JP2021516778A - 反射表面を有する導波路表示素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの対向する主表面を有する導波路１０と、導波路１０の第１の位置に配置された第１の光学素子と、導波路１０の第２の位置に配置された第２の光学素子と、前記主表面の間を延びており、導波路１０内を伝播する光線を反射するように適合された少なくとも１つの反射表面１２Ａ、１４Ａとを有する導波路表示素子を提供する。反射表面１２Ａ、１４Ａは、第１の光学素子から第２の光学素子に光線を向け直すように適合されている。

Description

本発明は、ヘッドマウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）及びヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）などの個人用表示デバイスに使用することができる導波路ディスプレイに関する。そのようなディスプレイは、典型的には、光導波路（導光板）と、導波路上又は導波路中に配置された、格子などの少なくとも１つの回折光学素子とを有する。

導波路は、多くの最新の個人用表示デバイスにおいて重要な画像形成素子である。表示される画像は、導波路の主面に、典型的にはその表面上に配置された回折格子を使用して、導波路内へ及び導波路外へ結合させること、並びに導波路内で変更することができる。例えば、画像をプロジェクタから導波路内に結合させるためのインカップリング格子と、導波路の１つ又は複数の面内次元において光照射野を拡大するための射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）格子と、光照射野を導波路の外のユーザの目に結合させるアウトカップリング格子とが提供される場合がある。格子は、ＥＰＥの射出瞳拡大機能と同様に、導波路の内側で光学機能を実施するように設計することができる。しかし、格子は、相当な表面積を必要とし、表面積は実際の表示デバイス、ニア・アイ・デバイス（ＮＥＤ：ｎｅａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｅｙｅ ｄｅｖｉｃｅ）では非常に限定される。

米国特許出願公開第２０１５／０１４１７０４（Ａ１）号では、導波路の内側に追加の反射表面（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ）を有する導波路が開示されており、導波路は導波路の断面で見たとき適切に傾斜又は湾曲している。反射表面により、導波路からの光のアウトカップリングが容易になる。

周知の配置は、最大ある限界まで導波路の内側で光照射野を変更するのに使用することができる。しかし、いくつかの場合において、これらの配置は、余りに限定されており、及び／又は導波路上に過剰な表面積を占める。

米国特許出願公開第２０１５／０１４１７０４（Ａ１）号

先行技術の少なくともいくつかの問題を克服することが本発明の目的である。特定の目的は、導波路の表面積を節約する解決策を提供することにある。

この目的は、独立請求項に定義されている本発明によって実現される。

一態様によれば、本発明は、２つの対向する主表面を有する導波路と、導波路の第１の位置に配置された第１の光学素子と、導波路の第２の位置に配置された第２の光学素子と、前記主表面の間を延びており、導波路内を伝播する光線を反射するように適合された少なくとも１つの反射表面とを提供する。反射表面は、第１の光学素子から第２の光学素子に光線を向け直すように適合される。

いくつかの実施例において、反射表面は、導波路面に対して垂直であるか又は適度に（例えば、１〜２５度）傾斜しているか、又はその面に対して傾斜しているかのいずれかである平面である。

一般的に言えば、本反射表面は、導波路中に又は導波路外にその主表面のうちの１つを通じて光を結合させることとは対照的に、表面が導波路内で伝播光線を向け直すことができる形状及び向きを有する。

代替実施例において、反射表面は、導波路面及び／又はその面に対して垂直の面において湾曲している（主表面の平面において検査されたとき）。したがって、反射表面はミラー・レンズとして働くことができる。

反射表面は、導波路の内側で又は側縁部において、金属被覆などの反射性単一材料層又は反射性格子構造又は反射性薄層スタックなど、完全に又は部分的に反射性の構造でもよい。

光学素子は、例えば、光インカップリング、出射瞳拡大又はアウトカップリング機能を実施できる、任意の種類の回折光学素子（ＤＯＥ）、又は光源、表示パネル、又は他の反射表面などの他の素子でもよい。

