JP2024511586A - ディスプレイ構造及びディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

ディスプレイ構造（１０００）が、第１の面（１１１０）と、第１の面（１１１０）の反対側の第２の面（１１２０）と、第１の面（１１１０）上のインカップリング領域（１１１２）とを含む導波路（１１００）と、インカップリング領域（１１１２）を介して光ビーム（１２０１）を導波路（１１００）内に結合するためのインカップリング構造（１２００）と、瞳複製によって射出瞳拡大を実行し、光ビーム（１２０１）からの光を導波路（１１００）の外に結合するように構成されたアウトカップリング構造（１３００）と、を備える。インカップリング領域（１１１２）は最大幅Ｗ_最大を有し、導波路（１１００）は０．２５×Ｗ_最大より大きい厚さＴを有し、アウトカップリング構造（１３００）は、回折性の第１のアウトカップリング要素（１３１０）と、第１のアウトカップリング要素１３１０と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素１３２０と、を備える。

Description

本開示は、ディスプレイ装置に関する。特に、本開示は、射出瞳拡大特性を有する導波路ベースのディスプレイ装置及びその構造に関する。

射出瞳拡大特性を有する導波路ベースのディスプレイ装置は、例えばヘッドマウントシースルーディスプレイ装置（例えば、スマートグラス）において、様々な用途で一般的に使用されている。

一般に、そのような装置は、導波路への光の結合に関連する光損失を制限するように慎重に設計されなければならない。従来、このような光学的インカップリング損失は、波長板などの偏光変化要素と組み合わせて、偏光依存回折格子などの偏光依存インカップリング構造を使用することによって低減される。しかしながら、そのような構成は、ディスプレイ装置の複雑さを増大させる可能性がある。

上記に照らして、導波路ベースのディスプレイ装置に関連する新しい構造を開発することが望ましい場合がある。

この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図していない。

第１の態様によれば、ディスプレイ構造が提供される。ディスプレイ構造は、基準面に沿って横方向に延在する第１の面と、第１の面の反対側の第２の面と、第１の面上のインカップリング領域とを含む導波路と、内部全反射による導波路内の伝播のためにインカップリング領域を介して導波路内に光ビームを結合するためのインカップリング構造と、少なくとも第１の複製方向に沿って瞳複製によって射出瞳拡大を実行し、光ビームからの光を導波路の外に結合するように構成されたアウトカップリング構造と、を備える。インカップリング領域は、第１の複製方向に沿って測定される最大幅を有し、導波路は、第１の面から第２の面まで測定した、インカップリング領域の最大幅の０．２５倍より大きい厚さを有し、アウトカップリング構造は、回折性の第１のアウトカップリング要素と、第１のアウトカップリング要素と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素と、を備える。

第２の態様によれば、第１の態様によるディスプレイ構造を備えるディスプレイ装置が提供される。

本開示は、添付の図面に照らして読まれる以下の詳細な説明からよりよく理解されよう。

一実施形態によるディスプレイ構造を示す図である。 一実施形態による別のディスプレイ構造を示す図である。 一実施形態による別のディスプレイ構造を示す図である。 一実施形態によるディスプレイ装置を示す図である。

特に断らない限り、前述の図面の任意の図面は、前記図面の実施形態の特定の構造的態様を強調するために、前記図面の任意の要素が前記図面の他の要素に対して不正確な比率で描かれ得るように縮尺通りに描かれていない場合がある。

さらに、前述の図面の任意の２つの図面の実施形態における対応する要素は、前記２つの図面の実施形態の特定の構造的態様を強調するために、前記２つの図面において互いに不均衡であってもよい。

図１は、一実施形態によるディスプレイ構造１０００を示す。

本明細書を通して、「ディスプレイ装置」又は「画面」は、ユーザに視覚画像を表示するのに適した、又は視覚画像を表示するように構成された電子装置などの動作可能な装置を指してもよい。追加的又は代替的に、ディスプレイ装置は、電子視覚ディスプレイ装置を指してもよい。ディスプレイ装置は、一般に、その動作に必要又は有益な任意の部品（複数可）若しくは要素（複数可）、例えば、光学及び／又は電気／電子部品（複数可）若しくは要素（複数可）を備えてもよい。

また、「ディスプレイ構造」は、動作可能なディスプレイ装置の少なくとも一部を指してもよい。追加的又は代替的に、ディスプレイ構造は、ディスプレイ装置の構造を指してもよい。

図１の実施形態では、ディスプレイ構造１０００は導波路１１００を備える。

本開示では、「導波路」は光導波路を指してもよい。追加的又は代替的に、導波路は、二次元導波路を指してもよく、光は、前記導波路の厚さ方向に沿って閉じ込められてもよい。当然のことながら、「導波路」は導波路の層を指してもよく、光は内部全反射によって閉じ込められてもよい。

