JP2021508082A - 改善された輝度の導波路表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の表面及び第１の表面に対向する第２の表面を有する導波路本体１３と、導波路本体の内側を伝搬する光を導波路本体から外に結合させるための前記第１の表面上のアウトカップリング回折光学素子と、前記第２の表面上の狭帯域反射体素子２１とを備える回折導波路表示素子に関する。本発明は、そのような素子を備える表示デバイスにも関する。

Description

本発明は回折導波路表示装置に関する。詳細には、本発明は、そのような表示装置における改善されたアウトカップリング配置に関する。

ヘッドマウント表示装置（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）及びヘッドアップ表示装置（ＨＵＤ：ｈｅａｄ−ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ）は、導波路技術を使用して実装することができる。光を導波路に結合させ、その中で回折格子を使用して向け直し、又は導波路から外へ結合させることができる。１つの従来型表示装置設計において、光はプロジェクタからインカップリング格子に向けられ、インカップリング格子は、入射光の波長を導波路に回析し、そこで、入射光の波長は、全反射を介してアウトカップリング格子に向かって伝搬する。アウトカップリング格子は、光を導波路から外へ回折し、最初にインカップリング格子に表示された画像を再生する。

回折光導波路のアウトカップリング格子は、典型的には光をユーザの目に向かってアウトカップリングさせるが、世界側に向かって反対方向にもアウトカップリングさせる。これは、特に、バイナリ格子がアウトカップラとして使用されたとき起きる。世界側に向かってアウトカップリングされた光は、Ａｌ又はＡｇベースのミラーなどのミラーを経由して目に向かって反射させることができる。最良の場合、ミラーは、虚像の輝度を２倍にすることができ、ユーザの秘匿性も高める。周知の解決策における欠点は、ミラーが光導波路のシースルー透過率をある解決策のためにあまりにも低減することである。

先行技術の少なくともいくつかの欠点を克服すること、及び改善された輝度を有し、シースルーの適用例に適合する新規の表示素子を提供することが本発明の目的である。

本発明は、誘電体多層反射体などの狭帯域反射体をミラーとして使用することに基づく。ユーザを囲む周囲光が典型的には連続スペクトルであるので、狭帯域反射体は、十分なシースルー透過率、特に少なくとも５０％の透過率が得られるように設計することができる。

具体的には、導波路にインカップリングされた光が、１つ又は複数の狭いスペクトル・ピークだけを含み、狭帯域反射体の反射率帯域又は複数の反射率帯域が、インカップリングされた波長ピークに対応するように設定された場合、改善された輝度及び周囲光透過率の両方が達成される。

具体的には、本発明は、独立請求項に記載される内容を特徴とする。

したがって、一態様によれば、本発明は、
− 第１の表面及び第１の表面に対向する第２の表面を有する導波路本体と、
− 導波路本体の内側を伝搬する光を導波路本体から外に結合させるための前記第１の表面上のアウトカップリング回折光学素子と、
− アウトカップリング回折光学素子と位置合わせされた前記第２の表面上の狭帯域反射体素子とを備える、回折導波路表示素子を提供する。

したがって、本発明は、ＦＷＨＭ＜１０ｎｍなど、特にＦＷＨＭ＜２０ｎｍである、狭いスペクトル帯域幅を有する光源を使用するプロジェクタに特に有用である。最も当然の選択はレーザ光源であるが、狭い発光スペクトルを有するスペクトル的にフィルタリングされたＬＥＤ及び蛍光体ＬＥＤも適切である。

第２の態様によれば、本発明は、上記の種類の導波路表示素子と、出力波長を有する少なくとも１つの狭帯域光源を備える狭帯域プロジェクタとを備えるシースルー表示装置を提供し、レーザ・プロジェクタが、表示される画像を導波路本体に対して、それにおける伝搬のために中に結合させ、及びさらに導波路本体から出るために、部分的にアウトカップリング格子から直接及び部分的に反射体素子からの反射を通じて表示装置のユーザの目に結合させるように構成される。

