JP2020514828A - ファイバ走査プロジェクタのための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する、方法およびシステムに関する。ファイバ走査プロジェクタは、圧電要素と、圧電要素に機械的に結合される、走査ファイバとを含む。ファイバ走査プロジェクタはまた、光を走査ファイバから受光するように動作可能である、光学アセンブリセクションを含む。光学アセンブリセクションは、プリズム要素と、界面においてプリズム要素に結合される、コリメート要素と、４分の１波長板と、界面に配置される、偏光ビームスプリッタとを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年３月２１日に出願され“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｉｂｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ”と題された米国仮特許出願第６２／４７４，４６１号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書中に援用される。

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、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おり、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視認者に提示される。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。

これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する、方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、光の立体彫像を１つを上回る深度平面に作成する、ライトフィールドディスプレイとも称される、立体ディスプレイのための方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

本発明のある実施形態によると、プロジェクタが、提供される。プロジェクタは、凸面オブジェクト表面を画定する、走査光源と、走査光源からの光を受光するように動作可能である、光学アセンブリセクションとを含む。光学アセンブリセクションは、プリズム要素と、界面においてプリズム要素に結合される、コリメート要素と、４分の１波長板と、界面に配置される、偏光ビームスプリッタとを含む。

本発明のある実施形態によると、ファイバ走査プロジェクタが、提供される。ファイバ走査プロジェクタは、圧電要素と、圧電要素に機械的に結合される、走査ファイバと、走査ファイバからの光を受光するように動作可能である、光学アセンブリセクションとを含む。光学アセンブリセクションは、プリズム要素と、界面においてプリズム要素に結合される、コリメート要素と、４分の１波長板と、界面に配置される、偏光ビームスプリッタとを含む。

本発明の別の実施形態によると、ファイバ走査プロジェクタが、提供される。ファイバ走査プロジェクタは、圧電要素と、圧電要素を通して通過し、それに機械的に結合される、走査ファイバとを含む。走査ファイバは、光を光学経路に沿って放出する。ファイバ走査プロジェクタはまた、開口を含む、ミラーを含む。走査ファイバは、開口を通して通過する。ファイバ走査プロジェクタはさらに、光学経路に沿って配置される、コリメートミラーを含む。

本発明の具体的実施形態によると、ファイバ走査プロジェクタが、提供される。ファイバ走査プロジェクタは、圧電要素と、圧電要素を通して通過し、それに機械的に結合される、走査ファイバとを含む。走査ファイバは、光を光学経路に沿って放出する。ファイバ走査プロジェクタはまた、光学経路に沿って配置される、第１の偏光感受性反射体と、第１の偏光感受性反射体に隣接して配置される、４分の１波長板と、光学経路に沿って配置される、第２の偏光感受性反射体とを含む。

従来の技法に優る多数の利点が、本発明の方法によって達成される。例えば、本発明の実施形態は、標準的眼鏡に匹敵する形状因子において、画像をユーザに表示するために使用され得る、方法およびシステムを提供する。いくつかの実施形態では、ファイバ走査光源と統合された画像プロジェクタは、眼鏡のフレーム内にフィットすることができる。本発明のこれらおよび他の実施形態は、その利点および特徴の多くとともに、下記のテキストおよび添付の図と併せてより詳細に説明される。

図１Ａは、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する、簡略化された斜視図である。

図１Ｂは、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する、簡略化された裁断斜視図である。

図１Ｃは、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。

図１Ｄは、本発明のある実施形態による、シリコンベースの導波管を使用した導波管走査システムの部分断面図を示す。

図１Ｅは、本発明のある実施形態による、接眼レンズの構造を図示する、部分断面図である。

図２Ａは、本発明のある実施形態による、光学アセンブリセクションを通した光の伝搬を図示する、光線トレース図である。

図２Ｂは、本発明の代替実施形態による、代替光学アセンブリセクションの側面図である。

図２Ｃは、本発明のある実施形態による、ビームスプリッタ立方体ベースの光学アセンブリセクションの側面図である。

図２Ｄは、本発明の代替実施形態による、別の代替光学アセンブリセクションの側面図である。

図２Ｅは、本発明の代替実施形態による、多偏光傾斜反射体光学アセンブリセクションの側面図である。

図２Ｆは、本発明のある実施形態による、Ｍａｎｇｉｎミラーを含む、光学アセンブリの側面図である。

図２Ｇは、本発明の代替実施形態による、Ｍａｎｇｉｎミラーを含む、光学アセンブリの側面図である。

図２Ｈは、本発明のある実施形態による、３Ｄ印刷レンズを含む、光学アセンブリの側面図である。

図３は、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタの光学アセンブリセクションの簡略化された斜視図である。

図４は、本発明のある実施形態による、加工の間の光学アセンブリセクションの要素の簡略化された斜視図である。

図５は、本発明の代替実施形態による、ファイバ走査プロジェクタ５００を図示する、簡略化された概略図である。

図６Ａは、本発明の代替実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する。

図６Ｂは、本発明のある実施形態による、代替ファイバ走査プロジェクタである。

図６Ｃは、本発明のある実施形態による、別の代替ファイバ走査プロジェクタである。

図６Ｄは、本発明のある実施形態による、さらに別の代替ファイバ走査プロジェクタである。

図７Ａは、本発明のある実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。

図７Ｂは、本発明の別の実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。

図７Ｃは、本発明の代替実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。

本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する、方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、光の立体彫像を１つを上回る深度平面に作成する、ライトフィールドディスプレイとも称される、立体ディスプレイのための方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

図１Ａは、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する、簡略化された斜視図である。寸法約２ｍｍ×２ｍｍ×７ｍｍを有し得る、ファイバ走査プロジェクタ１００は、ファイバ入力１１０と、ファイバ発振領域１２０と、光学アセンブリセクション１３０とを含む。圧電アクチュエータ（図示せず）によって駆動されると、光ファイバは、所与のフレーム時間にわたって、光の投影の間、増加する角度偏向に伴って、ファイバ発振領域１２０内で、例えば、螺旋構成において発振する。ファイバ走査プロジェクタへの入力光は、ファイバ入力１１０を通して提供され、ファイバ走査プロジェクタからの出力光は、光学アセンブリセクション１３０の表面のうちの１つ以上のものを通して提供される。ファイバ走査プロジェクタの種々の要素は、本明細書全体を通してより完全に説明される。

図１Ｂは、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する、簡略化された裁断斜視図である。図１Ｂに図示される図では、ファイバ走査プロジェクタ１００は、水平に回転されている。ファイバ入力１１０は、図の右側に図示され、ファイバ発振セクション１２０への入力を提供し、これは、保定カラー１５２によって支持される（かつ示されないワイヤからの電気信号によって駆動される）、圧電アクチュエータ１５０を含み、走査ファイバ１５４が、機械的エンクロージャ１５６内に配置される。光学アセンブリセクション１３０は、本明細書でより完全に説明されるように、走査ファイバ１５４からの光を受光する。

動作の間、圧電アクチュエータ１５０に機械的に取り付けられる、走査ファイバ１５４は、ファイバ発振領域１２０内で発振する。ある実施形態では、圧電アクチュエータ１５０は、相互に対して９０°偏移される円周方向位置に分散される、４つの電極を含む。故に、圧電アクチュエータの両側に印加される、正および負の電圧は、電極の平面において、アクチュエータおよび走査ファイバを撓曲させることができる。全４つの電極を同期させて駆動することによって、ファイバの発振が、遂行されることができる。光が、走査ファイバ１５４から出射するにつれて、下記により完全に説明される、光学アセンブリセクション１３０の中に結合される。

本明細書により完全に説明されるように、標準的眼鏡に匹敵する小形状因子が、本発明の実施形態によって可能にされる。本発明の実施形態を利用することによって、所望の視野、分解能の深度、統合された慣性運動ユニット（ＩＭＵ）、カメラ、オーディオコンポーネント、および同等物を伴う、ディスプレイが、提供される。いくつかの実施形態では、図１Ａおよび１Ｂに図示されるファイバ走査プロジェクタ１００は、眼鏡のテンプルまたはフレーム内に搭載され、フレーム内に配置される接眼レンズと組み合わせて作用し、投影された光をユーザの眼に向かって指向する。ファイバ走査プロジェクタ１００のサイズは、光を各眼に向かって指向し、ディスプレイエリアのタイル化を通して視野を増加させ得る、複数のファイバ走査プロジェクタの統合を可能にする。実施例として、２つのプロジェクタが、眼毎に使用される場合、８９°の対角線視野が、２つのプロジェクタを使用して提供されることができる。眼毎に４つのプロジェクタを使用すると、１３４°の対角線視野が、達成されることができる。加えて、視野の増加に加え、付加的深度平面が、複数のプロジェクタの使用を通して提供されることができる。視野を増加させるためのディスプレイエリアのタイル化および複数のプロジェクタの使用に関連する付加的説明は、２０１８年３月２１日に出願された米国特許出願第＿＿号（弁理士整理番号１０１７８２−１０７５０６９（００３４１０ＵＳ））（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に提供される。

