JP7690723B2

JP7690723B2 - ウェーブガイドの製作方法及びウェーブガイドを有するヘッドマウントディスプレイ

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Publication number: JP7690723B2
Application number: JP2021135315A
Authority: JP
Inventors: 智維施; 宏達簡
Original assignee: 中強光電股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2025-06-11
Anticipated expiration: 2041-08-23
Also published as: CN114114519B; JP2022040040A; EP3964879A1; CN114114519A; TW202208935A; US11960085B2; TWI781462B; US20220066216A1

Description

本発明は、光学構造の製作方法及び光学構造を有する光学装置に関し、特に、ウェーブガイドの製作方法及びウェーブガイドを有するヘッドマウントディスプレイに関する。

ディスプレイの技術的進歩と高度な技術に対する人々の要望により、バーチャルリアリティ（ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙ）と拡張現実（ａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙ）の技術が徐々に成熟してきた。その中には、ヘッドマウントディスプレイ（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）がこのような技術を実装するために使用されるディスプレイである。ヘッドマウントディスプレイの開発の歴史は、１９７０年代の米軍にまでさかのぼることができる。米軍は、光学投影システムを使用して、ディスプレイ素子上の映像やテキストメッセージをユーザの目に投影した。近年、マイクロディスプレイの解像度がますます高くなり、サイズや消費電力がますます小さくなるにつれて、ヘッドマウントディスプレイもポータブル（ｐｏｒｔａｂｌｅ）ディスプレイデバイスに発展した。軍事分野に加えて、工業生産、シミュレーショントレーニング、３次元ディスプレイ、医療、スポーツ、ナビゲーション、電子ゲームなどの関連分野においても、ヘッドマウントディスプレイのディスプレイ技術は成長しており、重要な位置を占めている。

しかし、ヘッドマウントディスプレイの光機設計では、大視角且つ小体積の目標を達成するために、設計上、多くの困難に直面し得る。例えば、エテンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）の保存が原因で、視野角が大きくなるときに、ｆナンバー（ｆ－ｎｕｍｂｅｒ）が高くなり、瞳孔開口部（Ｐｕｐｉｌａｐｅｒｔｕｒｅ）が小さくなり、これにより、レンズに必要な変調伝達関数（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＴＦ）の目標値を上げる必要がある。よって、有限な長さの下で大角度の視野角の出力を達成しようとすると、瞳孔開口部の縮小が考慮すべきファクターである。しかし、瞳孔開口部の縮小が原因で、映像光束のウェーブガイドにおける拡張がより難しくなり、これにより、映像光束の明るさを下げることができない。人間の目の瞳孔について言えば、輝度が１０００乃至２０００ニト（ｎｉｔ）の光量の照射の場合、そのサイズが僅か約２．５ミリメートルぐらいであるので、小瞳孔開口部の場合、映像光束のすべての角度の映像光が人間の目にスムーズに進入するようにさせることがさらに困難になる。

もう１つの面において、従来の幾何学ウェーブガイド設計では、ヘッドマウントディスプレイの光機の瞳孔開口部がウェーブガイド内に進入する必要があり、これにより、瞳孔開口部の光束縮小の最小位置は、主ウェーブガイドに進入する位置で最多の光線がウェーブガイド内に進入するようにさせることができるため、効率を向上させ、ウェーブガイドに進入し難い大角度光線をスムーズに伝播させて主ウェーブガイド内に有効に進入させることができる。しかし、このような設計の下で、瞳孔開口部の長さ及びそれが通過するウェーブガイドは一定の長さ以上が必要である。このように、ヘッドマウントディスプレイにおける収納空間が一定の長さのウェーブガイドを収納することができないときに、大角度の映像画面の欠損及び効率の低下を引き起こしやすくなる。

なお、この「背景技術」の部分は、本発明の内容への理解を助けるためだけのものであるため、この「背景技術」の部分に開示されている内容は、当業者に知られていない技術を含む可能性がある。よって、この「背景技術」の部分に開示されている内容は、該内容、又は、本発明の１つ又は複数の実施例が解決しようとする課題が本発明の出願前に既に当業者に周知されていることを意味しない。