図１の実施形態の導波路１１００は、基準面１１１１に沿って延在する第１の面１１１０と、第１の面１１１０の反対側の第２の面１１２０と、第１の面１１１０上のインカップリング領域１１１２と、を備える。

本開示では、導波路の「面」は、特定の視線方向から見ることができる、又は特定の視線方向に面している前記導波路の表面の一部を指してもよい。追加的又は代替的に、導波路の面は、内部全反射によって前記導波路内に光を閉じ込めるのに適しているか、又は光を閉じ込めるように構成された表面を指してもよい。

本明細書を通して、「領域」は、面の一部を指してもよい。したがって、導波路の第１の面上の「インカップリング領域」は、内部全反射による前記導波路内の伝播のために前記導波路内に結合される光を受信するのに適しているか、又は受信するように構成された前記第１の面上の領域を指してもよい。追加的に又は代替的に、ディスプレイエンジンを備えるディスプレイ構造の導波路のインカップリング領域は、インカップリング構造の入射領域とディスプレイエンジンの最大照明可能領域との交差部を指してもよく、一方、ディスプレイエンジンを備えないディスプレイ構造の導波路のインカップリング領域は、インカップリング構造の入射領域を指してもよい。

ここで、「基準面」は、導波路の第１の面が延在する架空の面を指してもよい。基準面は、例えば平坦な第１の面の場合は平面であってもよく、又は例えば湾曲した第１の面の場合は湾曲していてもよい。さらに、「基準面に沿って横方向に延在する」導波路の第１の面は、前記基準面に沿って横方向を有する第１の面を指してもよい。一般に、要素の横方向範囲は、前記要素を基準面上に投影することによって画定され得る。

図１の実施形態では、ディスプレイ構造１０００は、インカップリング構造１２００を備える。

本開示を通して、「インカップリング構造」は、内部全反射による導波路内の伝播のために光ビームを導波路内に結合するのに適しているか、又は結合するように構成された構造を指してもよい。一般に、インカップリング構造は、前記導波路の第１の面上の入射領域を介して前記導波路内に通過する導波路光に結合するのに適しているか、又は結合するように構成され得る。例えば、回折インカップリング要素を備えるインカップリング構造の入射領域は、その横方向範囲が前記回折インカップリング要素の横方向範囲によって画定される第１の面上の領域を指してもよい。同様に、インカップリングプリズムを備えるインカップリング構造の入射領域は、第１の面上の領域を指してもよく、その横方向範囲は、導波路と結合された前記インカップリングプリズムの面の横方向範囲によって画定される。

図１の実施形態のインカップリング構造１２００は、内部全反射による導波路１１００内の伝播のためにインカップリング領域１１１２を介して光ビーム１２０１を導波路１１００内に結合するのに適している。

本明細書を通して、「光ビーム」は、光源から放射される光の指向性の流れを指してもよい。

図１の実施形態では、ディスプレイ構造１０００は、アウトカップリング構造１３００を備える。

本開示では、「アウトカップリング構造」は、導波路の外に光を結合するように構成された構造を指してもよい。

図１の実施形態のアウトカップリング構造１３００は、少なくとも第１の複製方向１３０１に沿った瞳複製による射出瞳拡大を実行し、光ビーム１２０１からの光を導波路１１００の外に結合するように構成される。

本明細書では、「射出瞳拡大」は、光のアウトカップリングが生じる前記導波路の部分を拡大するように制御された方法で導波路内に光を分配するプロセスを指してもよい。

さらに、「瞳複製」は、複数の射出サブ瞳が撮像システム内に形成される射出瞳拡大プロセスを指してもよい。射出瞳拡大のための瞳複製に依存する撮像システムでは、個々の射出サブ瞳は、好ましくは、導波路のアウトカップリング領域の横方向範囲全体にわたってすべての角度及びすべての波長に対して重なるように配置されることが分かっている。射出サブ瞳のそのような配置は、典型的には暗い縞として知覚されるアウトカップリング画像における空間強度変動の形成を回避することを可能にし得る。

本明細書を通して、「第１の複製方向」は、アウトカップリング構造がそれに沿って瞳複製を実行するように構成される方向を指してもよい。追加的又は代替的に、第１の複製方向は、基準面に平行に延びる方向を指してもよい。

さらに、「少なくとも第１の複製方向に沿った瞳複製」を実行するように構成されているアウトカップリング構造は、一次元、例えば水平又は垂直の瞳複製、又は二次元、例えば水平及び垂直の瞳複製を実行するように構成されている前記アウトカップリング構造を指してもよい。

図１の実施形態では、インカップリング領域１１１２は最大幅（Ｗ_最大）を有し、導波路１１００は０．２５×Ｗ_最大より大きい厚さ（Ｔ）を有し、アウトカップリング構造１３００は、回折性の第１のアウトカップリング要素１３１０と、第１のアウトカップリング要素１３１０と少なくとも部分的に、すなわち部分的に又は全体的に、横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素１３２０と、を備える。

