JP7195496B2 - 回折ディスプレイ、光導体素子およびそのためのプロジェクタ、および画像を表示するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば目に近いディスプレイ（ＮＥＤ）または他の頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）などのパーソナルマイクロディスプレイにおいて用いられる回折ディスプレイに関する。特に、本発明は、拡張現実（ＡＲ）ＮＥＤまたはＨＭＤにおいて用いられる導波管に関する。

２Ｄ射出瞳拡大（ＥＰＥ）による単一光導体の最大視野（ＦＯＶ）は、光導体屈折率および投影光の波長帯域に依存する。波長帯域が４６０～６３０ｎｍであり、光導体屈折率が２．０である場合、最大ＦＯＶは約３３～３５度である。ＦＯＶを増大するために、一般的なアプローチは、多数の光導体を用いることである。従来のマイクロディスプレイプロジェクタは、単一の射出瞳しか生成しないので、光導体の入力結合格子は一般に、横方向に一致し、互いに積み重ねられる。積み重ねられた入力結合器の場合、入力結合プロセスは良好に制御されない。たとえば、第１の光導体は、青色波長を有するＦＯＶ全体をサポートするが、赤色波長の場合、ＦＯＶのわずかな部分しか光導体に入力結合されない。これは、光導体スタック全体が全体的に最適化される必要があることを意味し、厄介かつ時間がかかる。また、光が様々な期間で入力結合器を通って伝搬する場合、戻り回折光が先行の光導体に結合し、ゴースト画像を生成することがある。

従来の光導体のいくつかは、赤色、緑色、および青色画像チャネルを取得するために３つの異なる光導体を用い、約３５度のＦＯＶを実現することができる。これらの光導体は、解像度および／または波長帯域において制限されるという欠点を有する。

一方、より大きなＦＯＶを提供することができる他の種類の光学系、すなわち、非導波管ベースのシステムが存在するが、これらは一般に、導波管と比較して、多くの場合システムのサイズに関する欠点を有する。したがってこれらの解決策は、小さなサイズが望まれるＡＲシステムに最適ではない。

また、単一チャネルの大きなＦＯＶの導波管ベースの解決策が利用可能であるが、それらの明らかな欠点は、色の生成に対する制限である。

ＵＳ２０１４／２１８８０１は、第１の範囲の画角および第２の範囲の画角が結合され、入力結合格子を有する様々な導波管層へ導かれるカラー投影ディスプレイを開示する。導波管層は、同じまたは左右反対の幾何学を有し、その結果、入力結合格子はそれぞれ、互いに位置合わせされ、あるいは互いに遠く離れて配置される。これらの配置は、光結合効率および品質およびサイズ要件を考慮すると、最適ではない。ＵＳ２００６／１３２９１４は、いくつかの実施形態において、２つの入力結合格子を有する他の既知の導波管構成を開示する。

したがって、マイクロディスプレイ技術において、小さなデバイスサイズかつ好適にはカラー再生と組み合わせて大きなＦＯＶを実現する能力に関する改善への要望がある。

本発明の目的は、上述した問題の少なくとも一部を解決し、パーソナルディスプレイのＦＯＶを拡大するための新規の解決策を提供することである。具体的な目的は、機能的パーソナルディスプレイを形成するために組み合わせられ得る、拡大ＦＯＶ光導体素子および拡大ＦＯＶ画像プロジェクタを提供することを含む。

２次的な目的は、少なくともＦＯＶの実現性に比例してデバイスサイズの低減を可能にする技術、およびフルカラー再生を可能にする技術を提供することである。

また、波長分割を伴う従来の技術よりも製造公差が緩い回折導波管技術を提供することも目的である。

本発明は、画像全体のＦＯＶを、少なくとも２つの異なる瞳を通して回折導波管素子へ向けられる部分的ＦＯＶ（画像セグメント）に分割すること、および、部分的ＦＯＶが、ユーザによって目視可能な全体画像に再結合されるような方法で素子を設計することに基づく。これを実現するために、以下で説明するような新規のマルチ瞳導波管素子および新規のマルチ瞳プロジェクタが提供される。

本発明に係る回折パーソナルディスプレイのためのマルチ瞳光導体素子は、光導体手段、特に少なくとも２つの光導体のスタックを備える。また、入力結合手段に向けられた画像を光導体手段に結合するための回折入力結合手段、および光導体手段外へ上記画像を結合するための回折出力結合手段が提供される。本発明によると、回折入力結合手段は、上記画像のセグメントを受信するために、上記光導体手段において互いに横方向にずらされた少なくとも２つの入力結合格子を備える。また、回折出力結合手段は、画像セグメントから画像を再生するために、入力結合格子と光学的に接続される。

