JP2021119378A

JP2021119378A - 光学導光体を用いたディスプレイの光学系

Info

Publication number: JP2021119378A
Application number: JP2021007529A
Authority: JP
Inventors: フサオイシイ; Fusao Ishii; 美木子中西; Mikiko Nakanishi; 一興市川; Kazuoki Ichikawa; 幹生岩村; Mikio Iwamura
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-08-12
Also published as: US11656458B2; CN113138462A; US20210026135A1

Abstract

【解決手段】入力結合光学系としてホログラフィック光学素子又は回折光学素子を使用し、出力結合光学系としてのフレネルミラーと組み合わせたシースルー表示システム用の光学導光体を有する投影ディスプレイ。【効果】前記導光体を用いたディスプレイは、広角（例えば、９０度を超えるＦＯＶ）、高解像度、及びコンパクトなサイズを有する大きなアイボックスを可能にする。【選択図】なし

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年６月３０日に出願された米国仮特許出願６２／６９２６９９号の利益を主張し、２０１９年１月２３日に出願された米国特許出願第１６／２５５７９９号に基づき優先権を主張する一部継続出願であり、それぞれの開示内容をここに援用する。本出願はまた、２０２０年５月３日に出願された米国仮特許出願６３／０１９３８８号及び２０２０年１月１７日に出願された米国仮特許出願６２／９６２５６６号の利益を主張するものであり、それぞれの開示内容をここに援用する。

本開示は、光学導光体を使用するディスプレイ（例えば、ホログラム又は回折光学素子を用いて、薄いライトガイドを介して画像を投影するシースルー式ディスプレイ）の光学系に関する。

近年、市場で幅広く受け入れられるスマートフォンにおいて、シースルー式ディスプレイ（例えば、ヘッドアップディスプレイやウェアラブルディスプレイ）が注目を集めている。シースルー式ディスプレイは、ハンズフリー操作を可能にし、通常の視界と同じ位置間隔で画像を表示することができる。シースルー式ディスプレイは有用である一方、過去には、充分に広い視野角が提供できないという理由から見る者を満足させることができないシースルー式ディスプレイ（例えば、ホログラムを使用するもの）もあった。軽くて、小さく、明るくて、高解像度、及び／又は、シースルー特性を有する光学システムは便利であるが、比較的広い視野角を実現するシステムには課題が残るものもある。

全般的に本開示の一態様は、見る者の眼にたいして光線を提供する表示システムであって、表示装置と、前記表示装置から光線を受けるように構成された１または複数のレンズセットと、光パイプと、前記１または複数のレンズセットから光線を受け、３つ以上の側面を有し、前記側面の少なくとも一部がコーティング又は全内部反射による反射性を有する前記光パイプに光を供給するように構成された入力結合光学素子と、出力結合導光体と、前記光パイプの出口部分からの光線を、前記出力結合導光体へ反射するように構成された１または複数のミラーと、を備える。前記１または複数のミラーは、光線を出力結合導光体に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を有する第１のフレネル反射体を少なくとも備え、前記出力結合導光体は、複数の鋸歯状のグレーティング素子を含む第２のフレネル反射体を備える。

上述の態様は以下に述べる１または複数の特徴を含んでいてもよい。

前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記１または複数のレンズセットは、前記表示装置のピクセルから出射される主光線が前記表示装置の表面に対して略直角であり、前記主光線が前記プリズム内又はその周辺において互いに交差するテレセントリックである。

前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムは前記１または複数のレンズセットから光線を受けて、当該光線を前記光パイプに反射するように構成された反射面を有しており、前記反射面の法線ベクトルが、前記１または複数のレンズセットの光軸に対して１５度から４５度である。

前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムは前記１または複数のレンズセットから光線を受けて、当該光線を前記光パイプに反射するように構成された反射面を有しており、前記反射面の法線ベクトルが、回転して前記光パイプの長辺に対して３０度から６０度の角度を形成するように構成されている。

前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムの屈折率が１．４超であり、前記光パイプの屈折率が１．４超である。

前記出口部分の大きさは、少なくとも部分的に、前記光パイプの長辺に沿った前記出口部分の位置に基づいて変化する。

前記第１のフレネル反射体の前記グレーティング素子は、三角プリズムの表面に鋸歯状に形成されており、前記表面は前記光パイプの上面に対して１５度から４５度傾斜しており、前記第１のフレネル反射体の法線ベクトルは、前記１または複数のレンズセットの光軸に平行な光線が、前記光パイプの上面の法線ベクトルに対して略平行となるように設定される。

前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムの屈折率が１．３超であり、前記出力結合導光体の屈折率が１．３超であり、前記プリズムの前記屈折率が、前記出力結合導光体の屈折率と略同等である。

前記出力結合導光体は、光線が入射可能なプリズムを形成する傾斜側面を有しており、前記傾斜側面の法線ベクトルは、前記１または複数のミラーからの光線が出力結合導光体に反射されるように、前記光パイプの上面に対して１５度から４５度の角度であることを特徴とする。