一般に、回折性の第１のアウトカップリング要素と、前記第１のアウトカップリング要素と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素とを備えるディスプレイ構造のアウトカップリング構造は、ディスプレイ構造の光学特性を損なうことなく、光学的なインカップリング損失を制限し、かつ／又は前記導波路の機械的安定性を高めるために、導波路の厚さを増加させることを容易にし得る。

本明細書において、インカップリング領域の「最大幅」は、第１の複製方向に沿った前記インカップリング領域の範囲の尺度、例えば、最大尺度を指してもよい。例えば、円形のインカップリング領域の場合、前記インカップリング領域の最大幅は、前記インカップリング領域の直径を指してもよい。

さらに、導波路の「厚さ」は、第１の面から第２の面まで測定された前記導波路の範囲の尺度を指してもよい。追加的又は代替的に、導波路の厚さは、基準面に垂直に測定されてもよい。追加的又は代替的に、導波路の厚さは、インカップリング領域から第２の面まで測定されてもよい。

本明細書において、「回折光学要素」は、その動作が光の回折に基づく光学要素を指してもよい。一般に、回折光学要素は、可視光の波長程度の少なくとも１つの寸法、例えば、１マイクロメートル未満の少なくとも１つの寸法を有する構造的特徴を含み得る。回折光学要素の典型的な例は、単一領域回折格子又は多領域回折格子として実装され得る一次元及び二次元回折格子を備える。回折格子は、一般に、少なくとも表面レリーフ回折格子又はボリュームホログラフィック回折格子として実装されてもよく、透過型及び／又は反射型回折格子として機能するように構成されてもよい。

したがって、「回折アウトカップリング要素」は、アウトカップリング構造の一部を形成する回折光学要素を指してもよい。追加的又は代替的に、回折アウトカップリング要素は、少なくとも第１の複製方向に沿った瞳複製による射出瞳拡大の実行及び導波路の外への光の結合に適しているか、又はそれらに寄与するように構成された回折光学要素を指してもよい。

さらに、第２の要素と「少なくとも部分的に横方向に重なる」第１の要素は、基準面上の前記第１及び第２の要素の投影の少なくとも部分的な、すなわち部分的又は完全な重なりを指してもよい。

図１の実施形態では、導波路１１００はガラスで形成されてもよい。他の実施形態では、導波路は、ガラス又はポリマーなどの任意の適切な材料を含むか、又はそれらから形成されてもよい。

図１の実施形態では、導波路１１００は、可視スペクトル全体にわたって約２の屈折率を有し得る。他の実施形態では、導波路は、任意の適切な分散特性を有する任意の適切な屈折率を有し得る。

図１の実施形態の導波路１１００は、可視スペクトル全体にわたって約１の屈折率を有する空気によって境界付けられている。その結果、光ビーム１２０１は、２つの空気－ガラス界面での内部全反射によって導波路１１００内に閉じ込められる。他の実施形態では、導波路は空気によって境界付けされてもされなくてもよい。

図１には示されていないが、アウトカップリング構造１３００は、第１の複製方向１３０１以外の第２の複製方向にも沿って瞳複製によって射出瞳拡大を実行するように構成されてもよい。そのような場合、第１のアウトカップリング要素１３１０及び第２のアウトカップリング要素１３２０の各々は二次元回折格子を備えてもよい。他の実施形態では、アウトカップリング構造は、第２の複製方向に沿っても瞳複製によって射出瞳拡大を実行するように構成されてもされなくてもよい。アウトカップリング構造が第２の複製方向に沿っても瞳複製によって射出瞳拡大を実行するように構成される他の実施形態では、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の一方又は両方は、二次元回折格子を備えてもよい。

いくつかの実施形態では、ディスプレイ構造のアウトカップリング構造は、第１の複製方向に沿った瞳複製によって一次元射出瞳拡大を実行するように構成されてもよく、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の一方又は両方は、一次元回折格子を備えてもよい。そのような実施形態では、前記ディスプレイ構造は、インカップリング構造から光を受け取り、前記第１の複製方向以外の第２の複製方向に沿った瞳複製によって射出瞳拡大を実行し、光をアウトカップリング構造に向けるように構成された中間瞳拡大構造をさらに備えてもよく、備えなくてもよい。

図１の実施形態では、導波路１１００の厚さＴは、インカップリング領域１１１２の最大幅Ｗ_最大の約０．３倍であってもよい。他の実施形態では、導波路は、インカップリング領域の最大幅の０．２５倍を超える任意の適切な厚さを有してもよい。いくつかの実施形態では、導波路の厚さは、インカップリング領域の最大幅の０．３倍以上、又は０．３５倍以上、又は０．４倍以上であってもよい。一般に、インカップリング領域の最大幅に比例して導波路の厚さが厚くなると、インカップリング構造との複数の相互作用に関連するアウトカップリング効果を減少させることによって、その機械的安定性が増加し、及び／又はディスプレイ構造におけるインカップリング損失が減少し得る。

