JP7368367B2 - ディスプレイ用途のための導波路要素及び導波路スタック - Google Patents

Description

本発明は、導波路ベースのディスプレイに関する。特に、本発明は、この種のディスプレイ用の光入力結合構成に関する。本発明は、現代のパーソナル・ディスプレイ、例えばヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ：ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）及びヘッド・アップ・ディスプレイ（ＨＵＤ：ｈｅａｄ－ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ）において使用可能である。

回折導波路に基づく透明の拡張現実（ＡＲ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）ディスプレイの視野を最大にするために、一般的な方法は、互いにスタックされた複数の導波路を用いることである。最適化プロセスに対処可能にするために、各々導光体が、単一波長（例えばレーザー光）又は狭波長帯域（例えば単色ＬＥＤのスペクトル）のみを入力結合することが望ましい。偏光に基づくいくつかの方法は、以前、例えば米国特許出願第２０１４／００６４６５５号において示されている。典型的には、表面レリーフ格子は、大きい視野（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）にわたりあまり偏光感度が高くなく、これは、プレート間にクロス結合を生じ、均一な白色画像上の色変化につながる。

いくつかの従来の入力結合の解決法はまた、導波路上の比較的大きな領域を必要とし、及び／又は、いくつかの望ましくない制限を導波路の形状因子に課し、実際的な用途におけるそれらの使用を限定する。

したがって、入力結合方式を改善する必要がある。

米国特許出願第２０１４／００６４６５５号

本発明の目的は、上述の問題に対処し、特に、新しい導波路要素及び導波路スタックを提供することであり、これにより、クロス結合を減少でき、及び／又は、導波路の表面領域をより良好に使用することができる。

一態様によれば、導波路本体及び導波路本体に配置される入力結合格子を備える導波路ディスプレイ要素が提供される。入力結合格子は、反対の回折次数を用いて入射光を導波路本体内に２つの別々の方向に結合し、入射光の視野を分割するように構成される。さらに、入力結合格子は、典型的には、その周期を適切に短く設定することによって、前記結合が可視波長範囲内にある閾値波長未満の波長のみで起こるように構成される。

他の態様によれば、回折ディスプレイ用の導波路スタックが提供され、スタックは、少なくとも２つの導波路層を備え、導波路層の少なくとも１つは、上述した種類の導波路要素である。

さらなる態様によれば、上述したような導波路又はスタックと、入力結合格子において方向付けられる多色イメージ・プロジェクタと、を備える透明のディスプレイ・デバイスが提供される。

特に、本発明は、独立請求項において述べられるものによって特徴付けられる。

本発明は、重要な利点を提供する。中でも注目すべきは、本発明は、高品質の操作しやすい多色ディスプレイの実現のために使用可能な選択的な入力結合器を提供する。特に、大きいＦＯＶを提供する能力を維持しながら、層間のクロス結合が防止される。

従属請求項は、本発明の選択された実施例に向けられる。

いくつかの実施例では、閾値波長は、５００～５４０ｎｍ又は６２０～６６０ｎｍ、例えば５１０～５３０ｎｍ又は６３０～６５０ｎｍの範囲から選択される。閾値波長は、例えば５２０ｎｍ又は６４０ｎｍとすることができる。これは、青及び緑の波長を互いから分離し、他方では、緑及び赤の波長を互いから分離する可能性を提供する。特に、第２の分離は、特にインコヒーレントＬＥＤ光源が用いられるとき、色のオーバラップする波長範囲のため、高いＦＯＶの用途では挑戦的であった。

いくつかの実施例では、導波路本体は、１．８より高い屈折率、例えば１．９～２．１の屈折率を有する透明材料でできている。

いくつかの実施例では、要素は、前記別々の方向に対応する入力結合格子の異なる側の２つの第１の反射格子又は第１の射出瞳拡大器格子と、それぞれ２つの第１の格子からの光を受け取るように構成される少なくとも１つの第２の射出瞳拡大器格子と、少なくとも１つの第２の射出瞳拡大器格子からの光を受け取るように構成される単一の出力結合格子と、をさらに備える。出力結合格子は、入力結合器内で分割される視野を再構成する。典型的には、単一の第２の射出瞳拡大器格子又は２つの第２の射出瞳拡大器格子は、少なくとも部分的に出力結合格子の異なる側にあり、この場合、第２の射出瞳拡大器格子は、第１の格子から見られると、出力結合格子の反対側に延在してもよい。これは、実際的な用途のための導波路の表面領域の使用を最適化するのを助ける。なぜなら、光の少なくとも一部が、出力結合格子が位置する導波路層の領域を介して、第１の射出瞳拡大器格子から第２の射出瞳拡大器格子まで進行し、出力結合格子にさらに戻るように構成されるからである。

