JP7390378B2 - 拡張現実デバイスにおける高効率接眼レンズのための方法およびシステム - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本願は、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｅｙｅｐｉｅｃｅ ｉｎ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題され２０１８年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，８２１号への優先権を主張し、その開示は、全ての目的のためにその全体が参照によって本明細書中に援用される。

本発明の背景
現代のコンピューティングテクノロジおよびディスプレイテクノロジは、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おり、デジタル方式で生み出された画像またはそれらの一部は、それらが現実であるように見える（すなわち、現実として知覚され得る）態様で、ウェアラブルデバイスにおいてユーザに提示される。仮想現実（すなわち「ＶＲ」）シナリオは、典型的に、他の実際の現実世界の視覚的入力に対する透明性のない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、ユーザの周りの実世界の視覚化への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テクノロジにおいてなされた進歩にもかかわらず、拡張現実システム（特に、ディスプレイシステム）に関する向上された方法およびシステムに対するニーズが当技術分野において存在する。

本開示は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む投影ディスプレイシステムに関する方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、システムの輝度および性能を向上させる再帰反射器を含む接眼レンズユニットのための方法およびシステムを提供する。特定の実施形態では、再帰反射器は、接眼レンズの導波路層に組み込まれ、光をリサイクルし、導波路層内への投影された光の有効内部結合効率を増加させる。本開示は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

本発明のある実施形態によると、ディスプレイシステムが提供される。ディスプレイシステムは、光のビームを第１の方向に投影するように構成される投影オプティクスと、接眼レンズユニットとを含み、接眼レンズユニットは、第１の横平面内に配置される第１の導波路層であって、第１の導波路層は、入射光表面と、入射光表面の反対にある反対表面とを含む、第１の導波路層と、入射光表面上に配置される内部結合回折光学素子とを含む。内部結合回折光学素子は、光のビームの第１の部分を内部結合し、光のビームの第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、光のビームの第２の部分を第１の方向に沿って透過させることとを行うように構成される。接眼レンズは、反対表面に隣接して配置される再帰反射器も含む。再帰反射器は、第１の方向と反対の反射された方向に沿って、光のビームの第２の部分を再帰反射するように構成される。

本発明の別の実施形態によると、接眼レンズユニットが提供される。接眼レンズユニットは、横平面内に配置される導波路層であって、導波路層は、入射光表面と、入射光表面の反対にある反対表面とを含む、導波路層と、入射光表面上に配置される第１の内部結合回折光学素子とを含む。第１の内部結合回折光学素子は、第１の方向に伝播する光のビームの第１の部分を内部結合し、光のビームの第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、光のビームの第２の部分を第１の方向に沿って透過させることとを行うように構成される。接眼レンズユニットは、反対表面上に配置される第２の内部結合回折光学素子も含む。第２の内部結合回折光学素子は、第１の方向に沿った光のビームの第２の部分を受け取ることと、光のビームの第３の部分を内部結合し、光のビームの第３の部分を全内部反射によって第３の方向へ伝播させることと、光のビームの第４の部分を第１の方向に沿って透過させることとを行うように構成される。接眼レンズユニットは、反対表面に隣接して配置される再帰反射器をさらに含む。再帰反射器は、第１の方向と反対の反射された方向に沿って、光のビームの第４の部分を再帰反射するように構成される。

本発明の特定の実施形態によると、ディスプレイシステムを動作させる方法が提供される。方法は、光のビームを第１の方向に向けることと、導波路層の入射光表面において光のビームを受け取ることであって、導波路層は、入射光表面の反対にある反対表面を有する、ことと、第１の回折光学素子において、光のビームの第１の部分を第２の方向へ導波路層内に伝播させることとを含む。方法は、第１の回折光学素子において、光のビームの第２の部分を反対表面に向かって透過させることと、光のビームの第２の部分を第１の方向と反対の反射された方向に沿って再帰反射することとも含む。

本発明によって、従来技術を上回る数多くの利点が達成される。例えば、本発明の実施形態は、より高い効率をもたらすことができ、再帰反射器を用いることによってさもなければ失われ得る光をリサイクルすることができる方法およびシステムを提供する。本発明のこれらの実施形態および他の実施形態が、その多くの利点および特徴と共に、以下の文章および添付の図面と併せてより詳細に説明される。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
ディスプレイシステムであって、前記ディスプレイシステムは、
光のビームを第１の方向に投影するように構成される投影オプティクスと、
接眼レンズユニットと
を備え、
前記接眼レンズユニットは、
第１の横平面内に配置される第１の導波路層であって、前記第１の導波路層は、入射光表面と、前記入射光表面の反対にある反対表面とを含む、第１の導波路層と、
前記入射光表面上に配置される内部結合回折光学素子であって、前記内部結合回折光学素子は、
前記光のビームの第１の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、
前記光のビームの第２の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
を行うように構成される、内部結合回折光学素子と、
前記反対表面に隣接して配置される再帰反射器であって、前記再帰反射器は、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って、前記光のビームの前記第２の部分を再帰反射するように構成される、再帰反射器と
を含む、ディスプレイシステム。
（項目２）
前記接眼レンズユニットは、
前記内部結合回折光学素子から横にずらされた直交瞳エクスパンダ領域と、
前記内部結合回折光学素子から横にずらされた射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域と
をさらに備える、項目１のディスプレイシステム。
（項目３）
前記光のビームを前記投影オプティクスに向けるように構成される投影ディスプレイをさらに備える、項目１に記載のディスプレイシステム。
（項目４）
前記光のビームは、連続して投影される複数の色を備える、項目１のディスプレイシステム。
（項目５）
前記第２の方向は、前記第１の横平面に平行である、項目１のディスプレイシステム。
（項目６）
前記再帰反射器は、前記反対表面上に配置される、項目１に記載のディスプレイシステム。
（項目７）
前記再帰反射器は、前記反対表面から所定距離で前記反対表面に平行に配置される、項目１に記載のディスプレイシステム。
（項目８）
前記内部結合回折光学素子は、
前記光のビームの前記第２の部分の第３の部分を内部結合し、前記第３の部分を全内部反射によって前記第２の方向へ伝播させることと、
前記光のビームの第４の部分を前記反射された方向に沿って透過させることと
を行うようにさらに構成される、項目１のディスプレイシステム。
（項目９）
前記第１の横平面に隣接する第２の横平面内に配置される第２の導波路層であって、前記第２の導波路層は、第２の横位置に配置される第２の内部結合回折光学素子と、前記第２の内部結合回折光学素子に光学的に結合される第２の導波路と、前記第２の導波路に光学的に結合される第２の外部結合回折光学素子とを含む、第２の導波路層と、
第３の横平面内に配置される第３の導波路層であって、前記第３の導波路層は、第３の横位置に配置される第３の内部結合回折光学素子と、前記第３の内部結合回折光学素子に光学的に結合される第３の導波路と、前記第３の導波路に光学的に結合される第３の外部結合回折光学素子とを含む、第３の導波路層と
をさらに備える、項目１に記載のディスプレイシステム。
（項目１０）
前記内部結合回折光学素子は、第１の横位置に配置され、前記第１の横位置および前記第２の横位置は、同一の横位置である、項目９に記載のディスプレイシステム。
（項目１１）
接眼レンズユニットであって、前記接眼レンズユニットは、
横平面内に配置される導波路層であって、前記導波路層は、入射光表面と、前記入射光表面の反対にある反対表面とを含む、導波路層と、
前記入射光表面上に配置される第１の内部結合回折光学素子であって、前記第１の内部結合回折光学素子は、
第１の方向に伝播する光のビームの第１の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、
前記光のビームの第２の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
を行うように構成される、第１の内部結合回折光学素子と、
前記反対表面上に配置される第２の内部結合回折光学素子であって、前記第２の内部結合回折光学素子は、
前記第１の方向に沿った前記光のビームの前記第２の部分を受け取ることと、
前記光のビームの第３の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第３の部分を全内部反射によって第３の方向へ伝播させることと、
前記光のビームの第４の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
を行うように構成される、第２の内部結合回折光学素子と、
前記反対表面に隣接して配置される再帰反射器であって、前記再帰反射器は、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って、前記光のビームの前記第４の部分を再帰反射するように構成される、再帰反射器と
を備える、接眼レンズユニット。
（項目１２）
前記第２の内部結合回折光学素子は、メタライズ再帰反射器を備える、項目１１に記載の接眼レンズユニット。
（項目１３）
前記第１の内部結合回折光学素子は、第１のスペクトル帯にある光を内部結合するように構成される、項目１１に記載の接眼レンズユニット。
（項目１４）
前記第２の内部結合回折光学素子は、第２のスペクトル帯にある光を内部結合するように構成される、項目１３に記載の接眼レンズユニット。
（項目１５）
前記第１のスペクトル帯は、赤色波長を含み、前記第２のスペクトル帯は、緑色波長を含む、項目１４に記載の接眼レンズユニット。
（項目１６）
ディスプレイシステムを動作させる方法であって、前記方法は、
光のビームを第１の方向に向けることと、
導波路層の入射光表面において前記光のビームを受け取ることであって、前記導波路層は、前記入射光表面の反対にある反対表面を有する、ことと、
第１の回折光学素子において、前記光のビームの第１の部分を第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと、
前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの第２の部分を前記反対表面に向かって透過させることと、
前記光のビームの前記第２の部分を前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って再帰反射することと
を含む、方法。
（項目１７）
前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの前記第２の部分の第１の小部分を前記第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと、
前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの前記第２の部分の第２の小部分を前記反射された方向に沿って透過させることと
をさらに含む、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記第２の小部分の少なくとも一部分を前記導波路層に向かって前記第１の方向へ反射することと、
前記導波路層の前記入射光表面において、前記反射された部分を受け取ることと、
前記第１の回折光学素子において、前記反射された部分の一部分を前記第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと
をさらに含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記第１の回折光学素子は、前記入射光表面に配置される、項目１６に記載の方法。
（項目２０）
前記光のビームの前記第２の部分を再帰反射することは、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って光を再帰反射することを含む、項目１６に記載の方法。
（項目２１）
前記光のビームを前記第１の方向に向けることは、ディスプレイ素子から時系列色ビームを反射することを含む、項目１６に記載の方法。