図１の実施形態では、導波路１１００の厚さＴは、０．５×Ｗ_最大未満である。他の実施形態では、導波路は、インカップリング領域の最大幅の０．５倍以下の厚さを有してもよく、又は有しなくてもよい。一般に、インカップリング領域の最大幅の０．５倍以下の厚さを有する導波路は、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素以外のアウトカップリング要素が存在しない場合であっても、より高品質のアウトカップリングされた画像の形成を容易にし得る。

図１の実施形態では、導波路１１００の厚さＴは、約０．８ミリメートル（ｍｍ）であってもよい。他の実施形態では、導波路は、任意の適切な厚さ、例えば、０．２ｍｍ以上若しくは０．５ｍｍ以上及び／又は２ｍｍ以下若しくは５ｍｍ以下の厚さを有してもよい。一般に、導波路の厚さが増加すると、ディスプレイ構造の製造が容易になり得る。

図１の実施形態では、インカップリング領域１１１２の最大幅Ｗ_最大は、約２．５ｍｍであってもよい。他の実施形態では、インカップリング領域は、任意の適切な最大幅、例えば、０．５ｍｍ以上若しくは１ｍｍ以上及び／又は５ｍｍ以下若しくは１０ｍｍ以下の最大幅を有してもよい。

図１の実施形態では、インカップリング構造１２００は、回折インカップリング要素１２１０を備える。他の実施形態では、インカップリング構造は、回折インカップリング要素を備えても備えなくてもよい。一般に、回折インカップリング要素を備えるインカップリング構造は、ディスプレイ構造の質量の低減を容易にし得る。

図１の実施形態の回折インカップリング要素１２１０は、表面レリーフ回折格子を備える。インカップリング構造が回折インカップリング要素を備える他の実施形態では、前記回折インカップリング要素は、表面レリーフ回折格子を備えても備えなくてもよい。例えば、そのような実施形態のいくつかでは、インカップリング構造は、ボリュームホログラフィック回折格子を備えてもよい。

図１の実施形態の回折インカップリング要素１２１０は、第１の面１１１０に配置される。他の実施形態では、回折インカップリング要素は、ディスプレイ構造の第１の面上に配置されてもされなくてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、回折インカップリング要素は、第２の面上又は導波路内に配置されてもよい。

図１の実施形態のアウトカップリング構造１３００は、第１の面１１１０を介して導波路１１００の外に光を結合するように構成される。他の実施形態では、アウトカップリング構造は、第１の面及び／又は第２の面を介して導波路の外に光を結合するように構成されてもよい。

図１の実施形態では、第１の面１１１０に第１のアウトカップリング要素１３１０が配置され、第２の面１１２０に第２のアウトカップリング要素１３２０が配置されている。他の実施形態では、第１のアウトカップリング要素は、第１の面に配置されてもされなくてもよく、及び／又は第２のアウトカップリング要素は、第２の面に配置されてもされなくてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、第１のアウトカップリング要素及び／又は第２のアウトカップリング要素は、導波路内に配置されてもよい。一般に、導波路の（１つ又は複数の）面上に配置される第１のアウトカップリング要素及び／又は第２のアウトカップリング要素は、ディスプレイ構造の製造を容易にし得る。

第１のアウトカップリング要素１３１０及び第２のアウトカップリング要素１３２０の各々は、表面レリーフ回折格子を備える。他の実施形態では、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の一方又は両方は、表面レリーフ回折格子を含んでも含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の両方が、ボリュームホログラフィック回折格子を含む。第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の一方が表面レリーフ回折格子を備える実施形態では、他方がボリュームホログラフィック回折格子を含んでもよい。

図１の実施形態では、第１のアウトカップリング要素１３１０及び第２のアウトカップリング要素１３２０の表面レリーフ回折格子は、導波路１１００上に配置されたパターン化膜内に形成される。第１のアウトカップリング要素及び／又は第２のアウトカップリング要素が表面レリーフ回折格子を備える他の実施形態では、前記表面レリーフ回折格子は、導波路上に配置されたパターン化膜内に形成されてもされなくてもよい。例えば、そのような実施形態のいくつかでは、表面レリーフ回折格子は、導波路内に直接形成されてもよい。

回折インカップリング要素１２１０、第１のアウトカップリング要素１３１０、及び第２のアウトカップリング要素１３２０の表面レリーフ回折格子は、図１ではバイナリ回折格子として概略的に示されているが、バイナリ、及び／又はブレーズド、及び／又はスラント型、及び／又はマルチレベル、及び／又はアナログ回折格子などの任意の適切なタイプの表面レリーフ回折格子が、回折インカップリング要素、第１のアウトカップリング要素、及び第２のアウトカップリング要素のいずれか又はすべてにおいて利用され得る。当然ながら、そのような表面レリーフ回折格子は、例えば深さ、デューティサイクル、又はスラント変調によって、任意の適切な方法で導波路効率及び画像均一性を改善するために、空間回折効率変調特性などの追加の特徴を用いて構成されてもよい。

