JP2023528314A - 射出瞳拡大器 - Google Patents

Abstract

本発明の実例となる態様によれば、少なくとも２つの部分に分割される射出瞳拡大器、ＥＰＥ格子であって、ＥＰＥ格子が、第１部分における複数の格子バーと、第２部分における複数の格子バーとを備え、第１部分の前記複数の格子バーは、第２部分の前記複数の格子バーと概ね同じ方向に向けられ、且つ、格子バーの方向に垂直な方向に、ずらされている、ＥＰＥ格子が得られる。

Description

本発明の実施例は、一般に、例えば導波路型ディスプレイなどの光導波路装置のためのＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）（射出瞳拡大器）に関する。

一般に、射出瞳拡大器、ＥＰＥに関して改善を行なう必要が存在している。通常、光線はＥＰＥ格子に干渉するので、アウトカップリングされた画像に不均一性が生じる。よって、ＥＰＥ格子に干渉する光線により生じる干渉を低減する必要がある。

例えば、米国特許出願公開第２０１８／００５２５０１（Ａ１）号は、直交瞳拡大器、ＯＰＥ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）における均一な格子により生じる波の干渉を示すＥＰＥについて論じている。例えば、異なる位置において格子のパラメータ又は材料などを変化させることによって、波の干渉を低減し、且つ、出力画像の輝度の均一性を高めることができる。

しかし、そのような解決法によっては、格子の振幅応答を変えることなく回折光線の位相を独立して調整することはできない。すなわち、米国特許出願公開第２０１８／００５２５０１（Ａ１）号を考慮すると、光導波路の動作を変更する自由度を、より高くする必要がある。格子バーの幅、高さ及び／又はフィル・ファクタの変更によっても、必要な効果を実現することはできない。したがって、例えば、光導波路装置のための改良されたＥＰＥ格子を提供する必要が存在する。

米国特許出願公開第２０１８／００５２５０１（Ａ１）号

Ｊｏｓｅｐｈ Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ」 ３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００４（３６０ページ）

いくつかの態様によれば、独立請求項の対象が提供される。いくつかの実施例は、従属請求項において定義される。

本発明の第１の態様によれば、少なくとも２つのセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔｓ）（以下、「部分」ともいう）に分割される射出瞳拡大器（ＥＰＥ）格子において、ＥＰＥ格子が、第１部分における複数の格子バーと、第２部分における複数の格子バーとを備え、第１部分の前記複数の格子バーは、第２部分の前記複数の格子バーと概ね同じ方向に向けられ、且つ、格子バーの方向に垂直な方向に、ずらされている、ＥＰＥ格子が得られる。

第１態様の実施例は、以下の箇条書きリストからの少なくとも１つの特徴又は以下の特徴のいずれかの組合せを含んでもよい。
・第１部分の前記複数の格子バー及び第２部分の前記複数の格子バーは、ＥＰＥ格子において異なる経路沿いに伝搬する光線に異なる位相シフトを生じさせるように、ずらされている。
・第２部分の前記複数の格子バーの各々は、第１部分の対応する格子バーに対し、格子バーの方向に垂直な方向に、ある距離だけずらされている。
・第１部分の第１格子バーは、第２部分の第１格子バーの対応する格子バーであり、第１部分の第２格子バーは、第２部分の第２格子バーの対応する格子バーである。
・前記距離はＥＰＥ格子の周期より小さい。
・第２部分の前記複数のバーの各々は、第１部分の対応する格子バーから横方向に前記距離だけずれている。
・第２部分の前記複数のバーの各々は、第１部分の対応する格子バーから鉛直方向に前記距離だけずれている。
・ＥＰＥ格子は二重周期である。
・ＥＰＥ格子の第１部分は、第１部分で偏向された光線に第１の位相シフトを生じさせるように構成され、ＥＰＥ格子の第２部分は、第２部分で偏向された光線に第２の位相シフトを生じさせるように構成されている。
・第１の位相シフトは第２の位相シフトと異なっている。
・第１部分で偏向された光線の振幅は、第２部分で偏向された光線の振幅と同じである。
・第２部分は、ＥＰＥ格子に案内された光線に関して、第１部分の後に続いている。
・ＥＰＥ格子は、第３部分における複数の格子バーをさらに備え、第３部分の前記複数のバーの各々は、第１部分の対応する格子バーから、格子バーの方向に垂直な方向に、ある距離だけずれている。
・第１部分の後続の格子バー間の距離は、第２部分の後続の格子バー間の距離と同じである。
・ＥＰＥ格子は、ＥＰＥ格子の外部へ光を拡散して結合するように構成され、好ましくはインカップラとして動作するようにも構成される。
・ＥＰＥ格子は、ＥＰＥ格子において異なる経路を通って伝搬する光線の振幅を不変に保つように構成される。