いくつかの実施例では、入力結合格子は、１次のプラス及び１次のマイナスの回折次数、例えば１次のプラス及び１次のマイナスの伝送回折次数を用いて、導波路層内に光を結合するように構成される。

次に、本発明の実施例及びその利点は、添付の図面を参照してより詳細に述べられる。

一実施例に従って、本発明の動作及び利点を示す波数ベクトル図を示す。 単一の第２のＥＰＥ格子を有する１つの実際的な導波路レイアウトを平面図で示す。 ２つの第２のＥＰＥ格子を有する他の実際的な導波路レイアウトを平面図で示す。 図３の実施例の動作及び利点を示す波数ベクトル図を示す。 一実施例に従って、導波路スタックを側面図で示す。

一実施例では、本方法は、入力結合器を用いて、閾値未満の波長のみを独自に入力結合するステップを含み、入力結合器は、＋／－１次の回折次数によってＦＯＶを２つの部分に分割し、閾値超の波長が、ゼロ次回折のみを経験するこの種の小さい格子周期を提示する。

これは、ｙ軸に平行な格子ベクトルを有する入力結合格子のための波数ベクトル解析を示す図１に示される。導光体が２．０の屈折率を有し、ｘｙ平面内にあり、虚像が１６：９のアスペクト比を有する５２度斜めのＦＯＶを有すると仮定される。＋／－１次は、中心から環内にＦＯＶボックスを移動する。環の内径は、空気の屈折率（＝１．０）によって定義され、外径は、導波路の屈折率（＝２．０）によって定義される。環の内側のＦＯＶ点は、導波路の内側で全内部反射を介して伝搬する。環の外側のＦＯＶ点は、決して存在しない禁止モードである。図１から、５２０ｎｍ未満の波長のみが導光体内に結合するということが分かる。４５０ｎｍでの全ＦＯＶは、＋／－１次によって入力結合されるＦＯＶ部分を組み合わせることによって得られる。同じことは、４５０ｎｍより小さく、依然として環の内側にあるすべての波長に当てはまる。これは、入射光が、例えば、波長帯域Ｂ＝［４３０，４５０］ｎｍ及びＧ＝［５２０，５５０］ｎｍから成る場合、入力結合器は、Ｂ波長のみを結合し、Ｇ波長は、ゼロ次回折を有する格子を通して伝搬することを意味する。

提示された入力結合の方式を、従来の導波路格子構成によって用いることができる。図２に実例が挙げられる。入力結合格子２１は、入力結合光線２６Ａ、２６Ｂを射出瞳拡大（ＥＰＥ：ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）格子２４に向ける２つの反射格子２２、２３によって囲まれ、射出瞳拡大（ＥＰＥ）格子２４は、最後に、光線２７Ｂ、２８Ｂを出力結合格子２５に向ける。

図３に代替方式が示される。入力結合格子３１は、第１のＥＰＥ格子３２Ａ、３２Ｂに関連付けられ、第１のＥＰＥ格子３２Ａ、３２Ｂは、光を第２のＥＰＥ格子３３Ａ、３３Ｂに向けて拡大する。光は、出力結合格子３４Ａによって出力結合される。この構成において格子ベクトルを適切に選択することによって、光線は、いかなる回折もなく、ＥＰＥ格子３３Ａ、３３Ｂ上の出力結合器を通して供給可能である。これは、図４に示される波数ベクトル解析の実例から分かる。出力結合器は、環の外側の第１のＥＰＥ格子から入射する光線を回折させる、すなわち、回折は発生しない。ＥＰＥ格子上の出力結合器を通る光伝送は、より小さい格子面積、したがってより良好な導波路用の形状因子を可能にする。

示された入力結合方式は、ＲＧＢ導波路スタックにおいて直接利用可能である。図５は、例示的なスタックを示す。導波路５１Ａ、５１Ｂ及び５１Ｃは、それぞれ、青色光、緑色光及び赤色光のために指定され、入力結合格子５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを含む。青色光が緑色光及び赤色光の導波路に入力結合するのを防止するために、青色光を導波路５１Ａに戻して反射する光学フィルタ５３Ａは、導波路５１Ａと５１Ｂとの間に配置される。同様の方法で、緑色光を反射する光学フィルタは、導波路５１Ｂと５１Ｃとの間に配置される。導波路５１Ｃは、赤色光のみを受け取る。フィルタ５３Ａ及びＢは、吸収フィルタとすることもできる。

すべての提示された実施例は、導波路ディスプレイの当技術分野で知られているインコヒーレント（ＬＥＤ）及びコヒーレント（レーザー）光のイメージ・プロジェクタ及びプロジェクション方式によって利用可能である。

本発明の実施例が、透明のニアアイ・ディスプレイ（ＮＥＤ：ｎｅａｒ－ｔｏ－ｔｈｅ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）デバイス又は他のＨＭＤにおいて最も適切に用いられる。