さらに、図１は単一の導波路１１００を示しているが、ディスプレイ構造は、一般に、１つ又は複数の導波路を備えてもよい。ディスプレイ構造が２つ以上の導波路を備える実施形態では、前記導波路は任意の適切な方法で配置されてもよい。そのような実施形態のいくつかでは、そのような導波路は互いに積み重ねられてもよい。

図２は、一実施形態によるディスプレイ構造２０００を示す。図２の実施形態は、図１を参照して、又は図１と併せて開示された実施形態のいずれかに従うことができる。追加的又は代替的に、図２には明示的に示されていないが、図２の実施形態又はその任意の部分は、一般に、図１の実施形態の任意の特徴及び／又は要素を含み得る。

図２の実施形態では、ディスプレイ構造２０００は、基準面２１１１に沿って延在する第１の面２１１０と、第１の面２１１０の反対側の第２の面２１２０と、第１の面２１１０上のインカップリング領域２１１２とを含む導波路２１００と、内部全反射による導波路２１００内の伝播のためにインカップリング領域２１１２を介して導波路２１００内に光ビーム２２０１を結合するためのインカップリング構造２２００と、少なくとも第１の複製方向２３０１に沿って瞳複製によって射出瞳拡大を実行し、光ビーム２２０１からの光を導波路２１００の外に結合するように構成されたアウトカップリング構造２３００と、を備える。

インカップリング領域２１１２は、第１の複製方向２３０１に沿って測定した最大幅（Ｗ_最大）を有し、導波路２１００は、第１の面２１１０から第２の面２１２０まで測定した厚さ（Ｔ）がＷ_最大の０．２５倍より大きい。アウトカップリング構造２３００は、回折性の第１のアウトカップリング要素２３１０と、第１のアウトカップリング要素２３１０と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素２３２０と、を備える。

図２の実施形態において、インカップリング構造２２００は、インカップリングプリズム２２２０を備える。インカップリングプリズム２２２０は、導波路２１００に取り付けられている。他の実施形態では、インカップリング構造は、インカップリングプリズムを備えても備えなくてもよい。

図２の実施形態では、第１の面２１１０に第１のアウトカップリング要素２３１０が配置され、第２の面２１２０に第２のアウトカップリング要素２３２０が配置されている。

第１のアウトカップリング要素２３１０及び第２のアウトカップリング要素２３２０の各々は、表面レリーフ回折格子を備える。第１のアウトカップリング要素２３１０の表面レリーフ回折格子は、導波路２１００上に配置されたパターン化膜内に形成され、第２のアウトカップリング要素２３２０の表面レリーフ回折格子は、導波路２１００内に直接形成される。他の実施形態では、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の一方又は両方は、導波路内に直接形成されてもされなくてもよい。

図２において破線を用いて示されているように、図２の実施形態のアウトカップリング構造２３００は、導波路２１００内に配置された回折性の第３のアウトカップリング要素２３３０をさらに備えてもよく、第３のアウトカップリング要素２３３０は、第１のアウトカップリング要素２３１０及び第２のアウトカップリング要素２３２０の各々と少なくとも部分的に横方向に重なる。他の実施形態では、アウトカップリング構造は、そのような回折性の第３のアウトカップリング要素を備えても備えなくてもよい。一般に、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の各々と重なり、導波路内に配置された回折性の第３のアウトカップリング要素を備えるアウトカップリング構造は、射出サブ瞳の密度をさらに増加させ得、これにより、ディスプレイ構造の光学特性をさらに損なうことなく導波路の厚さをさらに増加させることを容易にし得る。

いくつかの実施形態では、アウトカップリング構造は、導波路内に配置され、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の各々と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第３のアウトカップリング要素を備え、前記アウトカップリング構造は、１つ又は複数の追加のアウトカップリング要素をさらに備えてもよく、１つ又は複数の追加のアウトカップリング要素の各々は、前記導波路内に配置され、前記第１のアウトカップリング要素、前記第２のアウトカップリング要素、及び前記第３のアウトカップリング要素の各々と重なる。

図２の実施形態のアウトカップリング構造２０００が第３のアウトカップリング要素２３３０を備える場合、Ｔは、０．５×Ｗ_最大以上、又は０．６×Ｗ_最大以上、又は０．７×Ｗ_最大以上、又は０．８×Ｗ_最大以上、又は０．９×Ｗ_最大以上であってもよい。アウトカップリング構造が、第１のアウトカップリング要素及び第２のアウトカップリング要素の各々と重なる第３のアウトカップリング要素を備える他の実施形態では、導波路は、インカップリング領域の最大幅の０．２５倍を超える任意の適切な厚さを有してもよい。