本発明は顕著な利益を提供する。導波路上に相当な量の空間を占める面内格子なしで導波路の内側で光学機能を実施することが可能である。空間は、特に実際の仮想現実（ＶＲ）及び拡張現実（ＡＲ）適用例において非常に限定され、その場合、目的は、通常、視野を最大化することにあり、及びその場合、アウトカップリング格子は、導波路領域の顕著な部分を占める。

実際の実例には、光照射野の圧縮及び復元、出射瞳拡大、並びに導波路への追加の構成要素の統合が含まれる。これらの適用例は後で詳細に例示する。

従属請求項は、本発明の選択された実施例を対象とする。

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

外側縁部上に位置決めされた２つの例示的な反射表面を有する導波路を示す斜視図である。 導波路の内側に位置決めされた２つの例示的な反射表面を有する導波路を示す斜視図である。 本発明の様々な実際の適用例の導波路素子の上面図である。 本発明の様々な実際の適用例の導波路素子の上面図である。 本発明の様々な実際の適用例の導波路素子の上面図である。

本発明を実施例の助けにより以下に説明するが、その場合、反射表面は、その各点において、導波路面に対して垂直であり、導波路面において見たとき平面であるか又は湾曲しているかのいずれかである。しかし、同じ原理を、表面が導波路の断面において傾斜又は湾曲しているそのような実施例に適用することができる。傾斜又は湾曲している場合、傾斜又は湾曲は適度であり、表面が導波路の主表面を通じて表面に当たる伝播光線を実質的に外結合させないが、導波路上の光学素子間で伝播光線を向け直すことを意味する。

光の角度分布の変化、すなわち、反射表面の光学機能は、反射表面の形状で決まり、格子ベース又は薄膜スタック反射体の場合、格子又は薄膜構造の形状で決まる。

図１Ａ及び１Ｂを参照すると、いくつかの実施例において、本質的に第１の平面において延びる２つの対向する主表面を有する平面導波路１０を有する導波路表示素子が提供される。別の実例において、導波路は湾曲しているが、しかし、主表面は、各横位置において互いに平行である。

いくつかの実施例において、反射表面は、図１Ａに示すように、導波路１０の外側縁部上に配置される。縁の平面は、導波路１０の主表面の平面に対して垂直である。

１つの実例において、縁部反射表面は、導波路１０の縁全体又は縁の一部を占有する平面１２Ａである。

別の実例において、縁部反射表面は、導波路の主表面の平面において検査されたとき、湾曲した表面１４Ａである。湾曲した表面１４Ａの接線は、導波路内に存続する。

湾曲した表面の正確な形状は、必要とされる光学機能に応じて、例えば、円形、楕円形若しくは放物形、又は任意の他の適切な形状でもよい。

両方の実例において、縁部反射表面１２Ａ、１４Ａは、破線矢印によって視覚化されるように、全内部反射によって前記主表面の間で導波路内を伝播する光線を反射するように適合されて反射することができる。

いくつかの実施例において、図１Ｂに示すように、反射表面１２Ｂは、内側縁部表面、すなわち、導波路内の空所（ｖｏｉｄ）の表面上に位置する。このようにして、前記外側縁部表面から距離を置いて導波路内に位置して、反射表面は、導波路の内側で光学機能を実施するように使用することができる。したがって、反射表面の位置決めは、非常に柔軟である。

いくつかの実施例において、反射表面は、埋め込み光学表面１４Ｂとして、外側（及び任意選択で内側）縁部表面から距離を置いて配置される。すなわち、導波路の内側が必ずしも空所であることを必要としないが、これにより、製造が簡略化される可能性がある。

図１Ｂにおいて、実例だけとして、反射表面１２Ｂの内側縁部は、真っすぐな表面であり、埋め込み反射表面１４Ｂは、湾曲した表面である。配置／生産の方法と形状との任意の組合せが可能である。

いくつかの実施例において、反射表面は、格子を有し、その格子平面は反射表面に対して平行である。導波路面に対して垂直の反射表面の場合、格子の格子ベクトルは、典型的には、主表面の平面に対して平行である。より複雑な機能を実施することができる二次元格子を除外しないが、一次元的に格子をつけた格子が典型的である。

