JP7039598B2 - ダイクロイックフィルタを使用した導波管における色分離 - Google Patents

ダイクロイックフィルタを使用した導波管における色分離 Download PDF

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Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／４３８，３１５号（２０１６年１２月２２日出願）の利益を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。
（発明の背景）
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える様式、もしくはそのように知覚され得る様式で視認者に提示されるいわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。
これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。
（発明の要約）
本発明のある実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管と、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管と、第２の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管とを含む。第１の導波管は、それに結合され、側方位置に配置された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を含む。第１のＤＯＥは、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光を回折するように構成される。第２の導波管は、それに結合され、側方位置に配置された第２のＤＯＥを含む。第２のＤＯＥは、第１の波長より長い第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光を回折するように構成される。第３の導波管は、それに結合され、側方位置に配置された第３のＤＯＥを含む。第３のＤＯＥは、第２の波長より長い第３の波長に中心を置かれた第３の波長範囲における画像光を回折するように構成される。接眼レンズは、側方位置において、第１の導波管と第２の導波管との間に配置された第１の光学フィルタと、側方位置において、第２の導波管と第３の導波管との間に配置された第２の光学フィルタとをさらに含む。第１の光学フィルタは、第１の波長範囲における第１の透過率値と、第１の透過率値より大きい第２の波長範囲および第３の波長範囲における第２の透過率値と、約９０％より大きい第１の波長範囲における第１の反射率値とを有するように構成される。第２の光学フィルタは、第１の波長範囲および第２の波長範囲における第３の透過率値と、第３の透過率値より大きい第３の波長範囲における第４の透過率値と、約９０％より大きい第２の波長範囲における第２の反射率値とを有するように構成される。いくつかの例では、第１の透過率値および第３の透過率値の各々は、約１０％より小さくあり得、第２の透過率値および第４の透過率値の各々は、約９０％より大きくあり得る。ある他の例では、第１の透過率値および第３の透過率値の各々は、約２０％より小さくあり得、第２の透過率値および第４の透過率値の各々は、約８０％より大きくあり得る。いくつかの例では、第１の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための第１の透過率値および第２の透過率値を有するように構成され得、第２の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための第３の透過率値および第４の透過率値を有するように構成され得る。ある他の例では、第１の光学フィルタは、約ゼロ度～約２５度に及ぶ入射角のための第１の透過率値および第２の透過率値を有するように構成され得、第２の光学フィルタは、約ゼロ度～約２５度に及ぶ入射角のための第３の透過率値および第４の透過率値を有するように構成され得る。
本発明の別の実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管を含む。第１の導波管は、第１の側方領域と、第２の側方領域とを有する。第１の側方領域は、側方位置に配置され、その第１の側方表面上に入射する画像光を受け取るように構成される。画像光は、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光と、第１の波長より長い第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光と、第２の波長より長い第３の波長に中心を置かれた第３の波長範囲内の画像光とを含む。接眼レンズは、第１の導波管の第１の側方領域に光学的に結合され、第１の波長範囲における画像光が第１の導波管の第２の側方領域に向かって誘導されるように、それを第１の導波管の中に回折するように構成された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）をさらに含む。画像光の第１の部分は、第１の導波管を通して透過される。接眼レンズは、側方位置において、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられ、画像光の第１の部分を受け取るように構成された第１の光学フィルタをさらに含む。第１の光学フィルタは、第１の波長範囲のための第１の透過率値と、第１の透過率値より大きい第２の波長範囲および第３の波長範囲のための第２の透過率値とを有するようにさらに構成される。接眼レンズは、第２の側方に隣接して平面第３の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管をさらに含む。第２の導波管は、第１の側方領域と、第２の側方領域とを有する。第１の領域は、側方位置に配置され、第１の光学フィルタを通して透過され、その第１の側方表面に入射する画像光を受け取るように構成される。接眼レンズは、第２の導波管の第１の側方領域に光学的に結合され、第２の波長範囲内の画像光が第２の導波管の第２の側方領域に向かって誘導されるように、それを第２の導波管の中に回折するように構成された第２のＤＯＥをさらに含む。画像光の第２の部分は、第２の導波管を通して透過される。接眼レンズは、側方位置において、第３の側方平面に隣接した第４の側方平面内に位置付けられ、画像光の第２の部分を受け取るように構成された第２の光学フィルタをさらに含む。第２の光学フィルタは、第１の波長範囲および第２の波長範囲のための第３の透過率値と、第３の透過率値より大きい第３の波長範囲のための第４の透過率値とを有するように構成される。接眼レンズはさらに、第４の側方平面に隣接した第５の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管を含む。第３の導波管は、第１の側方領域と、第２の側方領域とを有する。第１の側方領域は、側方位置に配置され、第２の光学フィルタを通して透過され、その第１の側方表面に入射する画像光を受け取るように構成される。接眼レンズは、第３の導波管の第１の側方領域に光学的に結合され、第３の波長範囲内の画像光が第３の導波管の第２の側方領域に向かって誘導されるように、それを第３の導波管の中に回折するように構成された第３のＤＯＥをさらに含む。
本発明のさらに別の実施形態によると、画像光を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の平面導波管を含む。第１の導波管は、それに光学的に結合された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を含む。第１のＤＯＥは、画像光の光学経路に沿って位置付けられ、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光の一部が第１の平面導波管内で伝搬されるように、それを第１の平面導波管の中に結合するように構成される。接眼レンズは、第１のＤＯＥの下流に光学経路に沿って位置付けられた第１の光学フィルタをさらに含む。第１の光学フィルタは、その上に入射する第１の波長範囲における画像光を減衰させるように構成される。接眼レンズは、第２の平面導波管をさらに含む。第２の導波管は、それに光学的に結合された第２のＤＯＥを含む。第２のＤＯＥは、第１の光学フィルタの下流に光学経路に沿って位置付けられ、第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光の一部が第２の平面導波管内で伝搬されるように、それを第２の平面導波管の中に結合するように構成される。接眼レンズは、第１の平面導波管に結合される第２の光学フィルタをさらに含む。第２の光学フィルタは、第１の平面導波管内を伝搬する第２の波長範囲における画像光を吸収するように構成される。