本発明の目的は、大視角を有し、ヘッドマウントディスプレイの体積を小さくし、ウェーブガイド素子の長さを短くし、且つ人間の顔の輪郭にさらに合わせることができるヘッドマウントディスプレイを提供することにある。これにより、単一次元上で瞳孔開口部を拡大し、均一な映像光束を提供することができる。

本発明は、さらに、ウェーブガイドの製作方法を提供し、これにより、瞳孔開口部を拡大し又は光伝播経路を延長し得るウェーブガイドを容易に製作することができる。

本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示される技術的特徴からさらに理解することができる。

上述の１つ又は一部又は全部の目的あるいは他の目的を達成するために、本発明の一実施例によれば、ヘッドマウントディスプレイが提供され、ヘッドマウントディスプレイは、ユーザの少なくとも１つの目の前方に配置され、且つ表示ユニット、第一ウェーブガイド及び第二ウェーブガイドを含む。表示ユニットは映像光束を提供する。第一ウェーブガイドは映像光束の伝播経路に位置し、且つ第一ウェーブガイドは、第一板体及び複数の第一光学微細構造を含み、前記複数の第一光学微細構造は第一板体の中に位置し、且つこれらの第一光学微細構造は中央光学微細構造及び辺縁光学微細構造を含み、前記中央光学微細構造は、それぞれ、該映像光束の主軸の両側に位置し、前記辺縁光学微細構造は、それぞれ、映像光束の主軸の両側に位置し、且つ中央光学微細構造は、辺縁光学微細構造よりも映像光束の主軸に接近し、そのうち、映像光束は、第一板体の第一表面を経由して第一板体に進入した後に、映像光束の一部が中央光学微細構造を通過し、映像光束の他の部分が中央光学微細構造を経由してそれぞれ対応する辺縁光学微細構造に伝播し、そして、対応する辺縁光学微細構造を通過した後に、第一板体の第二表面から第一板体を離れる。第二ウェーブガイドは映像光束の伝播経路に位置し、そのうち、第一ウェーブガイドは表示ユニットと第二ウェーブガイドとの間に位置し、第一ウェーブガイドは、映像光束を第二ウェーブガイドに伝播させ、また、映像光束の形状を調整するために用いられる、第二ウェーブガイドは、映像光束を前記ユーザの少なくとも１つの目に伝播させるために用いられる。第二ウェーブガイドは、第二板体、複数の第二光学微細構造及び複数の導光用光学膜パターンを含み、前記第二板体は入光面を有し、入光面は第二板体の第一表面及び第二表面に接続され、前記複数の第二光学微細構造は第二板体の中に位置し、そのうち、各第二光学微細構造はそれぞれ光学面を有し、これらの第二光学微細構造のこれらの光学面は、それぞれ、第二板体の第一表面に対して傾斜し、これらの導光用光学膜パターンは、これらの第二光学微細構造のこれらの光学面に位置し、且つこれらの導光用光学膜パターンは、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射し、そのうち、映像光束は、入光面を経由して第二板体に進入した後に、映像光束の一部がこれらの導光用光学膜パターンを通過し、映像光束の他の部分がこれらの導光用光学膜パターンにより反射された後に第二板体の第二表面から第二板体を離れる。

本発明の一実施例において、これらの導光用光学膜パターンの第二板体上の正投影面積と、第二板体の面積との間の比が３０％未満である。

本発明の一実施例において、上述の第一ウェーブガイドと、第二ウェーブガイドとの間の夾角が９０度乃至１３５度の間にある。

本発明の一実施例において、上述の第一ウェーブガイドの第一光学微細構造が第一方向に沿って配列され、第二ウェーブガイドの第二光学微細構造が第二方向に沿って配列され、且つ該第一方向は該第二方向に垂直である。

本発明の一実施例において、上述の各第一光学微細構造はそれぞれ光学面を有し、第一光学微細構造の光学面は、それぞれ、映像光束の主軸及び第一表面に近い箇所から、映像光束の主軸から離れ且つ第二表面に近い箇所へ延伸して、第一表面に対して傾斜する。

本発明の一実施例において、上述の第一ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、第一光学領域及び第二光学領域はそれぞれ映像光束の主軸の両側に位置し、第一光学領域内に位置する第一光学微細構造の光学面の傾斜方向と、第二光学領域内に位置する第一光学微細構造の光学面の傾斜方向とは鏡像対称を成す。

