JP7035120B2 - ヘッドアップディスプレイのための光導波路、および、その製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、光導波路のための製造技術に関し、限定はされないが、特に、ヘッドアップディスプレイのための導波路の製造に関連する。

ヘッドアップディスプレイは、ユーザの周囲の実際の光景の上に画像を重ねるために、ユーザがそれを通して見る、透明なコンポーネントを利用する。ユーザの眼は、通常の方法で、ユーザの周囲からの光を受け取り、ユーザの眼は、また、ヘッドアップディスプレイシステムから光を受け取り、したがって、両方の画像を一度に見ることができる。

ヘッドアップディスプレイの透明なコンポーネントは、構成要素は、ユーザによって使用されている機器の上の固定位置（例えば、航空機の操縦室）に搭載されるか、または、コンポーネントがユーザの頭と共に動き、したがって、ユーザの眼に対して固定された位置に留まるように、ユーザの頭（例えば、眼鏡のペアとして、または、ヘルメット上）に載せられるかのいずれかであってよい。

ヘッドアップディスプレイの基本的な要件は、画像源からの光を、ユーザが見るために必要な場所に結合することである。これは、典型的には、図１の断面図に示されるような導波路システムを利用して達成される。

導波路１０は、必要とされる波長で光を伝播する光学的な透過性のある材料から形成される。プロジェクタ（例えば、コックピット内、または、ヘルメットに、ユーザの視線から外して取り付けられる）からの画像光（例示の光線１３として示される）が、例えばプリズムなどの結合デバイス１２を用いて、導波路の第１の端部１１に注入される。そして、光線１３は、導波路の面での内部全反射によって案内され、導波路の長さ方向に沿って伝播する。導波路面は、無地であってもよいし、または、性能を向上するためにコーティングされてもよい。光を導波路１０から出てユーザの眼１５に向けるために、必要な場所に、出力結合構造１４が設けられる。図１は縮尺通りに描かれておらず、出力結合構造は、その存在および概略の構造を説明するために大きく拡大して示される。図示されるような反射結合構造は、典型的には、ミクロンのスケールである。光線１６によって示されるように、外界からの光は、導波路を通ってユーザの眼に伝播する。

したがって、図１の構造は、ユーザの視野に不透明な構成要素を配置することなく、プロジェクタからユーザの眼に画像を送信することを可能にする。

ユーザに提示される画像は、光導波路１０、または、光学チェーン内の任意の他の要素における不規則性（例えば、平坦でない面、または、平行でない面）によって歪まされる。図１に見られるように、出力結合構造１４は、典型的には、表面への刻印によって、または、彫刻によって、導波路の表面に形成される。出力構造を形成することは、低下した光学性能につながる導波路にストレスおよび／または不規則性をもたらし得る。このような難題は、製造のためのコストおよび時間を増加させる。

したがって、導波路システムが改善された画像品質を提供するための要求がある。

以下に記載される実施形態は、既知のシステムの不都合な点のいずれかまたは全てを解決する実装に限定されない。

この概要は、「詳細な説明」において以下でさらに説明されるコンセプト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、特許請求の範囲で主張される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、また、特許請求の範囲で主張される主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図されない。

ヘッドアップディスプレイのための光導波路が提供され、光導波路は、入力端から出力端まで延びる導波路本体と、光を導波路本体の中に結合するために、導波路本体の入力端にある入力結合デバイスと、光は、内部全反射によって、導波路本体に沿って出力端に向かって伝播し、出力端における導波路本体の面上の出力結合構造であって、結合構造は別々に形成されるが、導波路本体に取り付けられる、出力結合構造とを備え、出力結合構造は、反射によって光導波路の外に光を向けるように構成される反射構造である。

ヘッドアップディスプレイのための導波路を製造する方法が提供され、方法は、入力端部と出力端部とを有する導波路本体を与えることと、出力端における出力結合領域の中で、導波路の面上に光学的に透過性のある材料を堆積することと、光学的に透過性のある材料に反射性の構造を刻印することと、出力結合デバイスを形成するために光学的に透過性のある材料を硬化させることと、のステップを備える。入力結合デバイスはプリズムであってよい。

出力結合構造は鋸歯状格子であってもよい。

出力結合構造は、可変の反射率を与えるために導波路本体の伝播軸に沿って勾配をゆるくされた（graded）、改変型の鋸歯状格子であってよい。格子は、格子の造作の大きさ、深さ、または、間隔を変えることによってよい。