前記出力結合導光体は、光線が入射するプリズムを形成する傾斜側面を有しており、前記傾斜側面の法線ベクトルは、前記１または複数のミラーからの光線が出力結合導光体に反射されるように、前記光パイプの上面に対して１５度から４５度の角度であることを特徴とする。

前記第２のフレネル反射体は、グレーティング領域と平坦領域とを含み、前記グレーティング領域は、前記１または複数のミラーからの光線を見る者の眼に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を含んでおり、前記平坦領域は、前記鋸歯状のグレーティング素子の間に設けられており、前記平坦領域には前記鋸歯状のグレーティング素子が形成されておらず、前記出力結合導光体は、全内部反射によって光線を反射するようになっており、外部光が見る者の眼に届くように略透明であり、前記グレーティング領域は反射コーティングを含んでいる。

前記第２のフレネル反射体は、グレーティング領域と平坦領域とを含み、前記グレーティング領域は、前記１または複数のミラーからの光線を見る者の眼に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を含んでおり、前記平坦領域は、前記鋸歯状のグレーティング素子の間に設けられており、前記平坦領域と前記鋸歯状のグレーティング素子の両方による二重反射が光吸収領域によって防止される。

前記光パイプ及び／又は前記出力結合導光体の少なくとも一方は、非照明領域を削減するために光線を少なくとも部分的に反射するように構成された１または複数の層を含んでいる。

前記出力結合導光体の表面は、複数の平坦な表面の湾曲したエンベロープを含んでおり、内部反射した光ビームが、平坦な表面の光ビームと同じ角度となるように構成されていることを特徴とする。

前記出力結合導光体の前記第２のフレネル反射体の複数の鋸歯状グレーティング素子の角度は、画像が有限遠において集束するように位置によって変化する。

前記表示システムは、複数の位置間隔において画像が視認可能となるように、前記表示システムが複数セット重ねられている。

前記表示システムは、１または複数のダイクロイックフィルタ及び少なくとも１つのダイクロイックプリズムを用いて、複数の導波路が単一の導波路に統合されている。

前記導光体及び／又は前記光パイプの少なくとも一方は、全内部反射角度を低減して表示システムの視野を広げるように、ホログラフィック光学素子、回折光学素子、又は多層薄膜でコーティングされている。

前記導光体及び／又は前記光パイプの少なくとも一方は、前記入力結合光学素子に隣接する低屈折率材料と、前記出力結合導光体の内部又は近傍に設けられた高屈折率材料とを含む。

前記導光体には、前記導光体より高い屈折率の材料が積層されており、前記第２のフレネル反射体は前記高い屈折率材料に形成されている。

前記入力結合光学素子は、第１の光学素子と第２の光学素子とを有しており、前記第１の光学素子は、回折光ビームのサブテンディング角（subtending angle）が、入射光ビームのサブテンディング角よりも小さくなるように並べられたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）及び／又は回折光学素子（ＤＯＥ）の少なくとも一方を有し、前記第２の光学素子は、前記光パイプからの光を受ける前記導光体に、ＨＯＥ及び／又はＤＯＥの少なくとも一方を有しており、前記第２の光学素子は、出射光ビームのサブテンディング角が入射光ビームのサブテンディング角よりも大きくなるように並べられ、同一のピクセルからの光ビームについて、前記第２光学素子の法線方向からの出射光の角度が、前記第１の光学素子の法線方向への入射光の角度と略同等である。

全般的に別の態様は、表示システムであって、表示装置と、前記表示装置から光線を受けるように構成された１または複数のレンズセットと、前記１または複数のレンズのセットから光線を受けるように構成された入力結合光学素子と、出力結合導光体と、光線を、前記出力結合導光体へ反射するように構成された１または複数のミラーと、を備え、前記入力結合光学素子又は出力結合導光体の少なくとも一方における回折光学素子（ＤＯＥ）が、青色スペクトル成分を含む光の７次回折と、緑色スペクトル成分を含む光の６次回折と、赤色スペクトル成分を含む光の５次回折とを使用する。

前記表示システムは、前記入力結合光学素子の第１のＤＯＥと前記出力結合導光体の第２のＤＯＥとの間で光を結合するように構成された光パイプをさらに備える。

前記表示システムは、電子的に制御可能な焦点距離を有する光学素子をさらに備える。

電子的に制御可能な焦点距離を有する前記光学素子は、前記表示装置と順次同期された複数の位置間隔において複数の画像を表示するように構成されている。

上述の態様によると以下に述べる１または複数の利点を奏することができる。

ここに記載する表示システムのいくつかの実装形態は、薄い導光体（例えば、導波路又は光パイプ）と反射面を有するプリズム又はフレネルミラーとの組み合わせを有する潜望鏡として使用することができる。前記表示システムは、自動車のシースルー式ヘッドアップディスプレイとして好適に使用されてもよく、ウェアラブルディスプレイ（例えば、メガネのようにコンパクトな物）として構成することもでき、広視野角（視野又はＦＯＶ）、高解像度、及び大きなアイボックスを実現することができる。

