JP7304861B2 - 多重瞳孔導波路ディスプレイ素子およびディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折導波路ディスプレイに関する。特に、本発明は、パーソナルディスプレイ用の回折導波路素子に関する。

既知の導波路ディスプレイでは、表示されるイメージ（像）が伝搬する導波路素子は、単層または多層導波路であり得る。イメージ全体、すなわち、すべての波長とその全体の視野（ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ－ｏｆ－ｖｉｅｗ）を単一の導波路に結合して伝達することが知られている。素子の全体の視野を増加させるために、イメージの波長をそれぞれ異なる層に分離することも知られている。その場合、各層には個別の内部結合格子が含まれ、それらは互いの上に配置され、対応する導波路層に特定の波長範囲のみを回折させ、残りの波長を下層にまで通過させる。しかしながら、そのようなシステムの性能は、特にレーザベースのイメージプロジェクタでは最適ではない。

本発明の目的は、従来技術の少なくともいくつかの欠点を解決し、新規な回折導波路素子およびそのプロジェクタを提供することである。

本発明は、入力結合領域、すなわち、導波路のそれぞれ異なる位置へのそれぞれ異なる波長に対する導波路の入力瞳孔を分離するという考えに基づいている。すなわち、従来技術のように、入力結合格子は互いに重なり合わない。

特に、本発明は、独立請求項に記載されていることを特徴とする。

一態様によれば、互いの上に積み重ねられた少なくとも３つの導波路層を備える導波路を備える導波路ディスプレイ素子が提供される。また、それぞれの導波路層に関連付けられ、導波路層の面内で互いに対して変位すると共に、導波路に結合されたそれぞれ異なる光波長範囲の入力瞳孔を形成する回折内部結合格子と、多色イメージを形成するために、瞳孔を介して内部結合された光を結合し、導波路以外の導波路層を伝搬する回析外部結合手段とが提供される。

別の態様によれば、導波路平面上にイメージを提示するためのイメージプロジェクタが提供される。プロジェクタは、多色光線または複数の狭波長光の光線を放出することができるレーザ光源と、当該光源によって放出された光を導波路面の異なる瞳孔に向けるための誘導素子とを備えることができ、複数の異なる瞳孔は、導波路面で互いに関して変位している。

導波路平面内または導波路の層が平面内で互いに対して変位するとは、導波路（層）の法線を横切る方向の変位を指す。

レーザ光源および誘導素子は、導波路平面上で複数の異なる瞳孔に空間的に分離される少なくとも３つの狭波長光線を生成するように構成されている。

さらに別の態様によれば、回折導波路素子と上記の種類のイメージプロジェクタとを備えるパーソナル表示装置が提供される。プロジェクタは、導波路の入力瞳孔に３つの異なる波長チャネルを使用して３つのイメージを提供するように構成されている。

本発明は大きな効果を提供する。各原色が別々の導波路で伝搬される導波路構造では、入力瞳孔に入る光はそれに応じて分離する必要がある。これは、導波路の内部結合格子が、導波路の内部を伝播する波長（色）だけでなく、導波路を通過する必要がある色に対しても最適化される必要があることを意味する。したがって、レーザなどの狭帯域光源を使用する場合、導波路機能を最適化するときには、光の狭帯域特性を完全に利用することはできない。各原色に個別の入力結合瞳孔を使用すると、それぞれの導波路に入るときに原色がすでに分離されているため、上述の欠点が解消される。これにより、導波路構造の最適化で妥協する必要が少なくなり、システム全体のパフォーマンスが向上する。

したがって、入力瞳孔を導波路平面で空間的に分離することにより、すべての色が高効率で歪みを最小限に抑えて導波路に結合されることが保証される。最遠層に進む波長は、他の色の内部結合格子を通過する必要がないため、光線分割や迷光が完全に回避される。また、本発明の実施形態により、導波路層の通過を回避することができ、それにより、表面反射および吸収損失が回避される。

導波路素子は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などのパーソナルディスプレイ装置に構成可能である。

現在開示されているレーザプロジェクタは、現在開示されている導波路素子にとって理想的である。また、１つ以上の小さなレーザ光源と１つ以上のＭＥＭＳミラーを使用して、小さなスペースに実装することもできる。

提案される形状によって引き起こされるイメージの歪みは、適切な格子設計および／またはソフトウェア補正によって取り除くことができる。

従属請求項は、本発明の選択された実施形態に向けられている。

次に、本発明の実施形態およびその利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 本発明によるプロジェクタおよび導波路の一例を断面側面図として示す。 入力瞳孔構成を上面図として示す。 入力瞳孔構成を上面図として示す。 入力瞳孔の１つの可能な照明方式を詳細に示す。

