JP6463597B2 - 透明導波管ディスプレイ - Google Patents

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Description

関連出願
この出願は、それぞれ参照することによりその全体が本願に組み入れられる２０１２年１１月１６日に出願された米国仮出願第６１／７９６，６３２号および２０１３年２月４日に出願された米国仮出願第６１／８４９，８５３号の優先権を主張する２０１３年３月１５日に出願された米国出願第１３／８４４４５６号の一部継続出願である。
記号配列および英数字配列から高分解能の画素化された画像にまで及ぶ画像内容を表示できるコンパクトな透明データディスプレイの必要性がある。透明ディスプレイの例としては、ＨＭＤ、ＨＵＤ、ＨＤＤなどが挙げられる。いずれの場合にも、１つの重要なファクターは、ディスプレイが非常に透明でなければならず、また、表示される画像内容が明るい背景シーン上に重ね合わされるときに明確に見えなければならないということである。ディスプレイは、最適なデータ可視性および影響のために拡張された色域を全色に与えなければならないが、白黒は多くの用途で十分である。ヘルメットマウントディスプレイにおける１つの重要なファクターは、ディスプレイが標準的なヘルメットまたは訓練のために設計されたヘルメットの複製に対して容易に取り付かなければならないということである。瞳距離および瞳は、要求の厳しい軍事活動やスポーツ活動のための頭部の移動中であっても画像損失を回避するために十分大きくなければならない。画像発生器は、コンパクトで、ソリッドステートでなければならず、また、低い電力消費量を有していなければならない。自動車用途では、人間工学的要求が同様に厳しく、審美的な検討材料が、理想的には不使用時にダッシュボード内に隠すことができなければならないディスプレイの形状因子に関して更なる要求をもたらす。多くの他の適用分野では、よりコンパクトで、安価な、より効率的な構造の必要性が高まっている。本発明者らは、飛行機および小型航空機のＨＵＤにおける要求の高まりに留意する。自動車製造もそれらの将来のモデルでＨＵＤおよびＨＤＤを設けることに目を向けている。本明細書中に記載されるシステムは、拡張現実没入チームトレーニング（ＡＩＴＴ）、本質的には、観察者の技能を認定するあるいは養うために必要とされる間接照準射撃および航空機出撃を増補するあるいはそれらに取って代わる観察者訓練のためのライブシミュレーショントレーニングシステムで用いるヘルメットマウント頭部装着型ディスプレイに適用できる場合がある。
前記目標は、現在の技術によって達成されない。現在の構造は、透けて見える適切な瞳、瞳距離、および、視野を何とか与えるにすぎず、また同時に、扱いにくい形状因子を犠牲にして高い輝度を与えるにすぎない。多くのヘルメットマウントディスプレイ構造では、重量が眼の前方の想定される最悪の場所に分配される。透明ディスプレイを提供する最も一般的な手法は、軸外光によって照明される反射バイザーまたは回折バイザーに依存する。極めて小さいフラットパネルに高分解能画像生成器を備えるマイクロディスプレイは、必ずしも小型化に役立つとは限らない。これは、非常に高い倍率の必要性が大径の光学素子をもたらすからである。理想的な透明ディスプレイは、第１に、高い透明性を伴って全景の透けて見える視野を与えることによって状況認識を保ち、第２に、高分解能な広い視野の画像を与えるディスプレイである。そのようなシステムは、控えめ、すなわち、コンパクトで、軽量で、快適でもなければならない。この場合、快適さは、十分な射出瞳および眼球運動ボックス／射出瞳（＞１５ｍｍ）、適切な瞳距離（≧２５ｍｍ）、人間工学的な質量中心、無限遠の焦点、ならびに保護ヘッドギアとの適合性を有することによってもたらされる。現在、将来、従来の屈折光学素子は、この一連の要求を満たすことができない。他の重要な識別子としては、フルカラー能力、視野、ピクセル分解能、シースルー性（透明度）、輝度、動的グレースケール、および、電力消費レベルが挙げられる。非常に競合する開発の数年後であっても、屈折光学素子に基づくヘッドマウントディスプレイは、限られた視野をなすとともに、十分にコンパクトで軽量ではなく、あるいは、快適ではない。
導波管技術基板ガイドディスプレイに基づくディスプレイは、これらの基本的な要求の多くを満たすことができる能力を実証してきた。その概念は、１０年以上にもわたってきている。特に関連するものとして、回折素子を入力で使用することによって光を導波管へどのように結合させることができ、第２の回折素子を出力で使用することによって光を同じ導波管からどのように結合させて出すことができるのかを教示する、１９９９年にＫａｉｓｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に与えられた米国特許第５，８５６，８４２号がある。米国特許第５，８５６，８４２号によれば、導波管に入射する光は、該光が導波管に沿って伝搬する際にその画像内容を維持するべく視準される必要がある。すなわち、光は、それが導波管に入る前に視準されなければならない。これは、様々な方法によって達成することができ、ここでは関係ない。この設計手法を用いると、導波管から出る光が必然的に視準され、これは、無限遠で像を合焦させて出現させるために必要とされる状態である。光は、限られた内角範囲のみにわたって導波管に沿って伝搬する。表面と平行に伝搬する光は、（当然のことながら）跳ね返ることなく導波管に沿って進む。表面と平行に伝搬しない光は、表面法線に対する入射角がある臨界角よりも大きければ表面間で前後に跳ね返りつつ導波管に沿って進む。ＢＫ−７ガラスの場合、この臨界角は約４２°である。この臨界角は、反射コーティングを使用する（しかし、これは、残念ながら、基板のシースルー性能を低下させる）ことによってあるいは高屈折率材料を使用することによってわずかに小さくすることができる。とにかく、光が導波管に沿って伝搬する内角範囲は、著しく変化しない。したがって、ガラスの場合、最大内角範囲は≦５０°である。これは導波管から出る角度範囲（すなわち、空気中の角度）へと変わり、この角度範囲は、４０°よりも小さく、一般的には他の設計ファクターが考慮に入れられるときには更に小さい。今まで、基板ガイド光学素子（ＳＧＯ）技術は、広く受け入れられてこなかった。これは、主に、射出瞳を拡大させるために導波管光学素子を使用できるが、それらの光学素子を使用して視野を拡大するあるいはデジタル分解能を向上させることができないという事実に起因する。すなわち、導波管内でＴＩＲを受け得る内角範囲を制約する内在する物理的過程は、導波管光学素子を用いて達成できる視野をほぼ４０°に制限するとともに、達成できるデジタル分解能を関連する撮像装置のそれに制限する。それにもかかわらず、導波管光学素子に基づくコンパクトで軽量なＨＭＤの魅力は、関心を呼び起こし続ける。非常に大きな視野を形成するための１つの方法は、その視野を一組の更に小さい複数の視野（それぞれが導波管の光学素子制限と適合できる）へと分けて解析するとともに、眼がそれらの小さい視野を統合された広角表示として認識するように十分素早くそれらの小さい視野を時系列に表示することである。これを行う１つの方法は、切り換え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）など、非常に急速にＯＮおよびＯＦＦに連続的に切り換えられる得るホログラフィック素子を伴う。
固有の効率的な形状因子と、屈折力および薄層への拡散などの複雑な光学的機能をエンコードできる能力とを含む回折光学素子（ＤＯＥ）の光学的な構造利点は良く知られている。最も高い回折効率を与えるブラッグ格子（一般に体積位相格子またはホログラムとも称される）がヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などのデバイスで幅広く使用されてきた。重要な類のブラッグ格子デバイスは切り換え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）として知られる。ＳＢＧは、高分子分散液晶（ＰＤＬＣ）混合体中で体積位相格子またはホログラムを記録することにより形成される回折デバイスである。一般に、ＳＢＧデバイスは、最初に光重合可能なモノマーと液晶材料との混合体の薄膜を平行なガラスプレートまたは基板同士の間に配置することによって製造される。ガラスセルを形成して充填するための技術は、液晶ディスプレイ産業において良く知られている。一方または両方のガラス基板は、ＰＤＬＣ層にわたって電界を印加するために、電極、一般的には透明なインジウムスズ酸化膜を支持する。他のタイプの透明導電コーティングが使用されてもよい。その後、所望の格子構造を形成するために干渉する２つの互いにコヒーレントなレーザビームを液体材料に照射することによって体積位相格子が記録される。記録プロセス中、モノマーが重合するとともに、ホログラフィック高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ）混合体が相分離を受け、それにより、透明高分子領域が散在される液晶微液滴により密集される領域が形成される。液晶リッチ領域と液晶空乏領域とが交互に入れ替わることにより、格子のフリンジ面が形成される。結果として得られる体積位相格子は、ＰＤＬＣ層にわたって印加される電界の大きさにより制御されてもよい非常に高い回折効率を有することができる。電界が透明電極を介してホログラム（例えば、適切に最適化されたホログラム）に印加されると、ＬＣ液滴の自然の方向性が変えられ、それにより、フリンジの屈折率変調が減少し、ホログラム回折効率が非常に低いレベルまで低下する。なお、デバイスの回折効率は、印加電圧を用いて、電圧が印加されないほぼ１００％の効率から十分に高い電圧が印加されるほぼゼロの効率までの連続的な範囲にわたって調整できる。ＳＢＧは、自由空間用途のための透過格子または反射格子を形成するために使用されてもよい。ＳＢＧは導波管デバイスとして実施されてもよく、その場合、ＨＰＤＬＣは、導波管コアまたは導波管に近接するエバネセント結合層のいずれかを形成する。本明細書中で基板ガイド光学素子（ＳＧＯ）と称される１つの特定の構造では、ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用される平行なガラスプレートが、全内部反射（ＴＩＲ）光ガイド構造を与える。光は、切り換え可能格子がＴＩＲ状態を超える角度で光を回折するときにＳＢＧから「結合されて」出る。ＳＧＯは、現在、一連のディスプレイおよびセンサの用途で対象となる。ＨＰＤＬＣに関する以前の労力の大部分は反射ホログラムに向けられてきたが、透過デバイスは、光学系ビルディングブロックとしてかなり用途が広いことが分かっている。
一般に、ＳＢＧで使用されるＨＰＤＬＣは、液晶（ＬＣ）、モノマー、光開始色素、および、共開始剤を備える。混合体は、しばしば、界面活性剤を含む。特許文献および科学文献は、ＳＢＧを製造するために使用されてもよい材料系およびプロセスの多くの例を含む。２つの基本となる特許は、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａらによる米国特許第５，７５１，４５２号である。これらの出願はいずれも、ＳＢＧデバイスを製造するのに適するモノマーと液晶材料との組み合わせについて記載する。
透過型ＳＢＧの既知の属性のうちの１つは、ＬＣ分子が格子フリンジ面に対して垂直に整列する傾向があることである。ＬＣ分子整列の効果は、透過型ＳＢＧが、Ｐ偏光（すなわち、入射面内に偏極ベクトルを有する光）を効率的に回折するが、Ｓ偏光（すなわち、入射面内に対して垂直な偏極ベクトルを有する光）に関してはほぼゼロの回折効率を有するという効果である。透過型ＳＢＧは、ほぼすれすれの入射で使用されない場合がある。これは、Ｐ偏光における任意の格子の回折効率が、入射光と反射光との間に含まれる角度が小さいときにゼロまで低下するからである。空気中でのガラス光ガイドは、内部入射角が約４２°よりも大きい場合には、全内部反射によって光を伝搬する。したがって、内部入射角が４２〜約７０°の範囲内にある場合には、本発明が透過型ＳＢＧを使用して実施されてもよく、その場合、格子により光ガイドから抽出される光は、主にｐ偏光される。通常、ＳＢＧは、電圧が印加されないときに回折し、またある時には電圧が印加されると、それらの光学的受動状態へと切り換わっている。しかしながら、ＳＢＧは、電圧が印加されるときにＳＢＧが回折しかつそれ以外の普段においてＳＢＧが光学的受動状態のままとなるように逆方向モードで作動するべく設計され得る。逆方向モードＳＢＧを製造するための方法は、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳと題される本発明者らによる２０１２年８月２４日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／５７３，０６６号明細書に開示される。同じ文献は、耐久性の向上、重量の減少、および、ニアアイ用途における安全性という利点を与えるために柔軟なプラスチック基板を使用してＳＢＧがどのように製造され得るのかについても開示する。
従前の出願において、本発明者らは、大きな視野を更に小さい複数の視野（それぞれが導波管の光学素子制限と適合できる）へと分けて解析するとともに眼がそれらの小さい視野を統合された像として認識するようにそれらの小さい視野を時系列に素早く表示することによって大きな視野をもたらす導波管（ＳＧＯ）ディスプレイを開示した。このプロセスは、時として、視野タイリングと称される。これを行う１つの方法は、非常に急速にＯＮおよびＯＦＦに連続的に切り換えられる得るホログラフィック素子を伴う。参照することによりその全体が本願に組み入れられるＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹと題される本発明者らによる２０１０年４月２６日の国際出願日を有する以前のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００８３５号明細書（出願人の整理番号ＳＢＧ０７３ＰＣＴによっても参照される）において、本発明者らは、同じ導波管内で複数のＳＢＧを互いに積層して急速に連続駆動させることにより高分解能で超幅広な視野を時系列でタイリングできる方法を示した。また、各部分視野は、関連する撮像装置の全デジタル分解能を有し、それにより、人の眼の視力限界に近づくあるいは更には視力限界を超える画像の形成を可能にする。この以前の出願に開示されるタイリングは、標準的な導波構造の２つの欠陥、すなわち、限られた視野および限られたピクセル分解能を克服するが、このタイリングは、大きな視野にわたって垂直および水平にタイリングする必要があるときに限界がある。適度なＦＯＶと一方向のみの拡大を伴う白黒ディスプレイの場合、タイリングは、格子面を単に積層することによって達成され得る。しかしながら、視野が両方向で拡大されて色が加えられると、この手法を用いて必要とされる層の数が直ちに実用的でなくなる。各部分視野は、ＳＢＧの回折効率および角度帯域幅によって制限される。ＳＢＧ格子デバイスは、一般に、空気中で約±５°の角度帯域幅を有する（材料特性、屈折率変調ビーム形態、および、厚さに制約される）。本発明らは、一般的には３ミクロン未満のより薄いＳＢＧを使用することによって実際に大きい角度を達成できることを見出した。より薄いＳＢＧに起因する帯域幅の増大は、更に低いピーク回折効率をもたらす。したがって、通常は、屈折率変調を増大させる必要がある。ＲＧＢ ＳＢＧを分離する必要性を回避するための１つの方法は、多重ＳＢＧを使用することであり、その場合、Ｒ照明およびＢ／Ｇ照明として光ガイドの両端から照明が行われ、それにより、色域が幾分損なわれる。しかしながら、多重格子は、製造の複雑さおよびクロストークという問題を引き起こす。
出願人の整理番号ＳＢＧ１０９によっても参照されるＷＩＤＥ ＡＮＧＬＥ ＣＯＬＯＲ ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹと題される本発明者らによる２０１２年４月２５日の出願日を有する米国仮特許に開示されるタイリング問題に対する優れた解決策は、格子を単に積層するのとは対照的に、ＳＢＧをインタレース状にするあるいはモザイク状にすることによって積層体を圧縮することである。出願第６１／６８７，４３６号明細書に開示されるディスプレイは、２つの要素、すなわち、第１に、ディジレンズ（ＤｉｇｉＬｅｎｓ）と称されるモザイク状のＳＢＧの層を備える多層導波管デバイスと、第２に、入力画像ノード（ＩＩＮ）と称される１つ以上のマイクロディスプレイから入力画像データを与えるための光学系とを備え、入力画像ノード（ＩＩＮ）は、マイクロディスプレイに加えて、レーザ照射モジュールと、視準リレー光学素子導波管リンクと、格子デバイスとを含む。本発明を説明する目的で、同じ専門用語が留意される。非常に基本的な用語では、ディジレンズがアイピースを与え、一方、ＩＩＮは、用途の人間工学的な制約にしたがって一般にディジレンズの上側または側部に位置づけられるコンパクトな画像生成モジュールを与える。出願第６１／６８７，４３６号明細書では、所定の処方を共有する全てのＳＢＧ要素が、それらが視準された導波画像光を所定のＦＯＶタイルへと回折するように同時に駆動される。タイリングされ得る画像の数は、入力ディスプレイリフレッシュレートによってのみ制限される。ＳＢＧ要素は、一般に、サイズが数ミリメートルである。この手法は、層に関してかなりの節減を達成するが、ディジレンズで使用されるモザイク状の格子パターン、電極からの散乱、および、一般的な光学的および電気的な複雑さに起因して照明リップルの問題に見舞われる。
本開示の背後にある動機は、ディジレンズをモザイク状にする必要性を減らすことである。従来技術の更なる問題点は、導波管へのＩＩＮ出力画像の結合が非常に非効率であり、そのため、厚い導波管がもたらされるという点である。この問題を克服するためには、入力画像フィールドをサンプリングする更に効率的な方法が必要とされる。
以上を考慮して、本発明者らは、ディスプレイ、特に基板ガイド光学素子（ＳＧＯ）と切り換え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）とを組み合わせる透明ディスプレイの利点を認識して理解した。
したがって、幾つかの実施形態の１つの態様では、光を第１の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第１の光学基板であって、第１の光学基板の少なくとも１つの導波層が、光を第１の基板から第１の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える第１の光学基板と、光を第２の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第２の光学基板であって、第２の光学基板の少なくとも１つの導波層が、光を第２の基板から第２の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える第２の光学基板とを備える、画像を表示するための装置が提供される。第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は受動モードのＳＢＧを備えてもよい。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの導波管が複数の格子薄板を備え、複数の格子薄板のうちの少なくとも２つが同じ表面格子周波数を有する。
１つの実施形態において、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、順方向モードおよび逆方向モードのうちの少なくとも一方のＨＰＤＬＣ材料に記録される非切り換えブラッグ格子を備える。格子薄板はＳＢＧであってもよいが、ある場合には、そうである必要がない。他のタイプの適した材料が使用されてもよい。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板が受動モードのＳＢＧを備える。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、複数の導波層のそれぞれは、赤色光、緑色光、青色光、青色／緑色混合光、および、複数の部分視野（ＦＯＶ）のうちの１つ、のうちの少なくとも１つを伝搬するように構成される。ある場合には、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、複数の導波層が３つの導波層を備える場合には、３つの導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬するように構成される。あるいは、複数の導波層が２つの導波層を備える場合には、３つの導波層は、赤色光、および、青色光・緑色混合光を伝搬するように構成される。
１つの実施形態において、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの導波層は、重ね合わされた異なる色処方を伴うホログラムを備える。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方における少なくとも１つの導波層が損失性である。
１つの実施形態において、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、約３ミクロン未満の厚さを有する。例えば、厚さは、約２．５ミクロン未満、２ミクロン、１．５ミクロン、１．２ミクロン、１ミクロン、０．５ミクロン、あるいは、それより小さくてもよい。
１つの実施形態において、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化する厚さを有する。
１つの実施形態では、本明細書中に記載される装置がデバイスの一部であり、デバイスは、ＨＭＤ、ＨＵＤ、および、ＨＤＤのうちの少なくとも１つの一部である。
幾つかの実施形態の他の態様では、画像を表示するための装置であって、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、変調光を第１の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第１の光学基板であり、第１の光学基板の少なくとも１つの導波層が、変調光を第１の基板から第１の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える第１の光学基板と、変調光を第２の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第２の光学基板であり、第２の光学基板の少なくとも１つの導波層が、変調光を第２の基板から第２の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える第２の光学基板とを備える、装置が提供される。第１の光学基板の少なくとも１つの格子薄板は、変調光を第１の基板へ結合するように構成されてもよい。第２の光学基板の少なくとも１つの格子薄板は、第１の基板から抽出される変調光を第２の基板へ結合するように構成されてもよい。第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化するｋベクトルを有してもよい。
