回折角の波長依存性を補償することである。 The red RHCP and LHCP light beams 3126R, the green RHCP and LHCP light beams 3126G, and the blue RHCP and LHCP light beams 3126B are incident on the surface 3128 of the 2-D scanning mirror 3130. The superimposed LH reflective liquid crystal grating 3132 and the RH reflective liquid crystal grating 3134 are disposed on the surface 3128 of the 2-D scanning mirror 3130. While the LH reflective liquid crystal grating 3132 will deflect the LHCP light into a first solid angle range corresponding to the first portion of the FOV of the system 3100, the RH reflective liquid crystal grating 3134 will transmit the RHCP light to the FOV first. Would be deflected to a second solid angle range corresponding to the second portion of the FOV of the system 3100 that does not substantially overlap one portion. The light reflected by the liquid crystal gratings 3132, 3134 will enter the ICG 2770 and propagate to the user's eye location 2768, as described above in connection with FIG. In contrast to the embodiment shown in FIG. 27, in the embodiment shown in FIG. 31, the LH and RH reflective liquid crystal gratings 3132 and 3134 deal with all three R, G and B color components, one Including layers. Higher birefringent liquid crystal materials can be used to achieve a wider reflectivity band. However, in order to compensate for the fact that the grating pitch d g cannot be set individually for each color, the three light engines 3102, 3104, 3106 allow the three RHCP and LHCP composite beams to be angularly separated. Oriented. The objective is to compensate for the wavelength dependence of the diffraction angle in order to better match the field of view of the 3 (RGB) color channel than if all three color components reach the scanning mirror 3130 in a parallel beam. .

代替実施形態によると、偏光ビームスプリッタ3108R、3108G、3108Bを使用するのではなく、p−偏光およびs−偏光レーザダイオード3118R、3118G、3118B、3120R、3120G、3120Bが、1つ以上のコリメートレンズを通して、2−D走査ミラー3130に面して並んで位置付けられる。   According to an alternative embodiment, instead of using polarizing beam splitters 3108R, 3108G, 3108B, p-polarized and s-polarized laser diodes 3118R, 3118G, 3118B, 3120R, 3120G, 3120B are passed through one or more collimating lenses. , Positioned side by side facing the 2-D scanning mirror 3130.

いくつかの実施形態では、本方法は、走査ミラーから導波管の反対側に配置され、異なる入射角を有する、2つ以上の光ビームを提供するように構成される、2つ以上のRGB(赤・緑・青)コンバイナを提供するステップを含む。本方法はさらに、入力光ビームが導波管を通過して走査ミラーに到達することを可能にするように、導波管内の入力結合光学要素を構成するステップを含み、導波管の中へ反射光ビームを結合するように構成される。   In some embodiments, the method includes two or more RGB elements that are disposed on the opposite side of the waveguide from the scanning mirror and are configured to provide two or more light beams having different angles of incidence. Providing a (red / green / blue) combiner. The method further includes configuring the input coupling optical element in the waveguide to allow the input light beam to pass through the waveguide to the scanning mirror and into the waveguide. It is configured to combine the reflected light beams.

いくつかの実施形態では、本方法はまた、走査ミラーに対して異なる角度で2つ以上のRGBコンバイナを配置し、異なる入射角を有する、2つ以上の入射光ビームを提供するステップも含む。   In some embodiments, the method also includes disposing two or more RGB combiners at different angles with respect to the scanning mirror to provide two or more incident light beams having different angles of incidence.

いくつかの実施形態では、本方法はまた、走査ミラーに対して同一の角度で2つ以上のRGBコンバイナを配置するステップと、反射光学要素を提供し、異なる入射角で走査ミラーに向かって2つ以上の光ビームを指向するステップとを含む。   In some embodiments, the method also provides two or more RGB combiners at the same angle with respect to the scanning mirror, and provides a reflective optical element with two different angles of incidence toward the scanning mirror. Directing one or more light beams.

