JPWO2019067751A5 - - Google Patents
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Description
(関連出願の相互参照)
本願は、2017年9月28日に出願された米国仮出願第62/564,528号の出願日の利益を主張する。米国特許出願第62/564,528号の内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
本願は、2017年9月28日に出願された米国仮出願第62/564,528号の出願日の利益を主張する。米国特許出願第62/564,528号の内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
(技術分野)
本開示は、光学結像システムにおける迷光放出を低減させるためのコンポーネントに関する。
本開示は、光学結像システムにおける迷光放出を低減させるためのコンポーネントに関する。
結像システムは、視覚的情報をユーザに提示するために使用されることができる。例えば、結像システムは、1人以上のユーザが画像を視認し得るように、画像を結像表面上に投影する光学コンポーネントを含むことができる。ある場合、結像システムは、頭部搭載型ディスプレイデバイスの中に組み込まれ、より没入型の様式において、視覚的情報を提示することができる。例えば、頭部搭載型ディスプレイは、仮想現実(VR)または拡張現実(AR)システムのための視覚的情報を提示するために使用されることができる。
ある側面では、頭部搭載型ディスプレイのための接眼レンズは、1つ以上の第1の導波管を含み、1つ以上の第1の導波管は、空間光変調器からの光を第1の縁において受け取り、受け取られた光の少なくとも一部を第1の縁と反対側の第2の縁に誘導し、第1の縁と第2の縁との間の1つ以上の第1の導波管の面を通して、光の少なくとも一部を抽出するように配置されている。接眼レンズは、第2の縁において1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、受け取られた光を1つ以上の吸光体に誘導するように位置付けられた第2の導波管も含む。
本側面の実装は、以下の特徴のうちの1つ以上のものを含むことができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、1つ以上の第1の導波管の第2の縁間に配置され、1つ以上の第1の導波管からの光を第2の導波管の中に結合するように構成された光学構造をさらに含むことができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、反射体をさらに含むことができる。第2の導波管は、反射体と1つ以上の第1の導波管との間に配置されることができる。反射体は、光が1つ以上の吸光体に誘導されるように、1つ以上の第1の導波管から第2の導波管に入射する光を反射するように構成されることができる。
いくつかの実装では、1つ以上の吸収体は、ユーザによる頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野外に位置することができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、1つ以上の第1の導波管の1つ以上の追加の縁において1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、1つ以上の追加の縁からの受け取られた光を1つ以上の追加の吸光体に誘導するように位置付けられた1つ以上の追加の導波管をさらに含むことができる。
いくつかの実装では、1つ以上の第1の導波管は、ユーザによる頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野内に位置することができる。
いくつかの実装では、1つ以上の第1の導波管は、第1の縁と第2の縁との間に延びている1つ以上の回折光学要素を含むことができる。1つ以上の回折光学要素は、第1の縁と第2の縁との間の1つ以上の第1の導波管の面を通して、光の少なくとも一部を抽出するように構成されることができる。
いくつかの実装では、1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、1つ以上の第1の導波管の内部に配置されることができる。
いくつかの実装では、1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、1つ以上の第1の導波管の周辺に沿って配置されることができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、第3の導波管をさらに含むことができ、第3の導波管は、空間光変調器からの光を第3の縁において受け取り、受け取られた光の少なくとも一部を第3の縁と反対側の第4の縁に誘導し、第3の縁と第4の縁との間の第3の導波管の面を通して、光の少なくとも一部を抽出するように配置されている。接眼レンズは、第4の縁において第3の導波管から出射する光を受け取り、受け取られた光を1つ以上の第2の吸光体に誘導するように位置付けられる第4の導波管をさらに含むことができる。
いくつかの実装では、第2の導波管は、その周辺に沿って格子パターンを画定することができる。
いくつかの実装では、第2の導波管は、1つ以上の第1の導波管と一体型であることができる。
いくつかの実装では、格子パターンは、第2の導波管の第1の面または第2の導波管の第2の面のうちの少なくとも1つ上に画定されることができる。第2の導波管の第1の面は、第2の導波管の第2の面と反対側にあることができる。
いくつかの実装では、第2の導波管は、1つ以上の第1の導波管と異なることができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、格子パターンに沿って堆積させられた吸光材料をさらに含むことができる。
いくつかの実装では、格子パターンは、第2の導波管の周辺の全体に沿って画定されることができる。
いくつかの実装では、吸光材料は、第2の導波管の周辺の全体に沿って堆積させられることができる。
いくつかの実装では、格子パターンは、第2の導波管の周辺の一部に沿って画定されることができる。
いくつかの実装では、吸光材料は、第2の導波管の周辺の一部に沿って堆積させられることができる。
いくつかの実装では、接眼レンズは、空間光変調器からの光を受け取り、光を第1の方向に1つ以上の第1の導波管の第1の縁に向かって一次放出軸に沿って向けるように構成された光学結合器サブシステムを含むことができる。
いくつかの実装では、第2の導波管は、光学結合器サブシステムから第2の方向において周辺縁を含むことができる。第2の方向は、第1の方向と反対であることができる。周辺縁は、一次放出軸に対して傾けられていることができる。
本明細書に説明される実装は、種々の利点を提供することができる。ある場合、本明細書に説明される特徴は、光学システム(例えば、接眼レンズおよび/または頭部搭載型ディスプレイ)から逃れる迷光の量を低減させることができる。故に、光学システムは、より多くの迷光を被る匹敵するシステムより、高い品質のデジタル画像をユーザに提示することができる。ある場合、本明細書に説明される特徴は、投影されたデジタル画像の分解能を増加させること、デジタル画像のコントラストを増加させること、望ましくない画像アーチファクトの存在を低減させること、および/または、色の正確な再現を促進することができる。
1つ以上の実施形態の詳細は、付随の図面および下記の説明に記載される。他の特徴および利点は、説明および図面から、および請求項から明白となるであろう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
頭部搭載型ディスプレイのための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
1つ以上の第1の導波管であって、前記1つ以上の第1の導波管は、空間光変調器からの光を第1の縁において受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第1の縁と反対側の第2の縁に誘導し、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出するように配置されている、1つ以上の第1の導波管と、
前記第2の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の吸光体に誘導するように位置付けられた第2の導波管と
を備えている、接眼レンズ。
(項目2)
前記1つ以上の第1の導波管の前記第2の縁間に配置され、前記1つ以上の第1の導波管からの光を前記第2の導波管の中に結合するように構成された光学構造をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目3)