特に、回折出力結合手段は、光導体手段において互いに横方向に重なり合う少なくとも２つの出力結合格子を備えてよい。少なくとも２つの出力結合格子は、上記画像セグメントから上記画像を再生するために、少なくとも２つの入力結合格子にそれぞれ光学的に関連付けられる。光学的関連付けは、上記光導体手段をともに形成する様々な光導体層における格子を合体させること、および一般に、様々な層において入力結合器をそれぞれの出力結合器と光学的に接続する射出瞳拡大器格子を付加的に提供することによって実装され得る。

本発明のパーソナルディスプレイデバイスは、本明細書で説明するような、出力結合手段において裸眼で目視できる画像を生成するためのマルチ瞳光導体素子と、上記少なくとも２つの入力結合格子に上記画像の少なくとも２つの異なる画像セグメントを投影することができるマルチ瞳プロジェクタとを備える。特に、このセグメントは、デバイスによって形成される全体画像のＦＯＶがセグメントのいずれか単独のＦＯＶよりも大きいように、光導体素子の少なくとも部分的に異なる横方向位置へ導かれる。

１つの態様において、本発明は、回折パーソナルディスプレイのためのマルチ瞳プロジェクタにも関し、プロジェクタは、画像を表示するための少なくとも１つの表示素子と、少なくとも２つの射出瞳と、上記画像の少なくとも２つの異なるセグメントを上記少なくとも２つの射出瞳にそれぞれ投影するための光学手段とを備える。表示素子は更に、無偏光光源と、上記画像セグメントを上記射出瞳に投影するために上記光源の２つの異なる偏光状態を用いるための手段とを備える。

本発明に係る、パーソナルディスプレイデバイスに画像を表示するための方法は、上記画像セグメントを光導体手段に結合する、光導体手段において互いに横方向にずらされた少なくとも２つの回折入力結合格子に、全体画像の少なくとも２つの部分画像セグメントを投影することと、画像セグメントを、上記画像セグメントから上記全体画像を再生するために、上記光導体手段において互いに横方向に重なり合う、たとえば少なくとも２つの異なる回折出力結合格子などの、回折出力結合手段へそれぞれ導くこととを備える。

最終的に、本使用は、パーソナルディスプレイの視野を拡大するために、パーソナルディスプレイの光導体ベースの表示素子における複数の横方向にずらされた入力結合格子を用いることを備える。

より具体的には、本発明は、独立請求項に記載された事項によって特徴付けられる。

本発明は、従来技術に優る顕著な利益を提供する。プロジェクタの様々な画像セグメントを用いること、および／または上述したようにそれらを表示素子へ導くことによって、波長帯域を分割するのではなく導波管のＦＯＶが分割される。よって、全体ＦＯＶは著しく増大し得る。これは、マルチ瞳プロジェクタの各射出瞳が全体ＦＯＶの一部を含むためである。全体ＦＯＶはその後、射出瞳（出力結合格子）が空間的に重なり合う光導体を用いて取得される。また、プロジェクタの射出瞳が空間的に分離されるため、光導体において空間的に分離された、すなわち、ずらされた入力結合格子を用いることが可能である。このアプローチによると、戻り回折光によって生じるゴースト画像の危険性がなく、各光導体は、良好に定義されたＦＯＶを有する良好に定義された光スペクトルを含むので、特に波長帯域分割に基づいたアプローチと比べて、光導体最適化プロセスが容易かつ簡単になる。

ＦＯＶをシステム内の２つの光経路に分割することは、ビームスプリッタおよび照明光学系などの光学部品がより小さくなり得るため、フルＦＯＶプロジェクタと比べてプロジェクタのサイズを低減することも可能にする。

また、ＬＣＯＳベースのマルチ瞳プロジェクタは、入射照明の両方の偏光状態が用いられるように設計され得るので、単一の偏光状態のみで動作する従来のプロジェクタと比べてエネルギ効率が高くなる。

従属請求項は、本発明の選択された実施形態に関する。

光導体素子に関して、いくつかの実施形態において、光導体手段は、互いに積み重ねられた少なくとも２つの光導体を備える。各入力結合格子および関連する出力結合格子は、それぞれ導波管の１つに配置されるので、光は、導波管の内部全反射を介してその間を伝搬し得る。一般に、平面または略平面導波管が用いられる。

