JP2024507501A - 多波長インカップリング回折光学素子を有する画像光ガイド - Google Patents

Abstract

その長さに沿って、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な基体を含む、虚像を伝達するための画像光ガイド。インカップリング回折光学素子は、基体に沿って形成され、画像担持光ビームを、角度をコードした形態で、画像源から基体内へと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は、基体に沿って形成され、アウトカップリング回折光学素子は、画像担持光ビームを、角度をデコードした形態で、基体から回折するように動作可能である。インカップリング回折光学素子は、３つの等距離軸に対称な、３つの複数の周期回折構造を有し、アウトカップリング回折光学素子は、インカップリング回折光学素子の、３つの複数の周期回折構造の２つに相当する周期性を有する、２つの複数の周期回折構造を有する。アウトカップリング回折光学素子の、２つの複数の周期回折構造はまた、インカップリング回折光学素子の、３つの複数の周期回折構造のうちの２つと平行である。
【選択図】図７

Description

本開示は、概して、電子表示装置に関し、より具体的には、画像担持光をビューアに伝達するための回折光学素子を有する、画像光ガイドを利用する、表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、及び虚像ニアアイディスプレイは、軍事、商業、産業、消防、及びエンターテイメント用途を含む、幅広い用途範囲のために開発されている。これらの用途の多くでは、ＨＭＤユーザーの視野にある現実世界の画像の上に視覚的に重ね合わせることのできる虚像を形成することに価値がある。光学画像光ガイドは、虚像をビューアの瞳孔に向けて、この重ね合わせ機能を可能にするために、狭い空間でビューアに画像担持光を伝達することができる。

従来の画像光ガイドの配置は、ニアアイディスプレイ光学素子の嵩張り、重量、及び全体コストの大幅な減少をもたらしてきたが、さらなる改善が必要である。一部の例では、アイボックスのサイズは制限され、ＨＭＤ設計は動きや装置配置の許容度の制限を余儀なくされている。さらに、光は視野に不均一に分布することが多く、視野の中心内でのより高いレベルの光、及び視野の外周内でのより低いレベルの光などの、ホットスポットにつながる場合がある。ビーム拡張、及び光分配機能を含む、導波路内のビーム管理機能は、導波路のサイズ、並びにその製造コスト及び複雑さを増大させることができる。

第一の例示的な実施形態では、虚像を伝達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搬するように動作可能な基体を含む。インカップリング回折光学素子は、基体に沿って形成され、画像担持光ビームを、角度をコードした形態で、画像源から基体内へと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は、基体に沿って形成され、アウトカップリング回折光学素子は、画像担持光ビームを、角度をデコードした形態で、基体から回折するように動作可能である。インカップリング回折光学素子は、３つの複数の周期回折構造を有し、アウトカップリング回折光学素子は、インカップリング回折光学素子の３つの複数の周期回折構造のうちの２つに対して周期的等価性を有する、２つの複数の周期回折構造を有する。アウトカップリング回折光学素子の、２つの複数の周期回折構造はまた、インカップリング回折光学素子の、３つの複数の周期回折構造のうちの２つと平行である。

添付図面は、本明細書の一部として本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される図面は、本開示の主題の実施形態を例示し、本開示の選択された原理、及び教示を例示するものである。しかしながら、図面は、本開示の主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、本開示の範囲をいかなる方法でも制限することを意図するものではない。

図１は、アイボックスの１つの次元を拡張するための、伝搬方向に沿った画像担持ビームの拡張を示す、画像光ガイドの簡略化された断面図を示す。 図２は、アイボックスの第二の次元を拡張するための、伝搬方向に垂直な画像担持ビームの拡張を示す、ターニング格子を有する画像光ガイドの斜視図を示す。 図３Ａは、本開示の主題の例示的な実施形態による、３つのパターンの周期回折構造を有する、インカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図３Ｂは、本開示の主題の例示的な実施形態による、３つのパターンの周期回折構造を有する、インカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図３Ｃは、本開示の主題の例示的な実施形態による、３つのパターンの周期回折構造を有する、インカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図３Ｄは、図３Ａによる画像光ガイド内の、画像担持光の第一の波長範囲の、経路の概略図の一部分を示す。 図３Ｅは、図３Ａによる画像光ガイド内の、画像担持光の第二の波長範囲の、経路の概略図の一部分を示す。 図４Ａは、本開示の主題の例示的な実施形態による、インカップリング回折光学素子の周りに少なくとも部分的に位置する、中間回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図４Ｂは、本開示の主題の例示的な実施形態による、インカップリング回折光学素子の周りに少なくとも部分的に位置する、中間回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図４Ｃは、本開示の主題の例示的な実施形態による、インカップリング回折光学素子の周りに少なくとも部分的に位置する、中間回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図５Ａは、本開示の主題の例示的な実施形態による、単一の連続回折パターンとして構成された、インカップリング回折光学素子、及びアウトカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図５Ｂは、本開示の主題の例示的な実施形態による、単一の連続回折パターンとして構成された、インカップリング回折光学素子、及びアウトカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図５Ｃは、本開示の主題の例示的な実施形態による、単一の連続回折パターンとして構成された、インカップリング回折光学素子、及びアウトカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。 図６は、本開示の主題の例示的な実施形態による、画像担持ビームを拡張してアウトカップリングするように動作可能な、複合回折格子パターンの一部分の概略図を示す。 図７は、本開示の主題の例示的な実施形態による、積層画像光ガイドシステムを示す。 図８は、本開示の主題の例示的な実施形態による、画像光ガイドを使用した拡張現実視聴のための、表示システムを示す。 図９は、本開示の主題の例示的な実施形態による、インカップリング回折光学素子の、周期格子構造を示す。 図１０は、本開示の主題の例示的な実施形態による、３つのパターンの周期回折構造を有する、インカップリング回折光学素子を有する、画像光ガイドの概略平面図を示す。

本発明は、相反する内容が明示的に特定されない限り、様々な代替的な配向、及びステップ配列を想定しうることが、理解されるべきである。添付図面に図示され、以下の明細書に記述される、特定のアセンブリ及びシステムは、本明細書に定義される発明概念についての単なる例示的な実施形態であることも、理解されるべきである。したがって、開示された実施形態に関連する、特定の次元、方向、又はその他の物理的特徴は、別途明示的に記載されない限り、限定するものとはみなされない。また、当てはまらない場合もあるが、本明細書に記載する様々な実施形態における同様の要素は、本明細書の本項内で同様の参照番号を用いて一般的に言及されてもよい。

本明細書で使用される場合、「第一の」、「第二の」などの用語は、必ずしも、任意の順序関係、連続的関係、又は優先順位関係を示すものではなく、別段の指定がない限り、単に１つの要素又は要素の集合を別の要素とより明確に区別するために使用される。

本明細書で使用される場合、「ビューア」、「オペレータ」、「オブザーバ」、及び「ユーザー」という用語は、等価物とみなされ、画像光ガイドを有する装置を着用する、及び／又は画像光ガイドを有する装置を使用して画像を見る、人物又は機械を指す。

本明細書で使用される場合、「集合、組（ｓｅｔ）」という用語は、初等数学において、要素の集まり（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）、又は集合の構成要素（ｍｅｍｂｅｒｓ ｏｆ ａ ｓｅｔ）という概念が広く理解されているように、空ではない集合を指す。「部分集合」という用語は、別途明示的に記載されない限り、本明細書では、空ではない適切な部分集合、すなわち、１つ以上の構成要素を持つより大きな集合の部分集合を指すのに、使用される。集合Ｓについては、部分集合は、完全な集合Ｓを含んでもよい。ただし、集合Ｓの「適切な部分集合」は、厳密に集合Ｓに含まれ、集合Ｓの少なくとも一つの構成要素を除外する。