いくつかの実装形態では、導波路や光パイプ等の導光体を使用して、ディスプレイの視野（ＦＯＶ）を拡大し、ディスプレイからの光を見る者へ届けることができる。いくつかの例において、導波路の光学システムが鏡面反射のみを利用する場合、導波路に入射する光のサブテンディング角はそのままである。これは、このような例において、ＦＯＶが入射光のサブテンディング角と同一であり、ＦＯＶは、導波路内で、より大きな角度で入射光を集束させることによって拡大することができ、例えば、より多くのレンズとさらに複雑化した光学システムを使うことによって実現できる。一般的に、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）又は回折光学素子（ＤＯＥ）は、入力結合光学系として利用すると回折光のサブテンディング角を拡大し、ＨＯＥ又はＤＯＥを出力結合光学系として利用すると回折光のサブテンディング角を低減する。ここに記載されるシステムや装置の実装形態には、入力結合光学系にＨＯＥ又はＤＯＥを利用して回折光のサブテンディング角を拡大させ、出力結合光学系に鏡面反射を利用して、サブテンディング角を維持する（拡大も低減もしない）ものもある。入射光ビームを拡大する入力結合光学系に用いられる回折光学系と、光ビームのサブテンディング角を変化させない幾何光学の組み合わせによって構成される光学系は、サブテンディング角を拡大し（ｄθｉからｄθｏｕｔ）、ＦＯＶを増加させる。図４に示す例のように、ｄθｏｕｔはｄθｉよりも大きい。リフレクタ（図４では４０３）が通常のミラーであれば、ｄθｉ＝ｄθｏｕｔとなり、サブテンディング角は拡大しないが、リフレクタ４０３がＨＯＥ又はＤＯＥであれば、サブテンディング角は拡大する。

他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面、並びに、特許請求の範囲から明らかになるであろう。

プリズム及びフレネルミラーを用いてバーチャル画像を形成するシースルー式ディスプレイを実現する光学系の一例を示す図である。入力結合光学系の一部として含まれる投影レンズ組立体の一例を示す図である。入力結合光学系の一部として含まれるプリズムからの光を受光する導光体の一例を示す図である。入力結合光学系の一部として含まれるホログラムからの光を受光する導光体の一例を示す図である。投影レンズセットと入力結合光学系を介して光を受光する導光体の一例を示す図である。表示システムの一例を示す図である。入射光ビームの入射角がＨＯＥ又はＤＯＥによって、拡大される様子を示す図である。回折光ビームの角度が、ＨＯＥ基材の屈折率によって制限される理由を説明する図である。入射角がＴＩＲ角より小さい光ビームを反射するコーティングが施された導光体の一例を示す図である。導光体の別の例を示す図である。不要な二重反射を避ける構造の一例を示す図である。不要な二重反射を避ける構造の一例を示す図である。不要な二重反射を避ける構造の一例を示す図である。光ビームの最大角度が、ＨＯＥ基材の屈折率によってどのように制限されるかを説明する図である。無歪光パイプ及び導光システムの実施形態を示す図である。無歪光パイプ及び導光システムの別の実施形態を示す図である。導波路及び光パイプ内部の光路を示す斜視図である。無限遠に画像を形成する実施形態の一例を示す図である。電子的に制御可能な任意の位置間隔に画像を形成する実施形態の一例を示す図である。電子的に制御可能な焦点距離可変レンズの構成例を示す図である。光学設計ツールによってシミュレートされた９０度（水平）×９０度（垂直）の非常に広角なＦＯＶの実施形態の一例を示す図である。光学設計ツールによってシミュレートされた９０度（水平）×９０度（垂直）の非常に広角なＦＯＶの実施形態の一例を示す図である。単一のＤＯＥ層で三原色を同じ方向に回折できるＤＯＥの構造を示す図である。図２０に示すＤＯＥに対する入射光の回折効率対波長をプロットした図である。

本開示は、添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的プラクティスによれば、図面の種々の特徴が実寸大ではないことを強調しておく。それどころか、様々な特徴の寸法は、明確にするために任意に拡大又は縮小されている。

いくつかの実装形態において、表示システムは、シースルー式ディスプレイの比較的広い視野角（以下、ＦＯＶとも称する。）（例えば、１５ｍｍを超えるアイボックスで、水平に９０度超（又は、±４５度））を特徴とするものもある。図１に表示システムの実装形態の一例を示す。表示システム１００は、ピクセル配列及び投影レンズのセット１０１を有する表示装置１０８を備えている。表示装置１０８からの光線は、入力結合光学系として使用されるＨＯＥ１０２に投影され光パイプ１０３に入射する。光線は光パイプ１０３内に伝播し、ＨＯＥ１０２からの元の光線と同じ方向の光線のみが折り畳み式ミラー１０５へと導かれる。光線は、折り畳み式ミラー１０５によって約９０度反射され、出力結合導光体１０７へ向かう。いくつかの実装形態において、導光体１０７は全内部反射（ＴＩＲ）によって、空気又は屈折率（index）の低い材料との境界面の間の光を導く板状又はスラブ状の導波路である。いくつかの実装形態において、導光体１０７は板又はスラブの反射面の間で反射した光を導くものである。本実装形態の例において、光線は、導光体１０７の表面に形成された鋸歯状のフレネルミラーによって見る者の眼に向かって反射される。各要素の例を以下に詳述する。