本発明の一実施例において、上述の第一ウェーブガイドは少なくとも１つの光学膜を有し、少なくとも１つの光学膜は第一光学微細構造の光学面の少なくとも１つに位置し、且つ光学膜は、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射する。

本発明の一実施例において、上述の中央光学微細構造又は辺縁光学微細構造上に位置する少なくとも１つの光学膜の、映像光束に対する反射率が、映像光束に対する透過率よりも大きい。

本発明の一実施例において、上述の第一光学微細構造はさらに複数の中継光学微細構造を含み、且つ中央光学微細構造と辺縁光学微細構造との間に少なくとも１つの中継光学微細構造が存在し、そのうち、中央光学微細構造からの映像光束の一部が中継光学微細構造に通過した後に、対応する辺縁光学微細構造に伝播し、中央光学微細構造からの映像光束の他の部分が中継光学微細構造により反射されて第二表面から第一板体を離れる。

本発明の一実施例において、上述の中継光学微細構造上に位置する少なくとも１つの光学膜の、映像光束に対する反射率が、映像光束に対する透過率より小さい。

本発明の一実施例において、上述の第一板体は第一構造層及び第二構造層を含む。第一板体の第一構造層は複数の第一斜面及び複数の第一接続面を有し、そのうち、各第一接続面は、隣接する第一斜面の異なる端に接続されて第一鋸歯状構造を形成する。第一板体の第二構造層は複数の第二斜面及び複数の第二接続面を有し、そのうち、各第二接続面は、隣接する第二斜面の異なる端に接続されて第二鋸歯状構造を形成し、且つ第二斜面は第一斜面に対応し、第二接続面は第一接続面に対応し、これにより、第一鋸歯状構造は第二鋸歯状構造と一致しており、且つ第二斜面は第一斜面に接触して第一光学微細構造の光学面を形成する。

本発明の一実施例において、上述の第一ウェーブガイドは少なくとも１つの光学膜を有し、少なくとも１つの光学膜は第一構造層の第一斜面及び第二構造層の第二斜面の少なくとも１つに位置し、且つ光学膜は、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射する。

本発明の一実施例において、隣接する２つの上述の導光用光学膜パターンの間の最小距離が、ユーザの瞳孔のサイズよりも小さい。

本発明の一実施例において、上述の各導光用光学膜パターンのサイズと、隣接する２つの導光用光学膜パターンの間の最小距離との比が０．６乃至０．７の間にある。

本発明の一実施例において、上述の第二板体は第一構造層及び第二構造層を含む。第二板体の第一構造層は複数の第一斜面及び複数の第一接続面を有し、そのうち、各第一接続面は、隣接する第一斜面の異なる端に接続されて第一鋸歯状構造を形成する。第二板体の第二構造層は複数の第二斜面及び複数の第二接続面を有し、そのうち、各第二接続面は、隣接する第二斜面の異なる端に接続されて第二鋸歯状構造を形成し、且つ第二斜面は第一斜面に対応し、第二接続面は第一接続面に対応し、これにより、第一鋸歯状構造は第二鋸歯状構造と一致しており、且つ第二斜面は第一斜面に接触して第二光学微細構造の光学面を形成する。

本発明の一実施例において、上述の第二ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、そのうち、第一光学領域は入光面と第二光学領域との間に位置し、且つ第一鋸歯状構造、第二鋸歯状構造及び第二光学微細構造は第二光学領域内に位置し、第二ウェーブガイドはさらに導光膜を含む。導光膜は第二ウェーブガイドの内部の導光面に位置し、導光面は第一光学領域内に位置し、且つ第一表面に平行であり、そのうち、導光膜は、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射し、また、導光膜を通過した映像光束は、第二ウェーブガイド内で全反射の方式で伝播する。

本発明の一実施例において、上述の第二ウェーブガイドの第一構造層はさらに第一平面を有し、第二構造層はさらに第二平面を有し、第二平面は第一平面に接触して導光面を形成する。