図１は、本発明のある実施形態による、視認者にデジタル画像または仮想画像を提示するために用いられ得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）の一部における光路を概略的に例証している。

図２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方法を概略的に例証している。

図３は、本発明のある実施形態による、接眼レンズの平面図を概略的に例証している。

図４は、本発明のある実施形態による、複数の深度平面のための色の時系列エンコーディングを例証している概略図である。

図５は、本発明のある実施形態による、位置合わせされた回折光学素子と組み込み型再帰反射器とを有する接眼レンズの断面図である。

図６は、本発明のある実施形態による、プロジェクタ、接眼レンズ、および再帰反射器の素子の断面図である。

図７は、本発明のある実施形態による、接眼レンズの平面導波路および組み込み型再帰反射器の断面図である。

図８は、本発明のある実施形態による、複数の回折光学素子および組み込み型再帰反射器を有する平面導波路の断面図である。

図９は、本発明のある実施形態による、接眼レンズにおけるアーチファクトを低減させる方法を例証する簡略化されたフローチャートである。

図１０Ａは、本発明のある実施形態による、複数瞳システムにおいて活用される平面導波路の簡略化された断面図である。

図１０Ｂは、図１０Ａに例証される平面導波路のための複数瞳レイアウトの簡略化された平面図である。

図１１は、本発明のある実施形態による、再帰反射器の素子を例証する簡略化された概略図である。

本発明の実施形態は、ウェアラブルディスプレイを含む投影ディスプレイシステムを活用する方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、再帰反射器に適合する接眼レンズユニットのための方法およびシステムを提供する。本開示は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

図１は、いくつかの実施形態による、視認者にデジタル画像または仮想画像を提示するために用いられ得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）における光路を概略的に例証している。ＶＯＡは、プロジェクタ１０１と、視認者の眼１０２の周りに着用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、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。いくつかの実施形態では、接眼レンズ１００は、３つの接眼レンズ層を含み、３つの色（赤色、緑色、および青色）の各々のために１つの接眼レンズ層を含む。いくつかの実施形態では、接眼レンズ１００は、６つの接眼レンズ層（すなわち、１つの深度平面における仮想画像を形成するために構成された３つの色の各々のための接眼レンズ層の１つの組、および、別の深度平面における仮想画像を形成するために構成された３つの色の各々のための接眼レンズ層の別の組）を含み得る。いくつかの実施形態では、接眼レンズ１００は、３つ以上の異なる深度平面のための３つの色の各々のための３つ以上の接眼レンズ層を含み得る。各接眼レンズ層は、平面導波路を含み、各接眼レンズ層は、内部結合回折格子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。接眼レンズ層は、本明細書中で平面導波路層と称されるが、回折構造および／または反射構造が接眼レンズ層の１つ以上の表面と一緒に統合され、概して平面であるが光が回折および／または反射させられることができる非平面領域によって特徴付けられる導波路層をもたらし得ることが認識されるであろう。

引き続き図１を参照すると、プロジェクタ１０１は、接眼レンズ層１００における内部結合回折格子１０７上に画像光を投影する。内部結合回折格子１０７は、ＯＰＥ領域１０８に向かう方向に画像光を伝播させる平面導波路内に、プロジェクタ１０１からの画像光を結合する。平面導波路は、全内部反射（ＴＩＲ）によって水平方向に画像光を伝播させる。接眼レンズ層のＯＰＥ領域１０８は、回折素子を含み、回折素子は、導波路内を伝播する画像光の部分を結合し、ＥＰＥ領域１０９に向かうように画像光の部分の向きを変える。ＥＰＥ領域１０９は、回折素子を含み、回折素子は、平面導波路内を伝播する画像光の部分を結合し、視認者の眼１０２に向かって接眼レンズ層の平面に略垂直な方向に画像光の部分を方向付ける。この様式において、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に例証されるＶＯＡの一部は、視認者の１つの眼のための「単眼レンズ」を構成し得る。全体的なＶＯＡは、２つのそのような単眼レンズ（視認者の各眼のために１つ）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つの色（青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ））の光を含み得る。そのような画像光は、構成色に分離させられ得、それによって、各構成色の画像光が、接眼レンズ内のそれぞれの導波路に結合され得る。

図２は、本発明のある実施形態による、「インライン」手法を用いた色分離の方法を概略的に例証している。この例において、接眼レンズ２３０も、青色導波路２４０と、緑色導波路２５０と、赤色導波路２６０とを含み得る。各導波路２４０、２５０、または２６０は、ＩＣＧ２４２、２５２、または２６２と、ＯＰＥ領域２４４、２５４、または２６４と、ＥＰＥ領域２４６、２５６、または２６６とを含み得る。ここで、プロジェクタサブシステム２１０によって生成される青色、緑色、および赤色の光は、互いに空間的に分離されず、青色導波路２４０内のＩＣＧ２４２、緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２、および赤色導波路２６０内のＩＣＧ２６２は、互いに対して横方向に位置合わせされる。したがって、画像光は、「直列」様式で連続して各導波路を通過する。接眼レンズ２３０は、青色導波路２４０内のＩＣＧ２４２と緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２との間に位置付けられる第１の波長選択光学素子２９２と、緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２と赤色導波路２６０内のＩＣＧ２６２との間に位置付けられる第２の波長選択光学素子２９４とをさらに含み得る。第１の波長選択光学素子２９２および第２の波長選択光学素子２９４は、例えば、波長選択光学フィルタ（すなわち、特定の範囲の波長の光を選択的に透過させる光学素子）、および／または、波長選択光学反射器（すなわち、特定の範囲の波長の光を選択的に反射するミラーまたは他の光学素子）を表し得る。ダイクロイックフィルタが、波長に基づいて、光を透過させることと光を反射することとの両方を選択的に行うように構成される光学素子の一例である。以下において、第１の波長選択光学素子２９２は、「光学フィルタ２９２」とも称され得、第２の波長選択光学素子２９４は、「光学フィルタ２９４」とも称され得る。同様に、図３－図９のいずれかを参照して説明される他の波長選択光学素子は、本明細書中で、「光学フィルタ」とも称され得る。