本発明のさらなる実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管と、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管と、第２の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管とを含む。第１の導波管は、それに結合され、第１の側方位置に配置された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を含む。第２の導波管は、それに結合され、第２の側方位置に配置された第２のＤＯＥを含む。第３の導波管は、それに結合され、第２の側方位置に配置された第３のＤＯＥを含む。接眼レンズは、第２の側方位置において、第２の導波管と第３の導波管との間に位置付けられる光学フィルタをさらに含む。
本発明のいくつかの他の実施形態によると、画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管を含む。第１の導波管は、それに光学的に結合された第１の内部結合要素を含む。第１の内部結合要素は、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光を回折するように構成される。接眼レンズは、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管をさらに含む。第２の導波管は、それに光学的に結合された第２の内部結合要素を含む。第２の内部結合要素は、第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光を回折するように構成される。接眼レンズは、第１の内部結合要素と側方に整列して第１の導波管と第２の導波管との間に位置付けられた第１の光学要素をさらに含む。第１の光学要素は、第１の波長範囲における画像光を反射するように構成される。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管であって、前記第１の導波管は、それに結合され、側方位置に配置された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を備え、前記第１のＤＯＥは、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第１の平面導波管と、
前記第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管であって、前記第２の導波管は、それに結合され、前記側方位置に配置された第２のＤＯＥを備え、前記第２のＤＯＥは、前記第１の波長より長い第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第２の平面導波管と、
前記第２の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管であって、前記第３の導波管は、それに結合され、前記側方位置に配置された第３のＤＯＥを備え、前記第３のＤＯＥは、前記第２の波長より長い第３の波長に中心を置かれた第３の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第３の平面導波管と、
前記側方位置において、前記第１の導波管と前記第２の導波管との間に配置された第１の光学フィルタであって、前記第１の光学フィルタは、
前記第１の波長範囲における第１の透過率値と、
前記第２の波長範囲および前記第３の波長範囲における第２の透過率値であって、前記第２の透過率値は、前記第１の透過率値より大きい、第２の透過率値と、
約９０％より大きい前記第１の波長範囲における第１の反射率値と
を有するように構成されている、第１の光学フィルタと、
前記側方位置において、前記第２の導波管と前記第３の導波管との間に配置された第２の光学フィルタであって、前記第２の光学フィルタは、
前記第１の波長範囲および前記第２の波長範囲における第３の透過率値と、
前記第３の波長範囲における第４の透過率値であって、前記第４の透過率値は、前記第３の透過率値より大きい、第４の透過率値と、
約９０％より大きい前記第２の波長範囲における第２の反射率値と
を有するように構成されている、第２の光学フィルタと
を備えている、接眼レンズ。
（項目２）
前記第１のＤＯＥ、前記第２のＤＯＥ、および前記第３のＤＯＥの各々は、内部結合格子を備えている、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目３）
前記第１の透過率値および前記第３の透過率値の各々は、約１０％より小さく、前記第２の透過率値および前記第４の透過率値の各々は、約９０％より大きい、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目４）
前記第１の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための前記第１の透過率値および前記第２の透過率値を有するように構成され、前記第２の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための前記第３の透過率値および前記第４の透過率値を有するように構成されている、項目３に記載の接眼レンズ。
（項目５）
前記第１の波長範囲は、実質的に４６２ｎｍに中心を置き、前記第２の波長範囲は、実質的に５２８ｎｍに中心を置き、前記第３の波長範囲は、実質的に６３５ｎｍに中心を置いている、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目６）
前記側方位置において、前記第５の側方平面に隣接した第６の側方平面内に位置付けられた光学反射体をさらに備え、前記光学反射体は、前記第３の導波管を通して透過された画像光を反射するように構成されている、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目７）
前記第１の導波管の第２の側方領域に光学的に結合され、前記第２の波長範囲における画像光を吸収するように構成された第１のショートパスフィルタと、
前記第２の導波管の前記第２の側方領域に光学的に結合され、前記第３の波長範囲における画像光を吸収するように構成された第２のショートパスフィルタと
をさらに備えている、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目８）
前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の導波管の前記第２の側方領域の内側に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の導波管の前記第２の側方領域の内側に配置されている、項目７に記載の接眼レンズ。
（項目９）
前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の導波管の前記第２の側方領域の内側の空洞の中に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の導波管の前記第２の側方領域の内側の空洞の中に配置されている、項目７に記載の接眼レンズ。
（項目１０）
前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の導波管の前記第２の側方領域の第１の側方表面上に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の導波管の前記第２の側方領域の前記第１の側方表面上に配置されている、項目７に記載の接眼レンズ。
（項目１１）
画像光を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記画像光は、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光と、前記第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光とを含み、前記接眼レンズは、
第１の平面導波管であって、前記第１の平面導波管は、それに光学的に結合された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を含み、前記第１のＤＯＥは、前記画像光の光学経路に沿って位置付けられ、前記第１の波長範囲における前記画像光の一部が前記第１の平面導波管内で伝搬されるように、それを前記第１の平面導波管の中に結合するように構成されている、第１の平面導波管と、