上述の１つ又は一部又は全部の目的あるいは他の目的を達成するために、本発明の一実施例によれば、ヘッドマウントディスプレイのウェーブガイドの製作方法が提供され、そのうち、ウェーブガイドは映像光束を伝播させるために用いられ、且つウェーブガイドの製作方法は次のようなステップを含む。即ち、第一構造層を提供し、そのうち、第一構造層は複数の第一斜面及び複数の第一接続面を有し、そのうち、各第一接続面は、隣接する第一斜面の異なる端に接続されて第一鋸歯状構造を形成する。第二構造層を提供し、そのうち、第二構造層は複数の第二斜面及び複数の第二接続面を有し、そのうち、各第二接続面は、隣接する第二斜面の異なる端に接続されて第二鋸歯状構造を形成する。第一構造層の少なくとも１つの第一斜面又は第二構造層の少なくとも１つの第二斜面に少なくとも１つの光学膜を形成し、そのうち、少なくとも１つの光学膜は、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射する。第一構造層と第二構造層とを接合し、そのうち、第二斜面は第一斜面に対応し、第二接続面は第一接続面に対応し、これにより、第一鋸歯状構造は第二鋸歯状構造と一致しており、且つ第二斜面は第一斜面に接触して複数の光学微細構造の複数の光学面を形成する。

本発明の一実施例において、上述のウェーブガイドは第一ウェーブガイドであり、第一構造層及び第二構造層は接合後に第一ウェーブガイドの第一板体を形成し、光学微細構造は複数の第一光学微細構造であり、第一ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、第一光学領域及び第二光学領域は、それぞれ、映像光束の主軸の両側に位置し、第一光学領域内に位置する第一光学微細構造の光学面の傾斜方向と、第二光学領域における第一光学微細構造の光学面の傾斜方向とは鏡像対称を成す。

本発明の一実施例において、上述の第一光学微細構造は２つの中央光学微細構造及び２つの辺縁光学微細構造を含む。中央光学微細構造はそれぞれ映像光束の主軸の両側に位置する。辺縁光学微細構造はそれぞれ映像光束の主軸の両側に位置し、且つ中央光学微細構造は、辺縁光学微細構造よりも映像光束の主軸に接近し、そのうち、映像光束は第一表面を経由して第一板体に進入した後に、映像光束の一部が中央光学微細構造を通過し、映像光束の他の部分が中央光学微細構造を経由して対応する辺縁光学微細構造に伝播し、そして、対応する辺縁光学微細構造に通過した後に第一板体を離れる。

本発明の一実施例において、上述のウェーブガイドは第二ウェーブガイドであり、第一構造層及び第二構造層は接合後に第二ウェーブガイドの第二板体を形成し、光学微細構造は複数の第二光学微細構造であり、且つ少なくとも１つの光学膜を形成する方法は次のようなステップを含む。即ち、マスクを提供し、マスクは複数の貫通孔を有する。マスクが第一構造層又は第二構造層と重畳（ｏｖｅｒｌａｐ）し、且つ貫通孔の第一構造層又は第二構造層上の投影面が第一構造層の少なくとも１つの第一斜面又は第二構造層の少なくとも１つの第二斜面と重畳するようにさせる。マスクの複数の貫通孔により、第一構造層の少なくとも１つの第一斜面又は第二構造層の少なくとも１つの第二斜面に少なくとも１つの光学膜の複数の導光用光学膜パターンを形成し、そのうち、映像光束は入光面を経由して第二板体に進入した後に、映像光束の一部が導光用光学膜パターンを通過し、映像光束の他の部分が導光用光学膜パターンにより反射された後に第二板体を離れ、また、導光用光学膜パターンの第二板体上の正投影面積と、第二板体の面積との間の比が３０％未満である。

本発明の一実施例において、上述のマスクは平板状構造又は鋸歯状構造であり、マスクが鋸歯状構造を有するときに、鋸歯状構造は第一鋸歯状構造又は第二鋸歯状構造と一致しており、且つマスクの貫通孔は鋸歯状構造の複数の斜面を貫通し、鋸歯状構造の斜面は、第一構造層の少なくとも１つの第一斜面又は第二構造層の少なくとも１つの第二斜面に対応する。