本明細書で使用される場合、光学の文脈における「カップリングされた（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「カップリング（ｃｏｕｐｌｅｒ）」、又は「カップリングしている（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」という用語は、光が１つの光媒体又は装置から別の光媒体又は装置へと移動する、接続を指す。

本明細書で使用される場合、「ビーム拡張」という用語は、１つ以上の方向へ出口瞳孔拡張を提供するための、光学素子との複数の遭遇を介した、ビームの複製を意味することが意図される。同様に、本明細書で使用される場合、「拡張された画像担持光ビーム」、及び「拡張された角関連ビームのセット」という用語は、１つ以上の方向へ出口瞳孔拡張を提供するための、光学素子との複数の遭遇を介して複製された光ビームを指す。

ＨＭＤなどの光学システムは、虚像をの表示を生成することができる。実像を形成する方法とは異なり、虚像は表示面上には形成されない。すなわち、表示面が虚像の知覚される位置に位置付けられた場合、いかなる画像もその表面上には形成されない。虚像の表示には、拡張現実の提示において、特有の多数の利点がある。例えば、虚像の見かけのサイズは、表示面のサイズ、又は位置によって制限されない。さらに、虚像のソースオブジェクトは小さくてもよい；例えば、拡大鏡がオブジェクトの虚像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れた距離にあるように見える虚像を形成することによって、より現実的な視聴体験を提供することができる。虚像を提供することは、実像を投影する際に必要な画面アーチファクトを補正する必要性も排除する。

画像光ガイドは、プロジェクターなどの光源からの画像担持光を利用して、虚像を表示してもよい。例えば、コリメートされた、相対角度をコードした、プロジェクターからの光ビームは、インカップリング回折光学素子などの入力カップリングによって平面導波路内にカップリングされ、これは平面導波路の面上に取り付けるか、形成することができ、又は導波路内に埋植させることができる。こうした回折光学素子は、回折格子、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）として、又は他の既知の方法で形成され得る。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成され得る。導波路に沿って伝搬した後、回折された光は、アウトカップリング回折光学素子などの類似の出力カップリングによって、導波路の外に再び向けることができ、これは虚像の１つの次元に沿って瞳孔拡張を提供するように配置され得る。さらに、ターニング格子は、導波路上／内に位置付けられ、虚像の直交寸法で、瞳孔拡張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、ビューアに対し、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、平面平行面１２、１４を有する平面導波路２２を含んでもよい。導波路２２は、例えば、平面平行な第一の面１２、及び第二の面１４を有する、光学ガラス、又はプラスチックから作製され得る、透明な基体Ｓを含む。この例では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、第二の面１４上に配置され、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、反射型回折格子であり、それを通して画像担持光ＷＩは平面導波路２２にカップリングされる。しかしながら、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、別の方法としては、ボリュームホログラム、若しくは他のホログラフィック回折素子、又は入射画像担持光ＷＩに対して回折を提供する他のタイプの光学構成要素であり得る。インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、平面導波路２２の第一の面１２上に、又は第二の面１４上に位置してもよく、画像担持光ＷＩが平面導波路２２に接近してくる方向に応じて、透過型光学素子、又は反射型光学素子であってもよい。

虚像表示システムの一部分として使用される場合、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、実像源１８からの画像担持光ＷＩを、平面導波路２２の基体Ｓ内へとカップリングする。任意の実像又は画像の次元は、最初に、インカップリング回折光学素子ＩＤＯへの提示のために、画像内の異なる位置をコードする、重なり合う角度関連ビームのアレイに変換される。画像担持光ＷＩは、（概して、第一の回折次数を通して）回折し、それによって、全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、平面導波路２２に沿ってさらに伝搬するための、画像担持光ビームＷＧとして、インカップリング回折光学素子ＩＤＯによって、平面導波路２２内へと方向転換される。ＴＩＲによって設定された境界に沿って、概して、角度関連ビームのより凝縮された範囲内へと回折されるが、画像担持光ＷＧは、角度をコードした形態で、画像情報を保存する。アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、コードされた画像担持光ＷＧを受信し、平面導波路２２から出た画像担持光ＷＧを、画像担持光ＷＯとして、ビューアの目の意図した位置に向けて（一般に、第一の回折次数を通して）回折させる。概して、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光ＷＯの出力された角度関連ビーム間から、画像担持光ＷＩの元の角度関係を復元するために、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対して対称的に設計される。しかしながら、虚像を見ることができる、いわゆるアイボックスＥ内の角度関連ビーム間から、重なり合いの１つの次元を増大させるために、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光ＷＧに複数回遭遇し、それぞれの遭遇において画像担持光ＷＧの一部分のみを回折するように、配置される。アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの長さに沿った複数回の遭遇は、画像担持光ＷＯの角度関連ビームのそれぞれの１つの次元を増大させ、それによって、ビームが重なり合うアイボックスＥの１つの次元を拡張するという効果を有する。拡張されたアイボックスＥは、虚像を見るためのビューアの目の、位置に対する感度を低下させる。

単一の次元に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アウトカップリング回折光学素子との遭遇の間に、導波路に沿った伝搬方向へ、個々の角度関連ビームを複製することによって、アイボックスの１つの次元を拡張することができる。さらに、第二の次元に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アイボックスの第二の次元を拡張し、アイボックスの二次元拡張を提供することができる。アウトカップリング回折光学素子の第一の次元に沿った屈折率の変化は、望ましい第一の次数の回折を通して、それぞれの遭遇時に、導波路から出た各ビームのエネルギーの一部分を回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次の回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。アウトカップリング回折光学素子の第二の次元に沿った屈折率の変化は、望ましい第一の次数の回折を通して、それぞれの遭遇時に、各ビームのエネルギーの一部分を、ビームの元の伝搬方向に対して角度付けた方向へと回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次の回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。

アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、平面導波路２２の第二の面１４上に配置された、透過型回折格子として示されている。しかしながら、インカップリング回折光学素子ＩＤＯと同様に、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、平面導波路２２の第一の面１２、又は第二の面１４上に位置し、画像担持光ＷＧが平面導波路２２を出る際に意図される方向に応じた、透過型、反射型、組み合わせであってもよい。

図２に示すように、画像光ガイド２０は、二次元で、すなわち、意図される画像のＸ軸、及びＹ軸方向の両方に沿って、アイボックスＥを拡張するために配置されてもよい。ビーム拡張の第二の次元を達成するために、格子ベクトルＫ０を有するインカップリング回折光学素子ＩＤＯは、画像担持光ＷＩの一部分を、格子ベクトルＫ１を有する中間光学素子ＴＯに向かって回折させるように配向され、ＴＯは、画像担持光ＷＧの一部分を、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに向かって、反射モードで回折させるように配向される。中間光学素子ＴＯは、本明細書では、ターニング格子、又はターニング光学素子とも呼ばれ得る。一実施形態では、中間光学素子ＴＯは、表面レリーフ格子である。別の実施形態では、中間光学素子ＴＯは、ホログラフィック光学素子である。画像担持光ＷＧの一部分のみが、中間光学素子ＴＯとの複数回の遭遇のそれぞれによって回折し、それによって、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに接近する素子画像担持光ＷＧの角度関連ビームのそれぞれを、横方向に複製する。中間光学素子ＴＯは、画像担持光ＷＧの角度関連ビームを、第二の次元へと長手方向に複製するために、画像担持光ＷＧを、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに向けて方向転換させた後に、画像担持光ＷＯは、平面導波路２２を出る。描写された格子ベクトルＫ０、Ｋ１、Ｋ２などの格子ベクトルは、回折光学素子の回折特徴（例えば、溝、線、又は罫線）に対して垂直な方向に延在し、回折光学素子ＩＤＯ、ＴＧ、ＯＤＯの周期又はピッチＤ（すなわち、溝間の中心距離）に対して、逆数の大きさを有する。インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、中間光学素子ＴＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、それぞれ異なる周期又はピッチＤを有してもよい。