反射体をさらに備え、前記第2の導波管は、前記反射体と前記1つ以上の第1の導波管との間に配置され、前記反射体は、光が前記1つ以上の吸光体に誘導されるように、前記1つ以上の第1の導波管から前記第2の導波管に入射する前記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4)
前記1つ以上の吸収体は、ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野外に位置している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目5)
前記1つ以上の第1の導波管の1つ以上の追加の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記1つ以上の追加の縁からの受け取られた光を1つ以上の追加の吸光体に誘導するように位置付けられた1つ以上の追加の導波管をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目6)
前記1つ以上の第1の導波管は、ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野内に位置している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目7)
前記1つ以上の第1の導波管は、前記第1の縁と前記第2の縁との間に延びている1つ以上の回折光学要素を備え、前記1つ以上の回折光学要素は、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出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8)
前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の内部に配置されている、項目7に記載の接眼レンズ。
(項目9)
前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の周辺に沿って配置されている、項目7に記載の接眼レンズ。
(項目10)
前記接眼レンズは、
第3の導波管であって、前記第3の導波管は、前記空間光変調器からの光を第3の縁において受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第3の縁と反対側の第4の縁に誘導し、前記第3の縁と第4の縁との間の前記第3の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出するように配置されている、第3の導波管と、
前記第4の縁において前記第3の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の第2の吸光体に誘導するように位置付けられた第4の導波管と
をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目11)
前記第2の導波管は、その周辺に沿って格子パターンを画定している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目12)
前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と一体型である、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目13)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の第1の面または前記第2の導波管の第2の面のうちの少なくとも1つ上に画定され、前記第2の導波管の前記第1の面は、前記第2の導波管の前記第2の面と反対側にある、項目12に記載の接眼レンズ。
(項目14)
前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と異なる、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目15)
前記格子パターンに沿って堆積させられた吸光材料をさらに備えている、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目16)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の前記周辺の全体に沿って画定されている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目17)
前記吸光材料は、前記第2の導波管の前記周辺の全体に沿って堆積させられている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目18)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の前記周辺の一部に沿って画定されている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目19)
前記吸光材料は、前記第2の導波管の前記周辺の一部に沿って堆積させられている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目20)
前記空間光変調器からの光を受け取るように構成された光学結合器サブシステムを備え、前記光学結合器サブシステムは、一次放出軸に沿った前記1つ以上の第1の導波管の前記第1の縁に向かう第1の方向に前記光を向ける、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目21)
前記第2の導波管は、前記光学結合器サブシステムから第2の方向に周辺縁を備え、前記第2の方向は、前記第1の方向と反対であり、前記周辺縁は、前記一次放出軸に対して傾けられている、項目20に記載の接眼レンズ。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
頭部搭載型ディスプレイのための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
1つ以上の第1の導波管であって、前記1つ以上の第1の導波管は、空間光変調器からの光を第1の縁において受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第1の縁と反対側の第2の縁に誘導し、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出するように配置されている、1つ以上の第1の導波管と、
前記第2の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の吸光体に誘導するように位置付けられた第2の導波管と
を備えている、接眼レンズ。
(項目2)
前記1つ以上の第1の導波管の前記第2の縁間に配置され、前記1つ以上の第1の導波管からの光を前記第2の導波管の中に結合するように構成された光学構造をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目3)
反射体をさらに備え、前記第2の導波管は、前記反射体と前記1つ以上の第1の導波管との間に配置され、前記反射体は、光が前記1つ以上の吸光体に誘導されるように、前記1つ以上の第1の導波管から前記第2の導波管に入射する前記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4)
前記1つ以上の吸収体は、ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野外に位置している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目5)
前記1つ以上の第1の導波管の1つ以上の追加の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記1つ以上の追加の縁からの受け取られた光を1つ以上の追加の吸光体に誘導するように位置付けられた1つ以上の追加の導波管をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目6)
前記1つ以上の第1の導波管は、ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、ユーザの視野内に位置している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目7)