１つの実施形態において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子のうちの少なくとも１つを備える。マイクロディスプレイは、例えば放射性マイクロディスプレイを含む一般に使用される任意のタイプのマイクロディスプレイであってもよい。放射性マイクロディスプレイは、ＯＬＥＤ、ＱＰＩ、および、同様のものであってもよい。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板が変化する厚さを有する。例えば、厚さは、（ｉ）光伝搬方向に対して平行、および、（ｉｉ）光伝搬方向に対して垂直のうちの少なくとも一方である方向において増大してもよい。あるいは、厚さは、前述した方向に沿って増大した後に減少してもよい（あるいは、その逆もまた同様）。幾何学的形態は限定されない。
１つの実施形態において、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、切り換えモードまたは受動モードにあるＳＢＧを備える。
１つの実施形態において、第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における少なくとも１つの格子薄板は、少なくとも２つの異なる単色処方の多重格子を備える。
１つの実施形態において、装置は、同じ表面格子周波数を有するが異なるｋベクトルを有する複数の格子薄板を備え、複数の格子薄板は、入力画像視野を複数の角度間隔へと分割するように構成される。
１つの実施形態では、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方が少なくとも１つの直交面内で湾曲される。
１つの実施形態において、第１および第２の基板から抽出される光は、任意の視野方向で均一の照明を行う。
幾つかの実施形態の他の態様では、画像を表示する方法であって、入力画像からの変調光を第１の光学基板へ結合するステップと、第１の基板から光を抽出するステップと、第１の基板から抽出された光を第２の基板へ結合するステップとを備える方法が提供される。第１の光学基板は、光を第１の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備えてもよく、第１の光学基板の少なくとも１つの導波層は、光を第１の基板から第１の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える。第２の光学基板は、光を第２の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備えてもよく、第２の光学基板の少なくとも１つの導波層は、光を第２の基板から第２の方向に沿って抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える。第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板は、受動モードのＳＢＧを備えてもよい。
１つの実施形態において、方法は、入力画像を複数の角度間隔へとサンプリングするステップを更に備え、複数の角度間隔のそれぞれは、瞳全体のサイズの一部分である有効射出瞳を有する。ある見地において、これは、驚くべきことに、第１の導波管の厚さを既存のデバイスと比べてかなり小さくできるという利点を与える。したがって、入力格子のサイズおよび配置に有利に影響を及ぼすことができる。
１つの実施形態において、方法は、第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの格子薄板の以下のうちの少なくとも１つ、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、ｋベクトル回転プロファイル、表面格子周期、および、ホログラム基板屈折率差のうちの少なくとも１つを変更することによって画像の表示を向上させるステップを更に備える。
他の実施形態では、画像を表示するための装置であって、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、第１および第２の光学導波基板と、画像変調光を前記第１の基板へ結合するための第１の光学手段と、第１の基板から抽出される光を第２の基板へ結合するための第２の光学手段とを備える装置が提供される。第１の光学基板は、光を第１の方向で伝搬する少なくとも１つの導波層を備える。各導波層は、第１の基板から光を抽出するようになっている少なくとも１つの格子薄板を含み、光抽出は第１の方向に沿って行われる。第２の光学基板は少なくとも１つの導波層を備える。各導波層は、光を第２の方向で伝搬する。各導波層は、第２の基板からディスプレイ用の光を抽出するようになっている少なくとも１つの格子薄板を含み、光抽出は第２の方向に沿って行われる。１つの実施形態では、第１の光学基板が画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、各部分は角度領域または空間領域のうちのいずれかによって特徴付けられる。
言うまでもなく、前述した概念と以下で更に詳しく説明する更なる概念との全ての組み合わせは（そのような概念が互いに矛盾しなければ）、本明細書中に開示される本発明の主題の一部として考えられる。特に、この開示の終わりに現れる特許請求の範囲に記載される主題の全ての組み合わせは、本明細書中に開示される本発明の主題の一部として考えられる。また、言うまでもなく、参照することにより組み入れられる任意の開示にも現れ得る本明細書中で明示的に使用される専門用語には、本明細書中に開示される特定の概念と最も一致する意味が与えられるべきである。
当業者であれば分かるように、図面は、主に、例示目的であって、本明細書中に記載される本発明の主題の範囲を限定しようとするものではない。図面は、必ずしも原寸に比例しているとは限らず、ある場合には、異なる特徴の理解を容易にするために、本明細書中に開示される本発明の主題の様々な態様が図面で誇張されてあるいは拡大されて示される場合がある。図面中、同様の参照符号は、一般に、同様の特徴（例えば、機能的に類似するおよび／または構造的に類似する要素）を示す。
図１Ａは、接平面内のブラッグ格子の光学的構造の概略図である。図１Ｂは、矢状面内のブラッグ格子の光学的構造の概略図である。
図２Ａは、１つの実施形態における第１の作動状態を示す概略側面図である。図２Ｂは、１つの実施形態における第２の作動状態を示す概略側面図である。図２Ｃは、１つの実施形態の概略正面図である。
１つの実施形態の構成要素の概略三次元図である。
１つの実施形態の構成要素の概略側面図である。
１つの実施形態における画像の形成を表わすフローチャートである。
１つの実施形態の概略側面図である。
１つの実施形態の概略側面図である。
１つの実施形態の概略側面図である。
１つの実施形態の回折効率特性を示すチャートである。
１つの実施形態における水平ビーム拡大器の概略断面図である。
１つの実施形態で使用されるＳＢＧの回折効率特性を与える表である。
図１２Ａは、１つの実施形態の第１の作動状態を示す概略三次元図である。図１２Ｂは、１つの実施形態の第２の作動状態を示す概略三次元図である。
図１３Ａは、１つの実施形態の第３の作動状態を示す概略三次元図である。図１３Ｂは、１つの実施形態の第４の作動状態を示す概略三次元図である。
図１４Ａは、本発明のＨＭＤ器具の第１の向きの専門家の印象である。図１４Ｂは、本発明のＨＭＤ器具の第２の向きの専門家の印象である。図１４Ｃは、本発明のＨＭＤ器具の第３の向きの専門家の印象である。
１つの実施形態で使用される楔形状の導波管格子の概略断面図である。
１つの実施形態の概略側面図である。
１つの実施形態の回折効率対角度特性を示すチャートである。
１つの実施形態の概略側面図である。
図１９Ａは、１つの実施形態の第１の作動状態を示す概略側面図である。図１９Ｂは、１つの実施形態の第２の作動状態を示す概略側面図である。
図２０Ａは、１つの実施形態における入力画像ノードの第１の作動状態を示す概略側面図である。図２０Ｂは、１つの実施形態における入力画像ノードの第２の作動状態を示す概略側面図である。
傾斜した格子縞を含むＨＢＥの概略平面図である。
傾斜した格子縞を含むＨＢＥを使用する１つの実施形態の概略三次元図である。
図２３Ａは、１つの実施形態により与えられるＨＵＤの第１の作動状態を示す概略側面図である。図２３Ｂは、１つの実施形態により与えられるＨＵＤの第２の作動状態を示す概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるＨＵＤの概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるＨＵＤの概略側面図である。
従来技術の視準画像ディスプレイの概略図である。
本発明の原理にしたがったＨＵＤの概略側面図である。
ホログラフィックミラーの概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるＨＵＤの概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるＨＵＤの概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるＨＵＤの概略側面図である。
図３２Ａは、１つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの三次元図である。図３２Ｂは、１つの実施形態により与えられるカラーディスプレイで使用される光源のスペクトル特性を示すチャートである。図３２Ｃは、１つの実施形態により与えられるカラーディスプレイで使用される光源のスペクトル特性を示す表である。
本発明の１つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるＨＵＤの断面図である。
本発明の１つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるＨＵＤの断面図である。
１つの実施形態により与えられるディスプレイの三次元図である。
１つの実施形態により与えられるディスプレイの三次元図である。
１つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの概略側面図である。
１つの実施形態により与えられるカラーディスプレイの概略三次元図である。
図３９Ａは、１つの実施形態の概略側面図である。図３９Ｂは、１つの実施形態の概略正面図である。
１つの実施形態におけるウインドスクリーンに組み込まれるＨＵＤの断面図である。
１つの実施形態のＨＵＤにおける画像形成を示すフローチャートである。
図４２Ａは、１つの実施形態における多重ディジレンズの第１の回折効率対角度特性を示すチャートである。図４２Ｂは、１つの実施形態における多重ディジレンズの第２の回折効率対角度特性を示すチャートである。
１つの実施形態におけるカラー多重ディスプレイの概略三次元図である。
１つの実施形態におけるカラー多重ディスプレイで使用されるディジレンズの概略側面図である。
３つのＨＢＥ導波管と３つのディジレンズ導波管とが設けられる１つの実施形態におけるディスプレイの一実施形態の三次元図である。
ＩＩＮによる投影絞りの形成を示す概略側面図である。
ＩＩＮからＨＢＥ導波管への光の結合を示す概略平面図である。
図４７のＨＢＥ導波管の詳細を示す。ビームと格子との相互作用を示す画像入力端。
１つの実施形態における４層ＨＢＥの概略断面図である。
図４９の実施形態で使用される格子を示す表である。
図４９の実施形態における重合ＤＥ対角度プロファイルを示すチャートである。
１つの実施形態における楔ＳＢＧ格子の三次元図である。
図５３Ａは、１つの実施形態におけるＨＢＥの第１の作動状態の概略図である。図５３Ｂは、１つの実施形態におけるＨＢＥの第２の作動状態の概略図である。図５３Ｃは、１つの実施形態におけるＨＢＥの第３の作動状態の概略図である。
図５４Ａは、瞳が投影レンズの内側に形成される、明細書本文で前述したタイプの投影瞳をもたらさない１つの実施形態における投影方式を示す。図５４Ｂは、絞り５６２を使用する投影レンズの前に形成される、明細書本文で前述したタイプの投影瞳をもたらさない１つの実施形態における投影方式を示す。
１つの実施形態におけるインカップル光のピークＤＥを最大にするための回転ｋベクトル格子の使用の概略図を示す。
１つの実施形態における回転ｋベクトル格子を含む導波管部分５８０を通じた典型的な光線の伝搬を示している概略図を示す。
１つの実施形態におけるＨＢＥ５９０およびＶＢＥ５９１を示している平面図を示す
１つの実施形態におけるＨＢＥおよびＶＢＥの概略側面図を示す
１つの実施形態における導波管の内側のビーム伝搬を示すＨＢＥの展開図を示す。
１つの実施形態における密着印画プロセスを使用してＨＢＥを製造するための装置を示す。
図６１Ａは、一実施形態におけるコーン形状レンズの幅広端が上側に位置づけられるＨＢＥ５９０のＺ＝Ｌ端の断面を示す。図６１Ｂは、一実施形態におけるレンズの平面図を示す。図６１Ｃは、一実施形態におけるレンズの幅狭端が上側に位置づけられるＨＢＥのＺ＝０端を示す。
図６２Ａは、円錐が側面図で示される、頂点６２０および底辺６２１の円錐からの円錐断面の形成を示す。図６２Ｂは、円錐が正面図で示される、頂点６２０および底辺６２１の円錐からの円錐断面の形成を示す。図６２Ｃは、カットラインに沿って底辺から投影された切断光学素子の図が示される、頂点６２０および底辺６２１の円錐からの円錐断面の形成を示す。
１つの実施形態における導波管の基本構造を示す。
入力格子６３５Ａ〜６３５Ｃが積層される導波管の図である。１つの実施形態では、各格子が固有のｋベクトル６３６Ａ〜６３６Ｃを有する。
１つの実施形態において入力格子が導波管伝搬方向に沿って互いに隣接して配置されることを示す。
１つの実施形態において図６４〜図６５に示される原理が出力格子に適用されてもよいことを示す。
１つの実施形態のプロセスを表わすフローチャートである。
１つの実施形態における構造の単色バージョンの光線トレースを示す。
１つの実施形態における図６３のＩＩＮのおおよその寸法を示す。
１つの実施形態における図６４の光学レイアウトの展開図を与える。
図７１Ａは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用する１つの実施形態におけるＨＢＥの内側の投影絞りの形成を示す。図７１Ｂは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用する１つの実施形態におけるＨＢＥの内側の投影絞りの形成を示す。
ＨＢＥがその入力端に結合格子を備えるとともに、２つの異なる処方の交互に入れ替わるＳＢＧ縞が４５°で傾けられる、１つの実施形態を示す。
１つの実施形態における射出瞳への経路に沿って生じる４つの方向変化を示すディジレンズの単層を通じたＩＩＮからのビーム伝搬を示す。
１つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の平面図を示す。
１つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の側面図を示す。
１つの実施形態における提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイ形態の正面図を示す。
１つの実施形態におけるＦＯＶ、瞳距離、および、アイボックスに対するディジレンズ（登録商標）開口の関係を示す。
１つの実施形態における部分的な両眼重なりを示す。
他の実施形態における部分的な両眼重なりを示す。
１つの実施形態における透明導波管ディスプレイを示す。
以下、本発明の透明ディスプレイに関連する様々な概念および本発明の透明ディスプレイの実施形態について更に詳しく説明する。言うまでもなく、開示される概念は任意の特定の実施態様に限定されないため、先に紹介された様々な概念および以下で更に詳しく論じられる様々な概念は、任意の多くの方法で実施されてもよい。特定の実施および用途の例は、主に、例示目的で与えられる。
ここで、添付図面を参照して、本発明を単なる一例として更に説明する。当業者であれば分かるように、本発明は、以下の説明に開示される本発明の一部または全てを伴って実施されてもよい。本発明を説明する目的のため、本発明の基本的な原理を不明瞭にしないように、光学設計およびビジュアルディスプレイの当業者に知られる光学技術の周知の特徴が省かれあるいは簡略化されている。別に他に述べられなければ、光線またはビームの方向に関する用語「軸上」とは、本発明に関連して記載される光学的な構成要素の表面に対して垂直な軸と平行な伝搬のことである。以下の説明において、光、光線、ビーム、および、方向という用語は、直線的な軌道に沿う光エネルギーの伝搬の方向を示すために、置き換え可能に互いに関連して使用されてもよい。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般に使用される専門用語を用いて与えられる。また、本発明の以下の説明において、「１つの実施形態では」という語句の度重なる使用は、必ずしも同じ実施形態に言及しているとは限らないことにも留意すべきである。
本発明は、今まで利用されてこなかったＳＢＧの２つの基本的な特性、すなわち、第１に、回折面に対して直交する面内のブラッグ格子の比較的幅広い角度帯域幅と、第２に、ＳＢＧを非常に薄くすることにより生じる幅広い角度帯域幅とによって可能にされる。結果として、ＦＯＶタイルのサイズを約１０°×１０°に制限する制約がこの場合に適用されず、それにより、前述したモザイク手法がもたらされる。ここで、結果として、より少ない更に大きなタイルを使用できる。以下の説明で示されるように、必要とされるＦＯＶは、それぞれが１つのディジレンズ（ＤｉｇｉＬｅｎｓ）を有する２つのタイルへと分割されてもよい。他の数のタイルが可能であってもよい。光学設計に関して、この新たな手法は、照明リップルの問題を、完全に排除しないまでも、最小限に抑えることができる。ディジレンズを受動にすることにより、電極からの散乱の問題、および、モザイク要素の大きなマトリクスに配線をつなぐという軽くはない問題を回避できる。受動ＳＢＧは、そのＨＰＤＬＣ形成および記録プロセスに関して切り換えＳＤＢＧとは異ならない。唯一の違いは、電極が必要とされないことである。ＳＢＧの回折特性は、通常は、接平面内で特定される。光を１つの面内で回折するための格子構造において、接平面は、入射して回折される光線ベクトルと格子ベクトルとを含む面である。幾何学的な光学理論にしたがって、接平面と直交する面は矢状面と称される。図１は、９１などの傾斜したフリンジを含む透過型ＳＢＧ９０の基本的な幾何光学素子を示し、この場合、格子ベクトルＫがフリンジと垂直に位置合わせされる。ブラッグ格子においては、入射光線およびｋベクトル回折光線とＫベクトルとの間の角度がブラッグの式を満たせば、多数の入力光線および出力光線がブラッグの条件を満たす。（実際に、ブラッグ格子のコゲルニック理論によれば、オンブラッグ光線方向からの角度偏移または波長偏移が小さいかなり高い回折がオフブラッグ角度において得られることに留意されたい）。図１において、これらのオフブラッグ光線は、オンブラッグ（図面の面内にある）光線９００，９０１を取り囲む光線円錐９０２，９０３により示される。図１Ａに示されるように、オンブラッグ光線フリンジ切片の軌跡が円９０４である。図１Ｂに示されるように、光線９０５，９０６もオンブラッグである。図１Ａの幾何学的形態を考慮すれば、言うまでもなく、接平面内のブラッグ回折角度帯域幅は、接平面上への円錐９０２，９０３の投影によって制限される。しかしながら、図１Ｂを参照すれば明らかなように、矢状面内の有効角度帯域幅（「ＡＢＷ」）は非常に大きく、それは矢状面内への円錐９０４の投影によって与えられる。実際には、矢状方向の帯域幅は、主に、導波管により設定されるＴＩＲ角度制約によって制限される。ブラッグ格子の大きな矢状面（すなわち、我々の目的のための水平面）の角度帯域幅（一般に、約４×接線方向の帯域幅）の結果として、現在の水平ＦＯＶ目標をほとんどのディスプレイ用途において達成できる。実際には、帯域幅は、導波管内で維持され得るＴＩＲ角度範囲のみによって制限される。
本発明者らは、薄いＳＢＧ格子が非常に幅広い角度帯域幅を与えることを既に実証してしまっている。低屈折率変調ＳＢＧ ＲＭＬＣＭ形成を使用して製作された実験的なＳＢＧ導波管は、１ミクロン厚のＳＢＧ層により２１°のＦＷＨＭ帯域幅を有することが分かってきた。
以下の説明では、一般的にブラッグ格子、望ましくはＳＢＧを意味するように理解されるべき格子への多くの言及がなされる。多くの場合、ＳＢＧは、前述したようなそれらの通常の切り換えモードで動作される。しかしながら、一部のケースでは、ＳＢＧが受動（例えば、完全受動）モードで使用され、すなわち、ＳＢＧを切り換えることができない。非切り換えＳＢＧは従来の受動ホログラムよりも優れている。これは、ＨＰＤＬＣのＬＣ構成要素が、従来のホログラフィックフォトポリマーで達成され得るよりもかなり高い屈折率変調をもたらすからである。本発明の特定の実施形態において、ディスプレイは、切り換えＳＢＧと非切り換えＳＢＧとの混合を使用する。しかしながら、ディジレンズ出力格子は常に受動状態である（切り換えしない）。１つの特定の類の実施形態では、ディスプレイが全て受動ＳＢＧを使用する。
本発明の原理にしたがった透明ディスプレイが図２に概略的に示されている。薄くて透明性の高いアイピース（またはＨＵＤコンバイナ）を備えるディジレンズ（登録商標）は、視野の上側半分および下側半分をアイボックス（図示せず）へと投影するための２つの導波管１０１，１０２を備える。導波管はそれぞれ、透明基板間に挟まれる切り換えできないＳＢＧ層を備える。各導波管は、数字１０７，１０９および１０８，１１０のそれぞれによっても示されるＤＩＧＩ−Ｉ１，ＤＩＧＩ−Ｏ１およびＤＩＧＩ−Ｉ２，ＤＩＧＩ−Ｏ２と名付けられる切り換え可能な入力格子と切り換え不能な（受動）出力格子とを有する。導波管は半波長膜（ＨＷＦ）１０６によって分離される。（なお、以下で説明されるべき他の実施形態では、ＨＷＦがＤＩＧＩ−Ｉ格子間に配置され、ＤＩＧＩ−Ｏ格子が空気（または、低屈折率材料）により分離される）。以下で論じられる入力画像ノード（ＩＩＮ）１０３は、マイクロディスプレイ、レーザモジュール、ビーム拡大光学素子、視準光学素子、および、リレー光学素子を含む。図２Ａおよび図２Ｂには概略側面図が与えられ、また、図２Ｃには正面図が与えられる。図２Ａおよび図２Ｂは、ディスプレイの２つの切り換え状態に関して、ディジレンズ層を通じたＩＩＮからの光線経路を示している。第１の状態において、格子ＤＩＧＩ−Ｉ１は、アクティブであり、ＩＩＮ１０３からの入射Ｐ偏光１０００をＴＩＲ経路１００１へと回折する。ＴＩＲ光は、１００２により示されるように、その光に沿って導波管から回折されて出る。出力格子は損失性のものであり、すなわち、回折効率が１よりもかなり小さく、そのため、ガイド光の一部が各ビーム−格子相互作用で回折されて出る。残りの光は、全ての光が導波管から抽出されるまで、ＴＩＲと回折とを繰り返し受け続ける。回折効率の注意深い最適化（屈折率変調、格子厚さ、および、他のパラメータに依存する）によって、出力開口にわたる均一な照明が達成される。一般に、ＩＩＮに最も近い導波管の端部では低い回折効率が必要とされ、また、最先端では最も高い効率が必要とされる。なお、損失性抽出に起因して、高い角度におけるよりも多くのピークエネルギー（０°の角度における）がディジレンズに結合される。したがって、損失性格子の端部で抽出のために幅広い角度の光を利用できる。「損失性格子」という語句が幾つかの実施形態で使用されるが、この語句は「損失性導波管」を包含する。如何なる理論にも拘束されるべきではないが、これは、「損失性」が、導波管に沿う均一な損失をもたらし得る導波作用と格子効率との組み合わせでないことに起因し得るからである。