図２に例証されるように、３色全ての画像光が、青色導波路２４０内のＩＣＧ２４２に入射する。青色導波路２４０内のＩＣＧ２４２は、主に青色波長範囲内にある画像光の部分を、ＯＰＥ領域２４４に向かって導かれるように青色導波路２４０内に結合し得る。青色導波路２４０内のＩＣＧ２４２は、さらに議論されるように、少量の緑色画像光を、またより少量の赤色光さえも、青色導波路２４０内に結合し得る。青色導波路２４０内に結合されない画像光は、青色導波路２４０を通って透過させられ、第１の光学フィルタ２９２に入射する。第１の光学フィルタ２９２は、緑色波長範囲および赤色波長範囲において高い透過値を有し、青色波長範囲において低い透過値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２９２によって透過させられ、緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２に入射する画像光は、主に緑色画像光と赤色画像光とを含み得、青色画像光をほとんど含まないまたは含まない。

引き続き図２を参照すると、緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２は、主に緑色波長範囲内の画像光の部分を、ＯＰＥ領域２５４に向かって導かれるように緑色導波路２５０内に結合し得る。緑色導波路２５０内のＩＣＧ２５２は、後にさらに議論されるように、少量の赤色画像光も緑色導波路２５０内に結合し得る。緑色導波路２５０内に結合されない画像光は、緑色導波路２５０を通って透過させられ、第２の光学フィルタ２９４に入射し得る。第２の光学フィルタ２９４は、赤色波長範囲において高い透過値を有し、緑色波長範囲および青色波長範囲において低い透過値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２９４によって透過させられ、赤色導波路２６０内のＩＣＧ２６２に入射する画像光は、主に赤色画像光を含み得、緑色画像光および青色画像光をほとんど含まないまたは含まない。赤色導波路２６０内のＩＣＧ２６２は、主に赤色波長範囲内の画像光の部分を、ＯＰＥ領域２６４に向かって導かれるように赤色導波路２６０内に結合し得る。

図３は、本発明のある実施形態による接眼レンズ３００の平面図を概略的に例証している。接眼レンズ３００は、隣接した横平面でスタックされた青色導波路３４０と緑色導波路３５０と赤色導波路３６０とを含み得る。各導波路３４０、３５０、または３６０は、ＩＣＧ領域３１０と、ＯＰＥ領域３２０と、ＥＰＥ領域３３０とを含み得る。３つの導波路３４０、３５０、および３６０のためのＩＣＧ領域３１０は、同一の横位置に配置され、従って、同一の光路に沿ってスタックされ得る。第１の光学フィルタ３９２は、青色導波路３４０のＩＣＧ３１０と緑色導波路３５０のＩＣＧ３１０との間に位置付けられ得る。第２の光学フィルタ３９２は、緑色導波路３５０のＩＣＧ３１０と赤色導波路３６０のＩＣＧ３１０との間に位置付けられ得る。

図４は、いくつかの実施形態による複数の深度平面のための色の時系列エンコーディングを例証する概略図である。図４に例証されるように、（この例証では３つの）深度平面は、シェーダを介してピクセルごとに最下位ビット（ＬＳＢ）にエンコードされる。本明細書中で議論されるプロジェクタアセンブリは、所望の深度平面における各色のためのピクセルの精密な配置を提供する。３つの色は、各深度平面（（平面０のためのＲ０、Ｇ０、Ｂ０）４０２、（平面１のためのＲ１、Ｇ１、Ｂ１）４０４、および（平面２のためのＲ２、Ｇ２、Ｂ２）４０６）のために連続してエンコードされる。１．３９ｍｓの間の各色の照射は、（全ての色および平面をリフレッシュするための１２．５ｍｓに基づいて）７２０Ｈｚの照射フレームレート４０８と、３つ全ての色および３つの深度平面のための８０Ｈｚのフレームレート４１０とを提供する。いくつかの実施形態では、フレーム毎の単一の深度平面のための信号の色は、その特定の深度平面のためのその特定の色と関連付けられる光源を用いることによってのみ、用いられ得る。

いくつかの実施形態では、複数の深度平面は、連続して符号化された色を受け取る可変フォーカスレンズの使用を通して実装されることができる。これらの実施形態では、３つの接眼レンズ層が存在し得、内部結合回折格子は、内部結合回折格子が光軸のまわりで互いに直接的に向かい合って位置付けられないようにさらに離間され得る。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

図５は、本発明のある実施形態による、位置合わせされた回折光学素子と、組み込み型再帰反射器とを有する接眼レンズの断面図である。視認者の眼に画像を投影するために用いられることができる接眼レンズ５００は、第１の平面導波路５１０を含み、第１の平面導波路は、第１の導波路とも称され、第１の横平面内に位置付けられる（すなわち、第１のｘ－ｙ平面内で第１の長手方向（ｚ軸）位置に位置付けられる）。第１の平面導波路５１０は、第１の横位置（すなわち、第１のｘ－ｙ座標位置）に配置された第１の回折光学素子（ＤＯＥ）５１２を含む。第１のＤＯＥ５１２は、内部結合回折格子（ＩＣＧ）を含み得、内部結合回折格子は、第１の平面導波路５１０の（入射光表面とも称されることができる）第１の表面５１３上、または、第１の表面の反対にある第１の導波路５１０の（反対表面と称されることができる）第２の表面５１４上のいずれかに形成され得る。いくつかの実施形態では、第１のＤＯＥ５１２は、第１の平面導波路５１０の第１の表面５１３、および第１の表面の反対にある第１の導波路５１０の第２の表面５１４のうちの一方または両方に形成されたＩＣＧを含み得る。第１のＤＯＥ５１２は、透過回折格子であり得、透過回折格子は、第１の波長範囲内の画像光（例えば、青色画像光）を、第１の導波路５１０の第２の横領域に向けて導かれるように第１の平面導波路５１０内に回折させるように構成される。第２の横領域は、ＩＣＧとＯＰＥとの間の領域であり得る。第１の導波路５１０内に結合されない画像光の部分は、第１の導波路５１０を通って透過させられ得る。

接眼レンズ５００は、第１の横平面に隣接する第２の横平面（すなわち、第２の長手方向位置）に位置付けられた（第２の導波路とも称される）第２の平面導波路５２０も含む。第２の平面導波路５２０は、第１のＤＯＥ５１２の下で第１の横位置に配置された第２のＤＯＥ５２２を含む。第２のＤＯＥ５２２は、内部結合回折格子（ＩＣＧ）を含み得、内部結合回折格子（ＩＣＧ）は、第２の導波路５２０の第１の平面５２３上、第１の表面の反対にある第２の導波路５２０の第２の表面５２４上、または、第１の表面５２３および第１の表面の反対にある第２の表面５２４の両方の上に形成され得る。第２のＤＯＥ５２２は、透過回折格子を含み得、透過回折格子は、第２の波長範囲内の画像光（例えば、緑色画像光）を、第２の導波路５２０の第２の横領域に向かって導かれるように第２の導波路５２０内に回折させるように構成される。第２の横領域は、ＩＣＧとＯＰＥとの間の領域であり得る。第２の導波路５２０内に結合されない画像光の部分は、第２の平面導波路５２０を通して透過させられ得る。

接眼レンズ５００は、第２の横平面に隣接する第３の横平面（すなわち、第３の長手方向位置）に位置付けられた（第３の導波路とも称される）第３の平面導波路５３０も含む。第３の平面導波路５３０は、第３のＤＯＥ５３２を含み、第３のＤＯＥは、第１のＤＯＥ５１２および第２のＤＯＥ５２２の下で第１の横位置に配置され、長手方向に沿って位置合わせされる（すなわち、ｚ軸について位置合わせされる）。第３のＤＯＥ５３２は、内部結合回折格子（ＩＣＧ）を含み得、内部結合回折格子（ＩＣＧ）は、第３の平面導波路５３０の第１の表面５３３上、または、第１の表面の反対にある第３の平面導波路５３０の第２の表面５３４上のいずれかに形成され得る。第３のＤＯＥ５３２は、透過回折格子であり得、透過回折格子は、第３の波長範囲内の画像光（例えば、赤色画像光）を、第３の平面導波路５３０の第２の横領域に向かって導かれるように第３の平面導波路５３０内に回折させるように構成される。第２の横領域は、ＩＣＧとＯＰＥとの間の領域であり得る。第３の平面導波路５３０内に結合されない画像光の部分は、第３の平面導波路５３０を通して透過させられ得る。

