JP2021518924A - 表示装置の適用例のための回折射出瞳拡大素子装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、表示装置の適用例のための回折射出瞳拡大素子装置に関する。この装置は、射出瞳拡大素子を備え、第１の平面に配置された第１の光導体素子と、インカプラを備え、第２の平面に配置された第２の光導体素子とを備える。インカプラは、射出瞳拡大素子に光学的に結合される。さらに、第１の光導体素子は、光の伝播を反射によって前記第１の平面において横方向に閉じ込めるように配置され、第１の平面と第２の平面とは、互いに対してある角度で配置される。

Description

本発明は、光学デバイスに関する。詳細には、本発明は、ニア・アイ表示装置（ＮＥＤ：ｎｅａｒ−ｔｏ−ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）、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）などの表示デバイスに使用される回折射出瞳拡大素子に関する。

ＮＥＤ、ＨＭＤ、及びＨＵＤは、典型的には、プロジェクタと合成素子との２つの基本部分を含む。プロジェクタは、合成素子の助けによりユーザの現実世界表示の上に重ね合わせる虚像を生成する。ＮＥＤ及びＨＭＤにおいて、合成素子は、典型的には、半透明であり、目から１〜３ｃｍの距離に位置する。合成素子は、半透明鏡又は回折、ホログラフィック若しくは反射光導体、又は自由形式プリズムなどのより複雑な光学組立品であり得る。

回折光導体は、典型的には、内結合された光ビームを１つ又は２つの方向に拡大する回折射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）を含む。光導体の内側の二方向へのビーム拡大により、非常に小さな開口絞りを有するプロジェクタの使用が可能になる。小さな開口絞りにより、投影光学系のＦ値が低減し、高い視野（ＦＯＶ）に向けて設計することがより容易になる。開口絞りのサイズは、プロジェクタのサイズにも相関しており、開口絞りが小さければ小さいほど、固定されたＦＯＶに対してプロジェクタも小さくなる。

光導体の内側のビーム拡大のためのいくつかの格子幾何形状が、これまで提示されてきた。これらのすべての解決策において、光導体は、光導体の内側の光伝播を光導体表面の面法線に平行である一方向に閉じ込める２つの平行な平面からなる。他の二方向には、光は自由に伝播し、拡散することができる。これは、典型的には、大きなＦＯＶを用いると、光導体の物理的サイズがウェアラブル表示装置には大きくなり過ぎるという問題をもたらす。

１Ｄ ＥＰＥ光導体の不利点は、プロジェクタによって照射されることを必要とする大きなインカプラである。これにより、プロジェクタ・サイズが非常に増加し、大きなＦＯＶ（＞４０度）を有する１Ｄ光導体が典型的には使用されないほどになる。特許文献１では、一次元の射出瞳拡大が、主光導体のインカプラの正面の別個の光導体を用いて行われる解決策が提示されている。この方式における欠点課題は、最初の光導体が実際の適用例には、特に大きなＦＯＶの適用例には広くなり過ぎることである。これにより、インカプラの幅が大きくなるにつれて、主光導体におけるインカップリング・プロセスの効率も減少し、内結合された光線がインカプラに再度当たり、エネルギーの一部が外結合される。

米国特許第７５７６９１６号明細書

上述の問題のうちの少なくともいくつかを克服し、特に、大きな射出瞳を有するコンパクトな回折光導体表示装置を可能にする解決策を提供することが、本発明の目的である。目的は、大きなＦＯＶ（＞４０度）を必要とする適用例に適切な解決策を提供することでもある。

目的は、本明細書において特許請求されている本発明によって実現される。

本発明は、回折光導体素子のカスケードを使用する考えに基づいており、回折光導体素子の光導体面は、互いに対してある角度で配置される。このようにして、回折表示装置の射出瞳は、以下に説明するように、１Ｄ ＥＰＥを有する小さな第１の光導体が使用されても、画像歪みなく拡大させることができる。