本発明の第２の態様によれば、画像を表示するための光導波路装置であって、光導波路と、光導波路内に画像を回折結合するインカップリング格子と、光導波路の外部へ画像を回折結合するアウトカップリング格子と、前記請求項のいずれかに記載のＥＰＥ格子とを備え、ＥＰＥ格子は、アウトカップリング格子上の画像の射出瞳を拡大するため、インカップリング格子とアウトカップリング格子との間に存する、光導波路装置が得られる。

本発明の第３の態様によれば、第２の態様による光導波路装置を備える、ヘッドマウント・ディスプレイ、ＨＭＤ（ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）又はヘッドアップ・ディスプレイ、ＨＵＤ（ｈｅａｄ－ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ）などの個人用表示装置が得られる。

本発明の少なくともいくつかの実施例によるシステムの実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による光導波路装置の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例によるインカップリング格子、射出瞳拡大器、及びアウトカップリング格子の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による射出瞳拡大器の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた格子バーの第１の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた格子バーの第２の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた格子バーの第２の実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による位相シフトの実例を示す。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた２次元格子バーの実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた２次元格子バーの実例を示す図である。 本発明の少なくともいくつかの実施例による、異なる部分（セグメント）における移動距離の分布例を示す図である。

本発明の実施例は、例えば、光導波路装置のための射出瞳拡大器、ＥＰＥ格子に関する。より具体的には、本発明の実施例は、ＥＰＥ格子に干渉する光線により生じる干渉効果を低減するＥＰＥ格子を提供する。本発明の実施例によれば、ＥＰＥ格子は、位相シフトが異なる少なくとも２つのセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔｓ）（「部分」ともいう）に分割される。前記少なくとも２つの部分は各々、複数の格子バーを有してもよく、各部分の格子バーは、異なる経路沿いに光線が各部分を伝搬する際に、異なる位相シフト、例えば、ローマン（Ｌｏｈｍａｎｎ）の迂回路－位相原理に従って制御された異なる位相シフトを生じるように構成してもよい。このように、ＥＰＥ格子は、光導波路の動作を変更する自由度を、より高めるため、異なる経路沿いに伝搬する光線の振幅を同一、すなわち不変に保つように構成してもよい。例えば、ＥＰＥ格子に干渉する光線により生じる干渉を低減することができる。

ＥＰＥ格子は、第１部分における複数の格子バーと、第２部分における複数の格子バーとを備えてもよく、第１部分の前記複数の格子バーは、第２部分の前記複数の格子バーに対し、ずらされている。すなわち、第１及び第２部分の格子バーは一列になっていなくてもよく、第２部分の前記複数のバーの各々は、第１部分の対応する格子バーから、格子バーの方向に垂直な方向に、ある距離だけ、ずれていてもよい。すなわち、ずれとは、ある格子バーが対応する格子バーから外れている距離を指してもよい。

図１は、本発明の少なくともいくつかの実施例によるシステムの実例を示す。このシステムは、少なくとも１つの光源１４０を含んでもよい。少なくとも１つの光源１４０は、例えばレーザ又は発光ダイオード、ＬＥＤ光源を含んでもよく、レーザ光源は、ＬＥＤよりも厳密に単色性であるという利点を有している。本発明の実施例は特定の光源に限定されず、２種類以上の光源１４０を用いて実現してもよい。少なくとも１つの光源１４０は、任意の鏡１３０と共に、導波路型ディスプレイにその画像を生成させるために利用可能な角度間隔のライト・フィールドを生成するように構成してもよい。

画像はライト・フィールドにおいて符号化されていてもよい。ライト・フィールドは、図１においてフィールド１００として模式的に示されている。実施例によっては、物理的一次ディスプレイがライト・フィールド１００の画像を表示してもよく、他の実施例では、システムが物理的一次ディスプレイを含まず、角度間隔内に分布するライト・フィールド１００内で画像を単に符号化してもよい。ライト・フィールド１００からの光線、すなわち光信号１０４を直接、又は、例えば鏡及び／又はレンズを備える光ガイド１０２を用いて光導波路１１０へ伝達し、導波路型ディスプレイを構成してもよい。光ガイド１０２は、特定の実施例の詳細に依存するという意味において任意であり、省略してもよい。言い換えれば、光ガイド１０２は、すべての実施例に存在するものではない。