図５に例証される実施形態では、３つ全てのＤＯＥ（例えば、第１のＤＯＥ５１２、第２のＤＯＥ５２２、および第３のＤＯＥ５３２）が位置合わせされるが、これは、本開示によって要求されず、ＤＯＥは、異なる横位置に離間されることができる。例として、（例えば、緑色光を回折させるための）第１のＤＯＥ５１２は、第２のＤＯＥ５２２および第３のＤＯＥ５３２から離間されることができ、第２のＤＯＥ５２２および第３のＤＯＥ５３３は、位置合わせされることができる。この例では、緑色光が可視スペクトルの中間にあるので、緑色光は、他の色のためのＤＯＥにおいて強くは回折させられない青色光および赤色光から離間され、このことは、青色ＤＯＥおよび赤色ＤＯＥ（例えば、第２のＤＯＥ５２２および第３のＤＯＥ５３２）が空間的に位置合わせされることを可能にする。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識するであろう。

図５を参照すると、第１の入力ビーム５０２（例えば、青色入力ビーム）が、内部結合ＤＯＥ５１２を介して第１の平面導波路５１０内に結合される。同様の態様で、第２の入力ビーム５０４（例えば、緑色入力ビーム）が、内部結合ＤＯＥ５２２を介して第２の平面導波路５２０内に結合され、第３の入力ビーム５０６（例えば、赤色入力ビーム）が、内部結合ＤＯＥ５３２を介して第３の平面導波路５３０内に結合される。導波路を通過した後、導波路内に回折させられない光は、以下でより完全に説明されるように、再帰反射器５５０によって再帰反射される。図５に例証されるように、再帰反射器５５０は、第１の横位置に位置付けられ、内部結合ＤＯＥと位置合わせされる。再帰反射器は、第３の平面導波路を通って透過させられた画像光を反射し、プロジェクタ（図示されず）に向かって戻すように構成され得る。以下で説明されるように、再帰反射された光は、プロジェクタに向かって伝播するときに導波路内に結合されることができ、それによって、視認者に出力されるライトフィールドの輝度およびコントラストを増加させる。

いくつかの他の実施形態によると、平面導波路５１０、５２０、および５３０の順序は、図５に例証されるものと異なり得る。さらに、いくつかの実施形態によると、接眼レンズ５００は、３つより少ない導波路（例えば、２つの導波路）、または３つより多い導波路（例えば、各色のために３つずつ、９つの導波路）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路を含み得る。例えば、接眼レンズ５００は、赤色、緑色、および青色の代わりに、またはそれらに加えて、マゼンタおよびシアンのための導波路を含み得る。

図６は、本発明のある実施形態による、プロジェクタ、接眼レンズ、および再帰反射器の素子の断面図である、図６に例証されるように、接眼レンズの平面導波路６２０によって生み出される仮想画像を生成するために用いられる光は、ディスプレイ素子６１０（例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイ）から反射される。例証の目的のために、ディスプレイ素子のピクセル６１１は、入射光を反射するものとして例証される。反射された光は、図６において単一のレンズとして例証される投影オプティクス６１２を通過する。単一のレンズとしての投影オプティクスの例証が単に明確性の目的のためであり、実践では、レンズ、ストップ等を含む複数の光学素子が投影オプティクス６１２において活用されることが、当業者によって認識される。発光ディスプレイ素子が活用される場合、ディスプレイ素子によって発される光は、同様の態様で投影オプティクス６１２を通過する。実施形態は、ＬＣＯＳディスプレイに限定されず、反射性ディスプレイおよび発光ディスプレイの両方を含む他のディスプレイテクノロジが、本発明の範囲内に含まれる。

投影オプティクス６１２を通過した後、光線６０１によって例証される光が、内部結合ＤＯＥ６２２に衝突する。入射光の第１の部分は、内部結合ＤＯＥ６２２によって回折させられ、光線６０２によって例証されるように、ＴＩＲに基づいて、接眼レンズの平面導波路６２０のＯＰＥおよびＥＰＥに向かって伝播する。光が概して複数の次数に回折させられ、ＯＰＥに向かって回折させられた次数のみが明確性の目的のために図６に例証されることが、認識される。複数の次数への回折の結果として、光吸収器（示されず）が、平面導波路内に組み込まれ、ＯＰＥから遠くに向けられる次数に回折させられた光を吸収し得る。入射光の第２の部分は、光線６０１によって例証されるように、内部結合ＤＯＥ６２２を通過し、再帰反射器６２４によって再帰反射される。

再帰反射器６２４は、入射光を反射し、反射された光は、入射光の元の方向と平行であるが入射光の元の方向とは反対の方向に沿って、光線６０３によって例証される。図６における光線６０１は、光線６０３から横にオフセットされているが、実際の実装において、再帰反射された光の横のオフセットは、例証における明確性を提供するために、図６において活用される場合のビーム径および横のオフセットと比較して小さいことが認識される。いくつかの実施形態では、再帰反射器の横寸法またはサイズは、内部結合回折光学素子の横寸法にほぼ等しいが、これは要求されず、再帰反射器の横寸法は、内部結合回折光学素子の横寸法より大きいことも、より小さいこともあり得る。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

コーナーキューブプリズムフィルム、コーナーキューブアレイ（コーナーキューブ寸法は、数十ミクロンから数百ミクロンのオーダーである）、メタライズマイクロプリズム構造等を含む数多くの異なる再帰反射器設計が、本発明の実施形態に従って活用されることができる。ナノインプリント、（マスクレスリゾグラフィを含む）半導体加工技術、付加製造技術等を用いて、横方向の延在を有する（例えば、内部結合回折光学素子の横方向の延在に実質的に一致させられた）組み込み型再帰反射器が、平面導波路層の遠位表面上に製作されることができる。したがって、ｘ軸およびｙ軸に沿って測定される０．５～３．０ｍｍの横寸法と、長手方向のｚ方向に沿って測定される２０～６００μｍ（例えば、数十ミクロン～数百ミクロンの範囲内）の高さとを有する再帰反射器が、本発明の種々の実施形態で活用され得る。これらの実施形態では、再帰反射器を構成する特徴の寸法は、再帰反射器の横寸法の小部分（例えば、数ミリの寸法の再帰反射器を提供するように配列された１００μｍ未満の寸法のコーナーキューブ）であり得る。当業者に明らかであるように、再帰反射器の構造は、コーナーキューブに限定されず、球面反射器、ピラミッド型反射器等を含む他の再帰反射器構造を含み得る。

図６において光円錐６０５によって例証されるように、再帰反射された光は、投影オプティクス６１２を通過して戻り、光が初めに反射たされたピクセル場所でディスプレイ素子に衝突する。接眼レンズ素子からの鏡面反射と対照的に、再帰反射された光は、上で説明されるように入射光と同一の角度であって、入射角と等しい反対の角度でない角度で伝播する。その結果、同一の角度で伝播する光は、平面導波路において同一の角度で回折させられ、それによって、光線６０２によって表される初めに回折させられた光と重複し、同一のピクセルをユーザに表示する。そのうえ、ディスプレイ素子の鏡画像ピクセルに衝突する鏡面反射された光をもたらす鏡面反射と対照的に、再帰反射器６２４から再帰反射された光は、ディスプレイ素子の元のピクセルに衝突する。その結果、アーチファクト（例えば、ゴースト画像）が、本発明の実施形態によって低減させられるまたは防止される。