一態様において、表示システムは射出瞳拡大器として作用する。例えば、見る者が、眼球を動かしても画像を見ることができなければならない。システムによっては、比較的小さい射出瞳（例えば、携帯電話のカメラレンズ程度の、直径５ｍｍの射出瞳）しかないものもある。しかし、人間の眼球は半インチ前後、すなわち１インチの範囲で動くことができる。ここに記載する表示システムの射出瞳拡大機能は、射出瞳を直径約０．５ｍｍから約１インチ（２５．４ｍｍ）まで拡大することができる。

入力結合ＨＯＥ又はＤＯＥは、外部投影レンズシステムからの光ビームを光パイプ内部にリダイレクトできる。光ビームの一部は、１または複数のスリット又は他の開口部を介して光パイプからフレネル反射体へ出る。光ビームは、個々の反射グレーティング素子（ここでは、「フレネルミラー」とも称す）からなるフレネル反射体等の出力結合素子によって、光パイプの外部へと反射され、導光体に入る。光ビームは導光体に取り付けられた第２の入力結合ＨＯＥ又はＤＯＥに当たり、導光体内部に向けて反射する。光ビームは、導光体内部で伝播した後、出力結合フレネルミラーによって、見る者の眼球へ向けて反射する。導光体は、例えば、導光板（サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍの表面を有する平坦な矩形状板）として実装することができる。

表示システムにおいて、射出瞳拡大器として作用する能力に寄与する特徴としては以下のようなものが挙げられる。入射光ビームの角度を圧縮（例えば、６０度から２０度）可能であること。圧縮された光ビームが光パイプ内において伝播し、リダイレクトされて光パイプに設けられた複数の開口部から導光板のより広い領域に分布され、ＦＯＶを拡大可能にすること。例えば、折り畳み式フレネルミラーのグレーティング素子は、光を導光板にリダイレクトさせる。これにより射出瞳を第１の次元（例えばｘ次元）に拡大する。見る者に向けて出射する光ビームの角度は、導光板に取り付けられた別のフレネル反射体等の出力結合ＤＯＥによっても拡大される。出力結合フレネル反射体は、射出瞳を第２の次元（例えば、ｘ次元に垂直なｙ次元）に拡大する。

いくつかの表示システムの実装形態において、別の特徴が含まれていてもよい。例えば、単一のＤＯＥは、三原色の光ビームを同じ方向に回折することができる。これにより、必要となる導光板又はその他の出力結合光学素子の層を削減できる（例えば３層から単一の層）。また、選択された複数の位置間隔それぞれにおいて動的に画像を形成できる。

異なる種類の入力結合光学系の実装形態の例を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄに示す。図２Ａにおいて、表示装置２０３は投影レンズセット２０５に光を提供する。そして表示装置２０３の中心と任意のピクセルとの位置間隔（「Ｘ」２０１で示される）は、当該任意のピクセルからの光の投影角度θ２０２に比例する。例えば、投影レンズ２０５は、出射する光線の角度が、ピクセルとピクセル配列中心との位置間隔に確実に比例するように（又は、θがＸに比例するように）レンズ組立体内に配置されている。表示装置２０３は、各ピクセルから、投影レンズセット２０５に対して光ビーム２０４を出射する。この投影レンズセット２０５は、テレセントリック光学系の構成として設計されており、表示装置２０３の各ピクセルから投影レンズセット２０５に入射する主光ビーム２０４が、投影レンズセットの光軸に対して略平行となる。投影レンズセット２０５は、図２Ａに示される光線２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃのように、単一のピクセルから出射する光線がすべて互いに略平行となるように、無限遠又は充分に離れた位置で集束するように構成されている。この特徴は、Ｆーシータレンズとも称される。このような光学系の構成によって、単一のピクセルから出射されるすべての光線が確実に平行となる。この光学系の構成によれば、単一のピクセルから発せられる光線の全てが確実に同じ方向を有するため、いくつかの実装形態において、光パイプ内で光線が混合された後、光線を画像として集束させるために採用される原理である。

図２Ｂは、表示装置２１１からレンズセット２１２を介して光を受ける入力結合光学系の一部としてプリズム２１３を有する導光体２１４（例えば、光パイプ又は導波路）の一例を示す図である。図２Ｃは、表示装置２２０からレンズセット２２３を介して光を受ける入力結合光学系２２２の一部としてホログラム２２１を有する導光体２２５（例えば、光パイプ又は導波路）の一例を示す図である。図２Ｄは、入力結合光学系２３２（例えば、ＨＯＥ、ＤＯＥ、プリズム）に光を供給する投影レンズセット２３１を有する導光体２３３（例えば、光パイプ又は導波路）の一例を示す図であり、導光体２３３内部を伝播する光線２３４を示している。