続けて図２を参照すると、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、画像源１８によって生成される画像内の、個々の画素、又は等価の位置に対応した、一連の角度関連ビームを含む、入射画像担持光ＷＩを受信する。虚像を生成するための、角度をコードしたビームの全範囲を生成するように動作可能な画像源１８は、集光光学素子と組み合わせた実際の表示装置、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ー、又はスキャナーと使用される一次元の実際の表示装置などの組み合わせであってもよいが、これらに限定されない。一部の実施例では、画像源１８は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、又はウルトラＬＥＤ（ｕＬＥＤ）を含む。他の実施例では、画像源１８は、例えば、赤色、緑色、及び青色波長域内からの光など、複数の波長帯の画像担持光を、デジタル光変調器／マイクロミラーアレイ（「ＤＬＰ」）、又はシリコン上の液晶（「ＬＣＯＳ」）ディスプレイにパルスするように作動可能である、カラーフィールドシーケンシャルプロジェクタシステムである。さらなる実施例では、画像源１８は、１つ以上のピコプロジェクタを含み、各ピコプロジェクタは、単一の一次色バンド（例えば、赤色、緑色、又は青色）を生成するように構成される。別の実施例では、画像源１８は、３つの一次色バンド（例えば、赤色、緑色、及び青色）すべてを生成するように配置された、単一のピコプロジェクタを含む。一例では、３つの一次色バンドは、４９５ＮＭ～５７０ＮＭの間の範囲の波長を有する緑色バンド、６２０ＮＭ～７５０ｎｍの間の範囲の波長を有する赤色バンド、及び４５０ｎｍ～４９５ｎｍの間の範囲の波長を有する青色バンドである。

画像光ガイド２０は、中間光学素子ＴＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの両方により、画像担持光ＷＧの複数回の遭遇を異なる配向で提供することによって、画像の二次元で、一連の拡張された角度関連ビームを出力する。平面導波路２２の元の配向では、中間回折格子ＴＧは、Ｙ軸方向に対しビーム拡張を提供し、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、Ｘ軸方向に対し類似するビーム拡張を提供する。回折光学素子ＩＤＯ、ＯＤＯ、ＴＧの反射特性、及びそれぞれの周期Ｄは、それぞれの格子ベクトルの配向と共に、画像担持光ＷＯとして画像光ガイド２０から出力される画像担持光ＷＩの、角度関連ビーム間の意図される関係を維持しながら、二次元でビーム拡張を提供する。

画像光ガイド２０への画像担持光ＷＩ入力は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯによって、異なる一連の角度関連ビームにコードされるが、画像を再構成するために必要な情報は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの体系的な効果を考慮することによって、保存される。インカップリング回折光学素子ＩＤＯと、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯとの間の中間位置に位置する、中間光学素子ＴＯは、典型的には、画像担持光ＷＧのコーディングに対し、いかなる有意な変化も誘導しないように配置される。アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、典型的には、例えば、同じ周期を共有する回折特徴を含めて、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対して、対称的に配置される。同様に、中間光学素子ＴＯの周期は、典型的には、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの共通周期とも、合致する。図２に示すように、中間光学素子ＴＯの格子ベクトルＫ１は、他の格子ベクトルＫ０、Ｋ２に対して、４５度で配向されてもよい（すべて無向線分として）。しかしながら、一実施形態では、中間光学素子ＴＯの格子ベクトルＫ１は、画像担持光ＷＯが１２０度ターニングされるような方法で、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルＫ０、Ｋ２に対して、６０度で配向される。中間光学素子ＴＯの格子ベクトルＫ１を、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの格子ベクトルＫ０、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルＫ２に対して、６０度で配向することによって、格子ベクトルＫ０、Ｋ２もまた、互いに対して６０度で配向される（繰り返しになるが、無向線分とみなされる）。３つの格子ベクトルＫ０、Ｋ１、Ｋ２（有向線分として）は、正三角形を形成し、合計でゼロベクトルの大きさになり、色分散を含む望ましくない収差を生じ得る、非対称効果を回避する。

平面導波路２２内に回折される画像担持光ＷＩは、インカップリング回折光学素子ＩＤＯが、格子、ホログラム、プリズム、ミラー、又は何らかの他の機構を使用するかどうかに関係なく、インカップリング回折光学素子ＩＤＯによって、効果的にコードされる。インカップリング回折光学素子ＩＤＯで起こる光の反射、屈折、及び／又は回折は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯによって、それに応じてデコードされ、ビューアに提示される虚像を再形成しなければならない。インカップリング回折光学素子ＩＤＯと、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯとの間の中間位置に位置する、中間光学素子ＴＯは、典型的には、コードされた光にいかなる変化も誘導しないように、設計及び配向される。アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、アイボックスＥを満たすように拡張された、角度関連ビームのその元の形態、又は所望の形態に、画像担持光ＷＧをデコードする。

任意の対称性が、中間光学素子ＴＯと、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯとの間で維持されているかどうか、又は画像担持光ＷＩの角度関連ビームのコード化に対する変化が、平面導波路２２、中間光学素子ＴＯ、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに沿って起こるかどうかは、関連しており、その結果、平面導波路２２から出力される画像担持光ＷＯは、意図される虚像を生成するための画像担持光ＷＩの、元の形態又は所望の形態を、保持するか、又は別の方法で維持する。

文字「Ｒ」は、アイボックスＥ内に目を置くビューアに見える、虚像の配向を表す。示されるように、表される虚像の文字「Ｒ」の配向は、画像担持光ＷＩによってコードされる、文字「Ｒ」の配向と一致する。Ｘ－Ｙ平面に対する入射画像担持光ＷＩの、Ｚ軸又は角度配向の周りでの回転の変化は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯからの出射光の回転又は角度配向において、対応する対称的な変化を引き起こす。画像配向の態様から、中間光学素子ＴＯは、単に、光学的リレーの一種として作用し、画像の１つの軸に沿って（例えば、Ｙ軸に沿って）、画像担持光ＷＧの角度をコードしたビームの、拡張を提供する。アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光ＷＩによってコードされる虚像の元の配向を維持しながら、画像の別の軸に沿って（例えば、Ｘ軸に沿って）、画像担持光ＷＧの角度をコードしたビームを、さらに拡張する。図２に示すように、中間光学素子ＴＯは、平面導波路２２の前面又は背面上に配置された、傾斜型又は正方形の回折格子であってもよい。別の方法として、中間光学素子ＴＯは、ブレーズド回折格子であってもよい。

本開示は、改善された回折効率、及び出力開口にわたる画像担持光の出力強度を有する、画像光ガイドを提供する。より具体的には、本開示は、特に、複合インカップリング回折光学素子、及び複合アウトカップリング回折光学素子を有し、画像担持光ビームを二次元で拡張して、拡張された画像担持光ビームをアイボックスに向かって出力するように動作可能な、導波路を提供する。