ある実施形態では、ファイバ走査プロジェクタ１００は、ファイバ入力１１０によって給送され、ファイバ発振領域１２０および光学アセンブリセクション１３０は、米国特許出願第＿＿号（弁理士整理番号１０１７８２−１０７５２２３（００３５１０ＵＳ））２０１８年３月２１日に出願された（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）の図２に図示されるように、フレームの外側縁内に搭載される。光学アセンブリセクション４３０の出力は、光をフレーム内に搭載される接眼レンズの入力結合要素に向かって放出するように配向される。実施例として、光学アセンブリセクションの出力からの光は、世界側カバーガラスと、眼側カバーガラスとを含み得る、接眼レンズの中に結合する前に、ユーザに向かって指向され得る。

図１Ｃは、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、プロジェクタ１００と、視認者の眼の周囲または正面に装着され得る、接眼レンズ１６０とを含む。本明細書に議論されるように、ＶＯＡは、一対の眼鏡のフレームと統合され、デジタルまたは仮想画像をこれらの眼鏡を装着している視認者に提示することができる。

図１Ｃを参照すると、ファイバ走査プロジェクタ１００が、図示される。しかしながら、例えば、走査導波管源を含む、走査導波管システムとして実装され得る、他の走査光システムまたは走査ビームシステムも、本発明の実施形態と併せて利用されることができることを理解されたい。したがって、光を導波するための一実装としての光ファイバが、いくつかの実施形態では図示されるが、本発明は、ファイバ走査システムに限定されず、他の導波管走査システムも、他の実施形態によると、利用されることができる。他の導波システムの実施例は、導波管特徴、例えば、カンチレバー式ビームと統合されたシリコン導波管を光走査システムの中に統合する、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を含む。さらに、光の収束ビームが、プロジェクタによって走査され、湾曲オブジェクト表面を作成する、走査ミラーシステムも、本明細書に説明されるような本発明の実施形態と併用されることができる。さらに、走査点源、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）または有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）も、本明細書に説明される光学と併せて利用されることができる。実施例として、ＭＥＭＳベースの導波管スキャナの一実装が、図１Ｄに図示される。

図１Ｃに図示されないが、随意のプロジェクタ中継光学が、ファイバ走査プロジェクタ１００からの光を接眼レンズ１６０の中に指向するために使用されることができる。これらのプロジェクタ中継光学は、随意であるため、それらは、本発明によって要求されず、他の光学構成も、本発明の実施形態によると、利用されることができる。図示される実施形態では、光は、ファイバ走査プロジェクタ１００の機械的エンクロージャ１５６の縦軸と略垂直方向に光学アセンブリセクションから出射し、コリメートされ、これは、内部結合格子１６７に好適な入力を提供する。

動作の間、圧電アクチュエータ１５０に機械的に取り付けられる、光ファイバ１５４は、ファイバ発振領域１２０内で発振する。ある実施形態では、圧電アクチュエータ１５０は、相互に対して９０°偏移される円周方向位置に分散される、４つの電極を含む。故に、圧電アクチュエータの両側に印加される、正および負の電圧は、電極の平面において、アクチュエータおよび走査ファイバを撓曲させることができる。全４つの電極を同期させて駆動することによって、ファイバの発振が、遂行されることができる。光が、走査の際に光ファイバ１５４から出射するにつれて、光学アセンブリセクション１３０の中に結合され、これは、光を接眼レンズ１６０に向かって再指向する。

ファイバ走査プロジェクタ１００は、３つの原色、すなわち、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）を含む、複数の色を提供し、フルカラーディスプレイを形成することができる。故に、接眼レンズ１６０は、１つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。一実施形態では、接眼レンズ１６０は、３つの原色、すなわち、赤色、緑色、および青色毎に１つの接眼レンズ層の３つの接眼レンズ層を含む。別の実施形態では、接眼レンズ１６０は、６つの接眼レンズ層、すなわち、仮想画像を１つの深度平面に形成するように構成される、３つの原色毎に１セットの接眼レンズ層と、仮想画像を別の深度平面に形成するように構成される、３つの原色毎に別のセットの接眼レンズ層とを含んでもよい。他の実施形態では、接眼レンズ１６０は、３つ以上の異なる深度平面のために、３つの原色毎に３つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。各接眼レンズ層は、平面導波管を備え、内部結合格子１６７と、直交瞳エキスパンダ（ＯＰＥ）領域１６８と、射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ）領域１６９とを含んでもよい。

依然として、図１Ｃを参照すると、プロジェクタ１００は、画像光を接眼レンズ層１６０内の内部結合格子１６７上に投影する。内部結合格子１６７は、プロジェクタ１００からの画像光を平面導波管の中に結合し、ＯＰＥ領域１６８に向かう方向に伝搬させる。導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、画像光を水平方向に伝搬させる。接眼レンズ層１６０のＯＰＥ領域１６８はまた、画像光の一部を結合および再指向し、ＥＰＥ領域１６９に向かって導波管内を伝搬させる、回折要素を含む。ＥＰＥ領域１６９は、導波管内を伝搬する画像光の一部を接眼レンズ層１６０の平面と略垂直方向に視認者の眼１６２に向かって結合および指向する、回折要素を含む。本方式では、プロジェクタ１０１によって投影された画像は、視認者の眼１６２によって視認され得る。

上記に説明されるように、プロジェクタによって生成された画像光は、３つの原色、すなわち、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、および赤色（Ｒ）における光を含んでもよい。そのような画像光は、各構成色内の画像光が接眼レンズ内の個別の導波管に結合され得るように、例えば、時間的にまたは空間的に、構成色に分離されることができる。

図１Ｄは、本発明のある実施形態による、シリコンベースの導波管を使用した導波管走査システムの部分断面図を示す。本実施形態では、テーパ状光ファイバを光走査要素として使用するのではなく、シリコンベースカンチレバー式導波管を含む、カンチレバー式ビームを組み込む、ＭＥＭＳスキャナ１７０が、利用される。

図１Ｄに図示される実施形態では、接眼レンズを通した表示のための光が、カンチレバー式ビーム１７２によって支持される導波管１７４に光学的に結合される光ファイバ（図示せず）を使用して、提供される。カンチレバー式ビーム１７２は、支持構造１７６から延在し、これは、機械的エンクロージャ１５６に機械的に取り付けられる。故に、光ファイバからの光は、導波管１７４を辿って伝搬し、光学アセンブリセクション１３０によって放出および受光されることが可能である。図２Ａに関連してより完全に説明されるように、光学アセンブリセクション１３０は、プリズム要素２１０と、界面において結合され、ビームスプリッタ２１４を画定する、コリメーション要素２２０とを含む。図１Ｄに図示されるように、導波管１７４から放出される光は、ビームスプリッタ２１４を通して通過し、４分の１波長板（図示せず）を通して通過し、コリメート表面２２４上に衝突することができる。反射後、光は、光学光線１８０によって図示されるように、２回目として４分の１波長板を通して通過し、ビームスプリッタ２１４から反射する。

カンチレバー式ビーム１７２を作動させるために、図１Ｄに図示される光学スキャナは、圧電ストリップ１８４によって駆動される、フレーム１８０と、ハブ１８２とを含む、変換器を含む。圧電ストリップは、フレーム１８０およびハブ１８２の両方に結合され、カンチレバー式ビーム１７２の発振を所定のパターンで協働して誘発する。ブラケット１８６は、カンチレバー式ビーム１７２、フレーム１８０、およびハブ１８２を光学アセンブリセクション１３０に対して位置付けるように構成されることができる。さらに、ブラケット１８６は、機械的エンクロージャ１５６に機械的に結合されることができる。

図１Ｄに図示されるように、ハブ１８２は、カンチレバー式ビーム１７２を定位置に回転させ、その所望の走査パターンを達成するように構成されることができる。例えば、圧電ストリップ１８４の順次作動は、ハブが、カンチレバー式ビーム１７２、特に、導波管先端を螺旋走査パターンで発振させるパターンで操作されるように、圧電ストリップの縦方向拡張および縮小をもたらし得る。他の実施形態では、ハブ１８２は、側方および／または垂直に偏移し、所望の走査パターン、例えば、ラスタ走査パターンを誘発するように構成されることができる。ハブ１８２は、円形形状を有するように描写されるが、楕円形、長方形、および他の多角形間隙幾何学形状等の多くの他の形状もまた、可能性として考えられることを理解されたい。