このことは、特にＤＥ曲線が狭まる導波管の厚肉端でピーク角度変化およびエッジ角度変化を均一化するのに役立つ。回折光１００２は、ＨＷＦによってその偏光が９０°回転され（Ｓ偏光になる）、したがって、偏りを伴うことなく第２の導波管１０２を通る。これは、ＳＢＧがＳ偏光に関して比較的低いＤＥを有するからである。なお、一方のディジレンズ（登録商標）層はＳ偏光を放射し、他方のディジレンズ層はＰ偏光を放射する。しかしながら、各ＳＢＧ層はＰ回折している。
表示ＨＢＥ１，ＨＢＥ２により示される（数字（１０４，１０５）によっても参照される）水平ビーム拡大器（ＨＢＥ）は、大きな瞳孔にわたって画像光を拡大するために損失性高ＡＢＷ格子を使用する多層ＳＢＧ導波管である。前述した実施形態では、ＨＢＥがディジレンズの上縁に沿って延びる。ＨＢＥについては以下で更に詳しく論じる。なお、前側ディジレンズ（登録商標）素子と後側ディジレンズ（登録商標）素子との間には空隙がある。これは、屈折率が低い（１に近い）適切な材料と置き換えられてもよい。出力画像光がＰ偏光とＳ偏光との混合であるため、ポラロイド（登録商標）型アイウェアとの適合性のために１／４波長膜をディジレンズの出力面上に設けることが必要な場合がある。そうしなければ視野の半分の損失をもたらす。
ＨＢＥ（および先願のＶＢＥ）に付されているが、この文脈のみにおける水平および垂直という用語は、本発明を説明する目的で重要性をもつ。実際に、本発明は、多くの異なる形態のコメントを許容し、また、ビーム拡大をなすビームが垂直または水平であってもよい幾つかの異なる実施方法を許容する。導波管という用語に関しては、これらが実際に層状に積み重ねられる複数の分離された導波管を備えてもよいことに留意すべきである。最後に、格子要素に関して、３つの格子要素のそれぞれは、隣接配置されて単一の層をなすあるいはホログラフ的に多重化されて単一の層をなす複数の層状の格子積層体を含んでもよいことは言うまでもない。ディスプレイ開示の基本的なビルディングブロックは、格子、通常はブラッグ格子を含む導波管である。言うまでもなく、機能は、特定の実施形態では、わずか１つの導波層によって達成され得る。しかしながら、導波層の数は、視野のサイズや必要とされる色によって決まる。格子は、切り換え可能（ＳＢＧ）であってもよく、あるいは、受動状態、すなわち、切り換え不能であってもよい。原理上ではあるが、受動格子を与えるために任意のタイプのブラッグ格子が使用されてもよい。電極を伴わないＳＢＧの使用には大きな利点が存在する。ＳＢＧ材料は、ＬＣとポリマーとの混合が従来のホログラフィックポリマー材料の屈折率変調よりも高い屈折率変調を与えるという利点を有する。本発明の好ましい実施形態では、出力導波管構成要素が非モザイク状の受動格子のみを使用する。これは、電極からの散乱および照明不均一性の想定し得る問題を最小限に抑える。格子という用語は、他に別に特定されなければ、ブラッグ格子を示すために使用される。受動格子は、電気的に切り換えられない格子を意味する。
図３および図４にはディスプレイが更に詳しく示されている。視準ディスプレイ（例えば、ＨＭＤ）がどのように動作するのかを理解する更なる助けとして、最初の焦点が設計の白黒バージョンに合わせられる。構造的に、ＨＭＤの白黒実施およびカラー実施は非常に類似する。言うまでもなく、重要な相違点は、白黒構成が、少ない導波層でかつＩＩＮおよびＨＢＥにおける幾つかの受動格子構成要素を使用できる可能性をもって達成され得るのに対し、カラー実施が、赤、緑、および、青の光チャネルの角度内容を同時に管理するのが非常に難しいことから切り換え可能となるためにＩＩＮおよびＨＢＥのほとんどの構成要素を必要とするという点である。両方のケースでは、ディジレンズ（登録商標）が受動構成要素のままである。
本発明は、透明ビジュアルディスプレイの分野で多くの用途を有するが、最初に、１つの特定の用途、すなわち、拡張現実（ＡＲ）用途におけるヘルメットマウントディスプレイを考慮する。この場合の目的は、高い透明性、高い分解能、超コンパクトな（薄い）形状因子、軽量、および、十分な射出瞳という当初の目的の全てを達成しつつ、５２°Ｈ×３０°Ｖ単眼視野仕様を満たすことである。目標仕様が表１にまとめられている。
Figure 0006463597
ディスプレイの重要な構成要素が図３の概略的な三次元図および図４の側面図に示される。ディスプレイは、ＦＯＶを上側ＦＯＶタイルと下側ＦＯＶタイル（図面表示に参照数字１，２により示される）とに分ける。なお、ディジレンズの導波管基板およびＨＢＥ構成要素は、説明を簡単にするために示されていない。ディスプレイは、ＨＷＦを間に挟む２つの導波層から構成されるディジレンズ（登録商標）を備え、ディジレンズは、入力構成要素ＤＩＧＩ−Ｉと出力構成要素ＤＩＧＩ−Ｏとに分けられる。なお、ＳＢＧの幅広い矢状方向の角度帯域幅は、タイルを水平に張る必要性を排除する。入力格子ＨＢＥ−Ｉおよび出力格子ＨＢＥ−Ｏを備える２つの水平ビーム拡大器ＨＢＥがそれぞれ設けられる。ＨＢＥ−Ｏ１からの拡大された出力光は、ＤＩＧＩ−Ｉ１１を介して第１のディジレンズ導波管に入り、また、第２の導波管に関しても同様である。なお、図３および図４では、前記構成要素も数字１３０−１４５によって参照される。２つのＩＩＮが、上側ＦＯＶに関して１つ、および、下側ＦＯＶに関して１つ設けられる。各ＩＩＮにおけるディスプレイパネルは、１０８０ｐ ５ｍｍ×３ｍｍ ＬＣｏＳデバイスである。両方のディスプレイパネルを照明するために１つのレーザモジュールが使用されてもよい。しかしながら、本発明は、使用されるべきマイクロディスプレイの数に何ら制限を加えない。十分に速いリフレッシュ速度と十分に高い分解能とを有する単一のマイクロディスプレイであれば、最も要求の厳しいディスプレイ用途を除く全てのディスプレイ用途において事足りそうである。
ＤＩＧＩ−Ｉは、ＨＢＥ−Ｏから投影される瞳出力点で全角度範囲にわたって高い入力結合効率を必要とするため、システムにおいて最も取り組みがいのある格子である。ＤＩＧＩ−Ｉ格子が切り換わり、それにより、ＨＢＥ−Ｏにより２つのディジレンズ導波管へ出力される５２°水平×３０°垂直視野をサンプリングする。この格子が高い角度帯域幅と高いＤＥとを必要とすることが望ましい。ＤＩＧＩ−Ｉは、少なくとも１５°を与えるためにそれぞれが８．５°角度帯域幅オーバーラップにわたって動作する２つのＳＢＧを備える。ＤＩＧＩ−Ｉは、空気中で８．５°〜９．０°の角度帯域幅を伴うＤＥ約８７％の２つの３ミクロンＳＢＧを使用する。−１５°〜０°の垂直視野がＤＩＧＩ−Ｉ１にて切り換えられ、また、０°〜＋１５°の垂直視野がＤＩＧＩ−２へ切り換えられる。そのため、ＤＩＧＩ−Ｉ１が５２°水平×−１５°垂直を与え、また、ＤＩＧＩ−Ｉ２が５２°水平×＋１５°垂直を与える。ＤＩＧＩ−Ｏにおける全ての格子は、受動的であり、したがって薄い格子となり得る。各対のうちの一方が赤に関するものであり、他方の対が青／緑に関するものである。下側１５°を与えるＤＩＧＩ−Ｏ１すなわち後側の格子、および、上側１５°を与える前側の格子すなわちＤＩＧＩ−Ｏ２は、全体で５２°水平×３０°垂直を与える。図４に示されるように、ディジレンズ（登録商標）は〜８−１０°のすくい角で傾けられる。これは、画像光を単にディジレンズ（登録商標）へ垂直に投影するよりも良好なＤＥを与えるためにレイトレーシング解析から見出される。
画像形成プロセスにおけるＩＩＮ、ＨＢＥ、および、ディジレンズ同士の間の相互作用を表わすフローチャートが図５に与えられる。回折光学素子が分散的であるため、複数の格子が組み合わされる場合には、格子によってもたらされる分散がキャンセルするようにそれらの格子を相補的態様で構成することが望ましい。相補性は、通常は、同じ格子ピッチ（すなわち、ブラッグ格子と基板との交差部の空間周波数が同一）を有するように格子を設計することによって達成される。なお、前述した実施形態では、ＨＢＥ−Ｉ２およびＨＢＥ−Ｏ２が相補的となる必要がある。しかしながら、ＨＢＥ−Ｉ１およびＨＢＥ−Ｉ２は相補的である必要はない。
図６に示される１つの実施形態では、（ＤＩＧＩ−Ｏ格子と重なり合う）ディジレンズ導波管同士の間のＨＷＦが除去され、ディジレンズＤＩＧＩ−Ｉ入力格子間の空間内にＨＷＤが挿入される。ＨＷＰによって残される空隙には、低屈折率ナノ多孔性材料が充填されてもよい。１／４波長膜（ＱＷＦ）が前側および後側の導波管の対向面１５７，１５８に付けられ、その結果、各ＴＩＲ跳ね返りが９０°偏光回転をもたらし、それにより、約４倍薄い格子が可能になり、前側ディジレンズ（登録商標）と後側ディジレンズ（登録商標）との間の相互作用をなくすことができる。図７は、第１の導波管内の光線経路１０１０，１０１２，１０１４および１０１１，１０１３，１０１５により表わされる２つのディジレンズ導波管内の上側および下側のＦＯＶ光の伝搬を示す。また、図６および図７に示される構成要素も数字１５０〜１５９によって参照される。図８は、ＱＷＦ層１６２の機能を更に詳しく示すディジレンズ導波管１６０のうちの１つの図である。ＨＢＥ１０２０からの入力光は、ＤＩＧＩ−Ｉ格子１６１によってＴＩＲ経路１０２１へと偏向される。ＱＷＦコーティングに入射する１０２２などの光線は、それらの偏光がＰ偏光から第１の方向の円偏光へと変換される。反射時には、偏光は、円偏光のままであるが、反対方向であり、それにより、ＱＷＦを通過した後、２回目の光は、Ｓ偏光１０２３されて出現する。Ｓ光は、ＳＢＧによって回折されず、したがって、ＴＩＲを受け続ける。ＱＷＦ膜での次の反射時に、光はＰ偏光１０２４へと変換され、このＰ偏光は、ＤＩＧＩ−Ｉに対してオフブラッグであり、そのため、元のＨＢＥへ向けて回折されない。その後、ビームのＴＩＲがＤＩＧＩ−Ｏ格子へと進み、この格子では、前述した導波管からビームのＴＩＲが漸進的に抽出される。
１つの実施形態では、角度帯域幅を増大させるために、２つの積層されたＤＩＧＩ−Ｉ格子が各ディジレンズ導波管に設けられてもよい。図９は、空気中で角度帯域幅８．５°（ＦＷＨＭ）の２つの格子を使用して空気中に約１５°（ＦＷＨＭ）の上側および下側のＦＯＶを形成するために個々のＤＥ角度帯域幅を組み合わせる効果を示すチャートである。本発明の他の実施形態において、ディジレンズは、より多くの層、例えば各導波管内の２つのＤＩＧＩ−Ｉ層と組み合わされる３つのＤＩＧＩ−Ｉ層を備えることができる。なお、ＤＩＧＩ−Ｉ格子およびＤＩＧＩ−Ｏ格子が同一平面上にある必要はない。しかしながら、製造に関しては、材料コストおよびプロセスステップを最小限に抑えるために、格子、基板、電極層、および、低屈折率材料層の数を制限することが有益である。
図１０は、ディジレンズ１７０に対するＨＢＥを断面で示している。２つのＨＢＥ導波管１７１，１７２が存在し、各ＨＢＥ導波管１７１，１７２は、３つの積層された格子（ＨＢＥ−Ｉ１Ａ〜ＣおよびＨＢＥ−Ｉ２Ａ〜Ｃ）と、２つの損失性出力格子（ＨＢＥ−Ｏ１Ａ〜ＢおよびＨＢＥ−Ｏ２Ａ〜Ｂ）とを備える。ＨＢＥはディジレンズ１７０に結合され、２つのＩＩＮ（ＩＩＮ１およびＩＩＮ２）が設けられる。ＩＩＮからディジレンズへの光の経路が光線１０３０，１０３１，１０３４および１０３２，１０３３，１０３５によって示される。なお、構成要素も数字１７０−１８３によって参照される。各ＬＣｏＳは２６°Ｈ×３０°ＶのＦＯＶを与える。各ＨＢＥ−Ｉは、２６°ハーフの水平視野を与えるために８．５°ＡＢＷステップでＰ偏光に作用する３つの格子を含む。３０°視野は、矢状面内のＡＢＷの多大な増大に起因して、その全体が結合する。ＨＢＥ−Ｉ ＳＢＧは、高いＤＥを可能にするが幅狭いＡＢＷを可能にする厚い格子である。２つのＨＢＥ−Ｉ実施選択肢、すなわち、第１に、より低いＤＥ、より高いデューティサイクルのＳＢＧを与える２つのＨＢＥ−Ｉ格子によりサンプリングされる２６°Ｈ、または、第２に、３×８．５°角度帯域幅を与える３つのＨＢＥ−Ｉ格子によりサンプリングされる２６°Ｈとが考慮される。これは、より高いＤＥ、より低いデューティサイクルのＳＢＧを与える。格子は、一般に、１〜２ミクロンの厚さを有して、損失性があり、そのため、格子の長さに沿って均一な効率をもって光が抽出される。損失性格子は、大きなＡＢＷと、低いＤＥとを有する。ＨＢＥ−Ｉ１およびＨＢＥ−Ｉ２の格子が相補的（すなわち、色分散補正）である必要はない。ＨＢＥ−Ｉ１およびＨＢＥ−Ｏ１（ならびにＨＢＥ−Ｉ２およびＨＢＥ−Ｏ２）の格子は相補的となる必要がある。受動ＨＢＥ−Ｉでは、より高い角度帯域幅を得るために、単一の切り換えられた格子が薄い必要がある。現在の材料を用いると、現在の材料では約３０％ピークＤＥであり、また、６０％が、予期される材料改善が得られる得る範囲内である。切り換えＨＢＥ−Ｉの場合には、角度帯域幅が減少した更に厚い格子を得ることができる。現在の材料の屈折率変調を用いると、格子厚さが１．４ミクロンから２．０ミクロンへと増大されるため、角度帯域幅がほぼ半分になり、ＤＥが倍になる。薄いＳＢＧおよび厚いＳＢＧの典型的なＤＥ特性およびＡＢＷ特性が図１１の表にまとめられている。
図１２および図１３は、画像光を一方（左眼）のＩＩＮから±１５°垂直視野および０°〜２６°水平視野を与えるアイボックスへ投影するプロセスの段階的な説明を与える。構成要素は、図３および図４に示される構成要素と同一である。図１２Ａは、ＬＣｏＳパネルからＩＩＮの出力までの経路１０４０を示す。図１２Ｂは、一方の導波管内のＴＩＲ経路１０４２およびその長さに沿う光抽出１０４３を表わすＨＢＥを貫く光経路を示す。図１３Ａは、ＨＢＥから（ＤＩＧＩ−Ｉを介して）ディジレンズへと抽出される光１０４４の結合を示す。最後に、図１３Ｂは、ディジレンズにおける光１０４５の下方伝搬を示し、この場合、出力される画像光１０４６はＦＯＶの下側半分を与える。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、ＨＭＤ１９０で実施される前述した本発明の３つの３Ｄ図を示す。３つの異なる斜視図１９１〜１９３が示される。ディスプレイモジュールは水平ヒンジ１９４を含む。配備位置において、ユーザは、高い透明性をもって全景にわたり透けて見える。格納位置において、ユーザは、距離計、暗視システム、または、他のそのような機器を自由に使用できる。図示のように、眼鏡着用者が受け入れられ、デザインもポラロイド（登録商標）アイウェアの使用を受け入れることができる。別の実施形態では、簡単なディスプレイ引き込み機構により、ディスプレイを不使用時にヘルメットの額の下のコンパクトモジュール内に隠すことができる。本発明の更なる他の実施形態において、ディスプレイは、不使用時に、ヘルメット内へ垂直に引き込まれる。現在好ましい実施は特注のヘルメットを使用し、このヘルメットは、供給光ファイバ通信リンクおよび給電接続を介してベルトパックに連結される。トレーニング用途では、ベルトパックがトレーニングセンターに無線でつながれる。
光学設計の重要な特徴は、ＨＢＥおよびディジレンズの一方または両方で使用される格子が、図１５に示されるように伝搬方向に沿って格子の厚さを変えることにより得られる仕立てられたＤＥプロファイルを有する点である。楔形格子２０３は、格子基板２０１に小さい楔を含めることによって設けられる。第２の基板２０２は長方形であってもよい。楔格子を得る他の方法は、光学の当業者に明らかである。２つの積層された格子が使用される場合には、２つの格子のＤＥプロファイルが反対方向に延びる。望ましくは、格子厚さが１．０〜１．２ミクロンから最大で２．８〜３．０ミクロンまで変化してもよく、下側の厚さは、所定の出力方向１０５３において最も大きい帯域幅と最も低いＤＥとをもたらす。より高い厚さは、所定の出力方向１０５１において最も低い帯域幅１０５０と更に高いＤＥとをもたらす。なお、楔角度は、非常に小さく、照明均一性および画質に対して最小限の影響しか与えない。
約１．５８５の屈折率は、ＴＩＲ表面に対する一般に７０°以下の導波管ＴＩＲ角度をサポートするために必要とされる。一般に、導波管内での更に高い角度の使用を制限して、導波管内に隙間をもたらすアウトカップリング格子と光束との相互作用の低下を回避することが望ましい。より高い角度（約８５°）は、格子が非常に高い角度帯域幅を与えるように形成される場合に画像折り重なりをもたらし得る。ポリカーボネートは、最大で約７２°のＴＩＲ角度を可能にする。
ほとんど受動的な格子構成要素を用いて白黒ディスプレイを達成できるが、フルカラーディスプレイの場合には、ＨＢＥ−ＩおよびＨＢＥ−Ｏならびにディジレンズ入力格子ＤＩＧＩ−Ｉがアクティブであり、その場合、唯一の受動格子が出力格子ＤＩＧＩ−Ｏである。白黒ＨＭＤとカラーＨＭＤとの間の更なる違いは、後者において、赤波長および青／緑波長をカバーするために別個の導波管がＨＢＥで使用される点である。図１６は、２つのディジレンズダブレット導波管を備えるカラーディスプレイに関する本発明の一実施形態で使用されるディジレンズを示す。各ダブレット導波管は、図６および図７の実施形態に類似する。しかしながら、各ディジレンズ導波管ダブレットにおいては、導波管のうちの一方が赤色光に作用し、第２の導波管が青色光と緑色光との混合に作用する。なお、各ダブレットにおいて、赤格子は、Ｂ／Ｇ格子の後、すなわち、眼に近接して配置される。入力ディジレンズ格子および出力ディジレンズ格子は、赤ダブレットの場合にはＤＩＧＩ−ＩＲおよびＤＩＧＩ−ＯＲにより表わされ、また、青／緑ダブレットの場合にはＤＩＧＩ−ＩＢ／ＧおよびＤＩＧＩ−ＯＢ／Ｇによって表わされる。導波管の出力格子部分はＨＷＦを間に挟む。入力格子部分は、図示のように空隙を間に挟んでもよく、あるいは、好ましくは低屈折率材料を間に挟んでもよい。ＱＷＦは、各ダブレットにおける導波管の対向面に適用されてもよい。構成要素には数字２１０〜２２７も付される。赤導波管および青／緑導波管は、空気または図示しないが後述するメソ多孔質シリカなどの低屈折率（ほぼ１）材料によって光学的に分離される。ＨＷＦは、後側の出力をＰからＳへと変換する。ＳＢＧ格子はＰ感度が良いため、これが前方の格子と光との再結合を防止する。すくい角（８°〜１０°）は、より高い角度帯域幅を与えるとともに、青／緑格子の共用を可能にするより低い色分散を与える。ほとんどの場合、カラー画像は、高屈折率基板と、青ＴＩＲ角度範囲を大きくするための特別なコーティングとを必要とし得る。
赤色光のための光線経路が光線１０７１，１０７３，１０７５によって示される。青／緑色光のための光線経路が光線１０７０，１０７２，１０７４によって示される。図面に示されるように、この光の一部は、第２の導波管ダブレットへと、すなわち、１０７６，１０７８（青／緑）および１０７７，１０７９（赤）により示される光経路へと結合する。我々のＨＭＤ構造では、後側の導波管から回折される光が上層に入る光と相互作用して元の導波管へと結合するリスクが回避される。赤格子および青／緑格子は、偏光管理に起因して交差結合しない。各カラーチャネルはそれ自体と交差結合し得る。しかしながら、これは、前方の格子で生じるＴＩＲと、アウトカップリングが正しい出力方向にあるようにする相互依存とによって軽減される。千鳥状の経路に起因する前後のアウトカップリングされたビームのオフセットは、出力光を均一化するのに役立つ。元のディジレンズ（登録商標）へ再結合される光のスループットへの影響は無視できるほど小さい。格子結合からの免除を与えるために、パッシンブ導波管積層体の１つの層にＨＷＰが導入され得る。１／２波長遅延層が後側の出力光をＰからＳへと変換する。ＳＢＧ格子はＰ感度のみが良いため、これが前方の格子と光との再結合を防止する。１０°のすくい角は、より高いＡＢＷおよびより低い色分散が得られる格子処方に関する要求を軽減する。これは、青／緑格子の共用を可能にする。しかしながら、本発明のほとんどの実施形態では、赤が別個の格子を必要としてもよい。
図１７のグラフは、各光子ごとの計算されたＤＥと角度との間の関係、および、元のＴＩＲへ結合される光を引いた層における出力ＤＥを示す。この光が再び戻って出て結合されないと仮定する。単一の相互作用結合損失を含む格子の複合出力が円形記号により表わされる。なお、ピークＤＥプロファイルの２＊１／ｅオフセットを伴って、前側格子への後側格子の再結合効果を考慮すると、単一の格子のＦＷＨＭにおける効果的な倍増が得られる。再結合された光の二次的な出力結合により、プロファイルは、損失がない複合格子プロファイルへと近づく（三角形記号）。
図１８は、カラー画像における本発明の更なる実施形態を示す。ディジレンズは、２つの分離された単色ダブレット導波管２３０，２３１、すなわち、赤用の単色ダブレット導波管（ＤＩＧＩ−Ｏ１Ａ，ＤＩＧＩ−Ｏ１Ｂ）および青−緑用の単色ダブレット導波管（ＤＩＧＩ−Ｏ２Ａ，ＤＩＧＩ−Ｏ２Ｂ）を備える。入力ＳＢＧ（ＤＩＧＩ１Ａ〜１Ｄ，ＤＩＧＩ２Ａ〜２Ｄ）は、Ａ〜Ｄにより示される４つの単色の赤格子または青−緑格子の積層体を備える。全ての他の点で、構造は図１６の実施形態に非常に類似する。ＨＷＦおよびＱＷＦは図１６と同様に配置される。ダブレットは、空気分離されてもよく、あるいは、低屈折率材料を間に挟んでもよい。構成要素には数字２３０〜２４６も付される。
図１９に示される図１の実施形態に類似する本発明の別の実施形態において、各ディジレンズ導波管は、赤、緑、および、青のＴＩＲをサポートする単一のＳＢＧ層を備える。ＩＩＮを発端として、経路が、第１の導波管２５０において数字１０８０，１０８２，１０８３により示されるとともに、第２の導波管において数字１０８１，１０８４，１０８５により示される。いずれの場合にも、赤経路、緑経路、および、青経路は、文字Ｒ，Ｇ，Ｂによって参照される。システム構成要素は、図１と同様の表示が付されるとともに、図１９では更に数字２５０〜２５８により参照される。言うまでもなく、本発明のそのような実施は、３つの色に関する回折光経路が正確に重なり合うようにするためにＴＩＲ角度の注意深い制御を必要とする。本発明者らは、スペクトルの青端で反射を高めるために更なるコーティングが必要とされてもよいことを見出した。図１９の別の実施形態では、ＤＩＧＩ−Ｏ格子が多重格子として実施され得る。
本発明と共に使用するＩＩＮ構造が図２０に示される。光学系は、重なり合うＳＢＧ要素２６１，２６２、重なり合うＳＢＧ要素２６３，２６４、ビームスプリッタ層２６５、湾曲ミラー２６６、プリズム２６７、投影レンズ２６８、および、マイクロディスプレイパネル２６９を含む導波管２６０を備える。湾曲ミラー要素間の空隙２７０は、反射光のＴＩＲを可能にするために設けられる。図示のように、別個のＳＢＧ入力格子および出力格子が各画像領域ごとに設けられる。導波管２６０および格子２６３，２６４は、特に、ＨＢＥの入力格子を形成してもよい。あるいは、導波管２６０は、ＨＢＥの入力格子へ光を結合するために使用されてもよい。言うまでもなく、ＩＩＮは、空間、コスト、および、光学効率の制約を満たすように多くの異なる方法で構成されてもよい。図示の実施形態では、マイクロディスプレイからの画像の半分がＨＢＥへと連続的に画像化される。そのため、図２０Ａでは、格子２６１，２６４がそれらのアクティブ状態にあり、また、他の格子が非アクティブである。画像部分１０９０からの光は、投影レンズによって経路１０９１へと投影される。その後、その光は、プリズムにより光線経路１０９２へと反射されて、湾曲ミラー２６６で経路１０９３へと反射されるとともに、格子２６１により経路１０９４へと回折されて、経路１０９５内へとＴＩＲを受け、格子２６４により導波管から回折されて出る。図２０Ｂは、第２の画像領域１０９７からの光経路を示す。ここで、格子２６１，２６４がそれらの非アクティブ状態へと切り換えられ、また、格子２６２，２６３がそれらのアクティブ状態へと切り換えられる。マイクロディスプレイからの経路が１０９８〜１１０４により示される。本発明の幾つかの実施形態では、ＩＩＮが画像全体をＨＢＥへと結合する。しかしながら、入力画像を２つに分割すると、導波管経路への画像のより最適な結合を行うことができる。以下でも、議論が白黒実施だけを考慮する。本発明者らによる最初の設計計算は、基本的な手法が音であることを示し、これは、投影瞳（２０ｍｍ、格子結合点の前方）、テレセントリシティ、再画像化絞り、２％未満の幾何学的歪みなどの特徴を含みつつ、コンパクトな構造形態で視野にわたってほぼ回折制限性能を満たす。ＩＩＮの白黒実施のための設計波長は５３２ｎｍである。分解能は、１０８０ｐＬＣｏＳに垂直に適合される（ＬＣｏＳピクセルピッチ：２．８ミクロン；ナイキスト周波数１７８ｌｐ／ｍｍ）。なお、設計の特徴は、格子相互依存性を損なうことなくＩＩＮ／ＨＢＥを眼と同じ導波管の側に位置づけることができるという点である。