前記1つ以上の第1の導波管は、前記第1の縁と前記第2の縁との間に延びている1つ以上の回折光学要素を備え、前記1つ以上の回折光学要素は、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出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8)
前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の内部に配置されている、項目7に記載の接眼レンズ。
(項目9)
前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の周辺に沿って配置されている、項目7に記載の接眼レンズ。
(項目10)
前記接眼レンズは、
第3の導波管であって、前記第3の導波管は、前記空間光変調器からの光を第3の縁において受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第3の縁と反対側の第4の縁に誘導し、前記第3の縁と第4の縁との間の前記第3の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出するように配置されている、第3の導波管と、
前記第4の縁において前記第3の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の第2の吸光体に誘導するように位置付けられた第4の導波管と
をさらに備えている、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目11)
前記第2の導波管は、その周辺に沿って格子パターンを画定している、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目12)
前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と一体型である、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目13)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の第1の面または前記第2の導波管の第2の面のうちの少なくとも1つ上に画定され、前記第2の導波管の前記第1の面は、前記第2の導波管の前記第2の面と反対側にある、項目12に記載の接眼レンズ。
(項目14)
前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と異なる、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目15)
前記格子パターンに沿って堆積させられた吸光材料をさらに備えている、項目11に記載の接眼レンズ。
(項目16)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の前記周辺の全体に沿って画定されている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目17)
前記吸光材料は、前記第2の導波管の前記周辺の全体に沿って堆積させられている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目18)
前記格子パターンは、前記第2の導波管の前記周辺の一部に沿って画定されている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目19)
前記吸光材料は、前記第2の導波管の前記周辺の一部に沿って堆積させられている、項目15に記載の接眼レンズ。
(項目20)
前記空間光変調器からの光を受け取るように構成された光学結合器サブシステムを備え、前記光学結合器サブシステムは、一次放出軸に沿った前記1つ以上の第1の導波管の前記第1の縁に向かう第1の方向に前記光を向ける、項目1に記載の接眼レンズ。
(項目21)
前記第2の導波管は、前記光学結合器サブシステムから第2の方向に周辺縁を備え、前記第2の方向は、前記第1の方向と反対であり、前記周辺縁は、前記一次放出軸に対して傾けられている、項目20に記載の接眼レンズ。
異なる図中の同様の番号は、同様の要素を示す。
図1は、導波管装置102と、光を導波管装置102にまたはそれから光学的に結合するための光学結合器サブシステム104と、空間光変調器106とを含む光学システム100を示す。
導波管装置102は、1つ以上の一次平面導波管108(そのうちの1つのみが、図1に示される)と、一次平面導波管108のうちの少なくともいくつかの各々に関連付けられた1つ以上の回折光学要素(DOE)110とを含む。
図2に示されるように、一次平面導波管108の各々は、少なくとも第1の端部112aと、第2の端部112bとを有し、第2の端部112bは、一次平面導波管108の長さ114に沿って第1の端部112aに対向する。一次平面導波管108の各々は、第1の面116aと、第2の面116bとを有し、少なくとも第1および第2の面116aおよび116b(集合的に、116)は、一次平面導波管108の長さ114の少なくとも一部に沿って、少なくとも部分的内部反射性光学経路(矢印118aおよび破線矢印118bによって図示され、集合的に、118)を形成する。一次平面導波管108は、種々の形態をとり得、それは、面の法線に対して画定された臨界角より大きい角度で面116に衝突する光に関して、実質的全内部反射(TIR)を提供する。一次平面導波管108は、例えば、他の材料の中でもとりわけ、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネートの板面または平面の形態をとり得る。
DOE110(破線と点の二重線によって図1および2に図示される)は、多種多様な形態をとり得、それらは、TIR光学経路118を中断し、一次平面導波管108の長さ114の少なくとも一部に沿って、一次平面導波管108の内部122と外部124との間で延びている複数の光学経路(矢印120aおよび破線矢印120bによって図示され、集合的に、120)を提供する。ある場合、DOE110は、有利には、線形回折格子の位相機能を円形または放射対称レンズ機能と組み合わせ、見掛けオブジェクトの位置付けおよび見掛けオブジェクトのための焦点平面を可能にし得る。そのようなものは、フレーム毎、サブフレーム毎、またはさらにピクセル毎に達成され得る。
図1を参照すると、光学結合器サブシステム104は、光を導波管装置102にまたはそれから光学的に結合する。図1に図示されるように、光学結合器サブシステムは、光学要素126、例えば、反射性表面、ミラー、ダイクロイックミラー、またはプリズムを含み、光を一次平面導波管108の縁128にまたはそれから光学的に結合する。光学結合器サブシステム104は、加えて、または代替として、光をコリメートするコリメーション要素130を含み得る。
空間光変調器106は、1つ以上の光源132と、空間的および/または時間的に変動する光(例えば、空間的および/または時間的に変調された光)の形態でエンコードされた画像データを生成する駆動電子機器134とを含む制御サブシステムである。上で述べられたように、コリメーション要素130は、光をコリメートし得、コリメートされた光は、1つ以上の一次平面導波管108の中に光学的に結合されることができる。
図2に図示されるように、光は、一次平面導波管108に沿って伝搬し、少なくとも一部の反射または「跳ね返り」が、TIR伝搬から生じる。いくつかの実装は、例えば、薄皮膜、誘電性コーティング、金属化されたコーティング等の1つ以上の反射体を内部光学経路内で採用し得、それは、反射を促進し得ることに留意されたい。光は、一次平面導波管108の長さ114に沿って伝搬し、長さ114に沿った種々の位置において、1つ以上のDOE110と交差する。図3A-3Cを参照して下で説明されるように、DOE110は、一次平面導波管108内に組み込まれるか、または一次平面導波管108の面116(例えば、面116aまたは面116b)のうちの1つ以上のものに接触もしくは隣接し得る。DOE110は、少なくとも2つの機能を遂行する。DOE110は、光の角度をシフトし、光の一部がTIRから逃れ、一次平面導波管108の1つ以上の面116を介して、内部112から外部124に出現することを引き起こす。さらに、DOE110は、外部結合される光を1つ以上の視認距離に集束させる。したがって、一次平面導波管108の面116aを通して見ている者は、1つ以上の視認距離においてデジタル画像を見ることができる。
ある場合、各一次平面導波管108は、特定の平面(例えば、x-y平面)に実質的に沿って延びていることができ、入射光を誘導することができ、それによって、光は、一次平面導波管108から、1つ以上の場所において、平面に直交または略直交する方向(例えば、z-方向または略z-方向)に出現する。ある場合、拡張部のその平面に沿った一次平面導波管108の表面積は、他の非平行(例えば、直交)平面に沿ったその表面積より実質的に大きくあり得る。例えば、ある場合、x-y平面に沿った一次平面導波管108の表面は、x-z平面またはy-z平面に沿ったその表面積より10倍大きい、20倍大きい、または、ある他の倍数でより大きくあり得る。