図１Ａは、本質的に同じ経路に沿って伝搬する３つの波長を含む初期多色光線１１を放出するレーザ光源１０を有する実施形態を示す。初期光線１１はミラー１２Ａに当たり、当該ミラーは、その上に回折格子を含む。当該回析格子を含むミラー１２Ａは、単色光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃとして異なる角度に異なる波長を回折する。単色光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、導波路素子２０の横方向に変位した入力瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃに当たる。導波路素子２０は、互いの上に積み重ねられた３つの導波路層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを含む。入力瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、それぞれ、層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの表面上に格子を設けることによって形成され、当該格子は、光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの波長をそれぞれ、層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに結合するように選択される。

この例では、層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが回析内部結合格子に直接アクセスできるように、異なるカバレッジを有する。

導波路層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃにおいて、典型的には各層に対して個別の回析外部結合格子を含む外部結合装置１８によって外部結合されない限り、光は伝播する。回折外部結合格子は互いに整列しているため、ユーザ５０は多色イメージを見ることができる。

ミラー１２Ａは、好ましくは、レーザ光源１０の出力と同期して、入力瞳孔上のイメージ領域全体にわたって光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを走査するように構成された可動微小電気機械（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）ミラーである。

図１Ｂは、個別のレーザ光源１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃからの３つの単色光線１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃがミラー１２Ｂに向かって異なる角度で伝播する実施形態を示す。ミラー１２Ｂは、入力瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃに向けての光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを、それぞれ、向け直す。この例では、ミラー１２Ｂで回析される必要はないが、例えば、通常の反射型ＭＥＭＳミラーを使用することができる。

図１Ｃは、光線角度に関する当初請求項の範囲外の構成を示し、多色光源１０および３つの個別のミラー２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが使用される。最初の２つのミラー２２Ａ、２２Ｂは部分的に透過性であり、選択された波長のみを反射する。ミラー２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが入力瞳孔２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃと位置合わせされると、反射光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは互いに平行であり、同じ角度で結合格子に出会う。特に、走査光線の中心光線は、入力瞳孔２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃに直角に出会うように配置することができる。

また、３つの個別のレーザ光源／ミラーのペアを使用できる。

図１Ｄは、図１Ｂの機構の変形を示す。３つの個別のレーザ光源は、ここではミラー１２Ｂに直接向けられず、最初にプリズム光線コンバイナなどの光線コンバイナ１９に向けられる。多色レーザ光源で使用される通常のコンバイナとは対照的に、出力光線１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、重なり合うようには配置されず、それぞれ異なる角度でミラー１２Ｂに向けられる。

図１Ｅは、プロジェクタ部分については図１Ａのものと同じである実施形態を示すが、導波路３０は、入力瞳孔２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの領域で重なり合う３つの完全な層を含む。第１の入力瞳孔２６Ａは、第１の光線１３Ａによって直接アクセス可能であるが、他の入射光線１３Ｂ、１３Ｃは、入力瞳孔２６Ｂ、２６Ｃの内部結合格子に当たる前に、光路上に残る導波路層２４Ａ、２４Ａ／２４Ｂをそれぞれ通過する。

図１Ｆは、プロジェクタが走査型ではなく、移動ミラーを必要とはせず、そして、固定ミラーを必要とするか、またはミラーが全くない実施形態を示す。イメージプロジェクタ６０は、イメージ全体を一度に表示できる広域プロジェクタである。次に、現在の多瞳導波路３０に適用すると、プロジェクタは、その投影フィールド内で、選択された導波路チャネルに対応する３つの別々のイメージを放出し、当該３つの別々のイメージは、互いに変位しており、入力瞳孔２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃに向けられている。ミラー２２は必須ではないが、プロジェクタ６０は、入力瞳孔２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃに直接向けてもよい。既に詳細に説明した走査レーザの例のように、波長チャネルごとに個別のイメージ源またはプロジェクタが存在してもよい。

図１Ｆの基本構成、つまり、異なる波長を対象にして広域イメージコーン（円錐体部）の部分を分離することにより、レーザおよびＭＥＭＳミラープロジェクタなどの走査プロジェクタと一緒に使用することもできる。

図２Ａおよび２Ｂは、導波路層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃのそれぞれの入力瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃに対する２つの代替的な位置決め方式を示す。入力瞳孔は、図２Ａでは直線状に配置され、図２Ｂでは三角形状に配置される。どちらの場合も、光が層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの外部結合格子１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃに向けられるように、入力瞳孔の格子方向および／または導波路内の任意の介在光学素子を選択することができる。直線状および三角形状以外の構成も可能である。