本発明は顕著な利点を提供する。まず、本発明は、周囲光をユーザの目に高い効率で通過させる能力を維持しながら、改善された輝度又は虚像の問題を解決する。

画像形成波長又は複数の画像形成波長が表示装置のユーザの側だけに向けられるので、ユーザの秘匿性も改善される。これはＨＭＤとの特定の関連を有する。

プロジェクタの光の、周囲のものとの結合も低減され、これは車両用ＨＵＤ及び航空機用ＨＵＤなど、ＨＵＤには特に重要である。

従属請求項は、本発明の選択された実施例を対象とする。

いくつかの実施例において、反射体素子は、単一帯反射体素子であるが、代替実施例において、反射体素子は、別々の赤色、緑色及び青色反射率ピークを有するＲＧＢ反射体素子などの多帯域反射体素子である。

いくつかの実施例において、反射率ピーク（複数可）の波長帯域（複数可）の幅は、プロジェクタの出力波長（複数可）と合致した、２０ｎｍ以下（ＦＷＨＭ）など、５０ｎｍ以下である。

いくつかの実施例において、反射体素子は、少なくとも７５％など、少なくとも５０％の全白色光透過率を有する。反射体素子の狭い阻止帯域幅（複数可）により、これが可能になる。

いくつかの実施例において、反射体素子は、誘電体多層構造、特に異なる屈折率を有する交互層のスタックを備えたものを備える。高い波長選択性が、そのような構造を用いて達成される。

いくつかの実施例において、反射体素子は、半透明の金属層、特に２０ｎｍ以下の厚さを有する層などの単一金属層を備える。材料及び層厚さを適切に選択することによって、波長選択素子を生成することができる。

いくつかの実施例において、反射体は、例えば、薄い空隙によって、主光導波路から光学的に絶縁される。空隙長は、直接アウトカップリングされた光線と、ゼロ又は低角度で反射体からいったん反射された光線との間で異なる光路長がそれらの可干渉距離よりも大きくなるように選択することができる。これにより、直接アウトカップリングされ、反射された光照射野の干渉及び結果として生じる画像アーチファクトが防止され、又は少なくとも減少する。

いくつかの実施例において、反射体素子は、横方向に不均一な光学特性を有する。例えば、連続した特性勾配がある可能性があり、又は反射体素子は、互いに横方向に隣接して位置決めされた複数の明確な区分を備えることができ、区分は、異なる反射率及び／又は波長特性を有する。

いくつかの実施例において、区分は、アウトカップリング回折光学素子の面積に対して第２の区分に遠心に配置された第１の区分を含み、第１の区分の反射率は、第２の区分の反射率よりも高い。

次に、本発明の実施例及びその利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

アウトカップリング格子を備える、及び反射体なしの導波路の部分の断面側面図である。 本発明の一実施例による、導波路の部分の断面側面図である。 本発明の別の実施例による、導波路の部分の断面側面図である。 本発明の実施例による、導波路を備える導波路スタックを示す図である。

図１は、空気／光導波路材料界面１１及び１２によって画定された光導波路１３を示す。光導波路の内側の全反射を介して伝搬する光照射野１５がアウトカップリング格子１４に衝突したとき、格子は、典型的には、それぞれ反射された及び透過された光照射野１７、１６を発生させる。透過された光照射野１６は、目１９に入るが、反射された照射野１７は無駄になる。

図２は、反射された光照射野１７が誘電体多層反射体２１によって目に向かって反射される構成を示す。反射された照射野２２は、目に入る。

反射体は、空隙２３によって光導波路から光学的に絶縁される。照射野１６及び２２が干渉する（すなわち、それらの光路長差がそれらの可干渉距離よりも小さい）場合、光路長差を増加させるように、したがって、光学干渉を回避するように、空隙２３を増加させることができる。

コーティングは、キャリア基板上の単層又は多層構造であることができる。単層コーティングは、例えば、薄い半透明の金属層であることができる。例えば、厚さ１〜２０ｎｍのＡｕ、Ａｇ又はＡｌ層。多層構造は、高及び低屈折率材料層の多対のスタックからなることができる。いくつかの構成において、スタックは、複数の同一の対からなる。いくつかの構成において、すべての層は、異なる厚さ及び／又は屈折率を有することができる。スタックは、直接マクスウェル方程式に基づいて多層解法を使用することによって数値的に最適化することができる。基本的な考えは、アウトカップリングされた光をできるだけ多くユーザの目に向かって反射させるが、依然として高いシースルー透明度をプロジェクタによって放射されない波長において維持する多層構造を見いだすことである。高屈折率材料は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２などの金属酸化物であることができる。低屈折率媒質は、例えば、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２、又は何らかのエーロゲル材料であることができる。エーロゲル材料は、それらの屈折率が１に近いので、魅力的である。また、フッ素化モノマーに基づく低屈折率材料を使用することができる。