また別の実装形態の例が図３に示されている。この例では、ダイクロイックフィルタ及びクロスプリズムを使用して、複数の導波路が単一の導波路に統合されている。ＨＯＥは、複数の記録を可能にし、複数の波長のホログラムを単一の層に重ね合わせることができる。しかし、ホログラム材料の種類によっては最大記録数に限界があり、表面レリーフ型ＤＯＥでは複数の波長の回折ができない。これらは、多層導波路を使用することができ、多くの場合、１つの色に対して１つの層が使用される。カラーディスプレイの場合、３層導波路を使用することができる。本実装形態の例では、導波路の３色の層を、ダイクロイックフィルタやダイクロイッククロスプリズムによって図３に示すように単一の層に統合することにより、単一層の導波路で複数色の表示を可能にする。光学系３０３は、青色用の導波路であり、３０７にＨＯＥ又はＤＯＥの層を有する。ＨＯＥ又はＤＯＥによって回折された光ビームは、３色含んでいるが、青色のみが３０８で示されるダイクロイックフィルタによってフィルタリングされる。光学系３０２及び３０１は、それぞれ緑色用、赤色用の導波路である。フィルタリングされた、３色全ての光ビームは、クロスプリズム（３１１）に導かれ、中間層（３００）に統合される。このように、３つの層を単一の層に統合する手法は、導波路のみならず光パイプにも適用可能である。

図４には、実装形態の一例が示されている。入射光線（例えば光線４０５と光線４０６）が示されており、そのサブテンディング角はｄθｉ（４０１）で示されている。θｉ（４０９）は、これら光線間の中間の光線である。入射光線は、ＨＯＥ又はＤＯＥ（４０３）に集束され、ＨＯＥ／ＤＯＥ４０３によって光線４０２及び光線４０７の間の出力角に回折される。θｏｕｔは、光線４０２と光線４０７との間の中間の光線４０８の角度である。ｄθｏｕｔ＝ｃｏｓ（θｉ）＊ｄθｉ／ｃｏｓ（ｄθｏｕｔ）であり、θｉは約ゼロであり、θｏｕｔは約１２０度であるので、ｄθｏｕｔ＝-２＊ｄθｉとなり、回折光ビームは当該光ビームを構成する光線が、入射光ビームの２倍の大きさの発散角度を有することになる。このように、ＨＯＥ又はＤＯＥを用いて、入射光ビームの角度を拡大することができる。θｉが約６０度で、θｏｕｔが約１８０度の場合に、ＨＯＥ又はＤＯＥを出力結合光学系として利用すると、逆の関係となりｄθｏｕｔ＝-０．５ｄθｉとなる。つまり、角度が半分に低減されることになる。したがって、本システムの入力結合光学系に、ＨＯＥ又はＤＯＥを利用し、ミラー、プリズム、フレネル反射体等の通常の光学反射体を利用することによって、小さな入射角で大きな出力角を得ることができる。これによって、ＦＯＶが拡大する。

図５には、別の実装形態が示されている。光パイプ５０１は、入力結合光学系５０３（例えば、ＨＯＥ又はＤＯＥ）からの光を受ける。第１の拡大方向５０４は、光線の角度が入力結合光学系５０３によって拡大する方向を示している。回折光ビームは、第１の拡大方向５０４に平行四辺形の歪を有する。光ビームが、光パイプ５０１の開口部を介して光パイプ５０１から出た後、スラブ導光体５０２に入る。光パイプ５０１に沿った開口部は、反射材料のない位置、又は光パイプ５０１に沿って伝播する光線のうちの一部について、入射角が全内部反射角度より小さい位置に設けることができる。出力結合光学系５０５（例えば、フレネル反射体のフレネルミラー等の折り畳み式ミラー）において、第２の拡大方向５０６は、第１の拡大方向５０４に対して直角であり画像の歪みを最小限に抑えるようになっている。

図６に導光体の実装形態の一例を示す。導光体は、低屈折率クラッド（例えば、空気であってもよい）に囲まれた高屈折率コアを有する導波路として実装される場合がある。しかし、導波路のＦＯＶは、導波路のコアに用いられる材料の全内部反射（ＴＩＲ）の最小角度によって制限される。ＦＯＶを拡大するために、透明スラブ材料のいずれかの面のコーティング（６０５及び６０８）が、光パイプとして構成された導光体６０１に対して、当該スラブ材料のＴＩＲ角よりも小さな角度で入射する光線で構成される光ビームを反射する。入力結合光学系６０２は、ＨＯＥ又はＤＯＥである。コーティングがなければ、光ビーム６０６は光ビーム６０７として透過されるが、コーティング６０８があれば、光ビーム６０６は光ビーム６０４として反射される。