光は、２６°Ｈ×３０°ＶのＦＯＶを与えるために各ＬＣｏＳからＦ／２．８（焦点距離：５．６５ｍｍ）で投影される。光は、０°〜＋２６°の角度でＨＢＥ−Ｉ格子に入る。ＩＩＮは１３°の角度で傾けられる。典型的な０°（入力）／５２°（ガラス中）格子においては、この角度増大により、角度帯域幅が約２０％だけ増大される。なお、図１３の赤色光線は、ＨＢＥ−Ｉに０°で衝突して、ＴＩＲへと回折する。緑色光線は約２６°／ｎでＳＢＧに衝突し、この場合、屈折率ｎは１．５９２（ポリカーボネート）である。なお、ポリカーボネートに非常に類似する屈折率を有するＳ−ＢＡＬ２５ガラスを試作品製造のために使用できる。設計を二色および三色にまで拡張させることができる。最初の結果は、基本的な手法が音であることを示し、これは、投影瞳（２０ｍｍ、格子結合点の前方）、テレセントリシティ、再画像化停止、２％未満の幾何学的歪みなどの特徴を含みつつ、コンパクトな構造形態で視野にわたってほぼ回折制限性能を満たす。設計波長は５３２ｎｍである。分解能は、１０８０ｐＬＣｏＳに垂直に適合される（ＬＣｏＳピクセルピッチ：２．８ミクロン；ナイキスト周波数１７８ｌｐ／ｍｍ）。ＩＩＮにおける予備的な仕様が表２に与えられる。
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１つの実施形態では、投影光学素子に硬質な物理的絞りが存在しないが、代わりに、投影絞りが設けられる。投影絞りの利点は、導波管厚さの減少である。１つの実施形態において、絞りは、導波管内の開口直径を最小にするためにＨＢＥの上方へと中ほどに投影され、そのため、ディジレンズ導波管カプラの開口幅が最小限に抑えられる。
１つの実施形態において、ＳＢＧ層の下側の段階的反射プロファイルは、ディジレンズ導波管の長さに沿う格子ＤＥ変化を制御する（あるいは助ける）ために使用される。これは、通常は、屈折率変調を使用してＳＢＧ格子で達成される。これは、低い割合の光が第１の跳ね返りでアウトカップリングされるが高い割合が導波管の他端でアウトカップリングされる場合には、ＨＢＥに利点を与え得る。
ＩＩＮ構造の体積は現在は２０×４０立方ミリメートルである。しかしながら、図面を考慮すれば明らかなように、ＩＩＮ構造の全体積を減少させるための多くの異なる方法が存在する。例えば、バードバスミラーおよび投影レンズ系などの構造の屈折要素を回折光学素子と置き換えることができる。マイクロディスプレイの前方にＳＢＧ導波管を導入することにより、マイクロディスプレイを照明して、回転されて反射された偏光が湾曲ミラーへ向けて前記導波管を通じて進むことができるようにするための偏光格子ビームスプリッタを設けることができる。
図２１および図２２に示される１つの実施形態において、ＨＢＥ２８１は、その入力端に結合格子２８３（例えば、先の実施形態のＨＢＥ−Ｉ）を備えるとともに、一般に４５°で傾けられる２つの異なる処方２８４，２８５の交互ＳＢＧ縞を備える出力格子（例えば、ＨＢＥ−Ｏ）を備える。縞が等間隔で示されるが、それらのサイズおよび間隔は、より良好な照明および画像サンプリング制御のために変えられてもよい。しかしながら、縞を非常に狭くすると、システムＭＴＦが低下する場合がある。一般に、縞の幾何学的形態は、注意深い最適化を必要とする場合がある。図２２は、ＤＩＧＩ−Ｉ２８８およびＤＩＧＩ−Ｏ２８９を備えるディジレンズ２８７とＩＩＮ２８６とを有するディスプレイに組み込まれるＨＢＥを示す。ＩＩＮからの光線経路が１１０５〜１１１０により示され、その場合、ＨＢＥおよびＤＩＧＩ−ＯにおけるＴＩＲ経路が１１０７，１１０９により示される。ディジレンズ（ＤＩＧＩ−Ｉ）へと結合されるＨＢＥの出力光が１１０８により示される。ＤＩＧＩ−Ｏからのディスプレイからの出力光が１１１０により示される。
図８０は、他の実施形態の透明導波管ディスプレイを与える。導波管８００１のこの実施形態において、入力格子８００３および出力格子８００２のうちの少なくとも一方の屈折率変調の大きさは、ｘ方向に沿って少量だけ変化する。この実施形態において、入力格子および出力格子のピッチは、相互依存性要件を満たすために同一でなければならない。屈折率変調がｚ方向で変えられてもよい。１つの事例では、この実施形態の構造が出力光均一性を制御するのに役立ち得る。この実施形態で説明される原理は、水平ビーム拡大器および垂直ビーム拡大器に適用されてもよい。１つの事例では、切り換え可能な格子が使用される場合には、屈折率変調が入力画像内容の時間的変化に適合するように時間的に変化されてもよい。
本発明の任意の実施形態において、効率的な導波は、ＴＩＲビームが低屈折率媒体間に閉じ込められることを必要としてもよい。フッ化マグネシウム（１．４６）や二酸化ケイ素（１．３９）などの現在利用できる低屈折率材料の屈折率があまりにも高すぎてＨＭＤのフルカラー実施で必要とされる厳格なＴＩＲ角度制約を満たすことができない状態では、空隙を形成して維持することが難しい。提案された解決策は、ナノ多孔性材料（メソ多孔性シリコン）を使用することである。ナノ多孔性材料（例えば、メソ多孔性シリコン）は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波管を含む多くの光学的用途で使用されている。それらの高い多孔性は、高品質で低い誘電定数の薄膜の形成を可能にする。ナノ多孔性材料は、単一のステップで薄層状に形成され得る。非常に低いほぼ１の屈折率を得るために、多孔性を非常に高くして９５％に近づける必要である。高い透明性および低い屈折率は、これらの膜と同時に達成できる。それらの膜は、非常に効率的に吸水するため、水分に抗して注意深くシールされなければならない。最良の手法は、受動格子、ＨＷＰ、および、材料を一緒にシールすることであってもよい。ＳＢＧ研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、４０°〜約４５°の水平ＦＯＶを増大させる可能性をもって我々の導波管で維持され得るＴＩＲ角度の範囲を増大する。ナノ多孔性材料は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波管を含む多くの光学的用途で使用されている。したがって、我々のプロジェクトのために技術を利用しやすいと想定することは道理にかなっている。製造プロセスは、望まれる仕様へと変換可能でなければならない。ナノ多孔性材料を単一のコーティングステップで形成できる。あるいは、屈折率が段階的な多層構造を使用できる。ＳＢＧ研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、我々の導波管で維持され得るＴＩＲ角度の範囲を増大する。要約すると、主な利点は、より大きな機械的安定性および耐久性と、より高いＦＯＶをもたらす更に良好なビーム閉じ込めとを与えるモノリシック構造である。
自動車のＨＵＤのための実施形態
既に論じたように、本発明は、多くの異なる用途で使用されてもよい。本発明の幾つかの実施形態は特に自動車のＨＵＤに向けられており、これについては以下の段落で論じる。
図２３は、ドライバ３０１および搭乗者３０２のためのディジレンズ導波管を組み込む複数の射出瞳を有するカーＨＵＤ３００の概略側面図である。ディスプレイは、前述した実施形態のうちのいずれかに基づいてもよい。ディジレンズ要素が共有の導波管構造内に組み込まれ、この場合、前述したように入力画像がＩＩＮ３０３により生成される。ドライバ射出瞳へと向かう光線経路が光線１１１０〜１１１３により示され、この場合、瞳が１１１３により示される。搭乗者射出瞳へと向かう光線経路が光線１１１４〜１１１６により示され、この場合、瞳が１１１７により示される。
図２５は、図２３の実施形態に類似する本発明の実施形態を示す概略側面図であり、ドライバディスプレイの射出瞳は、隣接する射出瞳１１２０，１１２１を与えるために複数の重なり合うディジレンズ要素３０５，３０６を使用してタイルが張られる。瞳へと向かう光線経路が１１１８〜１１２０により示される。
図２５は、図２３の実施形態に基づく本発明の更なる実施形態の概略側面図であり、この実施形態において、重なり合うディジレンズ要素３１１，３１２は、共通の射出瞳１１３３を与えつつ隣接する視野タイル１１３２と共に１１３１により示されるＦＯＶをタイル張りするために使用される。
１つの実施形態の導波管において、ディジレンズは、画素化された視準画像を形成するために使用されてもよい。図２６の概略側面図に示されるそのようなディスプレイの簡単な伝統的なアナログは、視準レンズ３２０の焦点面に位置づけられる画素化されたディスプレイパネル３２１を備える。このディスプレイの導波管ホログラフィックバージョンが図２７に示される。入力画像は、３２４の符号が付される配列などの切り換え可能要素の２次元配列を備える画素化されたＳＢＧ３２３によって与えられる。各要素は、入射平行光を導波管内のＴＩＲ経路へと回折する。ＳＢＧ配列は、図示しない外部光源からの１１４２，１１４３により示される平行光によって照明される。ピクセル３２４は平行光１１４５によって照明される。好適には、ＳＢＧピクセルが拡散特性を有する。ディジレンズ要素３２５，３２６は、これまで説明した格子などの単純な平面格子ではなく、屈折力を有し、そのため、ＳＢＧ配列の表面上の点で生じる光が視準され、それにより、瞳１１４８を通じて見るために光線１１４６，１１４７により境界付けられる切り換え可能な視野（ＦＯＶタイル）が与えられる。そのため、ディジレンズ要素は、図２７Ａのレンズの回折アナログを与える。ディジレンズ要素は、図２５の実施形態と同様にＦＯＶをタイル張りするように構成される。
１つの実施形態では、前述したディジレンズがミラーを与えるように構成されてもよい。図２８は、基板３３０，３３１間に挟まれる透過型ＳＢＧ３３３とディジレンズ上に位置するミラーコーティング３３２とを使用して自動車用途のための後方確認ミラーをどのように設けることができるのかを示す。ＳＢＧ回折角は、Ｒ１，Ｒ２の符号が付される経路をたどってディジレンズに入射する光がＳＢＧ層によって回折されてミラー層で反射される一方で、ドライバアイボックスへと通じるＲ３，Ｒ４の符号が付される反射経路が、オフブラッグとなる、すなわち、ＳＢＧによる回折のための角度範囲から外れるように設計される。また、光経路には数字１１５１〜１１５４も付される。図２８を考慮すれば明らかなように、ディジレンズは、格子処方の適した選択によって異なる反射角度範囲を与えるように構成され得る。
図２９は、外部画像をドライバ付近の観察瞳へと中継するためのＨＵＤ３３５を示す。外部画像源からの光１１５５は、ディジレンズ３３８を介して導波管に入って、１１５６〜１１５７により示されるＴＩＲを受けるとともに、ディジレンズ３３６による光１１５８として導波管から結合されて出て観察者の方へ向かう。この実施形態は、盲点を見るのに役立ち得る。図２９の装置はビームスプリッタ層３３７を更に備え、このビームスプリッタ層３３７は、入射するＴＩＲ光を複数の経路へと分割することにより、均一性を高めて、出力照明における隙間を最小限に抑えることができる。この原理は、本発明の他の実施形態のいずれかに適用されてもよい。
図３０は、本発明の原理にしたがったＩＩＮ３４１およびディジレンズ３４２を備えるＨＵＤ３４０の正面図でりあり、ＨＵＤ３４０は、赤外光１１５９を放射する構造化された光源３４３と、ドライバの手の動きを感知してディスプレイを制御するために戻り赤外光１１５９を検出する検出器３４４とを更に備える。
図３１は、図２６の実施形態に類似する本発明の実施形態であり、この実施形態では、視野タイル（ＦＯＶタイル１，２）に含まれる情報がＤ１，Ｄ２により示される異なる範囲で与えられる。ＩＩＮ３５１からの画像光は、導波路光１１７０へと変換される。ディジレンズ３５４は、方向１１７３に中心付けられる１１７４のＦＯＶを有する範囲Ｄ２で画像を形成し、また、ディジレンズ３５５は、方向１１７２に中心付けられる１１７１のＦＯＶを有するＤ１で画像を形成する。２つのＦＯＶタイルが瞳１１７５を通して観察される。
本発明のほとんどの用途において、好ましい光源は特定のレーザであり、この場合、視準および導波管閉じ込めに対する制約が満たされる必要がある。しかしながら、本発明は、幾つかの変更を伴って、ＬＥＤおよび他の比較的狭帯域のインコヒーレント光源を使用して適用されてもよい。図３２Ａは、カラーＨＵＤにおけるＲＧＢ ＬＥＤのスペクトル帯域幅を補償するためにＳＢＧが使用される本発明の実施形態を示す。図示の赤色ＬＥＤは、図３２Ｂに示されるように、６３９ｎｍにピーク出力を有するとともに、波長６３４ｎｍおよび６４４ｎｍで規定されるＦＷＨＭ帯域幅を有する。ディジレンズはＲＧＢ回折層の積層体を備え、各層が入力格子と出力格子とを備える。各層において、ＳＢＧは、ピーク回折効率と図３２Ｃの表に示されるようにピーク波長からの小さな増分だけシフトされる（導波管に沿う）波長特性との間の関係を与えるように記録される。構成波長および記録角度の制御を通常は伴う、再生で波長シフトを与えるブラッグ格子を記録するための技術は、ホログラフィの当業者に良く知られる。ＲＧＢ ＳＢＧ層は、ＲＧＢ ＬＥＤと同期して連続的に切り換えられる。図３２Ａに示されるように、カラーディスプレイ３６０は、記号Ｒ，Ｇ，Ｂにより表示される赤色、緑色、および、青色のディジレンズ導波管を備えるとともに、３６０Ｒ，３６０Ｇ，３６０Ｂにより示されるＤＩＧＩ−Ｉ格子および３６１Ｒ，３６１Ｇ，３６１Ｂにより示されるＤＩＧＩ−Ｏ格子と、光１１８０を与える赤色、緑色、および、青色光源３６２Ｒ，３６２Ｇ，３６２Ｂと、マイクロディスプレイ３６３と、平行光１１８２を与えるための回折レンズまたはホログラフィックレンズ３６４，３６５を備えるビーム拡大器とを備える。光は、ディジレンズ要素へ結合された後、前述したように１１８３により表わされるＴＩＲを受けるとともに、赤色光、緑色光、青色光１１８４Ｒ，１１８４Ｇ，１１８４Ｂとしてディジレンズから回折されて出る。
図３３および図３４に示される１つの実施形態では、ディジレンズがウインドスクリーンと組み合わされる。ディジレンズはそのような実施に極めて適する。これは、ディジレンズが、湾曲導波管内で作用するように設計され得るとともに、１．８〜３ミクロン厚のＳＢＧ層を間に挟む１００ミクロン程度の薄さの基板を使用して非常に薄い層から形成され得るからである。ディジレンズは、前述したタイプのメソ多孔性材料の薄層によって分離される。また、典型的なカーウインドスクリーンが導波路を維持するために大きな課題を与えない一般に数千ｍｍの曲率半径を有することにも留意すべきである。
１つの実施形態において、ディジレンズは、図３３に示されるように既存のウインドスクリーン３７０の内面または外面に接着され得る柔軟層３７１として形成される。ＩＩＮ３７２は一般にダッシュボードの下側に位置づけられる。
あるいは、ディジレンズ層は、図３４に示されるようにスクリーン製造プロセスの一部としてウインドスクリーン内に組み込まれ得る。一般に、ウインドスクリーンは、外側強化ガラス層３７３と、ＵＶ遮断のためのＰＶＢの２つ以上の層３７４，３７６と、内側強化ガラス層３７７とを備える。ディジレンズ３７５はＰＶＢ層のうちの２つによって挟まれる。１つの実施形態において、ディジレンズ組み込みウインドスクリーン製造プロセスは、ＲＭＬＣＭをＰＶＢ膜上に噴射するステップと、ホログラフィック記録ステップでＳＢＧを記録する前に第２のＰＶＢ膜を用いてＲＭＬＣＭを間に挟み込むステップとを含む。
図３５に示される１つの実施形態では、導波管構成要素ＤＩＧＩ−Ｉ，ＤＩＧＩ−Ｏ，ＨＢＥ−Ｉ，ＨＢＥ−Ｏと、前述したＩＩＮと同様のＩＩＮとを備える透明ディスプレイが提供される。しかしながら、この場合、前記導波管構成要素のそれぞれは単一のＳＢＧ層を備える。なお、前記導波管のＳＢＧ層だけが示されており、基板および電極は省かれている。ＩＩＮからの光線経路が１２００〜１２０３により示されており、光線経路は、ＨＢＥ内のＴＩＲ経路１２０１、ＨＢＥからの拡大されたビームの抽出１２０２、ディジレンズ内のＴＩＲ１２０３、および、ディジレンズからのディスプレイのための光の抽出１２０４を含む。構成要素は数字３９０〜３９４によっても参照される。
図３６に示される１つの実施形態では、透明ディスプレイＤＩＧＩ−Ｏ，ＨＢＥ−Ｉと、前述したＩＩＮと同様のＩＩＮとが提供される。２つの導波管構成要素ＨＢＥ−Ｏ，ＤＩＧＩ−Ｉは、ビーム拡大およびビーム回転の二重機能を果たすＨＢＥ−Ｏ／ＤＩＧＩ−Ｉの符号が付される単一の導波管構成要素に組み込まれる。この構成の利点は、例えば図３５および他の実施形態の大部分の場合のように導波路格子から出て再び導波路格子に入る必要なくビーム方向の変化が達成されるという点である。これは、ＤＩＧＩ−Ｉの格子が図面の平面内で傾けられること、実用的対象のほとんどのケースでは４５°の角度で傾けられることを必要としてもよい。そのため、ＤＩＧＩ−Ｉ導波管内でＴＩＲ経路が９０°回転されてＤＩＧＩ−Ｏへと進む。ＩＩＮからの光線経路が１２０５〜１２０８によって示される。ディスプレイの構成要素は数字４００〜４０３によっても参照される。
図面および先の説明から明らかなように、このケースでは、確かに、本発明の実施形態の大部分において、ＨＢＥ−ＩおよびＨＢＥ−ＯならびにＤＩＧＩ−ＩおよびＤＩＧＩ−Ｏが単一のＳＢＧ層において実現されてもよい。しかしながら、これは全体的に層の数を減らすが、ディスプレイの全体のサイズが増大するという不利益がある。ＨＢＥおよびＤＩＧＩ−Ｏの幅は、大体において、マイクロディスプレイ寸法と必要とされる視野とによって仕切られる。ＨＵＤ用途およびＨＤＤ用途において、ＤＩＧＩ−Ｏ構成要素およびＨＢＥ構成要素を実施するために必要とされる空間がＤＩＧＩ−Ｏのサイズに対して小さい状態では、同様のサイズのマイクロディスプレイを使用して更に厳しいＦＯＶ要求を有するとともにＨＢＥ導波管およびＤＩＧＩ−Ｉ導波管の相対的な幅を更に増大させるニアアイ用途およびＨＭＤ用途においてトレードオフが更に困難になる。
図３７に示されるカラーディスプレイに向けられる本発明の更なる実施形態において、ディジレンズは、別個の赤色、緑色、および、青色の導波管を備える。好適には、導波管が互いに光学的に分離され、これは、それらの導波管が空気分離されあるいは低屈折率膜の薄層によって分離されることを必要としてもよい。好ましい選択肢は、ナノ多孔性材料を使用することである。ディジレンズ導波管が図３７に示されており、層がＤＩＧＩ−ＩおよびＤＩＧＩ−Ｏの表示に数字１〜３を付して参照される（導波管構成要素も数字４１５〜４２０により参照される）。ＩＩＮおよびＨＢＥの構成要素は、詳しく示されず、単に４２１によって示される。
一般に、ディジレンズは、図１に示されるように導波管内で最も有利な回折角を可能にするために約１０°のすくい角で傾けられる。ＩＩＮおよびＨＢＥは、図面に示されるように眼４２２に最も近いディスプレイの側にあってもよい。しかしながら、多くの他の形態が可能であることは言うまでもない。眼へと向かう光線経路が光線１２１０〜１２１２により示される。図３は、３つのディジレンズを示す同じディスプレイの三次元図である。
図３８は、図３５の実施形態に基づくカラーディスプレイを示す。この実施は、各色ごとに１つ、３つのディジレンズ層４１０〜４１２を有し、この場合、ＤＩＧＩ−ＩおよびＨＢＥ−Ｉが４３６により示される格子などの回転／ビーム拡大格子に組み込まれ、ＩＩＮからの赤色、緑色、および、青色の光線経路が１２２０〜１２２３により示され、この場合、赤、緑、および、青が記号Ｒ，Ｇ，Ｂで表示される。なお、図示されないＨＢＥ−Ｉ構成要素は、図３５に示される構成要素と同様であるが、赤、緑、および、青のための別個の層を伴う。
車のＨＭＤにおいて、視野は、１０°垂直×２５°水平の視野が長期目標であると考えられるＨＭＤの視野と比べて比較的小さい。そのような角度内容は、単一層ＳＢＧを使用する導波管によって容易に取り扱われ得る。しかしながら、カラーへの関心が存在するため、これは、導波管の情報処理能力に関する更なる要求をもたらす。図３９に示される１つの実施形態では、ホログラフィック多重化を使用して少なくとも２つの色を導波路に導いて回折する受動単一ＳＢＧ層ディジレンズが提供される。多重化は、複数のブラッグ格子を同じ層に記録できる能力である。第１に、多重化は、同様の処方の２つの格子を組み合わせて回折効率角度帯域幅を広げるとともに射出瞳と視野とにわたってより良好な輝度均一性および色バランスを与えることによって改善された角度プロファイルを生み出すべく使用され得る。第２に、多重化は、光を別個の視野領域へと投影するあるいは２つの異なる波長の光を所定の視野領域へと回折するようになっていてもよい２つの別個の回折処方をエンコードするために使用されてもよい。また、多重化は、導波管構造における層の数を減らすという大きな利点も与える。不釣り合いなＤｅｓをもたらす競合が記録中に格子間に存在しないようにするとともに、再生時に格子間にクロストークが存在しないようにするための配慮が必要とされる。図３９の装置は図３５の装置に類似するが、主に、ＤＩＧＩ−Ｏ構成要素がここでは多重化された格子であるという点において異なる。構成要素は数字４７０〜４７４によっても参照され、また、ＩＩＮからＨＢＥおよびディジレンズを通じた光線経路が数字１２４０〜１２４３によって参照される。好適には、水平ビーム拡大器（ＨＢＥ）は、ＩＩＮをダッシュボードの下側に隠すことができるようにするためにディジレンズ（登録商標）の下縁に沿って延びる。一般に、そのようなＨＵＤは、８００〜９００ｍｍの瞳距離で１４５ｍｍ水平×８０ｍｍ垂直のアイボックスを有する。目標視野は、１０°〜１５°垂直×１０°〜１５°水平である。ウインドスクリーンは７５％を上回る透明性を有する。一般に、ウインドスクリーンは、水平３０００ｍｍ；垂直９０００ｍｍの曲率を有する。ＩＩＮは、１〜２リットルの容積内に受け入れられ得る。
ウインドスクリーンへのディジレンズの組み込みが図４０に示される。ウインドスクリーンにおける層の積層体は、ガラス（外側）１．６０ｍｍ；ＰＶＢ（３層）：０．８ｍｍ；ガラス（内側）：２．０ｍｍを備える。全体で４．４ｍｍである。ＳＢＧ層は、５０〜１００ミクロンの基板によって挟み込まれる５ミクロンのＳＢＧを備え、ＳＢＧセルは０．５〜２ミクロン厚の低屈折率層により挟み込まれる。ＵＶ接着剤ガスケットラインが、ディスプレイの有効領域を境界付けるＳＢＧ材料充填を制限する。格子領域間の隙間には透明なアクリルが充填され、完全な透明性のためにアクリルがＵＶ硬化される。この多層構造は、非常に強力な積層を可能にし、積層強度に関してＳＢＧ膜に全く依存しない。図４１は、自動車ＨＵＤにおける図３９の実施形態の実施を示すフローチャートである。