前記第１のＤＯＥの下流に前記光学経路に沿って位置付けられた第１の光学フィルタであって、前記第１の光学フィルタは、その上に入射する前記第１の波長範囲における画像光を減衰させるように構成されている、第１の光学フィルタと、
第２の平面導波管であって、前記第２の平面導波管は、それに光学的に結合された第２のＤＯＥを含み、前記第２のＤＯＥは、前記第１の光学フィルタの下流に前記光学経路に沿って位置付けられ、前記第１の光学フィルタを通して透過された前記第２の波長範囲における前記画像光の一部が前記第２の平面導波管内で伝搬されるように、それを前記第２の平面導波管の中に結合するように構成されている、第２の平面導波管と、
前記第１の平面導波管に結合される第２の光学フィルタと
を備え、
前記第２の光学フィルタは、前記第１の平面導波管内を伝搬する前記第２の波長範囲における画像光を吸収するように構成されている、接眼レンズ。
（項目１２）
前記第２の波長は、前記第１の波長より長く、前記第１の光学フィルタは、約１０％より小さい前記第１の波長範囲のための第１の透過率値と、約９０％より大きい前記第２の波長範囲のための第２の透過率値とを有するように構成されたロングパスフィルタを備えている、項目１１に記載の接眼レンズ。
（項目１３）
前記第２の光学フィルタは、約１０％より小さい前記第２の波長範囲のための第１の透過率値と、約９０％より大きい前記第１の波長範囲のための第２の透過率値とを有するように構成されたショートパスフィルタを備えている、項目１２に記載の接眼レンズ。
（項目１４）
前記第２の波長は、前記第１の波長より短く、前記第１の光学フィルタは、約１０％より小さい前記第１の波長範囲のための第１の透過率値と、約９０％より大きい前記第２の波長範囲のための第２の透過率値とを有するように構成されたショートパスフィルタを備えている、項目１１に記載の接眼レンズ。
（項目１５）
前記第２の光学フィルタは、約１０％より小さい前記第２の波長範囲のための第１の透過率値と、約９０％より大きい前記第１の波長範囲のための第２の透過率値とを有するように構成されたロングパスフィルタを備えている、項目１４に記載の接眼レンズ。
（項目１６）
画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管であって、前記第１の導波管は、それに光学的に結合された第１の内部結合要素を備え、前記第１の内部結合要素は、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第１の平面導波管と、
前記第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管であって、前記第２の導波管は、それに光学的に結合された第２の内部結合要素を備え、前記第２の内部結合要素は、前記第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第２の平面導波管と、
前記第１の内部結合要素と側方に整列して前記第１の導波管と前記第２の導波管との間に位置付けられた第１の光学要素と
を備え、
前記第１の光学要素は、前記第１の波長範囲における画像光を反射するように構成されている、接眼レンズ。
（項目１７）
前記第１の導波管は、第１の表面と、前記第１の表面と反対の第２の表面とを備え、前記第２の導波管は、第１の表面と、前記第１の表面と反対の第２の表面とを備え、前記第２の導波管の前記第１の表面は、前記第１の導波管の前記第２の表面に面している、項目１６に記載の接眼レンズ。
（項目１８）
前記第１の内部結合要素は、前記第２の導波管の前記第１の表面に隣接した前記第１の導波管の前記第２の表面上に配置されている、項目１７に記載の接眼レンズ。
（項目１９）
前記第２の内部結合要素と側方に整列し、前記第２の導波管の前記第２の表面に隣接して位置付けられた第２の光学要素をさらに備え、前記第２の光学要素は、前記第２の波長範囲における画像光を反射するように構成されている、項目１７に記載の接眼レンズ。
（項目２０）
前記第２の内部結合要素は、前記第１の内部結合要素から側方にオフセットされて位置付けられている、項目１９に記載の接眼レンズ。
（項目２１）
前記第１の光学要素は、前記第２の波長範囲における画像光を反射するようにさらに構成されている、項目２０に記載の接眼レンズ。
（項目２２）
前記第２の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管をさらに備え、前記第３の導波管は、それに結合された第３の内部結合要素を備え、前記第３の内部結合要素は、前記第１の波長および前記第２の波長と異なる第３の波長に中心を置かれた第３の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、項目１９に記載の接眼レンズ。
（項目２３）
前記第２の内部結合要素は、前記第３の内部結合要素と側方に整列して位置付けられている、項目２２に記載の接眼レンズ。
（項目２４）
前記第２の光学要素は、約９０％より大きい前記第２の波長範囲における反射率値を有するように構成されている、項目２２に記載の接眼レンズ。
（項目２５）
前記第２の光学要素は、約９０％より大きい前記第３の波長範囲における透過率値を有するようにさらに構成されている、項目２４に記載の接眼レンズ。
（項目２６）
前記第３の内部結合要素と側方に整列して位置付けられた第３の光学要素をさらに備え、前記第３の光学要素は、前記第３の波長範囲における画像光を反射するように構成されている、項目２４に記載の接眼レンズ。
（項目２７）
前記第３の光学要素は、前記第２の波長範囲における画像光を反射するようにさらに構成されている、項目２６に記載の接眼レンズ。
図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）の一部内の光経路を図式的に図示する。 図２は、仮想画像を視認するための接眼レンズにおける色分離の１つの方法を図式的に図示する。 図３は、本発明のある実施形態による、仮想画像を視認するための接眼レンズにおける色分離の別の方法を図式的に図示する。 図４は、本発明のある実施形態による、接眼レンズの平面図を図式的に図示する。 図５は、本発明のある実施形態による、接眼レンズの部分断面図を図式的に図示する。 図６Ａ－６Ｄは、本発明のある実施形態による、フィルタを伴わない接眼レンズによって形成されるいくつかの例示的画像を図示する。図６Ｅ－６Ｈは、本発明のある実施形態による、ダイクロイックフィルタを伴う接眼レンズによって形成されるいくつかの例示的画像を図示する。 図７は、本発明のある実施形態による、光学フィルタの透過率／反射率曲線を図式的に図示する。 図８は、本発明の別の実施形態による、光学フィルタの透過率／反射率曲線を図式的に図示する。 図９Ａは、本発明のある実施形態による、それに結合されるショートパスフィルタを含む導波管の部分断面図を図式的に図示する。図９Ｂは、本発明のある実施形態による、ショートパスフィルタの断面図を図式的に図示する。 図１０は、本発明のある実施形態による、それに結合されるショートパスフィルタを含む導波管の部分断面図を図式的に図示する。 図１１Ａ－１１Ｄは、接眼レンズ内の導波管の波長交差結合効果を図示する。 図１２Ａ－１２Ｃは、本発明の実施形態による、それに結合されるショートパスフィルタを含む導波管の部分断面図を図式的に図示する。 図１３Ａ－１３Ｃは、本発明の種々の実施形態による、接眼レンズの部分断面図を図示する。 図１４は、本発明のある実施形態による、光学フィルタの透過率／反射率曲線を図式的に図示する。
（具体的実施形態の詳細な説明）
本開示は、概して、仮想現実および拡張現実可視化システムのために使用され得る接眼レンズに関する。より具体的には、本発明は、異なる導波管間の色分離のための１つ以上のロングパスダイクロイックフィルタを含む接眼レンズに関する。接眼レンズは、波長交差結合をさらに低減させるために、１つ以上のショートパスダイクロイックフィルタも含み得る。そのような接眼レンズは、よりコンパクトな形状因子ならびに明視野の向上させられた明度およびコントラストだけではなく、従来の接眼レンズと比較して低減した波長交差結合をもたらし得る。
図１は、本発明のある実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）の一部における光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、プロジェクタ１０１と、視認者の眼の周囲に装着され得る接眼レンズ１００とを含む。いくつかの実施形態では、プロジェクタ１０１は、赤色ＬＥＤの群と、緑色ＬＥＤの群と、青色ＬＥＤの群とを含み得る。例えば、プロジェクタ１０１は、ある実施形態によると、２つの赤色ＬＥＤと、２つの緑色ＬＥＤと、２つの青色ＬＥＤとを含み得る。接眼レンズ１００は、１つ以上の接眼レンズ層を含み得る。一実施形態では、接眼レンズ１００は、３つの原、赤色、緑色、および青色の各々のために１つの接眼レンズ層の３つの接眼レンズ層を含む。別の実施形態では、接眼レンズ１００は、６つの接眼レンズ層、すなわち、仮想画像を１つの深度平面に形成するために構成される３つの原色の各々のための１組の接眼レンズ層と、仮想画像を別の深度平面に形成するために構成される３つの原色の各々のための別の組の接眼レンズ層とを含み得る。他の実施形態では、接眼レンズ１００は、３つ以上の異なる深度平面のために、３つの原色の各々のために３つ以上の接眼レンズ層を含み得る。各接眼レンズ層は、平面導波管を含み、各接眼レンズ層は、内部結合格子１０７と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１０８と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１０９とを含み得る。
