JP7121116B2 - 拡張現実システムのための導波路ベース光学システム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２０１７年１０月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／５７２１０９号の米国特許法第１１９条の下の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体を本明細書に援用する。

本開示は拡張現実（ＡＲ）システムに関する。特に、ＡＲシステムのための導波路ベース光学システム及び方法に関する。

ＡＲシステムはユーザーが見ている現実の情景に仮想物体を加えるために使用される。例となる１種類のＡＲシステムは着用でき、ユーザーにより装着される眼鏡、ゴーグル、又はヘルメットの形態のアイウェアを利用し、時には頭部装着ディスプレイ（ＨＭＤ）システムと呼ばれる。ＡＲシステムは、実際の物体又は直接見られている情景に拡張物体も加えながら物体又は情景を見るのを可能にするよう構成された光学システムを通常含む。

ＡＲシステムは通常５つの主機能を実行する。第１は拡張物体をユーザーの眼から離して配置することである。第１は拡張物体をスケール不変及びシフト不変形態に変換することである。第３は現実の情景からの光線がそのまま通過するのを許しながら変換された拡張物体をユーザーの眼の前に移すことである。第４は変換され移させた拡張物体のサイズを変えてユーザーの眼の前のアイボックスを最大にすることである。第５は現実の情景と変換され移されサイズ変更された拡張物体の両方からの光線を結合し、ユーザーの眼に拡張された情景の実際の画像を形成させることである。

ＡＲシステムのための幾つかの異なる光学システム構成が提案されていて、それらは１つ以上の種類の光学素子、例えばビームスプリッター、軸外レンズ、ミラー（マイクロミラーを含む）、光ガイド、回折光学素子（ＤＯＥ）、及びホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の様々な組み合わせを使用する構成を含む。

光ガイドの使用は、特にＡＲアイウェアに有用な小型の構成を可能にできる点で有利である。しかし、これまで使用されてきた光ガイドは比較的厚い傾向がある。即ち、光ガイドは導波路の電磁理論ではなく幾何光学の原理により画定される。このように、光ガイドは比較的制限された（狭い）視野（例えば３０°～５０°の範囲内）を有し、出力光が高品質画像を提供するように非常に狭い幾何公差（例えばミクロンスケール）で作製されなければならない。加えて、光ガイドからの光の取り出しは、真の波ではなく光線として光ガイドを横切る光のためにその光ガイドの出力領域に亘って連続ではなく離散的である。

ユーザーが見ている物体又は情景の拡張画像を形成するＡＲシステムで使用するためのＡＲ光学システムが本明細書に開示される。ＡＲ光学システムは基板により支持された導波路層を含む導波路構造体を備える。入力回折格子及び出力回折格子が前記導波路層に存在し横方向に互いに離れている。ディスプレイからの入力光が入力回折格子に入射される。その入力光は導波路層内にカップリングされ複数の導波モードとして導波路層内を出力回折格子へ進行する。前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供し、それらの導波モードは導波路層から出力回折格子により出力回折格子に沿って連続的に取り出され出力光を形成する。一方、情景からの光は垂直に出力回折格子を通過しその結果、前記出力光と情景からの光とがユーザーの眼により結合され拡張現実画像を形成する。

本開示の一態様は、拡張現実システムにおいて動作波長で使用するための拡張現実光学システムである。このシステムは、前記動作波長で屈折率ｎ_Ｓと上面と底面とを有する基板と、前記基板の上面内か又は上面上にそれぞれ形成され横方向に互いに離された入力回折格子及び出力回折格子と、本体、上面、底面、及び１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの厚みを有する導波路層であって、該導波路層の前記底面が前記基板の前記上面上に支持されて前記入力及び出力回折格子は該導波路層内に延び、前記動作波長で屈折率ｎ_Ｇ≧ｎ_Ｓを有し複数の導波モードを支える導波路層とを備え、前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供することで、前記入力回折格子に入射した入力光は前記導波路層内にカップリングされ前記導波モードで前記出力回折格子へ進行し前記出力回折格子により前記導波路層から出力光として取り出される。

本開示の別の態様は、物体又は情景を見るための拡張現実システムであって、前面領域及び後面領域を有する上記の拡張現実光学システムと、前記後面領域に配置され前記入力光を生成する表示装置と、前記表示装置に相対して操作可能に配置され前記入力光を入力視野に亘って前記拡張現実光学システムの前記入力回折格子へ向けるように構成された結合光学システムとを備える拡張現実システム。

本開示の別の態様は、屈折率ｎ_Ｇを有する１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの範囲内の厚みＴＨＧの導波路層を含み、屈折率ｎ_Ｓを有する基板上に支持された導波路構造体であって、ｎ_Ｇ－ｎ_Ｓ≧０．５であり、複数の導波モードを支える導波路構造体と、前記導波路層内にそれぞれ存在する入力回折格子及び出力回折格子とを備える拡張現実光学システムであり、前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供し、横方向に互いに離されている。

本開示の別の態様は、物体又は情景を見る時に拡張現実画像を形成する方法である。その方法は、表示画像からの表示光を入力視野に亘って導波路構造体の入力回折格子へ向け、前記導波路構造体内を進行する複数の導波モードを形成するステップと、前記導波路構造体の出力回折格子を使用して前記複数の導波モードを出力視野に亘って取り出すステップであって、前記出力回折格子は前記入力回折格子と位相整合され互いに離されている、ステップと、前記物体又は情景を前記出力回折格子を通して結像光学システムを用いて見るのと同時に前記出力回折格子からの出力光を前記結像光学システムを用いて受光するステップと、前記結像光学システムを用いて前記表示画像と前記物体又は情景の画像とが結合された拡張画像を形成するステップとを含む。

