JP2023532954A - 複合回折光学要素を備えた画像光ガイドと、この画像光ガイドを用いたヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

画像担持光を伝送するための画像光ガイドは、その長さに沿って画像担持光ビームを伝送するように動作可能な基板を備える。インカップリング回折光学要素は、基板に沿って形成され、画像ソースからの画像担持光ビームの一部を、角度的にエンコードされた形態で基板内に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要素は、基板に沿って少なくとも部分的にｘ軸とｙ軸を有する平面に形成され、基板からの画像担持光ビームの一部を、角度的にデコードされた形態で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要素は、画像担持光ビームの一部を回折次数に回折するように動作可能な第１の複数の周期的構造と第２の複数の周期的構造を含む。第１および第２の複数の周期的構造は、複数の頂点を含み、ｘ軸に沿って隣接する各頂点は、ｙ軸方向にオフセットされている。

Description

本発明は、電子ディスプレイに関し、特に、回折光学要素を有する画像光ガイドを用いて、視者に画像担持光を伝送するディスプレイに関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、軍事、商業、工業、消防、および娯楽分野への適用を含め、様々な用途に向けて開発されている。これら適用の多くにおいて、ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の像に視覚的に重ね合わせ可能なバーチャル像を形成することは、価値がある。光学的な画像光ガイドは、狭い空間内で画像担持光を視者に伝送し、バーチャル像を視者の瞳に向け、上記重ね合わせ機能を可能にする。

従来の画像光ガイド構成は、ニアアイディスプレイ光学系のかさ、重量、およびコストを大きく減じたが、さらなる改良が求められている。

場合によっては、アイボックスのサイズが制限され、それによりＨＭＤの設計において、動きの許容範囲及びデバイスの配置の許容範囲が制限される。光は視野において不均衡に分配されることがしばしば起こり得る。その結果、視野の中心では光のレベルが高く、周辺部では光のレベルが低くなる等のホットスポットが生じかねない。導波路内でのビーム管理機能（ビーム拡大機能及び光分配機能を含む）は、導波路のサイズ、製造コスト及び複雑さを増大させかねない。

第１の例示的な実施形態では、画像担持光を伝送ための画像光ガイドは、画像担持光ビームを長手方向に沿って伝送するように動作可能な基板（６０２，７０２，８０２，９０２）を備えている。基板は第１面と、この第１面と平行な第２面を有している。画像担持光を伝送ための画像光ガイドは、前記基板に沿って形成されたインカップリング回折光学要素（６０４，７０４，８０４，９０４）を備えている。前記インカップリング回折光学要素は、画像ソース（１６）からの前記画像担持光ビームの一部を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能である。画像担持光を伝送ための画像光ガイドは、前記基板に沿って形成されたアウトカップリング回折光学要素（５００，７０６，８０６，９０６）を備えている。前記アウトカップリング回折光学要素は、ｘ軸およびｙ軸を有する平面内に少なくとも部分的に配置され、前記基板からの前記画像担持光ビームの一部を角度的にデコードされた形態で回折するように動作可能である。さらに、前記アウトカップリング回折光学要素は、第１の複数の周期的構造（４１２，４２４，４１４）と第２の複数の周期的構造（４１６，４２６，４１８）とを含み、前記第１、第２の複数の周期的構造は、前記画像担持光ビームの一部を回折次数で回折するように動作可能である。さらに前記第１、第２の複数の周期的構造は、複数の頂点（３５２，３５４，４５２，４５４，２１５４）を含み、ｘ軸に沿って隣接する各頂点は、ｙ軸方向にオフセットされている。

第２の例示的な実施形態では、画像担持光を伝送するための画像光ガイドを製造する方法は、平坦な表面を有しこの表面にコーティングが結合された基板（６０２，７０２，８０２，９０２）を提供する工程と、第１の方向とこの第１の方向と直交する第２の方向に書き込むように動作可能なビーム書き込みシステムを提供する工程と、複数のユニットセル（３１０，４１０Ａ，４１０Ｂ）を含む回折格子レイアウトパターンを提供する工程を備えている。各ユニットセルが、第１の複数の直線回折フィーチャ（４１２，４２４，４１４）と、第２の複数の直線回折フィーチャ（４１６，４２６，４１８）とを含み、前記第１、第２の複数の直線回折フィーチャの１以上の交点が対応する１以上の頂点（３５２，３５４，４５２，４５４，２１５４）を画成し、前記第１の方向に沿って隣接する頂点が、前記第２の方向に沿ったオフセットを含む。画像担持光を伝送するための画像光ガイドを製造する方法はさらに、前記基板を前記ビーム書き込みシステム内に配置し、それによって前記ビーム書き込みシステムが前記コーティングに書き込むように動作可能になる工程を備えている。この方法は、前記第１、第２の複数の直線回折フィーチャのうちの１つを、前記ビーム書き込みシステムの第１の方向と平行にアライメントさせる工程と、前記回折格子レイアウトパターンを、前記ビーム書き込みシステムを介して前記コーティングに書き込む工程も備えている。

添付の図面は、詳細な説明の一部として本明細書に組み込まれる。開示された図面は、現在開示されている主題の実施形態を示しており、本開示の選択された原理および教示を示している。しかし、 図面は現在開示されている主題のすべての可能な実施形態を示しているわけではなく、本開示の範囲を限定することを意図していない。

画像光ガイドの簡略化した断面図であり、アイボックスの１つの次元を拡大するための、伝搬方向に沿う画像担持ビームの拡大を示している。

回転格子を有する画像光ガイドの斜視図であり、アイボックスの第２の次元を拡大するための、伝搬方向に垂直な画像担持ビームの拡大を示している。

画像光ガイドの平面図であり、この画像光ガイドは、本開示の主題の例示的実施形態による交互の格子ベクトルのパターンを有するアウトカップリング回折光学要素を備えている。

本開示の主題の例示的実施形態による個々の回折パターン内での光の挙動を示す図である。

本開示の主題の例示的実施形態による複合回折パターンの概略を示す図である。

本開示の主題の例示的実施形態による複合回折パターンの概略平面図である。

本開示の主題の例示的実施形態による回折パターンのユニットセルの構成を示す図である。

本開示の主題の例示的実施形態による回折パターンのユニットセルの別の構成を示す図である。 本開示の主題の例示的実施形態による回折パターンのユニットセルを示す図である。

本開示の一実施形態による、３つの重なり合う回折格子パターンを有する複合回折格子の一部の平面図である。

閉じた三角形を形成する合計格子ベクトルのベクトル図である。

本開示の主題の例示的実施形態による画像光ガイドの概略平面図である。この画像光ガイドは、画像担持ビームを拡大して出力するように動作可能な複合回折格子パターンを有する。

本開示の主題の例示的実施形態による画像光ガイドの概略平面図である。この画像光ガイドは、画像担持ビームを拡大し出力するように動作可能な複合回折格子パターンを有する。

図８Ａによる回折パターンのユニットセルの配置を示す。このユニットセルはｚ軸を中心に回転している。

本開示の主題の例示的実施形態による、画像光ガイドの概略平面図である。この画像光ガイドは、画像担持ビームを拡大して出力するように動作可能な複合回折格子パターンを有する。