いくつかの実施形態では、本方法はまた、導波管の走査ミラーと同一側に配置される2つ以上のRGBコンバイナを提供するステップも含む。2つ以上のRGBコンバイナは、異なる入射角を有する2つ以上の光ビームを提供する。4分の1波長板が、走査ミラーに隣接して配置され、偏光感受性ビームスプリッタが、4分の1波長板と導波管との間に配置される。偏光感受性ビームスプリッタは、RGBコンバイナミラーから4分の1波長板を通して走査ミラーに向かって2つ以上の光ビームを指向するように構成される。走査ミラーから反射される光ビームは、4分の1波長板および偏光感受性ビームスプリッタを通して伝搬し、入力結合回折光学要素によって導波管の中へ結合されるように構成される。   In some embodiments, the method also includes providing two or more RGB combiners located on the same side of the waveguide as the scanning mirror. Two or more RGB combiners provide two or more light beams having different angles of incidence. A quarter wave plate is placed adjacent to the scanning mirror and a polarization sensitive beam splitter is placed between the quarter wave plate and the waveguide. The polarization sensitive beam splitter is configured to direct two or more light beams from the RGB combiner mirror through the quarter wave plate toward the scanning mirror. The light beam reflected from the scanning mirror propagates through the quarter wave plate and polarization sensitive beam splitter and is configured to be coupled into the waveguide by the input coupled diffractive optical element.

いくつかの実施形態では、複合視野(FOV)を提供するための方法は、複数の入射光ビームを含むコリメートされた入射光ビームを提供するステップと、コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および異なる入射角を有する複数の反射光ビームを提供するための回折表面を伴う走査ミラーを提供するステップとを含む。複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。本方法はまた、導波管内で複数の反射光ビームを受け取るステップと、導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野(FOV)内で投影画像を形成するステップとを含む。いくつかの実施形態では、複数の入射光ビームは、異なる波長を有する光ビームを備える。いくつかの実施形態では、複数の入射光ビームは、異なる偏光を有する光ビームを備える。   In some embodiments, a method for providing a composite field of view (FOV) includes providing a collimated incident light beam including a plurality of incident light beams, receiving a collimated incident light beam, and Providing a scanning mirror with a diffractive surface to provide a plurality of reflected light beams having different angles of incidence. Each of the plurality of reflected light beams is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). The method also includes receiving a plurality of reflected light beams within the waveguide and projecting the plurality of output light beams from the waveguide to form a projected image within a composite field of view (FOV). In some embodiments, the plurality of incident light beams comprises light beams having different wavelengths. In some embodiments, the plurality of incident light beams comprises light beams having different polarizations.

いくつかの実施形態では、複合視野(FOV)を提供するための方法は、複数の入射光ビームを含むコリメートされた入射光ビームを提供する視野を含む。本方法はまた、コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および異なる方向に複数の反射光ビームを提供するための回折表面を伴う走査ミラーを提供するステップも含み、複数の反射光ビームはそれぞれ、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。本方法はまた、全内部反射(TIR)臨界角を上回る異なる入射角を伴う複数の反射光ビームを入力結合するための導波管を構成するステップを含む。複数の反射光ビームは、導波管内で全内部反射を受け、対応する複数の視野を形成するように、導波管から出力結合光学要素を通して投影される。本方法はまた、複数の視野を含む複合FOVを形成するステップも含む。   In some embodiments, a method for providing a composite field of view (FOV) includes a field of view that provides a collimated incident light beam that includes a plurality of incident light beams. The method also includes providing a scanning mirror with a diffractive surface for receiving a collimated incident light beam and for providing a plurality of reflected light beams in different directions, each of the plurality of reflected light beams comprising: It is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). The method also includes configuring a waveguide to input couple a plurality of reflected light beams with different angles of incidence that exceed a total internal reflection (TIR) critical angle. The plurality of reflected light beams are projected from the waveguide through the output coupling optical element so as to undergo total internal reflection within the waveguide and form a corresponding plurality of fields of view. The method also includes forming a composite FOV that includes a plurality of fields of view.

いくつかの実施形態では、複合視野(FOV)を提供するための方法は、複数の入射光ビームを含むコリメートされた入射光ビームを提供するステップを含む。本方法は、コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および複数の反射光ビームを提供するための回折表面を伴う走査ミラーを提供するステップを含む。複数の反射光ビームはそれぞれ、異なる反射角を有し、個別の視野(FOV)内で画像を提供するように構成される。本方法はまた、入力結合光学要素において異なる入射角を伴う複数の反射光ビームを入力結合するための導波管を構成するステップも含む。複数の反射光ビームは、導波管内で全内部反射を受け、対応する複数の視野を形成するように、導波管から出力結合光学要素を通して投影される。本方法はさらに、複数の視野を含む、複合FOVを形成するステップを含む。   In some embodiments, a method for providing a composite field of view (FOV) includes providing a collimated incident light beam that includes a plurality of incident light beams. The method includes providing a scanning mirror with a diffractive surface for receiving a collimated incident light beam and for providing a plurality of reflected light beams. Each of the plurality of reflected light beams has a different reflection angle and is configured to provide an image within a separate field of view (FOV). The method also includes configuring a waveguide for input coupling a plurality of reflected light beams with different angles of incidence at the input coupling optical element. The plurality of reflected light beams are projected from the waveguide through the output coupling optical element so as to undergo total internal reflection within the waveguide and form a corresponding plurality of fields of view. The method further includes forming a composite FOV that includes a plurality of fields of view.