導波路１１０において、光線１０４は、素子１１２と相互作用することにより画像生成光線１１４として導波路１１０から眼１２０に向け空気中へ偏向されるまで、導波路内部で反復して反射されることにより進行し素子１１２ａと相互作用してもよい。素子１１２及び１１２ａは、例えば半透過型鏡、表面レリーフ格子、又は他の回折構造を備えてもよい。素子１１２ａは、例えば光線１０４を導波路１１０内部で拡散させ、導波路ディスプレイの画像を正確に生成させるように構成してもよい。ライト・フィールド１００の異なる角度アスペクトからの光は素子１１２と相互作用し、ライト・フィールド１００で符号化された画像を光線１１４が眼１２０の網膜上に生成するようになっている。

この時、素子１１２は、光線１０４を出射位置において導波路１１０から出射させてもよい。この結果、ユーザは、ライト・フィールド１００で符号化された画像を自身の眼１２０の前で知覚することになる。導波路１１０は、少なくとも部分的に透明であってよいので、導波路型ディスプレイが例えば頭部装着型である場合、ユーザは導波路１１０を通して自身の現実の周囲を有利に見ることもできる。素子１１２ａ及び１１２の作用の結果、光は複数の素子１１２において導波路１１０から複数の角度で射出される。導波路型ディスプレイには、眼１２０及び、任意に、図示明確化のため図１では示されないユーザの他方の眼の前方の、異なる見かけの奥行きをシミュレートする光を伝達する複数の導波路１１０が存在してもよい。

特に、本発明の実施例は、例えば、インカップリング格子、ＥＰＥ格子、及びアウトカップリング格子を含むライトガイド型回折ディスプレイなどの光導波路装置のための射出瞳拡大器、ＥＰＥに関する。光導波路は、光周波数光を伝達することができる。光、すなわち可視の周波数とは、波長が約４００から７００ナノメートルの光を意味する。光導波路はディスプレイに用いることができ、１つ又は複数の導波路を用いて、ライト・フィールドからの光を、ユーザの眼への射出のための適切な位置まで伝達することができる。

本発明の実施例は、例えば、回折格子を利用したヘッドマウント・ディスプレイ、ＨＭＤ及びヘッドアップ・ディスプレイ、ＨＵＤに用いることができる。ＨＭＤ及びＨＵＤは、例えば、拡張現実又は仮想現実型用途のための光導波路技術を用いて実現することができる。拡張現実では、ユーザは、現実世界とそこに重ね合わされた補足的表示とによる視界を見ている。仮想現実では、ユーザは、現実世界の視界を奪われ、代わりにソフトウェアが設定する場面の視界を与えられる。一般に、例えば光導波路装置のためのＥＰＥ格子に関して改善を行なう必要が存在する。

図２ａは、本発明の少なくともいくつかの実施例による光導波路装置の実例を示す。光導波路装置２００は、光導波路１１０と、インカップリング格子２０２と、アウトカップリング格子２０４と、ＥＰＥ格子２０６とを備えてもよい。図２ａの実例では、光導波路装置２００の射出瞳は、光導波路装置２００のインカップリング格子２０２とアウトカップリング格子２０４との間のＥＰＥ格子２０６を用いて拡大することができる。

図２ａに示すように、例えば、プロジェクタなどの図１の光源１４０からの光線１０４をインカップリング格子２０２に向けてもよい。インカップリング格子２０２は、光導波路１１０内に光線１０４を案内するように構成してもよい。すなわち、インカップリング領域２０２は、光導波路１１０内に画像を回折結合してもよい。実施例によっては、図２ａに示すように、インカップリング格子２０２は、例えば光導波路１１０の表面に存してもよい。しかしながら実施例によっては、光導波路１１０の内部にインカップリング格子２０２を備えてもよい。同様に、光導波路１１０はアウトカップリング格子２０４及び／若しくはＥＰＥ格子２０６を備えてもよく、又はインカップリング格子２０２及び／若しくはＥＰＥ格子２０６は、光導波路１１０の表面に存してもよい。

光線１０４は導波路内の内部反射を経て、ＥＰＥ格子２０６を経由してアウトカップリング格子２０４に向け伝搬し、ディスプレイの可視領域を横方向に拡げてもよい。実例となる実施例によっては、ＥＰＥ格子２０６は、このように光線１０４の経路に沿ってインカップリング格子２０２とアウトカップリング格子２０４との間に存して、アウトカップリング格子２０４上の画像の射出瞳を拡大してもよい。さらに、アウトカップリング格子２０４は、光導波路１１０の外部へ眼１２０に向けて、光線１１４を介して画像を回折結合してもよい。