カンチレバー式ビーム１７２は、ある長さのシリコンまたは炭化ケイ素から形成されることができる。単一モード導波管であり得る、導波管１７４は、導波を支持するための屈折率差を定義する半導体処理ステップを使用して、形成されることができる。カンチレバー式ビーム１７２は、単一導波管１７４を含むように図示されるが、他の実施形態は、カンチレバー式ビームによって支持される、複数の導波管を実装することができる。カンチレバー式ビーム１７２はまた、他のアクチュエータ、例えば、本明細書により完全に説明される、圧電アクチュエータ１５０と併せて利用され得ることを理解されたい。したがって、図１Ｄに図示されるフレームおよびハブ実装は、単に、カンチレバー式ビームを作動させるために使用され得る、構造の例示である。

図１Ｅは、本発明のある実施形態による、接眼レンズの構造を図示する、部分断面図である。断面図に示される領域は、接眼レンズ８００の内部結合回折光学要素（例えば、内部結合格子）の領域を含む。図１Ｅに示されるように、接眼レンズ８００は、ファイバ走査プロジェクタからの入力光を受光し、画像情報を視認者の眼８０２に出力する、導波管プレート８２０、８３０、および８４０のスタックを含む。図１Ｅに図示される接眼レンズ８００は、視認者の眼に隣接する接眼レンズの側上に位置付けられる、眼側カバー層８１０と、世界に向かって面した接眼レンズの側上に位置付けられる、世界側カバー層８５０とを含む。

いくつかの実施形態では、導波管プレート８２０、８３０、および８４０は、その個別の導波管プレート８２０、８３０、および８４０の平面において光を伝搬するために、個別の平面導波管８２２、８３２、または８４２を含む。各平面導波管８２２、８３２、または８４２は、視認者の眼に面した背面表面と、世界に面した正面表面とを有する。図１Ｅに図示される実施形態では、導波管プレート８２０、８３０、および８４０はまた、光の一部を結合および再指向し、その個別の導波管８２２、８３２、または８４２内で伝搬させるために、その個別の導波管８２２、８３２、または８４２の背面表面上に設置される、個別の格子８２４、８３４、または８４４を含む。

図示される実施形態では、各導波管８２２、８３２、または８４２、および各格子８２４、８３４、または８４４は、所与の波長範囲にわたって光を選択的に伝搬または再指向するように、波長選択的であってもよい。いくつかの実施形態では、導波管プレート８２０、８３０、および８４０はそれぞれ、個別の原色のために構成されてもよい。例えば、導波管プレート８２０は、赤色（Ｒ）光のために構成され、導波管プレート８３０は、緑色（Ｇ）光のために構成され、導波管プレート８４０は、青色（Ｂ）光のために構成される。接眼レンズ８００は、上記に説明されるように、異なる深度平面のために、赤色光のための２つ以上の導波管プレートと、緑色光のための２つ以上の導波管プレートと、青色光のための２つ以上の導波管プレートとを含んでもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに加えて使用されてもよい、またはそれに取って代わってもよい。

光学効率を改良するために、いくつかの実施形態は、反射表面、例えば、表面の金属化を、眼側カバー層の表面のうちの１つ（例えば、正面表面）上で利用し、高反射表面（例えば、約１００％反射コーティング）を提供し、該高反射表面は、反射構造を入力結合要素（例えば、垂直に整合される内部結合格子）の背後に形成することにより、入力光（入力結合要素を通して通過し、入力結合要素を通して２回目の通過を生じ、画像明度を改良する、ＲＧＢ光であり得る）を反射させる。図１Ｅに図示されるように、反射体８１２は、導波管の中に結合されない、ファイバ走査プロジェクタから入射する入力光８０１を反射させる。反射体８１２から反射後、入力光は、入力結合要素を通して２回目の通過を行い、導波管の中に結合される光の量を増加させることが可能である。

代替実施形態では、例えば、１００％反射金属コーティングを使用して加工される、環状反射体８５２が、世界側カバーガラス上に設置されることができる。本環状反射体８５２は、世界側カバー層８５０の背面側に示されるが、これは、本発明によって要求されず、代替として、正面側に搭載されてもよい。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。本代替実施形態では、ファイバ走査プロジェクタからの入力光８０１は、ファイバ走査プロジェクタの光学アセンブリセクションから出力された後、環状反射体８５２の中心を通して通過する。入力光は、発散しているため、ビームは、接眼レンズを通して通過するにつれて、拡散し、入力結合要素の背後の反射体８１２から反射する。本反射された光８０４は、接眼レンズを通して後方伝搬し、伝搬の間、光の円錐は、拡張する。いくつかの実施形態では、反射された光８０４はまた、視認者への表示のための入力ビームと同一配向によって特徴付けられる、帰還経路の間、内部結合格子の中に結合されるが、反射された光８０４は、入力光８０１の鏡像であって、内部結合格子の反対側を通した進入は、同一配向をもたらす。光の大部分であり得る、実質的部分が、二重に反射された光８０６によって図示されるように、世界側カバー層上の環状反射体８５２から反射し、入力結合要素を通して３回目の通過を行い、導波管プレートの中への光の付加的結合をもたらすことが可能である。当業者に明白となるであろうように、鏡の間（Ｈａｌｌ ｏｆ Ｍｉｒｒｏｒｓ）効果が、達成されることができ、これは、接眼レンズを通して通過する増加された光線の数と相関される、増加された明度をもたらし、充填率および画質を改良する。

チャネルは、ファイバおよび電気配線に適応するように、テンプルおよびフレーム内で切断されることができる。ファイバ／ワイヤが、ばねヒンジにわたって通過するため、設計寸法は、テンプルが折畳されるにつれて、ファイバが最小屈曲曲率半径を越えて屈曲されないことを可能にする。

図１Ｅに関連して議論される入力結合要素と関連付けられた反射構造に加え、いくつかの実施形態は、世界に向かって接眼レンズから伝搬する光の一部（例えば、半分）が、ユーザの眼に向かって戻るように反射および指向されるように、部分反射（例えば、５０％アルミ被覆される）表面を世界側カバーガラスの内側表面上で利用し、これは、ビームに対する若干の側方オフセットの結果、全体的明度を増加させ、ビーム密度を増加させ、改良された充填率に寄与する。

図２Ａは、本発明のある実施形態による、光学アセンブリセクションを通した光の伝搬を図示する、光線トレース図である。光学アセンブリセクション１３０は、界面において結合される、プリズム要素２１０と、コリメーション要素２２０とを含む。ある実施形態では、プリズム要素およびコリメーション要素は、界面において、光学的に接合される。本明細書により完全に説明されるように、光学アセンブリセクション１３０の表面のうちの１つ以上のものは、屈折力を含むことができる。したがって、光のコリメーションは、コリメート表面２２４の観点から、本明細書で議論されるが、コリメート表面２２４以外の表面も、システムによる光のコリメーションに寄与し得ることを理解されたい。ファイバ発振領域１２０内の走査ファイバ１５４は、３つの走査位置、すなわち、軸２３０上（実線）、右軸外２３２（破線）、および左軸外２３４（破線）に図示される。図２Ａに図示されるように、走査ファイバの先端は、発振するにつれて、図２Ａにおける曲線２４０によって図示される、略球状表面を通して掃引し、曲線２４０が凸面オブジェクト表面と称され得るように、凸面表面が結像される結果をもたらす。従来のレンズは、典型的には、平坦オブジェクト平面または凹面オブジェクト表面のために設計される。本発明の実施形態は、走査ファイバ１５２の先端と関連付けられた凸面オブジェクト表面２４０が、大まかには、凸面オブジェクト表面２４０の曲率半径の２倍を有する、略球状ミラーであり得る、凹面コリメート表面２２４と合致される、設計を利用する。故に、いくつかの実施形態では、合焦の大部分は、非球面補正項を伴う湾曲ミラーとして実装され得る、凸面コリメート表面２２４を使用して達成される。屈折および反射要素が、図２Ａに図示されるが、本発明の実施形態は、これらの実装に限定されず、回折表面、メタ表面、および同等物も、本発明の実施形態によると、利用されることができる。例えば、コリメート表面２２４は、反射表面ではなく、回折表面、メタ表面、または同等物であり得る。図２Ａに図示される他の表面のうちの１つ以上のものもまた、回折構造または回折および／または屈折構造の組み合わせを使用して実装されることができる。実施例は、色収差および屈折構造を補償し、ビームを合焦／焦点を外れさせるための回折構造であろう。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