いくつかの実施形態において、素子の射出瞳を拡大するために、それぞれ入力結合格子および出力結合格子に関連付けられた少なくとも２つの射出瞳拡大器（ＥＰＥ）格子が提供される。ＥＰＥ格子は、入力結合格子と出力結合格子との間に光学的に配置され、それによってそれらの位置、形状、および配向を含む格子線構成は、射出瞳拡大を実行するために適している。いくつかの実施形態において、ＥＰＥは、いくつかの入力結合格子のみに提供される。

いくつかの実施形態において、入力結合格子および射出瞳拡大器格子は、第１の射出瞳拡大器に関連付けられた第１の入力結合格子が、第２の入力結合格子に関連付けられた第２の射出瞳拡大器と重なり合うように配置される。したがって、入力結合格子の１つから出るために光導体スタックの片面のみからアクセスする場合、光は、他の入力結合格子に関連付けられたＥＰＥ格子を通過しなければならない。他の入力結合格子は、直接アクセス可能である。

いくつかの実施形態において、素子は、第１の入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子のペアと、光導体手段上で少なくとも１つの対称軸に沿って第１のペアに対して基本的に鏡対称に位置する、第２の入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子のペアとを備える。一般に、このペアは異なる光導体において製造され、その後、対称条件が満たされるように積み重ねられる。

いくつかの実施形態において、異なる入力結合格子および出力結合格子に関連付けられた射出瞳拡大器格子は、基本的に互いに位置合わせされる。この変形例において、入力結合格子は、それらが横方向にずらされてなおＥＰＥと光学的に結合されるように、それぞれのＥＰＥ格子から異なる距離に配置され得る。

いくつかの実施形態において、素子は、入力結合格子に提示された画像セグメントのいずれかの視野よりも大きな視野を有する画像を出力結合手段に再生するように適合される。したがって素子は、ＦＯＶ拡大器として作用する。

いくつかの実施形態において、出力結合格子は、水平方向に配向された格子線を備える。一方、それらは、垂直方向に配置されてもよく、それによっていくつかの不所望の光学効果が回避され得る。両方の構成が、本明細書において後に例示される。

プロジェクタに関して、いくつかの実施形態において、プロジェクタは、上記異なる画像セグメントを生成するために異なる領域が用いられる単一のディスプレイパネルを備える。すなわち、各個別のセグメントに関して個別のパネルは必要とされない（が、個別のパネルが用いられてもよい）。この場合、プロジェクタは、画像セグメントが、ディスプレイパネルの少なくとも１つの横寸法において横方向にシフトされた構成にあるようにディスプレイパネルに画像を生成するように適合され、セグメントは任意選択的に、プロジェクタ光学系および／またはマルチ瞳光導体素子においてセグメント間のクロストークを防ぐために黒色分離帯によって分離される。各セグメントに関する撮像光学系の光軸もまた、好適には、黒色分離帯が光学平面のフリンジ領域に留まるように横方向にシフトされる。

いくつかの実施形態において、プロジェクタは、異なる画像セグメントを生成するために用いられる複数のディスプレイパネルを備える。この実施形態は特に、異なる画像セグメントの入力結合格子が互いに離れた位置にある光導体素子構成に適している。

いくつかの実施形態において、異なる偏光が異なる射出瞳に供給される。プロジェクタ構成および関与するディスプレイ技術に依存して、偏光は、光源とディスプレイパネルとの間、および／またはディスプレイパネルと射出瞳との間で、光源レベルで実行され得る。

いくつかの実施形態において、プロジェクタの表示素子は、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネルなどと、上記少なくとも２つの異なる画像セグメントを投影するために２つの異なる偏光状態の光を用いるために連続的に配置された少なくとも２つの偏光ビームスプリッタを備える照明システムとを備える。たとえば表示素子は、直角を成す偏光配向を有する、たとえばビームスプリッタキューブまたは板などの２つの連続的なビームスプリッタを備えてよい。あるいは光学系は、同じ偏光配向を有する、たとえばビームスプリッタキューブまたは板などの２つの連続的なビームスプリッタと、ビームスプリッタの間に光学的に配置された半波長波長板とを備えてよい。

動作中、プロジェクタによって生成され、光導体素子へ向けられた様々な画像セグメントは、全体画像の様々な視野をもたらす。典型的な構成において、異なる画像セグメントは、それぞれ入力結合格子および出力結合格子を備える互いに積み重ねられた異なる光導体層へ導かれる。スタックによって形成された全体ＦＯＶは、セグメントによってもたらされた部分的ＦＯＶのいずれかよりも大きく構成される。