本発明の一実施例において、上述の第二ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、そのうち、第一光学領域は入光面と第二光学領域との間に位置し、且つ第一構造層はさらに第一平面を有し、第二構造層はさらに第二平面を有し、第一平面及び第二平面は第一光学領域内に位置し、第一鋸歯状構造、第二鋸歯状構造及び第二光学微細構造は第二光学領域内に位置し、且つウェーブガイドの製作方法はさらに次のようなステップを含む。即ち、第一平面又は第二平面に導光膜を形成し、そのうち、導光膜は、一部の映像光束を通過させ、且つ他の部分の映像光束を反射し、第一構造層と第二構造層が接合された後に、第一平面は第二平面に接触して導光面を形成し、且つ導光面上の導光膜を通過した映像光束は、第二ウェーブガイドの中で全反射の方式で伝播する。

上述により、本発明の実施例は少なくとも以下のような１つの利点又は効果を有する。即ち、本発明の実施例では、第一ウェーブガイドの配置により、映像光束は第二ウェーブガイドに伝播することができ、且つ光の形状は調整されて視野角を維持することができ、また、単一次元上で瞳孔開口部を拡大することもできる。第二ウェーブガイドの配置により、映像光束の伝播経路を延長することができ、且つ良好な均一性を有する。このようにして、ヘッドマウントディスプレイは大視角を有し、良好な鑑賞品質を提供することができる。

本発明の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げて、添付した図面を参照することによって詳細に説明する。

ユーザが本発明の一実施例に係るヘッドマウントディスプレイを装着するときの上面図である。図１Ａのヘッドマウントディスプレイのアーキテクチャを示す図である。図１Ｂの第一ウェーブガイドの透視図である。図２Ａの第一ウェーブガイドの分解図である。図２Ａの第一ウェーブガイドの側面図である。図２Ａの第一ウェーブガイドの光路を示す図である。図１Ｂの第二ウェーブガイドの分解図である。図３Ａの第二ウェーブガイドのマスクの製作を示す図である。図３Ａの第二ウェーブガイドのマスクの製作を示す正面図である。図３Ｃのマスクの下面図である。図１Ｂの第二ウェーブガイドの正面図である。図１Ａのヘッドマウントディスプレイの光路を示す図である。図１Ａのヘッドマウントディスプレイの光路を示す図である。比較例のヘッドマウントディスプレイの光路を示す図である。

本発明の上述及び他の技術的内容、特徴、機能及び効果は、添付した図面に基づく以下のような好ましい実施例における詳細な説明により明確になる。なお、以下の実施例に言及される方向についての用語、例えば、上、下、左、右、前、後などは、添付した図面の方向に過ぎない。よって、使用される方向の用語は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定するためのものではない。

図１Ａは、ユーザが本発明の一実施例に係るヘッドマウントディスプレイを装着するときの上面図である。図１Ｂは、図１Ａのヘッドマウントディスプレイのアーキテクチャを示す図である。図１Ａ及び図１Ｂを参照する。本実施例では、ヘッドマウントディスプレイ３００はユーザの少なくとも１つの目ＥＹの前方に配置され、且つ照明システム３１０、表示ユニット３２０、並びに第一ウェーブガイド１００及び第二ウェーブガイド２００を含むウェーブガイド素子ＷＧを含む。表示ユニット３２０は映像光束ＩＢを提供する。本実施例では、表示ユニット３２０は例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ、ＤＭＤ）を含み、それは照明システム３１０からの照明光束（第一照明光束）を映像光束ＩＢに変換するために用いられる。一実施例において、表示ユニット３２０は例えばＬＣｏＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）表示装置を含むが、本発明は表示ユニット３２０の類型について限定しない。表示ユニット３２０はさらにプリズム（Ｐｒｉｓｍ）を含んでも良く、それは照明光束を伝播させるために用いられる。

具体的に言えば、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、映像光束ＩＢは、表示ユニット３２０を離れた後に、レンズモジュールＬＳを経由してウェーブガイド素子ＷＧに伝播し、そして、ストップＳＴに収斂（収束）する。

本実施例では、第一ウェーブガイド１００は表示ユニット３２０と第二ウェーブガイド２００との間に位置し、第一ウェーブガイド１００は、映像光束ＩＢを第二ウェーブガイド２００に伝播させ、また、映像光束ＩＢの形状を調整するために用いられ、第二ウェーブガイド２００は、映像光束ＩＢを前記ユーザの少なくとも１つの目ＥＹに伝播させるために用いられる。