走査ファイバに加え、他の光学システムも、凸面オブジェクト表面２４０を形成するために利用されることができる。これらの光学システムの実施例は、ＭＥＭＳベースの走査システム、収束ビームを伴う走査ミラーシステム、走査点源、湾曲オブジェクト表面を作成するために光学と組み合わせられるフラットパネルディスプレイ、または同等物を含む、他の導波管走査システムを含む。

本発明の実施形態は、種々の光学表面の光学処方箋が、サイズ、射出瞳直径、組み合わせられた屈折力、線形拡大、角度拡大、射出瞳と出力表面との間の距離、および同等物を最適化するために変動されることを可能にする。入力表面２１２、コリメート表面２２４、および出力表面２２６の曲率の制御は、ビーム直径、ファイバ偏向と関連付けられた角度（すなわち、走査位置２３２と２３４との間の角度）の角度拡大、および同等物を含む、出力ビームの種々の性質が、制御されることを可能にする。いくつかの実装では、ビームスプリッタ２１４は、平面表面ではないような曲率を含み、それによって、付加的設計自由度を提供することができることに留意されたい。本非平面形状（すなわち、非平面曲率）は、屈折力を導入する、収差を補償する、または同等物のための曲率（例えば、凹面または凸面）を含むことができる。加えて、光学アセンブリセクション１３０を加工するために使用される材料の屈折率も、上記に議論される光学性質を修正するために調節されることができる。さらに、ビームスプリッタ２１４は、部分反射（５０／５０分割）表面、偏光ビームスプリッタ、波長選択的ビームスプリッタ、または同等物であることができる。

図２Ａを参照すると、多重化機能性が、偏光ビームスプリッタ２１４が、可変偏光を有する、例えば、時間の関数として、入射光を交互に通過および反射させる場合に実装され得る。部分反射表面／偏光ビームスプリッタとコリメート表面２２４／表面２２７との間の光学経路の中に統合されるシャッタが、２つの光学経路間で多重化するために利用され得る。故に、いくつかの実施形態は、より低い分解能の広視野画像によって囲繞される高分解能の狭視野画像を伴う、多重化されたディスプレイを提供する。いくつかの実施形態では、表面２２７は、吸収性であって、光が偏光ビームスプリッタ２１４から表面２２７に向かって反射されるとき、シャッタ効果を提供し得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

再び図２Ａを参照すると、走査ファイバ１５４は、点光源として作用し、光の円錐を放出する。図示されるようなこれらの光の円錐は、凸面オブジェクト表面２４０から光学アセンブリセクション１３０を通して伝搬する。走査ファイバが、発振パターンを通して掃引するにつれて、異なるピクセルが、照明され、所望の画像を形成する。図２Ａに図示される実施形態では、走査ファイバからの光は、入力表面２１２を通して光学アセンブリセクション１３０に進入後、殆ど反射を伴わずに、偏光ビームスプリッタ２１４を通して通過し、４分の１波長板２２２を通して通過し、コリメート表面２２４上に衝突するであろうように偏光される。反射後、光は、２回目として４分の１波長板２２２を通して通過し、偏光ビームスプリッタ２１４から出力表面２２６に向かって反射する。射出瞳２２８は、接眼レンズへの送達のために、光学アセンブリセクション１３０外に形成される。当業者に明白となるであろうように、多くの光学システムに関して、射出瞳と別の光学システムの入力平面との間の整合が、好ましい。故に、出力表面２２６と射出瞳２２８との間の作用距離は、本発明の実施形態が様々な光学システムと併せて利用されることを可能にする。実施例として、ファイバ走査プロジェクタによって放出される光が、導波管ベースの光学システムによって利用される場合、導波管ベースの光学システムの入力結合要素は、射出瞳２２８と一致して、例えば、同一平面に設置され得る。ある実施形態では、小径ビームが形成される場所を提供する、射出瞳２２８は、小さい入力結合要素の中への効率的結合を可能にすることができ、これは、射出瞳とサイズが合致され、それによって、導波管ベースの光学システムのエリアを効率的に利用することができる。図２Ａに図示されるように、走査ファイバ１５４の３つの図示される位置２３０、２３２、および２３４のそれぞれにおいて放出される光の３つの円錐は、例えば、軸上位置２３０において放出される光の円錐の縁を画定する、コリメートされた光線２３１および２３３によって示されるように、光学アセンブリセクションから出射するにつれてコリメートされる。

別の特定の実施形態では、偏光ビームスプリッタは、１つ以上の色が、ビームスプリッタを通して通過するであろう一方、他の色が、屈折力を伴う表面として実装され得る、表面２２７に向かって反射されるように、波長選択的ビームスプリッタと置換されることができる。本波長選択性は、回折光学が屈折光学の代替として使用されるため、回折要素またはメタ表面の使用を通して合焦を可能にするであろう。したがって、本発明の実施形態は、メタ表面を入力表面２１２、コリメート表面２２４、表面２２７、および／または出力表面２２６のうちの１つ以上のもの上に統合し、複数のレンズ機能を波長選択的光学処理、他の回折光学機能、分散補償、または同等物のためのメタ表面の中にエンコードすることができる。いくつかの設計では、分散補正は、種々の表面によって提供され、例えば、分散補償は、出力表面上に提供される収差補正によって入力表面に生じる収差を補正することによって実装されることができる。

図２Ｂに関連してさらに詳細に議論されるように、４分の１波長板はまた、コリメートされた表面２２４上に真空形成することによって加工されることができる。本実装では、４分の１波長板を湾曲表面上に形成後、金属化または他の好適な反射表面が、コリメート表面の加工を完成するように形成され得る。

ある実施形態では、光学アセンブリセクション１３０の入力表面２１２、コリメート表面２２４、および出力表面２２６は、いくつかの実施形態では、球面収差を補償し、かつ視野の拡大を提供するための屈折力を有することができる。故に、光ファイバのより小さい偏向をファイバ発振領域内で使用することは、より大きい視野につながる。実施例として、入力表面２１２は、入力光に対して凸面であって、正の屈折力を提供することができ、コリメート表面２２４は、入力表面からの光に対して凹面であって、負の屈折力を提供することができ、出力表面は、ビームスプリッタからの光に対して凸面であって、負の屈折力を提供することができる。コリメート表面２２４は、略球状であるが、いくつかの実装では、非球面曲率を含む。非球面曲率は、球面収差を補正することができ、全体的曲率は、コリメート表面による光のコリメーションをもたらし得る。コリメート表面２２４は、１つ以上の反射コーティング、金属化コーティング、または同等物の堆積を通して、反射要素として加工されることができる。

コリメート表面２２４は、いくつかの実施形態では、湾曲オブジェクト表面とも称され得る、凸面オブジェクト表面２４０の約２倍の曲率半径を有することができるが、これは、本発明によって要求されず、入力表面２１２および出力表面２２６は、コリメート表面２２４内に存在する屈折力に加え、屈折力を組み込むことができることに留意されたい。したがって、付加的屈折力が、入力表面２１２および出力表面２２６を通して実装されるため、コリメート表面２２４の曲率は、凸面オブジェクト表面２４０の曲率の２倍から逸脱し得る。加えて、本明細書に議論されるように、非球面コンポーネントが、入力表面２１２、コリメート表面２２４、および出力表面２２６を含む、光学表面の中に統合されることができる。

例示的加工プロセスでは、光学アセンブリセクション１３０は、３つの要素をともに接合することによって加工される。本プロセスでは、第１の要素は、プリズム要素２１０であって、第２の要素は、プリズム要素に接合される、コリメート光学セクション２２０である。プリズム要素２２０は、入力表面２１２を通して、光を受光する。偏光ビームスプリッタ２１４は、プリズム要素２１０とコリメート光学セクション２２０の界面に形成される。いくつかの実施形態では、偏光選択的コーティングが、偏光ビームスプリッタを形成するための接合に先立って、プリズムの最長表面に適用される。４分の１波長板２２２が、コリメート光学セクション２２０の背面表面上に形成され、湾曲反射光学２２１を備える、第３の要素が、４分の１波長板に接合される。本明細書に説明されるように、湾曲反射光学２２１は、コリメート表面２２４を含み、これは、金属化または別様にコーティングされ、高反射率を提供することができる。