図1および2は、面116から間隔を置かれた、一次平面導波管108の内部112に位置付けられたDOE110を示すが、DOE110は、他の実装では、例えば、図3A-3Cに図示されるように、他の場所に位置付けられ得る。
図3Aは、一次平面導波管108と、一次平面導波管108の外側表面または面116上に支持された少なくとも1つのDOE110とを含む例示的導波管装置102aを示す。例えば、DOE110は、例えば、パターン化された金属層として、一次平面導波管108の外側表面または面116b上に堆積させられ得る。
図3Bは、一次平面導波管108と、一次平面導波管108の外側表面または面116bに直接隣接して内部に位置付けられた少なくとも1つのDOE110とを含む別の例示的導波管装置102bを示す。例えば、DOE110は、一次平面導波管108の材料の選択的またはマスクされた硬化を介して、内部122に形成され得る。代替として、DOE110は、一次平面導波管108の中に組み込まれる異なる物理的構造であり得る。
図3Cは、一次平面導波管108と、一次平面導波管108の外側表面に形成された少なくとも1つのDOE110とを含む別の例示的導波管装置102cを示す。DOE110は、例えば、一次平面導波管108の外側表面または面116b内に、例えば、溝として、エッチングされ、パターン化され、または、そうでなければ形成され得る。例えば、DOE110は、線形または鋸歯状の山と谷の形態をとり得、それらは、1つ以上の画定されたピッチ(例えば、長さ114に沿って延びている個々の要素または特徴間の空間)で間隔を置かれ得る。ピッチは、線形関数であり得るか、または、非線形関数であり得る。
ある場合、一次平面導波管108は、少なくとも部分的に透明であることができる。そのような構成は、1人以上の視認者が、視認者の見地に対して一次平面導波管108の遠側の物理的オブジェクト(例えば、実世界)を視認することを可能にする。これは、有利には、視認者が、実世界を導波管を通して視認し、同時に、導波管によって眼に中継されるデジタル画像を視認することを可能にし得る。
いくつかの実装では、複数の導波管システムが、ニアトゥアイディスプレイの中に組み込まれ得る。例えば、複数の導波管システムは、頭部装着型、頭部搭載型、またはヘルメット搭載型ディスプレイ、もしくは他のウェアラブルディスプレイの中に組み込まれ得る(例えば、ユーザの視野内に位置付けられ、デジタル画像をユーザに表示する接眼レンズの中に組み込まれる)。
いくつかの実装では、複数の導波管システムは、装着されない、ヘッドアップディスプレイ(HUD)(例えば、その中でディスプレイ画像がドライバ/パイロットの通視線内の透明ウィンドウ上に投影される自動車HUDまたは航空電子工学HUD)の中に組み込まれ得る。そのような実装では、複数の視認者が、共有導波管システムまたは結果として生じる画像野を見得る。複数の視認者は、例えば、導波管システムに対する各視認者のそれぞれの場所に合致する異なる視認目線から、デジタルまたは仮想オブジェクトを見得るか、または、光学的に知覚し得る。
光学システム100は、可視光の使用に限定されず、電磁スペクトルの他の部分内の光(例えば、赤外線または紫外線)も採用し得、および/または、「光」の帯域外の電磁放射(例えば、可視、UV、またはIR)を採用し得、例えば、電磁スペクトルのマイクロ波またはX線部分における電磁放射もしくはエネルギーを採用する。
いくつかの実装では、走査光ディスプレイが、光を複数の一次平面導波管の中に結合するために使用される。走査光ディスプレイは、画像を形成するために、経時的に走査される単一ビームを形成する単一光源を含むことができる。この走査される光のビームは、強度変調され、異なる明度レベルのピクセルを形成し得る。代替として、複数の光源が、複数の光のビームを生成するために使用され得、それらは、画像を形成するために、共有走査要素または別個の走査要素のいずれかを用いて走査される。これらの光源は、可視および/または非可視の異なる波長を含むことができ、それらは、異なる幾何学的原点(例えば、X、Y、またはZ)を含むことができ、それらは、スキャナに異なる入射角で入射することができ、1つ以上の画像の異なる部分(例えば、平坦または立体、動いている、または静止している)に対応する光を作成することができる。
例えば、米国特許出願第13/915,530号、国際特許出願第PCT/US2013/045267号、および米国仮特許出願第61/658,355号(その内容は、参照することによって、その全体として含まれる)に議論されるように、光は、例えば、振動光ファイバを用いて走査され、画像を形成し得る。光ファイバは、圧電アクチュエータによって、二軸で走査され得る。代替として、光ファイバは、一軸または三軸で走査され得る。さらなる代替として、1つ以上の光学コンポーネント(例えば、回転多角形反射体またはミラー、発振反射体またはミラー)が、光ファイバの出力を走査するために採用され得る。
光学システム100は、画像を生産することにおける使用または画像プロジェクタもしくは明視野生成に限定されない。例えば、光学システム100またはその変形例は、デジタル静止またはデジタル動画画像捕捉もしくはカメラシステム等の画像捕捉デバイスとして採用され得る。
図4に示されるように、ある場合、光学システムは、分配用導波管装置402を含み、光を第1の軸(例えば、図4の図では、垂直またはY-軸)に沿って中継し、光の有効射出瞳を第1の軸(例えば、Y-軸)に沿って拡張させることができる。分配用導波管装置402は、例えば、分配用平面導波管404と、分配用平面導波管404に関連付けられた少なくとも1つのDOE406(二重鎖線によって図示される)とを含み得る。分配用平面導波管404は、異なる向きを有するが、少なくともいくつかの点において、一次平面導波管108と類似または同じであり得る。同様に、少なくとも1つのDOE406は、少なくともいくつかの点において、DOE110と類似または同じであり得る。例えば、分配用平面導波管404および/またはDOE406は、それぞれ、少なくとも部分的に一次平面導波管108および/またはDOE110と同一材料から成り得る。
中継され、射出瞳拡張させられた光は、分配用導波管装置402から1つ以上の一次平面導波管108の中に光学的に結合される。一次平面導波管108は、好ましくは、第1の軸に直交する第2の軸(例えば、図4の図では、水平またはX-軸)に沿って、光を中継する。着目すべきこととして、第2の軸は、第1の軸と非直交軸であることができる。一次平面導波管108は、その第2の軸(例えば、X-軸)に沿って、光の有効射出瞳を拡張させる。例えば、分配用平面導波管404は、垂直またはY-軸に沿って、光を中継および拡張させ、その光を一次平面導波管108に通すことができ、一次平面導波管108は、水平またはX-軸に沿って、光を中継し、拡張させる。
上で説明されるものと同様に、光は、一次平面導波管108に沿って伝搬し、少なくとも一部の反射または「跳ね返り」が、TIR伝搬から生じる。さらに、光は、一次平面導波管108の長さ114に沿って伝搬し、長さ114に沿った種々の位置において、1つ以上のDOE110と交差する。DOE110は、光の角度をシフトし、光の一部がTIRから逃れ、一次平面導波管108の1つ以上の面116(例えば、面116a)を介して、内部112から外部124に出現することを引き起こす。さらに、DOE110は、外部結合される光を1つ以上の視認距離に集束させる。したがって、一次平面導波管108の面116aを通して見ている者は、1つ以上の視認距離におけるデジタル画像を見ることができる。いくつかの実装では、光学システム100の少なくとも一部は、頭部装着型、頭部搭載型、またはヘルメット搭載型ディスプレイ、もしくは他のウェアラブルディスプレイの中に組み込まれることができる(例えば、ユーザの視野内に位置付けられ、デジタル画像をユーザに表示する接眼レンズの中に組み込まれる)。
光学システムに関する追加の情報は、米国特許出願第14/331,218号(その内容は、参照することによって、その全体として含まれる)に見出され得る。
上で説明されるように、光は、一次平面導波管108の1つ以上の面116(例えば、面116a)から放出されることにより、デジタル画像をユーザに表示することができる。しかしながら、ある場合、迷光が、DOEがデジタル画像に寄与しない様式において、光学システム100の一部から逃れ得る。例えば、ある場合、光は、面116a以外の面から、一次平面導波管108から逃れ得る。例として、図4を参照すると、光は、面116b(負のz-方向に面する)、116c(負のy-方向に面する)、116d(正のy-方向に面する)、116e(正のx-方向に面する)、および/または116f(負のx-方向に面する)のうちの1つ以上のものから逃れ得る。別の例として、光学結合器サブシステム104によって放出される光の一部は、導波管装置102および/または分配用導波管装置402に結合されるのではなく、外部124に逃れ得る。別の例として、導波管装置402によって放出される光一部は、導波管装置102に結合されるのではなく、外部124に逃れ得る。