図３Ａに示すように、一実施形態では、画像光ガイド１００は、画像光ガイド１００の第一の面１０２上／中に形成された、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを有してもよい。別の方法として、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの一方又は両方は、第一の面１０２の反対側に位置する、画像光ガイド１００の第二の面上／中に形成され得る。一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、３つの複数の周期格子構造１０４、１０６、１０８を含む。例えば、図９に示されるように、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、Ｙ軸と平行な、第一の組の周期的線形格子構造１０４と、第一の組の周期的線形格子構造１０４に対して６０度超（例えば、７０°）回転／オフセットされた、第二の組の周期的線形格子構造１０６と、第一の組の周期的線形格子構造１０４に対して－６０度超（例えば、－７０°）回転／オフセットされた、第三の組の周期的線形格子構造１０８とを、含んでいてもよい。インカップリング回折光学素子ＩＤＯの、第一の組の周期格子構造１０４は、周期格子構造１０４に対して垂直に延在する、格子ベクトルＫ１を有する。第二の組の、及び第三の組の、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの格子構造１０６、１０８は、周期格子構造１０６、１０８に対してそれぞれ垂直に延在する、第二の、及び第三の、格子ベクトルＫ２、Ｋ３を有する。一実施形態では、第一の組の周期格子構造１０４は、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０６、１０８とは異なる、周期性を有する。

動作中、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８に入射する、画像担持光ビームの少なくとも一部分は、回折し、ＴＩＲ及び／又は回折反射によって画像光ガイド１００内でさらに伝搬するために、画像担持光ＷＧとして、画像光ガイド１００内に向けられる。本開示の実施形態のうちの１つ以上の特性を示すために、画像光ガイド１００は、特に、特に別段の記載がない限り、その上への入射時にインカップリング回折光学素子ＩＤＯの平面に対して垂直に配置される、画像担持光ＷＩのビームの１つ以上の部分の光路に関して、本明細書に記載され、示される。しかしながら、当業者であれば、これらの記載は限定的なものではなく、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ上に入射する画像担持光ＷＩは、システムが最適化される任意の角度で、及び任意の波長で配置され得ることを、認識するであろう。光路によって、画像担持光が、基体内に取り込まれ得、並びにさらに波長の範囲及び入射角の範囲を含み得る、最適化されたシステム内の、任意の光路が含まれることが意図されると、理解すべきである。例えば、一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯへ入射される画像担持光ＷＩは、システムが最適化される入射角範囲及び波長範囲内の、任意の角度及び任意の波長で、配置される。一実施形態では、入射角範囲は、表面法線から、ゼロ（垂直入射）～約１０度の間である。別の実施形態では、入射角範囲は、表面法線から、ゼロ～約３０度の間である。さらに別の実施形態では、入射角範囲は、表面法線から、ゼロ～約４５度の間である。さらなる実施形態では、入射角範囲は、表面法線から、ゼロ～約６０度の間である。別の例では、画像担持光ＷＩのビームの中心線が、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対し垂直に沿って、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに入射する場合、画像担持光ＷＩの一部分は、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８の、それぞれに入射する。この例では、画像担持光ＷＩの部分は、第一の格子ベクトルＫ１、第二の格子ベクトルＫ２、及び第三の格子ベクトルＫ３の方向に対して平行に、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに対して向けられる。第二の組の周期格子構造１０６，及び第三の組の周期格子構造１０８は、画像担持光の部分を、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外側領域（Ｙ軸方向）に向ける。インカップリング回折光学素子ＩＤＯに入射する画像担持光の部分を、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外側領域（Ｙ軸方向）に向けることにより、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの中心（Ｙ軸方向）からアウトカップリングされた画像担持光の強度が減少する。この構成により、アイボックス内のホットスポットが、減少又は排除される。

第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８は、規則的な六角形の対称性を欠く。図９に示すように、一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、複数の六角形単位セル１０９から形成される。六角形単位セル１０９は、不規則な六角形を記述する。例えば、周期格子構造１０４、１０６、１０８が線形格子を記述する場合、周期格子構造１０４、１０６、１０８は、それらが二等辺三角形を形成するように配置される（図９を参照）。言い換えれば、一実施形態では、第一の周期格子構造１０４は、画像光ガイドのＸ軸、又はＹ軸と平行であり、第二の、及び第三の、周期格子構造１０６、１０８は、第一の周期格子構造１０４に対して非平行である。さらに、第二の、及び第三の、周期格子構造１０６、１０８は、互いに対称であってもよいが、第一の周期格子構造１０４に対しては非対称である。すなわち、周期格子構造１０４、１０５、１０８は、正三角形を形成するようには配置されない。むしろ、第二の組の周期回折構造１０６は、第一の組の周期回折構造１０４に対して、６０度より大きくオフセットされ、第三の組の周期回折構造１０８は、第一の組の周期回折構造に対して、－６０度より大きくオフセットされる。第一の組の周期格子構造１０４は、第一の周期を含み、第二の、及び第三の組の、周期格子構造１０６、１０８は、第二の周期を含む。第二の周期は、第一の周期とは異なる。一実施形態では、第一の周期は、第二の周期よりも小さな周期を含み、その結果、第一の組の周期格子構造１０４は、赤色の波長範囲Ｒにある画像担持光を、より効率的に回折するように動作可能である（例えば、図３Ｄを参照）。一実施形態では、第一の周期は、第二の周期よりも大きな周期を含み、その結果、第一の組の周期格子構造１０４は、赤色の波長範囲Ｒにある画像担持光を、より効率的に回折するように動作可能である。一実施形態では、第二の組の、及び第三の組の周期格子構造１０６、１０８は、青色の波長範囲Ｂにある画像担持光を、回折するように動作可能である（例えば、図３Ｄを参照）。例えば、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０６、１０８と比較すると、第一の組の周期格子構造１０４の特徴は、５０ＮＭより大きいピッチによって分離され得ることである。一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、画像光ガイド１００の長手方向軸１１５にわたって、左右対称性を有する。波長の画像担持光を「より効率的に」回折することで、より大きな量の画像担持光が、所望の回折次数に入ることを意味する。所望の回折次数は、以下に限定されないが、第一の回折次数、第二の回折次数、反射回折次数、又は透過回折次数を含み得る。

一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４を含む。第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４は、また、完全な六角形対称性を欠く。第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４は、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８と、それぞれ平行である。第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯからの画像担持光を、拡張してアウトカップリングするように動作可能な、複合回折光学素子を形成する。一実施形態では、第五の組の周期格子構造１１２は、第六の組の周期格子構造１１４と交差する。図３Ａに示すように、一実施形態において、第四の組の周期格子構造１１０は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの第一の組の周期格子構造１０４と平行であり、第五の組の周期格子構造１１２は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの第二の組の周期格子構造１０６と平行であり、第六の組の周期格子構造１１４は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの第三の組の周期格子構造１０８と平行である。第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４はまた、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８と、それぞれ同じ周期性を有してもよい。一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、画像光ガイド１００の長手方向軸１１５にわたって、左右対称性を有する。

アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの、第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４は、それぞれ、第四の、第五の、及び第六の、格子ベクトルＫ４、Ｋ５、Ｋ６を形成する。一実施形態では、格子ベクトルＫ４は、格子ベクトルＫ１と平行である。一実施形態では、格子ベクトルＫ５は、インカップリング格子ベクトルＫ１から、及びＸ軸から、６０度（＋６０°）オフセットされ、格子ベクトルＫ６は、インカップリング格子ベクトルＫ１から、及びＸ軸から、－６０度（－６０°）オフセットされる。