光導波路は、さらに、導波路本体と出力結合構造との間に光学的なコーティングを備えてもよい。

光導波路は、さらに、出力結合構造の露出面に光学的なコーティングを備えてもよい。出力結合構造は、透過性のあるＵＶ硬化材料から形成されることができる。

硬化させるステップは、透過性材料をＵＶ光に晒すことを備えてもよい。

光学的に透過性のある材料は、液体またはゲル状の形態で堆積されることができる。

この中で開示される技術は、プロセスから生成される使用可能な導波路の取れ高を増加させることによって、最終製品全体を改善し、また、全体の製造コストを低下させることを試みる。

本発明の実施形態が、以下の図面を参照して、例示として説明される。

図１は、導波路の断面構造を示す。 図２は、導波路構造の断面および製造ステップを示す。 図３は、製造プロセスのフローチャートを示す。

詳細な説明

本発明のさらなる詳細、態様、および、実施形態が、図面を参照して、単なる例示として、ここで説明される。図中の要素は、簡略化と明瞭化のために図示されており、必ずしも縮尺通りに描かれない。理解を容易にするために、同一の参照符号がそれぞれの図に含まれている。図２は、図１に示されたものに類似の導波路を形成するための一連の製造工程を示し、図３は、製造技術のフローチャートを示す。

図２（ａ）（ステップ３０）において、入力カプラ１２を備えない導波路１０に等価で、出力結合構造１４の形成に先立つ光導波路２０が提供される。導波路は、必要とされる動作波長で透過性のある任意の適切なガラスまたはプラスチック材料から形成されることができる。導波路は、歪みの許容されるレベルをもった光の案内を提供するために、光学的に平坦で、平行な表面で製造される。

出力結合構造が必要とされる領域において、光学的に透過性のある材料２１の層が堆積される（ステップ３１）。その材料は、硬化されるまで、液体またはゲル状のままである硬化性ポリマーまたは接着剤であってよい。以下に説明されるプロテスによってよって要求されるように機能し、必要とされる出力結合構造に形成されることができる任意の材料が、利用され得る。材料の屈折率は、導波路２０の屈折率と一致させる必要はないが、何らかの違いは、正しい光学性能を保証するための光学設計において考慮されなければならない。

図２（ｂ）では、刻印器ツール２２が、材料２１に出力結合構造を刻印するために、材料２１との接触にもってこられる（ステップ３２）。刻印器は、必要とされる形状を材料２１に刻印するために適した材料で形成される。刻印器は、必要とされる最終形状を逆転したものであってよいし、または、刻印と硬化の間に材料２１に生じることが知られている形状の変化を許容にするように修正されてもよい。

図１に関して説明されたように、構造は、縮尺通りに示されておらず、典型的にはミクロンスケールで、はるかに小さい。構造は、例えば、間隔を空けた（頂上が平らな）鋸歯状の格子構造を備える微細構造であってよく、または、より複雑な構造が、要求される光学性能を与えるために利用されることができる。結合構造は、典型的には、ミクロンのスケールであり、結合構造が使用者の眼の近くに置かれたときに、デバイスを通る通常の視界と干渉しあわない（即ち、視覚的な歪みがない、または、許容できるレベルで）ように十分に小さい。結合構造は、輝度がデバイスの射出瞳にわたって均一であるように導波路から出る反射も勾配をゆるくするために、その長さに沿って勾配がゆるくされてもよい。勾配をゆるくすることは、鋸歯形状のサイズ、形状、および、深さの勾配をゆるくすること、または、隣接する造作間の分離をならすことを含んでもよい。鋸歯状格子は、構造と相互作用する光の一部のみがデバイスから外に反射され、残りが内部全反射によって伝播することを続けるように、頂上が平坦にされてもよく；例えば、頂上が平坦にされた鋸歯形状を利用することができる。

次いで、材料２１が、必要とされる構造に材料を設定するために、硬化される（ステップ３３）。硬化は、利用される材料に適切なように行われることができる。例えば、透過性のあるＵＶ硬化性ポリマーまたは接着剤が、その材料を硬化するためにＵＶ光に曝されることができる。硬化工程は、刻印器が所定の位置にある間に行われ、使用される材料にとって適切であるならば、刻印器が除かれた後に行われてもよい。図２（ｃ）に示されるように、ひとたび材料が硬化されてしまい、刻印器が取り除かれると（ステップ３４）、導波路２０は、図１に示される構造１４と類似の出力結合構造２３を与えられたことになる。出力結合構造２３は、硬化プロセスの間に形成される結合によって導波路２０に取り付けられる。出力結合構造２３の背面は、構造の反射率を改善し、光の損失を避け、および、外部光源からの二次反射に対抗するようにコーティングされてもよい。