図７に導光体の実装形態の別の一例を示す。この導光体は、屈折率が異なる二つの異なる材料からなる二つの領域（領域７０１及び領域７０７）を有する。この例では、ＨＯＥ７０２が入射光ビーム７００を、材料７０３のＴＩＲ角未満で入射する光線７０５に回折させ、高屈折率でＴＩＲ角の小さい材料領域７０７へ導くことによりＦＯＶを拡大する。回折光ビーム、すなわちＨＯＥ７０２によって回折された回折光ビームの最大角度は、ＨＯＥ基材の屈折率によって制限され、ＨＯＥが配置される導波路には屈折率の低い又は同等の材料が必要となる。導波路は、出力結合領域に向かって高屈折率材料と接続することができ、この技術によってＦＯＶを拡大させることができる。回折光ビーム７０５は、高屈折率材料７０７がなければ（光線７０４として）透過されるが、高屈折率材料７０７があれば反射光ビーム７０６及び７０８として示されるように反射する。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃには、導光体から出力結合までの実装形態の例が示されている。これらの例によれば、フレネルミラーを有する導波路における不要な二重反射（又は「ゴースト像」ともいう）を回避することができる。導波路材料８０８は、両側の材料よりも高い屈折率を有する。導波路は、入射光線８０３ａ、８０３ｂ及び反射光線８０４ａ、８０４ｂで示されるように、平坦領域８０１又はフレネルミラー領域８０２で単一反射をするように設計されており、入射光８０５から反射光８０６で示されるような二重反射は望ましくない。ＦＯＶの別の制限要因は、図８Ａに示される導波路のフレネル反射体の鋸歯状の各ミラーによって発生するこの不要な反射である。伝播する光ビームの角度が（導波路表面の法線ベクトルからより大きな角度に）拡大するにつれ、当該光線が導波路から出力結合光学系に抜けるまでに２回当たる（８０６）可能性があり、望ましくない場合がある。図８Ｂの例では、導波路に高屈折率材料８０８を積層し、高屈折率材料８０８にフレネルミラーを配置している。図８Ｃは、別の例を示しており、フレネルミラーグレーティング素子（８１５）の外側に設けられた鋸歯状の凸部によって二重反射を回避している。

図９の例では、光ビーム９０５の最大角度が、ＨＯＥ基材（９０９及び９１０）の屈折率によってどのように制限されるかが示されている。ＨＯＥ基材の屈折率が、導波路（９０８）の屈折率より小さい場合、ＨＯＥによって回折された回折光ビーム（９０４）の角度は９０度を超えることができず、θｍａｘは、導波路の材料（９０８）及びＨＯＥ基材（９０９）の間のＴＩＲ角によって制限される。

図４に示す回折光ビームのサブテンディング角（４０２と４０７との間のｄθｏｕｔ）は、回折による入射光ビームの角度（ｄθｉ、４０１）より充分大きく、光ビーム（４０２及び４０７）は全内部反射となる。これにより、入射光ビーム（４０５及び４０６）の角度が制限される。この潜在的な制限を回避するための実装形態の一例を図１０に示す。図１０に示す構成において、入射光ビームのサブテンディング角（１００７）は、高屈折率プリズム（１００８）によって低減され、さらに角度を低減するＤＯＥ（１００３）によって回折される。一例として、入射光ビームの元の角度（１００７）が６０度であり、高屈折率プリズムによって４０度に低減され、ＤＯＥによる回折によって２０度に低減される例が示されている。この例では、光ビームの角度が１／３に低減される。この低減された角度で、光ビームを光パイプに伝播させると、角度が第２のＤＯＥによって広げられて導波路内を伝播し、元の角度まで広がって人の眼に向かう。この技術（圧縮＝＞光パイプ及び導波路内にて伝播＝＞復元＝＞眼）によって、９０度のＦＯＶさえも可能になる。この技術は、２つのＤＯＥが互いに平行である限り、２つのＤＯＥで互いに起因する歪が補償されるので、歪のない画像の生成が容易となる。

図５には、実装形態の別の一例が示されている。ＤＯＥを傾斜させることにより、回転歪が生じる可能性があるものの、ＦＯＶを図１０の例よりもさらに広げることが可能となる。回転歪みは、表示システムを回転させることによって補償することができる。

図１２には、表示システムの別の例が示されており、この例では光パイプにハーフミラーが挿入されて、伝播角度を同一に維持しつつ、光ビームの数を増加させている。これにより、導波路内の２つの光ビーム間の位置間隔が短くなる。

図１３Ａには、入力結合ＤＯＥ１３０５からの回折光について、光ビームの軌跡が示されており、単一のピクセルから出射する光ビームが平行であるため画像の位置が無限遠となる。焦点距離可変回折レンズを用いて、画像の位置を電子的に制御可能な例を図１３Ｂに示す。焦点距離可変回折レンズは、液晶材料を有しており、当該液晶材料はドライバ１３２０によって静電的に駆動されることにより、屈折率を変化させることができる。