依然として、図１を参照すると、プロジェクタ１０１は、画像光を接眼レンズ層１００における内部結合格子１０７上に投影する。内部結合格子１０７は、プロジェクタ１０１からの画像光をＯＰＥ領域１０８に向かった方向に伝搬する平面導波管の中に結合する。導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、画像光を水平方向に伝搬する。接眼レンズ層１００のＯＰＥ領域１０８は、導波管内を伝搬する画像光の一部を結合し、ＥＰＥ領域１０９に向け直す回折要素も含む。ＥＰＥ領域１０９は、導波管内を伝搬する画像光の一部を結合し、接眼レンズ層１００の平面とほぼ垂直方向に視認者の眼１０２に向かわせる回折要素を含む。このように、プロジェクタ１０１によって投影された画像は、視認者の眼１０２によって視認され得る。図１に図示されるＶＯＡの一部は、視認者の片眼のための「単眼鏡」を構成し得る。ＶＯＡ全体は、視認者の眼の各々のために１つの２つのそのような単眼鏡を含み得る。
上で説明されるように、プロジェクタによって生成された画像光は、３つの原色、すなわち、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、および赤色（Ｒ）の光を含み得る。そのような画像光は、各構成色の画像光が接眼レンズ内のそれぞれの導波管に結合され得るように、構成色に分離される必要があるであろう。図２は、「分割瞳孔」アプローチを使用した色分離の１つの方法を図式的に図示する。この例では、接眼レンズ２３０は、青色導波管２４０と、緑色導波管２５０と、赤色導波管２６０とを含む。各導波管２４０、２５０、または２６０は、内部結合格子（ＩＣＧ）２４２、２５２、または２６２と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域２４４、２５４、または２６４と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域２４６、２５６、または２６６とを含み得る。各導波管内のＩＣＧ、ＯＰＥ、およびＥＰＥは、特定の波長範囲のために設計される。例えば、青色導波管２４０内のＩＣＧ２４２は、主に、青色光がＯＰＥ領域２４４に向かって誘導されるように、それを青色導波管２４０の中に回折するように構成される回折光学要素（ＤＯＥ）を含み得る。青色導波管２４０のＯＰＥ領域２４４は、主に、青色光ＥＰＥを領域２４６に向かって回折するように構成されるＤＯＥを含み得る。青色導波管２４０のＥＰＥ領域２４６は、主に、青色光を視認者の眼２７０に向かって回折するように構成されるＤＯＥを含み得る。
図２に図示される例では、色セパレータ２２０が、プロジェクタサブシステム２１０によって生成された青色、緑色、および赤色の画像光を３つの空間的に別個の光経路、すなわち、青色光経路２４８、緑色光経路２５８、および赤色光経路２６８に分離し得る。青色、緑色、および赤色導波管２４０、２５０、および２６０内のＩＣＧ２４２、２５２、および２６２は、青色導波管２４０のためのＩＣＧ２４２が、青色光経路２４８と整列させられ得、緑色導波管２５０のためのＩＣＧ２５２が、緑色光経路２５８と整列させられ得、赤色導波管２６０のためのＩＣＧ２６２が、赤色光経路２６８と整列させられ得るように、互いから側方にオフセットされ得る。図２に図示される接眼レンズ２３０は、３つの導波管２４０、２５０、および２６０内のＩＣＧ２４２、２５２、および２６２が互いに対して側方に変位させられる必要があるので、比較的に大きい形状因子を有し得る。
図３は、本発明のある実施形態による、「インライン」アプローチを使用した色分離の別の方法を図式的に図示する。この例では、接眼レンズ３３０も、青色導波管３４０と、緑色導波管３５０と、赤色導波管３６０とを含み得る。各導波管３４０、３５０、または３６０は、ＩＣＧ３４２、３５２、または３６２と、ＯＰＥ領域３４４、３５４、または３６４と、ＥＰＥ領域３４６、３５６、または３６６とを含み得る。ここでは、プロジェクタサブシステム３１０によって生成された青色、緑色、および赤色の画像光は、互いから空間的に分離されず、青色、緑色、および赤色導波管３４０、３５０、および３６０内のＩＣＧ３４２、３５２、および３６２は、互いに対して側方に整列させられている。したがって、画像光は、「連続」方式において、各導波管を連続して通過する。接眼レンズ３３０は、青色導波管３４０内のＩＣＧ３４２と緑色導波管３５０内のＩＣＧ３５２との間に位置付けられる第１の波長選択的光学要素３９２と、緑色導波管３５０内のＩＣＧ３５２と赤色導波管３６０内のＩＣＧ３６２との間に位置付けられる第２の波長選択的光学要素３９４とをさらに含み得る。第１および第２の波長選択的光学要素３９２および３９４は、例えば、波長選択的光学フィルタ（すなわち、特定の波長の範囲内の光を選択的に透過する光学要素）および／または波長選択的光学反射体（すなわち、特定の波長の範囲内の光を選択的に反射するミラーおよび他の光学要素）を表し得る。下でさらに詳細に説明されるように、ダイクロイックフィルタは、波長に基づいて、光の選択透過および反射の両方を行うように構成される光学要素の一例である。以下では、第１および第２の波長選択的光学要素３９２および３９４は、それぞれ、「光学フィルタ３９２」および「光学フィルタ３９４」とも称され得る。同様に、図４－１４のいずれかを参照して説明される他の波長選択的光学要素も、本明細書では、「光学フィルタ」と称され得る。
図３に図示されるように、全３つの色の画像光は、青色導波管３４０内のＩＣＧ３４２上に入射する。青色導波管３４０内のＩＣＧ３４２は、主に、青色波長範囲内の画像光の一部がＯＰＥ領域３４４に向かって誘導されるように、それを青色導波管３４０の中に結合し得る。青色導波管３４０内のＩＣＧ３４２は、さらに後で議論されるであろうように、少量の緑色画像光およびさらにより少量の赤色光を青色導波管３４０の中に結合し得る。青色導波管３４０の中に結合されない画像光は、青色導波管３４０を通して透過され、第１の光学フィルタ３９２上に入射する。第１の光学フィルタ３９２は、緑色および赤色波長範囲内の高透過率値と、青色波長範囲内の低透過率値とを有するように構成され得る。したがって、第１の光学フィルタ３９２によって透過され、緑色導波管３５０内のＩＣＧ３５２上に入射する画像光は、主に、緑色画像光および赤色画像光を含み、青色画像光を殆どまたは全く含まないこともある。
依然として、図３を参照すると、緑色導波管３５０内のＩＣＧ３５２は、主に、緑色波長範囲内の画像光の一部がＯＰＥ領域３５４に向かって誘導されるように、それを緑色導波管３５０の中に結合し得る。緑色導波管３５０内のＩＣＧ３５２は、さらに後で議論されるであろうように、少量の赤色画像光を緑色導波管３５０の中に結合し得る。緑色導波管３５０の中に結合されない画像光は、緑色導波管３５０を通して透過され、第２の光学フィルタ３９４上に入射し得る。第２の光学フィルタ３９４は、赤色波長範囲内の高透過率値と、緑色および青色波長範囲内の低透過率値とを有するように構成され得る。したがって、第２の光学フィルタ３９４によって透過され、赤色導波管３６０内のＩＣＧ３６２上に入射する画像光は、主に、赤色画像光を含み、緑色画像光および青色画像光を殆どまたは全く含まないこともある。赤色導波管３６０内のＩＣＧ３６２は、主に、赤色波長範囲内の画像光の一部がＯＰＥ領域３６４に向かって誘導されるように、それを赤色導波管３６０の中に結合し得る。
図４は、本発明のある実施形態による、接眼レンズ４００の平面図を図式的に図示する。接眼レンズ４００は、隣接する側方平面にスタックされる青色導波管４４０と、緑色導波管４５０と、赤色導波管４６０とを含み得る。各導波管４４０、４５０、または４６０は、ＩＣＧ領域４１０と、ＯＰＥ領域４２０と、ＥＰＥ領域４３０とを含み得る。３つの導波管４４０、４５０、および４６０のためのＩＣＧ領域４１０は、同一側方位置に配置され、したがって、同一光学経路に沿ってスタックされ得る。第１の光学フィルタ４９２は、青色導波管４４０のＩＣＧ４１０と緑色導波管４５０のＩＣＧ４１０との間に位置付けられ得る。第２の光学フィルタ４９２は、緑色導波管４５０のＩＣＧ４１０と赤色導波管４６０のＩＣＧ４１０との間に位置付けられ得る。図４に図示される接眼レンズ４００は、図３に関して上で説明されるように実質的に機能し得る。図３および４に図示される接眼レンズは、３つの導波管４４０、４５０、および４６０内のＩＣＧ４１０が、互いから側方に変位させられる代わりに、同一側方位置に配置されたので、図２図示される接眼レンズ２３０と比較して、より小さい形状因子を有し得る。