次に、本発明の実施形態およびその利点が、添付図面を参照してより詳しく論じられている。

本発明に係る光導体素子とともに用いるために適したプロジェクタの光学配置を断面図で例解する。 それぞれ、プロジェクタのディスプレイパネルにおける従来の中央にある画像配置および横方向にシフトした画像配置を例解する。 それぞれ、プロジェクタのディスプレイパネルにおける従来の中央にある画像配置および横方向にシフトした画像配置を例解する。 ＬＣＯＳ表示素子に画像を表示するために光の両方の偏光状態を用いるための２つの異なる実施形態を断面図で示す。 ＬＣＯＳ表示素子に画像を表示するために光の両方の偏光状態を用いるための２つの異なる実施形態を断面図で示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するための１つの実施形態を示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するための１つの実施形態を示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するための他の実施形態を示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するための他の実施形態を示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するためのまた他の実施形態を示す。 光導体スタックの光導体層に入力結合格子、射出瞳拡大器格子、および出力結合格子を配置するためのまた他の実施形態を示す。

定義
格子が「重なり合う」ことは、光導体手段において格子の少なくとも一部が互いに横方向に位置合わせされることを意味する。重なり合う格子は、全体的に位置合わせされ、すなわち、同じ形状を有して同じ場所に位置してもよい。

格子が互いに「ずらされる」ことは、少なくともそれらの画像セグメントが投影される部分において重なり合わないことを意味する。

「マルチ瞳プロジェクタ」は、回折入力結合格子に適したコリメート光線において、複数の画像セグメントを複数の射出瞳に提示することができる画像ソースを意味する。

同様に、「マルチ瞳光導体素子」は、そのような光線を、画像の再結合および目視のために出力結合格子へ導くための光導体手段に画像セグメントを結合するために受け取ることができる、複数の入力結合格子を有する素子である。

「光導体手段」は特に、様々な画像セグメントを入力結合し、導き、出力結合するように適合された回折光導体のスタックを指す。

「パーソナルディスプレイ」という用語は特に、ＮＥＤおよび他の種類のＨＭＤ、およびＨＵＤ（ヘッドアップデバイス）を指す。

選択された実施形態の説明
以下の説明において、マルチ瞳回折表示素子およびそれに関するマルチ瞳プロジェクタの選択された実施形態が説明される。これらの構成要素は、機能的光導体ベースの回折ＮＥＤを形成するために用いられ得る。説明される実施形態は、プロジェクタのＦＯＶが、各瞳がＦＯＶ全体の一部を含むようにどのように多数の部分に分割され得るか、および射出瞳が空間的に重なり合う光導体によってＦＯＶパーツを結合することによってフルＦＯＶを有する機能的ＮＥＤがどのように得られるかを例示するものである。

この説明は、重なり合う出力結合格子を用いて画像再結合が実行される実装に着目する。ただし、たとえば単一の出力結合格子および入力結合格子と出力結合格子との間の光コンバイナを用いるなど、他の方法で再結合が実行される解決策が除外されるわけではない。

プロジェクタ
一般に、プロジェクタは、１つ以上の表示素子、少なくとも２つの射出瞳、およびディスプレイパネルに表示された様々な画像セグメントを様々な射出瞳へ導くための投影光学系を備える。マルチ瞳プロジェクタにおいて、画像提示部は、様々な画像セグメントに関するいくつかの部分に分割される。各表示部は、自身の投影光学系ユニットおよび射出瞳を有する。射出瞳は、コリメート光で満たされる。

表示素子（複数も可）は、たとえば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル（複数も可）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）パネル（複数も可）、または有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）パネル（複数も可）を備えてよく、またデジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスまたはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられてもよい。これらは全て、「マイクロディスプレイ」と称される。

表示される画像は、単一のマイクロディスプレイパネルまたは２つ以上の個別のマイクロディスプレイパネルのいずれかに提示される。単一パネルが用いられる場合、様々な画像セグメントがパネルの様々な部分に表示され、そこから、それらは適当な光学系を有するプロジェクタの様々な射出瞳へ導かれる。複数のパネルが用いられる場合、様々なセグメントが様々なパネルに表示され、適当な光学系を有するプロジェクタの様々な射出瞳へ導かれる。個別のパネルを用いることで、射出瞳間の距離は、単一パネルの場合よりも自由に変えられ得る。一方、単一ディスプレイを用いる利点の１つは、振動に対し過敏ではなく、コスト効率が高いことである。