ある場合、迷光は、光学システム100の性能に悪影響を及ぼし得る。例えば、迷光は、光学システム100によってレンダリングされたデジタル画像の画質を減少させ得る(例えば、投影されたデジタル画像の分解能を減少させること、デジタル画像のコントラストを低減させること、望ましくない画像アーチファクトを導入すること、および/または色の正確な再現を損なわせることによって)。
画質を改良するために、光学システムは、1つ以上の光を向けるコンポーネントおよび/または吸光コンポーネントを含むことにより、迷光を向け直すことおよび/または捕捉することができる。
例として、図5は、光学システム500を示す。光学システム500は、多くの点において、図4に示される光学システムと類似する。例えば、光学システム500は、導波管装置102と、分配用導波管装置402を通して、光を導波管装置102にまたはそれから光学的に結合するための光学結合器サブシステム104と、空間光変調器106とを含む。いくつかの実装では、光学システム500の少なくとも一部は、頭部装着型、頭部搭載型、またはヘルメット搭載型ディスプレイ、もしくは他のウェアラブルディスプレイの中に組み込まれることができる(例えば、ユーザの視野内に位置付けられ、デジタル画像をユーザに表示する接眼レンズの中に組み込まれる)。
この例では、光学システム500は、吸光アセンブリ502も含む。吸光アセンブリ502は、1つ以上の導波管504と、1つ以上の吸光要素506とを含む。1つ以上の導波管504は、光学システム500の他のコンポーネント(例えば、導波管装置102、光学結合器サブシステム104、および/または分配用導波管装置402)の周辺に、またはその周囲に位置付けられ、それらのコンポーネントによって放出される迷光を収集する。次に、導波管504は、捕捉された光を吸光要素506のうちの1つ以上のものに向け、それによって、迷光は、吸収される(例えば、熱に変換される)。故に、光学システム500から逃れる迷光の量は、低減させられる。
例として、図6は、一次平面導波管108の面116cから逃れる迷光(実線矢印602として描写される)を示す。迷光602は、一次平面導波管108の周辺に沿って位置付けられる導波管504aに衝突し、導波管504aに入射する。次に、導波管504aは、迷光を吸光要素506aおよび/または506bに向け(導波管504a内の迷光の例示的経路は、点線矢印604として示される)、それによって、迷光は、吸収される。故に、一次平面導波管108の面116cから光学システム500の外部への迷光の量は、低減させられる。
導波管504は、全内部反射を通して捕捉された光を吸光要素506に向けることができる。全内部反射は、伝搬される光波が、表面に対する法線に対して特定の臨界角より大きい角度で媒体境界表面に衝突するときに生じる現象である。屈折率が、境界の他の側でより低く、入射角が、臨界角より大きい場合、波は、通過することができず、全体的に(または実質的に全体的に)反射される。臨界角は、それより大きいと、全内部反射生じる入射角である。
故に、導波管504は、その屈折率が周囲媒体の屈折率より大きいように構成されることができる。例として、導波管504が、それから迷光が逃れ得る光学システム100の他のコンポーネント(例えば、導波管装置102、光学結合器サブシステム104、および/または分配用導波管装置402のコンポーネント)間に空気間隙を伴って位置付けられる場合、導波管504は、空気より大きい屈折率を有する物質を使用して、構築されることができる。別の例として、導波管504が、それらが、迷光が逃れ得る光学システム100の他のコンポーネント(例えば、導波管装置102、光学結合器サブシステム104、および/または分配用導波管装置402のコンポーネント)に直接接触するように位置付けられる場合、導波管504は、接触するコンポーネントのそれより大きい屈折率を有する物質を使用して、構築されることができる。
さらに、全内部反射を通して導波管504の長さに沿って入射される光伝搬を促進するために、各導波管504は、臨界角より大きい角度で導波管504内を伝搬するように、導波管504の中への入射時に光の方向を修正する1つ以上の光学構造を含むことができる。
例として、図7は、導波管504および例示的包囲媒体702の断面を示す。ある場合、媒体702は、空気またはある他の周囲物質であることができる(例えば、導波管504が、空気間隙または他の周囲物質を光学システム100の他のコンポーネント間に伴って位置付けられる場合)。ある場合、媒体702は、光学システム100の別のコンポーネントであることができる(例えば、導波管504は、そのコンポーネントに直接接触するように位置付けられる場合)。
導波管504は、導波管504の表面706に沿って位置付けられる光学構造704を含む。光(例えば、光学システム100の別のコンポーネントから逃れた迷光)が、表面706上に入射すると、光は、導波管504に入射し、その伝搬方向は、光学構造704によって修正される。例えば、図7に示されるように、表面706に対して直角の方向において表面706上に入射する光は、導波管504に入射し、光学構造704によって、法線に対する角度θ1に向け直される。角度θ1が、導波管504と媒体702との間の界面の臨界角θcより大きい場合、光は、全内部反射を通して、導波管504の長さに沿って伝搬する(例えば、吸光要素506のうちの1つ以上のものに到達するまで)。ある場合、臨界角θcは、関係sin(θc)=n1/n2によって定義されることができ、式中、n1は、媒体602の屈折率であり、n2は、導波管504の屈折率であり、n2>n1である。実際は、n1および/またはn2は、捕捉された光が、全内部反射を通して導波管504の長さにわたって伝搬することを可能にする特定のθcを取得するように選択されることができ、n1および/またはn2は、実装に応じて変動し得る。
ある場合、光学構造704は、表面706上に位置付けられる格子、または表面706上に画定される格子であることができる。格子は、光が入射角と異なる方向に沿って伝搬するように、導波管504に入射する光を回折することができる。
例えば、格子は、表面705上にエッチングされることができる(例えば、隆起または罫線を表面605に沿ってエッチングすることによって)。別の例として、追加の光学的伝導性構造が、表面706上に位置付けられる(例えば、表面706に接着、接合、融合、または別様に固定される)ことができる。さらに、格子の寸法は、実装に応じて異なることができる。ある場合、異なるピッチが、導波管504上に入射することが予期される迷光に応じて使用されることができる。例えば、330nmのピッチを有する格子が、青色迷光の伝搬方向を修正するために使用されることができる。別の例として、380nmのピッチを有する格子が、緑色迷光の伝搬方向を修正するために使用されることができる。別の例として、470nmのピッチを有する格子が、赤色迷光の伝搬方向を修正するために使用されることができる。ある場合、格子は、バイナリ(例えば、ステップ毎様式で2つの高さ間で交互する)、マルチステップ(例えば、連続した様式で3つの高さ間で交互する)、および/またはブレーズド(例えば、繰り返される角度付けられた高さを有する)であることができる。ピッチは、線形関数であり得るか、または、非線形関数であり得る。さらに、格子のデューティサイクル(例えば、格子の総長に対する第1の高さを有する格子の長さ)は、変動し得る。例えば、ある場合、デューティサイクルは、50%またはある他のパーセンテージ(例えば、10%、20%、30%、または任意の他のパーセンテージ)であることができる。
ある場合、光学構造7084は、光の伝搬を改変する、他の構造であることができる。例えば、光学構造704の少なくとも一部は、レンズおよび/または表面プラズモニクスであることができる。
導波管504は、種々の材料を使用して構築されることができる。例として、導波管504は、ガラス、溶融シリカ、アクリル、ポリカーボネート、および/または他の材料を使用して構築されることができる。
ある場合、導波管504は、導波管504の長さに沿った光の伝搬を促進するための反射体を含むことができる。例えば、導波管504は、導波管504内を伝搬する光が、その表面から離れて反射され、逃れないように、その外側周辺の1つ以上の表面に沿って(例えば、迷光源から離れて面した表面に沿って)反射体を含むことができる。例として、図7に示されるように、導波管504は、入射光源から離れて面した(例えば、表面706と反対側の)表面710に沿って位置付けられた反射体708を含むことができる。導波管504を通して伝搬する光は、反射体708によって反射され、外部へ表面710を実質的に通過することができない。