図２の実施形態の第３のアウトカップリング要素２３３０は、ボリュームホログラフィック回折格子を備えてもよい。第３のアウトカップリング要素２３３０のボリュームホログラフィック回折格子は、０．１ｍｍ未満の厚さを有し、透過格子として動作可能である、いわゆる「薄い透過ボリュメトリックホログラフィック回折格子」として実装されてもよい。第３のアウトカップリング要素２３３０のボリュームホログラフィック回折格子は、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有し、透過及び／又は反射モード回折格子として動作可能である、いわゆる「厚い」ボリュームホログラフィック回折格子として実装されてもよい。

図３は、一実施形態によるディスプレイ構造３０００を示す。図３の実施形態は、図１及び図２のいずれかを参照して、又は図１及び図２のいずれかと併せて開示された実施形態のいずれかに従うことができる。

追加的又は代替的に、図３には明示的に示されていないが、図３の実施形態又はその任意の部分は、一般に、図１及び図２の実施形態のいずれかの任意の特徴及び／又は要素を含み得る。

図３の実施形態では、ディスプレイ構造３０００は、基準面３１１１に沿って横方向に延在する第１の面３１１０と、第１の面３１１０上のインカップリング領域３１１２とを含む導波路３１００を備える。ディスプレイ構造３０００は、内部全反射による導波路３１００内の伝播のためにインカップリング領域３１１２を介して光ビーム３２０１を導波路３１００内に結合するための回折インカップリング要素３２１０を備えるインカップリング構造３２００と、少なくとも第１の複製方向３３０１に沿った瞳複製による射出瞳拡大を実行し、光ビーム３２０１からの光を導波路３１００の外に結合するように構成されたアウトカップリング構造３３００と、をさらに備える。

実施形態のディスプレイ構造３０００は、光ビーム３２０１をインカップリング構造３２００に向けるためのディスプレイエンジン３４００をさらに備える。他の実施形態では、ディスプレイ構造は、そのようなディスプレイエンジンを備えても備えなくてもよい。

本開示を通して、「ディスプレイエンジン」は、インカップリング構造に渡されるべき、例えば角度スペクトルの画像を形成するのに適しているか、又は画像を形成するように構成されたディスプレイ構造の一部を指してもよい。一般に、ディスプレイエンジンは、導波路の第１の面上に（最大の）照明可能領域を有し得る。ディスプレイエンジンの照明可能領域は、横方向に、少なくとも部分的に、すなわち部分的又は全体的に、インカップリング構造の入射領域と重なってもよい。ディスプレイエンジンは、射出瞳を形成してもしなくてもよい。ディスプレイエンジンが射出瞳を形成する実施形態では、前記射出瞳は、インカップリング構造の入射瞳と重なってもよい。

図３の実施形態のディスプレイエンジン３４００は、スキャナベースのディスプレイエンジンとして実装される。ディスプレイ構造がディスプレイエンジンを備える他の実施形態では、前記ディスプレイエンジンは、任意の適切な方法で、例えば、スキャナベースのディスプレイエンジンとして、又はパネルベースのディスプレイエンジンとして実装されてもよい。一般に、スキャナベースのディスプレイエンジンの利用は、ディスプレイ構造のサイズの縮小、及び／又は輝度の増加、及び／又はコントラストの増加を容易にし得る。スキャナベースのディスプレイエンジンの使用は、典型的には、より小さい寸法の照明可能領域をもたらすので、厚さが低減された導波路はそのようなディスプレイエンジンと共に使用され得る。

図３の実施形態では、ディスプレイエンジン３４００は、青色発光の第１のレーザ３４１１、緑色発光の第２のレーザ３４１２、及び赤色発光の第３のレーザ３４１３を含む照明ユニット３４１０と、光ビーム３２０１を形成するために、第１のレーザ３４１１、第２のレーザ３４１２、及び第３のレーザ３４１３からの光を合成する合成ユニット３４２０と、第１の偏向ミラー３４３１及び第２の偏向ミラー３４３２を備え、合成ユニット３４２０から光を収集し、光ビーム３２０１がインカップリング領域３１１２上の異なる位置に衝突するように第１の偏向ミラー３４３１及び第２の偏向ミラー３４３２を駆動するように構成されたスキャナユニット３４３０と、を備える。

図３の実施形態のディスプレイエンジン３４００は、レーザベースの照明ユニットを備える。他の実施形態では、ディスプレイエンジンは、任意の適切なタイプの照明ユニット、例えば、レーザベースの照明ユニット及び／又は発光ダイオードベースの照明ユニットを備えてもよい。

図３の実施形態のスキャナユニット３４３０は、デュアル一次元微小電気機械ミラースキャナユニットとして実装されてもよい。他の実施形態では、スキャナベースのディスプレイエンジンは、任意の適切なタイプのスキャナユニット、例えば、デュアル一次元微小電気機械ミラー（ＭＥＭＳミラー）スキャナユニット又は二次元ＭＥＭＳミラースキャナユニットを備えてもよい。