本明細書に開示されたＡＲ光学システム及びＡＲシステムは従来のＡＲ光学システム及びＡＲ装着型システムと比べて利点を有する。１つの利点は、前記導波路構造体はＡＲ光学システムが、ＡＲ眼鏡及びＡＲゴーグルなどＡＲ装着型システムにとって重要な比較的薄い形状因子を持つのを可能にすることである。別の利点は、結像に実質的に悪影響なくその導波路構造体を変形（曲げる）できることである。別の利点は、使用する材料は安価で、構成は製造するのが比較的容易であることである。別の利点は、前記導波路構造体は比較的大きなＦＯＶ、例えば５０°～７０°を可能にすることである。別の利点は、比較的薄い構成は前記ＡＲ光学システムを通して見ている物体又は情景からの光の優れた透過を可能にすることである。更に別の利点は、光ガイドの光線ベース機能の故に光取り出しが離散的である従来の光ガイドに比べて、前記導波路構造体は前記出力回折格子の長さに亘って概ね連続する光取り出しを可能にすることである。

追加の特徴と利点は下記の詳細な説明において記述され、その説明から当業者にとって明白となるか、又は下記の説明、請求項、及び添付図面に記載した実施形態を実施することにより認識されるであろう。上記概要説明と下記の詳細な説明の両方とも単に代表例を示し、請求項の主題の特質及び特性を理解するための概観又は枠組みを提供するよう意図されていることは理解されるべきである。

添付図面は更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ一部をなしている。図面は１つ以上の実施形態を例示し、詳細な説明と共に様々な実施形態の原理と動作を説明する。即ち、本開示は添付図と併せ以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
本開示に係る一例の導波路ベースＡＲ光学システムの立面概略図である。 図１の一例のＡＲ光学システムの断面図である。 図２のシステムに類似しキャップ層を更に含む一例のＡＲ光学システムの断面図である。 図２のシステムに類似し、導波路層の底面に直に隣接する低屈折率層を更に含む一例のＡＲ光学システムの断面図である。 ＡＲ光学システムの一例の導波路構造体の一部の概略図であり、主に導波路層内を進行する複数の導波モードを例示する。 図２に類似し、本書に開示されたＡＲ光学システムの動作の基本原理を例示する。 入力光のクローズアップ図であり、入力角範囲と入力角範囲内の３つの例の入力角を示す。 出力光のクローズアップ図であり、出力角範囲と出力角範囲内の３つの例の出力角を示す。 本書に開示されたＡＲ光学システムの入力回折格子及び出力回折格子の構成例の上から見た図である。 本書に開示されたＡＲ光学システムの入力回折格子及び出力回折格子の構成例の上から見た図である。 本書に開示されたＡＲ光学システムの入力回折格子及び出力回折格子の構成例の上から見た図である。 本書に開示されたＡＲ光学システムの入力回折格子及び出力回折格子の構成例の上から見た図である。 少なくとも１つの曲面を有する一例のＡＲ光学システムの概略断面図である。 少なくとも１つの曲面を有する一例のＡＲ光学システムの概略断面図である。 少なくとも１つの曲面を有する一例のＡＲ光学システムの概略断面図である。 少なくとも１つの曲面を有する一例のＡＲ光学システムの概略断面図である。 少なくとも１つの曲面を有する一例のＡＲ光学システムの概略断面図である。 ユーザーにより使用される本書に開示されたＡＲ光学システムを含むＡＲシステムの実施形態であって、ユーザーの眼が結像光学システムを成す実施形態の概略図である。 本書に開示されたＡＲシステムを内蔵しユーザーにより装着されうる一例のＡＲアイウェアの概略図である。 図１３Ａに類似し、ＡＲシステムが結像レンズ及び画像センサーを含む結像光学システムを図１３Ａに示したユーザーの眼の代りに含む例を示す。

本開示の様々な実施形態を、それらの例を添付の図面に例示し、詳細に記述する。可能ならいつでも、同じ又は類似の部品を指すために同じ又は類似の符号を全図面に亘って使用する。図面は必ずしも一定の縮尺でない、当業者は本開示の重要な態様を例示するために図面が簡略化されていることを認識するであろう。

下記に明記する請求項は本詳細な説明に引用され、その一部を成す。

直交座標が幾つかの図で基準のために示されているが、方向又は向きについて限定する意図ではない。

下記の説明で、λは光の動作波長を表し、Δλはその動作波長を含む光の動作波長範囲（即ち、スペクトル帯）を表す。また、θは角度を表し、Δθは角度範囲を表し、一例では視野（ＦＯＶ）を表す。

以下に挙げた様々な屈折率は、一例では可視波長である動作波長λに対する。一例では、スペクトル帯Δλは可視波長を含む。

ＡＲ光学システム
図１は本開示に係る一例の導波路ベースＡＲ光学システム（「ＡＲ光学システム」）１０の立面概略図であり、図２は図１の一例のＡＲ光学システムの断面図である。ＡＲ光学システムは図１に最も良く示されるようにｘ方向長さＬＺ、ｙ方向長さＬＹ、及びｚ方向全厚みＴＨを有する。

ＡＲ光学システム１０は、本体２１、上面２２、及び底面２４を有する基板２０を有する。基板２０の本体２１は屈折率ｎ_Ｓ及び厚みＴＨＳを有する。図示の例では、基板２０は平面的であるが、他の非平面的構成を下記のように使用できる。

基板の上面２２は第１格子要素３２Ａから成る第１回折格子３０Ａと格子要素３２Ｂから成る第２回折格子３０Ｂとを備える。第１及び第２回折格子はｘ方向に間隔（距離）ＳＧだけ離されている。第１回折格子３０Ａは本書で「入力」又は「入射瞳」回折格子と呼ばれ、第２回折格子３０Ｂは本書で「出力」又は「射出瞳」回折格子と呼ばれる。入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂはそれぞれ同じ周期Λ及び格子高さｈを有する。