ある場合、反射体は、導波管504の表面上に画定され、または位置付けられた平面表面であることができる。ある場合、反射体は、導波管504の表面を金属化することによって実装されることができる(例えば、アルミニウムまたは銀等の反射性金属物質の層を表面上に堆積させるために)。
ある場合、導波管504の格子も、金属化されることができる(例えば、ブレーズド反射体を生産するために)。例えば、ブレーズド反射体の断面は、「列」で一連の直角三角形(例えば、端端に設置された繰り返される一連の直角三角形)を含むことができる。これは、例えば、法線に対してより大きい角度を達成するような方法において、光を導波管504内で向けるために有用であり得る。例として、この配置は、回折の効率を増加させるために使用されることができる。さらに、この配置は、より大きい入射角がより効率的に向けられることを可能にすることができる。
吸光要素506は、それに入射する光の一部または全部を吸収する(例えば、光を熱に変換することによって)。吸光要素506は、導波管504の長さに沿って伝搬する光が、吸光要素506に入射し、吸収されるように、導波管504の1つ以上の端部に接触するように位置付けられることができる。ある場合、吸光要素506は、光学システムの動作中、それらがユーザの視野外に位置するように位置付けられることができる。例えば、光学システムが頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズの一部として使用される場合、吸光要素506は、ユーザが頭部搭載型ディスプレイを装着している間、ユーザの視野外にあるように位置付けられることができる。ある場合、吸光要素506は、タールまたはUV硬化性黒色ポリマー材料等の光学的に暗い材料(例えば、「カーボンブラック」)から構築されることができる。
図6に示される例では、一次平面導波管108の面116cから逃れる迷光は、吸光アセンブリ502によって向け直され、吸収される。しかしながら、それは、単に、例証的例である。吸光アセンブリ502は、適切に位置付けられる導波管504および吸光要素506を介して、光学システムのコンポーネントのいずれかによって放出される迷光を吸収するために使用されることができることを理解されたい。例として、吸光アセンブリ502は、面116b-fのうちの1つ以上のものから放出される迷光を吸収するために使用されることができる。別の例として、吸光アセンブリ502は、光学結合器サブシステム104(例えば、光学要素126および/またはコリメーション要素130)から放出される迷光を吸収するために使用されることができる。別の例として、吸光アセンブリ502は、分配用導波管装置402から放出される迷光を吸収するために使用されることができる。
さらに、吸光アセンブリ502の例示的配置が、図5および6に示されるが、それは、単に、例証的例であることを理解されたい。実際は、吸光アセンブリ502の配置は、実装に依存する。
例として、図8は、例示的光学アセンブリ800を示す。光学アセンブリ800は、単一コンポーネントとして一体的に形成される導波管装置102(例えば、一次平面導波管108を含む)と、光学結合器サブシステム104と、分配用導波管装置402とを含む。光学アセンブリ800の一部または全体は、他の材料の中でもとりわけ、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネートから成ることができる。
光学アセンブリ800は、空間光変調器106と併せて使用され、デジタル画像をユーザに表示することができる。例えば、光学アセンブリ800の少なくとも一部は、頭部装着型、頭部搭載型、またはヘルメット搭載型ディスプレイ、もしくは他のウェアラブルディスプレイの中に組み込まれることができる(例えば、ユーザの視野内に位置付けられ、デジタル画像をユーザに表示する接眼レンズの中に組み込まれる)。
上で説明されるものと同様に、光学結合器サブシステム104は、分配用導波管装置402を通して、光を導波管装置102にまたはそれから光学的に結合するように構成される。分配用導波管装置402は、光を第1の軸802に沿って中継し、光の有効射出瞳を第1の軸802に沿って拡張させるように構成される。さらに、中継され、射出瞳が拡張させられた光は、分配用導波管装置402から導波管装置102の中に光学的に結合される。導波管装置102は、(例えば、一次平面導波管108を使用して)光を第2の軸804に沿って中継し、光の有効射出瞳を第2の軸804に沿って拡張させる。ある場合、第2の軸804は、第1の軸802に直交することができる。ある場合、第2の軸804は、第1の軸802に非直交であることができる。
さらに、上で説明されるものと類似様式において、光は、一次平面導波管108に沿って伝搬し、少なくとも一部の反射または「跳ね返り」が、TIR伝搬から生じる。さらに、光は、一次平面導波管108に沿って伝搬し、長さに沿った種々の位置において、一次平面導波管108の1つ以上のDOEと交差する。DOE110は、光の角度をシフトし、光の一部がTIRから逃れ、一次平面導波管108の1つ以上の面を介して光学アセンブリ800の内部から外部に出現することを引き起こす。さらに、DOE110は、外部結合される光を1つ以上の視認距離に集束させる。したがって、一次平面導波管108の面を通して(例えば、ページの上方の位置から一次平面導波管108に向かう方向に)見ている者は、1つ以上の視認距離におけるデジタル画像を見ることができる。
この例では、光学アセンブリ800は、吸光アセンブリ502も含む。上で説明されるものと同様に、吸光アセンブリ502は、1つ以上の導波管504と、1つ以上の吸光要素506とを含む。1つ以上の導波管504は、光学アセンブリ800のコンポーネント(例えば、導波管装置102、光学結合器サブシステム104、および分配用導波管装置402)を包囲し、または実質的に包囲し、それらのコンポーネントによって放出される迷光を収集するように、光学アセンブリ800の周辺の周囲に位置付けられる。次に、導波管504は、捕捉された光を吸光要素506のうちの1つ以上のものに向け、それによって、迷光は、吸収される。故に、光学アセンブリ800から逃れる迷光の量は、低減させられる。
吸光アセンブリ502の例示的配置が、図8に示されるが、それは、単に、例証的例である。実際は、各導波管504および吸光要素506の位置は、実装に応じて、異なることができる。さらに、実際は、吸光アセンブリ502は、図8に示されるものと異なる数の導波管504および/または吸光要素506を含むことができる。
ある場合、複数の光学アセンブリ800が、併せて使用され、デジタル画像をユーザに表示することができる。例えば、図9は、順番に(例えば、光学アセンブリが互いに整列させられる状態のスタックにおいて)配置された8つの光学アセンブリ800a-hを示す。例証を容易にするために、光学アセンブリ800は、間隙をそれらの間に伴って図示される(例えば、「分解図」)。しかしながら、実際は、組の各々間の距離は、図8に図示されるものより小さくあることができる。例えば、組は、各光学アセンブリ800a-hが各隣接する光学アセンブリ800a-hに接触または近接近するように位置付けられることができる。
いくつかの実装では、光学アセンブリ800a-hの少なくとも一部は、頭部装着型、頭部搭載型、またはヘルメット搭載型ディスプレイ、もしくは他のウェアラブルディスプレイの中に組み込まれることができる(例えば、ユーザの視野内に位置付けられ、デジタル画像をユーザに表示する接眼レンズの中に組み込まれる)。
さらに、ある場合、光学アセンブリ800a-hの各々は、光学アセンブリ800a-hがユーザによって視認される(例えば、光学アセンブリ800a-hに対して直角の方向904に沿った位置902から)とき、光学アセンブリ800a-hの各々によって投影されたデジタル画像が、オーバーレイされ、単一多色深度依存画像(例えば、3次元で現れるような多色画像)の外観を与えるように、異なるそれぞれの色および/または異なる視認深度を使用して、デジタル画像を投影するように構成されることができる。
さらに、図9に示されるように、光学アセンブリ800a-hの各々は、迷光を捕捉および吸収するためのそれぞれの吸光アセンブリ502a-hを含み、それによって、デジタル画像の画質を改良することができる。
ある場合、吸光アセンブリ502a-hの各々の厚さは、迷光を捕捉および吸収するためのそのそれぞれの光学アセンブリ800a-hの残り厚さと実質的に等しいか、またはそれより小さくあることができる。これは、例えば、光学アセンブリ800a-hが、互いに近接近して、または障害なく互いに接触するように設置されることを可能にするので、有用であり得る。