図１は、２つの射出瞳１４Ａ、１４Ｂを有するマルチ瞳プロジェクタの例を示す。プロジェクタは、たとえば液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイなどのマイクロディスプレイ１１、２つの偏光ビームスプリッタ１２Ａ、１２Ｂ、および照明光学系ユニット１３Ａ、１３Ｂを含む。

一般に、偏光ビームスプリッタとして用いられ得るビームスプリッタキューブは、ディスプレイ幅と同じ高さを有する。１つではなく２つのキューブが用いられる場合、キューブに求められる体積は著しく低減される。

単一瞳プロジェクタにおいて、光軸２６は、ＬＣＯＳディスプレイの中心点を中心とする。これは図２Ａに例解されている。デュアル瞳プロジェクタが単一のＬＣＯＳとともに実装される場合、たとえば、図２Ｂに示すように、２つのディスプレイセグメント２７Ａ、２７Ｂの間にブラックストライプ２８を有することが好ましい。これにより、撮像光学系ユニット間のクロストークが防がれる。プロジェクタから出る最終画像におけるブラックストライプを回避するために、撮像光学系ユニット２８Ａ、２８Ｂの光軸は、図２Ｂに示すように、ディスプレイの側端部にある必要がある。すると、ＬＣＯＳディスプレイにおけるブラックストライプは、最終画像の側部領域に寄与し、ブラックストライプがユーザに認識されない。４瞳の解決策が所望される場合、光軸はマイクロディスプレイの角部に移動し、４つのディスプレイセグメントを分離するためにブラックストライプではなくブラッククロスが用いられる。したがって１または２次元におけるパネルでの画像のこの種の横方向シフトは、結果的に生じる画像品質における不所望の副作用を伴わず、単一のマイクロディスプレイパネルを用いることを可能にする。

マルチ瞳プロジェクタの利点の１つは、プロジェクタユニットが入射照明の両方の偏光状態を用いることができる点である。たとえば、ＬＣＯＳプロジェクタの光エンジンにおいて幅広く用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）は、横方向電気（ＴＥ）および横方向磁気（ＴＭ）偏光が等しく強いランダム偏光を生成する。

よって、ランダム偏光光源を用いる表示素子技術に特に適したいくつかの実施形態によると、プロジェクタの効率性を高めるために１つ以上の偏光感受素子が用いられる。たとえば、表示素子のディスプレイパネルと光源との間で、様々なワイヤグリッド方位または偏光を９０度回転させる偏光状態変換板を用いる偏光ビームスプリッタキューブが用いられ得る。これらの実施形態は、ＬＣＯＳ型ディスプレイに最適である。これらの解決策は、以下で詳しく説明されるが、同じ原理が、他の画像生成技術およびディスプレイ技術にも適用され得る。

ランダム偏光によってＬＣＯＳディスプレイを照明するための２つの可能なシナリオが図３および４に例解されている。

図３において、プロジェクタは、２つの偏光ビームスプリッタキューブ３２Ａ、３２Ｂを含み、それらのワイヤグリッド３３Ａ、３３Ｂは、互いに対して９０度の方位差を有する。ワイヤグリッドにおけるワイヤの方向は、

によって示される。入射光３４が第１のワイヤグリッド３３Ａに当たると、入射光のＴＥ偏光部３５は、ＬＣＯＳディスプレイ３１に向かって反射する。ＴＭ偏光部３６は、続けて第２のワイヤグリッド３３Ｂへ向かい、そこからＬＣＯＳディスプレイ３１に向かって反射する。

図４において、プロジェクタは、２つの同一の偏光ビームスプリッタキューブ４２Ａ、４２Ｂを含む。入射光４４が第１のワイヤグリッド偏光子４３Ａに当たると、ＴＥ部４５はＬＣＯＳディスプレイ４１に向かって反射する。ＴＭ部４６は、続けてＴＭ偏光４６をＴＥ偏光４８に変換するλ＼２波長板４７へ向かう。次に光線は、ワイヤグリッド偏光子４３ＢからＬＣＯＳディスプレイ４１に向かって反射する。

偏光ビームスプリッタキューブの代わりに、図３および４の構成において、偏光ビームスプリッタ板も用いられてよい。

光導体素子
図５Ａおよび５Ｂは、互いに積み重ねられるとデュアル瞳プロジェクタとともに用いられ得る２つの光導体５１、５５をそれぞれ例解する。光導体５１、５５は、入力結合格子５２、５６、射出瞳拡大格子５３、５７、および出力結合格子５４、５８を含む。

