JP2022550499A - 透明導波構造を有する透明照明層 - Google Patents

Abstract

光学要素は、透明層と、アウトカップリング素子と、導波構造とを含む。アウトカップリング素子は、透明層にわたって位置付けられている。導波構造は、不可視光をアウトカップリング素子へと提供し、アウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングする。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１９年１０月５日に提出された米国仮特許出願第６２／９１１，２１４号に対する優先権を主張する。

本開示は、概して、ヘッドマウントデバイス、光学システム、およびニアアイ光学要素に関し、特定の実施形態において、ヘッドマウントデバイス、光学システム、ならびに、透明照明層および透明導波構造を有するニアアイ光学要素に関する。

目標物を照明するための一般的な技法は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの１つ以上の光源を目標物に向けることである。しかし、従来の光源は、著しいオクルージョンを光学システムにもたらすのに十分に大きいフットプリントを有する。ヘッドマウントデバイスの特定の文脈において、著しいオクルージョンを光学システムにもたらすことなく眼の領域を照明することが望ましい場合がある。

本発明の一態様によるヘッドマウントデバイスは、フレームと、フレームと結合されている近赤外光源であって、近赤外光源は、近赤外光を放出するように構成されている、近赤外光源と、フレームに固定されている光学要素とを備え、光学要素は、透明層と、
透明層にわたって分散されている複数のアウトカップリング素子と、フレームと結合されている近赤外光源から近赤外光を受け取るように構成されている透明導波構造とを含んでおり、透明導波構造は、近赤外光源からの近赤外光をアウトカップリング素子へと送達するように構成されており、アウトカップリング素子は、パターン化近赤外照明光によって眼の領域を照明するために、近赤外光を近赤外照明光としてアウトカップリングするように構成されている。

いくつかの実施形態において、透明導波構造は、透明コアと、透明クラッド層とを有する。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子は、直径が７５マイクロメートル未満であり、ヘッドマウントデバイスの観察者にとっては目立たないものである。

本発明の別の態様による光学システムは、
不可視光を放出するように構成されている不可視光源と、
透明層と、
透明層にわたって位置付けられている複数のアウトカップリング素子と、
不可視光源からの不可視光をアウトカップリング素子へと送達するように構成されている導波構造とを備え、アウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されている。

いくつかの実施形態において、複数のアウトカップリング素子の中の第１のアウトカップリング素子が、不可視照明光を、第１の発散角を有する第１の光円錐としてアウトカップリングするように構成されており、複数のアウトカップリング素子の中の第２のアウトカップリング素子が、不可視照明光を、第１の発散角と異なる第２の発散角を有する第２の光円錐としてアウトカップリングするように構成されている。

いくつかの実施形態において、導波構造は、不可視光を導波構造に閉じ込めるための透明誘電体材料を含む。

いくつかの実施形態において、導波構造に使用される材料は、可視光に対して透明である。

いくつかの実施形態において、導波構造は、不可視光源と、複数のアウトカップリング素子の少なくとも一部分との間に結合されている。

いくつかの実施形態において、導波構造は、不可視光源とアウトカップリング素子との間の間接湾曲経路に従う。

いくつかの実施形態において、不可視光源は、レーザ源、スーパールミネッセント発光ダイオード（Ｓ－ＬＥＤ）、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、または集積レーザアレイのうちの少なくとも１つを含む。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子の少なくとも一部分は、７５マイクロメートル未満である。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子の少なくとも一部分は、不可視照明光を眼の領域に向けてアウトカップリングするように構成されている裏面反射器を含む。

いくつかの実施形態において、裏面反射器は、金属層またはブラッグ反射器のうちの少なくとも一方を含む。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子は、出力格子およびビーム整形素子を含む。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子は、光学システムのユーザの眼の視野（ＦＯＶ）内にある。

いくつかの実施形態において、光学システムは、不可視光源から不可視光を受け取り、不可視光を導波構造に入射させるように構成されている入力結合構造をさらに備える。

いくつかの実施形態において、光学システムは、第２の不可視光を放出するように構成されている第２の不可視光源と、透明層にわたって位置付けられている第２の複数のアウトカップリング素子と、第２の不可視光を第２の複数のアウトカップリング素子へと送達するように構成されている第２の導波構造とを備え、第２の複数のアウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、第２の不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されている。

いくつかの実施形態において、光学システムは、不可視光源によって放出された不可視光を導波構造にインカップリングするように構成されている入力結合器をさらに備える。

本発明の別の態様によるニアアイ光学要素は、
透明層と、
透明層とともに配置されているアウトカップリング素子と、
近赤外光源から受け取られた近赤外光を閉じ込めるように構成されている透明導波構造とを備え、透明導波構造は、近赤外光をアウトカップリング素子へと送達するように構成されており、アウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、近赤外光をパターン化近赤外照明光としてアウトカップリングするように構成されている。

