JP2021528688A - 最適効率のための導波路の回転格子の設計 - Google Patents
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Abstract
Description
インカップリング回折光学要素は、導波路上または導波路内に配置され、バーチャル像を表す角度的に関連付けられた画像担持光ビームの範囲を、導波路内に回折し、導波路に沿って伝搬させるように配置される。
アウトカップリング回折光学要素は、導波路上または導波路内に配置され、伝搬してきた画像担持光ビームを、導波路から観察者のアイボックスに向かって回折するように配置される。
回転回折光学要素は、導波路上または導波路内に配置され、インカップリング回折光学要素から伝搬してきた画像担持光ビームを、アウトカップリング回折光学要素に向けて回折するように配置される。
インカップリング回折光学要素、回転回折光学要素、およびアウトカップリング回折光学要素は、導波路の平面上の格子ベクトルによって定義される。これら格子ベクトルの各々は、フィーチャの周期的な列と垂直な方向を有し、フィーチャのピッチと反比例する長さを有している。
インカップリング回折光学要素とアウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルは、異なる長さを有している。インカップリング回折光学要素と、回転回折光学要素と、アウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルの合計は、実質的にゼロである。
θC=sin-1(n2/n1)
θC<θI <θE
θO=(θC+θE)/2
ここで、m=0、+1、+2・・・は回折次数を示す。λ=λo/ninは導波路の基板Sを通過する光線Rの有効波長であり、ninは基板材料の屈折率であり、λoは真空中での光線Rの波長であり、dは格子のピッチであり、κは正のx軸方向に対する格子ベクトルΚの角度であり、θinは入射光線がz軸(格子の法線)に対してなす極角であり、φinは入射光線の投影がxy平面におけるx軸に対してなす方位角である。入射光線がxz平面にあり、−x軸から+x軸方向に向かってくる場合、方位角φinはゼロ、すなわちφin=0となる。
φout=arccos(xm/r)
θout= arcsin(r)
sin(2κ)=cos(φout)
ΚIN=(2π/ΛIN)KΛ IN
回転回折光学要素TOは、格子ベクトルΚTを有する。格子ベクトルΚTは 数学的に下記のように表すことができる。
ΚT=(2π/ΛT)KΛ T
アウトカップリング回折光学要素ODOは、格子ベクトルΚOUTを有する。格子ベクトルΚOUTは 数学的に下記のように表すことができる。
ΚOUT=(2π/ΛOUT)KΛ OUT
すなわち、3つの格子ベクトルΚIN、ΚT、ΚOUTが、好ましくは合計するとゼロに近い大きさになる。所望の画質を維持するための許容範囲内で、製造上の現実を受け入れるために、ある程度の許容範囲が必要である。
Claims (9)
- バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、
透明な基板と内側表面と外側表面を有する導波路と、
前記導波路上または前記導波路内に配置され、バーチャル像を示す角度的に関連付けられた画像担持光ビームの範囲を、前記導波路に沿って伝播させるために、前記導波路内に回折するように構成されたインカップリング回折光学要素と、
前記導波路上または前記導波路内に配置され、伝播してきた前記画像担持光ビームを、前記導波路から観察者のアイボックスへと回折するように構成されたアウトカップリング回折光学要素と、
前記導波路上または前記導波路内に配置され、前記インカップリング回折光学要素から伝播してきた前記画像担持光ビームを、前記アウトカップリング回折光学要素に向けて回折するように構成された回転回折光学要素と、
を備え、
前記内側表面と前記外側表面が前記導波路の平面と平行をなしており、
前記インカップリング回折光学要素と前記回転回折光学要素と前記アウトカップリング回折光学要素は、それぞれ前記導波路の平面上の格子ベクトルにより定義され、前記格子ベクトルの各々は、周期的なフィーチャの列と直交する方向を有し、前記フィーチャのピッチと反比例する長さを有し、