図２ａは、インカップリング格子２０２、アウトカップリング格子２０４、及びＥＰＥ格子２０６を備えた実例を示している。しかしながら実施例によっては、ＥＰＥ格子２０６の外部へ光を拡散して結合するようにＥＰＥ格子２０６を構成してもよい。またＥＰＥ格子２０６は、インカップラとして動作するように構成してもよい。例えば、二次元構造の場合、光線が結合、拡散、アウトカップリングされる同一の格子により格子領域全体を構成してもよい。

図２ｂは、本発明の少なくともいくつかの実施例によるインカップリング、ＩＣ（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子、ＥＰＥ、及びアウトカップリング、ＯＣ（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子の実例を示している。通常、例えばＬＥＤプロジェクタが光源１４０として使用される時に、光線がＥＰＥ格子２０６に干渉して、アウトカップリングされた画像に不均一性（例えば縞）が生じる。よって本発明の実施例は、例えば、画像の不均一性を最小化するため、光導波路の動作を変更する自由度を、より高くする改良されたＥＰＥを提供するものである。

図３は、本発明の少なくともいくつかの実施例によるＥＰＥ格子の実例を示す。図３の実例に示すように、図２のＥＰＥ格子２０６のようなＥＰＥ格子を部分に分割してもよい。図３の破線は、各部分の境界を示す。例えば、ＥＰＥ格子を、図３に示すように、少なくとも第１部分３１０と第２部分３２０とに分割してもよい。より具体的には、ローマンの迂回路－位相原理に従って制御された位相シフトのような異なる位相シフトを生じさせる部分にＥＰＥ格子を分割してもよい。位相シフトを適切に選択すると、干渉効果を低減することができる。

ＥＰＥ格子２０６の各部分は、複数の格子バーを有してもよく、異なる部分の格子バーは、光線が異なる経路に沿って各部分を通り伝搬する際に、各部分において位相シフトが異なる、回折された入射光線を生成するように構成してもよい。例えば、ＥＰＥ格子２０６の第１部分３１０は、少なくとも第１格子バーと、第２格子バーとを備えてもよく、ＥＰＥ格子２０６の第２部分３２０は、少なくとも第１格子バーと、第２格子バーとを備えてもよく、第１及び第２部分の格子バーは、異なる位相シフトを生じさせて、ＥＰＥ格子２０６に干渉する光線により生じる干渉を低減するように構成してもよい。

本発明の実例となる実施例によっては、ＥＰＥ格子における干渉を低減するためローマンの迂回路－位相原理を利用し、光が格子から回折する際に、格子の性質により決まる一定の位相及び振幅を有する１組の反射され伝送された回折次数を生じるようにしてもよい。格子バーの相対位置が格子の周期内でずれている場合、例えば、１次元の場合に関して、以下の式により決定可能な位相シフトが生じる。
ｔ_ｍ（ｄｓ）＝ｔ_ｍ＊ｅｘｐ^{（－ｉ＊２π＊ｍ＊ｄｓ／ｄ）} （１）
式中、ｄは格子の周期を指し、ｄｓは格子バーの位置のシフトであり、ｍは対象の光信号の回折次数（例えば－２，－１，０，１，２）であり、ｔ_ｍ＝ｔ_ｍ（０）は、格子バーが変位していない場合の格子の振幅である。この結果、ゼロ以外の回折次数の位相は、格子バーを変位させることにより調整可能である一方、バーが変位していない格子と比較して、すべての回折次数の振幅が同じままとなる。式（１）は例えば、ｘ及びｙ方向においてｍ及びｎ回折次数による周期ｄｘ及びｄｙをそれぞれ用いて２次元格子のために一般化してもよい。格子の周期ｄは、ある部分における後続の格子バー間の距離と言ってもよい。位相シフトは、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ」 ３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００４（３６０ページ）においてＪｏｓｅｐｈ Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎにより記述された、ローマンの迂回路－位相原理に従って制御してもよい。

このように、異なる位相シフトは、例えば、ローマンの迂回路－位相原理に従って、第２部分３２０のようなある部分の格子バーを、第１部分３１０のような隣接部分に対しずらすことにより実現してもよい。その結果、ＥＰＥ格子２０６に干渉する光線により生じる干渉を低減することができる。それでも回折光線の振幅は同じままである。