閉じた三角形を形成する合計格子ベクトルのベクトル図である。

本開示の主題の例示的実施形態による、画像光ガイドの概略平面図である。この画像光ガイドは、瞳拡大回折光学要素と射出瞳回折光学要素を有する。 本開示の主題の例示的な実施形態による、画像光ガイドの概略平面図である。この画像光ガイドは、瞳拡大回折光学要素と射出瞳回折光学要素を有する。

本開示の主題の例示的実施形態において、直角以外の角度で導波路表面に入射する入力中心光線を示す。 図１３の画像光ガイドの単純化された断面図であり、導波路内を伝播する光線を示す。

本開示の主題の例示的実施形態による、複合回折光学要素の一部を簡略化して示す図である。

本開示の主題の例示的実施形態による、複合回折格子パターンの一部の概略図である。この複合回折格子パターンは、画像担持ビームを拡大し出力するように動作可能である。

本開示の主題の例示的実施形態による、複合回折格子パターンの一部を示す図である。この複合回折格子パターンは、画像担持ビームを拡大し出力するように動作可能である。

拡張現実観察のための双眼ディスプレイシステムの斜視図である。この双眼ディスプレイシステムは、本開示の主題の例示的実施形態による少なくとも１つの画像光ガイドを使用する。

本発明は、明確に指定されている場合を除いて、様々な代替の向きおよびステップシーケンスを想定し得ることを理解すべきである。添付の図面に示され以下の明細書で説明される特定のアセンブリおよびシステムは、本明細書で定義される発明概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、特に断りのない限り、限定と見なされるべきではない。また、そうでない場合もあるが、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、同様の参照番号で共通に参照される。

本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」等の用語は必ずしも順序、順次または優先関係を示すものではなく、特に明記しない限り、単に1つの要素または要素の集合を
他と明確に区別するために用いられる。

本明細書で使用される場合、「視者」、「操作者」、「観察者」、および「使用者」という用語は均等と見なされ、画像光ガイドを有するデバイスを使用して画像を見たり、同デバイスを装着する人または機械を指す。

本明細書で使用される場合、「集合（set）」という用語は、要素又はメンバーの集まりをいう概念として初等数学で広く理解されているように、非空集合を指す。本明細書で使用される場合、「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、より大きな集合のうちの部分集合を指す。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つのメンバーを除外したものを指す。

本明細書で使用される場合、光学の分野における「結合された（coupled）」、「カプラ（結合器；coupler)」、「結合する（coupling）」という用語は、光を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伝送させるような結合を意味する。

本明細書で使用される場合、「頂点（vertex, vertices）」という用語は、複合回折パターン内で繰り返される交差のフィーチャを指す。例えば、頂点は、２つ以上の線が出会う領域、柱（ポスト）を含む回折フィーチャ、または２つ以上のユニットセルが出会う領域を含む。

ＨＭＤなどの光学システムは、バーチャル像を表示することができる。実像を結ぶ方法とは対照的に、バーチャル像がディスプレイ面に結ばれることはない。つまり、ディスプレイ面がバーチャル像を知覚する位置にあるとしたら、ディスプレイ面に像は結ばれない。拡張現実表示において、バーチャル像表示には固有の利点が数多くある。例えば、バーチャル像の見かけの大きさはディスプレイ面の寸法や位置によって制限されない。さらに、バーチャル像のソースとなる対象物は、小さくすることができる。例えば拡大鏡が対象物のバーチャル像を提供する。実像を投影するシステムに比べて、ある程度離れたところにあるように見えるバーチャル像を結ぶことによって、よりリアルな視覚体験を提供することができる。また、バーチャル像を提供すれば、実像投影の場合には必要となるスクリーンアーチファクトを補正する必要が無くなる。

画像光ガイドは、プロジェクタなどの光源からの画像担持光を用いてバーチャル像を表示することができる。例えば、コリメートされ相対的に角度的にエンコードされたプロジェクタからの光ビームは、インカップリング回折光学要素などの入力カップリング（入力結合）によって平面導波路内へと結合される。このインカップリング回折光学要素は、平面導波路の表面に取り付けられるか形成され、または導波路内に埋め込まれている。このような回折光学要素は、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）として、または他の既知の方法で形成することができる。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成することができる。回折光は導波路に沿って伝搬した後、同様の出力カップリング（アウトカップリング回折光学要素など）によって、導波路外に戻すことができる。このアウトカップリング回折光学要素は、バーチャル像の一次元に沿って瞳拡大を提供するように配置することができる。さらに、回転格子を導波路上または導波路内に配置することにより、バーチャル像の直交する次元で瞳拡大を提供することができる。導波路から出力される画像担持光は、視者に拡張されたアイボックスを提供する。

図１に示すように、画像光ガイド１０は、平坦かつ平行な表面を有する平面導波路２２を備えている。平面導波路２２は、外側表面１２とこの外側表面１２の反対側に配置された内側表面１４を有する透明な基板Ｓを備えている。本実施形態では、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトプットカップリング回折光学要素ＯＤＯが、内側表面１４に配置されている。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、反射型回折格子であり、この回折格子を介して画像担持光ＷＩが平面導波路２２内へと結合される。しかしながら、インカップリング回折光学要素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要素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組み合わせで、透過型であっても、反射型であってもよい。

バーチャルディスプレイシステムの一部として使用される場合、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、実像、バーチャル像、またはハイブリッドの画像ソースからの画像担持光ＷＩを結合して、平面導波路２２の基板Ｓに入り込ませる。実像又はイメージディメンションは最初に、重なり合う角度的に関連付けられたビームのアレイに変換される。このビームのアレイは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯに呈示するバーチャル像内の異なる位置をエンコードするものである。画像担持光ＷＩは（概ね一次回折により）回折され、それによって、インカップリング回折光学要素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により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、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要素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要素ＯＤＯはインカップリング回折光学要素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の当初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要素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要素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視者の目の位置に対する感受性を低下させる。

本実施形態では、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２の内側表面１４に配置された透過型の回折格子である。しかし、インカップリング回折光学要素ＩＤＯと同様に、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯ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ＷＧが平面導波路２２を出ることを意図された方向との組み合わせで、透過型であっても、反射型であってもよい。

図２に示すように、画像光ガイド２０は、２次元、すなわち、意図された画像のｘ軸及びｙ軸に沿ってアイボックス７４を拡大するように構成することができる。第２の次元のビーム拡大の達成するために、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、画像担持光ＷＧを格子ベクトルｋ０で中間回転格子ＴＧに向けて回折するように方向づけられている。この中間回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１は、画像担持光ＷＧを反射モードでアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに向けて回折するように方向づけられている。中間回転格子ＴＧとの多数の遭遇のうちの各遭遇により、画像担持光ＷＧの一部のみが回折され、それにより、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯに近づく画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられた各ビームを横方向に拡大する。中間回転格子ＴＧは、画像担持光ＷＧを、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ２と少なくとも概ねアライメント（整列）する方向へと再方向付けする。画像担持光ＷＧの角度的に関連付けられたビームを、画像担持光ＷＯとして平面導波路２２から出る前に、第２の次元で縦方向に拡大するためである。描かれた格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２等の格子ベクトルは、回折光学要素の回折フィーチャ（例えば、溝、線、又は罫線）と垂直な方向に延び、回折光学要素ＩＤＯ、ＴＧ、ＯＤＯの周期又はピッチｄ（すなわち、溝間の中心距離）に反比例する大きさを有する。