本発明の好ましい実施形態が、図示および説明されているが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されないことが明確であろう。多数の修正、変更、変形例、代用、および均等物が、請求項に説明されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者に明白であろう。   While the preferred embodiments of the invention have been illustrated and described, it will be clear that the invention is not limited to these embodiments only. Numerous modifications, changes, variations, substitutions, and equivalents will be apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims.

Claims (31)

  1. 画像表示システムであって、
    第1の画像変調光ビームおよび第2の画像変調光ビームを発するように構成される光学サブシステムであって、前記第1の画像変調光ビームは、複合視野(FOV)の第1の部分を照明し、前記第2の画像変調光ビームは、前記複合視野の第2の部分を照明する、光学サブシステムと、
    前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームを捕捉し、反射するように位置付けられる走査ミラーと、
    導波管であって、
    前記導波管の中へ前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームを受け取るための少なくとも1つの入力結合光学要素と、
    前記導波管から、前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームから導出される複数の出力光ビームを投影し、前記複合視野を照明するための出力結合光学要素と
    を有する、導波管と
    を備える、画像表示システム。
    An image display system,
    An optical subsystem configured to emit a first image-modulated light beam and a second image-modulated light beam, wherein the first image-modulated light beam includes a first portion of a composite field of view (FOV). An optical subsystem that illuminates and the second image modulated light beam illuminates a second portion of the composite field of view;
    A scanning mirror positioned to capture and reflect the first image modulated light beam and the second image modulated light beam;
    A waveguide,
    At least one input coupling optical element for receiving the first image modulated light beam and the second image modulated light beam into the waveguide;
    An output coupling optical element for projecting a plurality of output light beams derived from the first image modulated light beam and the second image modulated light beam from the waveguide to illuminate the composite field of view; An image display system comprising: a waveguide.
  2. 前記光学サブシステムは、前記走査ミラーから前記導波管の反対側に配置される、請求項1に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 1, wherein the optical subsystem is disposed on the opposite side of the waveguide from the scanning mirror.
  3. 前記入力結合要素は、前記光学サブシステムから発せられる前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームが、前記走査ミラーに到達する前に前記入力結合要素を通過するように、前記光学サブシステムと前記走査ミラーとの間に位置付けられる、請求項2に記載の画像表示システム。   The input coupling element such that the first image-modulated light beam and the second image-modulated light beam emitted from the optical subsystem pass through the input coupling element before reaching the scanning mirror; The image display system of claim 2, wherein the image display system is positioned between the optical subsystem and the scanning mirror.
  4. 偏光制御要素をさらに備え、前記偏光制御要素は、前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームが、前記入力結合要素に到達する前に偏光制御要素を通過するように、前記光学サブシステムと前記入力結合要素との間に位置付けられる、請求項3に記載の画像表示システム。   A polarization control element, the polarization control element such that the first image modulated light beam and the second image modulated light beam pass through the polarization control element before reaching the input coupling element; The image display system of claim 3, positioned between the optical subsystem and the input coupling element.
  5. 前記入力結合要素は、偏光選択的デバイスである、請求項4に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 4, wherein the input coupling element is a polarization selective device.
  6. 前記光学サブシステムは、直線偏光状態で前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームを生成するように構成され、前記偏光制御要素は、前記第1の画像変調光ビームおよび前記第2の画像変調光ビームを少なくとも1つの円偏光状態に変換するように構成される波長板を備え、前記入力結合要素は、前記入力結合要素が円偏光の掌性に基づいて選択的であるという点で偏光選択的である、請求項5に記載の画像表示システム。   The optical subsystem is configured to generate the first image-modulated light beam and the second image-modulated light beam in a linear polarization state, and the polarization control element includes the first image-modulated light beam and A wave plate configured to convert the second image-modulated light beam into at least one circular polarization state, wherein the input coupling element is selective based on the palmality of the circular polarization. 6. The image display system according to claim 5, which is polarization selective in that it is.