本実施例では、ストップＳＴは表示ユニット３２０の外に位置し、映像光束ＩＢの伝播経路においては、表示ユニット３２０は照明システム３１０とストップＳＴとの間に位置する。ストップＳＴは、第一ウェーブガイド１００の中、第二ウェーブガイド２００の中、又は第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００との接続箇所のうちの１つに位置する。ストップＳＴは、映像光束ＩＢの光束縮小の最小断面積を有する位置である。例を挙げて言えば、本実施例では、映像光束ＩＢの光束縮小の最小断面積が瞳孔開口部と定義され、瞳孔開口部の形状は例えば円形であるが、本実施例では、ストップＳＴにおける瞳孔開口部の形状及びサイズは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されない。

本実施例では、映像光束ＩＢは、ストップＳＴに集め、且つストップＳＴを通過した後にウェーブガイド素子ＷＧを経由して発散して伝播することができる。本実施例では、ウェーブガイド素子ＷＧは、第一ウェーブガイド１００上に位置する光入口端及び第二ウェーブガイド２００上に位置する光出口端を有する。光入口端は映像光束ＩＢを受けるために用いられる。映像光束ＩＢは、ウェーブガイド素子ＷＧの伝播及び光出口端の放出により、ユーザの目に伝播することができる。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施例では、第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００の組み合わせにより形成されるウェーブガイド素子ＷＧは、エッジ型ウェーブガイドアーキテクチャであり、且つ、本実施例では、第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００との間の夾角θは、鈍角と設定され、９０度乃至１３５度の間にある。このように、ヘッドマウントディスプレイのストップＳＴは、ウェーブガイド素子ＷＧ内に位置し、最多の映像光束がウェーブガイド素子ＷＧ内に進入するようにさせることができるため、効率を向上させ、ウェーブガイド素子ＷＧに進入し難い大角度の映像光束がスムーズに伝播してその中に有効に進入するようにさせることができる。その必要なレンズモジュールＬＳからストップＳＴまでの長さも８ミリメートル以内に短くされ得る。従来のヘッドマウントディスプレイに比べて、同じ光機構造（即ち、照明システム３１０及び表示ユニット３２０）を有する場合、従来のヘッドマウントディスプレイの中でレンズモジュールＬＳからストップＳＴまでの長さは１１ミリメートルぐらいの長さである。これで分かるように、本実施例における第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００の組み合わせにより形成されるウェーブガイド素子ＷＧは、サイズを縮小することができ、ヘッドマウントディスプレイに設置されやすく、且つ大角度の映像画面の欠損及び効率の低下が生じるリスクを低減することができる。

また、本実施例における第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００の組み合わせより形成されるウェーブガイド素子ＷＧは、その構造がユーザの頭の輪郭にさらに合わせることができるため、ウェーブガイド素子ＷＧの長さを短縮することができる。具体的に言えば、第一ウェーブガイド１００が第二ウェーブガイド２００に互いに垂直である場合、ウェーブガイド素子ＷＧとユーザの顔との間に隙間が生じることがあるので、必要なウェーブガイド素子ＷＧの長さはより長くしなければならない。しかし、図１Ａに示すように、本実施例では、第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００との間の夾角が９０度乃至１３５度の間にあり、このようにして、ユーザの頭の輪郭に合わせることができるため、ウェーブガイド素子ＷＧとユーザの顔との間の隙間をできるだけ減少させ、必要なウェーブガイド素子ＷＧの長さをさらに短縮することができる。これにより、映像光束ＩＢはより速くユーザの目に進入することができ、拡散する傾向が比較的少なく、目の可視角を拡大することができる。