図２に示すように、インカップリング回折光学要素ＩＤＯは入力する画像担持光ＷＩを受け取る。この画像担持光Ｗ１は、画像ソース１６によって生成された画像におけるピクセルまたは均等の位置に対応する、角度的に関連付けられたビームの集合を含んでいる。画像ソース１６は、バーチャル像を作成するために角度的にエンコードされたビームの全範囲を生成するように動作可能である。画像ソース１６は、集束光学素子とともに用いられる実像のディスプレイ、ビームの角度をより直接的に設定するためのビームスキャナ、又はスキャナと組合された１次元の実像ディスプレイとすることができるが、これらに限定されない。画像光ガイド２０は、配向の異なる中間回転格子ＴＧ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯと画像担持光ＷＧとの多数の遭遇を提供することによって、画像の２次元で拡大された角度的に関連付けられたビームの集合を出力する。平面導波路２２の当初の配向（original orientation）において、中間格子ＴＧはｙ軸方向のビーム拡大を提供し、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯはｘ軸方向の同様のビーム拡大を提供する。回折光学要素ＩＤＯ、ＯＤＯ、ＴＧの反射率特性およびそれぞれの周期ｄと、それぞれの格子ベクトルの配向により、画像担持光ＷＩにおける角度的に関連付けられたビーム間の意図された関係を保持しながら、２次元でビームを拡大し、画像光ガイド２０から画像担持光ＷＯとして出力する。

画像光ガイド２０に入力される画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯによって角度的に関連付けられたビームの異なる集合にエンコードされるが、画像を再構築するために必要な情報は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯの組織的な効果によって保持される。回転格子ＴＧはインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の中間位置に位置し、通常、画像担持光ＷＧのエンコーディングに大きな変化を引き起こさないように構成される。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、通常インカップリング回折光学要素ＩＤＯに対して対称に構成され、例えば同じ周期を共有する回折フィーチャを含む。同様に、回転格子ＴＧの周期も、通常、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通の周期に一致する。図２に示すように、回転格子の格子ベクトルｋ１は、他の格子ベクトルに対して４５°を向くように図示されている（全て方向づけられていない線分として）。しかし、一実施形態では、回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１はインカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ０、ｋ２に対して６０°に配向され、画像担持光ＷＧが１２０°回転する。中間回転格子ＴＧの格子ベクトルｋ１をインカップリング回折光学要素ＩＤＯ及びアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ０、ｋ２に対して６０°に配向することによって、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの格子ベクトルｋ０、ｋ２もまた、互いに対して６０°をなして配向される（ここでも、格子ベクトルは方向づけられていない線分と見なされる）。格子ベクトルの大きさは、回転格子ＴＧ、インカップリング回折光学要素ＩＤＯ、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの共通のピッチに基づくため、方向づけられた線分としての３つの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２は正三角形を形成し、大きさの合計はゼロとなる。これにより、色分散を含む望ましくない収差を引き起こしかねない非対称の効果が避けられる。

平面導波路２２内に回折された画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学要素が格子、ホログラム、プリズム、ミラー、その他の機構のいずれを用いるかに関わらず、インカップリング回折光学要素によって有効にエンコードされる。インカップリング回折光学要素ＩＤＯで生じる光の反射、屈折、及び／又は回折は、視者に提示されるバーチャル像を再形成するために、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯによって、デコードされる必要がある。好ましくは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの間の中間位置に位置する回転格子ＴＧは、通常、エンコードされた光にいかなる変更も引き起こさないように設計され、配向される。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＧを元の又は所望の形の、角度的に関連付けられたビームにデコードする。このビームはアイボックス７４を満たすように拡大されている。

回転格子ＴＧとインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯとの間で対称性が維持されると否とに拘わらず、また、画像担持光ＷＩの角度的に関連付けられたビームのエンコーディングに、平面導波路２２沿いに何らかの変化が起こると否とに拘わらず、回転格子ＴＧとインカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、平面導波路２２からアウトプットされる画像担持光ＷＯが、画像担持光ＷＩの元の形、又は意図されたバーチャル像を生成するための望ましい形を維持または保持するように、関連付けられている。

文字「Ｒ」は、アイボックス７４内に目がある視者に見えるバーチャル像の向きを表わしている。図示のとおり、表わされるバーチャル像の中の文字「Ｒ」の向きは、画像担持光ＷＩにエンコードされた文字「Ｒ」の向きと一致している。入射する画像担持光ＷＩのｘ－ｙ平面におけるｚ軸周りの回転又は角度的配向の変化は、アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯから出射する光の回転又は角度的配向に、対応する対称の変化を引き起こす。画像の配向という面においては、回転格子ＴＧは単にある種の光学リレーとして作用し、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の１つの軸に沿って（例えば、ｙ軸に沿って）拡大する。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、画像担持光ＷＩによってエンコードされたバーチャル像の元の配向を維持しながら、画像担持光ＷＧの角度的にエンコードされたビームを、画像の別の軸に沿って（例えば、ｘ軸に沿って）拡大する。図２に示すように、回転格子ＴＧは、傾斜又は正方形の回折格子であり、平面導波路２２の前面又は後面に配置される。或いは回転格子ＴＧはブレーズド回折格子であってもよい。

本開示は、光路内において独立した回転格子ＴＧの必要性を排除する改良された画像光ガイドを提供する。より具体的に述べると、本開示はとりわけ、画像担持光ビームを二次元に拡大し、拡大された画像担持光ビームをアイボックスに向けて出力するように動作可能な回折アレイを有する導波路を提供する。

図３に示すように、画像光ガイド１００は、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯを有している。これら回折光学要素は画像光ガイドの第１面１０２に形成されている。あるいは、インカップリング回折光学要素ＩＤＯとアウトカップリング回折光学要素ＯＤＯの片方または両方が、第１面１０２の反対側に位置する画像光ガイド１００の第２面に形成されている。インカップリング回折光学要素ＩＤＯは、ｘ軸方向に延びる格子ベクトルｋ１を有している。アウトカップリング回折光学要素ＯＤＯは、回折アレイ１０４を有している。この回折アレイ１０４は、多数の構成要素として回折光学要素１０６を有する。回折アレイ１０４の列において、一連の回折光学要素１０６は、交互に格子ベクトルｋ２、ｋ３を有する。交互の格子ベクトルｋ２，ｋ３の配置が、アレイ１００の一部の拡大図で概略的に示されている。格子ベクトルｋ２は、インカップリング格子ベクトルｋ１およびｘ軸から＋６０°オフセットされている（換言すれば、ｙ軸から－３０°オフセットされている）。格子ベクトルｋ３は、インカップリング格子ベクトルｋ１およびｘ軸から－６０°オフセットされている。