一方で、図３の実施形態のインカップリング構造３２００は、入射領域３２０２を第１の面３１１０上に有し、入射領域３２０２は、回折インカップリング要素３２１０の側方範囲によって画定される。一方、ディスプレイエンジン３４００は、第１の面３１１０上に照明可能領域３４０１を有する。照明可能領域３４０１の横方向範囲は、第１の偏向ミラー３４３１及び第２の偏向ミラー３４３２の移動範囲に依存する。

図３の実施形態のディスプレイ構造３０００はディスプレイエンジン３４００を備えるので、インカップリング領域３１１２の横方向範囲は、入射領域３２０２と照明可能領域３４０１との交差部として画定される。図３の実施形態では、インカップリング領域３１１２は、第１の複製方向３３０１に沿って測定された最大幅Ｗ_最大を有し、導波路３１００は、０．２５×Ｗ_最大より大きい厚さＴを有し、アウトカップリング構造３３００は、回折性の第１のアウトカップリング要素３３１０と、第１のアウトカップリング要素３３１０と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素３３２０と、を備える。

図３の実施形態では、導波路３１００は約０．５ｍｍのＴを有してもよく、インカップリング領域３１１２は約１．２ｍｍのＷ_最大を有する。したがって、Ｔは約０．４×Ｗ_最大であり得る。

以上、主に表ディスプレイ構造の特徴について説明した。以下では、ディスプレイ装置の特徴により重点を置く。ディスプレイ構造に関連する実施方法、定義、詳細、及び利点について上述したことは、必要な変更を加えて、以下に説明するディスプレイ装置に適用される。逆も同様である。

図４は、一実施形態によるディスプレイ装置４０００を示す。図４の実施形態は、図１から図３のいずれかを参照して、又は図１から図３のいずれかと併せて開示された実施形態のいずれかに従うことができる。追加的又は代替的に、図４には明示的に示されていないが、図４の実施形態又はその任意の部分は、一般に、図１から図３の実施形態のいずれかの任意の特徴及び／又は要素を含み得る。

図４の実施形態のディスプレイ装置４０００は、本明細書によるディスプレイ装置を備える。

図４の実施形態では、ディスプレイ装置４０００は、シースルーヘッドマウントディスプレイ装置として、より具体的には、シースルーディスプレイを備える眼鏡として実装される。他の実施形態では、ディスプレイ装置は、例えばシースルー及び／又はヘッドマウントディスプレイ装置として、任意の適切な方法で実装されてもよい。

図４の実施形態では、ディスプレイ装置４０００は、導波路４１００と、インカップリング構造４２００と、アウトカップリング構造４３００と、ディスプレイエンジン４４００と、を備える。ディスプレイエンジン４４００によってインカップリング構造４２００に向けられた光ビーム４２０１は、インカップリング構造４２００によって導波路４１００内に結合されてもよく、次いで、光ビーム４２０１からの光は、アウトカップリング構造４３００によって導波路４１００からユーザの目に向かって結合されてもよい。

上述の実施形態は、互いに組み合わせて使用されてもよいことを理解されたい。２つ以上の実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を形成してもよい。

技術の進歩に伴い、本発明の基本的な概念が様々な方法で実施され得ることは当業者には明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は、上述の例に限定されず、特許請求の範囲内で変化し得る。

上記の任意の利益及び利点は、１つの実施形態に関連してもよく、又はいくつかの実施形態に関連してもよいことが理解されよう。実施形態は、記載された問題のいずれか又はすべてを解決するもの、又は記載された利益及び利点のいずれか若しくはすべてを有するものに限定されない。

「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書では、１つ又は複数の追加の特徴又は動作の存在を除外することなく、その後に続く特徴又は動作を含むことを意味するために使用される。「１つの（ａｎ）」項目への言及は、それらの項目のうちの１つ又は複数を指すことがさらに理解されよう。

