JP2023040262A - 拡大された光分配を行う重合格子を備えた画像光ガイド - Google Patents
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Abstract
Description
ンプット格子とアウトプット格子との間に回転格子を配置することにより、バーチャル像の直交する次元に瞳拡大を提供することができる。導波路から出力された画像担持光は、観察者のために拡大されたアイボックスを提供する。
前記導波路の長手に沿って前記インカップリング回折光学素子から離れて配置されたアウトカップリング回折光学素子は、前記導波路からの前記画像担持光ビームを、角度的にデコードされた状態でアイボックスに向けて回折し、これにより、前記イメージソースからの画像を見られるようにする。
を連続的に回折する。すなわち、アイボックスに向けて角度的にデコードされた形で、及び、導波路に沿った当初の名目方向(original nominal direction)にさらに伝搬するためにエンコードされた形で、回折する。インカップリング回折光学素子の非ゼロ次回折(nonzero order of diffraction)に合致する非ゼロ次回折が、通常、連続的な第1部分を、角度的にデコードされた形で導波路から外に回折する役を担う。ゼロ次回折は、通常、重なり合う格子パターンとの連続的遭遇を支援するために、その他の第1部分を当初の名目方向にさらに伝搬する役を担う。1以上のその他の格子パターンは1以上の非一次の配向(non-primary orientation)で配置され、各画像担持光ビームの第2部分を、導波路に沿った当初の名目伝搬方向から外れるように回折し、さらに各画像担持光ビームの第2部分を、当初の名目の伝搬方向と直交する方向に相対的にオフセットされた位置で、導波路に沿った当初の名目伝搬方向に戻すように回折する。第2部分の非ゼロ次回折とゼロ次回折の組合せにより、この第2部分を、当初の名目伝搬方向と直交する方向に連続的に変位させる。
ターンを含み、1以上の非一次配向で配置された1以上の他の格子パターンは、第2格子
ベクトルを有する第2格子パターンを含むことができる。第2格子ベクトル(ここでは方向の無い線分と見なす)は、好ましくは、第1格子ベクトル(ここでは方向の無い線分とみなす)に対して、少なくとも30°の角度で傾斜しているが、45°又は60°の相対的配向では更なる利点を提供することができる。1以上の非一次配向に配置された1以上
の他の格子パターンは、第3格子ベクトルを有する第3格子パターンを含んでいてもよい。第2格子ベクトルと第3格子ベクトルは、第1ベクトルに対して、異なる方向にほぼ同じ角度だけ傾斜していてもよい。第2格子ベクトルと第3格子ベクトルは、それぞれ第1ピッチ及び第3ピッチを規定し、これらのピッチは互いに等しくてもよい。第1格子ベクトルは第1ピッチを規定し、この第1ピッチは、第2ピッチおよび第3ピッチと同じであっても、異なっていてもよい。
他と明確に区別するために用いられる。
とき、およびオプションで許可信号を受け取った時に指示された機能を実行する装置または構成要素の集合に関する。
いう概念として初等数学で広く理解されている。「部分集合(subset)」という用語は、特に明記されない限り、非空の真部分集合、すなわち、1以上の要素を持つ、より大きな集合を指す。部分集合が全体集合Sを構成してもよい。しかし、集合Sの「真部分集合(proper subset)」は、集合Sに完全に含まれ、しかも集合Sの少なくとも1つの要素を含まないものを指す。
語は、光を、結合を促進する中間構造を介して、1つの光学的媒体又は装置から別の光学的媒体又は装置へと移動させるような結合を意味する。
アウトプットカップリング素子ODO(出力側結合回折光学素子;アウトカップリング回折光学要素;out-coupling diffractive optic)と、を備えている。この例では、インカップリング回折光学素子IDOは、平面導波路22の内側表面14に配置される反射型回折格子として示されている。画像担持光WIは、内側表面14の反対側にある外側表面12を通って平面導波路22に近づいていく。しかしながら、インカップリング回折光学素子IDOは、透過型回折格子、体積ホログラムまたは他のホログラフィック回折素子、または入光する画像担持光WIを回折する他のタイプの光学要素であってもよい。インカップリング回折光学素子IDOは平面導波路22の外側表面12に配置されても、内側表面14に配置されてもよく、画像担持光WIが平面導波路22に近づいていく方向とのコンビネーションで、透過型であっても、反射型であってもよい。