一例では、第１及び第２格子要素３２Ａ及び３２Ｂの一方又は両方は前記基板に形成され、これら第１及び第２格子要素は基板材料からできている。これはマスキングプロセス、エッチングプロセス、複写プロセス、又は成形プロセスを使用して実現できる。別の例では、第１及び第２格子要素３２Ａ及び３２Ｂの一方又は両方は前記基板の上面に、例えば選択的蒸着プロセス又は複写プロセスにより追加される。蒸着された又は複写された第１及び／又は第２格子要素３２Ａ及び３２Ｂは多様な材料、例えば酸化物などの無機材料又はアクリル酸塩などの有機材料からできていて、基板２０と概ね同じ屈折率を有する。下記に説明するように、入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０ＢはＡＲ光学システム１０に入力され出力される光に関して位相整合を提供する。下記により詳細に説明する。

ＡＲ光学システム１０は基板２０の上面２２の直上に導波路層４０も備える。導波路層４０は本体４１、上面４２、及び基板２０の上面２２と接する（即ち、接触する）底面４４を有する。従って、本体４１の第１部分は第１格子要素３２Ａ間の隙間を埋め、本体の第２部分は第２格子要素３２Ｂ間の隙間を埋める。導波路層４０は屈折率ｎ_Ｇを有し、ｎ_Ｇ＞ｎ_Ｓである。導波路層４０は厚みＴＨＧを有する。

ＡＲ光学システム１０の一例の構成では、導波路層４０の上面４２は、一例では屈折率ｎ_Ａ≒１の空気からなる周囲環境６０と接する。図３に例示した別の例の構成では、導波路層４０の上面４２は、屈折率ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｇのキャップ層５０と接する。キャップ層５０は上面５２と、導波路層の上面４２と接触する底面５４とを有する。

基板２０、導波路層４０、及び随意のキャップ層５０か又は周囲環境６０は導波路構造体１００を画定し、光は異なる導波モードで進行する導波として導波路層内を伝搬できる。下記により詳細に説明する。

ＡＲ光学システム１０は基板２０の底面２４に直に隣接する前面領域ＦＲを有する。ＡＲ光学システム１０はまた、キャップ層５０がＡＲ光学システムで使用されているか否かに依って導波路層４０の上面４２か又はキャップ層５０の上面５２に直に隣接する後面領域ＢＲも有する。

一例では、基板屈折率（即ち、基板の本体２１の屈折率）ｎ_Ｓ≦１．５。一例では、基板２０は従来のガラス、例えば溶融シリカからできていてもよい。他の例では、基板２０はプラスチック又は重合体からできていてもよい。一例では、基板２０は熱可塑性物質からできていてもよい。

また一例では、導波路層屈折率ｎ_Ｇ≧２。一例では、ｎ_Ｇ－ｎ_Ｓ≧０．５。導波路層４０はまた、少なくとも１つの酸化物又は少なくとも１つの酸化物材料及び少なくとも１つのフッ化物材料の組み合わせからできていてもよい。導波路層４０の酸化物材料の例はＴａ_２Ｏ_５及びＴｉＯ_２などの薄膜を含む。

図４は図３に類似であり、導波路構造体１００が、屈折率ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｓ及び厚みＴＨＬを有する低屈折率層２０Ｌを含む一例の構成を示す。低屈折率層２０Ｌは導波路層４０の底面４４に直に隣接する。低屈折率層２０Ｌは基板２０の上面２２上に加えられうるか、又は上面２２に形成され、入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂを含むか又は支持する新しい基板上面２２’を画定すると考えられうる。一例では、低屈折率層２０Ｌは屈折率ｎ_Ｌ＝１．３８のＭｇＦ_２などの低屈折率薄膜として形成される。

導波路構造体
上記のように、導波路構造体１００は、上面４２において相対的に低い屈折率の周囲環境６０か又はキャップ層５０と底面４４において相対的に低い屈折率の基板２０又は低屈折率層２０Ｌとにより囲われた相対的に高い屈折率の導波路層４０により画定される。導波路構造体１００の導波特性は、導波路層４０の厚みＴＨＧ及び使用する光の動作波長λに加え屈折率ｎ_Ｇ、ｎ_Ｓ（又はｎ_Ｌ）、及びｎ_Ａ（又はｎ_Ｃ）により主に規定される。

非限定の例では、導波路層４０の厚みＴＨＧは１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの範囲内又は２０μｍ≦ＴＨＧ≦５０μｍの範囲内である。導波路層４０の正確な厚みＴＨＧは基板屈折率ｎ_Ｓ（又は使用された場合、低屈折率層２０Ｌの屈折率ｎ_Ｌ）と、キャップ層５０の屈折率ｎ_Ｃ又は屈折率ｎ_Ａの周囲環境が使用されているかとに依存する。

図５は導波路構造体１００の一部の概略図である。導波路構造体１００は当技術で光ガイド又は光パイプとしばしば呼ばれる物とは導波路構造体は導波モードを支える点で異なる。導波モードは幾何光学の法則ではなく波動伝搬の電磁理論により適切に記述される。上記のように、一例では、導波路層４０の全導波路厚みＴＨＧは１≦ＴＨＧ≦１００μｍの範囲内であってもよく、例えば、２５０μｍ～１０００μｍの厚みの従来の光ガイドに比べて相対的に薄い。一例では、導波路厚みＴＨＧは従来の光ガイドベースＡＲ光学システムで使用される従来の光ガイドの少なくとも２．５分の１の薄さである。