上で説明される例示的実装のうちの1つ以上において、吸光要素は、導波管の長手方向端部に位置付けられ、光を吸収することができる。例えば、図8を参照すると、吸光要素506は、各吸光要素が2つの隣接する導波管間に位置付けられるように、導波管502の各々の長手方向端部(例えば、導波管を通した光伝搬の軸と実質的に垂直な表面上)に位置付けられることができる。導波管上に入射する光は、その導波管の長手方向端部に向けられ、それによって、吸光要素によって吸収される。
しかしながら、ある場合、吸光要素は、導波管の1つ以上の側方もしくは周辺縁に沿って(例えば、導波管を通した光伝搬の軸と実質的に平行な表面上に)位置付けられることができる。例として、図10は、俯瞰図による光学アセンブリ1000の概略図を示す。光学アセンブリ1000は、図8において示される光学アセンブリ800に類似することができる。例えば、光学アセンブリ1000は、単一コンポーネントとして一体的に形成される導波管装置102(例えば、一次平面導波管108を含む)と、光学結合器サブシステム104と、分配用導波管装置402とを含む。光学アセンブリ1000の一部または全体は、他の材料の中でもとりわけ、ガラス、溶融シリカ、アクリル、ポリカーボネート、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、または粒子ドープポリマー樹脂から成ることができる。
図10の差込図は、光学アセンブリ1000の一部の断面図を示す。図10の差込図に示されるように、格子1002のパターンが、導波管装置102の周辺縁1004に沿って導波管装置102の上部および底部面のうちの少なくとも1つ上に画定される。さらに、吸光材料1006の層が、格子1002の上に堆積させられる。導波管装置102は、迷光1008(例えば、一次平面導波管108および/または分配用導波管装置402から逃れる迷光)を周辺縁1004に向かって光伝搬の軸1010に沿って誘導し、一部の反射または「跳ね返り」が、TIR伝搬から生じる。格子1002に到達すると、迷光1008の伝搬の角度は、改変され、迷光が吸光材料1006に入射することを促進する。迷光1008は、導波管装置102から放出され、吸光材料1006によって吸収される。故に、迷光1008は、光学アセンブリ1000内に抑えられ、それによって、デジタル画像の画質を改良する。
ある場合、格子1002および吸光材料1006の幅Wは、迷光1008が、TIRを通して導波管装置102を通して伝搬するとき、幅Wに沿って少なくとも2回跳ね返るように選択されることができる。故に、格子1002および吸光材料1006は、複数の異なる光の跳ね返りにわたって迷光を漸次的に抽出および吸収することができる。これは、例えば、光吸収率の性能を改良することにおいて有用であり得る。例えば、幅W内の迷光の第1の跳ね返り時、格子1002および吸光材料1006は、光の一部のみを吸収することが可能であり得る(例えば、光の90%を吸収し、残りの10%を残す)。幅W内の迷光の第2の跳ね返り時、格子1002および吸光材料1006は、残りの光の一部または全部を吸収することができる(例えば、残りの光の90%を吸収し、オリジナル光の残りの1%を残す)。さらに、導波管102の周辺縁1004の近傍のこの格子パターン1002は、TIR内で戻るように反射する光の傾向がより高いので、より高い屈折率基板が導波管として使用される実施形態では、特に、有用であり得る。実際は、吸光材料は、より高い屈折率基板のものに合致するために十分な高屈折率を有していないこともある(例えば、n>1.8)。故に、導波管の周辺縁の少なくとも一部の近傍の十分に広い幅Wに沿った格子および吸光材料の使用は、これらの状況における光学装置の光性能特性を改良することができる。
格子パターン1002の寸法および設計は、光の特定の波長のために調整されることができる。例えば、格子パターンは、高屈折率導波管からの赤色光をより低い屈折率吸光材料の中に最適に外部結合するように選択されることができる。当業者は、格子パターンが、緑色、青色、または光の任意の他の波長に関しても調整され得ることを理解されるであろう。いくつかの実施形態では、高屈折率導波管は、光の2つ以上の波長の全内部反射を支援することができる。そのような実施形態では、格子パターンは、光の2つ以上の波長を外部結合するように設計されることができる。複数の波長または広波長範囲の外部結合を達成する1つの方法は、第1の波長のための格子パターンの第1の部分を調整し、第2の波長のための格子パターンの第2の部分を調整する等、導波管によって支援される数と同じ数の波長に関して調整することである。いくつかの実施形態では、第1の部分は、導波管の周辺縁に沿ってあり、第2の部分は、導波管の中心に向かって第1の部分に隣接する。
ある場合、吸光材料1006は、上で説明される吸光要素506を構築するために使用されるものと類似材料であることができる。例えば、吸光材料1006は、タールまたはUV硬化性黒色ポリマー材料等の光学的に暗い材料(例えば、「カーボンブラック」)であることができる。さらに、ある場合、吸光材料1006は、液体形態において周辺縁1004に適用され(例えば、周辺縁1004および/または金型上に投入され)、固体形態に硬化されることができる。ある場合、格子1002は、周辺縁1004上の吸光材料1006の体積および/または分布を調整するために使用されることができる。例えば、格子1002の寸法(例えば、各格子の高さ、各格子の幅、格子のピッチ、格子方向、格子によって画定される空間の体積等)は、液体形態にある間、吸光材料1006の堆積を制御するように選択され(例えば、毛細管力を通して)、光回折/抽出効率を向上させることができる。
図10に示される例では、格子1002および吸光材料1006は、導波管装置102の周辺縁1004全体の付近に分散される。しかしながら、それは、そうである必要はない。例として、格子1002は、周辺縁1004の1つ以上の選択された部分に沿って(例えば、より多くの量の迷光に遭遇する導波管装置102の部分に沿って)、画定されることができる。別の例として、吸光材料1006は、周辺縁1004の1つ以上の選択された部分に沿って、堆積させられることもできる。図10を参照すると、ある場合、縁セグメント1012a-cは、格子1002と、吸光材料1006とを含むことができる一方、格子1002および吸光材料1006は、縁セグメント1012d-fから省略される。実際は、他の構成も、実装に応じて、可能性として考えられる。
ある場合、光学アセンブリの形状も、迷光の吸収を促進するように設計されることができる。例えば、光学アセンブリは、光学アセンブリ100の光学経路に再結合しないように、特定のコンポーネントによって放出される迷光がそのコンポーネントから離れて反射される可能性がより高いように、成形されることができる。
例として、図11Aは、俯瞰図による、光学アセンブリ1100aの概略図を示す。光学アセンブリ1100aは、図8および10において示される光学アセンブリ800および1000に類似することができる。例えば、光学アセンブリ1100aは、単一コンポーネントとして一体的に形成される導波管装置102(例えば、一次平面導波管108を含む)と、光学結合器サブシステム104と、分配用導波管装置402とを含む。光学アセンブリ1000の一部または全体は、他の材料の中でもとりわけ、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネートから成ることができる。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ1000は、高屈折率ガラス、ポリマー、ドープポリマー、ニオブ酸リチウム、またはタンタル酸リチウム等の高屈折率材料を含む。
この例では、光学結合器サブシステム104は、光1104を一次放出軸1102aに沿って放出するように構成される。しかしながら、実践的限界(例えば、物理的および設計限界)に起因して、光学結合器サブシステム104は、一部の迷光1106を二次放出軸1102bに沿って一次放出軸1102aのそれと反対方向にも放出する。図11Aの差込図に示されるように、迷光1106の経路内の導波管装置102の周辺縁1108は、第2の放出軸1102bと実質的に垂直である。故に、迷光1106の少なくとも一部は、周辺縁1108から反射され、光学結合サブシステム104および分配用導波管装置402に向かって戻るように伝搬される。これは、光学アセンブリの性能に悪影響を及ぼし得る(例えば、デジタル画像の画質を劣化させ得る、光学アセンブリの光学経路への迷光の再結合に起因して)。