さまざまな可能性を例示するために、図２Ａの瞳孔形状は円形である一方で図２Ｂの瞳孔形状は長方形である。また、素子の瞳孔の大きさは異なることもある。これは、プロジェクタミラーから各瞳孔への異なる距離と、そのためにより遠くにある瞳孔で光コーンの広がりを考慮するときに有益である。

いくつかの実施形態では、瞳孔形状は、例えば楕円または角が丸い長方形の形状を有する投影角度で補正されている。

図３は、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆの実施形態の場合の入力瞳孔の照明を示す。入射中心光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、それぞれ瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃに対して角度１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃで到達する。これらの角度の１つは直角にすることができるが、少なくとも２つの角度は直角とは異なる角度である。特に、いずれの場合も、入射光線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの間には角度がある。これにより、入射光の中心光線の視野角が入力瞳孔ごとに異なる。これを補償するために、入力瞳孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの入力結合格子は、それぞれ異なるようにし、入力結合された光の視野角を補正するように構成することにより、出力結合されたイメージの完全性が維持されるようにできる。

歪みの別の原因は、入力瞳孔の遠位領域に向かってイメージが伸びることである。つまり、光線走査（走査レーザプロジェクタ）中または広域イメージ（広角プロジェクタ）の遠位領域で角度が低くなるからである。例として、角度１７Ｃ’の遠位光線１３Ｃ’が入力瞳孔１６Ｃに表示される。この歪みは、投影されるイメージに相応する補正を加えることにより、一般的はソフトウェア補正として、プロジェクタ側で補正することにより、上述のイメージの伸びが補償される。

図１Ｃの実施形態では、視野角の変位誤差はない。つまり、中心光線角度１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは９０度であるが、伸びの問題（角度１７Ｃ’）は、低い方の角度のときには存在したままであり、同様の手法で補正できる。

図示された２つの導波路素子タイプのいずれかは、本明細書で論じられたプロジェクタの構成のいずれかとともに使用することができる。

次に、本発明の実施形態を要約する。実施の形態は自由に組み合わせることができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも２つの入力結合格子が導波路層の間に配置され、複数の入力結合格子または導波路層を覆う層が光を入力結合格子に通過させることができる。これには、素子の厚さが一定であることに起因している。

いくつかの実施形態では、導波路層は、異なる面内カバレッジを有し、入力結合格子のそれぞれは、それぞれの導波路層の表面上の素子の外面に配置される。これは、介在する層が存在しないので、結合効率を最大化する。異なるカバレッジは、異なる大きさの層を提供することによって、および／または下側にある層の入力瞳孔の位置で上部の層に開口を提供することによって実装されてもよい。

それぞれの入力瞳孔は、同じ大きさと同じ形状である必要はない。

いくつかの実施形態では、レーザ光源および誘導素子は、それぞれ異なる角度で狭い波長の複数の光線をそれぞれ異なる入力瞳孔に向けるように構成されており、入力瞳孔における入力結合格子は、各瞳孔に対して異なる中心角度で到達する光線を内部結合するように構成されており、内部結合光に対して視野変位補正を行うように構成されている。格子微細構造の適切な設計によって補正を行うことができるため、同じ視野が各瞳孔で導波路に効果的に結合することができる。いくつかの実施形態では、これらの入力瞳孔は、導波路の平面内で互いに対して直線状または三角形状に配置され、互いに重ならない。

いくつかの実施形態では、各入力結合格子は、格子周期および／または格子微細構造プロファイルの点で別の入力結合格子に対して異なる。これにより、光の伝播特性を個別に最適化できる。例えば、単一の回折格子のみが使用された場合の状況と比較して、異なる波長の伝搬ホップ長が互いにより近くなるように調整されることができる。

いくつかの実施形態では、レーザ光源は、多色光線を生成するように構成され、誘導素子は、多波長光線から狭波長光線を分離するように構成される。いくつかの実施形態では、誘導素子は、多色光線から少なくとも３つの狭波長光線を導波路平面に向けて異なる角度に分離することができる格子ミラーを含む。

いくつかの実施形態では、レーザ光源は、狭波長光線に対応する少なくとも３つの初期光線を生成するように構成された少なくとも３つの異なる副レーザ光源を含み、初期光線は異なる角度で誘導素子上に伝播し、誘導素子はさらに初期光線をそれぞれ異なる角度で異なる領域に向けて反射するように構成されている。いくつかの実施形態では、副レーザ光源は、誘導素子に向けられた異なる位置および角度のレーザ光源である。代替の実施形態では、レーザ光源は、３つのレーザ光源と、誘導素子に対して異なる角度で狭波長光線を生成するように構成されたプリズムカプラとを含む。