図３Ｄに示すように、一実施形態では、第一の組の、及び第四の組の、周期格子構造１０４、１１０は、概して、同じ格子ピッチを有し、第一の波長範囲Ｒ（例えば、赤色光）の画像担持光ビームをより効率的に回折するように構成される。動作中、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８に入射する、第一の波長範囲Ｒの画像担持光ビームの少なくとも一部分は回折し、ＴＩＲ及び／又は回折反射によって画像光ガイド１００内でさらに伝搬するために、画像担持光ＷＧとして、画像光ガイド１００内に誘導される。本開示の実施形態のうちの１つ以上の特性を示すために、画像光ガイド１００は、特に、特に別段の記載がない限り、その上への入射時にインカップリング回折光学素子ＩＤＯの平面に対して垂直に配置される、画像担持光ＷＩのビームの１つ以上の部分の光路に関して、本明細書に記載され、示される。しかしながら、当業者であれば、これらの記載は限定的なものではなく、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ上に入射する画像担持光ＷＩは、システムが最適化される任意の角度で配置され得ることを、認識するであろう。

図３Ｄ及び３Ｅにおいて、矢印は、画像担持光ＷＩＲの光路の部分を示すものであり、ＷＩＢは、本開示の実施形態の構成が、画像担持光の２つ以上の波長範囲で、インカップリング、伝搬、拡張、及びアウトカップリングすることを可能にする、原理を示すことを意図しており、矢印は、その任意の大きさを表していない。

例えば、画像担持光ＷＩのビームの中心線が、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対し垂直に沿って、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに入射する場合、画像担持光ＷＩの一部分が、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８のそれぞれに入射する。この例では、画像担持光ＷＩＲの、第一の波長範囲Ｒの部分は、第一の格子ベクトルＫ１の方向に対して平行に、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯへ向けられる。第四の組の周期格子構造１１０に入射する、画像担持光ビームＷＧＲの、第一の波長範囲Ｒの一部分は、画像担持光ＷＯＲとして、アウトカップリングされる。画像担持光ビームＷＧＲの、第一の波長範囲Ｒの別の部分は、本来の伝搬方向に沿って連続し、第六の組の周期格子構造１１４に入射し、回折し、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、概して、Ｙ軸方向に、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁に向けられる。Ｙ軸方向に伝搬する画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、第五の組の周期格子構造１１２に入射し、回折し、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、概して、Ｘ軸方向に向けられる。画像担持光ビームＷＧＲの一部分が、第四の組の周期格子構造１１０に再び入射すると、画像担持光ビームＷＧＲの別の部分は、画像担持光ＷＯＲとして、アウトカップリングされる。当業者は、図３Ｄは、本開示の主題の理解を容易にするためのものであり、画像担持光ビームＷＧＲの回折の、すべての例、及び／又は次数を示すものではないことを、認識するだろう。

図３Ｅは、画像光ガイド１００内における青色光Ｂの回折の例を示す、概略図である。第二の組の、第三の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１０６、１０８、１１２、１１４は、概して、同じ格子ピッチを有し、第二の波長範囲Ｂ（例えば、青色光）の画像担持光ビームをより効率的に回折するように構成される。画像担持光ＷＩのビームの中心線が、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対し垂直に沿って、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに入射する場合、画像担持光ＷＩの一部分が、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８のそれぞれに入射する。この例では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの、第一の組の、第二の組の、及び第三の組の、周期格子構造１０４、１０６、１０８に入射する、第二の波長範囲Ｂの、画像担持光ビームＷＩＢの少なくとも一部分は、回折し、ＴＩＲ及び／又は回折反射によって画像光ガイド１００内でさらに伝搬するために、画像担持光ＷＧＢとして、画像光ガイド１００内に誘導される。画像担持光ビームＷＧＢの部分は、第二の格子ベクトルＫ２、及び第三の格子ベクトルＫ３の方向に対して平行に、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに対して向けられる。

例えば、第二の格子ベクトルＫ２に平行に向けられ、第五の組の周期格子構造１１２に入射する、画像担持光ビームＷＧＢの一部分は、画像担持光ＷＯＢとして、アウトカップリングされる。第六の組の周期格子構造１１４に入射する、画像担持光ビームＷＧＢの別の部分は、回折し、概して、Ｘ軸方向に向けられる。次いで、画像担持光ビームＷＧＢのこの部分が、第五の組の周期格子構造１１２に入射すると、画像担持光ビームＷＧＢは再び回折し、画像担持光ＷＧＢの一部分が、概して、第六の格子ベクトルＫ６に対して平行に向けられる。次いで、画像担持光ビームＷＧＢのこの部分が、第六の組の周期格子構造１１４に入射すると、画像担持光ＷＧＢの別の部分が、画像担持光ＷＯＢとして、アウトカップリングされる。

同様に、第三の格子ベクトルＫ３に対して平行に向けられ、第六の組の周期格子構造１１４に入射する、画像担持光ビームＷＧＢの一部分は、画像担持光ＷＯＢとして、アウトカップリングされる。第五の組の周期格子構造１１２に入射する、画像担持光ビームＷＧＢ一部分は、回折し、概して、Ｘ軸方向に向けられる。次いで、画像担持光ビームＷＧＢのこの部分が、第六の組の周期格子構造１１４に入射すると、画像担持光ビームＷＧＢは再び回折し、画像担持光ＷＧＢの一部分が、概して、第五の格子ベクトルＫ５に対して平行に向けられる。次いで、画像担持光ビームＷＧＢのこの部分が、第五の組の周期格子構造１１２に入射すると、画像担持光ＷＧＢの別の部分は、画像担持光ＷＯＢとして、アウトカップリングされる。当業者は、図３Ｅは、本開示の主題の理解を容易にするための、画像担持光ビームＷＧＢの回折の、すべての例、及び／又は次数を示しているわけではないことを、認識するだろう。

従来のビームエクスパンダーでは、光は、中間（例えば、ターニング）回折特徴への奇数回の入射後に、アウトカップリングされる。画像光ガイド１００では、画像担持光ＷＧは、中間回折特徴への偶数回の入射後に、アウトカップリングされる。本構成では、画像担持光ＷＧは、画像担持光ＷＧが周期格子構造の組と整列する（例えば、概ね垂直となる）ように、（奇数回出力システムと比較して）さらなるターニングを経る。例えば、図３Ｄに示すように、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ内にある、第一の組の周期格子構造１０４の回折特徴に入射し、格子ベクトルＫ１と平行な、元の方向に伝搬する画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、第４の組の周期格子構造１１０の回折特徴に入射されると回折し、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、アウトカップリングされる。画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、第六の組の周期格子構造１１４の回折特徴に入射すると、最初の（奇数回目の）中間（例えば、ターニング）回折を受けて、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、Ｙ軸方向にターニングされ、画像担持光ビームＷＧＲのこの部分は、第五の組の周期格子構造１１２の回折特徴に入射すると、二度目の（偶数回目の）中間（例えば、ターニング）回折を受けて、Ｘ軸方向にターニングされ、画像担持光ビームＷＧＲのこの部分は、第四の組の周期格子構造１１０の回折特徴に入射すると、さらに回折を受けて、画像担持光ビームＷＧＲの一部分は、画像担持光ＷＯＲとして、アウトカップリングされる。この構成は、画像光ガイド１００の回折効率を増加させる。この構成では、奇数回目の中間（例えば、ターニング）回折の後に出力される、画像担持光ビームＷＧＲの任意の部分は、画像担持光ビームＷＧＢのために設計されたピッチを有する、回折特徴を通して出力され、その結果、そのアウトカップリングされる回折の次数の効率が、著しく減少する。図３Ｅに示すように、画像担持光ビームＷＧＢの光路は、中間（例えば、ターニング）回折特徴への偶数回目の入射後に、アウトカップリングされるよう、同様に構成されている。