図５は、本発明のある実施形態による、接眼レンズ５００の部分断面図を図式的に図示する。接眼レンズ５００は、第１の側方平面に配置される第１の平面導波管５１０を含み得る。第１の導波管５１０は、第１の側方領域（Ｘ１０として標識される）と、第２の側方領域（Ｘ１１として標識される）とを含み得る。第１の側方領域（Ｘ１０）は、側方位置に配置され、その第１の側方表面上に入射する画像光（Ｘ０２）を受け取るように構成され得る。画像光（Ｘ０２）は、第１の波長範囲における画像光と、第２の波長範囲内の画像光と、第３の波長範囲内の画像光とを含み得る。例えば、第１の波長範囲は、青色光に対応する約４６２ｎｍ波長に中心を置かれ得、第２の波長範囲は、約緑色光に対応する５２８ｎｍ波長に中心を置かれ得、第３の波長範囲は、赤色光に対応する約６３５ｎｍ波長に中心を置かれ得る。
接眼レンズ５００は、第１の導波管５１０の第１の側方領域（Ｘ１０）に光学的に結合された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）５１２をさらに含み得る。第１のＤＯＥ５１２は、第１の導波管５１０の第１の表面（図５に示されるように）または第１の表面と反対の第１の導波管５１０の第２の表面上のいずれかに形成される内部結合格子（ＩＣＧ）を含み得る。第１のＤＯＥは、第１の波長範囲における画像光、例えば、青色画像光（Ｘ１４）が第１の導波管５１０の第２の側方領域（Ｘ１１）に向かって誘導されるように、それを第１の導波管５１０の中に回折するように構成され得る。第２の側方領域（Ｘ１１）は、ＩＣＧとＯＰＥ（図示せず）との間の領域であり得る。第１の導波管５１０の中に結合されない画像光（Ｘ１２）の一部は、第１の導波管５１０を通して透過され得る。
接眼レンズ５００は、第１の導波管５１０の第１の側方領域（Ｘ１０）と同一側方位置において、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第１の光学フィルタ５２０をさらに含み得る。第１の光学フィルタ５２０は、第１の導波管５１０を通して透過される画像光（Ｘ１２）の一部を受け取るように構成され得る。一実施形態では、第１の光学フィルタ５２０は、緑色および赤色光に対応する波長範囲のための高透過率値と、青色光に対応する波長範囲のための低透過率値とを有するように、ロングパスフィルタとして構成され得る。したがって、第１の光学フィルタ５２０（Ｘ２２）によって透過される画像光は、主に、緑色および赤色画像光を含み得る。
接眼レンズ５００は、第２の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管５３０をさらに含み得る。第２の導波管５３０は、第１の側方領域（Ｘ３０）と、第２の側方領域（Ｘ３１）とを有し得る。第１の側方領域（Ｘ３０）は、第１の導波管５１０の第１の側方領域と同一側方位置に配置され得、その第１の側方表面上に入射する第１の光学フィルタ５２０（Ｘ２２）によって透過される画像光を受け取るように構成され得る。
接眼レンズは、第２の導波管５３０の第１の側方領域（Ｘ３０）に光学的に結合された第２の回折光学要素（ＤＯＥ）５３２をさらに含み得る。第２のＤＯＥ５３２は、第２の導波管５３０の第１の表面（図５に示されるように）または第１の表面と反対の第２の導波管５３０の第２の表面のいずれか上に形成される内部結合格子（ＩＣＧ）を含み得る。第２のＤＯＥ５３２は、第２の波長範囲内の画像光、例えば、緑色画像光（Ｘ３４）が第２の導波管５３０の第２の側方領域（Ｘ３１）に向かって誘導されるように、それを第２の導波管５３０の中に回折するように構成され得る。第２の側方領域（Ｘ３１）は、ＩＣＧとＯＰＥ（図示せず）との間の領域であり得る。第２の導波管５３０の中に結合されない画像光（Ｘ３２）の一部は、第２の導波管５３０を通して透過され得る。
接眼レンズは、第２の導波管５３０の第１の側方領域（Ｘ３０）と同一側方位置において、第３の側方平面に隣接した第４の側方平面内に位置付けられた第２の光学フィルタ５４０をさらに含み得る。第２の光学フィルタ５４０は、第２の導波管５３０を通して透過される画像光（Ｘ３２）の一部を受け取るように構成され得る。一実施形態では、第２の光学フィルタ５４０は、赤色光に対応する波長範囲のための高透過率値と、青色および緑色光に対応する波長範囲のための低透過率値とを有するように、ロングパスフィルタとして構成され得る。したがって、第２の光学フィルタ５４０（Ｘ４２）によって透過される画像光は、主に、赤色画像光を含み得る。
接眼レンズ５００は、第４の側方平面に隣接した第５の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管５５０をさらに含み得る。第３の導波管５５０は、第１の側方領域（Ｘ５０）と、第２の側方領域（Ｘ５１）とを有し得る。第１の側方領域（Ｘ５０）は、第２の導波管５３０の第１の側方領域（Ｘ３０）と同一側方位置に配置され得、その第１の側方表面上に入射する第２の光学フィルタ５４０（Ｘ４２）によって透過される画像光を受け取るように構成され得る。
接眼レンズ５００は、第３の導波管５５０の第１の側方領域（Ｘ５０）に光学的に結合された第３の回折光学要素（ＤＯＥ）５５２をさらに含み得る。第３のＤＯＥ５５２は、第３の導波管５５０の第１の表面（図５に示されるように）または第１の表面と反対の第３の導波管５５０の第２の表面のいずれか上に形成される内部結合格子（ＩＣＧ）（図示せず）を含み得る。第３のＤＯＥ５５２は、第３の波長範囲内の画像光、例えば、赤色画像光（Ｘ５４）が第３の導波管５５０の第２の側方領域（Ｘ５１）に向かって誘導されるように、それを第３の導波管５５０の中に回折するように構成され得る。第２の側方領域（Ｘ５１）は、ＩＣＧとＯＰＥ（図示せず）との間の領域であり得る。第３の導波管５５０の中に結合されない画像光（Ｘ５２）の一部は、第３の導波管５５０を通して透過され得る。
いくつかの他の実施形態によると、赤色－緑色－青色導波管５１０、５３０、および５５０の順序は、図５に図示されるものと異なり得る。さらに、接眼レンズ５００は、いくつかの実施形態によると、３つより少ない導波管（例えば、２つの導波管）または４つ以上の導波管（例えば、色の各々のために３つの９つの導波管）を含み得る。いくつかの実施形態では、接眼レンズ５００は、赤色、緑色、および青色以外の色のための導波管を含み得る。例えば、赤色、緑色、および青色の代わりに、またはそれに加え、マゼンタ色およびシアン色のための導波管を含み得る。
いくつかの実施形態では、第１の光学フィルタ５２０は、緑色および赤色光を透過し、青色光を反射するダイクロイックロングパスフィルタとして構成され得る。したがって、青色波長範囲（Ｘ２４）内の第１の導波管５１０を通して透過される画像光（Ｘ１２）の一部は、第１の導波管５１０に向かって反射され、第１のＤＯＥによって第１の導波管５１０の中に回折され、第１の導波管５１０内のＯＰＥおよびＥＰＥに誘導され、視認者に出力され得る。したがって、視認者に出力される青色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。
同様に、第２の光学フィルタ５４０は、赤色光を透過し、青色および緑色光を反射するダイクロイックロングパスフィルタとして構成され得る。したがって、緑色波長範囲（Ｘ４４）内の第２の導波管５３０を通して透過される画像光（Ｘ３２）の一部は、第２の導波管５３０に向かって反射され、第２のＤＯＥによって第２の導波管５３０の中に回折され、第２の導波管５３０内のＯＰＥおよびＥＰＥに誘導され、視認者に出力され得る。したがって、視認者に出力される緑色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。
いくつかの実施形態では、接眼レンズは、第３の導波管５５０の第２の側方領域（Ｘ５０）と同一側方位置において、第５の側方平面に隣接した第６の側方平面内に位置付けられた光学反射体５６０をさらに含み得る。上で述べられたダイクロイックロングパスフィルタのように、光学反射体５６０は、第３の導波管５５０（Ｘ５２）を通して透過される画像光を第３の導波管５５０に向かって反射して戻すように構成され得る。赤色波長範囲内の光学反射体５６０（Ｘ６４）によって反射された画像光の一部は、第３のＤＯＥによって第３の導波管５５０の中に回折され、第３の導波管５５０のＯＰＥおよびＥＰＥに誘導され、視認者に出力され得る。いくつかの例では、光学反射体５６０は、少なくとも赤色波長範囲内の光を反射するように構成されるダイクロイックフィルタ等の波長選択的光学要素として実装され得る。他の例では、光学反射体５６０は、比較的に広範囲の波長を反射するように構成されるミラーまたは他の光学要素として実装され得る。いずれの場合も、視認者に出力される赤色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。