光導体５１、５５が積み重ねられた場合、ｘ方向における入力結合器５２、５６の間の距離は、プロジェクタが単一のディスプレイを有して実装され得る程度に小さい。プロジェクタにより近い第１の光導体の入力結合器５２は、プロジェクタと入力結合器５２との間に任意の障害物を伴わず直接照明されるが、第２の光導体の入力結合器５６は、第１の光導体５１の射出瞳拡大格子５３を通って照射される。これにより、射出瞳拡大器５３は、一部の光を第１の光導体５１に結合し得るが、この光は、出力結合格子５４によって出力結合されることはないので、ユーザには目視できない。これは単に、第２の光導体５５に結合される光エネルギの量を低減するだけである。

入力結合格子５２、５６は、一般に光導体手段の幅（または構成によって高さ）に沿って横方向中央に、互いに隣接して位置する。それらの距離は、たとえば出力結合格子の幅の５０％未満、たとえば１５ｍｍ以下、たとえば１０ｍｍ以下などであってよい。本明細書において「横方向中央」は、２つの平行な直線で等しい幅の３つの部分に分割された場合の素子の中央３分の１に収まることを意味する。

図６Ａおよび６Ｂは、それぞれ光導体６１、６５の入力結合器６２、６６がｘ方向において互いに非常に遠く離れている変形例を例解する。光導体は、射出瞳拡大格子６３、６７および出力結合格子６４、６８も含む。

入力結合格子６２、６６が互いに相対的に互いに遠く離れている場合、この実施形態を、それぞれの画像セグメントに関して個別のマイクロディスプレイを用いるプロジェクタと組み合わせて用いることが好ましい。本明細書において「互いに遠く離れている」は、入力結合格子が、出力結合格子の対応する寸法の５０％より大きい、特に１００％より大きい距離だけ横方向に離れていることを意味する。実際、この距離はたとえば１５～５０ｍｍであってよく、それによって格子は、光導体手段の対向する角部の近傍に位置してよい。

入力結合格子６２、６６の間の距離は、たとえば出力結合格子の幅の５０％より大きく、たとえば１５ｍｍより大きく、たとえば２０ｍｍ以上であってよい。この距離は、図６Ａ／６Ｂの例における場合と同様、出力結合格子の幅よりも大きくてよい。

図５Ａ、５Ｂ／６Ａ、６Ｂの実施形態に共通することは、射出瞳拡大格子５３、５６／６３、６７が互いに重なり合うように入力結合格子から反対方向へ伸長し、出力結合格子５４、５８／６４、６８が、入力結合格子５２、５６／６２、６６および射出瞳拡大格子５３、５７／６３、６７に関して、回折光波がそれらに当たり、それらが入力結合格子５４、５８／６４、６８を標的とした部分的ＦＯＶに基づいてフルＦＯＶをともに形成するように配置される点である。

図５Ａ／５Ｂおよび６Ａ／６Ｂのこの構成は、光導体屈折率が２．０でありディスプレイの動作波長帯域が４６０～６３０ｎｍである場合、１６：９のアスペクト比を有する５５度の全体ＦＯＶを可能にする。

図７において、光導体７１、７５の入力結合器７２、７６は、光導体と同じ角領域（ここでは左上角部）に位置するが、互いにずらされる。この構成は特に、プロジェクタがたとえばスマートアイウェアのつるに設けられる必要がある場合、好ましい。本明細書において「角領域」は、直角を成す２本の直線で分割した場合の素子の４分の１を意味する。

また、例解されている例でのような出力結合器７４、７８の格子線が垂直である場合、格子線が水平である場合に起こり得ることに反して、出力結合格子は、周囲光による強力かつ不必要なレインボーパターンを一切生成しない。射出瞳拡大格子７３、７７は、入力結合器および出力結合器によって生じる光線路がどのように設計されたかに依存して、様々な形状を有してよい。

入力結合器の角配置は、図５Ａ、５Ｂ／６Ａ、６Ｂと同様に水平出力結合格子線の場合にも実装され得る。

格子が製造される光導体層は、好適には光透過性である。これらは、ガラスまたはポリマで製作され得る。本明細書において透過性は、５０％より高い、特に９５％より高い透過率を意味する。各層における格子は、層の同じ面または異なる面に製造され得る。スタック内に、光学または機械特性への影響を有する１つ以上の中間層またはコーティングがあってもよい。