いくつかの実施形態において、アウトカップリング素子は、７５マイクロメートル未満である。

第１の態様、第２の態様または第３の態様に組み込むのに適しているものとして本明細書に記載されている任意の特徴は、本開示のあらゆる態様および実施形態にわたって一般化可能であるように意図されていることが諒解されよう。

本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態を以下の図を参照して説明するが、ここで、特に指定されない限り、同様の参照番号は、様々な図全体を通して同様の部分を指す。

本開示の態様による例示的なヘッドマウントデバイスを示す図である。 本開示の一実施形態による、透明層と、導波構造と、アウトカップリング素子とを有する照明層を含む例示的な光学要素を示す図である。 本開示の態様による、入力結合器、導波構造、およびアウトカップリング素子の機能図である。 本開示の態様による、例示的な入力結合器の側面図である。 本開示の態様による、リッジ導波構造を示す図である。 本開示の態様による、リブ導波構造を示す図である。 本開示の態様による、眼に向かう方向において不可視照明光を生成する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、格子、反射器、およびビーム整形素子を有する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、格子、反射器、およびビーム整形素子を有する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、ミラーを有する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、ミラーを有する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、ミラーを有する例示的なアウトカップリング素子を示す図である。 本開示の態様による、透明層にわたって分散されている複数のアウトカップリング素子を有する照明層を含む例示的な光学要素を示す図である。 本開示の態様による、単一の不可視光源から導波構造に入る不可視光を受け取るように構成されている光学要素、および、不可視光を複数のアウトカップリング素子へと分散させる導波構造を示す図である。

透明層および照明のための透明層の実施形態が、本明細書に記載されている。以下の説明では、多くの具体的な詳細は、実施形態の徹底的な理解を提供するために、記載されている。しかしながら、関連技術の当業者は、本明細書に記載された技法が、１つ以上の特定の詳細なしで、または他の方法、構成要素、材料などを用いて実践され得ることを認識するであろう。他の例では、特定の態様を不明瞭にしないために、周知の構造、材料、または操作は、詳細に図示または説明しない。

本明細書全体を通して「１つの実施形態」または「一実施形態」への参照というのは、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所における「１つの実施形態では」または「一実施形態では」という句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わせることができる。

本開示のいくつかの実装態様において、「ニアアイ」という用語は、ニアアイデバイスが利用されている間にユーザの眼の５０ｍｍ以内に配置されるように構成されている要素を含むものとして定義され得る。したがって、「ニアアイ光学要素」または「ニアアイシステム」は、ユーザの眼の５０ｍｍ以内に配置されるように構成されている１つ以上の要素を含む。

本開示の態様において、可視光は、約３８０ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲を有するものとして定義され得る。不可視光は、紫外光および赤外光などの、可視光範囲外にある波長を有する光として定義され得る。約７００ｎｍ～１ｍｍの波長範囲を有する赤外光が、近赤外光を含む。本開示の態様において、近赤外光は、約８００ｎｍ～１．６μｍの波長範囲を有するものとして定義され得る。

透明層にわたって照明光学システムを作成することは、典型的には、透明層にわたって光源を配置することと、導電体を光源へとルーティングすることとを含む。しかしながら、たとえ光源が小さい場合であっても、光源は光学システムにオクルージョンをもたらし、光源に給電するためにルーティングされる電気トレースが、望ましくない回折効果を引き起こす場合がある。スマートグラス、拡張現実（ＡＲ）ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、または仮想現実（ＶＲ）ＨＭＤなどのヘッドマウントデバイスの文脈において、ヘッドマウントデバイスのユーザの視野（ＦＯＶ）内で透明層から眼の領域を照明することが有利であり得る。いくつかの文脈において、眼の領域は、例えば、眼を追跡する目的で眼をイメージングするために不可視照明光（例えば、近赤外光）によって照明される。

本開示の態様において、レンズのような形状の透明層を、ヘッドマウントデバイスのフレームに取り付けることができる。透明導波構造が、ＬＥＤ、スーパールミネッセント発光ダイオード（Ｓ－ＬＥＤ）、または垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの１つ以上の光源から不可視光を受け取る。透明導波構造は、不可視光を、透明層にわたって配置されているアウトカップリング素子へと送達する。アウトカップリング素子は、受け取った不可視光を、不可視照明光として、眼の領域に向ける。不可視光をイメージングするように構成されているカメラが、その後、不可視照明光によって照明されている眼の眼追跡画像を捕捉することができる。これらおよび他の実施形態は、図１～図５に関連してより詳細に説明される。