図６Ａ－６Ｄは、ある実施形態による、ダイクロイックフィルタを伴わない、接眼レンズによって形成されるいくつかの例示的画像を図示する。図６Ａは、赤色画像光と、緑色画像光と、青色画像光とを含む画像光によって形成される画像である。図６Ｂ－６Ｄは、それぞれ、赤色画像光、緑色画像光、および青色画像光によって形成される画像である。図６Ｅ－６Ｈは、ある実施形態による、図５に図示される接眼レンズ５００等のダイクロイックフィルタを伴う接眼レンズによって形成されるいくつかの例示的画像を図示する。図６Ｅは、赤色画像光と、緑色画像光と、青色画像光とを含む画像光によって形成される画像である。図６Ｆ－６Ｈは、それぞれ、赤色画像光、緑色画像光、および青色画像光によって形成される画像である。図から分かるように、ダイクロイックフィルタを伴う接眼レンズによって形成される画像は、ダイクロイックフィルタを伴わない接眼レンズによって形成されるものより明るくあり得る。実際、ダイクロイックフィルタの反射性質は、導波管ベースの接眼レンズ内の明度を向上させる役割を果たし得る。
図７は、本発明のある実施形態による、第１の光学フィルタ５２０のための透過率／反射率曲線を図式的に図示する。第１の光学フィルタ５２０は、閾値波長（例えば、５１０ｎｍ）より長い波長のための高透過率値（例えば、１００％に近い）および低反射率値（例えば、０％に近い）と、閾値波長より短い波長のための低透過率値（例えば、０％に近い）および高反射率値（例えば、１００％に近い）とを有するロングパスフィルタとして構成され得る。
いくつかの実施形態では、第１の光学フィルタ５２０は、閾値波長（例えば、５１０ｎｍ）より長い波長のための約９０％を上回る透過率値と、閾値波長より短い波長のための約１０％未満の透過率値とを有するように構成され得る。いくつかの他の実施形態では、第１の光学フィルタ５２０は、閾値波長（例えば、５１０ｎｍ）より長い波長のための約８０％を上回る透過率値と、閾値波長より短い波長のための約２０％未満の透過率値とを有するように構成され得る。第１の光学フィルタ５２０は、他の透過率値範囲を有し得る。色コントラストは、透過率値範囲に応じて変動し得る。
第１の光学フィルタ５２０は、例えば、多層薄膜フィルタを含み得る。多層薄膜フィルタの透過率／反射率曲線は、典型的には、入射角に敏感である。例えば、第１の光学フィルタ５２０は、ゼロ度入射角（すなわち、法線入射）に対する実線７１０によって表される透過率／反射率曲線を有するように設計され得、閾値波長は、約５１０ｎｍである。増加入射角に対して、閾値波長は、より短い波長にシフトし得る。例えば、閾値波長は、破線７２０によって示されるように、４５度入射角に対して、約４５９ｎｍにシフトし得る。いくつかの実施形態では、第１の光学フィルタ５２０は、閾値波長が、所定の入射角の範囲にわたって、緑色画像光の中心波長（例えば、５２８ｎｍ）を下回り、青色画像光の中心波長（例えば、４６２ｎｍ）を上回ってとどまるように、設計され得る。一実施形態では、所定の入射角の範囲は、９０度視野（ＦＯＶ）に対して、約ゼロ度～約４５度であり得る。別の実施形態では、所定の入射角の範囲は、５０度ＦＯＶに関して、ゼロ度～約２５度であり得る。そのようなフィルタ設計は、第１の光学フィルタ５２０のための角度に対して敏感でない動作を可能にし得る。すなわち、第１の光学フィルタ５２０は、画像光の入射角が所定の範囲内である限り、緑色および赤色光を透過し、青色光を反射するであろう。
図８は、本発明の別の実施形態による、第１の光学フィルタ５２０のための透過率／反射率曲線を図式的に図示する。ここでは、第１の光学フィルタ５２０は、４５度入射角に対して実線８１０によって表される透過率／反射率曲線を有するように設計され得、閾値波長は、約４５９ｎｍである。減少する入射角に対して、閾値波長は、より長い波長にシフトし得る。例えば、閾値波長は、破線８２０によって示されるように、ゼロ度入射角に関して約５１０ｎｍにシフトし得る。第１の光学フィルタ５２０は、閾値波長が、角度に対して敏感でない動作のために、所定の入射角の範囲にわたって、緑色画像光の中心波長（例えば、５２８ｎｍ）を下回り、青色画像光の中心波長（例えば、４６２ｎｍ）を上回って留まるように、設計され得る。
第２の光学フィルタ５４０も、角度に対して敏感でない動作のために設計され得る。例えば、第２の光学フィルタ５４０は、所定の入射角の範囲にわたって、赤色画像光の中心波長（例えば、６３５ｎｍ）を下回り、緑色画像光の中心波長（例えば、５２８ｎｍ）を上回る閾値波長を有するロングパスフィルタとして設計され得る。
図５を参照すると、いくつかの他の実施形態では、赤色－緑色－青色導波管５１０、５３０、および５５０は、異なるように順序付けられ得る。例えば、第１の導波管５１０は、赤色導波管として構成され得、第２の導波管５３０は、緑色導波管として構成され得、第３の導波管５５０は、青色導波管として構成され得る。その場合、第１の光学フィルタ５２０は、青色および緑色波長範囲内の高透過率値と、赤色波長範囲内の低透過率値とを有するショートパスフィルタとして構成され得る。同様に、第２の光学フィルタ５５０は、青色波長範囲内の高透過率値と、緑色および赤色波長範囲内の低透過率値とを有するショートパスフィルタとして構成され得る。
別の例として、第１の導波管５１０は、青色導波管として構成され得、第２の導波管５３０は、赤色導波管として構成され得、第３の導波管５５０は、緑色導波管として構成され得る。その場合、第１の光学フィルタ５２０は、緑色および赤色波長範囲内の高透過率値と、青色波長範囲内の低透過率値とを有するロングパスフィルタとして構成され得る。第２の光学フィルタ５４０は、緑色波長範囲内の高透過率値と、赤色波長範囲内の低透過率値とを有するショートパスフィルタとして構成され得る。
図５を参照すると、上で説明されるように、第１の導波管５１０の第１の側方領域（Ｘ１０）に結合される第１のＤＯＥ５１２（ＩＣＧとも称される）は、主に、青色光を第１の導波管５１０の中に回折するように設計され得る。実際は、第１のＤＯＥ５１２はまた、少量の緑色光を第１の導波管５１０の中に回折（すなわち、交差結合）し得る。図９Ａは、この状況を図示する。そこでは、青色画像光、緑色画像光、および赤色画像光が、第１の導波管５１０上に入射する。第１のＤＯＥ５１２は、主に、青色光が第２の側方領域（Ｘ１１）に向かって誘導されるように、それを第１の導波管５１０の中に回折するが、少量の緑色画像光も、第１のＤＯＥ５１２によって第１の導波管５１０の中に回折され得る。
同様に、第２の導波管５３０の第１の側方領域（Ｘ３０）に結合される第２のＤＯＥ５３２は、主に、緑色光を第２の導波管５３０の中に回折するように設計され得る。実際は、第２のＤＯＥ５３２は、少量の赤色光も第２の導波管５３０の中に交差結合し得る。図１０は、この状況を図示する。そこでは、緑色画像光および赤色画像光は、ロングパスフィルタ５２０によって透過され、第２の導波管５３０上に入射し得る。第２のＤＯＥ５３２は、主に、緑色光が第２の側方領域（Ｘ３１）に向かって誘導されるように、それを第２の導波管５３０の中に回折するが、少量の赤色画像光も、第２のＤＯＥによって第２の導波管５３０の中に回折され得る。
図１１Ａ－１１Ｄは、波長「交差結合」効果を図示する。図１１Ａは、青色導波管によって形成される青色明視野の画像を示す。図１１Ｂは、青色導波管によって交差結合される緑色明視野の画像を示す。図１１Ｃは、緑色導波管によって形成される緑色明視野の画像を示す。図１１Ｄは、緑色導波管によって交差結合される赤色明視野の画像を示す。
本発明のある実施形態によると、第１の導波管５１０は、図９Ａに図示されるように、第１の導波管５１０の第２の側方領域（Ｘ１１）に結合される第１のショートパスフィルタ５１８を含み得る。第１のショートパスフィルタ５１８は、第１の導波管５１０の中に交差結合される緑色画像光が、第１のショートパスフィルタ５１８によって吸収され得、したがって、第１の導波管５１０のＯＰＥおよびＥＰＥ領域に伝搬することを防止され得るように、青色光を通し、緑色光を吸収するように構成され得る。
ある実施形態によると、第２の導波管５３０は、図１０に図示されるように、第２の導波管５３０の第２の側方領域（Ｘ３１）に結合される第２のショートパスフィルタ５３８も含み得る。第２のショートパスフィルタ５３８は、第２の導波管５３０の中に交差結合される赤色画像光が、第２のショートパスフィルタ５３８によって吸収され得、したがって、第２の導波管５３０のＯＰＥおよびＥＰＥ領域に伝搬することを防止され得るように、緑色光を通し、赤色光を吸収するように構成され得る。