すなわち、振幅分布は、ＥＰＥ格子２０６全体により変化し得るが、例えば、単一格子の場合に振幅が変化しないよう、ローマンの迂回路－位相原理に従って位相シフトを制御するように、ＥＰＥ格子２０６を構成してもよい。よって、振幅を変えることなく回折光線の位相を制御することができる。そのため、導波路の動作を変更するための、より高い自由度が実現される。例えば、初期設計段階において、まず位相なしに導波路を設計し、次に、干渉を低減するように位相シフトを変更する際に、振幅を同じに保ってもよい。

ずれの大きさも部分によって変化させてもよく、干渉の効果を最小化できるように最適化してもよい。代替的、又は付加的に、各部分の大きさを変化させてもよい。すなわち、第１部分３１０は第１の大きさを有してもよく、第２部分３２０は第２の大きさを有してもよく、第１の大きさは第２の大きさと異なっている。

図３の例に関して、ＥＰＥ格子の第１部分３１０の格子バーに向けて入射光線１０４を案内してもよい。第１部分３１０の格子バーは、入射光線１０４を０次光線１０４ａ及び１次光線１０４ｂに回折してもよい。第１部分３１０における格子バーの位置は、０次光線１０４ａの位相に影響を及ぼさないが、１次光線１０４ｂの位相には影響を与える。０次光線１０４ａは非偏向光線と呼んでもよく、１次光線１０４ｂは偏向光線と呼んでもよい。ゼロ以外の他の回折次数（すなわちｍ＝（－２，－１，１，２））の光線は偏向光線と呼んでもよい。

すなわち、０次光線１０４ａは引き続き直線状、すなわち、曲がらない光線であってもよい。１次光線１０４ｂは引き続き直線状ではない、すなわち、曲がる光線であってもよい。

回折された０次光線１０４ａは第１部分３１０から第２部分３２０の格子バーに向けてさらに案内してもよく、第２部分３２０の格子バーは、入射０次光線１０４ａを０次光線１０４ｃ及び１次光線１０４ｄに回折してもよい。さらに、第２部分３２０における格子バーの位置は、０次光線１０４ｃの位相に影響を及ぼさないが、１次光線１０４ｄの位相には影響を与える。また、０次光線１０４ｃは非偏向光線と呼んでもよく、１次光線１０４ｄは偏向光線と呼んでもよい。

さらに、回折された１次光線１０４ｂは第１部分３１０から第３部分３３０の格子バーに向けてさらに案内してもよく、前記第３部分３３０の格子バーは、光線１０４ｂを非偏向光線１０４ｅ及び偏向光線１０４ｆに回折してもよい。光線は、ＥＰＥのいくつかの部分を通して同様に案内してもよい。

異なる部分で偏向された光線は、異なる位相を有してもよく、言い換えれば、異なる部分は、偏向光線に対して異なる位相シフトを生じさせてもよいが、偏向光線（及び非偏向光線）の振幅は同じであってもよい。例えば、第１部分３１０は、第１部分３１０で偏向された光線１０４ｂに第１の位相シフトを生じさせるように構成してもよく、第２部分３２０は、第２部分３２０で偏向された光線１０４ｄに第２の位相シフトを生じさせるように構成してもよい。第１の位相シフトは第２の位相シフトと異なってもよいが、第１部分３１０で偏向された光線の振幅は、第２部分３２０で偏向された光線の振幅と同じであってもよい。異なる経路沿いに伝搬する光線は同じ位置に当たって干渉してもよいが、そのような干渉は光線の位相を調整することにより制御可能である。

各部分の格子バーは同じ方向３０５に構成してもよいが、少なくともいくつかの部分の格子バーを、隣接部分の対応する格子バーに対して、格子バーの方向３０５に垂直な方向３１５にずらし、異なる経路沿いに伝搬する回折光線が異なる位相シフトを生じるようにしてもよい。例えば、第２部分３２０の前記複数のバーの各々は、第１部分３１０の対応する格子バーから、格子バーの方向３０５に垂直な方向３１５に、ある距離だけ移動、すなわち、ずらしてもよい。

すなわち、ある部分における後続の格子バー間の距離以内で格子バーを移動させることにより、位相シフトを偏向光線に実現することができる。非偏向光線１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｅの位相は、それでも変位しなくてもよく、すべての回折次数の振幅は、位相シフトに関わらず同じままでもよい。