、それによって、インカップリング回折光学素子IDOにより画像担持光WGとして平面導波路22内に再方向付けられ、全内部反射(Total Internal Reflection:TIR)により平面導波路22に沿ってさらに伝搬される。画像担持光WGはTIRに定められた境界に合わせて、概ね角度的に関連付けられたビームのより凝縮された範囲で回折されるが、画像担持光WGはエンコードされた形態で画像情報を保持する。アウトカップリング回折光学素子ODOはエンコードされた画像担持光WGを受け取り、画像担持光WGを画像担持光WOとして、平面導波路22の外へ、観察者の目の意図された位置に向かって(これも概ね一次回折により)回折する。一般的に、アウトカップリング回折光学素子ODOはインカップリング回折光学素子IDOに対して対称に設計され、出力された画像担持光WOの角度的に関連付けられたビームにおいて、画像担持光WIの元々の角度的関係を復元する。しかし、バーチャル像を見ることができる、いわゆるアイボックスEにおいて、角度的に関連付けられたビームの重なり合いの1つの次元を増大するために、アウトカップリング回折光学素子ODOは、画像担持光WGと多数回遭遇し、各遭遇において画像担持光WGの一部のみを回折するように構成されている。アウトカップリング回折光学素子ODOの長さ方向に沿う多数回の遭遇は、画像担持光WOの角度的に関連付けられた各ビームを1つの次元で拡大する効果を有し、それにより、ビームが重なり合うアイボックスEの1次元を拡大する。拡大されたアイボックスEは、バーチャル像を見るための観察者の目の位置に対する感受性を低下させる。
クトルkを有している。アウトカップリング回折光学素子ODOは、次に示すように、格
子ベクトルkと平行ではない複数の格子ベクトルを有している。
用いて、回折アレイ100のパーティションを構成することもできる。各部分集合の格子ベクトルは、他の部分集合の格子ベクトルとは異なる方向に延びている。
こでは、格子ベクトルk2を有する光学素子102から回折された光の一部が、格子ベクトルk2を有する別の素子102に入射する。結果として生じる出力光は、示された配置で入力光と平行をなして外に向けられる。
は、観察者の画像を形成する光の主な経路を示している。
子70に向けられる。それによって得られた光は、対をなす分配格子72によって、アウトカップリング回折光学素子ODOへと再方向付けされる。アウトカップリング回折光学ODOは、前述のように回折アレイ100を用いる。図9Bは、画像光ガイド160の異なる回折構成要素の代表的な格子ベクトルを示している。
提供するためのディスプレイ装置を含む、代替の配置が可能である。
トルk1とk2との間の角度は45°である。別の構成では、格子ベクトルk1とk2の間の角度は約60°である。さらに別の構成では、格子ベクトルk1とk2の間の角度は約30°である。さらに別の構成では、格子ベクトルk1と格子ベクトルk2との間の角度は0°と180°の間である。
別の構成では、第1の回折格子の周期d1は、第2の回折格子の周期d2とは異なる。一構成(図示せず)では、回折パターンの少なくとも1つは、格子ベクトルの方向に変化するチャープ周期を有する。
「方向コサイン空間における回折格子動作の説明」という題名の論文(Applied Optics,Vol. 37,Iss 34, pp.8158-8160(1998))において提供されている。この論文は参照によ
り本明細書に組み込まれる。
ここで、m = 0、±1、±2は回折次数を示し、λ=λ0/nmは屈折率nmの材料を通過する光
線の波長で、λ0は真空中の光線の波長である。dは格子のピッチであり、κ(ギリシャ文字のカッパ)は正のx軸方向に対する格子ベクトルkの角度であり、θinはz軸(回折格子の法線)に対して入射光線がなすインボリュート角(polar angle)であり、φinはxy平面においてx軸に対して入射光線がなす方位角である。入射光線がxz平面にあり、光線が-x軸から+x軸方向に向かっている場合、方位角はφin= 0°になる。
より厳密なフーリエ解析に基づき、設計の追加調整が望まれることがある。
合格子として、3つの格子が同じ平面で重なり合っている。個別の回折格子は、3つの異なる格子パターンを定義する3つの格子ベクトルk1、k2、k3によって区別される。
3つの格子のそれぞれの周期dは同じ値である。他の配置では、3つの格子の周期はすべ
て同じではない。さらに、3つの格子周期の少なくとも1つがチャープ周期を有していて
もよい。図示のように、3つの格子ベクトルkl、k2、k2はすべて、60°の角度をなしている(方向の無い線分として見た場合)。格子ベクトルの大きさが共通のピッチに基づく場合、3つの格子ベクトルkl、k2、k3(方向を有する線分として)は、正三角
形を形成し、大きさがゼロになる。他の配置では、格子ベクトルは異なる角度によって相対的に方向付けることができる。例えば、画像担持ビームが格子ベクトルklとアライメントした名目の(公称の)伝播方向(nominal direction of propagation)で複合回折格子に近づく構成では、格子ベクトルk2およびk3は、格子ベクトルklに対して45°の角度によって方向付けることができる。