回折アレイ１０４は、単一の表面上に形成された回折要素または回折光学要素の、交わらず互いに重ならない部分集合（subsets）の結合（連合；union）として、構造的に形成されていると考えることができる。集合論の観点から考えると、この部分集合の結合は「パーティション（区画）」を形成する。パーティションの各部分集合には独自の格子ベクトルがあり、部分集合は格子ベクトルの方向により互いに区別される。つまり、各部分集合のすべての回折要素は、共通の格子ベクトルを有している。回折光学要素１０６の空間的配置では、少なくとも２つの部分集合の要素が交互に配置されており、これにより、格子ベクトルｋ２を有する部分集合の各回折光学要素１０６は、格子ベクトルｋ３を有する他の部分集合の1つまたは複数の回折光学要素１０６と隣接している。隣接する回折光学要素１０６の２つ以上の部分集合が、回折アレイ１０４のパーティションを構成することができる。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。

ここで図４を参照すると、インカップリング回折光学要素ＩＤＯから入射する光ＷＧが回折アレイ１０４と相互作用すると、入射光ＷＧの一部が回折され、光の元の経路に対してある角度をなして回折アレイ１０４の他の部分に向けられる。図４に示すように、一実施形態では、入射光ＷＧが格子ベクトルｋ２を有する回折光学要素１０６と相互作用するとき、入射光ＷＧの一部が回折され、それによってインカップリング回折光学ＩＤＯからの光の元の光路に対して１２０°偏向される。同様に、入射光ＷＧが格子ベクトルｋ３を有する回折光学要素１０６と相互作用するとき、入射光ＷＧの一部が回折され、それによって、インカップリング回折光学要素ＩＤＯからの光の元の経路に対して－１２０°偏向される。入射光ＷＧの別の部分は、回折光学要素１０６を通って、異なる格子ベクトルを有する隣接の回折光学要素１０６へと進む。回折され偏向された光ＷＧが回折光学要素１０６に、その格子ベクトルｋ２、ｋ３と実質的に平行な角度で入射すると、光ＷＯの一部が画像光ガイド１００から出力（出力結合；アウトカップル）される。

図５に示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学ＯＤＯは、格子ベクトルｋ２を有する第１の回折格子と、格子ベクトルｋ３を有する第２の回折格子とを備えている。第１および第２の回折格子は重なり合って、０°と１８０°の間の格子ベクトルｋ２、ｋ３の角度関係を作り出す。一実施形態では、格子ベクトルｋ２、ｋ３の間の角度関係は約６０°である。第１の回折格子によって回折され方向付けられた光が、第２の回折格子のフィーチャ（例えば、線）と実質的に直交する角度で第２の回折格子に入射すると、光の一部が画像光ガイドから出力結合される。

引き続き図５を参照すると、一実施形態では、第１の回折格子の周期ｄ１は、第２の回折格子の周期ｄ２と等しい。別の実施形態では、周期ｄ１は周期ｄ２より大きい。別の実施形態では、周期ｄ１は周期ｄ２よりも小さい。さらに別の実施形態では、第１、第２の回折パターンの少なくとも１つは、格子ベクトルｋ２、ｋ３の方向に変化するチャープ周期ｄ１、ｄ２を含む。

図６に示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学ＯＤＯは、格子ベクトルｋ１を有する第１の回折格子２０６Ａと、格子ベクトルｋ２を有する第２の回折格子２０６Ｂと、格子ベクトルｋ３を有する第３の回折格子２０６Ｃを含む複合回折パターンを備えている。第１、第２、第３の回折格子２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃは、同一平面で（すなわち、画像光ガイドの同一表面で）重なり合っている。一実施形態では、各回折格子２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃの周期ｄは等しい。別の実施形態では、１以上の回折格子２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃの周期ｄは異なっている。一実施形態では、１以上の回折格子２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃの周期ｄがチャープされている。図示されているように、３つの格子ベクトル k１、k２、k３ はすべて、６０°の角度で関連付けられている (無向の線分と見なされる場合)。格子ベクトルの大きさが共通のピッチに基づくため、３つの格子ベクトル k１、k２、k３ (有向線分として）は、正三角形を形成するとともに合計の大きさがゼロになるベクトル図に編成することができる。他の構成では、格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３は、異なる角度量で相対的に配向することができる。

引き続き図６を参照すると、除去製造技術によって複合回折パターンが生成されると、残りの材料が回折フィーチャ２０８を形成する。図６に示すように、一実施形態では、回折フィーチャ２０８は三角形である。しかし、他の実施形態では、回折フィーチャ２０８は、除去された材料の分布によって決定され、六角形などの形状であってもよいが、これに限定されない。

一実施形態では、回折格子２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃは、二次元格子に配置されたユニットセル２１０の複製の配列によって形成される。図６に示すように、アウトカップリング回折光学系ＯＤＯの複合回折パターン全体が、六角形ユニットセル２１０の複製および連続配置によって形成される。隣接するユニットセル２１０は、二次元格子内の頂点を共有する。格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３は互いに６０°で相対的に配向されているが、ユニットセル２１０は、複合回折パターン内の回折フィーチャ２０８の形成および配向を可能にする。例えば、格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３の相対的な向きおよび周期は、回折フィーチャ２０８が正方形、長方形、円形、または楕円形として形成されたとしても、変化しないまま維持される。回折フィーチャ２０８は、機械加工または他の除去製造工程の後に残る材料によって、または機械加工または他の除去製造工程によって除去される材料によって、画成することができる。回折フィーチャ２０８は、屈折率の差など、回折フィーチャ２０８をそれらの周囲から区別する光学特性によって画成することもできる。

図７に示すように、一実施形態では、ユニットセル３１０は、複合回折パターンを形成するように動作可能な非正六角形を画成する。ユニットセル３１０は、ほぼ同じ長さを有する回折フィーチャ３１２、３１４の第１の対と、ほぼ同じ長さを有する回折フィーチャ３１６、３１８の第２の対と、ほぼ同じ長さを有する回折フィーチャ３２０、３２２の第３の対を含む。回折フィーチャの第１、第２、第３の対は、同じ長さではない。例えば、回折フィーチャ３１２、３２０、３１６は異なる長さを有する。回折フィーチャ３１２、３２０、３１８、３１４、３２２、３１６の第１、第２、第３の対は、ユニットセル３１０の非正六角形を画成する。

ユニットセル３１０は、第４の回折フィーチャ３２４と第５の回折フィーチャ３２６と第６の回折フィーチャ３２８も含む。第４、第５、第６の回折フィーチャ３２４、３２６、３２８は、ユニットセル３１０の非正六角形内で交差する。回折フィーチャ３１２、３２０、３１８、３１４、３２２、３１６の第１、第２、第３の対と、第４、第５、第６の回折フィーチャ３２４、３２６、３２８は、６つの領域（area domain）３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０を画成する。

回折フィーチャ３１２、３２４、３１４の幅はほぼ同じであり、５０ｎｍより大きい。一実施形態では、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４の幅は、２００ｎｍから６００ｎｍの間の範囲である。回折フィーチャ３１６、３２６、３１８の幅はほぼ同じであり、５０ｎｍより大きい。一実施形態では、回折フィーチャ３１６、３２６、３１８の幅は、２００ｎｍから６００ｎｍの間の範囲である。回折フィーチャ３２０、３２８、３２２の幅はほぼ同じであり、５０ｎｍより大きい。一実施形態では、回折フィーチャ３２０、３２８、３２２の幅は、２００ｎｍから６００ｎｍの間の範囲にある。回折フィーチャ３１２、３２４、３１４の幅と、回折フィーチャ３１６、３２６、３１８の幅と、回折フィーチャ３２０、３２８、３２２の幅は、同じでなくてもよい。さらに、一実施形態では、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の深さは、同一または同等である。別の実施形態では、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の深さは、同じまたは同等ではない。