図４は、本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた格子バーの第１実例を示す。より具体的には、図４は、どのように第２部分３２０の第１格子バー３２１及び第２格子バー３２２をそれぞれ第１部分３２０の対応する第１格子バー３１１及び第２格子バー３１２に対し、格子バーの方向３０５に垂直な方向３１５に、距離４１０だけずらしてもよいかを示す。すなわち、第１部分３１０の第１格子バー３１１は、第２部分３２０の第１格子バー３２１の対応する格子バーであってもよく、第１部分３１０の第２格子バー３１２は、第２部分３２０の第２格子バー３２２の対応する格子バーであってもよい。

このようにして、第２部分３２０の第１格子バー３２１は、第１部分３１０の対応する格子バー、すなわち、第１格子バー３１１から、距離４１０だけずらしてもよい。同様に、第２部分３２０の第２格子バー３２２も、第１部分３１０の対応する格子バー、すなわち、第２格子バー３１２から、距離４１０だけずらしてもよい。この結果、第１部分３１０の第１格子バー３１１及び第２格子バー３１２は、第２部分３２０の対応する第１格子バー３２１及び第２格子バー３２２に対し、格子バーの方向３０５に垂直な方向３１５にずらされ、それにより、回折光線の振幅が同じままであっても、ＥＰＥ格子において異なる経路沿いに伝搬する光線に異なる位相シフトを生じさせることになる。すなわち、第２部分３２０のすべての格子バーを第１部分３１０の対応する格子バーに対し、同じ距離４１０だけずらしてもよい。

距離４１０は、ある部分の隣接する格子バー間の距離４２０より小さくてもよい。すなわち、距離４１０は、ＥＰＥ格子の周期より小さくてもよい。例えば、ＥＰＥ格子がＥＰＥ格子の周期内に２本の格子バーを備える場合、両方の格子バーを同じ量だけずらしてもよい。

図５ａ及び５ｂは、本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた格子バーの第２実例を示す。より具体的には、図５ａ及び５ｂは、どのように第２部分３２０の前記複数のバーの各々を第１部分３１０の対応する格子バーに対し、格子バーの方向３０５に垂直な方向３１５、例えば横方向に、距離ｄｓだけずらしてもよいかを示す。（式（１）における）距離ｄｓは、図４の距離４１０に対応するものでもよい。ある部分における後続の格子バー、例えば第１部分３１０の第１格子バー３１１及び第２格子バー３１２の間の距離は、図４の距離４２０に対応するものでもよい（式（１）における）ｄにより示される。

すなわち、図５ｂにおける第２部分３２０の第１格子バー３２１は、図５ａにおける第１部分３１０の第１格子バー３１１に対し距離ｄｓだけずれていてもよく、図５ｂにおける第２部分３２０の第２格子バー３２２は、図５ａにおける第１部分の第２格子バー３１２に対し距離ｄｓだけずれていてもよい。このように、ある部分の格子バーを、別の部分の格子バーに対し、ある部分における後続の格子バー間の距離以内、すなわち周期ｄ以内で移動させることにより、位相シフトを回折次数、すなわち偏向光線に実現することができる。例えば、図５ｂに示すように、第２部分３２０の第１格子バー３２１は、第１部分３１０の第１格子バー３１１に対し、１次元格子の場合は格子バーの平面上で、例えば横方向に距離ｄｓだけずらしてもよい。横方向とは、ＥＰＥ格子のある側からＥＰＥ格子の別の側に延びる方向を指すものでもよい。

図５ａ及び５ｂは、格子バー３１１、３１２、３２１、及び３２２の横断面図を示す。格子バーは一般に、様々な形状を有する場合がある。しかし本発明の実施例は格子バーの特定の形状に限定されない。例えば、格子バーの横断面は矩形又は三角形であってもよい。さらに、格子バーの幅、高さ、フィル・ファクタ又は他のいかなる特性も、部分によって変化してもよく、例えば、第１部分３１０の格子バーは、第２部分３２０と異なる幅を有してもよい。

図６は、本発明の少なくともいくつかの実施例による位相シフトの実例を示す。より具体的には、図６は、ｄｓ／ｄの比の関数としての位相シフトの実例を示す。図６では、ローマン・シフトｄｓの関数としての１次回折次数の電場成分の位相である。