したがって、本発明は、表示装置の適用例のための回折射出瞳拡大素子装置（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ ｅｘｐａｎｄｅｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を提供し、この装置は、射出瞳拡大素子を備え、第１の平面に配置された第１の光導体素子（拡大光導体）と、インカプラを備え、第２の平面に配置された第２の光導体素子（主光導体）とを備える。インカプラは、射出瞳拡大素子に光学的に結合される。さらに、第１の光導体素子は、光の伝播を反射によって前記第１の平面において横方向に閉じ込めるように配置され、第１の平面と第２の平面とは、互いに対してある角度で配置される。

本発明は、上記の種類の回折射出瞳拡大素子装置を備える表示素子と、画像を表示素子に投影するためのマイクロプロジェクタとを備える個人用表示デバイスも提供する。画像の射出瞳は、第１の光導体において第１の次元で、第２の光導体において第２の次元で拡大される。

本発明は顕著な利益を提供する。第１の光導体の内側の二方向への光伝播の閉じ込めにより、よりコンパクトな、効率的な及びより軽量のウェアラブル表示装置解決策の設計が可能になる。閉じ込めにより、光は、横方向平面において拡大光導体の内側で自由に拡散されず、光伝播方向に垂直の方向に狭くなったままに保持され得る。

拡大光導体は、単層導波路又は多層光導体スタックを備えることができる。後者の場合でも、横方向サイズが２Ｄ光閉じ込めにより小さいので大きな重量増加はない。多層導波路は、ＦＯＶを最大化するのにも使用することができる。

主光導体は、好ましくは、単層導波路であり、単層導波路は、それにおけるゴースト像の形成を防止することに加えて、低重量、低費用及び良好な透過特性を確保する。

従属請求項は、そのように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、第１の光導体素子は、第１の平面に垂直に配置された横方向側壁を備える。横方向光閉じ込めは、横方向側壁における反射によって実現される。側壁は、好ましくは、正確な反射を確保するために研磨された品質である。側壁は、全内部反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって光を反射するように配置することができ、又はそれらには金属被覆などの反射被覆を施すことができる。

２つの光導体の間の角度は、４５度など、例えば１〜７０度、典型的には２０〜６０度であり得る。

いくつかの実施例において、回折射出瞳拡大素子は、射出瞳を第１の次元で拡大するように適合され、アウトカプラは、射出瞳を第１の次元に垂直の第２の次元で拡大するように適合される。典型的には、平面の間の角度は、第１の次元に平行の回転軸を中心として画定される。

次に、添付の図面を参照して、本発明の選択された実施例をより詳細に説明する。

５２度ＦＯＶ画像の（ｋｘ，ｋｙ）平面における波動ベクトル図である。 二次元光閉じ込めなしの光導体における光拡散を示す図である。 二次元光閉じ込めを有するビーム拡大光導体の（ｋｘ，ｋｙ）平面における波動ベクトル図である。 一次元射出瞳拡大を有する主光導体を示す図である。 二次元光閉じ込めを有する拡大光導体を示す図である。 拡大光導体を有する主光導体の側面図である。 拡大光導体を有する主光導体の斜視図である。

いくつかの実施例において、射出瞳が第１の光導体において第１の次元で拡大されてから第２の光導体に結合する回折光導体のカスケードが提供される。第１の光導体は、二次元光閉じ込めが可能であり、すなわち、従来どおり、閉じ込めが光導体面に垂直だけでなく、横方向にもできる。閉じ込めの副次的影響、すなわち、形成される鏡像は、光導体、又は少なくともそれらの光インターフェースを互いに対してある角度で配置することによって処理される。このため、第２の光導体からの鏡像のアウトカプリングを防止することができる。