図５は主に導波路層４０内を伝搬する導波又は導波モード１２０を含み、隣接する層内を進行するそれらの導波モードの尾（消えかかる）部分がある。一例では、導波路構造体１００はｎ＝０、１、２、・・・ｍの導波モード１２０を支える。ｎはモード番号であり、ｍは最大のモード番号である。モードの総数は特定の偏光、即ちＴＥ又はＴＭに関してＮ＝ｍ＋１である。ｎ＝０モードは基本モードであり、ｎ＞０モードは高次モードである。図５はｍ＝８の例を示し、特定の偏光に関して導波路構造体１００により支えられる合計Ｎ＝９個の導波モード１２０を表す。

導波路構造体１００の一例では、導波モード１２０の総数Ｎは５００≦Ｎ≦１０００の範囲内である。モードの総数Ｎは、十分な角度分解能、十分大きな視野（ＦＯＶ）、及び出力回折格子３０Ｂにより出力される出力光１５０’のための概ね連続な光取り出しを提供するのに十分大きいように選ばれ、同時に導波路層４０の厚みＴＨＧを比較的小さく、例えば１００μｍ以下に保つ。例えば、ＦＯＶは７０°という大きさでありうる。更により大きなＦＯＶはより大きな数Ｎ個の導波モードを必要とする。同様に、より小さなＦＯＶはより少ない導波モード１２０を必要とする。ＡＲ光学システム１０は、選ばれたケースで（例えば、比較的狭い視野が許容できる場合に）勿論ほんの少しのモード又は数十モードで動作できるが、数百モードで比較的大きなＦＯＶを有するＡＲ光学システムが最も有用であろうと予想される。

一例のＡＲ光学システムパラメータ
一例のＡＲ光学システム１０は基板屈折率ｎ_Ｓ≒１．５のガラス基板２０（例えば、ＢＫ７などのホウケイ酸クラウンガラス）と、Ｔａ_２Ｏ_５で作られ厚みＴＨＧ＝１００μｍ及び屈折率ｎ_Ｇ＝２．１５を有する導波路層４０と、導波路層の上面４２と接触する周囲環境６０とを含む。この構成は可視動作波長λ＝５２０ｎｍにおいて約Ｎ＝６００個の導波モード１２０を支える。

上記の例に類似するが導波路層４０はＮｂ_２Ｏ_５で作られ導波路屈折率ｎ_Ｇ＝２．３８を有する別の例では、導波路構造体１００は約Ｎ＝７００個のモードを支える。

上記の例に類似するが導波路層４０はＴｉＯ_２で作られ屈折率ｎ_Ｇ＝２．６８を有する別の例では、導波路構造体１００は約Ｎ＝８５０個のモードを支える。

上記の例に類似するが基板２０は、ＭｇＦ_２で作られ屈折率ｎ_Ｌ＝１．３８を有する低屈折率層２０Ｌを支持し、導波路層４０はＴｉＯ_２で作られ屈折率ｎ_Ｇ＝２．６８を有する別の例では、導波路構造体１００は約Ｎ＝８９０個のモードを支える。

これらの例では、モードの数は次の数式を使用して計算される。
Ｎ＝（２・ＴＨＧ／λ）・（ｎ_Ｇ ^２－ｎ_Ｓ ^２）^１／２
また一例では、入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂはそれぞれ次のパラメータを有しうる。即ち、２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内の格子周期（又はピッチ）Λ及び５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲内の格子要素高さｈを有す。

入力及び出力回折格子
図６Ａは図２に類似し、ＡＲ光学システム１０の動作の基本原理を例示する。図６Ａにおいて、入力光１５０はＡＲ光学システム１０の後面領域ＢＲから入力回折格子３０Ａに入射する。下記に説明するように、入力光１５０は表示イメージを形成するディスプレイにより生成されうる。光１５０の３つの異なる光線は１５０‐１、１５０‐２、及び１５０‐３で示され、一例ではｚ軸に対して測定されてよい異なる入射角θに対応する。ここで、光線１５０‐１、１５０‐２、及び１５０‐３を光波の伝搬方向と考えることができる。図６Ｂは入力光１５０のクローズアップ図であり、角度範囲Δθ内の３つの異なる例の角度θ１、θ２、及びθ３を示す。入力光１５０‐１、１５０‐２、及び１５０‐３は後面領域ＢＲから入力回折格子３０Ａに向かって概ね－ｚ方向に進行する。

異なる角度の入力光１５０‐１、１５０‐２、及び１５０‐３は入力回折格子３０Ａに入射し回折格子と相互作用し、入力回折格子３０Ａは、導波路モード、入力回折格子、及び異なる入射角θ１、θ２、及びθ３の入力光の間の位相整合により入力光を対応する異なる導波路モード１２０‐１、１２０‐２、及び１２０‐３に変換する。導波路構造体１００は限定された数の導波モード１２０を支えるので、入力角範囲内の選ばれた入射角θの入力光１５０だけが導波路層４０内にカップリングされ導波モード１２０として層内を進行する。これらの角度θはカップリング角と呼ばれる。導波路構造体１００により支えられる導波モード１２０の数が大きいほど、カップリング角θの数は大きい。図６Ａでは、３つの入射（カップリング）角θ１、θ２、θ３だけが例示の容易さのために示されている。上記のように、導波路構造体はＮ＝１０００個の異なる導波モード１２０を持つことができ、入力角範囲Δθで規定される入射ＦＯＶは１０００個のカップリング角θを有しうる。

導波路モード１２０‐１、１２０‐２、及び１２０‐３は導波路構造体１００内を出力回折格子３０Ｂへ進行する。入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂは導波路モード１２０を入力光及び出力光１５０及び１５０’とそれぞれ位相整合する。従って、導波路モード１２０‐１、１２０‐２、及び１２０‐３は導波路層４０から出力回折格子３０Ｂにより出力光１５０’に対する出力角範囲Δθ’＝Δθ内の出力角θ１、θ２、及びθ３で放出される対応する出力光１５０’‐１、１５０’‐２、及び１５０’‐３として取り出される。図６Ｃは出力光１５０’のクローズアップ図であり、角度範囲Δθ’内の３つの異なる例の出力角θ１’、θ２’、及びθ３’を示す。上記のように、Ｎ＝１０００の場合、１０００個の異なる出力角θ’が存在しうる。