動作の間、入力における偏光を使用すると、偏光された入力光の大部分は、１回目として偏光ビームスプリッタ２１４を通して通過し、４分の１波長板２２２を通して通過し、コリメート表面２２４によって反射およびコリメートされ、２回目として４分の１波長板２２２を通して通過し（ここでは、直交偏光状態を伴う）、偏光ビームスプリッタから出力表面２２６に向かって実質的に反射する。

図２Ｂは、本発明の代替実施形態による、代替光学アセンブリセクションの側面図である。図２Ａおよび２Ｂを参照すると、図２Ａに図示されるコリメート光学セクション２２０および湾曲反射光学２２１は、単一（すなわち、モノリシック）コリメート反射体２５１の中に組み合わせられ、代替光学セクション２５０を形成している。反射表面２５２は、反射に応じて、位相偏移の半波を導入する、波長板を含む。一実装では、４分の１波長板は、反射表面２５２が形成される前に、例えば、金属フィルム、誘電性フィルム、または同等物を堆積させることによって、コリメート反射体２５１の右縁上に形成される。他の実施形態では、マイクロ構造が、利用され、反射に応じて、位相偏移の半波を導入することができる。したがって、代替光学セクション２５０は、位相遅延および反射を実装する具体的様式に限定されない。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図２Ｃは、本発明のある実施形態による、ビームスプリッタ立方体ベースの光学アセンブリセクションの側面図である。ビームスプリッタ立方体２６１は、ビームスプリッタ立方体ベースの光学アセンブリセクション２６０のベースとして利用され、付加的光学要素２６２、２６３、および２６４が、ビームスプリッタ立方体２６１の外側表面上に鋳造され、それぞれ、入力表面、コリメート表面、および出力表面を形成する。本実施形態では、４分の１波長板は、ビームスプリッタ立方体２６１とコリメート表面を形成する光学要素２６３の交点として実装されることができる。代替実施形態では、表面２６６は、光学要素２６３のコリメート表面を画定し、光学要素２６３の縁と光学要素２６４の表面２６７との間の整合をもたらすために使用されることができる。本代替実施形態では、光学要素２６３は、周縁においてトリミングされ、長方形平面図を含む、非円形平面図を伴う要素を形成することができることに留意されたい。故に、光学要素２６３は、ビームスプリッタ立方体２６１の表面２６８と整合される、トリミングされた表面または縁を有する。種々の要素の縁間の本整合は、種々の要素の接合を含む、製造の間の位置合わせを促進することができる。ガラスビームスプリッタ立方体２６１の使用は、ビームスプリッタ表面２６５を加工するために使用される偏光選択的コーティングの選択を含む、利点を提供する。加えて、製造可能性が、小ビームスプリッタを含む、ガラスビームスプリッタ立方体の広可用性に起因して、本設計によって向上される。他の実施形態では、プラスチックを含む、ガラス以外の材料のビームスプリッタが、利用される。鋳造を通した光学要素（例えば、屈折および反射光学要素）の形成に加え、成型された要素、従来通り加工される光学、回折表面および／またはメタ表面の使用、および同等物を含む、他の技法も、光学効果を達成するために利用されることができる。

図２Ｄは、本発明の代替実施形態による、別の代替光学アセンブリセクションの側面図である。図２Ｄに図示される光学アセンブリセクション２７０の代替実施形態では、偏光ビームスプリッタのために利用される偏光選択的コーティングは、４分の１波長板とともに除去される。本代替実施形態では、部分反射表面２７１（例えば、５０／５０反射体）が、プリズム要素２７２をコリメート要素２７３に継合する。入力表面２１２からの光入射の半分は、コリメート表面２２４に通過し、プリズム要素２７２およびコリメート要素２７３を継合する部分反射表面２７１に向かって反射する。光の他の半分は、反射表面２７４に向かって反射され、これは、本代替実施形態では、コリメート表面２２４と同一曲率を有することができる。その結果、コリメート表面から反射された光および反射表面２７４から反射された光は、コリメートされる（出力表面２２６の屈折力を前提として）。図２Ｄに図示される実施形態は、反射表面２７４から反射された光が光学アセンブリセクションからの出力のために利用可能であるため、光学効率を改良することができる。ある実施形態では、図２Ｅに関連して重畳された射出瞳として議論される、単一射出瞳が、コリメート表面２２４から反射する光および反射表面２７４から反射する光によって共有される。

本設計を利用することで、異なる屈折力が、コリメート表面２２４および反射表面２７４を使用して達成されることができ、これは、異なる曲率を有し、光がこれらの表面のそれぞれに多重化された様式において指向されるにつれて、ズームイン／アウトビュー、広／狭視野、および同等物をもたらすことができる。実施例として、部分反射表面２７１の反射率は、時間ベースの多重化を提供するように変動され得る。

部分反射表面２７１が、可変反射率を有し、入射光を交互に通過および反射させ得るため、多重化機能性が、実装され得る。部分反射表面２７１とコリメート表面２２４／反射表面２７４との間の光学経路部分の中に統合される、シャッタが、２つの光学経路間で多重化するために利用され得る。故に、いくつかの実施形態は、より低い分解能の広視野画像によって囲繞される高分解能の狭視野画像を伴う、多重化されたディスプレイを提供する。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

別の実装では、タイル状にされた画像が、部分反射表面２７１を入射光に対して４５°以外の角度で傾斜させることによって形成されることができる。部分反射表面２７１を通して通過する光は、コリメート表面２２４から反射し、出力表面２２６を通して通過後、第１の方向に指向されるであろう。部分反射表面２７１から反射する光は、反射表面２７４から反射し、出力表面２２６を通して通過後、第２の方向に指向されるであろう。故に、コリメート表面２２４から反射された光は、出力表面２２６を通して通過後、左に傾斜され得、反射表面２７４から反射された光は、出力表面２２６を通して通過後、右に傾斜され得、したがって、タイル状にされたディスプレイ実装のための画像野の異なる部分に指向される入力を提供する。

図２Ｅは、本発明の代替実施形態による、多偏光傾斜反射体光学アセンブリセクションの側面図である。偏光感受性材料が、図２Ａにおける偏光ビームスプリッタ２１４に類似する、偏光ビームスプリッタ２８３をプリズム要素２８４とコリメート要素２８５の界面に形成する、本実装では、ファイバ走査プロジェクタからの入力光は、異なる偏光でエンコードされた２つの信号を有し得る。第１の偏光でエンコードされた第１の入力ビーム２８６は、偏光ビームスプリッタ２８３の偏光感受性材料を通して通過し、コリメート表面２２４から反射し得る。本ビームは、射出瞳２８１を形成するであろう。第２の偏光でエンコードされた第２の入力ビーム２８７は、偏光ビームスプリッタ２８３の偏光感受性材料から反射し、反射表面２８９から反射するであろう。本ビームは、射出瞳２８２を形成するであろう。プリズム要素２８４とコリメート要素２８５の界面は、入力ビームに対して４５°以外の角度で傾斜されるため、射出瞳２８１および２８２は、空間的にオフセットされることができる。実施例として、偏光ビームスプリッタ２８３が、色選択的である場合、第１の色（例えば、緑色）と関連付けられた射出瞳は、射出瞳が入力のための空間的に分離されたビームを接眼レンズに提供し得るように、第２の色（例えば、赤色）と関連付けられた射出瞳に隣接して位置付けられることができる。図２Ｅに図示されるように、ｚ−方向における空間分離に加え、射出瞳は、ｘ−方向またはｙ−方向において、空間的に分離されることができる。

故に、２つの重複画像が、作成され得る、または図２Ｅに図示されるように、プリズム要素２８４とコリメート要素２８５の界面において傾斜された表面を使用して、２つの空間的に分離された画像が、画像野内に形成され得る。したがって、２つの側方に分離された射出瞳が、提供され得、これは、２つの入力結合要素のための入力を導波管ディスプレイ上に提供し得る。本明細書に議論されるように、コリメート表面２２４および反射表面２８９の曲率は、異なり得る。例えば、波長選択的実装では、第１の色を通過させ、コリメート表面２２４から反射させるであろう、波長選択的ビームスプリッタが、使用され得る。第２の色は、偏光ビームスプリッタから反射し、次いで、反射表面２８９から反射し、それによって、反射表面２８９から反射後、発散または収束のいずれかを行う、第２の色を有するビームを作成するであろう。これは、例えば、それぞれ、接眼レンズの異なる導波管層と関連付けられる、２つの異なる内部結合格子の中への後続結合のために、２つの異なる色チャネル間の空間分離を可能にし得る。加えて、これらの設計は、各色における複数のビームが、例えば、Ｍ×Ｎ個の導波管の中に結合するために、Ｎ色のＭ個のビームを提供するために利用される、多深度平面実装にも拡張されることができる。４分の１波長板の統合は、偏光感受性実装において実装されることができる。その結果、偏光選択的反射体は、瞳の空間分離と併せて実装され、第１の深度平面への１つの色のルーティングおよび第２の深度平面への第２の色のルーティングを可能にすることができる。したがって、波長分離および偏光分離の両方が、本発明の範囲内に含まれる。