図３９の実施形態で使用されるカラー多重化は、２つの方法で、すなわち、第１に、２つの多重格子、例えば赤回折格子および青／緑回折格子を使用して、または、第２に、３つの多重化された格子を使用して、すなわち、多重化された赤、緑、および、青の格子を使用して行うことができる。設計上の問題は、１０°の垂直（あるいは、より正確には接平面）視野のために２つ以上の多重格子を使用して最適な処方を決定することである。設計変数は、各色におけるブラッグ波長およびＴＩＲ角度、ＤＥプロファイル（すなわち、格子厚さおよび変調）である。ディジレンズは、ウインドスクリーンに結合されあるいは幾つかのケースではウインドスクリーンに埋め込まれるため、導波管が低屈折率材料（空隙を許容し得ない場合）によって挟み込まれる。ナノ多孔性材料層の屈折率が１．２であると想定されてきた。１．５２のＳＢＧ屈折率において、これは、５２°の最小ＴＩＲ角度に対応する。多重格子を設計する際には、重要であるＤＥプロファイルの形状を得るために特別な注意が必要とされる場合があり、また、色間のクロストークを回避するためには、より狭いＤＥプロファイルが好ましい。所望のＤＥプロファイルは、格子の厚さおよび屈折変調を最適化することによって達成できる。単一のＳＢＧ層に多重化される典型的な赤色、緑色、および、青色の回折格子に関するコゲルニック回折理論に基づくシミュレートされた回折効率（ＤＥ）とＴＩＲ角度プロセスとの間の関係が図４２Ａおよび図４２Ｂに示される。曲線は、３つの多重格子のそれぞれにおけるＤＥプロファイルを表わしている。長方形領域は、おおよそのＲＧＢ ＴＩＲ角度範囲を表わす。図４２Ａは、多重格子が赤色光によって照明されるケースを示している。図４２Ｂは、緑色光または青色光が格子を照明するケースを示している。なお、曲線はシフトする。これは、照明波長が変化するにつれて、ブラッグ条件を満たす角度がシフトするからである。青緑帯域におけるＴＩＲ範囲は赤におけるＴＩＲ範囲を下回るため、２つの色帯域間にクロストークは存在しない。
図４３および図４４は、ＩＩＮと、それぞれがＨＢＥ−ＩおよびＨＢＥ−Ｏを備える２つのＨＢＥ構成要素と、それぞれがＤＩＧＩ−Ｉ，ＤＩＧＩ−Ｏを備える２つのディジレンズ構成要素と、ビームスプリッタ（Ｂ／Ｓ）とを備える本発明の更なる実施形態を示し、ＤＩＧ−Ｉは半波長膜（ＨＷＦ）を間に挟む。図４３は三次元図を示す。図４４は、光線経路を示すディジレンズのみの断面図である。ＨＢＥ−ＯおよびＤＩＧＩ−Ｏ格子は、図４４に実線光線および破線光線のそれぞれにより示されるように赤色回折格子および青−緑色回折格子を多重化する。後側のディジレンズ導波管４６０における赤色光線は、経路１２３１，１２３２，１２３９をたどる。同じ導波管における青−緑色光線は、経路１２３０，１２３３，１２３９をたどる。前側の導波管における光線経路には数字１２３４〜１２３７が付される。後側および前側の導波管構成要素は、数字１，２のそれぞれによって参照されるとともに、数字４４０〜４４７によっても参照される。ＨＢＥは、２つの導波管要素（すなわち、適切な基板によって分離される２つの切り換え可能なＳＢＧ層）を備え、各導波管要素は２０°水平×２２．５°垂直をサポートする。ＨＢＥは切り換え可能である。各ＨＢＥ導波管は、低屈折率層によって他のＨＢＥ導波管から分離される。ＩＩＮは、ＨＤ １３６６ｘ７６８（例えば Ｈｉｍａｘ社により供給されるような０．３７”ダイアゴナルＬＣｏＳマイクロディスプレイ）を使用する。別のマイクロディスプレイは、Ｓｙｎｄｉａｎｔ社により供給されるＳｙｎｄｉａｎｔ ７２０Ｐ（０．３７”ディスプレイ）である。これは、１．７６ａｒｃ ｍｉｎ／ｐｉｘｅｌ（全４０°×２２．５°ＦＯＶを超える）の分解能を与える。各格子は、単色に関して空気中で約１０°（ガラス中の約６．５°に等しい）の角度幅を与える。（ＩＩＮの側部入口の）ＨＢＥすくい角に起因して角度空間のわずかなバイアスが存在し、そのため、視野がわずかに不均等になる。例えば、１８°および２２°になる。なお、角度空間内の隣接格子の切り換えは、交差結合が隣接格子間で生じないようにする。各導波管における角度は最小限に抑えられる。緑は、小さい許容マージン（例えば＋０．５°〜１．０°）をもってＴＩＲ角度付近に配置される。各導波管は、導波管角度範囲にわたってコーティングされる狭帯域青色ミラーである。各ＨＢＥからディジレンズへと出力される光は、−２０〜０°水平（おおよそ）×±１１．２５°垂直、および、０〜＋２０°水平（おおよそ）×±１１．２５°垂直である。これは、−２０〜＋２０°水平×±１５°（すなわち、４０°×２２．５°）の複合視野を与える。好ましい材料は、ポリカーボネート（ｎ＝１．５８５）または等価物である。基板厚さは０．５ｍｍである。各セルは１．０ｍｍ厚であり、そのため、各ＨＢＥ導波管は２．０ｍｍ厚である。両方のＨＢＥ導波管は、小さい空隙または低屈折率材料隙間を伴う４．０ｍｍ厚である。ＨＢＥは、前述したように色に関して多重化される。ＨＢＥ寸法は、７０ｍｍ幅×１１ｍｍ高さである。なお、高さは、垂直縁で１ｍｍマージンを含む。図４３および図４４の実施形態で使用されるＩＩＮは１．３ｍｍの焦点距離を有する。マイクロディスプレイ（ＬＣｏＳ）ピクセルピッチは６．０ミクロンである。光学素子のＦ値は４．６である。エアリー円盤をＬＣｏＳピクセルピッチに適合させることにより、約７５％コントラストがナイキスト限界で得られる。ＩＩＮの開口は２．４ｍｍである。図４３および図４４の光学的な構造は、２つのディジレンズ導波管（すなわち、適切な基板によって分離される２つのＳＢＧ層）を必要としてもよく、それぞれのディジレンズ導波管が１１．２５°垂直×４０°水平をサポートする。入力ＤＩＧＩ−Ｉ要素が切り換え可能である。ＤＩＧＩ−Ｏ要素は受動的である。入力格子および出力格子は両方とも、先に記載された多重化された赤色格子および緑色−青色格子である。ディジレンズ基板の寸法は、５０ｍｍ幅×６１ｍｍ高さである。１つの実施形態では、入力格子が切り換え可能であり多重化されない。すなわち、この場合には、４つの切り換え可能な入力格子が使用される。重要なことには、入力処方および出力処方が相互依存的である。入力光はＰ偏光でなければならない（ディジレンズがＰ偏光だけを回折するため）。各導波管は全長の下方にＱＷ膜を有する。これは、２倍薄い導波管を可能にする。ＴＩＲ反射は半波長だけ回転される（ＱＷ膜を二重に通過するため）。したがって、導波管からの光線抽出は、ＳＢＧとの１つおきの相互作用でのみ生じる。後側ディジレンズ（すなわち、図４３および図４４に示されるようにＩＩＮに最も近いディジレンズ）の出力は、２つのＱＷ膜相互作用を受けて、Ｓへと回転し、したがって、前側ディジレンズと相互作用しない。そのため、ディスプレイからの出力は、Ｐ偏光と偏光との混合である。
図４５〜図５２に示される１つの実施形態では、完全に受動的なＨＢＥおよびディジレンズ導波管構成要素に基づく透明ディスプレイが提供される。以下の説明で明らかにされるように、この実施形態は、ＩＩＮからの画像光の開口および／またはＦＯＶをサンプリングするために構成されるＨＢＥ−Ｉを使用する。ここで、例えばＨＭＤを与えるために使用されてもよい５２°×３０°ＦＯＶ白黒ディスプレイに関連してこの実施形態を説明する。しかしながら、以下の説明および図面から明らかなように、この実施形態は、本明細書中で与えられる技術の利点を伴って、幅広い範囲の異なるＦＯＶを与えるために使用されてもよい。
受動ＳＢＧを全て使用する実施形態
図４５は、３つのＨＢＥ導波管と３つのディジレンズ導波管とが設けられる１つの実施形態におけるディスプレイの一実施形態の三次元図である。ＨＢＥ導波管が数字５４１により示され、また、ディジレンズ導波管が５４２により示され、この場合、ＨＢＥ導波管にはこれまでのように記号Ｗ〜Ｚが付され、ディジレンズ導波管には記号Ｐ〜Ｒが付される。各ＨＢＥ導波管は、５４３，５４４のそれぞれによっても参照されるＨＢＥ−ＩおよびＨＢＥ−Ｏを含み、また、各ディジレンズは、５４５，５４６のそれぞれによっても参照されるＤＩＧＩ−ＩおよびＤＩＧＩ−Ｏを含む。ＩＩＮは３９４によって示される。ＩＩＮからＨＢＥ導波管５４１Ｚおよびディジレンズ導波管５４２Ｒを通じた光線経路は、光線１３３０〜１３３４を使用して示される。なお、瞳はＤＩＧＩ−Ｉの前で組み合わされており、それにより、全５２°水平×３０°垂直ＦＯＶがこの段階で存在する。
１つの実施形態は投影絞りに関連する。図４６は、ＩＩＮによる投影絞りの形成を示す概略側面図である。マイクロディスプレイ５００上に表示される画像の中心および縁部の画像ピクセルからの光は、周縁ビーム１３００，１３０２と軸上ビーム１３０１とを与えるために絞り５０２を通過する。投影レンズ５０１は、この光を視準して、投影絞り１３０６で重なり合う視準ビーム１３０３〜１３０５を与える。入力の他のポイントからの光も同様に投影絞りへと集光される。なお、投影光学素子は図４６では簡略化されており、実際には、投影レンズは前述したように多素子系である。光学設計の技術分野の当業者であれば分かるように、物理的な絞り５０２の必要性は、照明供給光学素子の適切な構造によりマイクロディスプレイで開口数（ＮＡ）を制限することによって最小限に抑えられる（あるいは更には排除される）。なお、レンズから投影絞りまでの距離は、ＨＢＥ積層体の厚さと比べて非常に大きい。
図４７は、ＩＩＮからＨＢＥ導波管５０３への光の結合を示す概略平面図である。入力格子すなわちＨＢＥ−Ｉは、導波管伝搬軸に沿って小さい距離間隔を有する２つの格子５０４，５０５を備える。重要なことには、２つの格子は、実質的に重なり合わないＤＥ対角度特性を有する。ＨＢＥ−Ｏ格子は、５０６により示されるように導波管の更に下側に位置づけられる。入力格子とは対照的に、出力格子は、後述するように２つの異なる格子処方で多重化される。この結合方式の利点は、それが所定の格子領域５０４，５０５に対する入力光の角度内容のマッピングを可能にし、それにより、ＨＢＥの入力格子（ＨＢＥ−Ｉ）を導波管光軸に沿って分離できるという点である。この効果は、小さい入射瞳直径を有することによって強調される。簡単にするため、ここでは、導波管を通る２つの光線経路だけが示されている。第１の経路では、入射光線１３０７がＨＢＥ−Ｉの第１の格子要素５０４によって第１のＴＩＲ経路１３０９へと回折される。第２の経路では、入射光線１３０８が第２の格子要素５０５によって第２のＴＩＲ経路１３０８へと回折される。
ビームと格子との相互作用は、図４７の入力格子を含むＨＢＥ導波管の一部を示す図４８に更に詳しく示される。入射光線１３０７は、第１の格子５０４によって光線経路１３１１へと回折される。第１のＴＩＲ反射の後、反射光線１３１２は、オフブラッグであり、したがって、偏移を伴うことなく第１の格子を通過する。第２の反射の後、光線は、第１の格子の後縁を避けて通り、回折を回避する。このとき、ＴＩＲは次の格子へと進む。第３の反射の後、光線１３１４は、第２の格子の前縁を避けて通る。第４の反射の後、結果として得られる光線１３１５はオフブラッグである。最後に、第５の反射の後、光線１３１６は第２の格子の後縁を避けて通り、ＨＢＥ−Ｏへと進む。明らかに、この単純化した説明は、主な光線にのみ適用され、格子をとらえる光線の望ましくない回折をもたらす発散ビームの挙動を適切に述べていない。しかしながら、導波管内の狭いビーム角度は、望ましくないビーム−格子交差の影響を減らす。
図４９は、図４５に示される４層ＨＢＥの概略断面図である。先の説明に続いて、各導波層は、２つの別個の格子を備えるＨＢＥ−Ｉ格子と、多重格子を備えるＨＢＥ−Ｏとを備える。導波管は、空隙によってあるいは好ましくはナノ多孔性低屈折率材料の薄層によって分離されてもよい。入力格子には数字５１１，５１２が付され、また、出力格子には数字５１０が付されており、この場合、導波層は記号Ｗ，Ｘ，ＹおよびＺによって参照される。図面は、各層の入力格子のそれぞれと相互作用する投影レンズ５１４からの入力光線を示す。なお、導波層Ｗからの出力光線は、層Ｘ〜Ｚのうちの１つ以上と相互作用してもよい。しかしながら、既に論じたように、格子相互依存性の特性は、任意のそのような相互作用に関してビーム角度を維持する。そのような層間相互作用に起因する結果としてのビームシフトは、ビームスプリッタまたは均一化器を与えてもよい。例えば、入力光線１３２０を考慮されたい。この光線は、第１の格子５１１ＷによってＴＩＲ経路１３２１へと回折され、ＴＩＲ経路１３２１は、偏移を伴うことなく第２の格子５１２Ｗを通じて伝搬して、そのＴＩＲ経路１３２２を続ける。出力格子５１０Ｗでは、この光の一部が導波管５１０Ｘ内の光線１３２３へと回折される。この光の一部は、第２の導波管に入ると、ＴＩＲ経度１３２４へと回折され、残りの光は方向１３２３に進む。格子５１０Ｙとの更なる相互作用が光線１３２５および１３２６により示される。
図５０は、図４８の実施形態の各導波層で使用される多重格子のペアリングを示す表である。格子の各対は、大きな重なり合いを避けるために十分な距離間隔をもってＤＥ対角度帯域幅を有さなければならない。格子は低いＤＥピークと幅広い角度帯域幅とによって特徴付けられる損失性の薄い格子であるため、この距離間隔はかなり大きい必要がある。図５１は、図４５の実施形態における重合ＤＥ対角度プロファイルに関する１つの想定し得る方式を示すチャートである。格子の各対は、２６°主光線角距離に対応する。全水平ＦＯＶが５２°であると仮定される。薄い（低いピークＤＥ、高いＡＢＷ）格子の場合、ＡＢＷは約１３°である。入力ＨＢＥ格子が６．５°のＡＢＷを有すると仮定する。この場合、角度範囲はＡとして−６．６°〜０°であり、また、角度範囲はＢとして０°〜６．５°である。ＡおよびＢは、第１にＤＥ対角度重なりに起因して、第２に相互依存性の欠如に起因して、同じ導波管で使用されるべきでないことが認識される。格子分離はＦＷＨＭに基づく。しかしながら、他の手段は全照明プロファイルのより良い最適化を与えてもよい。例えば、格子重なりはピーク角度の３０％で可能である。ＦＷＨＭを想定すると、これは、５２°のＦＯＶにまたがるために８個の格子を与える（すなわち、８×６．５°）。
高い照明均一性を得ることはＳＧＯ設計において重要な問題である。主な設計パラメータは、厚さおよび屈折率変調である。前述したように、小さい楔角度を格子層に適用することにより、ピークＤＥおよび角度帯域幅を導波管に沿って調整することができる。しかしながら、伝搬経路の端部で導波管内に残存する光は、不均一な出力照明をもたらす大きい角度で蓄積する傾向がある。現在、本発明者らは、この効果があまり大きくないと考えている。非常に厳格な照明制御が必要とされる場合のより洗練された方法は、２つの方向の傾斜を適用することによって格子層を成形することである。更なる改良として、格子の表面を湾曲させることができる。必要とされる格子厚変化は、非常にわずかであり、一般に導波管にわたって１〜２ミクロンであるため、視準およびＭＴＦへの影響はほとんどの実施において無視できる。図５１は、２つの直交する傾斜によって特徴付けられるＳＢＧ格子５３０の三次元図である。直交する傾斜に起因する導波管の平面に対する４つの異なる角部高さが５３１〜５３２によって示される。しかしながら、本発明者らによる予備的なレイトレーシング解析は、導波管内で必要とされる最適なＤＥプロファイルが一次元関数であって導波管内のビームの跳ね返り数ではなく導波管の長さの関数であるというある証拠を生み出した。主光線付近の光線角度変位（すなわち、±角度）は、（導波管の長さに応じて）主光線と同じ格子厚さプロファイルを必要とすると思われる。このことは、最適な均一性のために２Ｄプロファイルが必要とされない場合があることを示唆する。なお、一次ＤＥは、導波管長さとビームにより進行される距離との間の差の相互依存としてスケーリングしなければならない。
図５３Ａ〜図５３Ｃは、１つの実施形態におけるＨＢＥの３つの動作状態の概略図である。導波管５５１およびＩＩＮ投影レンズ５５０の投影の一部は、いずれの場合にも、１３４１〜１３４２により示される３つの視準ビーム部分を用いて示される。影付き領域は、３０°全垂直ＦＯＶを与えるためにディジレンズ導波管のうちの１つへ結合される３つの別個の１０°垂直ＦＯＶ帯域のそれぞれに関して各ディジレンズ導波管により見られるＨＢＥ断面に対応する。また、図５３Ａ〜図５３Ｃにおける影付き領域は、３つの垂直ＦＯＶ領域におけるＨＢＥ−Ｏから光を受け入れるＤＩＧＩ−Ｉの一部も示す。開口の１／３だけが各状態のＤＩＧＩ−Ｉによって集められる。このように有効開口を低く維持することによって、ディジレンズ導波管が大きな厚さを必要としないことが確保される。上記開口方法（および、明細書本文において先に言及された偏光管理）を使用して３つのディジレンズ導波管のために必要とされる全体の厚さが６ｍｍの全厚をもたらすことが推定される。これは、長方形の射出瞳を前提とする。円形の瞳が許容される場合には、極端な斜めの角度を達成する必要性が除去され、それにより、全体の厚さが小さくなる。
前述した全ての受動格子は白黒においては実現可能であるが、フルカラーを与えてクロストークが克服されるようにするために切り換えを導入する必要があるように思われる。
前記実施形態の固有の特徴は、ＨＢＥが入力画像の一部分を選択的にサンプリングする方法であり、各部分が角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる、ということに留意することは重要である。この手法は、導波管、特にディジレンズを非常に薄くできるようにする。これは、ＨＭＤおよびニアアイにおいて特に重要な特徴である。前述した入力画像をサンプリングするプロセスは、先願に開示されるように入力画像全体をＦＯＶタイリングで使用される導波管へと切り換えるプロセスから区別されるべきである。
典型的な特徴
１つの実施形態において、屈折力は、ＨＢＥおよびディジレンズ導波管で使用される格子のうちの少なくとも１つで与えられてもよい。回折光学素子におけるレンズ処方の記録は良く知られている。本発明において、これは、補助レンズを必要とすることなくディスプレイの焦点を微調整できる可能性を与える。そのようなレンズは、収差を補正するために使用することもできる。切り換えホログラムは、異なる範囲で画像を与えるためのソリッドステートな（可動部がない）解決策のための可能性を与える。これは複数の層を必要とする場合がある。これは、ＨＵＤ用途およびＨＤＤ用途において魅力的な特徴を与える。大きな屈折力のホログラムレンズの記録は、軸外ホログラフィック収差を克服することに対する注意深い配慮を必要とする場合がある。構成光学素子は、潜在的には更に複雑であるが、マスターホログラムが形成されると、密着印画プロセスが任意の他のホログラムと同じである。
１つの実施形態では、ＴＩＲ範囲を越える導波管範囲を高めるために、多層薄膜コーティングがディジレンズ導波管の反射面に塗布される。ガラスおよびプラスチックは、大きな視野のために必要なＴＩＲ角度の範囲を可能にしない。例えば、３９°を下回る光線は、ポリカーボネートＴＩＲ（５３２ｎｍでの屈折率＝１．５８５）によってサポートされない。その問題は、詰まるところ、プラスチックおよび低コストガラスにおける臨界角度をはるかに下回る最小導波管角度３０°角度を達成するということになる。コーティングの設計上の課題は、画質劣化またはシースルー透過の損失を伴うことなく必要とされる反射力を得る反射力コーティング処方を達成することである。コーティングは、波長偏光、角度、散乱、吸収からの損失のための最適化を必要とする場合がある。誘電体膜を基板上に加える１つの利点は、必要とされる回折力の大きさをかなり減少させ、それにより、格子角度帯域幅が向上する。誘電体コーティングは、以下の特性、すなわち、ａ）３０°（ガラス中）〜３９°（ＴＩＲ角度）の角度におけるＳ＆Ｐ光に関して高い反射率、ｂ）Ｐ光に関して０°±１３°（ガラス中）における高い透過率；空気中での３５°×２０°角部領域に等しい、ｃ）光源の狭い帯域性に起因して反射率の良好な角度制御を達成できる、ｄ）全ての層に関する非レーザノッチ波長における高いシースルー、を有する。
１つの実施形態において、ＨＢＥまたはディジレンズのうちの少なくとも一方における入力格子、すなわち、格子ＨＢＥ−ＩおよびＤＩＧＩ−Ｉは、ＨＢＥおよびディジレンズを通じて伝えられるべきビーム角度の範囲にわたって特徴的に均一に分配されるＤＥ対角度を与えるために、異なるｋベクトルの格子の積層体を備える。一般に、格子は、積層体を可能な限り薄く維持するために、２００ミクロン（あるいは更には１００ミクロン）基板だけ離間される。最終的に、本発明者らは、スピンコーティング技術を使用して最小実用格子積層体厚さを得ることができると考える。
１つの実施形態では、異なるｋベクトルの多重格子の別の方式が積層の必要性を回避する。
レーザ照明を使用する前述した実施形態のうちのいずれかは、レーザ経路から眼鏡へと向かう照明経路中の任意の点に配置されるレーザスペックルを排除するためのデスペックラーデバイスを組み入れてもよい。好適には、デスペックラーは電気光学デバイスである。望ましくは、デスペックラーはＨＰＤＬＣデバイスに基づく。
１つの実施形態において、ディスプレイは、ビーム成形とスペックル排除とを組み合わせる均一化器を組み込む。望ましくは、前記機能を果たすために使用されるＳＢＧ配列は、それら自体、導波管の１つ以上の中またはＩＩＮ内に更なるＳＢＧ層としてシームレスに実装され得る回折導波管デバイスである。スペックル排除は、角度ダイバーシティと位相ダイバーシティとの組み合わせによって達成される。典型的な導波管均一化器は、２０１２年１１月２０日の出願日を有するＣＯＭＰＡＣＴ ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＤＥＳＰＣＫＬＥＲと題される米国仮特許出願第６１／７９６，７９５号明細書、および、ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥと題される２００８年７月２２日の国際出願日を有するＰＣＴ出願第２００８／００１９０９号明細書に開示される。図面および明細書本文を考慮することにより明らかなように、本発明は、そのようなデバイスをディスプレイのＩＩＮ構成要素および導波管構成要素に組み込む幾つかの機会を与える。
本発明は、１つ以上の受動ＳＢＧ導波管を備えるディジレンズに基づく透明ディスプレイを提供し、受動ＳＢＧ導波管のそれぞれは、垂直視野または特定の色の一部を投影する。本発明は、より薄いＳＢＧを使用してブラッグ格子の本質的に広い矢状角度帯域幅をうまく利用することによって得られる回折効率角度帯域幅の向上によって可能にされる。本発明は、高い透明度の通常の目標、高分解能、超コンパクトな（薄い）形状因子、軽量、および、十分なアイボックスのうちのいずれかを犠牲にすることなく、大きな視野、例えば５２°水平×３０°垂直を与えることができる。導波管構成要素およびコンパクトな入力画像ノードは、小さい形状因子、湾曲したバイザーへの経路、および、スリムラインという目標と一致する。角度帯域幅および光学効率における予期される向上の利点を伴うと、前記ＦＯＶを増大できると考えられる。ディスプレイモジュール設計手法は、大きな構造再設計を必要とすることなく、白黒からカラーへの素早い成長を可能にする。カラー解決策および白黒解決策の両方において１．０ｃｙｃ／ｍｒの適度な撮像性能を与えることができる。白黒における光学性能は、１．４ｃｙｃ／ｍｒディスプレイピクセル分解能を超える。最良の分解能は白黒で達成されるが、カラーディスプレイにおいても良好な性能を達成できる。ＨＭＤにおいて、本発明は、２５ｍｍの瞳距離で２５ｍｍ幅のアイボックスを与えることができる。これにより、人口の９０％を調整を何ら伴わずに受け入れることができる。基板ガイド回折光学素子は、入力画像ノード（ＩＩＮ）内を除き、任意の場所で使用される。しかしながら、設計の今後の開発では、更なる形状因子圧縮および製造利点を生み出すために、屈折構成要素を回折要素と置き換えることができる。ＩＩＮは、ディジレンズの上側、または、側部、または、前側、または、後側に装着されてもよい。これにより、中核的なディジレンズ機能性を保ちつつ、一連の人間工学的要求を満たすことができる。設計は、ニアアイディジレンズの分割またはモザイク化を必要としない場合があり、それにより、照明リップルおよび電極からの不連続および散乱の問題が排除される。本発明の原理にしたがった透明ディスプレイは、出願人の整理番号ＳＢＧ１０４によっても参照されるＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳと題される本発明者らによる２０１２年８月２４日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／５７３，０６６号明細書に開示されるプラスチックＳＢＧ技術によってもたらされる利益も享受する。