図１は、本開示の態様による例示的なヘッドマウントデバイス１００を示す。ヘッドマウントデバイス１００などのヘッドマウントデバイスは、一種のスマートデバイスである。いくつかの文脈において、ヘッドマウントデバイス１００はまた、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）でもある。人工現実は、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組み合わせおよび／もしくは派生形を含むことができ、ユーザに提示される前に何らかの様式で調整されている現実感の一形態である。

ヘッドマウントデバイス１００の例示の実施例は、フレーム１０２と、テンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂと、ニアアイ光学要素１０６Ａおよびニアアイ光学要素１０６Ｂとを含むものとして示されている。図１はまた、ニアアイ光学要素１０６Ａの一実施例の分解図も示している。ニアアイ光学要素１０６Ａは、照明層１１０およびディスプレイ層１２０を含むものとして示されている。

図１に示すように、フレーム１０２は、ヘッドマウントデバイス１００をユーザの頭部に固定するために、テンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂに結合されている。例示的なヘッドマウントデバイス１００はまた、フレーム１０２ならびに／またはテンプルアーム１０４Ａおよび１０４Ｂに組み込まれている支持ハードウェアも含んでもよい。ヘッドマウントデバイス１００のハードウェアは、処理論理と、データを送受信するための有線および／または無線データインターフェースと、グラフィックプロセッサと、データおよびコンピュータ実行可能命令を記憶するための１つ以上のメモリのいずれかとを含むことができる。一例において、ヘッドマウントデバイス１００は、有線電力を受け取るように構成することができ、および／または、１つ以上の電池によって給電されるように構成することができる。加えて、ヘッドマウントデバイス１００は、ビデオデータを含む有線および／または無線データを受信するように構成することができる。

図１は、フレーム１０２に取り付けられるように構成されているニアアイ光学要素１０６Ａおよび１０６Ｂを示す。フレーム１０２は、ニアアイ光学要素１０６Ａおよび１０６Ｂの周縁の少なくとも一部分を取り囲むことによって、ニアアイ光学要素１０６Ａおよび１０６Ｂを収容することができる。ニアアイ光学要素１０６Ａは、ニアアイ光学要素１０６Ａの世界側１１２の可視シーン光１２２を受け取るように構成されている。可視シーン光１２２は、光学要素１０６Ａを通じて、光学要素１０６Ａの眼側１０９でヘッドマウントデバイスのユーザの眼へと伝播する。いくつかの例において、ニアアイ光学要素１０６Ａは、拡張現実または混合現実を促進するために、ユーザにとって透明または半透明とすることができ、結果、ユーザは、ディスプレイ層１２０によってユーザの眼（複数可）に向けられたディスプレイ光１２３も受け取りながら、環境からの可視シーン光１２２を見ることができる。ディスプレイ層１２０内に含まれる導波路１２５を利用して、電子ディスプレイによって生成されるディスプレイ光１２３を眼に向かう方向に向けることができるが、他のディスプレイ技術も、ディスプレイ層１２０に利用されてもよい。いくつかの実装態様において、電子ディスプレイの少なくとも一部分は、ヘッドマウントデバイス１００のフレーム１０２内に含まれる。電子ディスプレイは、ディスプレイ光１２３を生成するための、ＬＣＤ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ、ピコプロジェクタ、またはシリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含んでもよい。

さらなる例において、ニアアイ光学要素１０６Ａおよび１０６Ｂの一部またはすべては、仮想現実ヘッドセットに組み込まれてもよく、仮想現実ヘッドセットにおいては、ニアアイ光学要素１０６Ａおよび１０６Ｂが透明であることによって、ユーザが、仮想現実ヘッドセット内に組み込まれている電子ディスプレイ（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイなど）を見ることができる。この文脈において、ディスプレイ層１２０は、電子ディスプレイに置き換えられてもよい。

照明層１１０は、光学ポリマー、ガラス、透明ウェハ（高純度半絶縁ＳｉＣウェハなど）またはこの目的に使用される任意の他の透明材料から形成されてもよい透明層を含む。導波構造１０８は、フレーム１０２と結合されている不可視光源から不可視光を受け取るように構成されている。導波構造１０８は、不可視光源からの不可視光を、図１のアウトカップリング素子１１１へと送達するように構成されている。１つの導波構造１０８および１つのアウトカップリング素子１１１のみが図１に示されているが、いくつかの実施態様においては、複数のアウトカップリング素子があってもよい。１つ以上のアウトカップリング素子１１１は、眼の領域を照明するために、導波構造１０８内を伝播する不可視光を不可視照明光１１３としてアウトカップリングするように構成されている。