他の実施形態では、射出瞳は、同一場所に配置される（すなわち、重畳される）ことができる。したがって、図２Ｅにおける空間的に分離された瞳の例証は、単に、一実施例であって、本発明の実施形態を限定するものと理解されるべきではない。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図２Ａ−２Ｅに関連して議論される光学表面のうちの１つ以上のものは、可変焦点であることができ、その焦点は、ファイバ走査プロジェクタからの入力と併せて制御されることができる。故に、異なる角度において光学アセンブリセクションの中に投入される光線は、異なる屈折力を被り得る。本実施形態では、多焦点ディスプレイが、画角の関数として、実装されることができる。さらに、付加的光学要素が、本明細書に説明される構造と、例えば、出力表面と１つ以上の射出瞳または１つ以上の射出瞳の光学的下流との間に統合されることができる。中継光学を含み得る、これらの付加的光学要素は、可変屈折力、例えば、出力表面と１つ以上の射出瞳との間に位置付けられる、可変焦点レンズを有することができる。故に、コリメートされたビームは、合焦されることができる、収差が、補正されることができる、他の光学効果も、実装されることができる、または同等物であることができる。いくつかの実施形態では、凸面オブジェクト表面２４０の形状は、球状から変動し得、可変焦点表面または付加的光学要素が、凸面オブジェクト表面の曲率のための必要に応じて利用されることができる。液晶レンズ、電気光学ポリマー、ニオブ酸リチウム、および同等物を含む、適用されるバイアスの関数として、その屈折率を変動させる材料を含む、種々の材料が、本明細書に図示される構造を加工するために利用されることができる。ファイバ走査プロジェクタは、高周波数で走査されることができるため、その光学性質を高周波数で変動させ得る、光学材料が、種々の実施形態において使用するために好適である。実施例として、焦点距離を急速に変調させ得る、光学構造が、ファイバ走査プロジェクタと協働し、焦点をライン毎またはピクセル毎に変動させることができる。これらの材料は、光学アセンブリセクションの入力表面および／または出力表面と併せて、およびコリメート表面２２４と併せて利用されることができる。実施例として、変形可能ミラーが、コリメート表面２２４の要素として、または反射表面２２４の置換として統合され得る。数キロヘルツレートおよびそれを上回って動作する、そのような変形可能ミラーは、特定の用途の必要に応じて、可変焦点動作をライン毎またはピクセル毎に提供することができる。

図２Ｅにおいて点Ａにマークされる、プリズム要素２８４がｚ−方向に延在する、最大距離は、特定の実装に従って変動し得る。図２Ｅに図示されるように、点Ａは、コリメート要素２８５の右側とプリズム要素２８４の底部の交点である。図２Ｅに図示される設計は、走査ファイバの先端が、図２Ａにおける曲線２４０によって図示される、略球状表面を通して掃引するにつれて、広視野を可能にする。他の実施形態では、プリズム要素の右上側を形成する、プリズム要素２８４の表面は、点Ａがｚ−方向における低減された値に移動されるように傾斜される。同様に、点Ｂは、プリズム要素２８４の左側が延在され、コリメート要素２８５の左側が低減されるにつれて、ｘ−方向におけるより大きい値に移動される。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図２Ｆは、本発明のある実施形態による、Ｍａｎｇｉｎミラーを含む、光学アセンブリの側面図である。上記に議論される設計のうちの１つ以上のものと同様に、ビームスプリッタ立方体２６１は、ビームスプリッタ立方体ベースの光学アセンブリセクション２９０のベースとして利用される。４分の１波長板２９１は、ビームスプリッタ立方体２６１とＭａｎｇｉｎミラー２９２の交点に実装され、これは、入力ビームのコリメーションを提供する。図示される実施形態では、出力レンズ２９３は、無彩色二重レンズとして実装されるが、他のレンズ構成も、本発明の実施形態によって、利用されることができる。

図２Ｇは、本発明の代替実施形態による、Ｍａｎｇｉｎミラーを含む、光学アセンブリの側面図である。図２Ｇに図示される実施形態では、ビームスプリッタ立方体２６１は、ビームスプリッタ立方体ベースの光学アセンブリセクション２９４のベースとして利用される。４分の１波長板２９１は、ビームスプリッタ立方体２６１とＭａｎｇｉｎミラー２９２の交点に実装され、これは、入力ビームのコリメーションを提供する。図示される実施形態では、出力レンズ２９５は、成型されたガラスレンズとして実装されるが、他のレンズ構成も、本発明の実施形態によると、利用されることができる。

図２Ｈは、本発明のある実施形態による、３Ｄ印刷レンズを含む、光学アセンブリの側面図である。上記に議論される設計のうちの１つ以上のものと同様に、ビームスプリッタ立方体２６１および４分の１波長板２９１が、光学アセンブリセクション２９６内で利用される。成型されたガラスレンズであり得る、入力レンズ２９９および出力レンズ２９５が、本実施形態では利用される。印刷レンズとも称される、コリメート光学が、付加製造製造とも称される３Ｄを印刷を使用して形成される。本コリメート光学は、印刷レンズ２９８、例えば、Ｍａｎｇｉｎレンズと関連付けられた曲率で形成されるポリマーレンズを支持する、基板２９７を含む。基板２９７は、例えば、光学接着剤を使用して、４分の１波長板２９７に継合される。

図２Ａ−２Ｈを参照して議論または図示される要素および表面のいずれかの特性のいずれかは、必要に応じて、図２Ａ−２Ｈに図示される他の実装のいずれかに提供される実装に適用可能であることに留意されたい。単に、一例として、表面の曲率、表面の反射または回折性質、偏光性質、および同等物は、必要に応じて、実装のいずれかに適用可能である。

図３は、本発明のある実施形態による、ファイバ走査プロジェクタの光学アセンブリセクションの簡略化された斜視図である。光学アセンブリセクション１３０は、コリメート要素２２０に対するプリズム要素２１０を含む。光は、入力表面（示されないが、左後に面する）上に入射し、偏光ビームスプリッタ２１４に向かって伝搬する。４分の１波長板２２２、コリメート表面２２４、および出力表面２２６の縁もまた、本図に図示される。

いくつかの実施形態では、ファイバ走査プロジェクタは、３分角分解能および５０°対角線視野を伴う４×３アスペクト比を達成することができるが、これらの特定のパラメータは、本発明によって要求されない。いくつかの実装では、６０°×３０°楕円形視野が、達成される。別の実施形態では、ファイバ走査プロジェクタは、２分角分解能および５０°対角線視野を伴う４×３アスペクト比を達成することができる。さらに別の実施形態では、ファイバ走査プロジェクタは、１分角分解能またはそれ未満を達成することができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

ファイバ走査プロジェクタのサイズおよび加重を低減させるために、光を支持しない部分は、トリミングされ、特に、湾曲フレームを伴う眼鏡との統合のために、パッケージング柔軟性もまた増加させる、楔形状の構造を形成することができる。

図４は、本発明のある実施形態による、加工の間の光学アセンブリセクションの要素の簡略化された斜視図である。図４に図示されるように、光学アセンブリセクションの第１の要素４１０は、ビームスプリッタ、コリメート表面２２４、および出力表面２２６を通して通過後の光の伝搬経路を含む、コリメート光学セクション４１２を含む。光学アセンブリセクションの第２の要素４２０は、その上に偏光ビームスプリッタが形成され得る、プリズムの表面４１２を含む。本斜視図では、入力表面は、左後に面するため、示されない。整合特徴４３０は、材料の中に統合され、第１の要素の左下表面上の対応する整合特徴（図示せず）に合致するように設計される。

いくつかの実施形態では、第２の要素４２０は、ガラス材料が、いくつかのプラスチック材料より偏光選択的コーティングの堆積のために好適であり得るため、ガラス材料から加工され、第１の要素と第２の要素の界面における偏光ビームスプリッタの形成を促進する。