  7. 前記入力結合要素は、コレステリック液晶を含む回折格子を備える、請求項5に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 5, wherein the input coupling element includes a diffraction grating including a cholesteric liquid crystal.
  8. 前記入力結合要素はさらに、前記コレステリック液晶の整合方向への周期的側方変動を確立する配向層を備える、請求項7に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 7, wherein the input coupling element further comprises an alignment layer that establishes a periodic lateral variation in the alignment direction of the cholesteric liquid crystal.
  9. 前記光学サブシステムは、
    前記第1の画像変調光ビームを生成するように構成される第1の3色チャネル変調光源と、
    前記第2の画像変調光ビームを生成するように構成される第2の3色チャネル変調光源と
    を備える、請求項1に記載の画像表示システム。
    The optical subsystem includes:
    A first three-color channel modulated light source configured to generate the first image modulated light beam;
    The image display system of claim 1, comprising: a second three-color channel modulated light source configured to generate the second image modulated light beam.
  10. 前記第1の3色チャネル変調光源は、第1の赤色レーザと、第1の緑色レーザと、第1の青色レーザとを備え、
    前記第2の3色チャネル変調光源は、第2の赤色レーザと、第2の緑色レーザと、第2の青色レーザとを備える、
    請求項9に記載の画像表示システム。
    The first three-color channel modulation light source includes a first red laser, a first green laser, and a first blue laser,
    The second three-color channel modulated light source includes a second red laser, a second green laser, and a second blue laser.
    The image display system according to claim 9.
  11. 前記第1の3色チャネル変調光源は、前記第1の赤色レーザ、前記第1の緑色レーザ、および前記第1の青色レーザに光学的に結合される、第1のダイクロイックビームコンバイナを備え、
    前記第2の3色チャネル変調光源は、前記第2の赤色レーザ、前記第2の緑色レーザ、および前記第2の青色レーザに光学的に結合される、第2のダイクロイックビームコンバイナを備える、
    請求項10に記載の画像表示システム。
    The first three-color channel modulated light source comprises a first dichroic beam combiner optically coupled to the first red laser, the first green laser, and the first blue laser;
    The second three-color channel modulated light source comprises a second dichroic beam combiner optically coupled to the second red laser, the second green laser, and the second blue laser;
    The image display system according to claim 10.
  12. 前記光学サブシステムは、第1の角度で前記第1の画像変調光ビームを発し、第2の角度で前記第2の画像変調光ビームを発するように構成される、請求項1に記載の画像表示システム。   The image of claim 1, wherein the optical subsystem is configured to emit the first image modulated light beam at a first angle and emit the second image modulated light beam at a second angle. Display system.
  13. 前記光学サブシステムは、第1の経路に沿って前記第1の画像変調光ビームを発し、前記走査ミラーにおいて前記第1の経路に交差する第2の経路に沿って前記第2の画像変調光ビームを発するように構成される、請求項12に記載の画像表示システム。   The optical subsystem emits the first image-modulated light beam along a first path, and the second image-modulated light along a second path that intersects the first path at the scanning mirror. The image display system of claim 12, configured to emit a beam.
  14. 前記光学サブシステムは、前記第2の画像変調光ビームと共線の前記第1の画像変調光ビームを発するように構成される、請求項1に記載の画像表示システム。   The image display system of claim 1, wherein the optical subsystem is configured to emit the first image modulated light beam collinear with the second image modulated light beam.
  15. 偏光子と、波長板とをさらに備え、前記光学サブシステムおよび前記走査ミラーは、前記偏光子および前記波長板とともに前記導波管の共通側に配置され、前記光学サブシステムから前記走査ミラーまでの第1の光学経路区画は、前記光学サブシステムから前記偏光子まで、かつ前記偏光子から前記波長板を通して延在し、前記走査ミラーから前記入力結合光学要素までの第2の光学経路区画は、前記波長板および前記偏光子を横断する、請求項1に記載の画像表示システム。   A polarizer and a wave plate; and the optical subsystem and the scanning mirror are disposed on the common side of the waveguide together with the polarizer and the wave plate, from the optical subsystem to the scanning mirror. A first optical path section extends from the optical subsystem to the polarizer and from the polarizer through the waveplate, and a second optical path section from the scanning mirror to the input coupling optical element is The image display system according to claim 1, wherein the image display system traverses the wave plate and the polarizer.