いくつかの実施例において、反射表面は、金属層などの反射層を有する。層は外若しくは内側縁部上の被覆層として生産し、又はそれ自体周知のいくつかの他の技法によって導波路中に埋め込むことができる。

いくつかの実施例において、反射表面は、異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料の薄膜スタック（ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｓｔａｃｋ）を有する。

一実施例において、薄膜スタック及び薄膜スタックの上に加えた反射被覆層が提供される。スタックは、例えば、所定の波長範囲及び入射角に対する吸収フィルタとして、又は制御されたやり方で位相シフトを誘導することができる素子として働くことができる。

同じ又は異なる種類の、及び単一導波路において同じ又は異なる目的に役立つ、１つ又は複数の反射表面でもよい。

いくつかの実施例において、導波路は、典型的にはそれの主表面のうちの少なくとも１つに配置された少なくとも２つの別々の格子領域を有し、反射表面は、格子領域の間を伝播する光線を向け直すように適合される。

１つの具体的な実例において、導波路は、射出瞳拡大素子格子領域と、アウトカップリング格子領域とを有し、射出瞳拡大素子格子領域とアウトカップリング格子領域との間に光学的に配置された１つ又は複数の反射表面がある。

いくつかの実施例において、反射表面は、導波路中に結合された画像を表す光線の組に対して視野圧縮又は復元光学機能を実行するように適合される。

図２はそのような配置の実例を示す。導波路１０は、導波路１０の外側からの光を伝播光として導波路中に結合させるように適合されたインカップリング格子２１を有する。光はインカップリング格子２１から射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）格子２２に向けられ、射出瞳拡大素子格子２２は、少なくとも１つの、典型的には２つの横寸法において光照射野を拡大する。ＥＰＥ格子２２から、光は湾曲した反射表面２３に向けられる。表面２３は凸面鏡を形成し、凸面鏡は、入射光線をアウトカップリング格子２４（又は他のＥＰＥ）の方に向け直し、同時に光照射野を復元する。

図２の配置の利益は、初期光照射野拡大をＥＰＥ２２におけるより小さい空間において実行できることである。

復元の代わりに、光照射野の圧縮を、凹面反射表面を使用して実行することができる。

いくつかの実施例において、導波路は、インカップリング格子領域とアウトカップリング格子領域とを有し、反射表面は、インカップリング格子領域とアウトカップリング格子領域との間に光学的に配置される。

図３はそのような配置の実例を示す。導波路１０は、導波路１０の外側からの光を伝播光として導波路中に結合させるように適合されたインカップリング格子３１を有する。光はインカップリング格子３１から対向する反射表面３３、３４の対に向けられ、反射表面３３、３４が光照射野を拡大してからアウトカップリング格子３８に向けられる。追加の反射表面３２をアウトカップリング格子３８から跳ねて離れる光線の脱出を防止するために素子の側面に設けることができる。

いくつかの実施例において、導波路は、付属又は統合された画像源配置と、少なくとも１つの回折格子とを有し、反射表面は、光画像源配置内及び／又は画像源配置と回折格子との間を伝播する光線を向け直すように適合される。さらに、画像源配置は、導波路と一体の光源素子と、導波路と一体の表示パネルとを有することができ、反射表面は、光源素子と表示パネルとの間を伝播する光線を向け直すように適合される。

図４はそのような配置の実例を示す。導光路１０は、一体光源素子４１と一体表示パネル素子４２とを有する。所望の角度において、及び所望の分布を用いて、導波路の内側の光線を光源からプロジェクタに向け直すように位置決めされた、複数の反射表面４１Ａ〜Ｃも提供される。光源４１、表示パネル４２及び反射表面４３Ａ〜Ｃは、全体で一体画像プロジェクタを形成し、一体画像プロジェクタから、光はアウトカップリング格子４８にさらに向けられる。

追加の一態様によれば、２つの対向する主表面を有する導波路と、導波路の第１の位置に配置された第１の光学素子と、前記主表面に対して垂直であり、主表面の間を延びており、伝播光線を前記第１の光学素子に又は前記第１の光学素子から反射させることによって、特に縁表面を通じて、光を導波路中に又は導波路外に結合させるように適合された、少なくとも１つの反射表面とが提供される。反射表面は、導波路面において平面であっても又は湾曲していてもよい。実際の実装例及び反射表面の位置決めに関しては、上記に説明した原理がこの態様にも適用される。