本発明は、先のように明記された先願の教示内容を前提とする。特に、本発明は、出願人の整理番号ＳＢＧ１０９によっても参照されるＷＩＤＥ ＡＮＧＬＥ ＣＯＬＯＲ ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹと題される本発明者らによる２０１２年４月２５日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／６８７，４３６号明細書に開示される偏光再循環方式を使用してもよい。この特定の特徴は、ＳＢＧ材料（現在の材料または将来開発される材料）の特性によってあるいは偏光回転成分が導波管に意図的に導入されてそれにより偏光再循環および偏光再循環によるデバイス効率の向上の機会を広げる場合において、ＳＢＧアウトカップリング導波管により偏光が維持されないときに関連があるかもしれない。具体的には、直線的に偏向される光がディジレンズ導波管へ入力されて（すなわち、ＨＢＥから導波管へと結合されるｐ光）該光がＳ偏光とＰ偏光との混合へと変換される場合に、より薄いディジレンズ導波管を使用できる。これは、最大で導波管の薄さの２倍の減少というファクターを可能にし得る。
本発明は、均一性を得るためにビームスプリッタ層を導波管に組み込んでもよい。更なる改良として、導波管におけるビームスプリッタオフセットが得られてもよい。すなわち、導波面の中間ではなく、導波管の中間点からオフセットされ、それにより、複数の跳ね返り相互作用の後に均一性が最大となる。更なる他の改良は、ビーム混合を最適化して調整するためにビームスプリッタにおいて異なる反射率を使用することである。概念は、ビームスプリッタの反射率％を５０／５０以外の何かへ変えることによって、あるいは、Ｂ／Ｓ長さに沿うｔ×／Ｒ×分割を変えることによって、瞳充填を均一化して最適化できることである。
なお、図面に示されるホログラムの厚さは誇張されている。一般に、格子は、１００〜２００ミクロンの厚さの基板によって挟まれる１．８〜３ミクロンの厚さである。基板の両面に適用される透明電極は、ナノメートル単位で測定される。
１つの実施形態では、ホログラフィック輝度増強膜または他の狭帯域反射器がディスプレイの一方側に取り付けられ、その目的は、ディスプレイ照明波長光だけを反射させることであり、シースルーディスプレイを反対の視野方向で見えなくすることができる（そのため、安全である）。ここで、反射されたディスプレイ照明は、効果的に映し出され、したがって、一方向で遮られ、それにより、銀行や金融サービス設定ではよくある顧客設定または個人面接設定において照明が透明デスクトップディスプレイ用途にとって理想的となる。
この文脈における重要な性能パラメータは、ディスプレイの透けて見える透過である。透過に影響を及ぼす変数は、ＩＴＯコーティング（０．９９５）、ＡＲコーティング（０．９９）、ならびに、基板およびホログラフィック層の吸収である。導波管と低屈折率結合層との間の界面にはフレネル損失も存在する。カラーディスプレイに必要とされる透過率は、９０％を超える目的をもって、７０％を超える。１つのディスプレイごとに３つの導波管、１つの導波管ごとに２つの基板を前提にすると、計算される透過率は９３％であり、したがって、求められる目的が満たされる。なお、１００ミクロンガラス基板を使用してこの構造を実施することが我々の意図である。３つの導波管を用いるとともに、１つの導波管ごとに３つの基板を用いても（なお、２つのホログラフィック層が３つの基板を必要とする場合がある）、カラーディスプレイのディスプレイの全体の厚さは依然として１ｍｍ未満である。ホログラフィック層（コーティングを含む）の厚さはごくわずかであり、各ホログラフィック層は全体の厚さに４〜５ミクロン寄与するにすぎない。重量が常に問題になるため、これは、我々の手法の極めて重要な特徴である。プラスチックが使用される場合には、重量を更に減らすことができる。
好ましい実施形態において、ＳＢＧは、それらが電圧印加時に回折しかつそれ以外のときは常に光学的に受動状態にとどまるように逆方向モードで動作する。ＳＢＧは、図示のように薄い（１００ミクロン程度の薄さ）基板層によって分離される連続ＳＢＧ薄板として実施される。最終的に、設計目標は、（ＩＴＯに取って代わるために）透過型導電コーティングを有するプラスチック基板を使用することである。本出願に適するプラスチックＳＢＧ技術は、パラレルＳＢＩＲプロジェクトで開発されている。これは、モノリシックホログラフィック光学素子を用いた狭帯域レーザ照射の利点全体を利用する平面モノリシック構造である。
本発明は、基板ガイド光学素子に理想的に適する一連の利点を有する。第１に、構成要素のコストが大きく低減される。光学的な複雑さは、様々なホログラフィック光学素子に含まれる。一組のマスターの形成と関連付けられる非反復エンジニアリング（ＮＲＥ）が完了すると、複製コストは、別個の屈折構成要素と関連付けられる反復材料コストと比べると比較的わずかである。第２に、組み立て時間が大きく減少される。部品数が大きく減少されるだけでなく、組み立てプロセスがかなり高速である。平面構造は、アライメント基準を使用して非常に高い光学的精度をもって互いに高い費用効率で積層され得る。接触労力は、厳しい基準に合わせて一部品アセンブリを形成する労力と比べて大きく減少される。第３に、光学的精度がかなり高い。新規な光学的構造を設計する際の最も大きい課題のうちの１つは、一部品、機械的なハウジング、および組み立て手続きに関する許容範囲の増大を制御することである。ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いると、「判断基準」を上級エンジニアによりまとめることができ、このレベルの品質をＮＲＥ段階中にＨＯＥマスターでとらえることができる。ＨＯＥの光学的アライメントを高い精度で達成できるという事実に加えて、個々のＨＯＥは、アライメントの変化をより大きく許容する。したがって、高品質デバイスの全体の歩留まりは非常に高い。最後に、サイズおよび重量は、サブシステム全体の耐久性のように、このモノリシック構造によって大きく減少される。
前記実施形態のうちのいずれかにおいては、眼のレンズおよび網膜が任意のタイプの結像レンズおよびスクリーンと置き換えられてもよいことは明らかである。本発明の前述した実施形態のうちのいずれかは、直接観察ディスプレイまたは虚像ディスプレイのいずれかで使用されてもよい。想定し得る適用範囲は、ビューファインダーで使用されるディスプレイなどの小型ディスプレイから、大面積広報ディスプレイにまで及ぶ。前述した実施形態は、透明ディスプレイが必要とされる用途で使用されてもよい。例えば、本発明は、ヘッドアップディスプレイやテレプロンプターなど、表示される画像が背景シーンの上に重ね合わされる用途で使用されてもよい。本発明は、光学系の内部撮像面またはその近傍に位置づけられる表示装置を設けるために使用されてもよい。例えば、前述した実施形態のうちのいずれかは、カメラのビューファインダーのための記号データ表示を行うために使用されてもよい。カメラのビューファインダーでは、記号データが中間画像平面に投影され、次いでビューファインダーアイピースによって拡大される。本発明が両眼ディスプレイまたは単眼ディスプレイにおいて適用されてもよいことは明らかである。本発明は、立体視装着型ディスプレイで使用されてもよい。本発明の前述した実施形態のうちのいずれかは、背面投射型テレビで使用されてもよい。本発明は、航空電子工学ディスプレイ、工業用ディスプレイ、および、医療用ディスプレイにおいて適用されてもよい。また、娯楽システム、シミュレーションシステム、仮想現実システム、トレーニングシステム、および、スポーツにおいても用途がある。
ディスプレイのための好ましい光源は、回折光学素子に理想的に適合するレーザであり、したがって、我々のＨＭＤ構造、ＨＵＤ構造、ＨＤＤ構造の全ての能力を解き放つ。輝度、分解能、および、色域に関して、本発明は、光学的性能がＬＥＤを使用して適用されるのにあまり重要でない幾つかの用途においても可能である。
現在、１つの実施形態で用いるＳＢＧは、遠隔露光（ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を使用して製造される。しかしながら、プロセスは、密着印画プロセスへ容易に変換され得る。ＩＩＮは、別個の屈折構成要素のアセンブリとして実装されてもよい。しかしながら、構造を平面ホログラフィック要素の積層体へと変換することが非常に望ましい。十分な量により、ＩＩＮのそのような実施は、非常に魅力的な価格ポイントを達成する。好適には、導波管で使用される基板は、バリスティック−品質（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ−ｑｕａｌｉｔｙ）プラスチック基板から製造される。実現可能性の立証が確立され、また、プロセス最適化活動が進行中である。屈折構成要素を積層プラスチック系平面ホログラフィック要素と置き換えると、本発明に基づくディスプレイが本質的に更に頑丈になる。
更なる実施形態
以下の実施形態は、単一の導波管ＨＢＥを使用するディスプレイに関する。この特定の実施形態は、現在、ＨＵＤなどの低視野デバイスにより適すると考えられる。しかしながら、ＨＢＥのサイズを管理できる可能性が高いことを認識すれば、ＨＭＤなどの高ＦＯＶ用途のために同じ実施形態を使用できない理由が理論的にない。後述するように、必要条件は非投影瞳である。
図５４は、明細書本文中で前述したタイプの投影瞳をもたらさない投影方式を示す。瞳は、図５４Ａに示されるように投影レンズの内側に形成されてもよく、図５４Ｂに示されるように開口５６２を使用して投影レンズの前側に形成されてもよい。そのような投影方式は、全ＦＯＶよりも小さい角度ダイバーシティをｚ軸または光軸に沿うある距離にもたらす。例えば図５４Ａを参照すると、レンズ５６０により視準光線束１３５１Ａ〜１３５１Ｃへと視準される像点源１３５０Ａ〜１３５０Ｃからの光が考慮される場合には、光線束１３５１Ａ，１３５１Ｂ間および光線束１３５１Ｂ，１３５１Ｃ間に重なりが存在する。基本的な幾何学から、一次に対する角度ダイバーシティは、投影レンズ射出瞳開口Ｄと光軸ｚに沿う距離とによって与えられる。
図５５は、インカップル光のピークＤＥを最大にするための回転ｋベクトル格子（例えば、ＨＢＥ−Ｉ格子）の使用の概略図を示す。導波管部分５７０の格子要素５７２Ａ〜５７２Ｃにおけるｋベクトル回転は、ｋベクトル５７３Ａ〜５７３Ｃの異なる方向性により示される。表面格子ピッチＰは、導波管の長さに沿って一定である。格子ベクトルは、高い回折効率をもって、主光線および軸外光線を表わす光線１３６０Ａ〜１３６０を回折するように最適化される。回転ｋベクトルの使用は、格子への高効率入力結合を可能にするとともに、ビーム広がり角を最適化して導波管の厚さを最小限に抑えることができるようにする。これは、導波管厚さ、入力格子の角度帯域幅、および、入力格子上の任意の所定の点での視野角度の広がりを釣り合わせることを必要とする。ｋベクトルが回転される際の格子の低い角度応答（表面ピッチは維持される）は出力結合を防止し、それにより、導波管厚さを最小にできる。
図５６は、回転ｋベクトル格子を含む導波管部分５８０を通じた典型的な光線の伝搬を示す概略図である。点ＸおよびＹを隔てる寸法は、導波管の４５°ＴＩＲ角度における導波管厚さのほぼ２倍である。伝搬経路が光線１３７０〜１３７１によって示される。点Ｘは、光線１３７０が格子へと結合する点に対応する。主光線角度は、格子のＦＷＨＭ角度帯域幅以上の大きさだけ変えるために必要とされる場合がある。点Ｙでは、光線角度がオフブラッグである。そのため、相互依存の出力結合がＹで得られない。設計目的は、最大入力結合をＸで確保すると同時に、ｚに沿う距離を設計して角度ダイバーシティを最小にし、位置Ｙで相互にアウトカップリングを伴わずに格子厚さを最小限に抑えることができるようにすることである。
図５７〜図５９は、射出瞳拡大を直交方向で与えるためにｋベクトル回転を使用する実施形態の斜視図を示す。図５７は、ＨＢＥ５９０およびＶＢＥ５９１を示す平面図である。図５８は、ＨＢＥおよびＶＢＥの概略側面図を示す。図５９は、導波管の内側のビーム伝搬を示すＨＢＥの展開図を示す。デカルトＸＹＺ座標系が基準のために与えられる。ＨＢＥの損失性出力格子が５９２により示される。入力格子が５９３により示される。入力格子および出力格子は、共通の表面格子ピッチを有する。ＨＢＥに沿うＺ＝０およびＺ＝Ｌでは、ＶＢＥ内で高い入力結合を有することが望ましい場合がある。限界Ｚ＝Ｌに近づくにつれて角度ダイバーシティが減少するため（角度ダイバーシティが１／Ｌとしてスケーリングする）、格子厚さを増大させることができる。これは、Ｚ＝Ｌでのビーム充填ＷがＺ＝０におけるよりもかなり大きく、それにより、厚さｔを有するＶＢＥにインカップリングされる光がインカップリング後に導波管内でより大きな格子相互作用を受けるため、有益である。より厚い格子は、アウトカップリングを減少させる。角度ダイバーシティを使用してＶＢＥの厚さを微調整できる。
図６０〜図６２は、図５７〜図５９に示される導波管を製造するための装置を示す。図６０を参照すると、６００Ａ〜６０２Ｃなどの光線１３９０Ａに沿う全ての点は、同一の表面格子ピッチと平行なｋベクトルとを有さなければならない。ｋベクトルは、ｚ軸に対して直交する面内で回転される。図６０は、密着印画プロセスを使用してＨＢＥを製造するための装置を示す。図６１Ａは、コーン形状レンズの幅広端が上側に位置づけられるＨＢＥ５９０のＺ＝Ｌ端の断面を示す。図６１Ｂはレンズの平面図を示す、また、図６１Ｃは、レンズの幅狭端が上側に位置づけられるＨＢＥのＺ＝０端を示す。格子層が６１１により示され、また、回転された格子が詳細６１２により示される。レンズに入射する視準された記録ビームの経路が１３９１，１３９３によって示される。回転される格子を形成するために使用される収束光線が１３９２，１３９４により示される。レンズは屈折要素として示される。１つの実施形態では、等価な処方の回折レンズが使用されてもよい。コーン形状レンズ密着印画セットアップは、記録段階で補償される必要があり得るホログラフィック軸外収差を克服するために注意深い配慮を必要とする場合がある。
図６２は、頂点６２０および底辺６２１の円錐からの円錐断面の形成を示す。円錐は、切断された光学素子およびカットラインを示す図６２Ａにおいて側面図で示されるとともに、同様に切断された光学素子を示す図６２Ｂにおいて正面図で示される。カットラインに沿って底辺から投影された切断光学素子の図が図６２Ｃに示される。円錐断面は、円錐縁と平行に切断することにより得られる。このとき、ｚ軸と平行な光線は、ｙ軸で偏向されないまま（すなわち、屈折成分を伴わない）である。ｘ軸での偏向（屈折）の大きさは、光線がｙ軸に衝突する位置の関数である。
図６３〜図６６はｋベクトル回転の原理を示す。図６３は、本発明の原理にしたがった導波管の基本構造を示す。導波管６３０は、入力格子６３１と出力格子６３２とにグループ分けされ得る複数の格子薄板を備える。各ブラッグ格子と関連付けられるいずれの場合にも、６３３，６３４により示される表面格子が存在する。入力画像光が視準ビーム１４００〜１４０２により表わされ、この場合、文字Ａ，Ｂは各ビームの過度な光線を示す。対応する出力画像光は、過度な光線を同様に示す文字Ａ，Ｂを伴う３つの視準ビーム１４１０〜１４１２によって表わされる。出力ビームは、前述したように導波管に沿う光の抽出に起因して大きく拡大された瞳を有する。一般に、出力格子は、非常に長く、導波管の長さの大部分にわたって延びる。特定の実施形態に関して説明されたＤＩＧＩ−Ｉ格子およびＨＢＥ−Ｉ格子は入力格子の例であり、一方、ＤＩＧＩ−Ｏ格子およびＨＢＥ−Ｏ格子は出力格子の例である。各クループでは、複数の格子が互いに隣接して積層されあるいは層状に配置されてもよい。図６４は、入力格子６３５Ａ〜６３５Ｃが積層される導波管の図である。各格子は固有のｋベクトル６３６Ａ〜６３６Ｃを有する。ｋベクトル６３６Ａは、ビーム方向１４０１に中心付けられる視野に関して高い回折効率を与えるようになっている。ｋベクトル６３６Ｂ，６３６Ｃは、入射ビーム方向１４００，１４０２のそれぞれの付近で高い回折効率に関して最適化される。したがって、入力画像は、複数の角度間隔へとサンプリングされる。各角度間隔は、全瞳の一部分である有効射出瞳と関連付けられる。
図６５に示される１つの実施形態では、入力格子が導波管伝搬方向に沿って互いに隣接して配置される。導波管が６３７Ａ〜６３７Ｃにより示され、ｋベクトルが６３８Ａ〜６３８Ｃにより示される。本発明は、導波管伝搬方向に沿うｋベクトルの変化する方向性を表わすために「回転ｋベクトル」という用語を作った。
図６４〜図６５に示される原理は、図６６に示される出力格子に適用されてもよい。ここで、出力格子は、ｋベクトル６４０Ａ〜６４０Ｃを伴う６３９Ａ〜６３９Ｃなどの複数の隣接して配置される格子を備える。本発明の別の実施形態では、出力格子が図６４の原理に基づく積層格子から構成されてもよい。
画像を表示する方法は、本発明の基本原理にしたがった本発明の１つの実施形態であり、図６７のフロー図に示される。フロー図を参照すると、方法は以下のステップを備えてもよい。
ステップ６５０では、光を第１の方向に伝搬するための第１の光学基板と、光を第２の方向で伝搬するための第２の光学基板と、入力画像ノード（ＩＩＮ）とを設け、第１および第２の光学基板は少なくとも１つの導波層を備え、少なくとも１つの導波層のそれぞれが少なくとも１つの格子薄板を備え、少なくとも１つの格子薄板が受動モードＳＢＧを備える。
ステップ６５１では、ＩＩＮを使用して画像変調光を与える。
ステップ６５２では、画像光を第１の光学基板へ結合し；
ステップ６５３では、第１の光学基板から第１の方向に沿って光を抽出し；
ステップ６５４では、画像光を第２の光学基板へ結合し；
ステップ６５５では、第１の光学基板から第２の方向に沿って光を抽出し；
ステップ６５６では、ディスプレイのための画像光を与える。
幾つかの実施形態の概要
本明細書中で与えられる少なくとも幾つかの実施形態は、別個の垂直および水平のビーム拡大導波管を使用して、拡大された射出瞳（または、アイボックス）を与える。各導波管は入力ブラッグ格子および出力ブラッグ格子を含む。導波管のそれぞれが複数の導波層を備えてもよい。カラー実施形態では、各原色ごとに別個の単色導波管が使用されてもよい。色を与えるための他の選択肢は、異なる色処方を有するホログラムが重ね合わされる多重格子を導波管へ記録することである。
視準された画像光が、マイクロディスプレイおよび視準光学素子により規定される視野（ＦＯＶ）を有する水平ビーム拡大導波管へ供給される。本発明は、伝統的な光学レンズ−ミラー構造から回折（ホログラフィック）光学素子に完全に基づく更にコンパクトな構造にまで及ぶ多くの異なる方法で入力光学素子または「結合」光学素子を構成できるようにする。
水平ビーム拡大導波管は損失性である。すなわち、水平ビーム拡大導波管は、導波管からその長さに沿って光を均一に抽出するようになっている。その後、抽出された光は、垂直拡大導波管へと結合される。
同様に損失性の垂直拡大導波管は、垂直および水平に拡大される射出瞳を与えるべくビーム拡大を完了する。
本発明の固有の特徴は、受動格子を使用して前述した全てを達成できることである（しかしながら、幾つかの用途においては、切り換え可能な格子の使用が依然として随意的である）。従来の受動格子は役に立たない。受動ＳＢＧを使用する主な利点は、格子の屈折率変調を非常に低い値から非常に高い値まで対応して広い範囲の回折効率をもって調整できるという点である。ＳＢＧの高屈折率変調は、ブラッグフリンジを形成する高分子リッチ領域とＬＣリッチ領域とが交互に入れ替わる帯域に起因する。
損失性格子は従来技術で知られているが、本発明は、格子にわたって厚さ（および変調）を変えることによって導波管からの効率的で均一な抽出を達成するという点で独特である。その最も簡単なケースにおいて、これは、ホログラム厚さが伝搬方向で増大するように（セル壁を傾けることによって）楔状格子を形成することを伴う。一般的に、格子厚さが１．０〜１．２ミクロンから最大で２．８〜３．０ミクロンまで変化してもよく、下側の厚さが最も低い効率（最大の角度帯域幅）をもたらす。本発明は、２つの楔角度を使用して、厚さを直交方向で変えることによって、あるいは、より一般的な態様では格子の一方または両方の面に曲率を適用することによって、より洗練された抽出制御を可能にする。
ビーム拡大格子の更なる固有の特徴は、それらを非常に薄く（３ミクロンをはるかに下回る）することができ、それにより、非常に広い回折効率角度帯域幅をもたらすことができ、その結果、ＦＯＶが広くなるという点である。厚さおよび屈折率変調を最適化することにより、ディスプレイで必要な所要の格子特性の全て、すなわち、格子への結合のための非常に高い効率、および、ビーム拡大に必要な効率的で均一な抽出のための大きなダイナミックレンジを満たすことができる。
画像転送の効率の悪さや形状因子に影響を及ぼす本発明の極めて重要な特徴は、画像サンプリングの使用である。ＦＯＶが幅広い画像光の導波管への結合は、通常、導波管下に効率的に伝搬され得る限られた角度範囲に起因して、画像角度内容の何らかの損失をもたらす。この光の一部は、導波管から結合されて出てもよい。本発明は、入力画像を複数の角度間隔へサンプリングすることによってこの問題を克服し、それぞれの角度間隔は、全瞳のサイズの一部である効果的な射出瞳を有し、導波管の厚さがそれに対応して減少される。
独自に、本発明は、各導波管の入力および出力で導波管に沿う回転ｋベクトルを伴って固定周波数表面格子を組み合わせる。表面格子は、ブラッグフリンジと基板縁部との交わりであり、導波管の基本的な光線光学素子に（ほぼ）相当する。ｋベクトルは、ブラッグ格子に対して垂直な方向であり、格子の回折効率対角度特性に相当する。導波管伝搬方向に沿ってｋベクトル方向を変える（ｋベクトル回転）ことにより、第１に、導波管への画像光の効率的な結合を行うことができ、第２に、インカップリング時に必要な全ての角度内容が高い効率をもって導波管下に伝えられるようにすることができる。ｋベクトル回転は、望ましくは、前述した格子厚制御によって増補される。我々の知る限りでは、この原理は従来技術で適用されない。
カラー撮像に関しては、各導波管の入力格子および出力格子が前述したように同じ表面格子周波数を有するようにすることにより、クロストークがない別個の導波管でカラーを実施することができる。これは、本発明の固有の特徴であると考えられる。
一般に、導波管下の角度内容の伝搬は、以下のうちの１つ以上、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、ｋベクトル回転、表面格子周期、および、ホログラム−基板屈折率差のうちの１つ以上を微調整することにより最適化され得る。
本明細書中に記載される装置および方法は、ＨＭＤ、ＨＵＤ、および、ＨＤＤに適用されてもよい。
典型的な実施形態
本明細書中に記載される装置、システム、および、方法の様々な態様は、以下に与えられる様々な実施形態で更に記載されてもよい。
１つの実施形態において、第１の光学基板は、画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、各部分は角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる。
１つの実施形態において、各光学基板における少なくとも１つの格子薄板は、前記基板に結合される光をＴＩＲ経路へと回折するようになっている入力格子と、前記ＴＩＲ経路からの光を回折して前記基板から出すようになっている出力格子とを備える。
１つの実施形態において、前記第２の基板からの抽出は、導波層の前面を通じて行われる。
１つの実施形態において、前記第２の基板からの抽出は、導波層縁部を通じて行われる。
１つの実施形態において、第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、第１の基板の前面に対してほぼ直交する平面内にある。