回折光導体における二次元射出瞳拡大は、典型的には、光導体の内側の２つの主伝播方向を使用する。虚像が典型的には１６：９の縦横比を有するので、一次元射出瞳拡大を有する光導体は、２Ｄ ＥＰＥを有する光導体よりも高いＦＯＶを支持することができる。これは図１に波動ベクトル図を用いて示す。光導体はｘｙ平面に存在し、したがって、光伝播は正規化された波動ベクトルのｘ及びｙ成分を介して分析できることが想定される。この実例における光導体は、２．０の屈折率を有する。半径１．０及び半径２．０で画定された環帯に位置するＦＯＶ点は、全内部反射を介して光導体中を伝播する。半径２．０の円の外側の点は、禁止され、決して存在しない。中央のＦＯＶの四角形は、プロジェクタから来る入射光線の波動ベクトルを表す。ここで、１６：９の縦横比を有する５２度のＦＯＶが想定される。ＦＯＶの四角形が６時の位置にあるとき、可視波長を通したＦＯＶ全体は１．０／２．０の環帯に適合し、その一方で、３時の位置において、赤色光のＦＯＶが２．０の円の境界に部分的に重なり合うことが分かる。これらの位置の両方が、２Ｄ ＥＰＥを有する従来の光導体には必要とされるが、１Ｄ ＥＰＥを有する光導体は、６時の位置だけを必要とする。

光導体２０におけるインカプラ２１からの光拡散を図２に示す。

光拡散は、二次元光閉じ込めを使用することによって解決することができる。光は、光導体の主表面からだけでなく、光導体の側壁からも反射される。光導体の側壁からの反射が、外結合もされる鏡像を生成するので、この方式は、一般に使用されない。本発明は、鏡像を外結合させない形状を使用することによって鏡像問題を解決している。これは光導体を傾斜させることによって実現され、したがって、プロジェクタから来る画像が波動ベクトル図において中心位置ではなく、傾斜によるシフトとして現れる。これを図３に示す。ここで、ｘ軸を中心とした４５度の傾斜が想定される。インカプラ（ＩＣ）は、光を１．０／２．０の環帯に内結合させ、側壁からの鏡面反射（Ｍ）（ｙ軸に平行の面法線）は、環帯の内側のｙ方向において画像を上下にシフトさせる。アウトカプラ（ＯＣ）は、半径２．０の円の外側にミラーを移動させる。これらのモードは存在せず、したがって、アウトカプラは、鏡像をＴＩＲ反射だけさせるが、正像を外結合させる。

図４は、現在開示している２Ｄ光閉じ込めを有する拡大光導体とともに使用することができる主光導体４１を示す。光導体４１は、インカプラ４２とアウトカプラ４３とを有する。インカプラ４２は、光導体４１の第１の位置に配置され、その格子線は、光をアウトカプラ４３に向けて回折させるように方向付けられ、アウトカプラ４３は、インカプラ４２に対して横方向に位置する。アウトカプラは、射出瞳を光の伝播方向に拡大するように適合される。インカプラ４２の領域は、典型的には、少なくとも主光導体面における拡大光導体の射出瞳拡大素子の投影に対応し、それから到来する光を最大限に捕獲するようにする。

図５は拡大光導体５１を示す。拡大光導体５１は、インカプラ５２と１Ｄ射出瞳拡大素子５３（主光導体４１のインカプラ４２に供給するための拡大光導体５１のアウトカプラとしても働く）とを有する。光は、光伝播中に光導体の側壁５４Ａ、５４Ｂから反射される。画像歪みを回避するために、側壁は、光学面品質（好ましくは研磨された光学的品質）を有し、光導体の主表面に対して正確に垂直でもある。インカプラ５２及び射出瞳拡大素子５３の格子線の向きは、その主軸に対して、例えば４５度だけ斜めにすることができる。

主光導体４１及び拡大光導体５１を有する全システムを図６及び７に示す。光導体４１、５１の平面の間には角度αがある。ユーザの目の瞳孔が位置するべきアイボックスを参照数字７３で表す。

図６において、適切なマイクロプロジェクタからの初期光は、上から、すなわち、拡大光導体５１の側面からインカプラ５２に到来するように示される。代替構成においては、初期光は反対方向から到来する。一実施例においては、図６に示すように、プロジェクタは、第２の光導体４１の平面に垂直に及び第１の光導体５１の平面に対して斜めに向けられる。