図７ａ及び７ｂは、本発明の少なくともいくつかの実施例による、ずらされた２次元格子バーの実例を示す。すなわち、図７ａ及び７ｂは、二重周期の格子バーの実例を示す。

より具体的には、図７ａ及び７ｂは、本発明の実施例がどのように２次元ＥＰＥ格子に適用可能であるかを示している。図７ａは、第１部分３１０の第１格子バー３１１の位置を示し、図７ｂは、第２部分３２０の第１格子バー３２１の位置を示す。図７ｂから分かるように、２次元格子の場合、第２部分３２０の第１格子バー３２１は、格子バーの平面上、すなわち横方向ｄｘ、及び格子バーの平面に垂直な平面上、すなわち鉛直方向ｄｙにずらしてもよい。鉛直方向とは、ＥＰＥ格子の底からＥＰＥ格子の頂上部へ延びる方向を指すものでもよい。図５ａ及び５ｂに示す実例と同様に、図７ａ及び７ｂに示す格子バーも、例えば矩形状又は三角形状など、任意の形状又は他の特性を有してもよい。

図８は、本発明の少なくともいくつかの実施例による、異なる部分における移動距離の分布例を示す。図８において、インカップリング格子２０２、アウトカップリング格子２０４、及びＥＰＥ格子２０６である。図８に示すように、第１部分３１０及び第２部分３２０のようなＥＰＥ格子２０６の部分は、異なる部分の格子バーを異なる距離だけ移動させて、回折光線の振幅を同じに保ちながら、回折光線に異なる位相シフトを生じさせ、それによってＥＰＥ格子２０６に干渉する光線により生じる干渉を低減するように構成してもよい。

開示された本発明の実施例は本明細書で開示された特定の構造、プロセス工程、又は材料に限定されないが、関連する技術の当業者であれば認識されるように、その均等物に及ぶものと了解すべきである。本明細書で用いられる用語は、特定の実施例を説明する目的でのみ使用されており、限定を意図しないということも了解されるべきである。

本明細書を通じて、一実施例又はある実施例への言及は、当該実施例に関して説明した特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。よって、本明細書を通じて、様々な箇所における文言「一実施例において」又は「ある実施例において」の出現は、同じ実施例に言及する必ずしもすべてではない。例えば、約又は実質上などの用語を用いて数値への言及がなされる場合、正確な数値も開示される。

本明細書で用いられる通り、複数の品目、構造要素、構成要素、及び／又は材料は便宜上、共通のリストにおいて提示する場合がある。しかし、これらのリストは、リストの各要素が独立且つ特異の要素として個々に特定されるものとして見なすべきである。よって、そのようなリストのいかなる個々の要素も、反対の指示なしに共通の群内の提示のみを根拠として同じリストの他の要素の事実上の均等物として見なすべきでない。加えて、本発明の様々な実施例及び実例は、本明細書において、様々なその構成要素の代替手段と共に言及する場合がある。このような実施例、実例、及び代替手段は相互の事実上の均等物として見なすべきでないが、本発明の独立且つ自律的な表現と見なすべきであることが了解される。

さらに、説明した特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施例において適切な様態で組み合わせてもよい。上述の説明において、長さ、幅、形状などの実例のような多数の具体的詳細は、本発明の実施例に関する完全な理解を得られるように提示している。しかしながら、関連する技術の当業者は、具体的詳細のうち１つ又は複数を用いず、又は、他の方法、構成要素、材料などにより本発明を実施可能であるものと認識するであろう。他の例では、本発明の態様の曖昧化を避けるため、周知の構造、材料、又は動作は、詳細に図示又は説明されない。

上述の実例は１つ又は複数の特定の用途において本発明の原理を説明するものであるが、発明の能力を行使することなく、且つ、本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、使用法、及び実施の詳細における多数の変更をなし得ることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、以下に述べる特許請求の範囲による場合を除き、本発明が限定されることは意図されない。

本文書において動詞「備える（ｔｏ ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含む（ｔｏ ｉｎｃｌｕｄｅ）」は、列挙されない特徴の存在を排除も要求もしない開放された限定として用いられる。従属請求項に列挙された特徴は、別段の明示がない限り、相互に自由に組合せ可能である。さらに、本文書を通じて、「ある（ａ又はａｎ）」、すなわち、単数形の使用は複数を排除するものではないことが了解されるべきである。

本発明の少なくともいくつかの実施例は、ＨＭＤ及びＨＵＤにおいて産業的な用途が認められる。

頭字語リスト
ＨＭＤ ヘッドマウント・ディスプレイ（Ｈｅａｄ－Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）
ＨＵＤ ヘッドアップ・ディスプレイ（Ｈｅａｄ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）
ＬＣＯＳ 反射型液晶パネル（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）
ＬＥＤ 発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）
ＭＥＭＳ 微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）