したがって、本発明の実施形態によるアーチファクトの防止または低減は、鏡面が平面導波路６２０に隣接して位置付けられて単に鏡面反射をもたらすことができるシステムと対照的である。図６に例証されるように、光線６０１が鏡面（示されず）に入射した場合、鏡面による反射は、反射された光線６５０をもたらし得、反射された光線６５０は、光線６０１の入射角と等しい反対の反射角で反射し得る。反射された光線６５０は、鏡面を活用する手法との比較のためにのみ例証され、図６に例証されるシステムには物理的に存在しないことが留意されるべきである。そして、反射された光線６５０は、投影オプティクス６１２によって結像され、ピクセル６１１に対する鏡画像位置６１３でディスプレイ素子６１０に衝突し得る。したがって、ピクセル６１１に関連付けられた光は、鏡画像位置６１３においてアーチファクトとして出現する。鏡画像位置６１３におけるピクセルが反射性である場合、反射された光線６５０は、反射され、ユーザへの最終的な投影のために投影オプティクス６１２に向かって戻ることができる。したがって、本明細書中で説明されるように、再帰反射された光は、鏡画像位置６１３に結像されず、ピクセル６１１に関連付けられた元の位置に結像されるので、再帰反射器の使用は、アーチファクトの生成を防止する。単一のピクセルが図６に関するアーチファクト生成に関して議論されるが、単一のピクセルの例は、例として、明確性のために単に提供され、単一のピクセルに関する議論は、適切にディスプレイにおける他のピクセルに適用可能であることが認識される。

図７は、本発明のある実施形態による接眼レンズの平面導波路と統合された再帰反射器との断面図である。図７を参照すると、光線７０１によって表される画像光は、平面導波路層７１０の近位表面７２１（すなわち、プロジェクタに隣接する）に入射する。平面導波路層７１０は、内部結合ＤＯＥ７１２と、組み込み型再帰反射器７１４と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）および射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）とを含み、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）は、回折素子７１６によって例証され、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）は、回折素子７１８によって例証される。

光線７０１によって表される画像光の第１の部分は、光線７０３によって例証されるように、内部結合回折光学素子７１２によって回折させられる。光線７０１によって表される画像光の残りの部分は、平面導波路層７１０を通過し、再帰反射器７１４によって再帰反射される。図７に例証される実施形態では、再帰反射器７１４は、平面導波路７１０の遠位表面７２３上に（例えば、ナノインプリントを用いて）インプリントされる。しかしながら、平面導波路層７１０の遠位表面７２３から所定距離に位置付けられる再帰反射器を含む他の光学的配列が、本発明の範囲内に含まれる。したがって、再帰反射器は、平面導波路層の表面内に組み込まれ、平面導波路層の非平面領域をもたらすか、平面導波路層の平らな表面に接合された（例えば、接着された）別個の構造であるか、または、光学的に結合されるが平面導波路層から空間的に分離された別個の構造であり得る。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

再帰反射された光７０５の第１の部分は、光線７０７によって例証されるように、内部結合ＤＯＥ７１２によって回折させられる。概して光が複数の次数に沿って回折させられ、ＯＰＥに向かって方向付けられる回折させられる次数のみが明確性の目的のために図７に例証されることが、認識される。この回折させられた光は、光線７０３によって表される最初に回折させられた光に沿って、視認者への最終的な送達のために、ＯＰＥおよびＥＰＥに向かって方向付けられる。光線７０３および光線７０７の両方がディスプレイ素子の同一のピクセルと関連付けられるので、このピクセルと関連付けられる輝度が増加させられる。したがって、組み込み型再帰反射器７１４の使用は、内部結合回折光学素子によって回折させられる光についての二重の経路を効果的に提供し、内部結合効率を増加させ、内部結合回折光学素子の回折効率を効果的に増加させる。

再帰反射された光７０５の残りは、投影オプティクスを通過して戻り、光が初めに反射されたピクセル場所でディスプレイ素子に衝突する。ディスプレイ素子に到達する光は、光線７３１によって例証されるように、ディスプレイ素子から二度目（および、さらに続く回数）の反射をすることができる。ディスプレイ素子から二度目の反射をさせられた光は、リサイクルされた画像光と称され得る。光線７３１によって表されるこのリサイクルされた画像光は、回折させられた光線７３３および光線７３７を生み出すために用いられることができ、回折させられた光線７３３および光線７３７は、内部結合回折光学素子７１２を通るリサイクルされた画像光の第１の経路上の内部結合回折光学素子７１２による回折と関連付けられ（すなわち、光線７３１と関連付けられ）、再帰反射器７１４からの二度目の再帰反射後の内部結合回折光学素子７１２を通るリサイクルされた画像光の第２の経路上の内部結合回折光学素子７１２による回折と関連付けられる（すなわち、光線７３５と関連付けられる）。図７に例証されるように、光線７０１および７３１は、同一のピクセルから反射されるので、それらは平行である。

当業者に明らかであるように、再帰反射器から後方に伝播する光が、元のピクセルから初めに反射された光と同一の円錐角でディスプレイ素子の元のピクセルを照射するので、ディスプレイ素子からの後続の反射は、各色および各深度平面と関連付けられたフレーム時間の残りの間に発生する。したがって、元のピクセルを表す反射は、ディスプレイ素子からの反射によって生成され、接眼レンズ効率を増加させることができる。実際の実装では、フレーム時間は、ディスプレイ素子から再帰反射器への往復伝播時間より遥かに長いので、画像光のリサイクルは、ディスプレイ素子における反射された光の強度が無視できるまでの平面導波路内への画像光の回折をもたらすことができる。その結果、ディスプレイ素子からの複数の反射によって生み出される光のリサイクルは、ユーザのための増加させられた画像輝度および増加させられたシステム効率をもたらす。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

図７に例証されるように、内部結合回折光学素子７１２によって回折させられた光が、組み込み型再帰反射器７１４の左の遠位表面７２３に衝突すると、回折させられた光は、全内部反射され、回折素子７１６および回折素子７１８に向かって伝播する。回折させられた光が、組み込み型再帰反射器７１４に衝突する場合、回折させられた光は、再帰反射されて内部結合回折光学素子７１２に向かって戻り得、内部結合回折光学素子７１２で回折させられて投影オプティクスに向かって戻り得、平面導波路層７１０内への光結合をもたらすことはない。回折させられた光の所望されない再帰反射を防止するために、平面導波路層７１０の厚さは、遠位表面７２３に到達する前の回折させられた光の横方向への付加的な伝播を可能にするように増加させられることができる。加えて、または、代替として、ＩＣＧの横寸法が減少させられることができる。したがって、いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥから回折させられた光が、回折後に導波路内で全内部反射することが可能であり、回折後に再帰反射器に衝突せず、内部結合ＤＯＥに向かって戻るように再帰反射されないことが可能であるように、再帰反射器の横寸法（例えば、面積）は、選択され、それによって、光が平面導波路のＥＰＥ／ＯＰＥ部分に到達することを防止する。さらに、図８に関してさらに詳細に議論されるように、空隙が再帰反射器と平面導波路層との間に導入される場合、回折させられた光の再帰反射の防止が達成されることができる。

回折素子７１６および回折素子７１８が、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ（組み合わせられた瞳エクスパンダ（ＣＰＥ）と称されることができる）として実装されることができることも留意されるべきである。ＣＰＥは、図７に例証されるような両面構成で、または、片面構成で実装されることができる。例えば、ＣＰＥは、回折素子７１６によって表されるＯＰＥコンポーネントと、回折素子７１８によって表されるＥＰＥコンポーネントとを含むことができる。したがって、（例えば、ＯＰＥ回折格子を含む）ＯＰＥコンポーネントは、基板７１０の一方の側面に位置することができ、（例えば、ＥＰＥ回折格子を含む）ＥＰＥコンポーネントは、基板７１０の他方の側面に位置することができる。ＯＰＥコンポーネントおよび／またはＥＰＥコンポーネントは、特定の用途に適切に２Ｄ回折格子または１Ｄ回折格子として実装されることができる。ＣＰＥの製作に関する付加的な説明が、本願の出願人に譲渡された米国特許第１０，４８１，３１７号において提供され、その開示は、全ての目的のために、その全体が参照によって本明細書に援用される。