拡大光導体及び主光導体のインカプラ、射出瞳拡大素子並びにアウトカプラは、典型的には、回折格子を備え、回折格子は、本明細書において、一次元（線形）格子であり得るが、同じ目的を果たす他の種類の回折光学素子を使用することもできる。

拡大光導体ガイドは、ＦＯＶを最大化するために多層を備えることができる。

いくつかの実施例において、第１の光導体素子の横方向の幅は、第２の光導体における光線の最大ホップ長、すなわち、光導体の表面上の伝播光線の反射の連続的な点の間の距離以下である。

拡大光導体のサイズが、変わったガラス材料（例えばＴｉＯ_２）でも顕著な費用又は重量増加なく使用できるほど小さいので、それは主光導体よりも高い屈折率を有することもできる。

拡大光導体の屈折率は、典型的には、１．７から２．３の間で選択されるが、主光導体の屈折率は、同じか又はより小さい。

本発明の基本的な考えは、実際には様々なやり方で実装することができる。したがって、本発明及び本発明の実施例は、上記に説明した実例に決して限定されないが、それらは特許請求の範囲により変化する場合がある。

Claims (15)

1. 表示装置の適用例のための回折射出瞳拡大素子装置であって、
   射出瞳拡大素子を備え、第１の平面に配置された第１の光導体素子と、
   インカプラを備え、第２の平面に配置された第２の光導体素子であって、前記インカプラが、前記射出瞳拡大素子に光学的に結合される、第２の光導体素子と
   を備え、
   前記第１の光導体素子が、光の伝播を反射によって前記第１の平面において横方向に閉じ込めるように配置され、
   前記第１の平面と前記第２の平面とが、互いに対してある角度で配置され、
   前記第１の光導体素子の前記射出瞳拡大素子が、前記射出瞳を第１の次元において拡大するように適合された射出瞳拡大素子格子であり、
   前記第２の光導体素子の前記インカプラが、インカプラ格子であり、
   前記角度が、２０〜６０度であり、前記角度が、前記第１の次元に平行の軸を中心として画定される、装置。
2. 前記第１の光導体素子が、前記第１の平面に垂直に配置された横方向側壁を備え、光の伝播を前記横方向側壁における反射によって閉じ込めるように配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記側壁が、光学的品質である、請求項２に記載の装置。
4. 前記側壁が、全内部反射によって光を反射するように配置され、又は前記側壁に、反射被覆が施される、請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記アウトカプラが、前記射出瞳を第１の次元に垂直の第２の次元において拡大するように適合される、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の光導体素子が、前記射出瞳拡大素子に光学的に結合されたインカプラをさらに備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１の光導体の前記インカプラが、前記第２の平面に垂直に検査されたとき、前記第２の光導体素子の実装面積の外側に位置する、請求項６に記載の装置。
8. 前記インカプラ及び射出瞳拡大素子が、格子線が前記光導体の主軸に対して斜めである格子を備える、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記第２の光導体素子が、前記第２の光導体素子の前記インカプラに光学的に結合されたアウトカプラをさらに備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記横方向閉じ込めが、前記第１の光導体素子中を伝播する初期画像の鏡像を生成し、
    前記角度が、前記アウトカプラが鏡像を反射するが、正像を外結合させるように選択される、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１の光導体素子が、複数の光導体層を備える、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１の光導体素子の前記横方向の幅が、第２の光導体における光線の最大ホップ長以下である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の装置。
13. 前記第１の光導体素子が、前記第２の光導体素子よりも高い屈折率を有する光導体材料を備える、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の装置。
14. 個人用表示デバイスであって、
    請求項１から１３までのいずれか一項に記載の回折射出瞳拡大素子装置を備える表示素子と、
    前記表示素子に画像を投影するためのマイクロプロジェクタと
    を備える個人用表示デバイス。
15. 回折表示装置の射出瞳を拡大するために光導体面が互いに対してある角度で配置される回折光導体素子のカスケードの使用。

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