焦点距離可変レンズの一例を図１４に示す。液晶の屈折率は、静電電圧（０．２以下）を印加することによって変化させることができる。しかし、これでは屈折レンズによる像距離を制御するには不充分である。図１４に示される回折レンズは、屈折レンズよりもさらに大きく光を屈曲させることができるため、焦点距離を充分に変化させることができる。単一のＤＯＥレンズと液晶駆動電圧によって、複数の画像を順次複数の位置間隔に表示させることができる。各画像は、ＤＯＥレンズによって調整された焦点距離と同期させることができる。例えば、人物Ａが時間１に３ｍの位置間隔に表示され、人物Ｂが時間２に１０ｍの位置間隔に表示され、家屋Ａが時間３に１００ｍの位置間隔に表示され、背景が時間４に無限遠に表示されたとする。これらの画像を充分な速さで切り替えると、両眼共同運動と調整が一致するため、見る者は変化に気づかず、結果として得られる組み合わせのシーンをバーチャル及び／又は拡張現実の３Ｄのシーンとして（例えば、立体的ではなくいわゆる「ライトフィールド（明視野）」として）認識する。

９０度（水平）×９０度（垂直）の超広角ＦＯＶ拡張現実（ＡＲ）ディスプレイの一例を設計し、光学設計ツールでシミュレートしたものを図１５Ａ及び図１５Ｂに示す。

ＤＯＥの実装形態の一例を図１６に示す。理論に束縛されることなく、入射光の角度と出射光の角度との関係は、以下によって求められる。
ｓｉｎ（θｏｕｔ）-ｓｉｎ（θｉｎ）＝ｍ／λ＊定数（鋸歯状ミラーなどの溝のピッチの関数）
ここで、θｏｕｔ＝ＤＯＥ面の法線方向に対する出射光の角度
θｉｎ＝ＤＯＥ表面の法線方向に対する入射光の角度
ｍ＝回折次数
λ＝光の波長
１次回折がＤＯＥに使用される場合、出射角度は、入射光の波長に応じて異なる。このことから、異なる色に対して単一のＤＯＥが使用されない場合があり、カラー表示には、複数のＤＯＥプレート又はＤＯＥ層が用いられることがある。本開示では、３原色に対して単一層のＤＯＥを使用する方法について説明している。異なる色に対して異なる回折次数が使用される場合、言い換えれば、３原色に対してｍ／λは同じであり、例えば、λ＝０．４５μ（青）に対してｍ＝７、λ＝０．５２５μ（緑）に対してｍ＝６、λ＝０．６３μ（赤）に対してｍ＝５であり、３色すべてに対してｍ／λ＝１５．５５５である。これは、３色すべてが同じ方向に回折されることを意味する。次の問題は、交差汚染があるかどうか、すなわち異なる次数の回折が視野に入り、交差汚染又はいわゆるゴースト像を引き起こす可能性があるかどうかである。図１７のチャートは回折効率のスペクトルを示しており、交差汚染の可能性がない、又はほとんどない例を示している。したがって、カラー表示用の単一層ＤＯＥの作製が可能であることを示唆している。

本開示は、特定の実施形態に関連して説明したが、本開示は、開示された実施形態に限定されるものではなく、寧ろ添付の特許請求の範囲に含まれる様々な変更及び同等の構成をカバーすることを意図しており、その範囲は、法律の下で許容される全ての変更及び同等の構造を包含するように、最も広義に解釈されるべきである。