図８は、本発明のある実施形態による複数の回折光学素子と組み込み型再帰反射器とを有する平面導波路の断面図である。図８を参照すると、内部結合回折光学素子は、平面導波路層の近位表面および平面導波路層の遠位表面の両方に組み込まれている。光線８０１によって表される画像光は、平面導波路層８１０の近位表面８２１（すなわち、プロジェクタに隣接する）に入射する。平面導波路層８１０は、第１の内部結合ＤＯＥ８１２と、第２の内部結合回折光学素子８１４と、組み込み型再帰反射器８１６と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）および射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）とを含み、直交瞳エクスパンダは、回折素子８１８によって例証され、射出瞳エクスパンダは、回折素子８１９によって例証される。

光線８０１によって表される画像光の第１の部分は、光線８０３によって例証されるように、第１の内部結合回折光学素子８１２によって回折させられる。光線８０１によって表される画像光の残りの部分は、平面導波路層８１０を通過し、残りの部分の第２の部分は、光線８０５によって例証されるように、第２の内部結合回折光学素子８１４によって回折させられる。したがって、平面導波路層の近位表面および遠位表面の両方における内部結合回折光学素子の使用は、ＯＰＥに向けた画像光の回折効率を増加させる。

第２の内部結合回折光学素子を通過する光は、再帰反射器８１６によって再帰反射される。いくつかの実施形態では、再帰反射器８１６は、平面導波路層８１０の遠位表面８２２に（例えば、ナノインプリントを用いて）インプリントされる。しかしながら、平面導波路層８１０の遠位表面８２２から所定距離Ｄで位置付けられる再帰反射器を含む他の光学的配列が、本発明の範囲内に含まれる。したがって、再帰反射器は、平面導波路層の表面に組み込まれて平面導波路層の非平面領域をもたらすか、平面導波路層の平らな表面に接合された（例えば、接着された）別個の構造であるか、または、光学的に結合されるが平面導波路層から空間的に分離された別個の構造であり得る。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

図８に例証されるように、いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥは、平面導波路８１０の前面８２１および背面８２２の両方に位置付けられる。これらの実施形態では、再帰反射器は、平面導波路の背面から所定距離に位置付けられ、その結果、背面から所定距離だけ空間的に分離されることができる。これらの実施形態では、再帰反射器は、平面導波路とは別個の構造として製作され得、平面導波路、または、平面導波路および再帰反射器構造の両方を支持する支持構造に機械的に搭載され得る。空間的分離は、周囲環境（例えば、空隙）、スペーサ材料等で充填されることができる。スペーサ材料が活用される場合、平面導波路の屈折率、平面導波路８１０の背面８２２上の内部結合ＤＯＥ８１４、スペーサ材料、および／または再帰反射器は、スペーサ材料と内部結合ＤＯＥ８１４との間で屈折率が一致することを避けるように考慮されるべきであり、これは、内部結合ＤＯＥとスペーサ材料との間の屈折率の差異がＤＯＥを効果的に駄目にする（ｗａｓｈ ｏｕｔ）ので、内部結合ＤＯＥの効率を潜在的に低減させることができる。

いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥは、ポリマ材料を用いて製作される。内部結合ＤＯＥ８１４が金属材料を活用して回折効果を提供する場合、回折効率の減少は、スペーサ材料に一致させられたより近い屈折率である材料と比較して小さい可能性がある。いくつかの実施形態では、再帰反射器は、付加製造プロセスを用いて内部結合ＤＯＥ８１４に接触して形成されることができる。これらの実施形態では、内部結合ＤＯＥ（例えば、金属）およびスペーサ材料（例えば、ポリマ）および／または再帰反射器（例えば、ポリマ）のための異なる屈折率を有する材料の使用は、所望のＤＯＥ効率の低レベルの屈折率一致および維持をもたらすことができる。

図７に関して議論される態様と同様の態様で、再帰反射された光の第１の部分は、光線８０７によって例証されるように、内部結合ＤＯＥ８１４によって回折させられ、第２の部分は、平面導波路層を通過した後、光線８０９によって例証されるように、内部結合ＤＯＥ８１２によって回折させられる。再帰反射された光８１７は、元の画像光と同一の方向に沿って（すなわち、元の画像光の伝播の方向と反対に）伝播するので、再帰反射された光の回折は、平面導波路層を通る第１の経路中の回折と関連付けられる光線８０３および光線８０５と重複する。当業者に明らかであるように、回折次数は、ＤＯＥが反射または透過のいずれとして動作するかに依存して異なる（すなわち、正の次数または負の次数）。例えば、光線８０３は、透過として動作する内部結合ＤＯＥ８１２によって生み出された正の回折次数であり得、光線８０５は、反射として動作する内部結合ＤＯＥ８１４によって生み出された正の回折次数であり得る。光線８０７は、透過として動作する内部結合ＤＯＥ８１４によって生み出された負の回折次数であり得、光線８０９は、反射として動作する内部結合ＤＯＥ８１２によって生み出された負の回折次数であり得る。

図７に例証される実施形態と比較すると、２つの内部結合回折光学素子の使用は、光が、光線８０３、８０５、８０７、および８０９によって例証されるような内部結合回折光学素子を通る往復経路の間、４回回折させられることを可能にする。視認者への最終的な送達のためにＯＰＥおよびＥＰＥに向けられる屈折させられた光が、ディスプレイ素子の同一のピクセルと関連付けられているので、このピクセルと関連付けられる輝度は、光線８０３、８０５、８０７および８０９によって例証されるように、増加させられる。図８に例証される実施形態において、２つの内部結合回折光学素子および組み込み型再帰反射器８１６の使用は、内部結合回折光学素子の各々によって回折させられた光についての二重の経路を効果的に提供し、内部結合効率を増加させ、内部結合回折光学素子の回折効率を効果的に増加させる。

再帰反射させられた光の残りは、投影オプティクスを通過して戻り、光が最初に反射されたピクセル場所でディスプレイ素子に衝突する。ディスプレイ素子に到達する光は、ディスプレイ素子から二度目（および、さらに続く回数）の反射をさせられ、導波路層８１０に衝突することができる。図７に関して議論された態様と同様の態様で、ディスプレイ素子から二度目の反射をさせられた光は、リサイクルされた画像光と称されることができる。このリサイクルされた画像光（図示されず）は、回折させられた光線を生み出すために用いられることができ、回折させられた光線は、平面導波路層を通るリサイクルされた画像光の第１の経路上の第１の内部結合回折光学素子８１２および第２の内部結合回折光学素子８１４による回折と、平面導波路層を通るリサイクルされた画像光の第２の経路上の第１の内部結合回折光学素子８１２および第２の内部結合回折光学素子８１４による回折とにそれぞれ関連付けられる。

図９は、本発明のある実施形態による接眼レンズにおけるアーチファクトを低減させる方法を例証する簡略化されたフローチャートである。方法は、ステップ９０５において、光のビームを第１の方向に向けることを含む。方法は、ステップ９１０において、入射光表面の反対にある反対表面を有する導波路層の入射光表面において、光のビームを受け取ることをさらに含む。

方法は、ステップ９１５において、第１の回折光学素子において、光のビームの第１の部分を第２の方向へ導波路層内に伝播させることをさらに含む。方法は、ステップ９２０において、第１の回折光学素子によって、光のビームの第２の部分を反対表面に向けて透過させることをさらに含む。方法は、ステップ９２５において、第１の方向と反対の反射された方向に沿って光のビームの第２の部分を再帰反射することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、方法は、第１の回折光学素子において、光のビームの第２の部分の第１の小部分を第２の方向へ導波路層内に伝播させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、第１の回折光学素子において、光のビームの第２の部分の第２の小部分を、反射された方向に沿って透過させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、第２の小部分の少なくとも一部分を、第１の方向へ、または導波路層に向かって反射することをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、導波路層の入射光表面において、反射された部分を受け取ることをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、第１の回折光学素子において、反射された部分の一部分を第２の方向へ導波路層内に伝播させることをさらに含む。

いくつかの実施形態では、第１の回折光学素子は、入射光表面に配置される。いくつかの実施形態では、光のビームの第２の部分を再帰反射することは、第１の方向と反対の反射された方向に沿って第２の部分を再帰反射することを含む。いくつかの実施形態では、光のビームを第１の方向へ向けることは、ディスプレイ素子から時系列色ビームを反射することを含む。