入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂが同じ周期Λを有する例では、θ１＝θ１’、θ２＝θ２’、θ３＝θ３’、及びΔθ＝Δθ’である（即ち、カップリング角は対応する出力角に等しく、入力ＦＯＶは出力ＦＯＶに等しい）。出力光１５０’は概ね＋ｚ方向に再びＡＲ光学システム１０の後面領域ＢＲ内へ進行する。出力光１５０’は横方向（図６Ａではｘ方向）に入力光１５０から概ね距離ＳＧだけずれている。

一例では、入力光１５０は多色、即ち、波長帯域Δλを有する。一例の波長帯域Δλは可視電磁スペクトルの少なくとも一部を含むか又はから成る。

入力光１５０が多色である場合、波長帯域Δλ内の各波長λは導波路構造体１００内に入力角範囲Δθに亘る複数の対応する導波モード１２０としてカップリングされる。異なる波長の光が光ファイバー内を波長分割多重（ＷＤＭ）用途の導波モードとして伝搬するのと同じように、異なる波長の複数の導波モード１２０は独立に導波路構造体内を伝搬する。入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂにより提供される位相整合により、出力光１５０’のスペクトル成分及び分布は入力光１５０と同じ（又は少なくとも概ね同じ）である。従って、ＡＲ光学システム１０はカラー結像ができる。

一方、一例では、異なる光２５０（例えば、不図示の物体又は情景からの可視光）が前面領域ＦＲから後面領域ＢＲへＡＲ光学システム１０を通って進行し、特に出力回折格子３０Ｂを出力回折格子３０Ｂに垂直な方向に、即ち＋ｚ方向に通過する。光２５０は通過する時に出力回折格子３０Ｂにより実質的に歪められることがない。これは、出力回折格子３０Ｂは光２５０に位相整合を提供しないためである。

ＡＲ光学システム１０内で導波路構造体１００を利用する利点は、出力光１５０’は出力回折格子３０Ｂの長さに沿って概ね連続的に放出されることである。これは、光線が全内部反射により光ガイド内に捕えられ光ガイドに沿って離散した位置からだけ出力される従来の光ガイドベースＡＲシステムと対照的である。出力回折格子３０Ｂに沿った出力光１５０’の連続的な取り出しは、従来の光ガイドの離散的取り出しと対照的に、出力回折格子（即ち、射出瞳）に亘るより均一な光分布、従って、ユーザーが気付くような対応するより良い拡張画像品質が得られる。

一例では、入力光１５０はまた概ね単色結像のための単色であってもよい。また一例では、ＡＲ光学システム１０は異なる選ばれた波長の入力光１５０を個別に扱うように構成できる。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）成分を有する入力光１５０の場合、３つの異なる導波路構造体１００を積層構成に配置して間隔層（例えば、空気又は低屈折率膜）を使用して分離し、それら異なる導波路構造体がＲ、Ｇ、及びＢ入力光１５０をそれぞれ扱うように構成できる。別の例では、２つの導波路構造体１００を積み重ね、一方の導波路構造体がＲ及びＧ入力光１５０を扱い、他方の導波路構造体がＧ及びＢ入力光を扱うように構成できる。従って、ＡＲ光学システム１０の積層構成は、非積層構成と本質的に同じように動作し、異なる波長の入力光１５０はそれぞれ異なる導波路構造体内を進行する。

回折格子構成の例
図７Ａ～７ＤはＡＲ光学システム１０の例の上から見た図であり、入力回折格子３０Ａ及び出力回折格子３０Ｂの構成例を示す。図７Ａ及び７Ｂの例では、入力回折格子３０Ａは線状の格子要素３２Ａ及び全体円形状を有し、出力回折格子３０Ｂも線状の格子要素３２Ｂを有するが全体矩形形状を有する。また、この例では、入力回折格子３０Ａは出力回折格子３０Ｂよりかなり小さい面積を有す。

図７Ａの出力回折格子３０Ｂはｘ軸に平行な伝搬ベクトルＫと共に示され、図７Ｂの出力回折格子はｘｙ平面内の角度θで規定される伝搬ベクトルを有する。

図７Ｃは出力回折格子３０Ｂが少なくとも２つの格子運動ベクトルＫ_１（θ_１で規定される）及びＫ_２（θ_２で規定される）を規定する交差した要素３２Ａ及び３２Ｂを備えた２次元構成を有する例を示す。出力回折格子は角度θ_ｉで規定される追加の格子伝搬（運動）ベクトルＫ_ｉを有しうる。

他の例では、出力回折格子３０Ｂは図７Ｄに示すような曲線状の格子要素３２Ｂを含みうる。格子要素は同心円状に配列され伝搬ベクトルＫの連続体を規定する。

入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂの格子要素３２Ａ及び３２Ｂのための多様な形状及びサイズは、ＡＲ光学システム１０の所望の機能に依って効果的に使用されうる。また、入力及び／又は出力回折格子３０Ａ及び／又は３０Ｂは、異なるタイプの格子要素３２Ａ及び／又は３２Ｂを有する２つ以上の個別の格子領域を含みうる。ＡＲ光学システム１０の総面積を減少させ格子レイアウトを簡略化することが望ましい場合は、入力回折格子３０Ａ及び／又は出力回折格子３０Ｂのための２次元構成を効果的に使用してもよい。