本明細書において説明される格子の期間は、一般に１０μｍ以下、特に１μｍ以下、たとえば２００～８００ｎｍである。

パーソナルディスプレイ
上記種類の１つ以上のプロジェクタおよび１つ以上の光導体素子は、機能的パーソナルディスプレイを提供するために、適当なフレーム、特に装着型フレーム内に配置され得る。具体的には、スマートグラス、拡張現実または仮想現実グラス、または他の何らかの種類のＮＥＤまたはＨＭＤデバイス内に、片目用の１つのプロジェクタおよび１つの光導体素子、または両目に１つずつの２つのプロジェクタおよび光導体素子が配置される。ただし本技術は、ＮＥＤおよびＨＭＤのみではなく、たとえばＨＵＤにおいても使用可能である。

上記説明および図面は、２瞳の解決策に着目したが、留意すべき点として、１または２次元におけるディスプレイのＦＯＶを更に拡大するために、瞳の数は、たとえば３つ、４つ、またはそれ以上など、更に多くてもよい。

Claims (21)

1. 回折パーソナルディスプレイのためのマルチ瞳光導体素子であって、前記素子は、
   光導体手段（５１、５５、６１、６５）と、
   回折入力結合手段（５２、５６、６２、６６）であって、前記回折入力結合手段（５２、５６、６２、６６）に向けられた画像を前記光導体手段に結合するための回折入力結合手段と、
   前記光導体手段外へ前記画像を結合するための回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）と、
   を備え、
   前記回折入力結合手段（５２、５６、６２、６６）は、前記画像の部分的視野をもたらす画像セグメントを受信するために、前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）において互いに横方向にずらされた少なくとも２つの入力結合格子を備え、
   前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）は、前記画像セグメントから前記画像を再生するために、前記少なくとも２つの入力結合格子に光学的に関連付けられ、
   各入力結合格子のための射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）であって、前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）は、前記素子の射出瞳を拡大するために、前記入力結合格子の少なくとも１つおよび前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）に関連付けられ、それらの間に光学的に配置され、
   前記入力結合格子および前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）は、第１の射出瞳拡大器格子に関連付けられた第１の入力結合格子が、第２の入力結合格子に関連付けられた第２の射出瞳拡大器格子と重なり合うように配置され、
   前記入力結合格子は、前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）に対して横方向にずらされ、
   前記素子は、第１の入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子の第１のペアと、前記第１のペアに対して前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）上で少なくとも１つの対称軸に沿って鏡対称に位置する、第２の入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子の第２のペアとを備える、素子。
2. 前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）は、前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）において互いに横方向に重なり合う少なくとも２つの出力結合格子を備え、前記少なくとも２つの出力結合格子は、前記画像セグメントから前記画像を再生するために、前記少なくとも２つの入力結合格子にそれぞれ光学的に関連付けられる、請求項１に記載の素子。
3. 前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）は、互いに積み重ねられた少なくとも２つの光導体を備え、前記入力結合格子および前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）は、それぞれ前記少なくとも２つの導波管上に配置される、請求項１または２に記載の素子。
4. 前記入力結合格子および前記出力結合格子に関連付けられた射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）は、重なり合っている、すなわち互いに横方向に位置合わせされるか、または、全体に位置合わせされる、すなわち同じ形状を有しかつ同じ場所に位置する、請求項１～３のいずれか一項に記載の素子。
5. 前記素子は、前記画像セグメントのいずれかの視野よりも大きい視野を有する画像を前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）において再生するように適合される、請求項１～４のいずれか一項に記載の素子。
6. 前記少なくとも２つの入力結合格子は、
   前記出力結合格子の対応する寸法の５０％以下である距離だけ横方向に離され、かつ前記寸法に沿って横方向中央に、または前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）の角領域内に位置するか、または、
   前記出力結合格子の対応する寸法の５０％より大きい距離だけ離され、かつ前記寸法に沿って前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）の対向する角部の近傍に位置する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の素子。
7. パーソナルディスプレイデバイスであって、前記デバイスは、
   前記回折出力結合手段（５４、５８、６４、６８）において裸眼で目視可能な画像を生成するための、請求項１～６のいずれか一項に記載の素子と、
   前記少なくとも２つの入力結合格子に前記画像の少なくとも２つの異なる画像セグメントを投影することができるマルチ瞳プロジェクタと、