１つの実施形態において、第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、第１の基板の前面に対してほぼ平行な平面内にある。
１つの実施形態において、導波層は透明な誘電体である。
１つの実施形態では、導波層が単色光を伝搬する。
１つの実施形態において、第１、第２、および、第３の導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬する目的で第１または第２の基板のうちの少なくとも一方に設けられる。
１つの実施形態において、第１および第２の導波層は、赤色光および青色・緑色混合光を伝搬する目的で第１または第２の基板のうちの少なくとも一方に設けられる。
１つの実施形態において、第１または第２の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、半波長膜を間に挟む。
１つの実施形態において、第１または第２の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、空隙を間に挟む。
１つの実施形態において、第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも２つの異なる単色処方の格子を多重化する。
１つの実施形態において、前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも２つの異なる色の格子を多重化する。
１つの実施形態では、第１の基板が第１の方向に沿う瞳拡大を行い、第２の基板が第２の方向に沿う瞳拡大を行う。
１つの実施形態において、第１および第２の基板から抽出される光は、任意の視野方向で均一の照明を行う。
１つの実施形態において、第１の基板または第２の基板のうちの少なくとも一方における各格子は、第１および第２の回折状態を有する。第１の回折状態は高い回折効率によって特徴付けられ、また、第２の回折状態は低い回折効率によって特徴付けられる。
１つの実施形態において、回折状態は、格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、非回折状態は、電界が加えられないときに存在する。
１つの実施形態において、非回折状態は、格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、回折状態は、電界が加えられないときに存在する。
１つの実施形態では、第１および第２の伝搬方向が直交する。
１つの実施形態において、基板のうちの少なくとも１つが少なくとも１つの直交面内で湾曲される。
１つの実施形態において、導波層のうちの少なくとも１つがビームスプリッタ薄板を含む。
１つの実施形態では、第１の基板または第２の基板のいずれかの導波層の少なくとも１つの前面に１／４波長膜が加えられる。
１つの実施形態では、第１の基板または第２の基板のいずれかの導波層の少なくとも１つの前面に反射薄膜コーティングが塗布される。
１つの実施形態において、第１の結合手段は、第１の基板の一部とほぼ重なり合う少なくとも１つの格子薄板を備える。
１つの実施形態において、第１の結合手段は、導波層内に配置される少なくとも１つの格子薄板を備える。
１つの実施形態では、第１の結合手段が少なくとも１つの格子薄板を備える。各格子薄板が異なる処方の少なくとも２つの多重格子を備える。各格子薄板が第１の基板の一部とほぼ重なり合う。
１つの実施形態において、第２の結合手段は、第１の基板とほぼ重なり合う少なくとも１つの格子薄板を備える。
１つの実施形態では、第２の結合手段が少なくとも１つの格子薄板を備える。各格子薄板が２つの異なる処方の少なくとも２つの多重格子を備える。各格子薄板が第１の基板の一部とほぼ重なり合う。
１つの実施形態では、第２の結合手段が第２の基板内に配置される。
１つの実施形態において、第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、基板の前面とほぼ平行な平面内にあり、第１の基板格子が第２の結合手段を与える。
本発明は、ＨＭＤ、ＨＨＤ、または、ＨＵＤの１つのアイピースを提供するために使用されてもよい。
１つの実施形態では、第１または第２の基板における少なくとも１つの格子が屈折力をエンコードする。
１つの実施形態では、第２の基板がウインドスクリーン内に埋め込まれる。
１つの実施形態において、導波層は、ナノ多孔性膜と接触する少なくとも１つの前面を有する。
本発明の原理にしたがったディスプレイはアイトラッカーを更に備えてもよい。
本発明の原理にしたがったディスプレイはビーム均一化器を更に備えてもよい。
１つの実施形態において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子を備える。
１つの実施形態では、格子薄板が切り換え可能なブラッグ格子である。
１つの実施形態において、第１または第２の基板のうちの少なくとも一方で使用される格子薄板は、ＨＰＤＬＣ材料に記録される切り換え不能なブラッグ格子である。
本明細書中に記載される幾つかの実施例では、ＨＰＤＬＣ材料の代わりに、ＰＯｌｙｍｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ ＣＲＹｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｌｉｃｅ（「ＰＯＬＩＣＲＹＰＳ」）が使用されてもよい。
ＨＰＤＬＣ材料は、ＬＣリッチな材料（例えば、高いＬＣ濃度および低い高分子濃度）の帯域と高分子リッチな材料（高い高分子濃度および低いＬＣ濃度）の帯域とを交互に入れ替えることによって特徴付けられてもよい。ＬＣは多くの場合に液滴形態を有するため、ＨＰＤＬＣは、２つの問題、すなわち、ＬＣ液滴からの散乱と、低い格子定数（最終的に、ピーク回折効率を制限する場合がある）とに見舞われる場合がある。新たな類の材料は、その例がＰＯＬＩＣＲＹＰＳであるが、先の問題の両方を克服するより均一な形態を与えるためにＬＣと高分子とを組み合わせる。格子は、ＨＰＤＬＣで生じる拡散プロセスに類似する拡散プロセスによって形成されるが、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳにおける最終結果は、均一な高度に位置合わせされたＬＣと均一な高分子とが交互に入れ替わる帯域を備える格子であってもよい。微粒子散乱損失は、ＬＣ液滴の欠如によって、完全とまではいかなくても、ほぼ除去され得る。格子は、バルクＬＣ複屈折により設定される理論的限界に近い屈折率変調を伴う非常に高いコントラストを有し得る。結果として、約９８％という高い（あるいは、ある場合には、更に高い）回折効率値を容易に得ることができる。
実用的なディスプレイにおける対象範囲をカバーする格子ピッチを困難なく得ることができ、実際に、１つの実施形態では、材料が０．２ミクロン程度の小さいピッチおよび１５ミクロン程度の高いピッチを維持してもよい。電気光学的には、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳは従来のＨＰＤＬＣに類似し得る。ある場合には、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳの切り換え速度はＨＰＤＬＣよりも高い場合があり、また、切り換え電圧は、ＨＰＤＬＣの切り換え電圧に少なくとも等しいあるいはそれよりも低い。１つの実施形態では、ＨＰＤＬＣ格子と同様に、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳ格子が、透過および反射の両方で利用されてもよく、また、導波管で実施されてもよい。ＰＯＬＩＣＲＹＰＳにおけるホログラフィック記録プロセスは、ＨＰＤＬＣにおけるそれと同じであってもよく、また、標準的な市販のモノマーおよびＬＣを伴ってもよい。１つの実施形態において、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳの１つの難問は、高温プロセスが必要とされる場合があるという点である。この実施形態において、温度は、等方性混合を維持するとともに露光中の等方性−ネマチック移行を防止するように十分高くなければならない。
ＰＯＬＩＣＲＹＰＳはＬＩＣＲＹＬ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＩＰＣＦ−ＣＮＲ），Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，カラブリア大学，イタリア）で開発された。ＰＯＬＩＣＲＹＰＳの一例は、その全体が参照することにより本源に組み入れられるＣａｐｕｔｏ，ＲらのＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１，２００６年３月，３８〜５０頁に記載される。ＰＯＬＩＣＲＹＰＩＳの更なる詳細は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる２００７年１月２５日に公開された「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｉｔｓ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ Ｉｔ」と題されるＣａｐｕｔｏ，Ｒらによる米国特許出願第２００７／００１９１５２号明細書において見出され得る。
使用されてもよい他の均一形態格子技術は、Ｆｒａｕｎｈｏｆｆｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｐｏｔｓｄａｍ（ドイツ）によって開発されたＰＯｌｙｍｅｒ ＬＩｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｈｏｌｏｇｒａｍｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｍａｎａｇｅａｂｌｅ（「ＰＯＬＩＰＨＥＭ」）である。１つの実施形態において、ＰＯＬＩＰＨＥＭは、基本形態学的および電気光学的にはＰＯＬＩＣＲＹＰＳに類似する。ＰＯＬＩＣＲＹＰＳよりもＰＯＬＩＰＨＥＭの方を使用する１つの利点は、ＰＯＬＩＰＨＥＭが、ある場合に、材料配合でＬＣおよびモノマーの特性および比率を最適化することによってＰＯＬＩＣＲＹＰＳで必要とされる高温プロセスを回避し得るという点である。ＰＯＬＩＰＨＥＭ格子を製造するための材料および方法の詳細は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる２００６年１月に公開された「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，Ｔｕｎａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」と題されるＳｔｕｍｐｅ，Ｊらによる国際特許公開第２００６００２８７０（ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０）号明細書において見出され得る。
１つの実施形態では、本明細書中に記載される格子が高い回折効率および幅広い角度帯域幅の両方を与えることが望ましい場合がある。しかしながら、１つの実施形態において、これらの２つの目標は、幅広い角度帯域幅が格子が薄くなければならないことを意味するが、厚さが減少されるにつれて薄い格子が回折効率の漸進的な減少に見舞われ得るという点において対立する。１つの解決策は、各格子がその真下の格子からの０次光を回折し得るように複数の薄い格子を積層することであり、それにより、最終的に、入力光の大部分を回折することができる。幾つかの実施形態では、格子層がスペーサによって分離されてもよい。そのような層状格子構造は、基本的なビルディングブロックのような薄い格子を使用することによってもたらされるかなり幅広い帯域幅という少なくとも１つの利点を伴う厚いあるいはボリューム（すなわち、ブラッグ）格子による回折と同等であると見なされてもよい。
１つの実施形態において、薄い格子は、望ましくは、高次回折を回避するために（ラマンナス形態にしたがった薄い格子ではなく）ブラッグ形態で作用してもよい。１つの実施形態では、薄い格子がラマンナス形態で作用する場合、回折次数のそれらが層間を伝搬する際の相対的な位相整合が＋１次の固有の切り欠き状の回折応答をもたらす（ブラッグ入射の場合において）ようにするために、厚さおよびピッチの注意深い最適化が使用されてもよい。他の実施形態において、ブラッグ格子は、層状体積ホログラフィック光学素子（ＳＶＨＯＥ）として知られる層状格子構造で記録されてもよい。ＳＶＨＯＥの一例は、その全体が参照することにより本願に組み入れられるＮｏｒｄｉｎ，Ｇ．ら，Ｊ．ＯｐｔＳｏｃ．Ａｍ．Ａ．，Ｖｏｌ．９，ＮＯ．１２，１９９２年１２月，２２０６〜２２１７頁に記載される
本発明のより完全な理解は、同様の参照符号が同様の部分を示す添付図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することによって得ることができる。明確にする目的で、本発明に関連する技術分野において知られる技術的材料に関する詳細については詳しく記載しなかった。
更なる実施形態
以下の実施形態は、その全体が参照することにより本願に組み入れられる２０１３年４月２日に出願された仮出願第６１／８４９，８５３号の特許請求の範囲から引用される。
１．画像を表示するための装置において、画像変調光を与えるための入力画像ノードと、少なくとも１つの導波層を備える第１の光学基板であって、前記導波層のそれぞれが光を第１の方向で伝搬し、前記導波層のそれぞれが光を前記第１の基板から前記第１の方向に沿って抽出するようになっている少なくとも１つの格子薄板を備える、第１の光学基板と、少なくとも１つの導波層を備える第２の光学基板であって、前記導波層のそれぞれが光を第２の方向で伝搬し、前記導波層のそれぞれが光を前記第２の基板から前記第２の方向に沿って抽出するようになっている少なくとも１つの格子薄板を備える、第２の光学基板と、前記画像変調光を前記第１の基板へ結合するための第１の光学手段と、前記第１の基板から抽出された光を前記第２の基板へ結合するための第２の光学手段とを備える、装置。
２．前記第１の光学基板が前記画像変調光の一部分を選択的にサンプリングし、前記各部分は角度領域または空間領域のいずれかによって特徴付けられる実施形態１の装置。
３．前記各光学基板における前記少なくとも１つの格子薄板は、前記基板に結合される光をＴＩＲ経路へと回折するようになっている入力格子と、前記ＴＩＲ経路からの光を回折して前記基板から出すようになっている出力格子とを備える実施形態１の装置。
４．前記第２の基板からの前記抽出は、導波層の前面を通じて行われる実施形態１の装置。
５．前記抽出は、導波層縁部を通じて第２の基板から行われる実施形態１の装置。
６．前記第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面に対してほぼ直交する平面内にある実施形態１の装置。
７．前記第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面に対してほぼ平行な平面内にある実施形態１の装置。
８．前記導波層が透明な誘電体である実施形態１の装置。
９．前記導波層が単色光を伝搬する実施形態１の装置。
１０．第１、第２、および、第３の導波層は、赤色光、緑色光、および、青色光を伝搬するために前記基板のうちの少なくとも一方に設けられる実施形態１の装置。
１１．第１および第２の導波層は、赤色光および青色・緑色混合光を伝搬するために前記基板のうちの少なくとも一方に設けられる実施形態１の装置。
１２．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、半波長膜を間に挟む実施形態１の装置。
１３．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方の導波層は、空隙を間に挟む実施形態１の装置。
１４．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも２つの異なる単色処方の多重格子を備える実施形態１の装置。
１５．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における格子薄板は、少なくとも２つの異なる色の多重格子を備える実施形態１の装置。
１６．前記第１の基板が前記第１の方向に沿う瞳拡大を行い、前記第２の基板が前記第２の方向に沿う瞳拡大を行う実施形態１の装置。
１７．前記第１および第２の基板から抽出される前記光は、任意の視野方向で均一の照明を行う実施形態１の装置。
１８．前記第１の基板または第２の基板のうちの少なくとも一方における前記各格子が第１の回折状態を有し、前記第１の回折状態が高い回折効率によって特徴付けられ、前記第２の回折状態が低い回折効率によって特徴付けられる実施形態１の装置。
１９．前記回折状態は、前記格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、非回折状態は、電界が加えられないときに存在する実施形態１７の装置。
２０．前記非回折状態は、前記格子にわたって電界が加えられるときに生じ、また、回折状態は、電界が加えられないときに存在する実施形態１７の装置。
２１．前記第１および第２の伝搬方向が直交する実施形態１の装置。
２２．前記基板のうちの少なくとも１つが少なくとも１つの直交面内で湾曲される実施形態１の装置。
２３．前記導波層のうちの少なくとも１つがビームスプリッタ薄板を含む実施形態１の装置。
２４．前記第１の基板または前記第２の基板のいずれかの前記導波層の少なくとも１つの前面に１／４波長膜が加えられる実施形態１の装置。
２５．前記第１の基板または前記第２の基板のいずれかの前記導波層の少なくとも１つの前面に反射薄膜コーティングが塗布される実施形態１の装置。
２６．前記第１の結合手段は、前記第１の基板の一部とほぼ重なり合う少なくとも１つの格子薄板を備える実施形態１の装置。
２７．前記第１の結合手段は、前記導波層内に配置される少なくとも１つの格子薄板を備える実施形態１の装置。
２８．前記第１の結合手段が少なくとも１つの格子薄板を備え、前記各格子薄板が２つの異なる処方の少なくとも２つの多重格子を備え、前記各格子薄板が前記第１の基板の一部とほぼ重なり合う実施形態１の装置。
２９．前記第２の結合手段は、前記第１の基板とほぼ重なり合う少なくとも１つの格子薄板を備える実施形態１の装置。
３０．前記第２の結合手段が少なくとも１つの格子薄板を備え、前記各格子薄板が２つの異なる処方の少なくとも２つの多重格子を備え、前記各格子薄板が前記第１の基板とほぼ重なり合う実施形態１の装置。
３１．前記第２の結合手段が前記第２の基板内に配置される実施形態１の装置。
３２．前記第１の基板における格子薄板の格子ベクトルは、前記基板の前面とほぼ平行な平面内にあり、前記第１の基板格子が前記第２の結合手段を与える実施形態１の装置。
３３．前記装置は、ＨＭＤ、ＨＨＤ、または、ＨＵＤの１つのアイピースを形成する実施形態１の装置。
３４．前記基板における少なくとも１つの格子が屈折力をエンコードする実施形態１の装置。
３５．前記第２の基板がウインドスクリーン内に埋め込まれる実施形態１の装置。
３６．導波層は、ナノ多孔性膜と接触する少なくとも１つの前面を有する実施形態１の装置。
３７．アイトラッカーを更に備える実施形態１の装置。
３８．ビーム均一化器を更に備える実施形態１の装置。
３９．前記入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、レーザ、および、視準光学素子を備える実施形態１の装置。
４０．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板がＳＢＧである実施形態１の装置。
４１．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板は、ＨＰＤＬＣ材料に記録される切り換え不能なブラッグ格子である実施形態１の装置。
４２．前記第１または第２の基板のうちの少なくとも一方における前記格子薄板は、逆方向モード材料に記録されるＳＢＧである実施形態１の装置。
引用文献
以下の特許出願は、それらの全体が参照することにより本願に組み入れられる。
出願人の整理番号ＳＢＧ１０９によっても参照されるＷＩＤＥ ＡＮＧＬＥ ＣＯＬＯＵＲ ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹと題される本発明者らによる２０１２年４月２５日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／６８７，４３６号明細書；
出願人の整理番号ＳＢＧ１１３Ａによっても参照されるＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡＹ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＩＭＡＧＥ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹと題される本発明者らによる２０１２年４月２５日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／６８９，９０７号明細書；
ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥと題される２００８年７月２２日の国際出願日を有するＰＣＴ出願第ＵＳ２００８／００１９０９号明細書；
ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ Ａ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＤＩＳＰＬＡＹと題されるＰＣＴ出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号明細書；
ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹと題されるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００１９８２号明細書；
出願人の整理番号ＳＢＧ１０４によっても参照されるＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳと題される本発明者らによる２０１２年８月２４日の出願日を有する米国仮特許出願第６１／５７３，０６６号明細書；
ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＲＥＤＵＣＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＳＰＥＣＫＬＥと題される本発明者らによる２０１０年１１月２日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００２０２３号明細書；
ＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹと題される２０１０年４月２６日の国際出願日を有する（出願人の整理番号ＳＢＧ０７３ＰＣＴによっても参照される）ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００８３５号明細書；
２０００年９月５日に発行されたＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭと題される米国特許第６，１１５，１５２号明細書；