合回折格子の最終的な回折パターンとして選択される。説明のために、格子の周期は大幅に拡大され、周期の数は大幅に削減されている。
とができるが、格子フィーチャ704は、x座標軸に沿ってユニットセル702の一次元に広がり、これにより、長方形のユニットセル702内の格子フィーチャ704が、 x
座標軸に沿って結合される隣のユニットセル702の格子フィーチャ704と連続するようになっている。このようにして、k1ベクトル方向における複合格子パターンの周期性は、y座標軸方向における格子フィーチャ704の規則的な変化によって生成される。kl格子ベクトルの周期性を定義する規則的な変化は、鋸歯状パターンである。k2ベクトル方向の複合格子パターンの周期性は、連続する格子フィーチャのy座標軸方向における
行間の規則的または平均的な間隔によって生成される。
ら外れるように方向付けする。そうすることで、画像担持ビームの影響を受けた部分が、異なる角度に関連した形でさらにエンコードされ得る。ただし、同じ回折次数による後続の回折(本質的に逆に作用する)により、元の角度エンコーディングと、画像担持ビームの回折部分の中の当初の伝播方向と、を両方とも復元できる。ビーム部分のエンコーディングと方向の両方が復元されるが、ビーム部分は名目の伝搬方向と垂直な方向にオフセットされ、画像担持ビームを第2次元で拡大する効果を有する。
子762の周期d0は、アウトカップリング回折光学素子764の周期dlと一致する。したがって、インカップリング回折光学素子762によって回折された画像担持ビームのエンコーディングは、アウトカップリング回折光学素子764によってデコードされるので、インカップリング光学素子762に提示された画像担持ビーム(例えば766)間の角度関係は、アウトカップリング回折光学素子764から出射される画像担持ビーム(例えば、768)の間で復元される。しかしながら、アウトカップリング回折光学素子764の重合格子パターンは、射出ビーム(例えば、768)間の重なり領域を2次元にわたって拡大することを可能にする。
スの取れた(1:1に近い)アスペクト比を用いて、画像担持ビームの残りの部分を出力開口内で効率的に出力結合(out-couple)することができる。
望ましい分布をコントロールすることもできる。xおよびy座標方向のアスペクト比の変化に加えて、格子フィーチャのアスペクト比は、他の方向、特に格子ベクトルに垂直な方向で変化させることもできる。過剰な光が出力結合される複合格子の領域では、局所格子フィーチャのアスペクト比は、導波路内で過小の光が出力結合される複合格子の他の領域へ分配される傾向がある回析次数を優遇するように、構成することができる。さらに、光の出力結合が過小となるような領域において、出力結合を促進させることもできる。
画像光ガイドにおける回折格子パターンの製作
周知のように、体積HOEは、記録材料の厚さが記録に使用される光波長よりもはるかに大きいホログラムである。あるいは、重なり合う格子パターンは、2次元(2D)フォトニック結晶として実現できる。あるいは、複合格子パターンは、3次元(3D)フォトニ
ック結晶として形成することができる。当業者に知られているように、2Dフォトニック結晶は、フォトリソグラフィーにより、または適切な基板に穴を開けることにより製造することができる。当業者に知られているように、3Dフォトニック結晶の製造方法は、複数の2D層を互いの上に積み重ねる方法、直接レーザーで書き込み方法、またはマトリックス内の球の自己組織化を誘発し、その球を溶解する方法を含む。
Claims (18)
- バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、
前側表面と後側表面を有する導波路と、
前記導波路に沿って形成され、イメージソースからの前記画像担持光ビームを前記導波路内に回折するように動作可能であり、これにより、前記画像担持光ビームの少なくとも一部を前記導波路に沿って、角度的にエンコードされた形態で伝播させるインカップリング回折光学素子と、
前記導波路の長手に沿って前記インカップリング回折光学素子から離れて配置され、前記導波路からの前記画像担持光ビームを、角度的にデコードされた形態でアイボックスに向けて回折するように動作可能であるアウトカップリング回折光学素子と、
を備え、
前記アウトカップリング回折光学素子は、複数の回折パターンを規定する複数の回折フィーチャを有し、2つ以上の回折パターンは、前記アイボックスを拡張するために前記画像担持光ビームの各部を二次元において相対的に変位させるように動作可能であり、
前記回折フィーチャのそれぞれは、長さ対幅のアスペクト比を定義する平面での長さと幅を含み、