図５は、本発明の代替実施形態による、ファイバ走査プロジェクタ５００を図示する、簡略化された概略図である。図５に図示されるように、走査ファイバ５１０は、ミラー５２０内の開口５２２を通して通過する。走査ファイバは、運動範囲の端部に図示される。コリメートミラー５３０は、走査ファイバによって放出される光を反射させ、これは、次いで、ミラー５２０から反射され、出力ビーム５４０を提供する。いくつかの実施形態では、コリメートミラー５３０の曲率半径は、球状オブジェクト表面５１２の曲率半径の２倍である。

ファイバ走査プロジェクタに関連して議論されるように、走査ファイバ５１０が圧電要素５１４によって作動されるにつれて、球状オブジェクト表面とも称される、略球状表面５１２を掃引する。故に、走査ファイバによって掃引される表面の曲率半径の２倍を有する略球状反射体から反射後、走査ファイバによって掃引される表面に沿った任意の点から放出される光は、略球状反射体から反射後、良好にコリメートされるであろう。

ファイバスキャナの基部は、圧電要素５１４に隣接するため、開口５２２における走査ファイバ５１０の偏向は、小さいが、走査ファイバの先端における偏向は、大きい（例えば、約２０度）。ビームが、走査ファイバの先端から放出されるにつれて、図５に図示されるように、拡開し、光の円錐５１６を形成する。略球状反射体５３０による円錐のコリメーションは、反射された光の大部分が、殆ど光が帰還経路内の開口５２２を通して通過せずに、ミラー５２０から反射されるように、走査ファイバの直径よりはるかに大きい直径を伴うビームを提供する。

いくつかの実装では、ファイバ走査プロジェクタ５００の視野は、発振の間の走査ファイバ５１０が対する弧の区分の関数である。実施例として、走査ファイバが、２０度を通して掃引する場合、プロジェクタの視野は、約２０度である。視野の増加は、ファイバ発振の範囲を増加させることによって遂行されることができる。他の実施形態では、有効視野の拡大は、ファイバ発振の範囲から独立して、視野を増加させるために利用可能である。図２および５におけるファイバ走査プロジェクタを比較すると、ファイバ走査プロジェクタ５００と関連付けられた視野は、反射体５３０からの反射から生じるコリメーションの結果として維持されるのに対して、光学アセンブリセクション１３０は、プロジェクタによって作成された視野を増加させ得る拡大を導入するために使用され得る、図示される光学表面を提供する。実施例として、出力表面２２６の曲率の修正は、視野を拡大するために利用されることができる。

本明細書に図示されるように、本発明の実施形態は、球状オブジェクト平面および球状オブジェクト平面の曲率の約２倍の曲率を有する対応する反射体の使用を通して関連する、設計を利用する。

図６Ａは、本発明の代替実施形態による、ファイバ走査プロジェクタを図示する。図６Ａにおけるファイバ走査プロジェクタ６００は、圧電要素６０５、第１の偏光感受性反射体６２０、および第２の偏光感受性反射体６３０を通して通過し、それに機械的に結合される、走査ファイバ６１０を含む。４分の１波長板６２２が、第１の偏光感受性反射体と統合される。

動作時、走査ファイバ６１０によって放出される光は、第１の偏光感受性反射体６２０および４分の１波長板６２２を通して通過する、偏光を有する。第２の偏光感受性反射体６３０は、入射光を反射させ、これは、２回目として４分の１波長板６２２を通して通過し、その結果、光の偏光がここで直交方向に配向されるため、第１の偏光感受性反射体６２０から反射される。第１の偏光感受性反射体６２０から反射後、光は、出力ビーム６４０として、第２の偏光感受性反射体６３０を通して通過する。図６Ａに図示されるように、第２の偏光感受性反射体６３０は、走査ファイバ６１０によって放出される光をコリメートする曲率を伴って湾曲される。その結果、発散していた入力ビームは、コリメートされる出力ビームに変換される。

図６Ａに図示される光学要素は、空気間隙によって分離される、例えば、第１の偏光感受性反射体６２０および第２の偏光感受性反射体６３０は、空気間隙Ｇによって分離されるように図示されるが、これは、本発明によって要求されない。実施例として、第１の偏光選択的反射体、４分の１波長板、および第２の偏光選択的反射体を含み、走査ファイバからの光を受光し、光を積層された湾曲反射体に透過させ、偏光回転を実施し、次いで、第１の偏光選択的反射体からの光を反射させる、中実積層コンポーネントが、利用されることができる。したがって、屈折力もまた含み得る、中実要素が、光の合焦／焦点外れおよび収差補正を提供するために利用されることができる。

図６Ｂは、本発明のある実施形態による、代替ファイバ走査プロジェクタである。図６Ａに図示されるファイバ走査プロジェクタ６０１は、いくつかの類似性を図６Ａに図示されるファイバ走査プロジェクタ６００と共有し、図６Ａに関連して提供される説明は、必要に応じて、図６Ｂに図示されるファイバ走査プロジェクタ６０１に適用可能である。

図６Ｂを参照すると、ファイバ走査プロジェクタ６０１は、走査ファイバ６１０と、コリメーションを提供するように湾曲される、第１の偏光感受性反射体６２１と、略平面である、第２の偏光感受性反射体６３１とを含む。４分の１波長板は、第１の偏光感受性反射体と統合される。

動作時、走査ファイバ６１０によって放出される光は、第１の偏光感受性反射体６２１および４分の１波長板を通して通過する、偏光を有する。第２の偏光感受性反射体６３１は、入射光を反射させ、これは、２回目として４分の１波長板を通して通過し、その結果、光の偏光がここで直交方向に配向されるため、第１の偏光感受性反射体６２１から反射される。反射の間、光をコリメートする、第１の偏光感受性反射体６２１から反射後、光は、出力ビーム６４０として、第２の偏光感受性反射体６３１を通して通過する。図６Ａおよび６Ｂを比較すると、図６Ａに図示される折畳された光学経路は、図６Ｂに図示されるような、潜在的により短いがコリメーションの共通の特徴を伴う光学経路と置換されることができる。

図６Ｃは、本発明のある実施形態による、別の代替ファイバ走査プロジェクタである。図６Ｃに図示されるファイバ走査プロジェクタ６０２は、いくつかの類似性を図５に図示されるファイバ走査プロジェクタ５００および図６Ａに図示されるファイバ走査プロジェクタ６００と共有し、図５および６Ａに関連して提供される説明は、必要に応じて、図６Ｃに図示されるファイバ走査プロジェクタ６０２に適用可能である。

図６Ｃに図示される実施形態では、走査ファイバ６１０は、湾曲ミラー６５０内の開口６５２を通して通過する。偏光選択的反射体６５４は、第１の通過の間、光を湾曲ミラー６５０に向かって反射させる。４分の１波長板を光学経路内に統合することによって、光は、湾曲ミラー６５０からの反射およびコリメーション後、第２の通過の間、偏光選択的反射体６５４を通して通過する。図６Ｃに図示される実施形態は、ハイブリッド設計におけるコンパクト構成を可能にする。

随意のレンズ６５６によって図示されるように、本発明の実施形態は、付加的光学要素が、ファイバ走査プロジェクタを構成する要素から有意な距離に設置されることを可能にする。本実施例では、偏光選択的反射体６５４の表面とレンズ６５６との間の距離Ｄは、例えば、視野拡大鏡を挿入するために好適である、作業距離を提供する。加えて、球面収差補正装置が、本実施形態によって提供される延在される好適な作業距離を前提として、挿入され得る。

図６Ｄはさらに、本発明のある実施形態による、別の代替ファイバ走査プロジェクタである。図６Ｄに図示されるファイバ走査プロジェクタは、いくつかの類似性を図５に図示されるファイバ走査プロジェクタ５００および図６Ａに図示されるファイバ走査プロジェクタと共有し、図５および６Ａに関連して提供される説明は、必要に応じて、図６Ｄに図示されるファイバ走査プロジェクタ６０３に適用可能である。

図６Ｄを参照すると、走査ファイバ６１０は、平面ミラー６６０内の開口６６２を通して通過する。湾曲偏光選択的反射体６６４は、第１の通過の間、光を平面ミラー６６０に向かって反射させる。４分の１波長板を光学経路内に統合することによって、光は、湾曲偏光選択的反射体６６４および平面ミラー６６０から反射し、それによってコリメーション後、第２の通過の間、湾曲偏光選択的反射体６６４を通して通過する。図６Ｄに図示される実施形態もまた、ハイブリッド設計におけるコンパクト構成を可能にする。