一実施形態では、６つの領域３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の屈折率は、同一かまたはほぼ同一である。例えば、６つの領域３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の屈折率は、空気の屈折率と同等またはほぼ同等であり得る。６つの領域３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の屈折率は、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の屈折率と同じではない。回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の屈折率は、互いに同一またはほぼ同一であり得る。回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の屈折率は、空気の屈折率とほぼ同じであってもよい。一実施形態では、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４、３２０、３２８、３２２、３１６、３２６、３１８の屈折率は、１．２５～３．５の範囲である。

引き続き図７を参照すると、一実施形態では、ユニットセル３１０は、頂点３５２と頂点３５４との間にｙ軸方向（すなわち、図７に示される垂直方向）の垂直オフセット３５０を含む。一実施形態では、垂直オフセット３５０は、１０ｎｍ～１００ｎｍの間の距離を有する。一実施形態では、垂直オフセット３５０は約６５ｎｍである。頂点３５２は、少なくとも部分的に、回折フィーチャ３１８、３２０、３２４の交差によって画成される。頂点３５４は、少なくとも部分的に、回折フィーチャ３１４、３２２、３２６の交差によって画成される。図９Ａに示すように、垂直オフセット３５０は、１つのユニットセル３１０から隣接するユニットセル３１０への段階的変化（step change）である。一実施形態では、垂直オフセット３５０は、６つの領域３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の形状を不等辺三角形（正三角形ではなく）に画成する。不等辺三角形としての６つのエリアドメイン３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の形状は、複合回折パターンの中心を介して対称的に配置された軸外入力（off axis inputs）の回折を可能にする。

垂直オフセット３５０は、複合回折パターン内でほぼ一貫している。以下でさらに詳細に説明するように、一実施形態では、垂直オフセット３５０の一貫性により、デジタル書き込みプロセスによる複合回折パターンの製造が容易になる。

引き続き図７を参照すると、一実施形態では、回折フィーチャ３１６、３２６はピッチ３６０を有し、回折フィーチャ３１２、３２４はピッチ３６２を有し、回折フィーチャ３２２、３２８はピッチ３６４を有する。一実施形態では、回折フィーチャピッチ３６０、３６２、３６４は互いに異なる。回折フィーチャピッチ３６０、３６２、３６４は、３００ｎｍから５００ｎｍの範囲とすることができる。一実施形態では、ピッチ３６０は約３５６ｎｍであり、ピッチ３６２は３００ｎｍから５００ｎｍの範囲である。一実施形態では、ピッチ３６２は約３２３ｎｍである。一実施形態では、ピッチ３６４は３００ｎｍから５００ｎｍの範囲である。別の実施形態では、ピッチ３６４は約３０５ｎｍである。

図８Ａに示すように、一実施形態では、ユニットセル４１０Ａは、複合回折パターンを形成するように動作可能なオフセット回折パターンを画成する。ユニットセル４１０Ａにおいて、関連するインカップリング回折光学要素ＩＤＯの回折フィーチャと平行なユニットセル３１０の回折フィーチャ（例えば、図７に示される回折フィーチャ３２０、３２８、３２２）は、作成されない。ユニットセル４１０Ａは、ほぼ同じ長さを有する回折フィーチャ４１２、４１４の第１の対と、ほぼ同じ長さを有する回折フィーチャ４１６、４１８の第２の対とを含む。回折フィーチャの第１の対と第２の対は、同じ長さではない。回折フィーチャ４１２、４１４、４１６、４１８の第１の対と第２の対の異なる長さは、ユニットセル３１０のオフセット４５０を少なくとも部分的に画成する。一実施形態では、垂直オフセット４５０は、ｙ軸方向において頂点４５２と頂点４５４との間にある。頂点４５２は、回折フィーチャ４２４と回折フィーチャ４１８の少なくとも部分的な交差により、画成される。頂点４５４は、回折フィーチャ４２６と回折フィーチャ４１４の少なくとも部分的な交差によって画成される。

ユニットセル４１０Ａはまた、互いに交差する回折フィーチャ４２４と回折フィーチャ４２６を含む。回折フィーチャ４１２、４１４、４１６、４１８の第１、第２の対、ならびに回折フィーチャ４２４、４２６は、６つの領域４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、 ４４０を画成する。一実施形態では、回折フィーチャ４１６、４２６はピッチ４６０を有し、回折フィーチャ４１２、４２４はピッチ４６２を有する。

回折フィーチャは、本明細書では周期的構造とも言う。実施形態では、周期的構造は、直線回折フィーチャ、円柱、または楕円柱とすることができるが。これらに限定されない。 例えば、図１６は、円柱２００２を含む周期的構造を有する複合回折パターン２０００を示す。周期的構造２００２は、周期的グリッド内のユニットセル４１０の配列を含み、二次元周期的格子構造を形成する。ユニットセル４１０はオフセット４５０を表し、線４７２に沿った隣接周期構造２００２はｙ軸方向にオフセットされている。

一実施形態では、図１７に示すように、複合回折パターンの周期性を定義する規則的な変動は、正弦波構造２１００のパターンである。複合回折パターンは、３つ以上のベクトル成分を持つことができる。したがって、複合回折パターンの生成された回折次数は、所望の性能を促進するように最適化される。ｙ軸方向における複合回折パターンの周期性は、ｙ軸方向における隣接する格子フィーチャ２１００の列間の規則的または平均的な間隔によって生成される。一実施形態では、正弦波パターンの列２１００は、ｙ軸方向に隣接する列と位相がずれていてもよい。周期的構造２１００は、周期的なグリッド内でのユニットセル４１０Ａ及び／又はユニットセル４１０Ｂの配列を含み、二次元周期格子構造を形成する。ユニットセル４１０Ｂは平行四辺形を画成し、ユニットセル４１０Ａは不規則な六角形を画成する。ユニットセル４１０Ａ、４１０Ｂはオフセット４５０を表し、ｘ軸方向に沿った周期的構造２１００の各隣接ピーク２１０２はｙ軸方向にオフセットされている。換言すれば、ユニットセル４１０Ａは、２つ以上のユニットセル４１０Ａの交点で頂点２１５４を画成し、ｘ軸方向に沿った隣接する頂点は、ｙ軸方向にオフセット４５０を含む。

図１０Ｂに示すように、垂直オフセット４５０は、１つのユニットセル４１０Ａから隣接するユニットセル４１０Ａへの段階的変化である。ユニットセル４１０Ａは、格子及び/又は規則的なタイル（すなわちテッセレーション）を生成する。ここでは、３つのユニットセル４１０Ａが各内部頂点（すなわち、２つ以上の直線回折フィーチャを含む頂点)で出会う。ユニットセル４１０Ａは、インカップリング回折光学要素７０４の格子ベクトルｋ０とゼロ度でない角度で配置された中心線４７０をそれぞれが有する斜めの列を有する格子を形成する。