いくつかの実施形態では、誘導素子は、１つまたは複数の微小電気機械ミラーを含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のミラーが移動可能なので、イメージを形成するために入力瞳孔内の異なる場所に走査光線を生成できる。

いくつかの実施形態では、それぞれ異なる瞳孔は、導波路面上で互いに対して線形状または三角形状に配置され、互いに重ならない。

いくつかの実施形態では、レーザイメージプロジェクタは、異なる波長のレーザ光線で同時にまたは交互に入力瞳孔を走査するように構成された走査レーザ光線プロジェクタである。代替の実施形態では、レーザイメージプロジェクタは、異なる波長の複数のサブイメージを入力瞳孔に同時に提示するように構成された広域プロジェクタである。

いくつかの実施形態では、各入力瞳孔は、回折内部結合格子を含み、導波路は、さらに、ユーザに多色イメージを提示するために互いに整列した複数の外部結合格子を含む。

いくつかの実施形態では、プロジェクタのドライバが提供され、ドライバは、誘導素子による狭波長光線の空間分離によって、つまり、中心光線に対する遠位光線間の偏差によって、引き起こされる、伸びおよび／または強度歪みなどのイメージ歪みを補正するためのソフトウェア手段を備える。

本発明の実施形態は、様々なパーソナルディスプレイ装置、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）、および複合現実（ＭＲ）装置である、例えば、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：Ｎｅａｒ－ｔｏ－ｔｈｅ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）および他のヘッドマウントディスプレイヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）もさまざまな形式で利用され得る。

本明細書では詳細に説明されていないが、導波路またはその個々の層は、入力結合格子および出力結合格子に加えて、射出瞳孔拡大器格子または光線方向転換格子などの他の回折光学素子も含んでもよい。

Claims (9)

1. 導波路ディスプレイ素子であって、
   互いの上に積み重ねられた３つの導波路層を少なくとも含む導波路と、
   前記導波路層のそれぞれに関連すると共に、前記導波路層の面内で互いに対して変位している複数の回析内部結合格子であって、前記導波路に結合された複数の異なる光波長範囲の入力瞳孔を形成する前記回析内部結合格子と、
   多色イメージが形成されるように、前記入力瞳孔を通して内部結合された光を結合すると共に、前記導波路の前記導波路層を伝搬する回折外部結合手段と、
   を含み、
   前記入力瞳孔は、各入力瞳孔の各中心角に到達する光を内部結合するように構成され、
   前記入力瞳孔の前記複数の回析内部結合格子は、前記内部結合された光の視野変位補正を行うように、それぞれ異なり、
   前記回析内部結合格子の少なくとも２つが前記導波路層の間に配置され、前記導波路層のひとつ又は複数が光が前記回析内部結合格子を覆うことにより前記回析内部結合格子にまで通過することを可能にする、導波路ディスプレイ素子。
2. 前記導波路層のそれぞれは、それぞれ異なる面内カバレッジを有し、前記回析内部結合格子のそれぞれは、前記導波路ディスプレイ素子の外面上に配置される、請求項１に記載の導波路ディスプレイ素子。
3. 前記入力瞳孔は、単一の収束点から到達する光を内部結合するように構成される、請求項１から２のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ素子。
4. 前記入力瞳孔が、前記導波路の平面上で互いに対して直線的または三角形状に配置され、互いに重なり合わない、請求項１から３のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ素子。
5. 前記回析内部結合格子のそれぞれが、格子周期および／または格子微細構造プロファイルの点で他の結合格子と異なる、請求項１から４のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ素子。
6. イメージプロジェクタと、導波路ディスプレイ素子とを備えるパーソナル表示装置であって、
   前記導波路ディスプレイ素子は、請求項１から５のいずれか一項に記載の素子であり、前記イメージプロジェクタは、複数の異なる波長範囲を複数の異なる角度で複数の異なる入力瞳孔に向けるように構成される、パーソナル表示装置。
7. 前記イメージプロジェクタは、レーザイメージプロジェクタである、請求項６に記載の装置。
8. 前記レーザイメージプロジェクタは、前記入力瞳孔を複数のそれぞれ異なる波長のレーザ光線で同時にまたは交互に走査するように構成された走査レーザ光線プロジェクタである、請求項７に記載の装置。
9. 前記イメージプロジェクタは、複数の異なる波長のサブイメージを前記入力瞳孔に同時に提示するように構成された大面積プロジェクタである、請求項６または７に記載の装置。

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