図１０Ａは、本発明のある実施形態による複数瞳システムで活用される平面導波路の
簡略化された断面図である。図１０Ａを参照すると、ディスプレイ素子１０１０（例えば、ＬＣＯＳディスプレイパネル）は、複数瞳ピクセルレイアウトを用いて照射される。図１０Ｂは、図１０Ａに例証される平面導波路のための複数瞳レイアウトの簡略化された平面図である。図１０Ｂに例証されるように、各ピクセルは、５つの配列された光源を含み、５つの光源は、５つの対応する内部結合ＤＯＥ Ｒ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｂ１、およびＢ２に位置合わせされる。特定のアレイパターンが図１０Ｂに例証されるが、本発明は、この特定のアレイパターンに限定されず、他のアレイパターンが本発明の範囲内に含まれる。加えて、２つの原色（赤色および青色）と関連付けられた光源に対応する２つの内部結合ＤＯＥが、第３の原色（緑色）と関連付けられた光源に対応する単一の内部結合ＤＯＥと共に活用されるが、これも要求されず、異なる色の組み合わせが、特定の用途に適切に活用されることができる。図１０Ａにおいて、例証される断面図は、図１０Ｂに例証される二等分線１０８０に対応する。したがって、例証される実施形態において、内部結合ＤＯＥ Ｂ１は、図の平面の前方の場所に配置され、内部結合ＤＯＥ Ｂ２は、図の平面の後方の場所に配置される。

図１０Ａを参照すると、内部結合ＤＯＥ Ｒ１に対応する第１の光源（例えば、赤色の源）からの光は、ディスプレイ素子１０１０から反射され、光円錐１０２０を形成する。光円錐１０２０に含まれる例示的光線が、光線１０２２によって例証され、光線１０２２は、投影オプティクス１０１５を用いて結像され、３つの平面導波路１０３２、１０３４、および１０３６（各導波路が原色と関連付けられる）を含む接眼レンズ１０３０に衝突する。ある実施形態では、平面導波路１０３２は、緑色波長と関連付けられ、平面導波路１０３４は、青色波長と関連付けられ、平面導波路１０３６は、赤色波長と関連付けられる。光線１０２２は、平面導波路１０３２および１０３４を通過し、内部結合ＤＯＥ Ｒ１に衝突する。入射光の小部分が、回折させられた光線１０２４によって例証されるように、平面導波路の平面内を伝播するように回折させられる。入射光の小部分は、内部結合ＤＯＥ Ｒ１も通過し、再帰反射器１０４０に衝突する。再帰反射された光線１０２６によって表される再帰反射された光は、伝播してディスプレイ素子１０１０に戻るように、光線１０２２の方向と反対の方向に伝播する。再帰反射後に距離Ｄだけ横方向にシフトされた再帰反射された光線１０２６を含む再帰反射された光は、ディスプレイ素子１０１０に戻る伝播の間、光円錐１０２０によって特徴付けられる。

光円錐１０２０内の（再帰反射された光線１０２６によって表される）再帰反射された光がディスプレイ素子に衝突すると、再帰反射された光の鏡面反射が発生し、それは、反射された光円錐１０６０をもたらし、光円錐１０６０は、投影オプティクス１０１５によって結像され、反射された光線１０６２によって表されるように接眼レンズに衝突する。光円錐１０２０は、ディスプレイ素子１０１０に垂直でない中心光線を有し、中心光線は、軸から外れた光源から生じるので、光円錐１０６０も、光円錐１０２０の中心光線に等しく反対の中心光線を有する。ディスプレイ素子１０１０から反射された光円錐１０６０内の光は、平面導波路１０３２および１０３４を通過し、内部結合ＤＯＥ Ｒ２に衝突する。よって、入射光の小部分は、平面導波路の平面内を伝播するように回折させられる（明確性の目的のために、回折させられた光線は示されていない）。入射光の小部分は、内部結合ＤＯＥ Ｒ２も通過し、再帰反射器１０４０に衝突し、これは、伝播してディスプレイ素子に戻る再帰反射された光をもたらす。ディスプレイ素子からの鏡面反射後、光線１０２２、再帰反射された光線１０２６および光線１０６２によって表される光路の引き返しが、各色および各深度平面と関連付けられたフレーム時間の残りの間に発生する。したがって、内部結合ＤＯＥ Ｒ１およびＲ２を通る複数の経路は、平面導波路１０３６の増加させられた内部結合効率をもたらす。

図１０Ａをもう一度参照すると、内部結合ＤＯＥ Ｇ１に対応する第２の光源（例えば、緑色の源）からの光は、ディスプレイ素子１０１０から反射され、光円錐１０７０を形成する。光円錐１０７０内に含まれる例示的光線が、光線１０７２によって例証され、光線１０７２は、投影オプティクス１０１５を用いて結像され、接眼レンズ１０３０に衝突する。光線１０７２は、内部結合ＤＯＥ Ｇ１に衝突する。入射光の小部分は、平面導波路の平面内を伝播するように回折させられる（明確性の目的のために、回折させられた光線は示されていない）。入射光の小部分は、内部結合ＤＯＥ Ｇ１も通過し、再帰反射器１０４０に衝突する。再帰反射された光線（明確性の目的のために示されず）によって表される再帰反射された光は、伝播してディスプレイ素子１０１０に戻るように、光線１０７２の方向と反対の方向に伝播する。

再帰反射された光線によって表されることができる光円錐１０７０内の再帰反射された光がディスプレイ素子１０１０に衝突すると、再帰反射された光の鏡面反射が発生する。光円錐１０７０はディスプレイ素子１０１０に垂直である中心光線を有するので、ディスプレイ素子から接眼レンズへ伝播する光と関連付けられる光円錐は、再帰反射器１０４０からディスプレイ素子へ伝播する再帰反射された光と関連付けられる光円錐と重複する。ディスプレイ素子からの鏡面反射後、光線１０７２および再帰反射された光線によって表される光路の引き返しは、各色および各深度平面と関連付けられるフレーム時間の残りの間に発生する。したがって、内部結合ＤＯＥ Ｇ１を通る複数の経路は、平面導波路１０３２の増加させられた内部結合効率をもたらす。

平面導波路１０３６のための第２の内部結合ＤＯＥ Ｒ２を活用しない別の実施形態では、第２の内部結合ＤＯＥ Ｒ２が取り除かれることができる。したがって、内部結合ＤＯＥ Ｒ２および内部結合ＤＯＥ Ｂ２は、いくつかの実施形態において随意である。この場合、再帰反射された光の鏡面反射後、光は、３つ全ての平面導波路を通過し、２度目の再帰反射をされ、光円錐１０２０において鏡面反射して戻り、続いて内部結合ＤＯＥ Ｒ１に衝突する。

図１１は、本発明のある実施形態による再帰反射器の素子を例証する簡略化された概略図である。本明細書中で例証されるように、再帰反射された光は、再帰反射後に横にシフトされる。したがって、再帰反射器前後の伝播の方向は平行であるが、横シフトが存在する。本発明の実施形態は、再帰反射器および内部結合ＤＯＥの寸法を設計することにおいてこの横シフトを考慮する。図１１を参照すると、再帰反射器の素子は、コーナーキューブ１１１０として例証される。光線１１２０によって表される入射光は、コーナーキューブ１１１０に衝突し、再帰反射された光線１１２２として再帰反射される。再帰反射後、横シフトＤが、入射光線と再帰反射された光線との間に存在する。この横シフトに起因して、再帰反射された光が、隣接する瞳（すなわち、内部結合ＤＯＥ）内に結合し、クロストークをもたらすことがあり得る。よって、このクロストークは、隣接するコーナーキューブ１１１０および１１３０によって例証される再帰反射器の隣接する素子間の小さいピッチサイズＰを活用することによって防止されることができる。いくつかの実施形態では、ピッチサイズＰは、１００μｍ未満である一方で、他の実施形態では、ピッチサイズは、約１０μｍから約５００μｍの範囲に及ぶ。