不可視照明光１１３は、いくつかの態様において、近赤外光であってもよい。導波構造１０８のための不可視光を生成する不可視光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）、端面放射型ＬＥＤ、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、オンチップ集積レーザ、ハイブリッド集積レーザ、またはスーパールミネッセントダイオード（Ｓ－ＬＥＤ）のうちの１つ以上を含んでもよい。アーキテクチャに応じて、単一の光源または光源アレイを使用することができる。単一の光源が使用される場合、導波路スプリッタを使用して、光を複数の出力に分散させることができる。光源は、ユーザのＦＯＶ（視野）の外に出るように、フレームに埋め込むことができる。光源のアレイが使用される場合、各光源が１つの出力を供給することができ、結果、導波路スプリッタは必要ない。導波路スプリッタは、１つの導波路の出力を複数の導波管に分割するために使用することができる。例えば、Ｙ字形スプリッタは、単一の導波路を、平衡した出力または指定の不平衡な出力を有する２つのチャネルに分割することができる。１×２ＭＭＩ（マルチモード干渉計）結合器は、Ｙスプリッタと同様に機能することができ、１×４ＭＭＩスプリッタは、単一の導波路を４つのチャネルに分割することができ、他様々である。マッハツェンダー干渉計も、導波路の光出力を分割するのに使用することができる。

いくつかの実装態様において、眼の領域から反射した反射不可視照明光をカメラ（例えば、カメラ１７０）に向けて、眼追跡画像を捕捉するために、コンバイナ層（図示せず）が、任意選択的に、ディスプレイ層１２０と照明層１１０との間に配置される。いくつかの実装態様において、カメラ１７０は、眼の領域から反射する反射不可視照明光をイメージングすることによって眼を直接的にイメージングするように位置付けられる。カメラ１７０は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサを含んでもよい。不可視照明光１１３が赤外光である場合、狭帯域赤外線波長を受け取る赤外線フィルタを、画像センサの上に配置することができ、そのため、センサは、可視光波長を含め、この狭帯域の外側の波長を拒否しながら、狭帯域赤外線波長に対して感受性である。

図１に示すように、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８は、ニアアイ光学要素１０６Ａによって提供されるユーザの視野（ＦＯＶ）内に配置される。アウトカップリング素子１１１は、ニアアイ光学要素１０６Ａにわずかなオクルージョンまたは不均一性をもたらす場合があるが、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８は、ヘッドマウントデバイス１００の装着者にとって目立たないかまたは重要でないように、小さくすることができる。付加的に、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８からの任意のオクルージョンは、人間の眼によって焦点が合わないように眼の近くに配置することができ、したがって、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８は、デバイス１００のユーザにとって目立たなくなる。導波構造１０８は、いくつかの実装態様において、（可視光に対して）透明な誘電体材料を含む。さらに、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８は、観測者（デバイス１００を装着していないが、デバイス１００を見ている人）でさえ、アウトカップリング素子１１１および導波構造１０８に気付き得ないように、小さくすることができる。アウトカップリング素子１１１は、その最も広い／最も長い寸法において、７５マイクロメートルよりも小さくすることができる。一実装態様において、アウトカップリング素子１１１は、その最も広い／最も長い寸法において、２０マイクロメートルよりも小さくすることができ、導波構造１０８は、約１～１０マイクロメートル幅とすることができ、透明材料によって形成することができる。導波構造１０８は、いくつかの実装態様において、約１００ｎｍ～１マイクロメートルとすることができる。アウトカップリング素子１１１は、いくつかの実装態様において、その最も広い／最も長い寸法において、約１０マイクロメートルとすることができる。対照的に、照明層１１０内に位置付けられる実際の光源は、約１００×１００マイクロメートル以上のフットプリントを有する。

いくつかの実装態様において、光学要素１０６Ａは、光（例えば、ディスプレイ光１２３）をユーザの眼へと集束させるための曲率を有することができる。この曲率は、照明層１１０の透明層に含まれ得る。したがって、光学要素１０６Ａは、レンズとして参照される場合がある。いくつかの態様において、光学要素１０６Ａは、ユーザの指定に対応する厚さおよび／または曲率を有することができる。言い換えれば、光学要素１０６Ａは、処方レンズと考えることができる。

図２は、本開示の態様による、透明層２３０と、導波構造２０８と、アウトカップリング素子２１１とを有する照明層２１０を含む例示的な光学要素２０６を示す。透明層２３０は、ガラスまたは光学ポリマーから作成されてもよい。不可視光源２０７は、不可視光を導波構造２０８へと放出し、導波構造２０８は、フレーム２０２と結合されている不可視光源２０７から不可視光を受け取るように構成されている。不可視光源２０７は、例えば、レーザ源、スーパールミネッセント発光ダイオード（Ｓ－ＬＥＤ）、または垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含んでもよい。