Claims (13)

1. 導波路ディスプレイ要素であって、
   導波路層と、
   前記導波路層に配置される入力結合格子と、
   前記入力結合格子の異なる側の２つの第１の反射格子又は第１の射出瞳拡大器格子と、
   を備え、
   前記入力結合格子は、反対の回折次数を用いて入射光を前記導波路層内に前記異なる側に対応する２つの別々の方向に結合し、前記入射光の視野を分割するように構成され、前記入射光の前記結合は、前記入力結合格子が可視波長範囲内にある閾値波長未満の波長のみで起こるように構成され、前記入力結合格子は、前記閾値波長超の波長の前記導波路層内への結合を防止するのに十分短い周期を有し、
   前記導波路ディスプレイ要素は、
   それぞれ前記２つの第１の反射格子又は第１の射出瞳拡大器格子からの光を受け取るように構成される少なくとも１つの第２の射出瞳拡大器格子と、
   前記少なくとも１つの第２の射出瞳拡大器格子からの光を受け取るように構成される単一の出力結合格子と、
   をさらに備え、
   前記第２の射出瞳拡大器格子からの光が前記単一の出力結合格子を回折せずに通過できるように、前記入力結合格子の格子ベクトル、前記第１の反射格子又は前記第１の射出瞳拡大器格子の格子ベクトル及び前記少なくとも１つの第２の射出瞳拡大器格子の格子ベクトルが構成される、導波路ディスプレイ要素。
2. 前記閾値波長は、５００～５４０ｎｍ、６２０～６６０ｎｍ、５１０～５３０ｎｍ、６３０～６５０ｎｍ、５２０ｎｍ、および６４０ｎｍから選択される、請求項１に記載の導波路ディスプレイ要素。
3. 前記導波路層は、１．８より高い屈折率、または１．９～２．１の屈折率を有する、請求項１又は２に記載の導波路ディスプレイ要素。
4. 単一の第２の射出瞳拡大器格子を備える、請求項１に記載の導波路ディスプレイ要素。
5. 前記出力結合格子の異なる側に２つの第２の射出瞳拡大器格子を備える、請求項１に記載の導波路ディスプレイ要素。
6. 前記第２の射出瞳拡大器格子は、前記第１の射出瞳拡大器格子から見られると、前記出力結合格子の反対側に延在する、請求項５に記載の導波路ディスプレイ要素。
7. 前記光の少なくとも一部は、前記出力結合格子が位置する前記導波路層の領域を介して、前記第１の射出瞳拡大器格子から前記第２の射出瞳拡大器格子まで進行し、前記出力結合格子にさらに戻るように構成される、請求項５又は６に記載の導波路ディスプレイ要素。
8. 前記入力結合格子は、１次のプラス及び１次のマイナスの回折次数を用いて、前記導波路層内に光を結合するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素。
9. 回折ディスプレイ用の導波路スタックであって、前記導波路スタックは、少なくとも２つの導波路層を備え、前記導波路層の少なくとも１つは、請求項１から８のいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素である、導波路スタック。
10. 少なくとも３つの導波路層を備え、前記少なくとも３つの導波路層のうちの少なくとも２つは、請求項１から８のいずれかに記載のものであり、異なる閾値波長を有する、請求項９に記載の導波路スタック。
11. 前記導波路層の第１は、第１の閾値波長未満の光のみを第１の導波路層に結合するように構成される第１の入力結合格子を備え、
    前記導波路層の第２は、前記第１の閾値波長超の第２の閾値波長未満の光のみを第２の導波路層に結合するように構成される第２の入力結合格子を備え、
    第３の導波路層は、前記第２の閾値波長超の光を第３の導波路層に結合するように構成される入力結合格子を備え、
    前記導波路スタックは、
    前記第１及び前記第２の導波路層の間に配置され、前記第２の入力結合格子に入射する前記第１の閾値波長未満の波長を防止するように構成される第１の波長フィルタ要素と、
    前記第２及び前記第３の導波路層の間に配置され、第３の入力結合格子に入射する前記第２の閾値波長未満の波長を防止するように構成される第２の波長フィルタ要素と、
    をさらに備える、請求項１０に記載の導波路スタック。
12. 前記第１及び／又は第２の波長フィルタ要素は、反射フィルタ又は吸収フィルタである、請求項１１に記載の導波路スタック。
13. 透明のディスプレイ・デバイスであって、
    請求項１から８のいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素又は請求項９から１２のいずれかに記載の導波路スタックと、
    前記入力結合格子において方向付けられ、前記閾値波長超の波長及び前記閾値波長未満の波長の両方を備える多色画像を提示することができる導波路ディスプレイ・イメージ・プロジェクタと、
    を備える、透明のディスプレイ・デバイス。

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