曲面状ＡＲ光学システム
上述したＡＲ光学システム１０は例としてまた例示と説明の容易さのために平面的構造を有する。しかし、ＡＲ光学システム１０はそれに限定されず、曲面状であっても、即ち、１つ以上の曲面を有してもよい。

図８は図２に類似し、凸曲率を持つ２つの面を有するＡＲ光学システム１０の実施形態を例示する。図９は図８に類似し、凹曲率を持つ２つの面を有するＡＲ光学システム１０の実施形態を例示する。他の例では、ＡＲ光学システム１０の１つの表面、例えば図１０に示した最も底側の表面だけが曲面状でありうる。図１１は、ＡＲ光学システム１０がキャップ層５０を含み、そのキャップ層の上面５２が曲面状であるが、導波路層４０は概ね平面的である例を示す。

一例では、１つ以上の曲面が補正結像を提供するよう構成されてもよい。図１２は、基板２０の底面２４が、ユーザー３５０のために補正結像を提供するように設計された局部的に曲面状の部分２４Ｃを含む実施形態を例示する（図１３Ａ参照、下記に提示し説明する）。

また、ＡＲ光学システム１０は基板２０の底面２４に配置された導波路層４０を含んで構成されてよく、本書に開示された構成例は、例示の目的のために基板の上面上の導波路層を示す。また、ＡＲ光学システム１０内の面（又はそれらの一部）のいずれも補正する面として構成されうる。一例では、ＡＲ光学システム１０は複数の補正する面を有しうる。同様に、図８～１２に例示として示された例を越えて、様々な曲率（例えば、凸と凹）の組み合わせを使用できる。

ＡＲ光学システム１０の導波路構造体１００が相対的に強い曲率を有する構成では、導波モード１２０は真の束縛モードでは最早なく、より適切に漏れ共鳴モードと表現される。漏れ共鳴モードは導波路構造体１００の動作を実質的に変えず、実際には、各モードに離散したカップリング角とは全く異なり、ある範囲の入力（カップリング）角θを各モードにカップリングすることで角度分解能を改善する場合がある。

他の例では、入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０Ｂの格子周期Λは、導波路構造体１００内のどんな曲率にも対応し、入力光１５０に対する正しいカップリング角θと出力光１５０’に対する出力角θ’を維持するように非一定（例えば、チャープ）であってもよい。入力及び出力回折格子の格子高さｈは、入力光１５０が導波路構造体１００内にカップリングされ出力光１５０’が導波路構造体から取り出される比率を変えるように非一定であってもよい。

ＡＲシステム
図１３Ａは本書に開示されたＡＲ光学システム１０を含むＡＲシステム３００の実施形態の概略図である。ＡＲ光学システム１０の平面的構造が例としてまた例示の容易さのために示されている。ＡＲシステム３００はＡＲ光学システム１０の入力回折格子３０Ａに結合光学システム３２０により光学的に結合された表示装置３１０を含む。一例では、表示装置３１０はマイクロディスプレイ、例えばマイクロディスプレイチップである。一例では、結合光学システム３２０は１つ以上の光学素子、例えばレンズ、ミラー、ビームスプリッターなどから成る。結合光学システム３２０はサイズ及び重量を最小にするためにマイクロ光学素子から成りうる。

ＡＲシステム３００はユーザー３５０と、ＡＲ光学システム１０の前面領域ＦＲに近接して存在し例として木として示された実物体４００とに相対して配置されて示されている。実物体４００は、ＡＲ光学システム１０を通してユーザーにより見られている情景とも考えられる。表示装置３１０は、例として鳥として描かれた表示画像３１２を提供するとして示されている。表示画像３１２と関連する表示光を成す光１５０は、結合光学システム３２０により範囲Δθの入力（カップリング）角θ（例えば、入力ＦＯＶ）に亘ってＡＲ光学システム１０の入力回折格子３０Ａに向けられる。入力（表示）光１５０は、上述したように導波路構造体１００内に入力ＦＯＶ内の選ばれたカップリング角θで光学的にカップリングされ、複数（Ｎ個）の導波モード１２０を生成する。次に、Ｎ個の導波モード１２０は導波路構造体１００内を出力回折格子３０Ｂへ進行し、位相整合を提供する入力及び出力回折格子３０Ａ及び３０ＢはＮ個の導波モード１２０を、Ｎ個の導波モードに対応する離散した出力角θ’を持つ対応する出力光１５０’に変換する。出力角θ’は離散しているが、出力光１５０’は出力回折格子３０Ｂの長さに亘って概ね連続して取り出される。

出力光１５０’はユーザー３５０の一方又は両方の眼３５２に向けられる。また、ユーザーの一方又は両方の眼は出力回折格子３０Ｂを直接通して物体４００からの光２５０を受光する（図６Ａも参照）。従って、ユーザー３５０の眼３５２は拡張画像５００を眼の網膜３５４上に形成する。この拡張画像は物体４００の実像４００’と表示画像３１２の仮想画像３１２’とを含む。

一例では、ＡＲシステム３００は、例えばユーザーの眼が収差を有する場合に補正結像を提供するためにユーザー３５０の眼３５２とＡＲ光学システム１０の間に操作可能に配置された少なくとも１つの補正レンズ６００を随意に含みうる。一例では、補正レンズ６００は１つ以上の従来の眼鏡レンズから成る。上記のように、補正結像は導波路構造体１００の１つ以上の表面の少なくとも一部が曲面状であることによっても提供されうる。