ここで図３Ａ、及び３Ｂを参照すると、一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの一部分１１６は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周囲を包む。言い換えれば、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの部分１１６は、少なくとも部分的に、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周囲に延在し、その結果、インカップリング回折光学素子ＩＤＯに対してその平面に垂直に入射する、画像担持光ＷＧのビームは、第二の、及び第三の格子ベクトルＫ２、Ｋ３に沿って回折し、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの部分１１６に入射する。図３Ａ、及び３Ｂ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素子ＯＤＯ、及びインカップリング回折光学素子ＩＤＯは、空間１１８によって、Ｘ軸及びＹ軸方向へと、横方向に分離される。空間１１８は、円弧状であってもよく、いかなる周期回折構造も含まない。

一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯにおける、周期格子構造１０６、１０８、１１０、１１２の奥行きは同じである。別の実施形態では、周期格子構造１０４、１０６、１０８、１１０、１１２の奥行きは、選択された回折次数の効率を増加させるように、変化する。例えば、周期格子構造１０６、１０８は、周期格子構造１０４、１１０、１１２よりも大きな奥行きを有してもよい。

ここで図３Ｂを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造１１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを含む、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１２、１１４よりも浅い奥行きを有する。回折格子を含む回折光学素子では、格子の奥行きを増加させることで回折効率が改善する。この構成は、第四の組の周期格子構造１１０の突出を減少させ、そこからアウトカップリングされた画像担持光ＷＧを減少させて、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光を増加させる。

ここで図３Ｃを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造１１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯには存在しない。複合格子パターン（例えば、二つの交差する回折格子）を含む、回折光学素子では、第三の格子ベクトルは、格子パターンによって暗黙的に定義される。この構成は、暗黙の格子構造からアウトカップリングされる画像担持光ＷＧを減少させるが、除去はしない。これにより、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光が増加する。

図４Ａ、及び４Ｂに示すように、一実施形態では、画像光ガイド１００は、画像光ガイド１００の第一の面１０２上／中に形成された、中間回折光学素子ＴＤＯを含んでいる。別の方法として、中間回折光学素子ＴＤＯは、第一の面１０２の反対側に位置する、画像光ガイド１００の第二の面上／中に形成されてもよい。中間回折光学素子ＴＤＯは、インカップリング回折光学素子ＩＤＯと、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯとの間の、画像担持光の経路に位置する。中間回折光学素子ＴＤＯ、及びインカップリング回折光学素子ＩＤＯは、空間１１８によって、Ｘ軸及びＹ軸方向へと、横方向に分離される。中間回折光学素子ＴＤＯの一部分１１６’は、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周囲を包む。言い換えれば、中間回折光学素子ＴＤＯの部分１１６’は、少なくとも部分的に、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周囲に延在し、その結果、第二の、及び第三の格子ベクトルＫ２、Ｋ３に対して平行に向けられた画像担持光ＷＧの部分は、中間回折光学素子ＴＤＯの部分１１６’に入射する。

図４Ａ、及び４Ｂを引き続き参照すると、中間回折光学素子ＴＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、第二の空間１２０によって、Ｘ軸方向へと、横方向に分離される。中間回折光学素子ＴＤＯは、第七の組の、第八の組の、及び第九の組の、周期格子構造１２２、１２４、１２６を含む。一実施形態では、第七の組の、第八の組の、及び第九の組の、周期格子構造１２２、１２４、１２６は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの、第四の組の、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１０、１１２、１１４と、それぞれ同じ配向、周期性、及び対称性を有する。一実施形態では、第七の組の、第八の組の、及び第九の組の、周期格子構造１２２、１２４、１２６の、第七の、第八の、及び第九の、格子ベクトルＫ７、Ｋ８、Ｋ９は、格子ベクトルＫ４、Ｋ５、Ｋ６と、それぞれ大きさ及び方向において等しい。中間回折光学素子ＴＤＯは、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの位置決めにおける、より大きな自由度を可能とする。

ここで図４Ｂを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造１１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを含む、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造１１２、１１４よりも浅い奥行きを有する。図３Ｂに記載されているように、この構成は、第四の組の周期格子構造１１０の突出を減少させ、そこからアウトカップリングされた画像担持光ＷＧを減少させて、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光を増加させる。同様に、第七の組の周期格子構造１２２は、中間回折光学素子ＴＤＯを含む、第八の組の、及び第九の組の、周期格子構造１２４、１２６よりも小さな奥行きを有する。

ここで図４Ｃを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造１１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯには存在しない。図３Ｂに記載されているように、この構成は、暗黙の格子構造からアウトカップリングされる画像担持光ＷＧを減少させるが、除去はしない。これにより、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光が増加する。同様に、第七の組の周期格子構造１２２は、中間回折光学素子ＴＤＯには存在しない。

図５Ａ、及び５Ｂに示すように、一実施形態では、画像光ガイド２００は、画像光ガイド２００の第一の面２０２上／中に形成された、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを有してもよい。インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、単一の連続回折パターンとして構成されてもよい。インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、図３Ａ、及び３Ｂに示される実施形態に記載されているように、周期性及び配向性を伴って形成される。一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯを含む、周期格子構造２０６、２０８の奥行きは、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを含む、周期格子構造よりも大きな奥行きを有する。回折格子を含む回折光学素子では、格子の奥行きを増加させることで回折効率が改善する。

ここで図５Ｂを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造２１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを含む、第五の組の、及び第六の組の、周期格子構造２１２、２１４よりも浅い奥行きを有する。図３Ｂに記載されているように、この構成は、第四の組の周期格子構造２１０の突出を減少させ、そこからアウトカップリングされた画像担持光ＷＧを減少させて、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光を増加させる。

ここで図５Ｃを参照すると、一実施形態では、第四の組の周期格子構造２１０は、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯには存在しない。図３Ｂに記載されているように、この構成は、暗黙の格子構造からアウトカップリングされる画像担持光ＷＧを減少させるが、除去はしない。これにより、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの外縁への、Ｙ軸方向の配光が増加する。

本開示の実施形態では、周期的構造は、限定されるものではないが、直線的回折特徴、円形ポスト、又は楕円形ポストであってもよい。例えば、図６は、円形ポスト３０２を含む回折特徴を有する、複合回折パターン３００を示す。複合回折パターン３００は、二次元格子内に位置付けられた、複数の六角形単位セル３１０によって画定される。画像光ガイド１００、２００の（図４、図５を参照）インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、六角形単位セルの二次元格子として、同様に構成されてもよい。

図７に示すように、一実施形態では、積層画像光ガイドアセンブリ４００は、第二の画像光ガイド４０４と結合した、第一の画像光ガイド４０２を含み、多色画像光ガイドアセンブリを形成する。第一の画像光ガイド４０２は、上記で記載される画像光ガイド１００、２００のうちの１つであってもよい。画像光ガイド４０２、４０４は、機械的に結合された、別個の基体Ｓ１、Ｓ２上に形成される。一実施形態では、画像光ガイド４０２、４０４は、接着剤を介して結合される。一部の実施形態では、画像光ガイド４０２は、画像光ガイド４０２、４０４のいずれかのＴＩＲ特性を著しく変化させないような方法で、部分接触によって、画像光ガイド４０４に機械的に結合される。さらに、一部の実施形態では、積層画像光ガイド４０２、４０４は、基体Ｓ１、Ｓ２の間に、部分的又は完全な、エアギャップ又は間隔を含む。一実施形態では、積層画像光ガイドアセンブリ４００は、三つの別個の色の光路を提供し、これは、本明細書ではチャネルと呼称されることがある。図７に示すように、第一の画像光ガイド４０２は、赤色光用の赤色光路ＣＲ（例えば、６３０～６６０ＮＭの範囲）、及び青色光Ｂ用の青色光路ＣＢ（例えば、４４０～４７０ＮＭの範囲）を有する。第二の画像光ガイド４０４は、緑色光Ｇ用の緑色光路ＣＧ（例えば、５６０～５２０ＮＭの範囲）を有する。