  16. 入力結合光学要素は、第1の入力結合格子と、第2の入力結合格子とを備える、請求項1に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 1, wherein the input coupling optical element comprises a first input coupling grating and a second input coupling grating.
  17. 前記複合視野の前記第1の部分は、前記複合視野の前記第2の部分と交互配置される、請求項1に記載の画像表示システム。   The image display system of claim 1, wherein the first portion of the composite field of view is interleaved with the second portion of the composite field of view.
  18. コリメートされた入射光ビームを提供するための光源であって、前記コリメートされた入射光ビームは、複数の成分を含む、光源と、
    前記コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および異なる回折角を有する複数の反射的に回折された光ビームを提供するための回折表面を伴う走査ミラーであって、前記複数の反射的に回折された光ビームはそれぞれ、視野(FOV)の一部を照明するように構成される、走査ミラーと、
    導波管であって、
    前記導波管の中へ前記複数の反射的に回折された光ビームを受け取るための入力結合光学要素と、
    前記導波管から複数の出力光ビームを投影し、複合視野(FOV)を用いて投影画像を形成するための出力結合光学要素であって、前記複数の出力光ビームは、前記複数の反射的に回折された光ビームから前記導波管内で導出される、出力結合光学要素と
    を有する、導波管と
    を備える、画像表示システム。
    A light source for providing a collimated incident light beam, wherein the collimated incident light beam includes a plurality of components;
    A scanning mirror with a diffractive surface for receiving the collimated incident light beam and for providing a plurality of reflectively diffracted light beams having different diffraction angles, the plurality of the reflectively diffracted light beams Each light beam is configured to illuminate a portion of the field of view (FOV); and
    A waveguide,
    An input coupling optical element for receiving the plurality of reflectively diffracted light beams into the waveguide;
    An output coupling optical element for projecting a plurality of output light beams from the waveguide and forming a projected image using a composite field of view (FOV), wherein the plurality of output light beams are the plurality of reflective beams And a waveguide having an output coupling optical element derived from the light beam diffracted into the waveguide.
  19. 前記複数の成分は、異なる波長を有する成分を含む、請求項18に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 18, wherein the plurality of components include components having different wavelengths.
  20. 前記複数の成分は、異なる偏光を有する成分を含む、請求項18に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 18, wherein the plurality of components include components having different polarizations.
  21. 前記複数の成分は、赤色成分、緑色成分、および青色成分の複数のセットを含む、請求項18に記載の画像表示システム。   The image display system according to claim 18, wherein the plurality of components includes a plurality of sets of a red component, a green component, and a blue component.
  22. 前記入力結合光学要素は、偏光状態選択的である、請求項20に記載の画像表示システム。   21. The image display system of claim 20, wherein the input coupling optical element is polarization state selective.
  23. 前記走査ミラーは、前記導波管に対して前記光源から反対側に配置され、
    前記導波管の前記入力結合光学要素は、前記コリメートされた入射光ビームが前記入力結合要素および前記導波管を通過することを可能にするように構成され、前記入力結合光学要素は、前記導波管のための臨界角を上回る角度で前記反射的に回折されたビームを回折することによって、前記導波管の中へ前記複数の反射的に回折された光ビームを結合するように構成される、
    請求項18に記載の画像表示システム。
    The scanning mirror is disposed on the opposite side of the light source from the light source;
    The input coupling optical element of the waveguide is configured to allow the collimated incident light beam to pass through the input coupling element and the waveguide, the input coupling optical element comprising: Configured to couple the plurality of reflectively diffracted light beams into the waveguide by diffracting the reflectively diffracted beam at an angle above a critical angle for the waveguide. To be
    The image display system according to claim 18.
  24. 複合視野を提供するための方法であって、
    少なくとも2つの入力光ビームを走査ミラーに指向することと、
    前記走査ミラーを用いて前記少なくとも2つの入力光ビームを反射させ、少なくとも2つの反射ビームを提供することであって、前記反射ビームはそれぞれ、前記複合視野の一部を提供する、ことと、
    接眼導波管内で前記少なくとも2つの反射ビームを受け取ることと、
    前記接眼導波管から複数の出力光ビームを出力し、前記複合視野内で投影画像を形成することであって、前記複数の出力光ビームは、前記少なくとも2つの反射光ビームから導出される、ことと
    を含む、方法。
    A method for providing a composite field of view, comprising:
    Directing at least two input light beams to a scanning mirror;