図１３Ｂは本書に開示されたＡＲ光学システム１０を内蔵しユーザー３５０により装着されうる一例のＡＲアイウェア６５０の概略図である。ＡＲアイウェアはレンズ６５２及びつる６５４を含む。図示された例では、各レンズ６５２は出力回折格子３０Ｂを含む。入力回折格子３０Ａはレンズ６５２の外側部分に位置する。各レンズ６５２の少なくとも一部は上述した導波路構造体１００を含む。表示装置（例えば、マイクロディスプレイ）３１０及び結合光学システム３２０は各つる６５４により支持されうる（１つのディスプレイ及び結合光学システムだけが例示の容易さのために示されている）。

図１４は図１３Ａに類似し、ユーザー３５０を結像光学システム７００で置き換えた、即ち、結像光学システムがユーザーの眼３５２に置き換わったＡＲシステム３００の実施形態を例示する。結像光学システム７００は結像レンズ７０２と、拡張画像５００がその上に形成される画像センサー７０４とを含む。一例では、結像光学システム７００はデジタルカメラから成る。一例では、画像センサー７０４は、例えばデジタルカメラに関連するような画像処理電子装置７１０に操作可能に結合される。一例では、ユーザーの眼３５２は結像光学システム７００の一例を成し、ユーザーの脳が拡張画像５００の必要な画像処理を実行する。

本明細書に記載された開示の好適な実施形態に対して様々な部分変更が添付の請求項に記述された開示の要旨又は範囲から逸脱することなくされうる。従って、それらの部分変更及び変形が添付の請求項とそれらの等価物の範囲内に入る場合、本開示はそれらの部分変更及び変形を包含する。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
拡張現実システムにおいて動作波長で使用するための拡張現実光学システムであって、
前記動作波長で屈折率ｎ_Ｓと上面と底面とを有する基板と、
前記基板の上面内か又は上面上にそれぞれ形成され横方向に互いに離された入力回折格子及び出力回折格子と、
本体、上面、底面、及び１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの厚みを有する導波路層であって、該導波路層の前記底面が前記基板の前記上面上に支持されて前記入力及び出力回折格子は該導波路層内に延び、前記動作波長で屈折率ｎ_Ｇ≧ｎ_Ｓを有し複数の導波モードを支える導波路層と
を備え、
前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供することで、前記入力回折格子に入射した入力光は前記導波路層内にカップリングされ前記導波モードで前記出力回折格子へ進行し前記出力回折格子により前記導波路層から出力光として取り出される、拡張現実光学システム。

実施形態２
前記動作波長で前記基板屈折率ｎ_Ｓ≦１．５であり、前記導波路層屈折率ｎ_Ｇ≧２である、実施形態１記載の拡張現実光学システム。

実施形態３
複数の導波モードの数は５００と１０００の間である、実施形態２記載の拡張現実光学システム。

実施形態４
前記導波路層は２５μｍ≦ＴＨＧ≦５０μｍの範囲内の厚みＴＨＧを有する、実施形態１又は２記載の拡張現実光学システム。

実施形態５
前記導波路層は３０μｍ≦ＴＨＧ≦４０μｍの範囲内の厚みＴＨＧを有する、実施形態１又は２記載の拡張現実光学システム。

実施形態６
前記導波路層は重合体から成り、前記基板はガラスから成る、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態７
前記基板はガラス材料から成り、前記導波路は酸化物材料及びフッ化物材料の少なくとも一方から成る、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態８
前記基板はガラス材料から成り、前記入力及び出力回折格子は重合体から成り、前記導波路層は酸化物材料か又は酸化物材料及びフッ化物材料の組み合わせから成る、実施形態１～５のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態９
前記基板は重合体材料から成り、前記導波路層は酸化物材料か又は酸化物材料及びフッ化物材料の組み合わせから成る、実施形態１～５のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１０
前記重合体材料は熱可塑性物質から成る、実施形態９記載の拡張現実光学システム。

実施形態１１
前記導波路層はシリコンから成る、実施形態９又は１０記載の拡張現実光学システム。

実施形態１２
前記導波路層及び前記基板はそれぞれ平面的である、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１３
前記導波路層及び前記基板の少なくとも一方は曲面を有する、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１４
前記導波路層の前記上面上に配置されたキャップ層を更に備え、前記キャップ層は屈折率ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｇを有する、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１５
前記入力回折格子は直線状入力格子要素を含み、前記出力回折格子は直線状出力格子要素を含む、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１６
前記入力回折格子は２次元入力格子要素を含み、前記出力回折格子は２次元出力格子要素を含む、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１７
前記出力光は５０°≦ＦＯＶ≦７０°の範囲内の視野（ＦＯＶ）を有する、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１８
前記入力光は多色である、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態１９
前記入力光は単色である、実施形態１～１７のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態２０
前記基板は、前記基板上面を画定する低屈折率層を備え、前記低屈折率層は屈折率ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｓを有する、先行する実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

実施形態２１
物体又は情景を見るための拡張現実システムであって、
前面領域及び後面領域を有する先行実施形態のいずれかに記載の拡張現実光学システムと、
前記後面領域に配置され前記入力光を生成する表示装置と、
前記表示装置に相対して操作可能に配置され前記入力光を入力視野に亘って前記拡張現実光学システムの前記入力回折格子へ向けるように構成された結合光学システムと
を備える拡張現実システム。

実施形態２２
前記後面領域に操作可能に配置され前記出力回折格子から前記出力光を出力視野に亘って受光する結像光学システムを更に備える実施形態２１記載の拡張現実システム。

実施形態２３
前記物体又は情景からの光は前記前面領域から前記後面領域へ次に前記結像光学システムへ前記出力回折格子を通して送出され、前記結像光学システムは前記出力光と前記物体又は情景からの前記光とを結合して拡張画像を形成する、実施形態２１又は２２記載の拡張現実システム。