本発明の実施形態によって活用される小さいピッチサイズに起因して、隣接する瞳の間の分離が典型的に数百ミクロンのオーダーであるので、再帰反射器から生じる横シフトは、典型的に、クロストークをもたらさない。図１０Ｂを参照すると、内部結合ＤＯＥ間（例えば、例証されるように、内部結合ＤＯＥ Ｒ１および内部結合ＤＯＥ Ｇ１、ならびに／または、内部結合ＤＯＥ Ｇ１および内部結合ＤＯＥ Ｂ２を含む）の分離Ｓは、いくつかの実施形態において、１００μｍのオーダーである。したがって、１００μｍ未満のピッチサイズについては、横シフトは、内部結合ＤＯＥ Ｒ１と内部結合ＤＯＥ Ｇ１との間のクロストークをもたらさない。したがって、本発明の実施形態は、さもなければ再帰反射中に発生し得る横シフトから生じ得る隣接する内部結合ＤＯＥ間のクロストークを防止するために十分小さい再帰反射器（特に、再帰反射器素子）のための製作プロセスを活用する。説明されるように、いくつかの実施形態は、１００μｍより大きな横平面内において隣接する内部結合ＤＯＥ間の間隔または分離を活用し、１００μｍ未満（例えば、数十ミクロンの範囲内）の（横平面において測定される）ピッチサイズで再帰反射器素子に結合される隣接する内部結合ＤＯＥ間の間隔または分離は、クロストークを防止する。当業者に明らかであるように、非常に小さい（例えば、光の波長のオーダーの）再帰反射器素子のためのピッチサイズは、所望されない回折効果をもたらし得る。当業者は、多くの変更物、変形物、および代替物を認識する。

本明細書中で説明される例および実施形態が例証の目的のみのためであること、ならびに、例および実施形態において種々の変形または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および範囲内ならびに添付される請求項の範囲内に含まれるべきであることも理解される。

Claims (20)

1. ディスプレイシステムであって、前記ディスプレイシステムは、
   光のビームを第１の方向に投影するように構成される投影オプティクスと、
   接眼レンズユニットと
   を備え、
   前記接眼レンズユニットは、
   第１の横平面内に配置される第１の導波路層であって、前記第１の導波路層は、入射光表面と、前記入射光表面の反対にある反対表面とを含む、第１の導波路層と、
   前記入射光表面上に配置される内部結合回折光学素子であって、前記内部結合回折光学素子は、
   前記光のビームの第１の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、
   前記光のビームの第２の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
   を行うように構成される、内部結合回折光学素子と、
   前記反対表面に隣接して配置される再帰反射器であって、前記再帰反射器は、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って、前記光のビームの前記第２の部分を再帰反射するように構成される、再帰反射器と
   を含み、前記内部結合回折光学素子は、前記反射された方向に沿って、前記ビームの前記再帰反射された第２の部分の少なくとも一部を透過させるように構成されている、ディスプレイシステム。
2. 前記接眼レンズユニットは、
   前記内部結合回折光学素子から横にずらされた直交瞳エクスパンダ領域と、
   前記内部結合回折光学素子から横にずらされた射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域と
   をさらに備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
3. 前記光のビームを前記投影オプティクスに向けるように構成される投影ディスプレイをさらに備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
4. 前記光のビームは、連続して投影される複数の色を備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
5. 前記第２の方向は、前記第１の横平面に平行である、請求項１に記載のディスプレイシステム。
6. 前記再帰反射器は、前記反対表面上に配置される、請求項１に記載のディスプレイシステム。
7. 前記内部結合回折光学素子は、
   前記光のビームの前記第２の部分の第３の部分を内部結合し、前記第３の部分を全内部反射によって前記第２の方向へ伝播させることと、
   前記光のビームの第４の部分を前記反射された方向に沿って透過させることと
   を行うようにさらに構成される、請求項１に記載のディスプレイシステム。
8. 前記第１の横平面に隣接する第２の横平面内に配置される第２の導波路層であって、前記第２の導波路層は、第２の横位置に配置される第２の内部結合回折光学素子と、前記第２の内部結合回折光学素子に光学的に結合される第２の導波路と、前記第２の導波路に光学的に結合される第２の外部結合回折光学素子とを含む、第２の導波路層と、
   第３の横平面内に配置される第３の導波路層であって、前記第３の導波路層は、第３の横位置に配置される第３の内部結合回折光学素子と、前記第３の内部結合回折光学素子に光学的に結合される第３の導波路と、前記第３の導波路に光学的に結合される第３の外部結合回折光学素子とを含む、第３の導波路層と
   をさらに備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
9. 前記内部結合回折光学素子は、第１の横位置に配置され、前記第１の横位置および前記第２の横位置は、同一の横位置である、請求項８に記載のディスプレイシステム。
10. 接眼レンズユニットであって、前記接眼レンズユニットは、
    横平面内に配置される導波路層であって、前記導波路層は、入射光表面と、前記入射光表面の反対にある反対表面とを含む、導波路層と、
    前記入射光表面上に配置される第１の内部結合回折光学素子であって、前記第１の内部結合回折光学素子は、
    第１の方向に伝播する光のビームの第１の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第１の部分を全内部反射によって第２の方向へ伝播させることと、
    前記光のビームの第２の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
    を行うように構成される、第１の内部結合回折光学素子と、
    前記反対表面上に配置される第２の内部結合回折光学素子であって、前記第２の内部結合回折光学素子は、
    前記第１の方向に沿った前記光のビームの前記第２の部分を受け取ることと、
    前記光のビームの第３の部分を内部結合し、前記光のビームの前記第３の部分を全内部反射によって第３の方向へ伝播させることと、
    前記光のビームの第４の部分を前記第１の方向に沿って透過させることと
    を行うように構成される、第２の内部結合回折光学素子と、
    前記反対表面に隣接して配置される再帰反射器であって、前記再帰反射器は、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って、前記光のビームの前記第４の部分を再帰反射するように構成される、再帰反射器と
    を備え、前記第１の内部結合回折光学素子は、前記反射された方向に沿って、前記ビームの前記再帰反射された第４の部分の少なくとも一部を透過させるように構成されている、接眼レンズユニット。
11. 前記第２の内部結合回折光学素子は、メタライズ再帰反射器を備える、請求項１０に記載の接眼レンズユニット。
12. 前記第１の内部結合回折光学素子は、第１のスペクトル帯にある光を内部結合するように構成される、請求項１０に記載の接眼レンズユニット。
13. 前記第２の内部結合回折光学素子は、第２のスペクトル帯にある光を内部結合するように構成される、請求項１２に記載の接眼レンズユニット。
14. 前記第１のスペクトル帯は、赤色波長を含み、前記第２のスペクトル帯は、緑色波長を含む、請求項１３に記載の接眼レンズユニット。
15. ディスプレイシステムを動作させる方法であって、前記方法は、
    光のビームを第１の方向に向けることと、
    導波路層の入射光表面において前記光のビームを受け取ることであって、前記導波路層は、前記入射光表面の反対にある反対表面を有する、ことと、
    第１の回折光学素子において、前記光のビームの第１の部分を第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと、
    前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの第２の部分を前記反対表面に向かって透過させることと、
    前記光のビームの前記第２の部分を前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って再帰反射することと、
    前記第１の回折光学素子において、前記反射された方向に沿って、前記ビームの前記再帰反射された第２の部分の少なくとも一部を透過させることと
    を含む、方法。
16. 前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの前記第２の部分の第１の小部分を前記第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと、
    前記第１の回折光学素子において、前記光のビームの前記第２の部分の第２の小部分を前記反射された方向に沿って透過させることと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２の小部分の少なくとも一部分を前記導波路層に向かって前記第１の方向へ反射することと、
    前記導波路層の前記入射光表面において、前記反射された部分を受け取ることと、
    前記第１の回折光学素子において、前記反射された部分の一部分を前記第２の方向へ前記導波路層内に伝播させることと
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の回折光学素子は、前記入射光表面に配置される、請求項１５に記載の方法。
19. 前記光のビームの前記第２の部分を再帰反射することは、前記第１の方向と反対の反射された方向に沿って光を再帰反射することを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記光のビームを前記第１の方向に向けることは、ディスプレイ素子から時系列色ビームを反射することを含む、請求項１５に記載の方法。
    
    

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