１００ ライト・フィールド
１０２ 光ガイド
１０４ 光線
１１０ 導波路
１１２ 素子
１１４ 指向光
１２０ 眼
１３０ 鏡
１４０ 光源
２０２ インカップリング格子
２０４ アウトカップリング格子
２０６ 射出瞳拡大器
３１０，３２０ ＥＰＥのセグメント
３１１，３１２，３２１，３２２ 格子バー
３０５，３１５ 方向
４１０ 距離ｄｓ
４２０ 距離ｄ

Claims (18)

1. 少なくとも２つの部分に分割されるＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ（射出瞳拡大器））格子であって、前記ＥＰＥ格子は、第１部分における複数の格子バーと、第２部分における複数の格子バーとを備え、前記第１部分の前記複数の格子バーは、前記第２部分の前記複数の格子バーと概ね同じ方向に向けられ、且つ、前記格子バーの前記方向に垂直な方向に、ずらされている、ＥＰＥ格子。
2. 前記第１部分の前記複数の格子バー及び前記第２部分の前記複数の格子バーは、前記ＥＰＥ格子において異なる経路沿いに伝搬する光線に異なる位相シフトを生じさせるように、ずらされている、請求項１に記載のＥＰＥ格子。
3. 前記第２部分の前記複数の格子バーの各々は、前記第１部分の対応する格子バーに対し、前記格子バーの方向に垂直な前記方向に、ある距離だけずらされている、請求項１又は２に記載のＥＰＥ格子。
4. 前記第１部分の第１格子バーは、前記第２部分の第１格子バーの前記対応する格子バーであり、前記第１部分の第２格子バーは、前記第２部分の第２格子バーの前記対応する格子バーである、請求項３に記載のＥＰＥ格子。
5. 前記距離は前記ＥＰＥ格子の周期より小さい、請求項３又は４に記載のＥＰＥ格子。
6. 前記第２部分の前記複数のバーの各々は、前記第１部分の対応する格子バーから、横方向に前記距離だけずれている、請求項１から５までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
7. 前記第２部分の前記複数のバーの各々は、前記第１部分の対応する格子バーから、鉛直方向に前記距離だけずれている、請求項１から６までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
8. 前記ＥＰＥ格子は二重周期である、請求項１から７までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
9. 前記ＥＰＥ格子の前記第１部分は前記第１部分で偏向された光線に第１の位相シフトを生じさせるように構成され、前記ＥＰＥ格子の前記第２部分は前記第２部分で偏向された光線に第２の位相シフトを生じさせるように構成されている、請求項１から８までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
10. 前記第１の位相シフトは前記第２の位相シフトと異なっている、請求項９に記載のＥＰＥ格子。
11. 前記第１部分で偏向された前記光線の振幅は、前記第２部分で偏向された前記光線の振幅と同じである、請求項９又は１０に記載のＥＰＥ格子。
12. 前記第２部分は、前記ＥＰＥ格子に案内された光線に関して、前記第１部分の後に続く、請求項１から１１までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
13. 前記ＥＰＥ格子は、第３部分における複数の格子バーをさらに備え、前記第３部分の前記複数のバーの各々は、前記第１部分の対応する格子バーから、前記格子バーの方向に垂直な方向に、ある距離だけずれている、請求項１から１２までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
14. 前記第１部分の後続の格子バー間の距離は、前記第２部分の後続の格子バー間の距離と同じである、請求項１から１３までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
15. 前記ＥＰＥ格子は、前記ＥＰＥ格子の外部へ光を拡散して結合するように構成され、好ましくはインカップラとして動作するようにも構成される、請求項１から１４までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
16. 前記ＥＰＥ格子は、前記ＥＰＥ格子において異なる経路を通って伝搬する光線の振幅を不変に保つように構成される、請求項１から１５までのいずれかに記載のＥＰＥ格子。
17. 画像を表示するための光導波路装置であって、
    光導波路と、
    前記光導波路内に前記画像を回折結合するインカップリング格子と、
    前記光導波路の外部へ前記画像を回折結合するアウトカップリング格子と、
    請求項１から１６までのいずれかに記載のＥＰＥ格子であって、前記ＥＰＥ格子は、前記アウトカップリング格子上の前記画像の前記射出瞳を拡大するため、前記インカップリング格子と前記アウトカップリング格子との間に存する、ＥＰＥ格子とを備える光導波路装置。
18. 請求項１７に記載の光導波路装置を備える、ヘッドマウント・ディスプレイ、ＨＭＤ又はヘッドアップ・ディスプレイ、ＨＵＤなどの個人用表示装置。

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