実施形態２４
前記結像光学システムはユーザーの少なくとも一方の眼を含む、実施形態２１、２２、又は２３記載の拡張現実システム。

実施形態２５
前記出力視野は５０°～７０°の範囲内である、実施形態２１記載の拡張現実システム。

実施形態２６
前記入力光は多色である、実施形態２１記載の拡張現実システム。

実施形態２７
屈折率ｎ_Ｇを有する１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの範囲内の厚みＴＨＧの導波路層を含み、屈折率ｎ_Ｓを有する基板上に支持された導波路構造体であって、ｎ_Ｇ－ｎ_Ｓ≧０．５であり、複数の導波モードを支える導波路構造体と、
前記導波路層内にそれぞれ存在する入力回折格子及び出力回折格子と
を備え、
前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供し、横方向に互いに離されている、拡張現実光学システム。

実施形態２８
前記導波路層は重合体材料から成り、前記基板はガラス材料から成る、実施形態２７記載の拡張現実光学システム。

実施形態２９
前記入力及び出力回折格子は可視動作波長帯域に亘って動作するように構成されている、実施形態２７又は２８記載の拡張現実光学システム。

実施形態３０
前記導波路層及び前記基板の少なくとも一方は平面的である、実施形態２７、２８、又は２９記載の拡張現実光学システム。

実施形態３１
物体又は情景を見る時に拡張現実画像を形成する方法であって、
表示画像からの表示光を入力視野に亘って導波路構造体の入力回折格子へ向け、前記導波路構造体内を進行する複数の導波モードを形成するステップと、
前記導波路構造体の出力回折格子を使用して前記複数の導波モードを出力視野に亘って取り出すステップであって、前記出力回折格子は前記入力回折格子と位相整合され互いに離されている、ステップと、
前記物体又は情景を前記出力回折格子を通して結像光学システムを用いて見るのと同時に前記出力回折格子からの出力光を前記結像光学システムを用いて受光するステップと、
前記結像光学システムを用いて前記表示画像と前記物体又は情景の画像とが結合された拡張画像を形成するステップと
を含む方法。

実施形態３２
前記出力視野は５０°と７０°の間の範囲内である、実施形態３１記載の方法。

実施形態３３
前記結像光学システムはユーザーの少なくとも一方の眼を含む、実施形態３１又は３２記載の方法。

実施形態３４
前記導波路構造体は拡張現実アイウェアに内蔵されている、実施形態３１、３２、又は３３記載の方法。

１０ ＡＲ光学システム
２０ 基板
２０Ｌ 低屈折率層
２１ 本体
２２ 上面
２４ 底面
３０Ａ 入力回折格子
３０Ｂ 出力回折格子
３２Ａ、３２Ｂ 格子要素
４０ 導波路層
４１ 本体
４２ 上面
４４ 底面
５０ キャップ層
６０ 周囲環境
１００ 導波路構造体
１２０ 導波モード
１２０‐１、１２０‐２、１２０‐３ 導波路モード
１５０ 入力光
１５０‐１、１５０‐２、１５０‐３ 光線
１５０’、１５０’‐１、１５０’‐２、１５０’‐３ 出力光
２５０ 光
３００ ＡＲシステム
３１０ 表示装置
３１２ 表示画像
３２０ 結合光学システム
３５０ ユーザー
３５２ 眼
３５４ 網膜
４００ 実物体
５００ 拡張画像
６００ 補正レンズ
６５２ レンズ
６５４ つる
７００ 結像光学システム
７０２ 結像レンズ
７０４ 画像センサー
７１０ 画像処理電子装置

Claims (10)

1. 拡張現実システムにおいて動作波長で使用するための拡張現実光学システムであって、
   前記動作波長で屈折率ｎ_Ｓと上面と底面とを有する基板と、
   前記基板の上面内か又は上面上にそれぞれ形成され横方向に互いに離された入力回折格子及び出力回折格子と、
   本体、上面、底面、及び１μｍ≦ＴＨＧ≦１００μｍの厚みを有する導波路層であって、該導波路層の前記底面が前記基板の前記上面上に支持されて前記入力及び出力回折格子は該導波路層内に延び、前記動作波長で屈折率ｎ_Ｇ≧ｎ_Ｓを有し複数の導波モードを支える導波路層と
   を備え、
   前記入力及び出力回折格子は位相整合を提供することで、前記入力回折格子に入射した入力光は前記導波路層内にカップリングされ前記導波モードで前記出力回折格子へ進行し前記出力回折格子により前記導波路層から出力光として取り出される、拡張現実光学システム。
2. 前記動作波長で前記基板屈折率ｎ_Ｓ≦１．５であり、前記導波路層屈折率ｎ_Ｇ≧２であり、複数の導波モードの数は５００と１０００の間である、請求項１記載の拡張現実光学システム。
3. 前記基板はガラス材料から成り、前記入力及び出力回折格子は重合体から成り、前記導波路層は酸化物材料か又は酸化物材料及びフッ化物材料の組み合わせから成る、請求項１及び２のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
4. 前記基板は重合体材料から成り、前記導波路層は酸化物材料か又は酸化物材料及びフッ化物材料の組み合わせから成る、請求項１及び２のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
5. （１）前記導波路層及び前記基板はそれぞれ平面的であるか、又は（２）前記導波路層及び前記基板の少なくとも一方は曲面を有する、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
6. 前記導波路層の前記上面上に配置されたキャップ層を更に備え、前記キャップ層は屈折率ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｇを有する、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
7. 前記入力回折格子は２次元入力格子要素を含み、前記出力回折格子は２次元出力格子要素を含む、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
8. 前記出力光は５０°≦ＦＯＶ≦７０°の範囲内の視野（ＦＯＶ）を有する、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
9. 前記入力光は多色又は単色である、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。
10. 前記基板は、前記基板上面を画定する低屈折率層を備え、前記低屈折率層は屈折率ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｓを有する、先行する請求項のいずれかに記載の拡張現実光学システム。

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