図９Ｂは、本発明のある実施形態による、ショートパスフィルタ５１８の断面図を図式的に図示する。ショートパスフィルタ５１８は、第１の導波管５１０の第２の側方領域（Ｘ１１）の外側表面上に配置され得る。いくつかの実施形態では、ショートパスフィルタ５１８は、第１の導波管５１０の外側表面上に配置されるダイクロイック層９１０を含み得る。ダイクロイック層９１０は、例えば、図７に図示されるものに類似する透過率／反射率曲線を有するように設計される多層薄膜を含み得、閾値波長は、所定の入射角の範囲にわたって、緑色画像光の中心波長（例えば、５２８ｎｍ）を下回り、青色画像光の中心波長（例えば、４６２ｎｍ）を上回る。したがって、ダイクロイック層９１０は、その上に入射する青色画像光がＥＰＥ領域に向かって誘導されるように、それを第１の導波管５１０の中に反射し、その上に入射する緑色画像光を透過し得る。ショートパスフィルタ５１８は、ダイクロイック層９１０上に配置される終端基板９２０（例えば、ガラス層）と、終端基板９２０上に配置される吸収性層９３０とをさらに含み得る。吸収性層９３０は、ダイクロイック層９１０によって透過される光を吸収するように構成され得る。
図１２Ａは、いくつかの実施形態による、導波管１２００を図式的に図示する。導波管１２００は、第１の側方領域１２０２と、第２の側方領域１２０４とを含み得る。導波管１２００は、第１の側方領域１２０２に光学的に結合され、入射光Ｙ０２ａの一部を導波管１２００の中に回折するように構成される回折光学要素（ＤＯＥ）１２０３も含み得る。例えば、ＤＯＥ１２０３は、主に、青色光を第１の導波管１２００の中に回折するように設計され得る。実際は、ＤＯＥは、上で議論されるように、少量の緑色光も第１の導波管１２００の中に回折（すなわち、交差結合）し得る。
導波管１２００は、導波管１２００の第２の側方領域１２０４に結合されるショートパスフィルタ１２１０も含み得る。ショートパスフィルタ１２１０は、例えば、基板ドーププロセスによって、導波管１２００の中に埋め込まれた屈折率整合特性を伴う粒子を含み得る。粒子は、例えば、緑色光または青色光のものより長い波長を有する光を吸収し、青色光を透過し得る。いくつかの実施形態では、屈折率整合は、厳密な要件ではないこともある。そのような場合、光は、粒子と導波管媒体との間の界面で屈折し得るが、それでもなお、元の角度で伝搬し続け得る。不連続の点における散乱を最小限にすることが、望ましくあり得る。
図１２Ｂは、いくつかの他の実施形態による、導波管１２００を図式的に図示する。導波管１２００は、導波管１２００の第２の側方領域１２０４に結合されるショートパスフィルタ１２２０を含み得る。ここでは、ショートパスフィルタ１２２０は、空洞を導波管１２００の第２の側方領域１２０４の内側に含み得、空洞の上部表面は、導波管１２００の外側表面と同一平面にある。空洞は、緑色光または青色光のものより長い波長を有する光を吸収する屈折率整合染料で充填され得る。いくつかの実施形態では、空洞を作製および充填する代わりに、フィルタは、染料を導波管１２００の表面を通して拡散させ、部分的または完全に染色（または「ドープ」）された体積を導波管１２００内に生成することによって作成されることができる。一実施形態では、染料の屈折率は、染料が全内部反射（ＴＩＲ）による導波管１２００内の青色画像光の伝搬に影響を及ぼさないように、導波管１２００の屈折率と整合され得る。いくつかの他の実施形態では、ある程度の屈折率不整合は、伝搬に影響を及ぼさない限り、許容され得、界面における散乱は、ある程度まで制御される。
図１２Ｃは、いくつかのさらなる実施形態による、導波管１２００を図式的に図示する。導波管１２００は、導波管１２００の第２の側方領域１２０４の外側表面に適用される染料１２３０の層を含み得る。染料（Ｙ１３ｃ）の層は、緑色光または青色光のものより長い波長を有する光を吸収し、青色光を反射し得る。
図１３Ａは、本発明の別の実施形態による、接眼レンズの部分断面図を図示する。接眼レンズは、第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管１３１０と、第１の側方平面に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管１３４０と、第３の側方平面に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管１３７０とを含み得る。入力画像光は、２つの光学経路に分割され、青色および赤色画像光は、第１の側方位置において、接眼レンズ上に入射し、緑色画像光は、第１の側方位置から変位させられた第２の側方位置において、接眼レンズ上に入射する。
接眼レンズは、第２の側方位置において、第１の導波管１３１０の第１の表面上に配置される内部結合格子（ＩＣＧ）等の第１の回折光学要素（ＤＯＥ）１３２０をさらに含み得る。第１のＤＯＥは、その上に入射する緑色画像光の一部を受け取り、第１の導波管１３１０のＯＰＥおよびＥＰＥ領域に誘導されるように、それを第１の導波管１３１０の中に回折するように構成される。接眼レンズは、第２の側方位置において、第１の導波管１３１０の第２の表面上に配置される第１の光学反射体１３３０をさらに含み得る。いくつかの例では、光学反射体１３３０は、少なくとも緑色波長範囲内の光を反射するように構成されるダイクロイックフィルタ等の波長選択的光学要素として実装され得る。他の例では、光学反射体１３３０は、比較的に広範囲の波長を反射するように構成されるミラーまたは他の光学要素（例えば、アルミ被覆材料）として実装され得る。いずれの場合も、第１の光学反射体１３３０は、最初の通過において第１のＤＯＥ１３２０によって第１の導波管１３１０の中に結合されない緑色画像光を第１のＤＯＥ１３２０に向かって反射して戻すように構成され得るということになる。第１の光学反射体１３３０によって反射された緑色画像光の一部は、第１のＤＯＥ１３２０によって第１の導波管１３１０の中に回折され得る。したがって、視認者に出力される緑色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。
接眼レンズは、第１の側方位置において、第２の導波管１３４０の第１の表面上に配置される第２のＤＯＥ１３５０をさらに含み得る。第２のＤＯＥ１３５０は、その上に入射する青色画像光の一部を受け取り、第２の導波管１３４０のＯＰＥおよびＥＰＥ領域に向かって誘導されるように、それを第２の導波管１３４０の中に回折するように構成され得る。接眼レンズは、第１の側方位置において、第２の導波管１３４０の第２の表面上に配置される光学フィルタ１３６０（すなわち、波長選択的光学要素）をさらに含み得る。光学フィルタ１３６０は、赤色画像光のための高透過率値と、青色画像光のための低透過率値および高反射率値とを有するように構成されるダイクロイックロングパスフィルタを含み得る。したがって、最初の通過において第２のＤＯＥ１３５０によって第２の導波管１３４０の中に結合されない青色画像光の一部は、第２のＤＯＥ１３５０に向かって反射して戻され、第２のＤＯＥ１３５０によって第２の導波管１３４０の中に結合され得る。したがって、視認者に出力される青色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。光学フィルタ１３６０によって透過される赤色画像光は、第３の導波管１３７０上に入射する。
接眼レンズは、第１の側方位置において、第３の導波管１３７０の第１の表面上に配置される第３のＤＯＥ１３８０をさらに含み得る。第３のＤＯＥ１３８０は、その上に入射する赤色画像光の一部を受け取り、第３の導波管１３７０のＯＰＥおよびＥＰＥ領域に向かって誘導されるように、それを第３の導波管１３７０の中に回折するように構成され得る。接眼レンズは、第１の側方位置において、第３の導波管１３７０の第２の表面上に配置される第２の光学反射体１３９０をさらに含み得る。いくつかの例では、光学反射体１３９０は、少なくとも赤色波長範囲内の光を反射するように構成されるダイクロイックフィルタ等の波長選択的光学要素として実装され得る。他の例では、光学反射体１３９０は、比較的に広範囲の波長を反射するように構成されるミラーまたは他の光学要素（例えば、アルミ被覆材料）として実装され得る。いずれの場合も、第２の光学反射体１３９０は、最初の通過において第３のＤＯＥ１３８０によって第３の導波管１３７０の中に結合されない赤色画像光を第３のＤＯＥ１３８０に向かって反射して戻すように構成され得る。第２の光学反射体１３９０によって反射された赤色画像光の一部は、第３のＤＯＥ１３８０によって第３の導波管１３７０の中に回折され得る。したがって、視認者に出力される赤色明視野の明度およびコントラストは、向上させられ得る。
図１３Ｂは、本発明のさらなる実施形態による、接眼レンズの部分断面図を図示する。図１３Ｂに図示される接眼レンズは、図１３Ａに図示される接眼レンズに類似するが、第１のＤＯＥは、第１の光学反射体１３３０と同一表面の第１の導波管１３１０の第２の表面上に配置され、第２のＤＯＥ１３５０は、光学フィルタ１３６０と同一表面の第２の導波管１３４０の第２の表面上に配置され、第３のＤＯＥ１３８０は、第２の光学反射体１３９０と同一表面の第３の導波管１３７０の第２の表面上に配置される。