積層画像光ガイドアセンブリ４００に入射する、プロジェクター１８からの緑色光Ｇは、第一の画像光ガイド４０２のインカップリング回折光学素子ＩＤＯ１を透過し、第二の画像光ガイド４０４のインカップリング回折光学素子ＩＤＯ２で回折する。次いで、回折した緑色光Ｇは、ＴＩＲを介して、第二の画像光ガイド基体Ｓ２を通して伝達され、第二の画像光ガイド４０４のアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯ２に向けられる。積層画像光ガイドアセンブリ４００に入射する、プロジェクター１６からの赤色光Ｒは、第一の画像光ガイド４０２のインカップリング回折光学素子ＩＤＯ１で回折する。次いで、回折した赤色光Ｒは、ＴＩＲを介して、第一の画像光ガイド基体Ｓ１を通して伝達され、第一の画像光ガイド４０２のアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯ１に向けられる。積層画像光ガイドアセンブリ４００に入射する、プロジェクター１８からの青色光Ｂは、第一の画像光ガイド４０２のインカップリング回折光学素子ＩＤＯ１で回折する。次いで、回折した青色光Ｂは、ＴＩＲを介して、第一の画像光ガイド基体Ｓ１を通して伝達され、第一の画像光ガイド４０２のアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯ１に向けられる。

図８の斜視図は、本開示の１つ以上の画像光ガイドを使用した拡張現実視聴のための、表示システム６０を示す。表示システム６０は、右眼用の画像光ガイド６６Ｒを有する、右眼用光学システム６４Ｒを有する、ＨＭＤとして示されている。表示システム６０は、ピコプロジェクタ、又は類似の装置などの画像源６８を含み、画像を生成するために通電可能である。一実施形態では、表示システム６０は、１つ以上の画像光ガイド、及び第二の画像源を含む、左眼用光学システムを含む。生成される画像は、３Ｄ視聴のための、立体視可能な一対の画像とすることができる。表示システム６０によって形成される虚像は、画像光ガイド６６Ｒを通してビューアにより鑑賞される現実世界の情景コンテンツ上に、重ね合わされるか、又はオーバーレイされているように見えることができる。情景コンテンツを視聴するために、又はビューアの視線追跡などのために、ＨＭＤのフレームへ取り付けられた、１つ以上のカメラなど、拡張現実可視化技術分野の当業者であれば周知である追加の構成要素を、提供することもできる。

図１０に示すように、一実施形態では、画像光ガイド５００は、画像光ガイド５００の第一の面５０２に沿って形成された、インカップリング回折光学素子ＩＤＯ、中間回折光学素子ＴＤＯ、及びアウトカップリング回折光学素子ＯＤＯを含んでもよい。別の方法として、インカップリング、中間、及びアウトカップリング回折光学素子、ＩＤＯ、ＴＤＯ、ＯＤＯの１つ以上は、第一の面５０２の反対側に位置する、画像光ガイド５００の第二の面に沿って形成されてもよい。一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、第一の格子ベクトルＫ０、及び第一の格子ベクトルＫ０に対してある角度で配向された第二の格子ベクトルＫ１を有する、周期格子構造５０４の複合パターンを含む。例えば、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、２つの格子ベクトルＫ０、Ｋ１を最大化する、波状（例えば、正弦波）回折要素の、複数のポスト又は列を含んでもよい。

一実施形態では、インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、画像担持光ＷＧＲの、第一の波長範囲 Ｒの一部分を、第三の格子ベクトルＫ２を有する、中間回折光学素子ＴＤＯに向けるように構成され、これは、画像担持光ＷＧＲの一部分を、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに向かって、反射モードで回折するように配向される（図３Ｄを参照）。画像担持光ＷＧＲの一部分のみが、中間回折光学素子ＴＤＯとの複数の遭遇の各々によって回折し、それによって、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに接近する、画像担持光ＷＧＲの角度関連ビームの各々を、横方向に拡張する。一実施形態では、中間回折光学素子ＴＤＯは、線形格子要素５０６のパターンを含む。

一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、第四の格子ベクトルＫ３、及び第五の格子ベクトルＫ４を有する、周期格子構造５０８の複合パターンを含む。例えば、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯは、波状（例えば、正弦波）回折要素の、複数の列を含んでもよい。インカップリング回折光学素子ＩＤＯは、画像担持光ＷＧＲの、第二の波長範囲Ｂの一部分を、第四の、及び第五の、格子ベクトルＫ３、Ｋ４を有する、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯに向けるように構成され、これは、画像担持光ＷＧＲの一部分を反射モードで回折して、瞳孔拡張を提供し、画像担持光ＷＧＲの一部分をアイボックスへアウトカップリングするように、配向される。

第一の光路では、画像担持光ＷＧＢは、第二の格子ベクトルＫ１を有する、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周期格子構造５０４、第三の格子ベクトルＫ２を有する、中間回折光学素子ＴＤＯの線形格子要素５０６、及び第五の格子ベクトルＫ４を有する、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの複合格子パターン要素５０８の一部分によって、最も効率的に回折する。第二の、第三の、及び第五の、格子ベクトル、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ４は、実質的にゼロの大きさの、ベクトル総和を生成する。第二の光路では、画像担持光ＷＧＢは、第一の格子ベクトルＫ０を有する、インカップリング回折光学素子ＩＤＯの周期格子構造５０４、第四の格子ベクトルＫ３を有する、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの複合格子パターン要素５０８、及び第五の格子ベクトルＫ４を有する、アウトカップリング回折光学素子ＯＤＯの複合格子パターン要素５０８の一部によって、最も効率的に回折する。第一の、第四の、及び第五の格子ベクトル、Ｋ０、Ｋ３、Ｋ４は、実質的にゼロの大きさの、ベクトル総和を生成する。

本明細書に記載される実施形態の１つ以上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製してもよい。様々な実施形態を上記で詳細に説明しているが、それらは、限定的なものではなく例示目的で提示されていると、理解されるべきである。その範囲、精神、又は本質的な特徴から逸脱することなく、本開示の主題が、他の特定の形態、変形、及び修正によって具現化され得ることが、関連技術の当業者には明らかであろう。したがって、上述した実施形態は、すべての点において例示として考慮されるべきであり、限定的なものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味及び範囲内にあるすべての変更がその中に包含されることが、意図される。

Claims (25)