一実施形態では、図１０Ｃに示すように、回折フィーチャ４１２、４１４、４１６、４１８の第１、第２の対、ならびに回折フィーチャ４２４、４２６の幅および屈折率は、ユニットセル３１０と同様である。回折フィーチャは領域４３０、４４０および４３４、４３６をそれぞれ分離しないが、ユニットセル４１０Ａによって６つの別個の領域が暗示的に定義される。関連するインカップリング回折光学要素ＩＤＯの回折フィーチャと平行な回折フィーチャを用いずに、ユニットセル４１０Ａおよびそれを用いて形成される複合回折パターンの設計は、画像担持光ＷＧの特定の回折次数の望ましくない回折を防止するために利用される。

一実施形態では、図８Ｂに示すように、ユニットセル４１０Ｂは平行四辺形として定義することができる。この実施形態では、ユニットセル４１０Ｂは、回折フィーチャ４２４、４２６を含む。頂点４５２は、少なくとも部分的に、回折フィーチャ４２４の端部によって画成される。頂点４５４は、少なくとも部分的に、回折フィーチャ４２６の端部によって画成される。

図９Ａは、本開示による複合回折格子５００の一部の概略平面図を示す。複合回折格子５００は、図７のユニットセル３１０の繰り返しを含み、これにより３つの重なり合う回折格子が形成される。格子ベクトルｋ１は、回折フィーチャ３１６、３２６、３１８と直交する方向に延びる。格子ベクトルｋ２は、回折フィーチャ３２０、３２８，３２２と直交する方向に延び、格子ベクトルｋ３は、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４と直交する方向に延びる。

図９Ｂに示すように、一実施形態では、格子ベクトルｋ１と格子ベクトルｋ３とインカップリング回折光学格子のベクトルｋ０（図１０Ａを参照）の組み合わせは、閉じた三角形を画成し実質的にゼロの大きさを有するベクトル図を形成する。換言すれば、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３の組み合わせは、実質的に大きさを持たないベクトルを形成する。同様に、格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３の組み合わせは、閉じた三角形を画成し実質的にゼロの大きさを有するベクトル図を形成する。したがって、導波路（例えば、平行プレート導波路システム６００、７００）内のすべての格子ベクトルは、合計すると実質的にゼロの大きさになる。一実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３は閉じた不等辺三角形を形成する。別の実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３は閉じた正三角形を形成する。別の実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３は閉じた二等辺三角形を形成する。

製造上のばらつきにより、指定された寸法は製造方法によって異なる場合があることを理解されたい。図ではシャープなエッジおよびシャープな頂点を示すが、実際には当業者に知られているように、製造されるとエッジは丸みを帯び、頂点が丸みを帯びる。本開示に記載されるシャープなフィーチャのシャープさ又は丸みの程度は、少なくとも部分的に製造プロセスに依存する。同様に、図がシャープなエッジとシャープな頂点を示している場合、フィーチャは丸いエッジ及び／又は丸い頂点を持つように設計されていることがある。

図１０Ａは、導波路６０２（すなわち基板）を備えた平行プレート導波路システム６００の概略図である。導波路６０２は、入力回折光学要素６０４と瞳拡大の複合回折格子５００を有している。入力回折光学要素６０４は格子ベクトルｋ０を有する。瞳拡大の複合回折格子５００は、瞳拡大を実行することに加えて、出力回折格子として機能する。図９Ｂに関して説明したように、一実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３は閉じた三角形を形成する。同様に、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２および格子ベクトルｋ０、ｋ３、ｋ２は、閉じた三角形のベクトル図を形成する。

図１０Ｂは、導波路７０２（すなわち基板）を備える平行プレート導波路システム７００の概略図である。導波路７０２は、入力回折光学要素７０４と瞳拡大複合回折格子７０６を有する。入力回折光学要素７０４は格子ベクトルｋ０を有する。瞳拡大複合回折格子７０６は、図８Ａおよび図８Ｂに示されるユニットセル４１０の繰り返しを含む。瞳拡大複合回折格子７０６は、出口回折格子と瞳拡大器としての役割を担う。格子ベクトルｋ１は回折フィーチャ４１６、４２６、４１８と直交する方向に延び、格子ベクトルｋ３は回折フィーチャ４１２、４２４、４１４と直交する方向に延びる。一実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３が組み合わされて、実質的にゼロの大きさを有する閉じた三角形を画成するベクトル図が形成される。

図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように、一実施形態では、複合回折格子７０６は、導波路７０２のｘｙ平面内で回転し、これにより、第１の複数の周期的構造がｘ軸および導波路７０２のエッジと平行に配向されている。格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３によって形成されるベクトル図は不等辺三角形を画成する。図１０Ｄに示すように、入力中心光線ＷＩが、インカップリング回折光学要素７０４の格子ベクトルｋ０に対して複雑な合成の角度で配置される場合には、ベクトル 格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２／ｋ３によって形成されるベクトル図は不等辺三角形を画成する。図１０Ｄでは、インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０がｘｙ平面内で下方に傾斜している。インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０がｘｙ平面で左に揺れた場合、中心像経路ＷＩはインカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０とアライメントされず、非正六角形 (または平行四辺形)の ユニットセル４１０が必要になる。光学システムが回転している場合、または入力中心光線ＷＩが入力格子ベクトルｋ０に対して複雑な合成の角度にある場合、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２／ｋ３の間に不等辺三角形の関係が存在するべきである。一実施形態では、インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０は、アウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ１と平行にアライメントされる。別の実施形態では、インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０は、アウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ３と平行にアライメントされる。さらに別の実施形態では、インカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ０は、アウトカップリング回折光学要素の格子ベクトルｋ１、ｋ３を二等分（二分）する線と平行にアライメントされる。図１３に示すように、入力中心光線１００６がインカップリング回折光学要素１００２の格子ベクトルｋ０に対して複雑な合成の角度で配置される場合、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ｋ０、ｋ１、ｋ３は、閉じた不等辺三角形のベクトル図を形成するために、独立して考慮する必要がある。

図１１に示すように、一実施形態では、平行プレート導波路システム８００は導波路８０２を含む。導波路８０２は、インカップリング回折光学要素８０４と、瞳拡大複合回折光学要素８０６と、アウトカップリング回折光学要素８０８を含む。入力回折光学要素８０４は格子ベクトルｋ０を有し、瞳拡大複合回折光学要素８０６は格子ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３を有する。一実施形態では、瞳拡大複合回折光学要素８０６は、ユニットセル３１０によって画成される。アウトカップリング回折光学系８０８は格子ベクトルｋ４を有する。一実施形態では、格子ベクトルｋ０は、大きさおよび方向が格子ベクトルｋ４と等しい。一実施形態では、格子ベクトルｋ０ 、ｋ１ 、ｋ３ は、図９Ｂを参照して説明したように、閉じた三角形を表すベクトル図を形成する。引き続き図１１を参照すると、一実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は、閉じた三角形のベクトル図を形成する。一実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は正三角形を形成する。別の実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は不等辺三角形を形成する。さらに別の実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は二等辺三角形を形成する。