図１３Ｃは、本発明のさらに別の実施形態による、接眼レンズの部分断面図を図示する。図１３Ｃに図示される接眼レンズは、図１３Ｂに図示される接眼レンズに類似するが、光学フィルタ１３６０は、第３の導波管１３７０の第１の表面上に配置される。
図１３Ａ－１３Ｃに図示される実施形態の各々は、それ自身の長所と短所を有し得る。図１３Ａに図示される実施形態では、第１のＤＯＥ、第２のＤＯＥ、および第３のＤＯＥは、導波管の第１の表面上に形成されるので、それらは、透過モードで動作する。比較として、図１３Ｂおよび１３Ｃに図示される実施形態では、第１のＤＯＥ、第２のＤＯＥ、および第３のＤＯＥは、導波管の第２の表面上に形成され、したがって、反射モードで動作する。ＤＯＥは、透過モードより反射モードで効率的であり得る。反射モードでアルミ被覆されたＤＯＥを有することは、回折効率をさらに増加させ得る。ＤＯＥおよびダイクロイックフィルタを反対表面上に有することは、両表面上にパターン化を要求するので、製造がより困難であり得る。
図１４は、本発明のある実施形態による、光学フィルタ１３６０の透過率／反射率曲線を図式的に図示する。光学フィルタ１３６０の透過率／反射率曲線は、閾値より長い波長に対して高透過率値（例えば、１００％に近い）および低反射率値（例えば、０％に近い）を呈し、閾値より短い波長に関して低透過率値（例えば、０％に近い）および高反射率値（例えば、１００％に近い）を呈するという点で、図７および８に図示されるものに類似する。
光学フィルタ１３６０は、その透過率／反射率特性が、上で議論されるように、入射角に敏感であり得る多層薄膜を含み得る。例えば、光学フィルタ１３６０は、入射角４５度に対して、実線１４１０によって表される透過率／反射率曲線を有するように設計され得る。減少入射角に対して、立ち上がりエッジは、より長い波長にシフトし得る。例えば、ゼロ度入射角のための透過率／反射率曲線は、破線１４２０によって表され得る。
上で議論されるように、光学フィルタ１３６０のための角度に対して敏感でない動作を有効にするために、透過率／反射率曲線の立ち上がりエッジが、所定の入射角の範囲にわたって（例えば、約ゼロ度～約４５度）、赤色画像光の中心波長（例えば、６３５ｎｍ）を下回り、青色画像光の中心波長（例えば、４６２ｎｍ）を上回って留まることが望ましくあり得る。ここでは、青色および赤色画像光のみが、光学フィルタ１３６０上に入射し、かつ青色画像光および赤色画像光の中心波長が比較的に互いから離れているので、透過率／反射率プロファイルに対する要件は、より緩和され得る。例えば、透過率／反射率曲線の立ち上がりエッジは、図７および８に図示されるものと比較して、ゼロ度入射角～４５度入射角のより大きい波長範囲だけシフトし得る。さらに、透過率／反射率曲線の立ち上がりエッジは、図７および８に図示されるものと同じくらい急峻である必要はないこともある。したがって、図１３Ａ－１３Ｃに図示される接眼レンズは、図２に図示される接眼レンズと比較して、より小さい形状因子をもたらし得、青色－緑色－赤色画像光は、３つの別個の光経路に分離される一方、フィルタの透過率／反射率プロファイルに対するあまり厳密ではない要件を有する。
本明細書に説明される例および実施形態は、例証目的のためだけのものであって、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (10)

  1. 画像を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
    第１の側方平面内に位置付けられた第１の平面導波管であって、前記第１の平面導波管は、それに結合され、側方位置に配置された第１の回折光学要素（ＤＯＥ）を備え、前記第１のＤＯＥは、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第１の平面導波管と、
    前記第１の側方平面に垂直方向に隣接した第２の側方平面内に位置付けられた第２の平面導波管であって、前記第２の平面導波管は、それに結合され、前記側方位置に配置された第２のＤＯＥを備え、前記第２のＤＯＥは、前記第１の波長より長い第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第２の平面導波管と、
    前記第２の側方平面に垂直方向に隣接した第３の側方平面内に位置付けられた第３の平面導波管であって、前記第３の平面導波管は、それに結合され、前記側方位置に配置された第３のＤＯＥを備え、前記第３のＤＯＥは、前記第２の波長より長い第３の波長に中心を置かれた第３の波長範囲における画像光を回折するように構成されている、第３の平面導波管と、
    前記側方位置において、前記第１の平面導波管と前記第２の平面導波管との間に配置された第１の光学フィルタであって、前記第１の光学フィルタは、
    前記第１の波長範囲における第１の透過率値と、
    前記第２の波長範囲および前記第３の波長範囲における第２の透過率値であって、前記第２の透過率値は、前記第１の透過率値より大きい、第２の透過率値と、
    約９０％より大きい前記第１の波長範囲における第１の反射率値と
    を有するように構成されている、第１の光学フィルタと、
    前記側方位置において、前記第２の平面導波管と前記第３の平面導波管との間に配置された第２の光学フィルタであって、前記第２の光学フィルタは、
    前記第１の波長範囲および前記第２の波長範囲における第３の透過率値と、
    前記第３の波長範囲における第４の透過率値であって、前記第４の透過率値は、前記第３の透過率値より大きい、第４の透過率値と、
    約９０％より大きい前記第２の波長範囲における第２の反射率値と
    を有するように構成されている、第２の光学フィルタと
    を備えている、接眼レンズ。
  2. 前記第１のＤＯＥ、前記第２のＤＯＥ、および前記第３のＤＯＥの各々は、内部結合格子を備えている、請求項１に記載の接眼レンズ。
  3. 前記第１の透過率値および前記第３の透過率値の各々は、約１０％より小さく、前記第２の透過率値および前記第４の透過率値の各々は、約９０％より大きい、請求項１に記載の接眼レンズ。
  4. 前記第１の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための前記第１の透過率値および前記第２の透過率値を有するように構成され、前記第２の光学フィルタは、約ゼロ度～約４５度に及ぶ入射角のための前記第３の透過率値および前記第４の透過率値を有するように構成されている、請求項３に記載の接眼レンズ。
  5. 前記第１の波長範囲は、実質的に４６２ｎｍに中心を置かれ、前記第２の波長範囲は、実質的に５２８ｎｍに中心を置かれ、前記第３の波長範囲は、実質的に６３５ｎｍに中心を置かれている、請求項１に記載の接眼レンズ。
  6. 前記側方位置において、前記第３の側方平面に垂直方向に隣接した第４の側方平面内に位置付けられた光学反射体をさらに備え、前記光学反射体は、前記第３の平面導波管を通して透過された画像光を反射するように構成されている、請求項１に記載の接眼レンズ。
  7. 前記側方位置からオフセットされた前記第１の平面導波管の第２の側方領域に光学的に結合され、前記第２の波長範囲における画像光を吸収するように構成された第１のショートパスフィルタと、
    前記側方位置からオフセットされた前記第２の平面導波管の第２の側方領域に光学的に結合され、前記第３の波長範囲における画像光を吸収するように構成された第２のショートパスフィルタと
    をさらに備えている、請求項１に記載の接眼レンズ。
  8. 前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の平面導波管の前記第２の側方領域の内側に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の平面導波管の前記第２の側方領域の内側に配置されている、請求項７に記載の接眼レンズ。
  9. 前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の平面導波管の前記第２の側方領域の内側の空洞の中に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の平面導波管の前記第２の側方領域の内側の空洞の中に配置されている、請求項７に記載の接眼レンズ。
  10. 前記第１のショートパスフィルタは、前記第１の平面導波管の前記第２の側方領域の第１の側方表面上に配置され、前記第２のショートパスフィルタは、前記第２の平面導波管の前記第２の側方領域の第１の側方表面上に配置されている、請求項７に記載の接眼レンズ。
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