    Reflecting the at least two input light beams with the scanning mirror to provide at least two reflected beams, each of the reflected beams providing a portion of the composite field of view;
    Receiving the at least two reflected beams in an eyepiece waveguide;
    Outputting a plurality of output light beams from the eyepiece waveguide to form a projected image within the composite field of view, wherein the plurality of output light beams are derived from the at least two reflected light beams; And a method.
  25. 前記走査ミラーから前記接眼導波管の反対側に配置され、前記走査ミラー上の異なる入射角で前記少なくとも2つの入力光ビームを指向するように構成される、少なくとも2つの赤・青・緑コンバイナを提供することをさらに含み、
    前記少なくとも2つの入力光ビームを前記走査ミラーに指向することは、前記接眼導波管を通して前記少なくとも2つの光ビームを指向することを含む、
    請求項24に記載の方法。
    At least two red-blue-green combiners disposed on the opposite side of the eyepiece waveguide from the scanning mirror and configured to direct the at least two input light beams at different angles of incidence on the scanning mirror Further comprising providing
    Directing the at least two input light beams to the scanning mirror includes directing the at least two light beams through the eyepiece waveguide;
    25. A method according to claim 24.
  26. 前記接眼導波管上に入力結合光学要素を提供することをさらに含み、
    前記少なくとも2つの入力光ビームを前記走査ミラーに指向することは、前記入力結合要素を通して前記少なくとも2つの光ビームを指向することを含み、
    前記接眼導波管内で前記少なくとも2つの反射ビームを受け取ることは、前記入力結合要素を通して前記少なくとも2つの反射ビームを受け取ることを含む、
    請求項25に記載の方法。
    Further comprising providing an input coupling optical element on the eyepiece waveguide;
    Directing the at least two input light beams to the scanning mirror includes directing the at least two light beams through the input coupling element;
    Receiving the at least two reflected beams within the eyepiece waveguide includes receiving the at least two reflected beams through the input coupling element;
    26. The method of claim 25.
  27. 少なくとも2つの入力光ビームを走査ミラーに指向することは、前記少なくとも2つの入力光ビームのうちの少なくとも1つを反射させ、前記少なくとも2つの入力光ビームの間の角度差を導入することを含む、請求項24に記載の方法。   Directing at least two input light beams to a scanning mirror includes reflecting at least one of the at least two input light beams and introducing an angular difference between the at least two input light beams. 25. The method of claim 24.
  28. 少なくとも2つの入力光ビームを走査ミラーに指向することは、4分の1波長板を通して前記少なくとも2つの入力光ビームを通過させることを含む、請求項24に記載の複合視野を提供するための方法。   25. A method for providing a composite field of view according to claim 24, wherein directing at least two input light beams to a scanning mirror includes passing the at least two input light beams through a quarter wave plate. .
  29. 複合視野(FOV)を提供するための方法であって、
    複数の成分を含むコリメートされた入射光ビームを提供することと、
    前記コリメートされた入射光ビームを受け取るため、および前記複数の成分を異なる回折角を有する複数の反射光ビームに分離するための回折表面を伴う走査ミラーを提供することであって、前記複数の反射光ビームはそれぞれ、前記複合視野の一部を提供するように構成される、ことと、
    接眼導波管内で前記複数の反射光ビームを受け取ることと、
    前記接眼導波管から複数の出力光ビームを出力し、前記複合視野内で投影画像を形成することであって、前記複数の出力光ビームは、前記複数の反射光ビームから導出される、ことと
    を含む、方法。
    A method for providing a composite field of view (FOV) comprising:
    Providing a collimated incident light beam comprising a plurality of components;
    Providing a scanning mirror with a diffractive surface for receiving the collimated incident light beam and for separating the plurality of components into a plurality of reflected light beams having different diffraction angles, the plurality of reflections Each light beam is configured to provide a portion of the composite field of view;
    Receiving the plurality of reflected light beams in an eyepiece waveguide;
    Outputting a plurality of output light beams from the eyepiece waveguide to form a projected image within the composite field of view, wherein the plurality of output light beams are derived from the plurality of reflected light beams; And a method comprising:
  30. 前記複数の成分は、波長によって区別される成分を含む、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the plurality of components includes components distinguished by wavelength.
  31. 前記複数の成分は、偏光状態によって区別される成分を含む、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the plurality of components includes components that are distinguished by polarization states.
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