図１２に示すように、一実施形態では、平行プレート導波路システム９００は導波路９０２を含む。導波路９０２は、インカップリング回折光学要素９０４と瞳拡大複合回折光学要素９０６とアウトカップリング回折光学要素９０８を含む。入力回折光学要素９０４は格子ベクトルｋ０を有し、瞳拡大複合回折光学要素９０６は格子ベクトルｋ１、ｋ３を有する。一実施形態では、瞳拡大複合回折光学要素９０６は、ユニットセル４１０によって画成される。アウトカップリング回折光学要素９０８は格子ベクトルｋ４を有する。一実施形態では、格子ベクトルｋ０は、大きさおよび方向が格子ベクトルｋ４と等しい。一実施形態では、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ３は、図９Ｂを参照して説明したように、閉じた三角形を表すベクトル図を形成する。引き続き図１２を参照すると、一実施形態において、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は、閉じた三角形のベクトル図を形成する。一実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は正三角形を形成する。別の実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は不等辺三角形を形成する。さらに別の実施形態では、格子ベクトルｋ４、ｋ１、ｋ３は二等辺三角形を形成する。

図１３を参照すると、導波路アセンブリ１０００は、画像担持光ビームを導波路１００４へと結合するように動作可能なインカップリング回折光学要素１００２を含む。入力画像を表す画像担持光ビームの中心光線１００６は、導波路１００４の第１の表面１００８に対して垂直以外の角度で、インカップリング回折光学要素１００２に突き当たることができる。図１３に示すように、一実施形態では、中心光線１００６はｚ軸に対して角度θをなす。ｚ軸は、導波路の第１の表面１００８に対して垂直である。ｘｙ平面に投影された線分１０１０によって示されるように、インカップリング回折光学要素１００２に入射する中心光線１００６は、ｙ軸に対して角度φをなす。

図１４は、図１３に示される導波路アセンブリ１０００の側面図である。中心光線１００６は、インカップリング回折光学要素１００２に入射する。結果として生じる回折光線１０１２は、導波路１００４を通って導波路１００４の第２の表面１０１４に至り、ここで回折光線１０１２は全反射（ＴＩＲ）して光線１０１６になる。光線１０１６は、ＴＩＲにより導波路１００４を通って伝播し続ける。インカップリング回折光学要素１００２の格子ベクトルｋ０（図１３参照）は、中心光線１００６が回折されて、ＴＩＲの最小境界線１０１８とＴＩＲの最大境界線１０２０との間の中ほど（中間）で角度を付けられた回折光線１０１２を生じるように設計されている。ＴＩＲ最小境界線１０１８は、ｚ軸から測って角度ξによって定義される線である。角度ξは、ＴＩＲが始まる最小角度である。すなわち、ｚ軸に対して角度ξより大きい角度を有する任意の光線は、導波路の第２の表面１０１４および第１の表面１００８に入射するときにＴＩＲを受ける。一実施形態では、角度αは角度βとほぼ同じである。ＴＩＲの最大境界線１０２０は、光線がＴＩＲを受けるz軸に対する最大角度の光路である。換言すれば、ＴＩＲの最小境界線１０１８と最大境界線１０２０との間の角度の回折光線のみが、第１の表面１０１８と第２の表面１０１４での複数のＴＩＲ反射を介して、複合回折光学要素５００、７０６に少なくとも１回入射する光線となる。ｚ軸とＴＩＲ最小境界線１０１８とＴＩＲ最大境界線１０２０と回折光線１０１２はすべて同じ平面に示されている。図１３、図１４に示すように、入力中心光線１００６が、インカップリング回折光学要素１００２の格子ベクトルｋ０に対して複雑な合成の角度で配置される場合には、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２／ｋ３によって形成されるベクトル図は不等辺三角形を画成する。

一実施形態では、回折光学要素のレイアウトパターンは、電子ビーム（ｅビーム）リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、レーザーリソグラフィー、及び/又はその他のデジタルビーム書き込みの方法（ただしこれらに限定されない）を用いて、モールド基板（mold substrate）の表面上及び／又は表面内に直接に、形成または書き込むことができる。モールド基板へのデジタルビームの書き込みにおいて、ビーム書き込み機のx軸及び／又はｙ軸と平行ではない直線回折フィーチャが、ジグザグパターンまたはステップパターンで生成される。図７に関して前に説明したように、ユニットセル３１０は垂直オフセット３５０を含み、ユニットセル４１０Ａ、４１０Ｂは垂直オフセット４５０を含む。垂直オフセット３５０、４５０は、１つのユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂから隣接するユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂへの段階的変化である。

デジタルビーム書き込みの場合、垂直オフセット３５０、４５０は、非正六角形のユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂが確実に繰り返されて複合回折光学パターンを形成するように、離散値によってユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂの高さｈの倍数に均等に分割する必要がある。図１５は、ユニットセル４１０Ｂの繰り返しを含む瞳拡大複合回折格子７０６の一部の簡略図である。図１５には、ユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂの繰り返しを利用する複合回折光学パターン７０６を作成する原理が示されている。ここでは、ユニットセル４１０Ｂは平行四辺形であり、垂直オフセット３５０、４５０が選択され、離散値によってユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂの高さの倍数に均等に分割されている。例えば、図１５に示すように、ユニットセルの高さｈは、垂直オフセット４５０の４倍とすることができる。ユニットセルは、複合回折パターン内で繰り返される最小領域である。ユニットセル４１０Ｂが垂直オフセットを有する平行四辺形を描くとき、複合回折パターンは不等辺三角形を描く格子ベクトルを形成する。

ユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂをデジタル的に書き込むことにより、回折要素を作成する従来の方法よりも再現性が向上する。さらに、デジタルビーム書き込みは、回折次数の最適化を容易にする。回折次数は、デジタル書き込みによって対称的に生成できる回折フィーチャのデューティサイクル、形状、深さを変更することにより、最適化できる。

例えば、回折フィーチャ３２０、３２８、３２２がビーム書き込み機の好ましい書き込み方向と実質的に平行になるように（ビーム書き込み機のｘ軸またはｙ軸と平行になるように）、モールド基板を配向し、回折フィーチャ３１２、３２４、３１４の角度および回折フィーチャ３１６、３２６、３１８の角度を配向し、これにより、書き込みプロセスにおけるいかなるエラーも各ユニットセル３１０にそれぞれ反映される。換言すれば、ユニットセル３１０、４１０Ａ、４１０Ｂの格子ベクトルは、ビーム書き込み機の好ましい書き込み方向と平行に（ビーム書き込み機のｘ軸またはｙ軸と平行に）アライメントされる。

図１８の斜視図は、本開示の画像光ガイドを一対使用した３次元（３Ｄ）拡張現実表示のためのディスプレイシステム６０を示す。ディスプレイシステム６０は、左眼用の画像光ガイド１４０Ｌを有する左眼光学システム６４Ｌと、右眼用の画像光ガイド１４０Ｒを有する右眼光学システム６４Ｒと、を備えたＨＭＤとして示されている。ピコプロジェクタまたは同様のデバイスなどの画像ソース５２が提供され、各眼に個別の画像を生成するように稼働される。これら画像は、直立した画像ディスプレイにとって必要な画像の向きでバーチャル像として形成される。生成される画像は、３Ｄ表示用の立体画像の対にすることができる。光学システムによって形成されるバーチャル像は、視者が画像光ガイドを通して見る現実世界の視野に重なるように見ることができる。拡張現実視覚化技術の当業者によく知られている追加の構成要素も提供できる。シーンコンテンツまたは視者の視線追跡を見るためにＨＭＤのフレームに取り付けられた1つまたは複数のカメラなどである。片眼に画像を提供するためのディスプレイ装置（例えば、単眼ディスプレイ）を含む、代替の配置が可能である。