以下、図２Ａ乃至図３Ｅを参照しながら第一ウェーブガイド１００及び第二ウェーブガイド２００の構造をそれぞれより詳しく説明する。

図２Ａは、図１Ｂの第一ウェーブガイドの透視図である。図２Ｂは、図２Ａの第一ウェーブガイドの分解図である。図２Ｃは、図２Ａの第一ウェーブガイドの側面図である。図２Ｄは、図２Ａの第一ウェーブガイドの光路図である。図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、本実施例では、第一ウェーブガイド１００は第一板体１１０及び複数の第一光学微細構造１２０を含む。第一板体１１０は第一表面１１１Ｓ及び第二表面１１２Ｓを有する。複数の第一光学微細構造１２０は第一板体１１０の中に位置する。第一光学微細構造１２０は２つの中央光学微細構造１２１、複数の中継光学微細構造１２２及び２つの辺縁光学微細構造１２３を含む。２つの中央光学微細構造１２１はそれぞれ映像光束ＩＢの主軸Ｏの両側に位置する。２つの辺縁光学微細構造１２３はそれぞれ映像光束ＩＢの主軸Ｏの両側に位置し、且つ２つの中央光学微細構造１２１は２つの辺縁光学微細構造１２３よりも映像光束ＩＢの主軸Ｏに近い。また、中央光学微細構造１２１と辺縁光学微細構造１２３との間には少なくとも１つの中継光学微細構造１２２が存在する。

さらに言えば、図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、本実施例では、各第一光学微細構造１２０はそれぞれ光学面１１０ＯＳを有し、第一光学微細構造１２０の光学面１１０ＯＳは、それぞれ、映像光束ＩＢの主軸Ｏに近いところから、映像光束ＩＢの主軸Ｏを離れるところへの方向に沿って延伸して、第一表面１１１Ｓに対して傾斜する。また、本実施例では、第一ウェーブガイド１００は第一光学領域１０１Ｒ及び第二光学領域１０２Ｒを有し、第一光学領域１０１Ｒ及び第二光学領域１０２Ｒはそれぞれ映像光束ＩＢの主軸Ｏの両側に位置し、第一光学領域１０１Ｒ内に位置する第一光学微細構造１２０の光学面１１０ＯＳの傾斜方向と、第二光学領域１０２Ｒ内の第一光学微細構造１２０の光学面１１０ＯＳの傾斜方向とは、鏡像対称を成す。

さらに言えば、図２Ｃに示すように、第一ウェーブガイド１００は少なくとも１つの光学膜１１０Ｆを有し、少なくとも１つの光学膜１１０Ｆは第一光学微細構造１２０の光学面１１０ＯＳの少なくとも1つに位置し、且つ光学膜１１０Ｆは、一部の映像光束ＩＢを通過させ、また、他の部分の映像光束ＩＢを反射するために用いられる。例を挙げて言えば、第一ウェーブガイド１００は例えば次のようなステップで製作される。まず、図２Ｂに示すように、第一構造層１１１及び第二構造層１１２を提供し、そのうち、第一構造層１１１は複数の第一斜面１１１ＩＳ及び複数の第一接続面１１１ＬＳを有し、第二構造層１１２も複数の第二斜面１１２ＩＳ及び複数の第二接続面１１２ＬＳを有する。第一構造層１１１の各第一接続面１１１ＬＳは、隣接する第一斜面１１１ＩＳの異なる端に接続されて第一鋸歯状構造１１１ＺＳを形成し、第二構造層１１２の各第二接続面１１２ＬＳは、隣接する第二斜面１１２ＩＳの異なる端に接続されて第二鋸歯状構造１１２ＺＳを形成する。また、第一構造層１１１の少なくとも１つの第一斜面１１１ＩＳ又は第二構造層１１２の少なくとも１つの第二斜面１１２ＩＳに少なくとも１つの光学膜１１０Ｆを形成する。換言すると、少なくとも１つの光学膜１１０Ｆは、第一構造層１１１の第一斜面１１１ＩＳ及び第二構造層１１２の第二斜面１１２ＩＳの少なくとも１つに位置する。

続いて、第一構造層１１１と第二構造層１１２を接合し、そのうち、第二斜面１１２ＩＳは第一斜面１１１ＩＳに対応し、第二接続面１１２ＬＳは第一接続面１１１ＬＳに対応し、これにより、第一鋸歯状構造１１１ＺＳは第二鋸歯状構造１１２ＺＳと一致しており、且つ第二斜面１１２ＩＳは第一斜面１１１ＩＳに接触して複数の光学微細構造の複数の光学面１１０ＯＳを形成する。このようにして、第一構造層１１１及び第二構造層１１２は接合後に第一ウェーブガイド１００の第一板体１１０を形成することができる。