図３は、反射体が区分３１〜３５に分割されている構成を示す。区分の反射率を変動させることによって、光導波路の光学性能を高めることが可能である。例えば、輝度均一性は、アウトカップラの端部に向かって反射率を増加させることによって高めることができる。カラー・バランスは、波長依存反射体を使用することによって高めることができる。

本発明は、各原色がそれ自体の光導波路で伝搬する光導波路スタックにも使用することができる。そのような構成を図４に提示する。赤色、緑色及び青色光が、それぞれそれ自体の光導波路４１、４３、４５でそれぞれ伝搬する。各光導波路は、それ自体の反射体４２、４４、４６を有する。各反射体は、光導波路で伝搬する、対応する波長帯域に最適化される。

多波長単一導波路方式に比較して、スタック方式は、反射体の設計がより容易であるという利点を有する。

本発明の実施例は、様々な個人用表示デバイスに、特に、眼鏡型表示装置（ＮＥＤ）や他のヘッドマウント表示装置（ＨＭＤ）並びにヘッドアップ表示装置（ＨＵＤ）など、拡張現実（ＡＲ）及び複合現実（ＭＲ）デバイスに、それらの異なる形で利用することができる。

Claims (14)

1. 回折導波路表示素子であって、
   第１の表面及び前記第１の表面に対向する第２の表面を有する導波路本体と、
   前記導波路本体の内側を伝搬する光を前記導波路本体から結合を外させるための前記第１の表面上のアウトカップリング回折光学素子と、
   狭帯域反射体素子とを備え、
   前記反射体素子が、前記第２の表面上に位置決めされ、横方向に不均一な光学特性を有する、回折導波路表示素子。
2. 前記反射体素子が、単一帯反射体素子である、請求項１に記載の素子。
3. 前記反射体素子が、多帯域反射体素子である、請求項１に記載の素子。
4. 前記反射体素子が、２０ｎｍ以下など、５０ｎｍ以下のＦＷＨＭを有する１つ又は複数の波長帯域を有する、請求項１に記載の素子。
5. 前記反射体素子が、少なくとも７５％など、少なくとも５０％の全白色光透過率を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の素子。
6. 前記反射体素子が、誘電体多層構造、特に異なる屈折率を有する交互層のスタックを備えたものを備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の素子。
7. 前記反射体素子が、半透明の金属層、特に２０ｎｍ以下の厚さを有する層などの単層を備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の素子。
8. 前記反射体素子が、前記導波路本体から光学的に絶縁される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の素子。
9. 前記反射体素子が、空隙又はエーロゲル層によって前記導波路本体から分離される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の素子。
10. 前記反射体素子が、互いに横方向に隣接して位置決めされた複数の明確な区分を備え、前記区分が、異なる反射率及び／又は波長特性を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の素子。
11. 前記反射体素子が、第１の領域と、前記導波路本体中の光の伝搬方向に前記第１の領域の下流の第２の領域とを含み、前記第２の領域の反射率が、前記第１の領域の反射率よりも高い、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の素子。
12. シースルー表示デバイスであって、
    回折導波路表示素子と、
    出力波長を有する少なくとも１つの狭帯域光源を備える、レーザ・プロジェクタ又は狭帯域ＬＥＤプロジェクタなどの狭帯域プロジェクタとを備え、
    前記プロジェクタが、表示される画像を前記導波路本体に対し、それにおける伝搬のために中に結合させ、及びさらに前記導波路本体から出るために、前記表示デバイスのユーザの目に結合させるように構成され、
    前記表示素子が、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の素子であり、それにより、前記出ることが、部分的にアウトカップリング格子から直接、及び部分的に前記反射体素子からの反射を通じて起きるように構成される、シースルー表示デバイス。
13. 互いの上に積み重ねられた複数のそのような表示素子を備え、前記素子のそれぞれが、前記プロジェクタの狭帯域光源の出力波長に対応する異なる反射波長帯域を有する反射体素子を備える、請求項１２に記載のデバイス。
14. ヘッドアップ表示デバイス又はヘッドマウント表示デバイスである、請求項１２又は１３に記載のデバイス。

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