本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作成することができる。様々な実施形態を詳細に説明したが、それらは例として提示したものであり、限定するものではないことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具現化され得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、上述の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されており、その均等の意味および範囲内にあるすべての変更が含まれることが意図されている。

Claims (20)

1. 画像担持光ビームを長手方向に沿って伝送するように動作可能な基板と、
   前記基板に沿って形成され、画像ソースからの前記画像担持光ビームの一部を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能なインカップリング回折光学要素と、
   前記基板に沿って形成され、ｘ軸およびｙ軸を有する平面内に少なくとも部分的に配置され、前記基板からの前記画像担持光ビームの一部を角度的にデコードされた形態で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要素と、
   を備え、
   前記アウトカップリング回折光学要素は、第１の複数の周期的構造と第２の複数の周期的構造とを含み、前記第１、第２の複数の周期的構造は、前記画像担持光ビームの一部を回折次数で回折するように動作可能であり、
   前記第１、第２の複数の周期的構造は、複数の頂点を含み、ｘ軸に沿って隣接する各頂点は、ｙ軸方向にオフセットされている、画像担持光を伝送ための画像光ガイド。
2. 前記インカップリング回折光学要素が第１の格子ベクトルを画成し、前記アウトカップリング回折光学要素が、第２の格子ベクトルと第３の格子ベクトルを画成する、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
3. 前記第２の格子ベクトルは、前記第１の格子ベクトルに対して第１の角度で配置され、前記第３の格子ベクトルは、前記第１の格子ベクトルに対して第２の角度で配置される、請求項２に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
4. 前記第１、第２、第３の格子ベクトルが不等辺三角形を形成する、請求項２に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
5. 前記画像ソースからの前記画像担持光ビームの中心光線が、ｘ-ｙ平面に対して第１の角度で配置され、前記ｘ?ｙ平面内で前記インカップリング回折光学要素に対して第２の角度で配置される、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
6. 前記アウトカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームのそれぞれの第１部分の一部を、前記第１の複数の周期的構造への入射を介して第１の方向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それぞれの第１部分を第１の次元で拡大し、
   前記アウトカップリング回折光学要素は、前記画像担持光ビームのそれぞれの第２部分の一部を、前記第２の複数の周期的構造の１以上への入射を介して第２の方向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それぞれの第２部分を第２の次元に拡大する、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
7. 前記アウトカップリング回折光学系は、前記第１の次元で拡大された前記画像担持光ビームのそれぞれの前記第１部分の一部を、前記第２の複数の周期的構造への入射を介して、前記基板の外へ回折するように動作可能であり、
   前記アウトカップリング回折光学系は、前記第２の次元で拡大された前記画像担持光ビームのそれぞれの前記第２部分の一部を、前記第１の複数の周期的構造への入射を介して、前記基板の外へ回折するように動作可能である、請求項６に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
8. 前記第１、第２の複数の周期的構造が、重なり合った平行な直線の回折フィーチャを備える、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
9. 前記インカップリング回折光学要素が複数の平行な直線の回折フィーチャを備え、
   前記第１の複数の周期的構造が、前記インカップリング回折光学要素の前記複数の平行な直線の回折フィーチャに対して、第１の角度で配向され、
   前記第２の複数の周期的構造が、前記インカップリング回折光学要素の前記複数の平行な直線の回折フィーチャに対して、第２の角度で配向され、
   前記第１の角度は前記第２の角度よりも大きい、請求項８に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
10. 前記インカップリング回折光学要素および前記アウトカップリング回折光学要素は、前記基板の第１の表面に形成される、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
11. 前記アウトカップリング回折光学要素が複数のユニットセルを含み、前記ユニットセルの各々が非正六角形を画成する、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
12. 各ユニットセルの高さが、前記頂点の前記オフセットの倍数である、請求項１１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
13. 前記第１、第２の複数の周期的構造が、線構造の部分を含む、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
14. 前記アウトカップリング回折光学要素は、体積ホログラフィック材料で形成される、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
15. 前記第１、第２の複数の周期的構造が三角形の領域を画成する、請求項１に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
16. 前記領域が不等辺三角形を含み、それにより、画像ソースから前記インカップリング回折光学要素に非垂直の角度で入射する前記画像担持光ビームが回折される、請求項１５に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。
17. 第１の表面を有しこの第１の表面にコーティングが結合された基板を提供する工程と、
    第１の方向とこの第１の方向と直交する第２の方向に書き込むように動作可能なビーム書き込みシステムを提供する工程と、
    複数のユニットセルを含む回折格子レイアウトパターンであって、各ユニットセルが、第１の複数の直線回折フィーチャと、第２の複数の直線回折フィーチャとを含み、前記第１、第２の複数の直線回折フィーチャの１以上の交点が対応する１以上の頂点を画成し、前記第１の方向に沿って隣接する頂点が、前記第２の方向に沿ったオフセットを含む回折格子レイアウトパターンを提供する工程と、
    前記基板を前記ビーム書き込みシステム内に配置し、それによって前記ビーム書き込みシステムが前記コーティングに書き込むように動作可能になる工程と、
    前記第１、第２の複数の直線回折フィーチャのうちの１つを、前記ビーム書き込みシステムの第１の方向と平行にアライメントさせる工程と、
    前記回折格子レイアウトパターンを、前記ビーム書き込みシステムを介して前記コーティングに書き込む工程と、
    を備えた、画像担持光を伝送するための画像光ガイドを製造する方法。
18. 各ユニットセルの高さが、前記頂点の前記オフセットの倍数である、請求項１７に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイドを製造する方法。
19. 画像担持光ビームを長手方向に沿って伝送するように動作可能な基板と、
    前記基板に沿って形成され、画像ソースからの前記画像担持光ビームの一部を角度的にエンコードされた形態で前記基板内に回折するように動作可能なインカップリング回折光学要素と、
    前記基板に沿って形成され、ｘ軸およびｙ軸を有する平面内に少なくとも部分的に配置され、前記基板からの前記画像担持光ビームの一部を角度的にデコードされた形態で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要素と、
    を備え、
    前記アウトカップリング回折光学要素は、複数の連続した周期的構造を含み、この周期構造は、前記画像担持光ビームの一部を回折次数で回折するように動作可能な正弦波の列を画成し、
    前記複数の連続した周期的構造は複数の頂点を含み、ｘ軸に沿って隣接する各頂点は、ｙ軸方向にオフセットされている、画像担持光を伝送ための画像光ガイド。
20. 前記アウトカップリング回折光学要素の第１の正弦波の列は、第２の正弦波の列と位相がずれている、請求項１９に記載の画像担持光を伝送するための画像光ガイド。

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