1. 虚像を伝達するための画像光ガイドであって：
   第一の波長範囲の、及び第二の波長範囲の、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な基体と、
   前記基体に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを、角度をコードした形態で、前記基体内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
   前記基体に沿って形成され、中央領域を有する、アウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを拡張し、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記拡張された画像担持光ビームを、角度をデコードした形態で、前記基体から出力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、
   前記インカップリング回折光学素子が、第一の、第二の、及び第三の、複数の周期回折構造を含み、前記第一の複数の周期回折構造が、軸と平行であり、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造が、それぞれ、前記軸に対して非平行であり、
   前記アウトカップリング回折光学素子が、第四の、第五の、及び第六の、複数の周期回折構造を含み、前記第五の、及び前記第六の、複数の周期回折構造が、前記インカップリング回折光学素子の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造の周期性に対して、実質的に等しい周期性を有し、
   前記アウトカップリング回折光学素子の、前記第五の、及び前記第六の、複数の周期回折構造が、前記インカップリング回折光学素子の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造と、実質的に平行である、虚像を伝達するための画像光ガイド。
2. 前記第四の複数の周期回折構造が、前記第五の、及び前記第六の、周期回折構造によって、暗黙的に画定される、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
3. 前記第一の、及び前記第四の、複数の周期回折構造が、第一の波長範囲における画像担持光を、第二の波長範囲よりも効率的に回折するように構成される、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
4. 前記インカップリング回折光学素子の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造の少なくとも１つ、並びに前記アウトカップリング回折光学素子の、前記第五の、及び前記第六の、複数の周期回折構造の対応する１つが、前記第二の波長範囲における画像担持光を、前記第一の波長範囲よりも効率的に回折するように構成される、請求項３に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
5. 前記第一の波長範囲が、赤色である、請求項３に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
6. 前記第二の波長範囲が、青色である、請求項３に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
7. 前記第一の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造が、前記画像光ガイドの長手方向軸に沿って両側対称である、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
8. 前記第一の複数の周期回折構造が、前記画像担持光の一部分を前記アウトカップリング回折光学素子の前記中央領域に向かって回折するように配向され、前記第二の組の周期回折構造が、前記第一の組の周期回折構造に対して、６０度超オフセットされ、及び前記第三の組の周期回折構造が、前記第一の組の周期回折構造に対して、－６０度超オフセットされる、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
9. 前記第二の組の、及び前記第三の組の、周期回折構造が、前記第一の周期回折構造に対して、５０ｎｍ超の周期によって分離される、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
10. 前記第一の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造の１つが、第一の周期を含み、前記第一の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造の、他のそれぞれが、第一の周期とは異なる第二の周期を含み、前記第一の周期は、第一の波長範囲における画像担持光を、第二の波長範囲よりも効率的に回折するように動作可能である、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
11. 前記第一の周期が、前記第二の周期よりも小さく、前記第一の波長範囲の画像担持光を、第二の波長範囲よりも効率的に回折するように動作可能である、請求項１０に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
12. 前記第一の周期が、前記第二の周期よりも大きく、前記第一の波長範囲の画像担持光を、第二の波長範囲よりも効率的に回折するように動作可能である、請求項１０に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
13. 前記アウトカップリング回折光学素子の一部分が、少なくとも部分的に、前記インカップリング回折光学素子の周囲に位置し、円弧状空間は、前記インカップリング回折光学素子と前記アウトカップリング回折光学素子との間に位置し、前記円弧状空間はいかなる周期回折構造も含まない、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
14. 前記インカップリング回折光学素子と、前記結アウトカップリング回折光学素子との間の光路に位置する、中間回折光学素子をさらに含み、前記中間回折光学素子は、前記インカップリング回折光学素子の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造と平行な、２つの複数の周期回折構造を含み、前記中間回折光学素子の一部分が、少なくとも部分的に、前記インカップリング回折光学素子の周囲に位置し、円弧状空間が、前記インカップリング回折光学素子と前記アウトカップリング回折光学素子との間に位置し、前記円弧状空間が、いかなる周期回折構造も含まない、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
15. 第二の空間が、前記中間回折光学素子と、前記アウトカップリング回折光学素子との間に位置し、前記第二の空間はいかなる周期回折構造も含まない、請求項１４に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
16. 前記インカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を、入射角範囲内で、前記基体内に回折するように動作可能である、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
17. 前記画像光ガイドは光路を含み、それによって、前記第一の波長範囲の画像担持光が、入射角範囲で、前記インカップリング回折光学素子に入射し、前記基体内を伝搬する前記第一の波長範囲の前記画像担持光の第一の部分が、前記第四の複数の周期回折構造上に入射し、アウトカップリングし、及び前記第一の波長範囲の前記画像担持光の残りの部分はさらに伝搬し、前記第五の、及び前記第六の、複数の周期回折構造の、いずれか又は両方に入射する、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
18. 前記入射角範囲が、前記画像光ガイドの表面法線から０度～約６０度の間である、請求項１７に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
19. 前記第一の波長範囲の前記画像担持光の前記第二の部分が、前記第一の波長範囲の前記画像担持光の、前記第四の、前記第五の、又は前記第六の、複数の周期回折構造への偶数回の入射の後に、アウトカップリングされる、請求項１７に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
20. 前記画像光ガイドが光路を含み、それによって、前記第二の波長範囲の前記画像担持光が、前記基体内で伝搬するように動作可能であり、前記光路が、前記インカップリング回折光学素子の、前記第二の、及び前記第三の、複数の周期回折構造と、前記アウトカップリング回折光学素子の、前記第五の複数の周期回折構造と、及び前記アウトカップリング回折光学素子の、第六の複数の周期回折構造をさらに含む、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
21. 前記第二の波長範囲の前記画像担持光の一部分が、前記第二の波長範囲の前記画像担持光の、前記第五の、及び前記第六の、複数の周期回折構造への偶数回の入射の後に、アウトカップリングされる、請求項２０に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
22. 虚像を伝達するための画像光ガイドであって：
    第一の波長範囲の、及び第二の波長範囲の、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な基体と、
    前記基体に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを、角度をコードした形態で、画像源から前記基体内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
    前記基体に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを拡張し、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記拡張された画像担持光ビームを、角度をデコードした形態で、前記基体から出力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を含み、
    前記インカップリング回折光学素子、及び前記アウトカップリング回折光学素子が、第一の複数の周期回折構造と、及び前記第一の複数の周期回折構造に対して６０度未満の角度で位置付けられる、第二の複数の周期回折構造を有する、単一の連続回折パターンとして構成される、画像光ガイド。
23. 前記第一の、及び第二の、複数の周期回折構造が、前記周期アウトカップリング回折光学素子の周期回折構造よりも大きな奥行きを有する、請求項２２に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
24. 前記基体が、積層画像光ガイドアセンブリの第一の基体であり、その長さに沿って画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な第二の基体が、前記第一の基体と結合され、前記第一の、及び第前記二の基体が、少なくとも３つの波長範囲のための、３つ以上の光路を含む、請求項１に記載の、虚像を伝達するための画像光ガイド。
25. 虚像を伝達するための画像光ガイドであって：
    第一の波長範囲の、及び第二の波長範囲の、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な基体と、
    前記基体に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを、角度をコードした形態で、画像源から前記基体内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
    前記基体に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記第一の波長範囲の、及び前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを拡張し、前記第一の波長範囲、及び前記第二の波長範囲の、前記拡張された画像担持光ビームを、角度をデコードした形態で、前記基体から出力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を含と、
    前記基体に沿って形成される中間回折光学素子あって、前記中間回折光学素子が、前記第二の波長範囲の、前記画像担持光ビームを拡張し、前記第二の波長範囲の、前記拡張された画像担持光ビームを、前記アウトカップリング回折光学素子に出力するように動作可能である、中間回折光学素子を含み、
    前記インカップリング回折光学素子が、第一の格子ベクトル、及び第二の格子ベクトルを有する、周期回折構造を含み、
    前記中間回折光学素子が、第三の格子ベクトルを有する、周期回折構造を含み、
    前記アウトカップリング回折光学素子が、第四の、第五の、及び第六の、格子ベクトルを有する、周期回折構造を含む、虚像を伝達するための画像光ガイド。

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