図２（ｄ）は、入力プリズムが追加された（ステップ３５）デバイス（プリズムは例として示されたに過ぎず、任意の入力カプラが利用されることができ、例えば、回折素子が使用され得る）と、参考として、光線２４および２５とを示す。光線２４および２５は、マイクロディスプレイプロジェクタから伝播する画像光を示す。光線２４および２５は、頂上が平坦にされた格子の瞳の複製効果（pupil replication effect）を示す。

光線２４は、出力結合構造において、光が構造２３の中に伝達されることを除いて、図１を参照して説明されたのと同じ方法で導波路構造を通って伝播する。内部全反射は、導波路２０と構造２３との間の屈折率の類似性によりこの境界面では生じないが、屈折率に差がある場合には、境界面での屈折があり得る。この屈折は、光学設計において調節されることができる。

ひとたび光線が構造体２３に入ると、それは、構造によって、導波路から出て、ユーザの眼２５に向けて反射される。したがって、図２（ｄ）の導波路は、図１の導波路と同じ機能を提供するが、構造は、図１のデバイスと比較して、導波路２０の機械的加工を低減して形成される。導波路２０の加工の削減は、そのデバイスにおける歪みやストレスを低減する。これは、導波路基板内の不規則性（例えば、非平行、または、湾曲した面）を低減することによって、最終デバイスの画像品質を改善する。低減されたストレスにより、取れ高が増加する可能性があり、したがって、製造コストが低減する。

出力結合構造を別個のコンポーネントとして形成することは、デバイスの性能を向上させるために、他の技術が利用されることを許容する。例えば、光学的なコーティングが、出力結合構造２３への光の伝播を制御するために、導波路２０の上面に堆積されることができる。例えば、コーティングは、光のわずかな部分のみが構造体２３内に伝播することを許し、残りを反射することができる。これは、光が、出力結合構造２３を横切って分配されることを可能にし、したがって、ヘッドアップディスプレイの瞳サイズを増大する。また、複雑な多層誘電体コーティングが、規定された方法で光と相互作用するために利用され得る。例えば、出力構造２３と導波路２０との間のコーティングは、偏光依存であるように設計されることができる。

以前には、回折素子が、現在のデバイスによって提供される瞳拡張を与えるために必要とされてきたが、回折素子は、デバイスの光帯域幅を生むことに挑戦しており、デバイスの光帯域幅を制限することができる。

本発明は、いくつかの実施形態に関連して説明されたが、本明細書に記載された特定の形態に限定されることは意図されない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。加えて、特徴は、特定の実施形態に関連して記載されているように見えるかもしれないが、当業者は、記載された実施形態の様々な特徴が、本発明にしたがって組み合わせることができることを理解する。特許請求の範囲において、「備える」という用語は、他の要素またはステップの存在を排除しない。

さらに、特許請求の範囲における特徴の順序は、特徴が実行しなければならない特定の順序を意味するものではなく、特に、方法の請求項における個々のステップの順序は、ステップがこの順序で実行しなければならないことを意味しない。むしろ、ステップは、任意の好適な順序で実行されてよい。加えて、単数での言及は、複数を排除しない。したがって、「ａ（１つ）」、「ａｎ（１つ）」、「ｆｉｒｓｔ（第１）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２）」等への言及は、複数を排除しない。特許請求の範囲において、「備える」または「含む」という用語は、他の要素の存在を排除しない。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ ヘッドアップディスプレイのための光導波路であって、
前記光導波路は、
入力端から出力端まで伸び、前記入力端から前記出力端に、全内部反射によって光を案内するように構成された導波路本体と、
光が、前記導波路本体に沿って前記出力端に向かって内部全反射によって伝播する、前記導波路本体内に光を結合するための、前記導波路本体の前記入力端における入力結合デバイスと、
前記出力端における前記導波路本体の面上の出力結合構造と、
を備え、
前記出力結合構造は、個別に形成されるが、前記導波路本体に取り付けられ、
前記出力結合構造は、反射によって、前記光導波路から外に光を向けるように構成された反射構造である、
光導波路。
［２］ 前記入力結合デバイスは、プリズム、または、回折格子である、［１］に記載の光導波路。
［３］ 前記出力結合構造は、鋸歯状格子である、［１］または［２］に記載の光導波路。
［４］ 前記出力結合構造が、変化する反射率を提供するために前記導波路本体の伝播軸に沿って勾配をゆるくされた、改変型の鋸歯状格子である、［１］ないし［３］のいずれか一項に記載の光導波路。
［５］ 前記鋸歯状格子は、格子の造作の大きさ、深さ、または、間隔を変えることによって勾配をゆるくされる、［４］に記載の光導波路。
［６］ さらに。前記導波路本体と前記出力結合構造との間に光学的なコーティングを備える、［１］ないし［５］のいずれか一項に記載の光導波路。
［７］ さらに、前記出力結合構造の露出面上に光学的なコーティングを備える、［１］ないし［６］のいずれか一項に記載の光導波路。
［８］ 前記出力結合構造が、透過性のあるＵＶ硬化材料から形成される、［１］ないし［７］のいずれか一項に記載の光導波路。
［９］ ヘッドアップディスプレイのための導波路を製造する方法であって。
入力端と出力端を有する導波路本体を与えることと、
前記出力端における出力結合領域において、前記導波路の面上に光学的に透過性のある材料を堆積させることと、
光学的に透過性のある前記材料に反射構造を刻印することと、
出力結合構造を形成するために、光学的に透過性のある前記材料を硬化させることと、のステップを備える、製造方法。
［１０］ 硬化させる前記ステップが、透過性のある前記材料をＵＶ光に晒すことを備える、［９］に記載の製造方法。
［１１］ 光学的に透過性のある前記材料が、液体またはゲル状の形態で堆積される、［９］または［１０］に記載の製造方法。
［１２］ さらに、前記導波路本体と光学的に透過性のある前記材料との間に光学的なコーティングを施すステップを備える、［９］ないし［１１］のいずれか一項に記載の製造方法。
［１３］ さらに、前記出力結合構造の露出された面に光学的なコーティングを施すステップを備える、［９］ないし［１２］のいずれか一項に記載の製造方法。
［１４］ 前記出力結合構造が鋸歯状格子である、［９］ないし［１３］のいずれか一項に記載の製造方法。
［１５］ 前記出力結合構造が、変化する反射率を提供するために前記導波路本体の伝播軸に沿って勾配がゆるくされた、改変型の鋸歯状格子である、［９］ないし［１４］のいずれか一項に記載の製造方法。

