JP2019536082A - 拡張現実システムのための外部結合回折格子 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年10月26日に出願された米国仮特許出願第62/413,288号の利益を主張する。上記文献の内容は、その全体として参照することによって援用される。
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、もしくはそのように知覚され得る様式で視認者に提示される、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、他の実際の実世界の視覚的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(または「AR」)シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。
本発明のいくつかの実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成される、導波管と、導波管に光学的に結合される、回折光学要素とを含んでもよい。回折光学要素は、導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列される、複数の第1の隆起を含んでもよい。複数の第1の隆起のそれぞれは、導波管の表面に対して垂直方向における第1の高さと、周期の方向における第1の幅とを有する。回折光学要素はさらに、複数の第2の隆起を含んでもよい。複数の第2の隆起のそれぞれは、個別の第1の隆起から突出し、第1の高さを上回る第2の高さと、第1の幅未満の第2の幅とを有する。回折光学要素は、導波管内で伝搬する光の第1の部分を眼に向かって一次反射として回折し、導波管内で伝搬する光の第2の部分を眼から離れるように一次透過として回折するように構成されてもよい。
本開示は、概して、仮想現実および拡張現実可視化システムのために使用され得る、回折光学要素に関する。回折光学要素は、位相回折格子または回折格子とも称され得、VRまたはARシステム内の導波管からの画像光を視認者の眼に向かって外部結合するための接眼レンズにおいて使用されてもよい。明確性の目的のために、回折光学要素は、用語「回折格子」を使用して本明細書に説明されるが、本発明は、回折格子構造に限定されず、他の形態の回折光学要素も含むことができる。
J=α(P2+Pworld)−Puser
のように表され得る。式中、αは、項Puserと比較して項(P2+Pworld)に与えられる加重である。一実施形態では、h1、h2、w1、およびw2は、メリット関数Jを最小限にするために、変動することを可能にされる。したがって、最適化の目的は、P2およびPworldを最小限にし、Puserを最大限にすることであり得る。パラメータαは、2つの目的に与えられる相対的加重を判定する。図17は、変数h1、h2、w1、およびw2のそれぞれの加重αへの依存性を示す。図18は、Puser、Pworld、およびP2の加重αへの依存性を示す。
f(x)=u(x)+w(x)
のように表され得る。式中、u(x)およびw(x)は、それぞれ、ユーザへと進む光(すなわち、一次反射1R)および世界へと進む光(すなわち、一次透過1T)である。f(x)は、回折格子1900から外部結合するための回折格子1900の効率を示すことに留意されたい。二次反射(2R)における光が、導波管1902内に残っているため、二次反射(2R)は、f(x)内に含まれない。いくつかの実施形態では、f(x)は、所定の定数に正規化されてもよい。
y’(x)=−f(x)y(x)
のように表され得る。本微分方程式の解は、
f(x)=a+bx
のように表され得ると仮定する。式中、aおよびbは、定数である。回折格子1900による平均外部結合屈折力は、
Claims (20)
- 画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第1の隆起であって、前記複数の第1の隆起のそれぞれは、前記導波管の表面に対して垂直方向における第1の高さと、前記周期の方向における第1の幅とを有する、複数の第1の隆起と、
複数の第2の隆起であって、前記複数の第2の隆起のそれぞれは、個別の第1の隆起から突出し、前記第1の高さを上回る第2の高さと、前記第1の幅未満の第2の幅とを有する、複数の第2の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第1の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第2の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。 - 前記第1の幅は、前記周期の約0.4倍〜前記周期の約0.6倍に及ぶ、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の幅は、前記周期の約0.25倍未満である、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の高さと前記第1の高さの比率は、約8:7〜約8:3に及ぶ、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記第1の幅および前記第2の幅は、前記回折光学要素が一次透過効率を上回る一次反射効率を有するように選択される、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記一次反射効率と前記一次透過効率の比率は、約2を上回る、請求項5に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第3の部分を入射方向と実質的に反対方向に二次反射として回折するように構成され、前記第1の幅および前記第2の幅は、前記回折光学要素が約1パーセント未満の二次反射効率を有するように選択される、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第1の隆起であって、各個別の第1の隆起は、前記周期の方向における前記個別の第1の隆起の位置の関数として変動する、前記周期の方向における個別の第1の幅を有する、複数の第1の隆起と、
複数の第2の隆起であって、各個別の第2の隆起は、対応する第1の隆起から突出し、前記対応する第1の隆起の対応する第1の幅未満の個別の第2の幅を有し、各個別の第2の幅は、前記周期の方向における前記対応する第1の隆起の位置の関数として変動する、複数の第2の隆起と
を含み、
前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第1の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第2の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。 - 各第1の隆起は、第1の高さを有し、各第2の隆起は、前記第1の高さを上回る第2の高さを有する、請求項8に記載の接眼レンズ。
- 前記第1の高さは、約45nm〜約65nmに及び、前記第2の高さは、約70nm〜約80nmに及ぶ、請求項9に記載の接眼レンズ。
- 前記個別の第1の隆起の各個別の第1の幅および前記個別の第2の隆起の各個別の第2の幅は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の方向における前記導波管の表面を横断した位置の関数として変動するように変動される、請求項8に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第1の縁から前記回折光学要素の第2の縁へと増加する、請求項11に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第1の縁から前記回折光学要素の第2の縁へと略線形に増加する、請求項12に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、請求項11に記載の接眼レンズ。
- 画像を視認者の眼に投影させるための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
ある表面を有し、光をその中で伝搬させるように構成されている、導波管と、
前記導波管に光学的に結合された回折光学要素であって、前記回折光学要素は、
前記導波管の表面から突出し、ある周期を有する周期的アレイとして配列されている、複数の第1の隆起であって、各個別の第1の隆起は、前記周期の方向における個別の第1の幅を有する、複数の第1の隆起と、
複数の第2の隆起であって、各個別の第2の隆起は、対応する第1の隆起から突出し、前記対応する第1の隆起の対応する第1の幅未満の個別の第2の幅を有する、複数の第2の隆起と
を含み、
前記個別の第2の隆起の個別の第2の幅と前記対応する第1の隆起の対応する第1の幅の比率は、前記周期の方向における前記対応する第1の隆起の位置の関数として変動し、前記回折光学要素は、前記導波管内で伝搬する前記光の第1の部分を前記眼に向かって一次反射として回折し、前記導波管内で伝搬する前記光の第2の部分を前記眼から離れるように一次透過として回折するように構成されている、回折光学要素と
を備える、接眼レンズ。 - 前記個別の第2の隆起の個別の第2の幅と前記対応する第1の隆起の対応する第1の幅の比率は、前記回折光学要素の一次反射効率が前記周期の方向における前記導波管の表面を横断した位置の関数として変動するように、前記周期の方向における前記対応する第1の隆起の位置の関数として変動する、請求項15に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第1の縁から前記回折光学要素の第2の縁へと増加する、請求項16に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の第1の縁から前記回折光学要素の第2の縁へと略線形に増加する、請求項17に記載の接眼レンズ。
- 前記回折光学要素の一次反射効率は、前記回折光学要素の中心部分から前記中心部分の両側上の前記回折光学要素の縁に向かって増加する、請求項16に記載の接眼レンズ。
- 各第1の隆起は、第1の高さを有し、各第2の隆起は、前記第1の高さを上回る第2の高さを有する、請求項15に記載の接眼レンズ。
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