   を備える、デバイス。
8. 前記プロジェクタは、前記異なる画像セグメントを生成するために異なる領域が用いられるディスプレイパネルを備える、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記プロジェクタは、前記画像セグメントが、前記ディスプレイパネルの少なくとも１つの横寸法において横方向にシフトされた構成にあるように前記ディスプレイパネルに前記画像を生成するように適合され、前記セグメントは、前記プロジェクタまたは前記素子における前記セグメント間のクロストークを防ぐために黒色分離帯によって分離される、請求項７または８に記載のデバイス。
10. 前記プロジェクタは、前記異なる画像セグメントを生成するために用いられる複数のディスプレイパネルを備える、請求項７～９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記出力結合格子は、水平方向または垂直方向に配向された格子線を備える、請求項７～１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 回折パーソナルディスプレイのためのマルチ瞳プロジェクタであって、前記マルチ瞳プロジェクタは、請求項１～６のいずれか一項に記載の素子に入力を提供するように構成され、前記マルチ瞳プロジェクタは、
    画像を表示するための少なくとも１つの表示素子と、
    少なくとも２つの射出瞳と、
    前記画像の少なくとも２つの異なるセグメントを前記少なくとも２つの射出瞳にそれぞれ投影するための光学手段と、
    を備え、
    前記表示素子は、無偏光光源と、前記画像セグメントを前記射出瞳に投影するために前記光源の２つの異なる偏光状態を用いるための手段とを備える、マルチ瞳プロジェクタ。
13. 前記表示素子は、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネルと、前記少なくとも２つの異なる画像セグメントを投影するために２つの異なる偏光状態の光を用いるために連続的に配置された少なくとも２つの偏光ビームスプリッタを備える照明システムとを備える、請求項１２に記載のマルチ瞳プロジェクタ。
14. 前記光学手段は、直角を成す偏光配向を有する２つの連続的なビームスプリッタを備える、請求項１２または１３に記載のマルチ瞳プロジェクタ。
15. 前記光学手段は、同じ偏光配向を有する２つの連続的なビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの間に光学的に配置された半波長波長板とを備える、請求項１２または１３に記載のマルチ瞳プロジェクタ。
16. 前記プロジェクタは、請求項１２～１５のいずれか一項に記載のマルチ瞳プロジェクタである、請求項７～１１のいずれか一項に記載のデバイス。
17. パーソナルディスプレイデバイスに画像を表示するための方法であって、前記方法は、
    光導体手段（５１、５５、６１、６５）において互いに横方向にずらされた少なくとも２つの回折入力結合格子に、全体画像の少なくとも２つの異なる部分的視野画像セグメントを投影することであって、前記回折入力結合格子は、前記画像セグメントを前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）に結合することと、
    前記画像セグメントから前記全体画像を再生するために、前記画像セグメントを少なくとも１つの回折出力結合格子へ導くことと、
    を備え、
    前記画像セグメントは、射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）を介して前記少なくとも１つの回折出力結合格子へ導かれ、前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）は、前記素子の前記射出瞳を拡大するために、前記回折入力結合格子の少なくとも１つおよび前記少なくとも１つの回折出力結合格子に関連付けられ、それらの間に光学的に配置され、
    前記回折入力結合格子および前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）は、第１の射出瞳拡大器格子に関連付けられた第１の回折入力結合格子が、第２の回折入力結合格子に関連付けられた第２の射出瞳拡大器格子と横方向に重なり合うように配置され、
    前記回折入力結合格子は、前記射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）に対して横方向にずらされ、
    前記素子は、第１の回折入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子の第１のペアと、前記第１のペアに対して前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）上で少なくとも１つの対称軸に沿って鏡対称に位置する、第２の回折入力結合格子および関連する射出瞳拡大器格子の第２のペアとを備える、方法。
18. 前記画像セグメントは、前記画像セグメントから前記全体画像を再生するために、前記光導体手段（５１、５５、６１、６５）において互いに横方向に重なり合う少なくとも２つの出力結合格子へ導かれる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記異なる画像セグメントは、前記全体画像の異なる視野をもたらす、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記異なる画像セグメントは、互いに積み重ねられた異なる光導体層へ導かれ、各光導体層は、入力結合格子、および前記入力結合格子に光学的に関連付けられた出力結合格子、および前記入力結合格子（５２、５６）と関連する出力結合格子との間に光学的に配置された射出瞳拡大器格子（５３、５７、６３、６７）を備える、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 請求項１～６のいずれか一項に記載の素子または請求項７～１１および１６のいずれか一項に記載のデバイスが用いられる、請求項１７～２０のいずれか一項に記載の方法。

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