前記インカップリング回折光学要素と前記アウトカップリング回折光学要素の前記格子ベクトルは、異なる長さを有し、
前記インカップリング回折光学要素と前記回転回折光学要素と前記アウトカップリング回折光学要素の前記格子ベクトルの合計が実質的にゼロである、画像光ガイド。 - 前記インカップリング回折光学要素と前記回転回折光学要素と前記アウトカップリング回折光学要素の前記格子ベクトルが、全て異なる長さを有している、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記インカップリング回折光学要素の格子ベクトルをΚINとし、前記インカップリング回折光学要素のピッチをΛINとし、前記インカップリング回折光学要素の回折格子ベクトルΚINの方向の単位ベクトルをΚΛ INとしたとき、前記格子ベクトルΚINが数学的に次式で定義され、
KIN=(2π/ΛIN)KΛ IN
前記回転回折光学要素の格子ベクトルをΚTとし、前記回転回折光学要素のピッチをΛTとし、前記回転回折光学要素の回折格子ベクトルΚTの方向の単位ベクトルをΚΛ Tとしたとき、前記格子ベクトルΚTが数学的に次式で定義され、
KT=(2π/ΛT)KΛ T
前記アウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルをΚOUTとし、前記アウトカップリング回折光学要素のピッチをΛOUTとし、前記アウトカップリング回折光学要素の回折格子ベクトルΚOUTの方向の単位ベクトルをΚΛ OUTとしたとき、前記格子ベクトルΚOUTが数学的に次式で定義され、
KOUT=(2π/ΛOUT)KΛ OUT
前記格子ベクトルΚIN,ΚT,ΚOUTの合計が実質的にゼロの大きさである、請求項1に記載の画像光ガイド。 - 前記インカップリング回折光学要素が、バーチャル像を示す角度的に関連付けられた画像担持光ビームの範囲を、前記導波路内へ回折し、これにより、角度的に関連付けられたビームのエンコードされた集合として、前記導波路の前記内側表面と前記外側表面に対する制限された範囲の入射角で伝播させ、
前記回転回折光学要素が、前記角度的に関連付けられたビームのエンコードされた集合を、前記導波路の前記内側表面と前記外側表面に対する前記制限された範囲の入射角と実質的に同じ角度範囲で回折することを特徴とする請求項1に記載の画像光ガイド。 - 前記導波路に沿って光を全内部反射によって伝播するための臨界角をθCとし、前記角度的に関連付けられた画像担持光ビームの1つの光線が前記回転回折光学要素またはアウトカップリング回折光学要素との少なくとも1回の必要な遭遇を逃がすときの最端の極角をθEとすると、
前記制限された範囲の入射角は許容される極角θIの範囲内にあり、この極角θIは次式
θC<θI<θE
で表される、請求項4に記載の画像光ガイド。 - バーチャル像の中心近くのピクセルを表す角度的に関連するビームに対応する中心光線が、前記中心光線と、前記導波路の前記外側表面および前記内側表面の法線との間で測定される所与の極角θOで、前記導波路内に回折され、
前記回転回折光学要素は、前記中心光線を実質的に同じ極角θOで回折して、さらに前記導波路に沿って前記アウトカップリング回折光学要素に向かって伝搬させるように構成されている、請求項1に記載の画像光ガイド。 - 前記導波路に沿って全内部反射によって伝播するための臨界角をθCとし、前記角度的に関連付けられた画像担持光ビームの1つの光線が前記回転回折光学要素またはアウトカップリング回折光学要素との少なくとも1回の必要な遭遇を逃がすときの最端の極角をθEとすると、
前記所与の極角θOは、プラスマイナス2度の許容差内で次式
θO=(θC+θE)/2
から導かれる、請求項6に記載の画像光ガイド。 - 前記インカップリング回折光学要素は、選択された前記中心光線が前記導波路に入射する非垂直方向から、選択された前記中心光線を前記導波路内に回折するように構成されている、請求項6に記載の画像光ガイド
- 前記アウトカップリング回折光学要素は、選択された前記中心光線を、前記導波路に対して対応する非垂直方向で、前記導波路から回折するように構成されている、請求項7に記載の画像光ガイド。
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