導波構造２０８は、不可視光源２０７によって放出される不可視光を閉じ込め、不可視光はアウトカップリング素子２１１に向かって伝播する。図１のように、１つの導波構造２０８および１つのアウトカップリング素子２１１のみが図２に示されているが、いくつかの実装態様においては、複数のアウトカップリング素子があってもよい。１つ以上のアウトカップリング素子２１１は、眼の領域内で眼２０３を照明するために、導波構造２０８内を伝播する不可視光を不可視照明光２１３としてアウトカップリングするように構成されている。アウトカップリング素子２１１は、円錐形状の不可視照明光２１３を生成するように構成することができる。アウトカップリング素子２１１は、パターン化不可視照明光を形成するために、異なる発散角および／または異なる形状の不可視照明光２１３を出力するように、別様に構成することができる。パターン化不可視照明光は、例えば、カメラによって捕捉される反射不可視照明光２１３を含む眼追跡画像の処理および分析を支援することができる。

図３Ａは、本開示の態様による、入力結合器３３１、導波構造３０８、およびアウトカップリング素子３１１Ａの機能図を示す。総合すると、図３Ａの構成要素は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）として参照される場合がある。入力結合器３３１は、格子、または、プリズム、テーパ状導波路などのような他の変換構造であってもよい。入力結合器３１１は、単一の構成要素または複数の構成要素を含むことができ、例えば、単一の格子層または二重格子層によって、格子結合器を形成することができる。格子は、入力結合器をコンパクトにするために湾曲させることができる。入力結合器３３１は、ファイバに結合するためのテーパ状導波路、後方反射器を有する表面格子、端面放射型レーザダイオード、または、レンズドファイバに結合された平坦な導波路端面を有する結合器を含んでもよい。入力結合器３３１は、導波構造２０８は、不可視光源３０７から不可視光３１７を受け取り、不可視光３１７を導波構造３０８にインカップリングするように構成されている。図３Ｂは、例示的な入力結合器３３１の側面図を示す。入力結合器３３１は、不可視光３１７の狭帯域波長を導波構造３０８へとインカップリングするように明確に設計することができる。入力結合器３３１は、ほぼ不可視光源３０７のサイズであるフットプリントを有することができる。例えば、ファイバ結合ソースについて、これは、単一モードファイバのモードプロファイルのサイズ（例えば、約１０マイクロメートル）である。

アウトカップリング素子３１１Ａは、遠距離場（おおよそ、不可視照明光が眼の領域に入射するようになる）においてパターン化不可視照明光の特定の照明パターンを生成するように構成されている。図３Ａの示されている実施形態において、アウトカップリング素子３１１Ａは、不可視照明光３１３を、発散角θ ３８１Ａを有する円錐形状において眼に向かう方向に向けるように構成されている。他のアウトカップリング素子３１１は、異なる発散角および／または異なる形状を有してもよい。アウトカップリング素子１１１／２１１／３１１のサイズは、約１０マイクロメートルであってもよく、これは人間の裸眼には見えない。いくつかの態様において、アウトカップリング素子３１１Ａは、主出力格子を含む。主出力格子によってアウトカップリングされる不可視照明光にビーム整形を提供するために、屈折または回折光学素子も使用されてもよい。アウトカップリング素子３１１Ａは、透明層２３０の両方の側面を利用して、その成分を分散させることができる。

図３Ｃおよび図３Ｄは、本開示の態様による、導波構造３０８において利用することができる例示的な導波路設計を示す。図３Ｃは、第２の屈折材料３４２を取り囲む第１の屈折材料３４１を有するリッジ導波構造３４８を示す。第１の屈折材料３４１は、第２の屈折材料３４２の第２の屈折率ｎ_２よりも小さい屈折率ｎ_１を有する。第２の屈折材料３４２の示されている断面は、約５００ｎｍ×５００ｎｍであってもよく、第１の屈折材料３４１の示されている断面は、約１．５マイクロメートル×２マイクロメートルであってもよい。図３Ｄは、第２の屈折材料３５２を取り囲む第１の屈折材料３５１を有するリブ導波構造３５８を示す。第１の屈折材料３５１は、第２の屈折材料３５２の第２の屈折率ｎ_２よりも小さい屈折率ｎ_１を有する。