Claims (11)

1. ヘッドアップディスプレイのための光導波路であって、
   前記光導波路は、
   入力端から出力端まで伸び、前記入力端から前記出力端に、全内部反射によって光を案内するように構成された導波路本体と、
   光が、前記導波路本体に沿って前記出力端に向かって内部全反射によって伝播する、前記導波路本体内に光を結合するための、前記導波路本体の前記入力端における入力結合デバイスと、
   前記出力端における前記導波路本体の面上の出力結合構造と、
   を備え、
   前記出力結合構造は、個別に形成されるが、前記導波路本体に取り付けられ、
   前記出力結合構造は、反射によって、前記光導波路から外に光を向けるように構成された反射構造であり、
   前記出力結合構造は、頂上が平坦にされた鋸歯状格子であり、
   前記導波路本体と前記出力結合構造との間に光学的なコーティングを備える、
   光導波路。
2. 前記入力結合デバイスは、プリズム、または、回折格子である、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記出力結合構造が、変化する反射率を提供するために前記導波路本体の伝播軸に沿って勾配をゆるくされた鋸歯状格子である、請求項１又は２に記載の光導波路。
4. 前記鋸歯状格子は、格子の造作の大きさ、深さ、または、間隔を変えることによって前記伝播軸に沿って勾配をゆるくされる、請求項３に記載の光導波路。
5. さらに、前記出力結合構造の露出面上に光学的なコーティングを備える、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光導波路。
6. 前記出力結合構造が、透過性のあるＵＶ硬化材料を備える、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光導波路。
7. ヘッドアップディスプレイのための導波路を製造する方法であって、
   入力端と出力端を有する導波路本体を与えることと、
   前記導波路本体に光学的なコーティングを施すことと、
   前記出力端における出力結合領域において、コーティングが施された前記導波路本体の面上に光学的に透過性のある材料を堆積させることと、
   光学的に透過性のある前記材料に反射構造を刻印することと、
   出力結合構造を、前記出力結合構造の硬化プロセスの間に形成される結合によって前記導波路本体に取り付けるために、光学的に透過性のある前記材料を硬化させることと、を備え、
   前記出力結合構造は、頂上が平坦にされた鋸歯状格子である、
   製造方法。
8. 硬化させることが、透過性のある前記材料をＵＶ光に晒すことを備える、請求項７に記載の製造方法。
9. 光学的に透過性のある前記材料が、液体またはゲル状の形態で堆積される、請求項７又は８に記載の製造方法。
10. さらに、前記出力結合構造の露出された面に光学的なコーティングを施すステップを備える、請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載の製造方法。
11. 前記出力結合構造が、変化する反射率を提供するために前記導波路本体の伝播軸に沿って勾配がゆるくされた鋸歯状格子である、請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の製造方法。

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