Ｗ_最大 最大幅
Ｔ 厚さ
１０００ ディスプレイ構造
１１００ 導波路
１１１０ 第１の面
１１１１ 基準面
１１１２ インカップリング領域
１１２０ 第２の面
１２００ インカップリング構造
１２０１ 光ビーム
１２１０ 回折インカップリング要素
１３００ アウトカップリング構造
１３０１ 第１の複製方向
１３１０ 第１のアウトカップリング要素
１３２０ 第２のアウトカップリング要素
２０００ ディスプレイ構造
２１００ 導波路
２１１０ 第１の面
２１１１ 基準面
２１１２ インカップリング領域
２１２０ 第２の面
２２００ インカップリング構造
２２０１ 光ビーム
２２２０ インカップリングプリズム
２３００ アウトカップリング構造
２３０１ 第１の複製方向
２３１０ 第１のアウトカップリング要素
２３２０ 第２のアウトカップリング要素
２３３０ 第３のアウトカップリング要素
３０００ ディスプレイ構造
３１００ 導波路
３１１０ 第１の面
３１１１ 基準面
３１１２ インカップリング領域
３２００ インカップリング構造
３２０１ 光ビーム
３２０２ 入射領域
３２１０ 回折インカップリング要素
３３００ アウトカップリング構造
３３０１ 第１の複製方向
３３１０ 第１のアウトカップリング要素
３３２０ 第２のアウトカップリング要素
３４００ ディスプレイエンジン
３４０１ 照明可能領域
３４１０ 照明ユニット
３４１１ 第１のレーザ
３４１２ 第２のレーザ
３４１３ 第３のレーザ
３４２０ 合成ユニット
３４３０ スキャナユニット
３４３１ 第１の偏向ミラー
３４３２ 第２の偏向ミラー
４０００ ディスプレイ装置
４１００ 導波路
４２００ インカップリング構造
４２０１ 光ビーム
４３００ アウトカップリング構造
４４００ ディスプレイエンジン

Claims (13)

1. 基準面（１１１１）に沿って横方向に延在する第１の面（１１１０）と、前記第１の面（１１１０）の反対側の第２の面（１１２０）と、前記第１の面（１１１０）上のインカップリング領域（１１１２）とを含む、導波路（１１００）と、
   内部全反射による前記導波路（１１００）内の伝播のために前記インカップリング領域（１１１２）を介して前記導波路（１１００）内に光ビーム（１２０１）を結合するためのインカップリング構造（１２００）と、
   少なくとも第１の複製方向（１３０１）に沿った瞳複製による射出瞳拡大を実行し、前記光ビーム（１２０１）からの光を前記導波路（１１００）の外に結合するように構成されたアウトカップリング構造（１３００）と、
   を備える、ディスプレイ構造（１０００）であって、
   前記インカップリング領域（１１１２）は、前記第１の複製方向（１３０１）に沿って測定された最大幅Ｗ_最大を有し、前記導波路（１１００）は、前記第１の面（１１１０）から前記第２の面（１１２０）まで測定した、前記インカップリング領域（１１１２）の前記最大幅Ｗ_最大の０．２５倍より大きい厚さＴを有し、前記アウトカップリング構造（１３００）は、回折性の第１のアウトカップリング要素（１３１０）と、前記第１のアウトカップリング要素（１３１０）と少なくとも部分的に横方向に重なる回折性の第２のアウトカップリング要素（１３２０）とを備える、
   ディスプレイ構造（１０００）。
2. 前記導波路（１１００）の前記厚さＴが、前記インカップリング領域（１１１２）の前記最大幅Ｗ_最大の０．３倍、又は０．３５倍、又は０．４倍以上である、請求項１に記載のディスプレイ構造（１０００）。
3. 前記インカップリング構造（１２００）が、回折インカップリング要素（１２１０）を備える、請求項１又は２に記載のディスプレイ構造（１０００）。
4. 前記インカップリング構造（２２００）が、インカップリングプリズム（２２２０）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のディスプレイ構造（２０００）。
5. 前記第１のアウトカップリング要素（１３１０）が前記第１の面（１１１０）上に配置され、前記第２のアウトカップリング要素（１３２０）が前記第２の面（１１２０）上に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載のディスプレイ構造（１０００）。
6. 前記アウトカップリング構造（２３００）が、前記導波路（２１００）内に配置された回折性の第３のアウトカップリング要素（２３３０）をさらに備え、前記第３のアウトカップリング要素（２３３０）が、前記第１のアウトカップリング要素（２３１０）及び前記第２のアウトカップリング要素（２３２０）の各々と少なくとも部分的に横方向に重なる、請求項５に記載のディスプレイ構造（２０００）。
7. 前記導波路（１１００）の前記厚さＴが、前記インカップリング領域（１１１２）の前記最大幅Ｗ_最大の０．５倍、又は０．６倍、又は０．７倍、又は０．８倍、又は０．９倍以上である、請求項６に記載のディスプレイ構造（１０００）。
8. 前記導波路（１１００）の前記厚さＴが、前記インカップリング領域（１１１２）の前記最大幅Ｗ_最大の０．５倍以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のディスプレイ構造（１０００）。
9. 前記光ビーム（３２０１）を前記インカップリング構造（３２００）に向けるためのディスプレイエンジン（３４００）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のディスプレイ構造（３０００）。
10. 前記ディスプレイエンジン（３４００）が、スキャナベースのディスプレイエンジン、例えばレーザ走査ディスプレイエンジンとして実装される、請求項９に記載のディスプレイ構造（３０００）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のディスプレイ構造（１０００）を備える、ディスプレイ装置（４０００）。
12. シースルーディスプレイ装置として実装される、請求項１１に記載のディスプレイ装置（４０００）。
13. ヘッドマウントディスプレイ装置として実装される、請求項１１又は１２に記載のディスプレイ装置（４０００）。

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