これらの効果は、導波管装置102の周辺縁が、一次放出軸1102aおよび二次放出軸1102bに対して傾けられている(例えば、実質的に軸1102aおよび1102bと垂直ではない)ように、光学アセンブリを設計することによって軽減され得る。例として、図11Bは、俯瞰図による、光学アセンブリ1100bの一部の概略図を示す。この例では、光学アセンブリ1100bは、二次放出軸1102bに沿って、2つの周辺縁1110aおよび1110bを含む。周辺縁1110aおよび1110bは、一次放出軸1102aおよび二次放出軸1102bに対して傾けられている。故に、迷光1106は、光学結合サブシステム104に向かって戻るように反射されない(例えば、代わりに、軸1112aおよび1112bに沿って伝搬する)。故に、迷光は、光学アセンブリの光学経路に再結合する可能性が低い。
別の例として、図11Cは、俯瞰図による、光学アセンブリ1100cの一部の概略図を示す。この例では、光学アセンブリ1100cは、二次放出軸1102bに沿って、周辺縁1114を含む。周辺縁1110aおよび1110bは、一次放出軸1102aおよび二次放出軸1102bに対して含まれる。故に、迷光1106は、光学結合サブシステム104に向かって戻るように反射されない(例えば、代わりに、軸1116に沿って伝搬する)。故に、迷光は、光学アセンブリの光学経路に再結合する可能性が低い。
ある場合、光学アセンブリは、二次放出軸1102bに沿って放出される迷光が、光学アセンブリの光学経路(例えば、導波管装置102、分配用導波管装置402、および/または光学結合器サブシステム104)に遭遇する前に、最低でも実質的に2回跳ね返るように構成されることができる。これは、例えば、光学経路に再結合される光の量を低減させることにおいて有益であり得る。
迷光放出を低減させるためのいくつかの例示的技法が、本明細書に示され、説明されるが、それらは、互いに排他的ではないことを理解されたい。ある場合、説明される技法のうちの2つ以上のものは、併せて使用され、特定の様式において、迷光を吸収し、および/または迷光を向け、光学アセンブリの性能を改良することができる。例として、1つ以上の吸光要素(例えば、図5、6、8、および9に関して図示および説明されるように)、1つ以上の格子(例えば、図7および10に関して図示および説明されるように)、光学コンポーネントの周辺縁上の発光材料の1つ以上の部分(例えば、図10に関して図示および説明されるように)、および/または二次放出軸と実質的に平行ではない1つ以上の周辺縁(例えば、図11A-11Cに関して図示および説明されるように)は、個々に、または任意の組み合わせのいずれかにおいて使用され、光学アセンブリに対する迷光放出を低減させることができる。
いくつかの実施形態が、説明された。但し、種々の修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることを理解されたい。故に、他の実施形態は、以下の請求項の範囲内である。
Claims (20)
- 頭部搭載型ディスプレイのための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
1つ以上の第1の導波管であって、前記1つ以上の第1の導波管は、第1の縁において空間光変調器からの光を受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第1の縁と反対側の第2の縁に誘導し、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出し、ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中に前記抽出された光を前記ユーザの眼に向けるように配置されている、1つ以上の第1の導波管と、
前記第2の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の第1の吸光体に誘導するように位置付けられた第2の導波管と、
第3の導波管であって、前記第3の導波管は、第3の縁において前記空間光変調器からの光を受け取り、前記受け取られた光の少なくとも一部を前記第3の縁と反対側の第4の縁に誘導し、前記第3の縁と第4の縁との間の前記第3の導波管の面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出し、前記ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中に前記抽出された光を前記ユーザの眼に向けるように配置されている、第3の導波管と、
前記第4の縁において前記第3の導波管から出射する光を受け取り、前記受け取られた光を1つ以上の第2の吸光体に誘導するように位置付けられた第4の導波管と
を備えている、接眼レンズ。 - 前記第2の導波管と前記1つ以上の第1の導波管の前記第2の縁との間に配置された光学構造をさらに備え、前記光学構造は、前記1つ以上の第1の導波管からの光を前記第2の導波管の中に結合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。
- 反射体をさらに備え、前記第2の導波管は、前記反射体と前記1つ以上の第1の導波管との間に配置され、前記反射体は、光が前記1つ以上の第1の吸光体に誘導されるように、前記1つ以上の第1の導波管から前記第2の導波管に入射する前記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。
- 前記1つ以上の吸収体は、前記ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、前記ユーザの視野外に位置している、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記1つ以上の第1の導波管の1つ以上の追加の縁において前記1つ以上の第1の導波管から出射する光を受け取り、前記1つ以上の追加の縁からの前記受け取られた光を1つ以上の追加の吸光体に誘導するように位置付けられた1つ以上の追加の導波管をさらに備えている、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記1つ以上の第1の導波管は、前記ユーザによる前記頭部搭載型ディスプレイの動作中、前記ユーザの視野内に位置している、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記1つ以上の第1の導波管は、前記第1の縁と前記第2の縁との間に延びている1つ以上の回折光学要素を備え、前記1つ以上の回折光学要素は、前記第1の縁と第2の縁との間の前記1つ以上の第1の導波管の前記面を通して、前記光の少なくとも一部を抽出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。
- 前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の内部に配置されている、請求項7に記載の接眼レンズ。
- 前記1つ以上の回折光学要素のうちの少なくとも1つは、前記1つ以上の第1の導波管の前記面に隣接して配置されている、請求項7に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の導波管は、前記第2の導波管の周辺縁に沿って格子パターンを画定している、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と一体型である、請求項10に記載の接眼レンズ。
- 前記格子パターンは、前記第2の導波管の第1の面または前記第2の導波管の第2の面のうちの少なくとも1つ上に画定され、前記第2の導波管の前記第1の面は、前記第2の導波管の前記第2の面と反対側にある、請求項11に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の導波管は、前記1つ以上の第1の導波管と異なる、請求項10に記載の接眼レンズ。
- 前記格子パターンに沿って堆積させられた吸光材料をさらに備えている、請求項10に記載の接眼レンズ。
- 前記格子パターンは、前記第2の導波管の全周辺縁に沿って画定されている、請求項14に記載の接眼レンズ。
- 前記吸光材料は、前記第2の導波管の全周辺縁に沿って堆積させられている、請求項14に記載の接眼レンズ。
- 前記格子パターンは、前記第2の導波管の全周辺縁の一部に沿って画定されている、請求項14に記載の接眼レンズ。
- 前記吸光材料は、前記第2の導波管の全周辺縁の一部に沿って堆積させられている、請求項14に記載の接眼レンズ。
- 前記空間光変調器からの光を受け取るように構成された光学結合器サブシステムを備え、前記光学結合器サブシステムは、一次放出軸に沿った前記1つ以上の第1の導波管の前記第1の縁に向かう第1の方向に前記光を向ける、請求項1に記載の接眼レンズ。
- 前記第2の導波管は、前記光学結合器サブシステムから第2の方向に周辺縁を備え、前記第2の方向は、前記第1の方向と反対であり、前記周辺縁は、前記一次放出軸に対して傾けられている、請求項19に記載の接眼レンズ。
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