図３Ｅは、本開示の態様による、眼に向かう方向において不可視照明光３１３Ｂを生成する例示的なアウトカップリング素子３１１Ｂを示す。アウトカップリング素子３１１Ｂは、不可視照明光３１３Ｂを、アウトカップリング素子３１１Ａとは異なる発散角θ ３８１Ｂにおいて、異なる方向に向けるように構成されている。図３Ｅはまた、裏面反射器層３９１を使用して、最初の遭遇において導波構造３０８にインカップリングされない任意の不可視光３１７を、入力結合器３３１に反射し戻して導波構造３０８にインカップリングされるようにすることによって、光学効率を増大させることができることも示している。付加的に、裏面反射器層３９２が、任意の不可視照明迷光をアウトカップリング素子３１１Ｂに反射し戻すために、アウトカップリング素子３１１Ｂの下方に配置される。裏面反射器層３９１または３９２は、例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の金属質層であってもよい。裏面反射器層３９１または３９２は、透明層２３０の世界側に配置されてもよい。裏面反射器３９１および３９２はまた、図３ＡのＰＩＣにおいて利用されてもよい。

図３Ｆ～図３Ｇは、本開示の態様による、格子、反射器、およびビーム整形素子を有する例示的なアウトカップリング素子を示す。アウトカップリング素子は、単一の構成要素または複数の構成要素を有してもよい。アウトカップリング素子は、単一の格子結合器、裏面反射器と対になった格子結合器、湾曲した格子を有する格子結合器、二重格子層を有する格子結合器、または、裏面反射器およびビーム整形のための第３の層を有する格子結合器を有することができる。ビーム整形層は、回折光学素子（ＤＯＥ）または屈折マイクロレンズを含むことができる。

図３Ｆは、格子３８２と、反射器３８４と、ビーム整形層としての回折光学素子（ＤＯＥ）３８３とを含むアウトカップリング素子３１１Ｆを示す。格子３８２は、導波路３０８から不可視光を受け取り、ＤＯＥ３８３を照明するように構成されている。反射器３８４は、任意の迷光をリサイクルしてＤＯＥ３８３に向かって戻すことができる。格子３８２および反射器３８４は、透明層３３０内に含まれるものとして示されている。ＤＯＥ３８３は、θ ３８１Ｆの発散角および不可視照明光３１３Ｆの方向を制御するための特定のビーム整形特徴部を有して構成することができる。ビーム整形層は、例えば、ナノ構造またはホログラフィック表面によって形成されるメタサーフェスを含んでもよい。ＤＯＥは、特定の遠距離場照明向けに設計することができる。

図３Ｇは、格子３８７と、反射器３８９と、ビーム整形層としてのマイクロレンズ３８８とを含むアウトカップリング素子３１１Ｇを示す。格子３８７は、導波路３０８から不可視光を受け取り、マイクロレンズ３８８を照明するように構成されている。反射器３８９は、任意の迷光をリサイクルしてマイクロレンズ３８８に向かって戻すことができる。格子３８７および反射器３８９は、透明層３３０内に含まれるものとして示されている。マイクロレンズ３８８は、θ ３８１Ｇの発散角および不可視照明光３１３Ｇの方向を制御するための特定のビーム整形特徴部を有して構成することができる。ビーム整形層は、自由曲面を有するマイクロレンズを含むことができる。マイクロレンズ３８８は、特定の遠距離場照明向けに設計することができる。マイクロレンズ３８８は、誘電体材料を含むことができる。

ビーム整形層と（図３Ｆの３８３または図３Ｇの３８８）との間の距離は、１マイクロメートルよりも大きくてもよい。ビーム整形層は、例えば、リソグラフィおよびエッチング工程またはナノプリント工程を用いて作製されてもよい。

図３Ｈは、アウトカップリング素子３１１Ｈを示す。アウトカップリング素子３１１Ｈは、不可視光を、導波路３０８から、θ ３８１Ｈの発散角を有する不可視照明光３１３Ｈとしてアウトカップリングするように構成されているミラーである。

図３Ｉは、アウトカップリング素子３１１Ｉを示す。アウトカップリング素子３１１Ｉは、不可視光を、導波路３０８から、θ ３８１Ｉの発散角を有する不可視照明光３１３Ｉとしてアウトカップリングするように構成されている曲面ミラーである。発散角θ ３８１Ｉは、アウトカップリング素子３１１Ｈの平面ミラーと比較して、アウトカップリング素子３１１Ｉの曲面ミラーの曲率に起因して、θ ３８１Ｈの発散角よりも大きくてもよい。