２０１２年１１月２０日の出願日を有するＣＯＭＰＡＣＴ ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＤＥＳＰＣＫＬＥＲと題される米国仮特許出願第６１／７９６，７９５号明細書。
更なる例
図６８は、構造の単色バージョンの光線トレースである。図６９は、図６８のＩＩＮのおおよその寸法を示す。図７０は、図６９の光学レイアウトの展開図を与える。
ＩＩＮ絞りは、入力照明のプロファイルを制御することによって形成される。現在、投影光学素子に硬質な物理的絞りは存在しない。投影絞りの利点は、導波管厚さの減少である。絞りは、ＶＢＥ内の開口直径を最小にするためにＨＢＥの上方途中に投影され、そのため、ディジレンズ導波管結合器に対するＶＢＥの開口幅が最小になる。すなわち、第１軸拡大器の幅の減少が、第２軸拡大光学素子の厚さを制限する。図７１Ａおよび図７１Ｂは、マイクロディスプレイ投影光学素子の簡略化された薄いレンズ表示を使用するＨＢＥの内側の投影絞りの形成を示す。
１つの実施形態において、ＳＢＧ層の下側の段階的反射プロファイルは、長さに沿う格子ＤＥ変化を制御する（あるいは助ける）ために使用される（通常、屈折率変調を用いてＳＢＧ格子で達成される）。これは、低い割合の光が第１の跳ね返りでアウトカップリングされるが高い割合が導波管の他端でアウトカップリングされる場合には、ＨＢＥなどのケースで有益となり得る。
縞模様のＨＢＥを使用する実施形態
１つの実施形態では、ＨＢＥがその入力端に結合格子を備え、また、２つの異なる処方の交互に入れ替わるＳＢＧ縞が図７２に示される面内で４５°で傾けられる。縞が等間隔で示されるが、それらのサイズおよび間隔は、より良好な照明および画像サンプリング制御のために変えられてもよい。しかしながら、縞は、これがＭＴＦに影響を及ぼす場合があるため、非常に狭く形成されるべきではない。一般に、縞の幾何学的形態は、注意深い最適化を必要とする場合がある。これは、例えば、瞳に位相差をもたらす場合がある縞の先端からの光線が存在するからである。入力ＳＢＧは大きな角度帯域幅と高い効率とを必要とし、一方、ディジレンズ受動格子は損失性である。格子の角度帯域幅は著しい中心−縁部間変化を有するが、受動格子からの抽出は、より多くの光が抽出ビームの中心から回折され、それにより、導波管の端部で照明プロファイルの効果的な反転がもたらされるように見出される。この効果は、照明プロファイル全体の釣り合わせで利益を得るべく使用され得る。図７３は、射出瞳への経路に沿って生じる４つの方向変化を示すディジレンズの単層を通じたＩＩＮからのビーム伝搬を示す。光路には数字１〜７が付される。
ＦＯＶ、アイボックス、および、瞳距離の幾何学的性質
提案されたヘルメットマウントディスプレイのニアアイの幾何学的性質が、図７４の平面図、図７５の側面図、および、図７６の正面図に示されている。図７７には、ＦＯＶ、瞳距離、および、アイボックスに対するディジレンズ（登録商標）開口の関係も示される。なお、ディジレンズ（登録商標）開口は、瞳距離に伴って拡大縮小する。
両眼重なり
図７８および図７９に示されるように、部分的な両眼重なりは、収束光学素子または発散光学素子を使用して与えられ得る。いずれの場合にも、両眼重なりは、最大で１．４倍のコントラストの向上を与えることができる。収束重なりは、両眼の対立を回避するためにより良い場合がある。非常に粗いガイドとして、ほとんど広角機能は低い重なりのみを必要とする場合があり、一方、ほとんど拡大機能（一般的には、腕の長さ）は高い重なりを必要とする場合がある。一般に、ＦＯＶに関する公表データ対作業成果は、しばしば逸話的であり、あるいは、わずかな特定のサンプルに限定される。１つの適用領域から他の適用領域へのデータの外挿は、危険となり得る。特定のタイプのディスプレイに関してＦＯＶと作業成果との間のトレードオフを検討する研究は存在しない。その結果、アイボックス、幾何学的な歪み、形状因子などの影響が文献に全く反映されない。眼は、衝動性眼球運動範囲（０°から最大で約±１０°〜±１５°）内にとどまる傾向がある。この範囲から外れると、頭部は、画像を再び中心付けるように移動する傾向がある。頭部追跡器が設けられる場合には、全ての重要な情報はサッカード領域に関するものでなければならない。幾つかの用途は、適切な外周のキュー表示と中心の画質との間の釣り合いを必要とする。ある研究は、両眼重なりが約２０°を下回る場合に、ルーニング（重なり領域の縁部付近でのシャドーイング）などの結果をもたらす両眼対立がかなりの数のユーザに関して問題となり始めることを示唆する。２０〜２５の範囲のＨＷＤ重なりが、両眼対立の危険を最小限に抑えつつ水平視野全体を最大するために選択されてきた。
内側瞳孔間距離（ＩＰＤ）
内側瞳孔間距離（ＩＰＤ）目標は、成人人口の大部分（９０％）において内側瞳孔間距離調整を有さないようになっている。成人人口の９０％以上が、５７ｍｍ〜７０ｍｍ（±６．５ｍｍ範囲）の範囲のＩＰＤを有する。眼の横揺れ（ｅｙｅ ｒｏｌｌ）±２０°に起因する瞳位置変化は±４．５ｍｍである。ヘルメット配置／バイザースリップの許容範囲（バジェット）は±６．４ｍｍである。アライメントは、式：アライメント＝√［（ＩＰＤ９０％＋Ｅｙｅ Ｒｏｌｌ）２＋Ｓｌｉｐ２］＝√［（６．３ｍｍ＋４．５ｍｍ）２＋６．４ｍｍ２］＝＋／−１２．５＝２５．０ｍｍ幅広いアイボックスを使用して推定されてもよい。なお、ＩＰＤが範囲から外れた人口の１０％においては、十分な視野ビジョンが与えられる。最適なアライメントのため、視野の一方側だけが一方の眼のみに関して失われる。他方の眼は、依然として視野の他方側を見る。すなわち、人口の９０％が１００％の重なりを得る。人口の残りの１０％（５２ｍｍ〜７５ｍｍＩＰＤの範囲内）は、ＩＰＤおよびディスプレイアライメントに依存する何らかの重なりを伴って視野の１００％を得る。結論として、２５ｍｍ幅のアイボックスは、上記アライメントパラメータをとる調整を何ら伴わずに人口の９０％を受け入れることができるようにする。眼に対するバイザー／ヘッドギアのアライメント許容範囲の向上は、必要に応じて、アイボックス寸法の減少を可能にする。これは、後に、システム輝度に対するトレードオフをなすことができる。
低屈折率材料
効率的な導波は、ＴＩＲビームが低屈折率媒体間に閉じ込められる必要がある。フッ化マグネシウム（１．４６）や二酸化ケイ素（１．３９）などの現在利用できる低屈折率材料の屈折率があまりにも高すぎてＨＭＤのフルカラー実施で必要とされる厳格なＴＩＲ角度制約を満たすことができない状態では、空隙を形成して維持することが難しい。提案された解決策は、ナノ多孔性材料（メソ多孔性シリコン）を使用することである。ナノ多孔性材料（例えば、メソ多孔性シリコン）は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波管を含む多くの光学的用途で使用されている。それらの高い多孔性は、高品質で低い誘電定数の薄膜の形成を可能にする。ナノ多孔性材料は、単一のステップで薄層状に形成され得る。非常に低いほぼ１の屈折率を得るために、多孔性を非常に高くして９５％に近づける必要がある。高い透明性および低い屈折率は、これらの膜と同時に達成できる。それらの膜は、非常に効率的に吸水するため、水分に抗して注意深くシールされなければならない。最良の手法は、受動格子、ＨＷＰ、および、材料を一緒にシールすることであってもよい。ＳＢＧ研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、４０°〜約４５°の水平ＦＯＶを増大させる可能性をもって我々の導波管で維持され得るＴＩＲ角度の範囲を増大する。ナノ多孔性材料は、現在、反射防止コーティングおよび平面光学導波管を含む多くの光学的用途で使用されている。したがって、我々のプロジェクトのために技術を利用しやすいと想定することは道理にかなっている。製造プロセスは、製造ニーズへと変換可能でなければならない。ナノ多孔性材料を単一のコーティングステップで形成できる。あるいは、屈折率が段階的な多層構造を使用できる。ＳＢＧ研究室は、ナノ多孔性材料の高屈折率媒体としての潜在的な役割も研究している。これは、我々の導波管で維持され得るＴＩＲ角度の範囲を増大する。
結論
特許、特許出願、論文、本、専門書、および、ウェブページを含むがこれらに限定されないこの出願で挙げられた全ての文献および同様の資料は、そのような文献および同様の資料の書式にかかわらず、その全体が参照することにより明確に本願に組み入れられる。組み入れられた文献および同様の資料のうちの１つ以上が、所定の用語、用語使用、記載される技術、あるいは、同様のものに限定されないがこれらを含めて、この出願と異なるあるいはこの出願と矛盾する場合には、この出願が優先する。
本技術を様々な実施形態および実施例と併せて説明してきたが、本教示内容がそのような実施形態または実施例に限定されることは意図されない。それどころか、本教示内容は、当業者であれば分かるように、様々な置き換え、変更、および、等価物を包含する。
様々な本発明の実施形態を本明細書中で説明して図示してきたが、当業者は、本明細書中に記載される機能を果たすためおよび／または本明細書中に記載される結果を得るためおよび／または本明細書中に記載される利点のうちの１つ以上を得るための様々な他の手段および／または構造を容易に想起し、また、そのような変形および／または変更のそれぞれは、本明細書中に記載される本発明の実施形態の範囲内に入ると考えられる。より一般的には、当業者であれば容易に分かるように、本明細中に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、および、形態は、典型的なものであると意図され、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または、形態は、本発明の教示内容が使用される特定の１つ以上の用途に依存する。当業者は、本明細書中に記載される特定の本発明の実施形態と同等の多くの等価物を認識する。したがって、言うまでもなく、前述の実施形態は単なる一例として与えられ、また、添付の特許請求項およびその等価物の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に説明されて特許請求の範囲に記載される以外のやり方で実施されてもよい。本開示の本発明の実施形態は、本明細書中に記載されるそれぞれの個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または、方法へと向けられる。また、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または、方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または、方法が互いに矛盾しなければ、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
また、本明細書中に記載される技術が方法として具現化されてもよく、そのような方法の少なくとも１つの実施例は与えられてしまっている。方法の一部として行われる行為は、任意の適した方法で順序付けられてもよい。したがって、例示された順序と異なる順序で行為が行われる実施形態が構成されてもよく、そのような実施形態は、例示された実施形態で連続的な行為として示される場合であっても、幾つかの行為を同時に行うことを含んでもよい。
本明細書中で規定されて使用される全ての定義は、辞書の定義、参照により組み入れられる文献中における定義、および／または、規定された用語の普通の意味に優って支配するように理解されるべきである。
明細書および特許請求の範囲においてここで使用される不定冠詞「１つの（ａ）」および「１つの（ａｎ）」は、反対のことが明確に示唆されなければ、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。本明細書中に挙げられる任意の範囲は包括的である。
この明細書の全体にわたって使用される用語「ほぼ」および「約」は、わずかな変動を表わして考慮に入れるために使用される。例えば、それらの用語は、±５％以下、例えば±２％以下、例えば±１％以下、例えば±０．５％以下、例えば±０．２％以下、例えば±０．１％以下、例えば±０．０５％以下を示すことができる。
明細書および特許請求の範囲においてここで使用される語句「および／または」は、そのように結合される要素、すなわち、幾つかのケースでは接続的に存在しかつ他のケースでは離接的に存在する要素の「一方または両方」を意味するように理解されるべきである。「および／または」を用いて記載される複数の要素は、同じ態様で、すなわち、そのように結合される要素のうちの「１つ以上」として解釈されるべきである。随意的に、「および／または」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関連するかあるいは関連しないかどうかにかかわらず存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「備える」などの非制約的言語と併せて使用されるときの「Ａおよび／またはＢ」への言及は、１つの実施形態ではＡのみ（随意的にＢ以外の要素を含む）を示し、他の実施形態ではＢのみ（随意的にＡ以外の要素を含む）を示し、更なる他の実施形態ではＡおよびＢの両方（随意的に他の要素を含む）を示すことができる。
明細書および特許請求の範囲においてここで使用される「または」は、先に規定された「および／または」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離するときには、「または」あるいは「および／または」は、包括的に解釈されるべきであり、すなわち、多くの要素または要素のリストのうちの少なくとも１つを含むが複数も含むように、および、随意的には更なるリストに挙げられていない項目も含むように解釈されるべきである。「のうちの１つのみ」または「のうちの正確に１つ」、あるいは、特許請求の範囲で使用されるときの「からなる」などの反対のことが明確に示唆される用語だけは、多くの要素または要素のリストのうちの正確に１つを含むことを示す。一般に、本明細書中で使用される用語「または」は、「いずれか」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、または、「のうちの正確に１つ」などの排他性の用語により先行されるときには、排他的な選択肢（すなわち、１つまたはその他であるが両方ではない）を示すとしてのみ解釈されるべきである。特許請求の範囲で使用されるときの「から本質的になる」は、特許法の領域で使用されるその通常の意味を有するべきである。
１つ以上の要素のリストに関連して明細書および特許請求の範囲においてここで使用される語句「少なくとも１つ」は、要素のリスト内の任意の１つ以上の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するように理解されるべきであるが、必ずしも要素のリスト内で具体的に挙げられたそれぞれ要素および全ての要素のうちの少なくとも１つを含まず、また、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除しない。また、この定義は、「少なくとも１つ」が参照する要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連するかあるいは関連しないかどうかにかかわらず随意的に存在してもよいことを許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または、同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または、同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、１つの実施形態ではＢが存在しない状態で随意的に複数を含む（随意的にはＢ以外の要素を含む）少なくとも１つのＡを示すことができ、他の実施形態ではＡが存在しない状態で随意的に複数を含む（随意的にはＡ以外の要素を含む）少なくとも１つのＢを示すことができ、更なる他の実施形態では随意的に複数を含む少なくとも１つのＡ、および、随意的に複数を含む少なくとも１つのＢ（随意的に他の要素を含む）を示すことができる、などである。
特許請求の範囲において、および、前記明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含む」、「伴う」、「保持する」、「から構成される」、および、同様のものなどの全ての移行句は、非制約的に、すなわち、を含むがこれに限定されないという意味で理解されなければならない。移行句「からなる」および「から本質的になる」だけが、特許審査手続きの米国特許庁マニュアルの節２１１１．０３に記載されるように、閉鎖的移行句または半閉鎖的移行句のそれぞれでなければならない。
特許請求の範囲は、その趣旨で述べられなければ、記載された順序または要素に限定されるように読み取られるべきではない。言うまでもなく、添付の特許請求の範囲および思想から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が当業者によりなされてもよい。以下の特許請求項およびその等価物の思想および範囲内に入る全ての実施形態が要求される。

Claims (12)

  1. 画像を表示するための装置において、
    光を第１の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第１の光学基板であって、前記第１の光学基板の少なくとも１つの前記導波層が、光を前記第１の方向に沿って前記第１の光学基板から抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備える第１の光学基板と、
    前記第１の光学基板から空隙によって分離され、光を第２の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備える第２の光学基板であって、前記第２の光学基板の少なくとも１つの前記導波層が、光を前記第２の方向に沿って前記第２の光学基板から抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備え、前記空隙は直接に前記第１の光学基板及び前記第２の光学基板の間にあり、前記第１の光学基板の前記少なくとも１つの導波層の前記少なくとも１つの格子薄板は光を回折して前記第１の光学基板から出し、光を前記空隙を介し、前記空隙に配置された半波長膜を通って、前記第２の光学基板に導くように構成された第２の光学基板と
    を備え、前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板が受動モードのＳＢＧを備え、
    前記第１の方向と前記第２の方向とは同じ方向であり、前記第１及び第２の光学基板の両方は受動モードのＳＢＧを含み、受動モードにある各ＳＢＧはＰ偏光を回折し、前記半波長膜は前記Ｐ偏光をＳ偏光に変換する、装置。
  2. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの導波路が複数の格子薄板を備え、前記複数の格子薄板のうちの少なくとも２つが同じ表面格子周波数を有する、請求項１に記載の装置。
  3. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板は、順方向モードおよび逆方向モードのうちの少なくとも一方のＨＰＤＬＣ、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳ、ＰＯＬＩＰＨＥＭ、および、ＳＶＨＯＥのうちの少なくとも１つに記録される非切り換えブラッグ格子を備える、請求項１に記載の装置。
  4. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方が複数の導波層を備え、前記複数の導波層のそれぞれは、赤色光、緑色光、青色光、青色／緑色混合光、および、複数の部分視野（ＦＯＶ）のうちの１つ、のうちの少なくとも１つを伝搬するように構成される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの導波層は、重ね合わされた異なる色処方を伴うホログラムを備える、請求項１に記載の装置。
  6. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方における少なくとも１つの導波層が損失性である、請求項１に記載の装置。
  7. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板は、３ミクロン未満の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
  8. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板は、それぞれの光伝搬方向に沿って変化する厚さを有する、請求項１に記載の装置。
  9. 請求項１の装置を備えるデバイスであって、前記デバイスがＨＭＤ、ＨＵＤ、および、ＨＤＤのうちの少なくとも１つの一部である、デバイス。
  10. 画像を表示する方法であって、
    入力画像からの変調光を第１の光学基板へ結合するステップと、
    前記第１の光学基板から光を第１の方向に沿って抽出するステップと、
    前記第１の光学基板から抽出された光を第２の光学基板へ結合するステップとを備え、
    前記第１の光学基板は、光を第１の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備え、前記第１の光学基板の少なくとも１つの前記導波層は、光を前記第１の光学基板から抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備え、
    前記第２の光学基板は、前記第１の光学基板から空隙によって分離され、光を第２の方向で伝搬するように構成される少なくとも１つの導波層を備え、前記第２の光学基板の少なくとも１つの前記導波層は、光を第２の方向に沿って前記第２の光学基板から抽出するように構成される少なくとも１つの格子薄板を備え、前記空隙は直接に前記第１の光学基板及び前記第２の光学基板の間にあり、前記第１の光学基板の前記少なくとも１つの導波層の前記少なくとも１つの格子薄板は光を回折して前記第１の光学基板から出し、光を前記空隙を介し、前記空隙に配置された半波長膜を通って、前記第２の光学基板に導くように構成され、
    前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板が受動モードのＳＢＧを備え、
    前記第１の方向と前記第２の方向とは同じ方向であり、前記第１及び第２の光学基板の両方は受動モードのＳＢＧを含み、受動モードにある各ＳＢＧはＰ偏光を回折し、前記半波長膜は前記Ｐ偏光をＳ偏光に変換する、方法。
  11. 入力画像を複数の角度間隔へとサンプリングするステップを更に備え、前記複数の角度間隔のそれぞれは、瞳全体のサイズの一部分である有効射出瞳を有する、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１および第２の光学基板のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの前記格子薄板の以下のうちの少なくとも１つ、すなわち、格子厚さ、屈折率変調、ｋベクトル、表面格子周期、および、ホログラム基板屈折率差のうちの少なくとも１つを変更することによって画像の表示を向上させるステップを更に備える、請求項１０に記載の方法。
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