Claims

表示装置と、
前記表示装置から光線を受けるように構成された１または複数のレンズセットと、
光パイプと、
前記１または複数のレンズセットから光線を受け、３つ以上の側面を有し、前記側面の少なくとも一部がコーティング又は全内部反射による反射性を有する前記光パイプに光を供給するように構成された入力結合光学素子と、
出力結合導光体と、
前記光パイプの出口部分からの光線を、前記出力結合導光体へ反射するように構成された１または複数のミラーと、を備え、
前記１または複数のミラーは、光線を出力結合導光体に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を有する第１のフレネル反射体を少なくとも備え、前記出力結合導光体は、複数の鋸歯状のグレーティング素子を含む第２のフレネル反射体を備える、
ことを特徴とする、見る者の眼にたいして光線を提供する表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記１または複数のレンズセットは、前記表示装置のピクセルから出射される主光線が前記表示装置の表面に対して略直角であり、前記主光線が前記プリズム内又はその周辺において互いに交差するテレセントリックである、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムは前記１または複数のレンズセットからの光線を受け、当該光線を前記光パイプに反射するように構成された反射面を有しており、前記反射面の法線ベクトルが、前記１または複数のレンズセットの光軸に対して１５度から４５度である、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムは前記１または複数のレンズセットからの光線を受け、当該光線を前記光パイプに反射するように構成された反射面を有しており、前記反射面の法線ベクトルが、回転して前記光パイプの長辺に対して３０度から６０度の角度を形成するように構成されている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムの屈折率が１．４超であり、前記光パイプの屈折率が１．４超であることを特徴とする、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記出口部分の大きさは、少なくとも部分的に、前記光パイプの長辺に沿った前記出口部分の位置に基づいて変化することを特徴とする、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記第１のフレネル反射体の前記グレーティング素子は、三角プリズムの表面に鋸歯状に形成されており、前記表面は前記光パイプの上面に対して１５度から４５度傾斜しており、前記第１のフレネル反射体の法線ベクトルは、前記１または複数のレンズセットの光軸に平行な光線が、前記光パイプの上面の法線ベクトルに対して略平行となるように設定されることを特徴とする、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子はプリズムを備え、前記プリズムの屈折率が１．３超であり、前記出力結合導光体の屈折率が１．３超であり、前記プリズムの前記屈折率が、前記出力結合導光体の屈折率と略同等である、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記出力結合導光体は、光線が入射可能なプリズムを形成する傾斜側面を有しており、前記傾斜側面の法線ベクトルは、前記１または複数のミラーからの光線が出力結合導光体に反射されるように、前記光パイプの上面に対して１５度から４５度の角度である、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記出力結合導光体は、光線が入射するプリズムを形成する傾斜側面を有しており、前記傾斜側面の法線ベクトルは、前記１または複数のミラーからの光線が出力結合導光体に反射されるように、前記光パイプの上面に対して１５度から４５度の角度である、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記第２のフレネル反射体は、グレーティング領域と平坦領域とを含み、前記グレーティング領域は、前記１または複数のミラーからの光線を見る者の眼に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を含んでおり、前記平坦領域は、前記鋸歯状のグレーティング素子の間に設けられており、前記平坦領域には前記鋸歯状のグレーティング素子が形成されておらず、前記出力結合導光体は、全内部反射によって光線を反射するようになっており、外部光が見る者の眼に届くように略透明であり、前記グレーティング領域は反射コーティングを含んでいる、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記第２のフレネル反射体は、グレーティング領域と平坦領域とを含み、前記グレーティング領域は、前記１または複数のミラーからの光線を見る者の眼に反射する複数の鋸歯状のグレーティング素子を含んでおり、前記平坦領域は前記鋸歯状のグレーティング素子の間に設けられており、前記平坦領域と前記鋸歯状のグレーティング素子の両方による二重反射が光吸収領域によって防止される、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記光パイプ及び／又は前記出力結合導光体の少なくとも一方は、非照明領域を削減するために光線を少なくとも部分的に反射するように構成された１または複数の層を含んでいる、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記出力結合導光体の表面は、複数の平坦な表面の湾曲したエンベロープを含んでおり、内部反射した光ビームが、平坦な表面の光ビームと同じ角度となるように構成されている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記出力結合導光体の前記第２のフレネル反射体の複数の鋸歯状グレーティング素子の角度は、画像が有限遠において集束するように位置によって変化する、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
複数の位置間隔において画像が視認可能となるように、前記表示システムが複数セット重ねられている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
１または複数のダイクロイックフィルタ及び少なくとも１つのダイクロイックプリズムを用いて、単一の導波路に統合されている複数の導波路をさらに備える、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記導光体及び／又は前記光パイプの少なくとも一方は、全内部反射角度を低減して表示システムの視野を広げるように、ホログラフィック光学素子、回折光学素子、又は多層薄膜でコーティングされている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記導光体及び／又は前記光パイプの少なくとも一方は、前記入力結合光学素子に隣接する低屈折率材料と、前記出力結合導光体の内部又は近傍に設けられた高屈折率材料とを含む、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記導光体には、前記導光体より高い屈折率の材料が積層されており、前記第２のフレネル反射体は前記高い屈折率材料に形成されている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項１において、
前記入力結合光学素子は、第１の光学素子と第２の光学素子とを有しており、前記第１の光学素子は、回折光ビームのサブテンディング角が、入射光ビームのサブテンディング角よりも小さくなるように並べられたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）及び／又は回折光学素子（ＤＯＥ）の少なくとも一方を有し、前記第２の光学素子は、前記光パイプからの光を受ける前記導光体に、ＨＯＥ及び／又はＤＯＥの少なくとも一方を有しており、前記第２の光学素子は、出射光ビームのサブテンディング角が入射光ビームのサブテンディング角よりも大きくなるように並べられ、同一のピクセルからの光ビームについて、前記第２光学素子の法線方向からの出射光の角度が、前記第１の光学素子の法線方向への入射光の角度と略同等である、
ことを特徴とする、表示システム。
表示装置と、
前記表示装置から光線を受けるように構成された１または複数のレンズセットと、
前記１または複数のレンズのセットから光線を受けるように構成された入力結合光学素子と、
出力結合導光体と、
光線を、前記出力結合導光体へ反射するように構成された１または複数のミラーと、を備え、
前記入力結合光学素子又は出力結合導光体の少なくとも一方における回折光学素子（ＤＯＥ）が、青色スペクトル成分を含む光の７次回折と、緑色スペクトル成分を含む光の６次回折と、赤色スペクトル成分を含む光の５次回折とを使用する、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項２２において、
前記入力結合光学素子の第１のＤＯＥと前記出力結合導光体の第２のＤＯＥとの間で光を結合するように構成された光パイプをさらに備えている、
ことを特徴とする、表示システム。
請求項２２において、
電子的に制御可能な焦点距離を有する光学素子をさらに備える、ことを特徴とする、表示システム。
請求項２４において、
電子的に制御可能な焦点距離を有する前記光学素子は、前記表示装置と順次同期された複数の位置間隔において複数の画像を表示するように構成されている、
ことを特徴とする、表示システム。