上記に説明した態様及び実施例は、自由に組み合わせることができる。例えば、同じ又は異なる種類の、及び同じ又は異なる第１の光学素子と第２の光学素子との間に、複数の反射表面があってもよい。

導波路素子は、ニア・アイ・デバイスのようなヘッドマウント表示デバイス又はヘッドアップ表示デバイスなどの個人用シースルー表示デバイスに使用することができる。

Claims (18)

1. 導波路表示素子であって、
   ２つの対向する主表面を有する導波路と、
   前記導波路の第１の位置に配置された第１の回折光学素子と、
   前記導波路の第２の位置に配置された第２の回折光学素子と、
   前記主表面の間で延び、且つ前記導波路内を伝播する光線を反射するように適合された少なくとも１つの反射表面であって、前記第１の回折光学素子からの光線を前記第２の回折光学素子に向け直すように適合された少なくとも１つの反射表面と
   を有し、
   前記反射表面は、前記主表面の平面内で検査されたときに湾曲しており、
   同じ又は異なる種類のそのような複数の湾曲した反射表面であって、同じ又は異なる前記第１及び第２の光学素子の間に配置されたそのような複数の湾曲した反射表面がある、
   導波路表示素子。
2. 前記反射表面が、前記主表面に対して垂直である、請求項１に記載の素子。
3. 前記反射表面が、前記主表面の法線に対して、典型的には最大で２５度傾斜している、請求項１に記載の素子。
4. 前記反射表面が、前記主表面に対して垂直の平面内で検査されたときに湾曲している、請求項１に記載の素子。
5. 前記導波路が、前記主表面の間に延びる少なくとも１つの外側縁部表面を有し、
   前記反射表面が、前記外側縁部表面に位置する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の素子。
6. 前記導波路が、前記主表面の間に延びる少なくとも１つの外側縁部表面を有し、
   前記反射表面が、前記外側縁部表面から所定の距離の前記導波路内に位置している、請求項１から４までのいずれか一項に記載の素子。
7. 前記導波路が、前記主表面の間に延びる内側縁部表面を有する少なくとも１つの空所を有し、
   前記反射表面が、前記外側縁部表面から所定の距離にある前記内側縁部表面に位置している、請求項６に記載の素子。
8. 前記反射表面が、前記光線の反射回折をすることができる格子を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の素子。
9. 前記反射表面が、金属被覆などの反射被覆を有する、請求項１から８までのいずれか一項に記載の素子。
10. 前記反射表面が、薄膜スタックを有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の素子。
11. 前記第１及び第２の回折光学素子が、格子領域を有する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の素子。
12. 前記第１の光学素子が、射出瞳拡大素子格子領域を有し、
    前記第２の光学素子が、アウトカップリング格子領域を有する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の素子。
13. 前記第１の光学素子が、インカップリング格子領域を有し、
    前記第２の光学素子が、アウトカップリング格子領域を有する、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の素子。
14. 前記第１の光学素子が、前記導波路と一体の光源素子を有し、
    前記第２の光学素子が、前記導波路と一体の表示パネルを有する、
    請求項１から１３までのいずれか一項に記載の素子。
15. 前記第１の光学素子が、付属の、又は一体化された画像源構成要素を有し、
    前記第２の光学素子が、射出瞳拡大素子格子領域又はアウトカップリング格子領域などの回折格子領域を有する、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の素子。
16. 前記第１及び第２の光学素子のうちの少なくとも一方が、反射表面であり、特に請求項１から１５までのいずれか一項に記載された反射表面である、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の素子。
17. 前記反射表面が、前記導波路中に結合された画像を表す光線の組に対して視野圧縮又は復元光学機能を実行するように適合されている、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の素子。
18. 請求項１から１７までのいずれか一項に記載の導波路表示素子を有する、ヘッドマウント表示デバイス又はヘッドアップ表示デバイスなどの個人用シースルー表示デバイス。

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