図３Ｊは、曲面ミラー３７１と、屈折マイクロレンズ３７２とを含むアウトカップリング素子３１１Ｊを示す。アウトカップリング素子３１１Ｊは、不可視光を、導波路３０８から、θ ３８１Ｊの発散角を有する不可視照明光３１３Ｊとしてアウトカップリングするように構成されている。屈折マイクロレンズ３７２は、θ ３８１Ｊの発散角および不可視照明光３１３Ｊの方向を制御するためのビーム整形層として機能することができる。

図４は、本開示の態様による、透明層４３０にわたって分散されている複数のアウトカップリング素子４１１を有する照明層４１０を含む例示的な光学要素４０６を示す。図４は、対応する導波構造４０８Ａ～４０８Ｍを有する１２個のアウトカップリング素子４１１Ａ～４１１Ｍを含む。各導波構造４０８は、不可視光源から不可視光を受け取り、不可視光をそのそれぞれのアウトカップリング素子４１１に提供するように構成されている。各アウトカップリング素子４１１は、眼の領域を照明するために、受け取った不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されている。アウトカップリング素子４１１Ａ～４１１Ｇは、おおよそ、外環上に位置付けられ、アウトカップリング素子４１１Ｈ～４１１Ｍは、おおよそ、内環上に位置付けられる。無論、他の実装態様においては、アウトカップリング素子４１１の他の配置構成および数が可能である。

図４は、不可視光源、導波構造４０８、およびアウトカップリング素子４１１の間の例示的な１対１の関係を示す。すなわち、不可視光源は、単一の導波構造４０８を照明して、対応するアウトカップリング素子に光を提供する。

図５は、単一の不可視光源（示されていない）から導波構造５０８に入る不可視光を受け取るように構成されている光学要素５０６を示し、導波構造５０８は、不可視光を複数のアウトカップリング素子５１１へと分散させる。図５は、本開示の態様による、透明層５３０にわたって分散されている複数のアウトカップリング素子５１１Ａ～５１１Ｈを有する照明層５１０を含む例示的な光学要素５０６を示す。例示的な図解において、導波構造５０８内の光路経路長は、各アウトカップリング素子５１１について概ね同じである。これによって、各アウトカップリング素子５１１の輝度出力を均質化することができる。他の実装態様において、不可視光源から導波構造５０８のアウトカップリング素子５１１への光路長は、導波構造５０８の長さによる導波構造５０８内の光学損失に起因して特定のアウトカップリング素子５１１の輝度を増減させるように調整することができる。各アウトカップリング素子５１１は、眼の領域を照明するために、受け取った不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されている。

本開示に記載されている導波路は、不可視光源とアウトカップリング素子との間の間接湾曲経路に従うことができる。導波路は、様々な視角にわたって、導波路と関連付けられる任意の光散乱が、より直線的な導波経路と比較してより目立ちにくいように、ランダムに湾曲することができる。図３Ａ～図３Ｅに記載されている特徴のいずれかが、光学要素４０６および５０６の実装態様において使用されてもよい。例えば、光ファイバが、導波構造４０８および５０８に利用されてもよい。

本発明の実施形態は、人工現実システムを含んでもよく、または、人工現実システムと併せて実装されてもよい。人工現実は、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組み合わせおよび／もしくは派生形を含むことができ、ユーザに提示される前に何らかの様式で調整されている現実感の一形態である。人工現実コンテンツは、全体が生成されているコンテンツ、または、キャプチャされた（例えば、実世界の）コンテンツと組み合わされた、生成されているコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができ、それらのいずれかは、単一のチャネルまたは複数のチャネル（視聴者に対して三次元効果を生成するステレオビデオなど）において提示することができる。付加的に、いくつかの実施形態において、人工現実はまた、例えば、人工現実内のコンテンツを生成するために使用され、および／または、他の様態で人工現実において使用される（例えば、人工現実における活動を実施する）ために使用される、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組み合わせと関連付けることもできる。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されているヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、独立型ＨＭＤ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または、１人もしくは複数の視聴者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装することができる。

要約書に記載されているものを含む、本発明の例示されている実施形態の上記の記載は、排他的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図されてはいない。本発明の特定の実施形態および実施例が例示を目的として本明細書に記載されているが、当業者には認識されるように、本発明の範囲内で様々な変更が可能である。

これらの変更は、上記で詳述した説明に照らして本発明に対して行うことができる。添付の特許請求の範囲において使用されている用語は、本発明を、本明細書において開示されている特定の実施形態に限定するものとして解釈されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、特許請求の範囲の確立されている原則に従って解釈されるべきである、添付の特許請求の範囲によって全体的に決定されるものとする。

Claims (15)