前記回折フィーチャの少なくともいくつかは1から逸脱したアスペクト比を有し、このアスペクト比は、前記回折パターン間の回折効率を変更するように動作可能であり、
前記回折フィーチャの前記アスペクト比が第1方向に沿って変化する、画像光ガイド。 - 前記画像担持光ビームが名目の伝播方向に沿って前記アウトカップリング回折光学素子に接近し、前記回折フィーチャの長手が前記名目の伝播方向に沿って延び、前記回折フィーチャの幅が前記名目の伝播方向と直交する方向に広がり、前記回折フィーチャは、1から逸脱したアスペクト比を有し、前記回折フィーチャの長さがその幅を超えており、これにより、前記画像担持光ビームの一部を前記名目の伝播方向から離れる方向に再方向付けする回折の効率を高める、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記画像担持光ビームが名目の伝播方向に沿ってアウトカップリング回折光学素子に近づき、前記第1方向が前記名目の伝播方向である、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記画像担持光ビームは、名目の伝播方向に沿って前記アウトカップリング回折光学素子に接近し、前記回折フィーチャが前記名目の伝播方向に沿って連続的に延びる、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記画像担持光ビームは、前記第1方向と平行な名目の伝播方向に沿って前記アウトカップリング回折光学素子に接近し、前記回折フィーチャの前記アスペクト比が前記第1方向に沿って1:1に近づく、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記回折パターンの1つ以上が第1格子ベクトルを有し、前記回折パターンの1つ以上が、前記第1格子ベクトルに対して傾斜した第2格子ベクトルを有する、請求項1に記載の画像光ガイド。
- 前記第1、第2格子ベクトルが一定である、請求項6に記載の画像光ガイド。
- 前記回折パターンの1つ以上が、前記第1、第2格子ベクトルの両方に対して傾斜した第3格子ベクトルを有する、請求項6に記載の画像光ガイド。
- 前記第2、第3格子ベクトルが、前記第1格子ベクトルに対してほぼ同量傾斜している、請求項8に記載の画像光ガイド。
- 前記第2格子ベクトルと前記第3格子ベクトルは、互いに等しい第2ピッチと第3ピッチによって部分的に規定される、請求項8に記載の画像光ガイド。
- 前記第1、第2、第3格子ベクトルが一定である、請求項8に記載の画像光ガイド。
- 前記第1、第2、第3格子ベクトルが等しい、請求項11に記載の画像光ガイド。
- 前記回折パターンの1つ以上が第4格子ベクトルを有し、前記第1、第2、第3、第4格子ベクトルが等しい、請求項8に記載の画像光ガイド。
- バーチャル像を伝送するための画像光ガイドであって、
前側表面と後側表面を有する導波路と、
前記導波路に沿って形成され、第1格子ベクトルを有し、前記画像担持光ビームを前記導波路内に回折するように動作可能であり、これにより、前記画像担持光ビームの少なくとも一部を前記導波路に沿って、角度的にエンコードされた形態で伝播させるインカップリング回折光学素子と、
前記導波路の長手に沿って前記インカップリング回折光学素子から離れて配置され、前記導波路からの前記画像担持光ビームを角度的にデコードされた形態でアイボックスに向けて回折するように動作可能な回折アレイを含むアウトカップリング回折光学素子と、
を備え、前記回折アレイは、
回折要素の第1部分集合であって、各回折要素が前記第1格子ベクトルから略+60度オフセットされた第2格子ベクトルを有する第1部分集合と、
回折要素の第2部分集合であって、各回折要素が前記第1格子ベクトルから略-60度オフセットされた第3格子ベクトルを有する第2部分集合と、
を含み、
前記第1部分集合の各回折要素が、前記第2部分集合の少なくとも1つの回折要素に隣接し、前記第1部分集合の回折要素と前記第2部分集合の回折要素が、互いに重ならない、画像光ガイド。 - 前記回折アレイはさらに回折要素の第3部分集合を含み、この第3部分集合の各回折要素が前記第1格子ベクトルと平行の第4格子ベクトルを有している、請求項14に記載の画像光ガイド。
- 前記第1部分集合の回折要素が矩形を有している、請求項14に記載の画像光ガイド。
- 前記第1部分集合の回折要素が六角形または三角形を有している、請求項14に記載の画像光ガイド。
- さらに、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との間に光学的に配置された1つ以上の分配回折光学要素を備えた、請求項14に記載の画像光ガイド。
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