図７Ａは、本発明のある実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。図７Ａに図示されるように、光ファイバ７１０は、クラッディング７１２と、ファイバコア７１４とを含む。光ファイバは、光線を放出円錐７１６に沿って放出する、点光源と見なされ得る。図７Ａに図示される実施形態では、点光源は、コア内に縦方向に嵌め込まれるように図示される。浅いレンズ表面７１８が、図示されるように、光ファイバの端部に適用されることができる。レンズ表面７１８は、種々の異なる様式で加工されることができる。実施例として、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングを利用するプロセスが、図７Ａに図示されるように、収差補正を提供する、低ストロークレンズを作製するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、レンズ表面７１８は、直接、ファイバ先端上に形成される一方、他の実施形態では、金型が、加工され、レンズが、ファイバ先端と別個に形成され、次いで、ファイバ先端に接合される。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

レンズ表面７１８の曲率は、図２Ａに図示されるコリメート表面２２４および他の表面と関連付けられた球面収差を含む、システム内の光学表面から生じる球面収差を除去するように選択されることができる。故に、レンズ表面７１８および他の表面によって提供される収差補正の組み合わせを通して、高画質は、本発明の実施形態によって提供される。本明細書に議論されるような走査ファイバ設計を利用すると、光学補正をディスプレイ幅スケールで実施することに加え、ピクセルあたりベースの光学補正を実施することが可能である。

図７Ｂは、本発明の別の実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。収差補正に加え、本発明の実施形態は、図７Ｂに図示される正のレンズ７２０の使用を通して、図示されるように、ファイバ先端から放出される光の合焦を可能にする。レンズ７２０は、例えば、ＦＩＢミリングプロセスを使用して、直接、ファイバ先端上に加工されることができる、またはファイバ先端と別個に成型され、次いで、ファイバ先端に接合されることができる。放出円錐７２２は、レンズ７２０によって合焦され、本実施例では、合焦された円錐７２４を形成する。レンズ７２０の強度は、光が合焦されないが、放出円錐７２２と関連付けられた光線の拡散が低減されるようなものであってもよい。

図７Ｃは、本発明の代替実施形態による、レンズ状ファイバ先端を図示する、概略図である。収差補正および合焦に加え、本発明の実施形態は、図７Ｃに図示される負のレンズ７３０の使用を通して、図示されるように、ファイバ先端から放出される光の焦点を外れさせることを可能にする。レンズ７３０は、例えば、ＦＩＢミリングプロセスを使用して、直接、ファイバ先端上に加工されることができる、またはファイバ先端と別個に成型され、次いで、ファイバ先端に接合されることができる。放出円錐７３２は、レンズ７３０によって焦点を外れさせられ、本実施例では、発散円錐７３４を形成する。したがって、いくつかの実施形態は、ファイバ先端上の発散レンズの使用を介して、開口数が増加されることを可能にする。

例えば、光学不変量をシステム全体を通して一定として維持する、Ｌａｇｒａｎｇｅ不変量によって制約される、ＬＣＤを像面の中に結像する、従来の光学システムとは対照的に、ファイバ走査システムは、ピクセルの特性を修正し、ファイバによって放出されるスポットサイズを変化させることができる。図７Ｂおよび７Ｃに図示されるレンズの使用によって、ピクセルサイズの修正が、遂行される、例えば、開口数を増加させ、ピクセルサイズを減少させ、結像されるスポットサイズを減少させることによって、モードフィールド直径を効果的に低減させることができる。

図７Ａ−７Ｃに図示される光学効果は、組み合わせられ、例えば、球面収差を補正し、放出される光を合焦させる、球面収差を補正し、放出される光の焦点を外れさせる、球面収差を補正しながら、ファイバコアの近傍の凸面領域およびファイバの周縁の近傍の凹面領域を伴うレンズを提供する、および同等物である、レンズ先端を提供することができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

また、本明細書に説明される実施例および実施形態は、例証的目的のためだけのものであって、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限および添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (25)

1. プロジェクタであって、
   凸面オブジェクト表面を画定する走査光源と、
   前記走査光源からの光を受光するように動作可能である光学アセンブリセクションであって、前記光学アセンブリセクションは、
   プリズム要素と、
   界面において前記プリズム要素に結合されるコリメート要素と、
   ４分の１波長板と、
   前記界面に配置される偏光ビームスプリッタと
   を備える、光学アセンブリセクションと
   を備える、プロジェクタ。
2. 前記走査光源は、走査導波管源を備える、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記走査導波管源は、圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに機械的に結合される走査ファイバとを含むファイバ走査要素を備える、請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記走査導波管源は、カンチレバー式導波管を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）要素を備える、請求項２に記載のプロジェクタ。
5. 前記走査導波管源は、発振の間、前記凸面オブジェクト表面を通して掃引するように動作可能である導波管先端を備える、請求項２に記載のプロジェクタ。
6. 前記凸面オブジェクト表面は、略球状であり、曲率半径によって特徴付けられる、請求項１に記載のプロジェクタ。
7. 前記コリメート要素は、前記曲率半径の約２倍の第２の曲率半径によって特徴付けられる反射表面を含む、請求項６に記載のプロジェクタ。
8. ファイバ走査プロジェクタであって、
   圧電要素と、
   前記圧電要素に機械的に結合される走査ファイバと、
   前記走査ファイバからの光を受光するように動作可能である光学アセンブリセクションであって、前記光学アセンブリセクションは、
   プリズム要素と、
   界面において前記プリズム要素に結合されるコリメート要素と、
   ４分の１波長板と、
   前記界面に配置される偏光ビームスプリッタと
   を備える、光学アセンブリセクションと
   を備える、ファイバ走査プロジェクタ。
9. 前記走査ファイバの出力表面が、凸面オブジェクト表面を画定する、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
10. 前記コリメート要素は、前記凸面オブジェクト表面の曲率半径の約２倍の曲率半径によって特徴付けられるコリメート表面を含む、請求項９に記載のファイバ走査プロジェクタ。
11. 前記４分の１波長板は、前記偏光ビームスプリッタと前記コリメート表面との間に配置される、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
12. 前記プリズム要素は、前記コリメート要素に光学的に接合される、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
13. 前記走査ファイバは、前記圧電要素を通して通過する、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
14. 前記プリズム要素は、非平面曲率を有する入力表面を備える、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
15. 前記コリメート要素は、非平面曲率を有する出力表面を備える、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
16. 前記光学アセンブリセクションの射出瞳に位置付けられる導波管ディスプレイをさらに備える、請求項８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
17. ファイバ走査プロジェクタであって、
    圧電要素と、
    前記圧電要素を通して通過し、それに機械的に結合される走査ファイバであって、前記走査ファイバは、光を光学経路に沿って放出する、走査ファイバと、
    開口を含むミラーであって、前記走査ファイバは、前記開口を通して通過する、ミラーと、
    前記光学経路に沿って配置されるコリメートミラーと
    を備える、ファイバ走査プロジェクタ。
18. 前記走査ファイバの出力表面が、凸面オブジェクト表面を画定する、請求項１７に記載のファイバ走査プロジェクタ。
19. 前記コリメートミラーは、前記凸面オブジェクト表面の曲率半径の約２倍の曲率半径によって特徴付けられる、請求項１８に記載のファイバ走査プロジェクタ。
20. 前記コリメートミラーは、前記光学経路に対して約４５°の角度に配置される、請求項１７に記載のファイバ走査プロジェクタ。
21. ファイバ走査プロジェクタであって、
    圧電要素と、
    前記圧電要素を通して通過し、それに機械的に結合される走査ファイバであって、前記走査ファイバは、光を光学経路に沿って放出する、走査ファイバと、
    前記光学経路に沿って配置される第１の偏光感受性反射体と、
    前記第１の偏光感受性反射体に隣接して配置される４分の１波長板と、
    前記光学経路に沿って配置される第２の偏光感受性反射体と
    を備える、ファイバ走査プロジェクタ。
22. 前記第１の偏光感受性反射体は、平面であり、前記第２の偏光感受性反射体は、湾曲される、請求項２１に記載のファイバ走査プロジェクタ。
23. 前記第２の偏光感受性反射体は、開口を含み、前記走査ファイバは、前記開口を通して通過する、請求項２２に記載のファイバ走査プロジェクタ。
24. 前記第１の偏光感受性反射体は、湾曲され、前記第２の偏光感受性反射体は、平面である、請求項２１に記載のファイバ走査プロジェクタ。
25. 前記第１の偏光感受性反射体は、開口を含み、前記走査ファイバは、前記開口を通して通過する、請求項２４に記載のファイバ走査プロジェクタ。