1. ヘッドマウントデバイスであって、
   フレームと、
   前記フレームと結合されている近赤外光源であって、前記近赤外光源は、近赤外光を放出するように構成されている、近赤外光源と、
   前記フレームに固定されている光学要素と
   を備え、前記光学要素は、
   透明層と、
   前記透明層にわたって分散されている複数のアウトカップリング素子と、
   前記フレームと結合されている前記近赤外光源から前記近赤外光を受け取るように構成されている透明導波構造とを含んでおり、前記透明導波構造は、前記近赤外光源からの前記近赤外光を前記アウトカップリング素子へと送達するように構成されており、前記アウトカップリング素子は、パターン化近赤外照明光によって眼の領域を照明するために、前記近赤外光を近赤外照明光としてアウトカップリングするように構成されている、ヘッドマウントデバイス。
2. 前記透明導波構造は、透明コアと、透明クラッド層とを有し、および／または
   前記アウトカップリング素子は、直径が７５マイクロメートル未満であり、前記ヘッドマウントデバイスの観察者にとっては目立たないものである、請求項１に記載のヘッドマウントデバイス。
3. 光学システムであって、
   不可視光を放出するように構成されている不可視光源と、
   透明層と、
   前記透明層にわたって位置付けられている複数のアウトカップリング素子と、
   前記不可視光源からの前記不可視光を前記アウトカップリング素子へと送達するように構成されている導波構造とを備え、前記アウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、前記不可視光を不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されている、光学システム。
4. 前記複数のアウトカップリング素子の中の第１のアウトカップリング素子が、前記不可視照明光を、第１の発散角を有する第１の光円錐としてアウトカップリングするように構成されており、前記複数のアウトカップリング素子の中の第２のアウトカップリング素子が、前記不可視照明光を、前記第１の発散角と異なる第２の発散角を有する第２の光円錐としてアウトカップリングするように構成されている、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記導波構造は、前記不可視光を前記導波構造に閉じ込めるための透明誘電体材料を含む、請求項３に記載の光学システム。
6. 前記導波構造に使用される材料は、可視光に対して透明である、請求項３に記載の光学システム。
7. 前記導波構造は、前記不可視光源と、前記複数のアウトカップリング素子の少なくとも一部分との間に結合されており、任意選択的に、
   前記導波構造は、前記不可視光源と前記アウトカップリング素子との間の間接湾曲経路に従う、請求項３に記載の光学システム。
8. 前記不可視光源は、レーザ源、スーパールミネッセント発光ダイオード（Ｓ－ＬＥＤ）、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、または集積レーザアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の光学システム。
9. 前記アウトカップリング素子の少なくとも一部分は、７５マイクロメートル未満である、請求項３に記載の光学システム。
10. 前記アウトカップリング素子の少なくとも一部分は、前記不可視照明光を前記眼の領域に向けてアウトカップリングするように構成されている裏面反射器を含み、任意選択的に、
    前記裏面反射器は、金属層またはブラッグ反射器のうちの少なくとも一方を含む、請求項３に記載の光学システム。
11. 前記アウトカップリング素子は、出力格子およびビーム整形素子を含む、請求項３に記載の光学システム。
12. 前記アウトカップリング素子は、前記光学システムのユーザの眼の視野（ＦＯＶ）内にある、請求項３に記載の光学システム。
13. 前記光学システムは、前記不可視光源から前記不可視光を受け取り、前記不可視光を前記導波構造に入射させるように構成されている入力結合構造をさらに備え、および／または
    前記光学システムは、
    第２の不可視光を放出するように構成されている第２の不可視光源と、
    前記透明層にわたって位置付けられている第２の複数のアウトカップリング素子と、
    前記第２の不可視光を前記第２の複数のアウトカップリング素子へと送達するように構成されている第２の導波構造とをさらに備え、前記第２の複数のアウトカップリング素子は、前記眼の領域を照明するために、前記第２の不可視光を前記不可視照明光としてアウトカップリングするように構成されており、および／または
    前記光学システムは、前記不可視光源によって放出された前記不可視光を前記導波構造にインカップリングするように構成されている入力結合器をさらに備える、請求項３に記載の光学システム。
14. ニアアイ光学要素であって、
    透明層と、
    前記透明層とともに配置されているアウトカップリング素子と、
    近赤外光源から受け取られた近赤外光を閉じ込めるように構成されている透明導波構造とを備え、前記透明導波構造は、前記近赤外光を前記アウトカップリング素子へと送達するように構成されており、前記アウトカップリング素子は、眼の領域を照明するために、前記近赤外光をパターン化近赤外照明光としてアウトカップリングするように構成されている、ニアアイ光学要素。
15. 前記アウトカップリング素子は、７５マイクロメートル未満である、請求項１４に記載のニアアイ光学要素。
    

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