このように、図２Ｄに示すように、映像光束ＩＢは、第一表面１１１Ｓを経由して第一板体１１０に進入した後に、映像光束ＩＢの一部が２つの中央光学微細構造１２１を通過し、映像光束ＩＢの他の部分が中央光学微細構造１２１を経由してそれぞれ対応する辺縁光学微細構造１２３に伝播する。さらに言えば、中央光学微細構造１２１からの映像光束ＩＢの一部が中継光学微細構造１２２を通過した後に、対応する辺縁光学微細構造１２３に伝播し、中央光学微細構造１２１からの映像光束ＩＢの他の部分が中継光学微細構造１２２により反射されて第二表面１１２Ｓから第一板体１１０を離れることができる。中継光学微細構造１２２により反射されず第一板体１１０を離れない映像光束ＩＢは、継続して第一板体１１０の中で伝播し、そして、対応する辺縁光学微細構造１２３を通過した後に、第二表面１１２Ｓから第一板体１１０を離れることができる。図２Ｄから分かるように、映像光束ＩＢは、主軸Ｏを中心にして鏡像を成し、且つ平行して射出して第一板体１１０を離れることができる。

具体的に言えば、本実施例では、異なる光学微細構造上に位置する光学膜１１０Ｆは、異なる反射／透過のニーズに応じて、異なる反射率の設計を有しても良い。例を挙げて言えば、本実施例では、上述の２つの中央光学微細構造１２１又は辺縁光学微細構造１２３上に位置する少なくとも１つの光学膜１１０Ｆの、映像光束ＩＢに対しての反射率が、映像光束ＩＢに対しての透過率よりも大きく、上述の中継光学微細構造１２２上に位置する少なくとも１つの光学膜１１０Ｆの、映像光束ＩＢに対する反射率が、映像光束ＩＢに対する透過率よりも小さい。このようにして、高反射特性を有する中央光学微細構造１２１は、映像光束ＩＢを有効に反射し、その伝播経路を後へ伸ばすことができる。高透過特性を有する中継光学微細構造１２２は、映像光束ＩＢの伝播経路を後へ伸ばすことができるとともに、さらに映像光束ＩＢを反射して第一板体１１０から放出させることができる。高反射特性を有する辺縁光学微細構造１２３は、映像光束ＩＢを第一板体１１０から効果的に放出させることができる。このようにして、図１Ｂ及び図２Ｃに示すように、第一ウェーブガイド１００の第一板体１１０を離れた映像光束ＩＢは、第二ウェーブガイド２００の中に伝播することができ、これにより、第二ウェーブガイド２００に伝播する映像光束ＩＢの瞳孔開口部は有効に拡大することができる。

また、映像光束ＩＢは、光学膜１１０Ｆによりその瞳孔開口部をさらに拡大することができる。よって、光学膜１１０Ｆの特性も、瞳孔開口部全体の均一性、例えば、輝度の均一性及び色の均一性に影響を与えることができる。さらに言えば、瞳孔開口部の均一性が異なるときに、瞳孔に進入する色点の均一性にも影響を及ぼすことができる。何故ならば、映像光束ＩＢを形成するための照明光束が照明システム３１０の発光素子から発するからであり、また、照明システム３１０の発光素子から射出する色光の分布が異なることが原因で、異なる色光の瞳孔開口部の均一性が異なる色の下で異なる均一性を有すようにさせることができる。例を挙げて言えば、赤色光、緑色光、青色光の瞳孔開口部の分布がそれぞれ異なるときに、色の均一性が悪いが、赤色光、緑色光、青色光の瞳孔開口部の均一性が完全に同じであるときに、色点の均一性を大幅に向上させることができる。よって、本実施例では、光学膜１１０Ｆは、異なる波長の色光の条件に応じて、反射率／透過率の組み合わせを行っても良い。このように、光学膜１１０Ｆの特性及び異なる色光の瞳孔開口部の均一性がすべて理想の状態にあると確定したときに、表示ユニット３２０から出力する色点の分布が人間の目の瞳孔に見える色点の分布に接近するので、鑑賞品質を向上させることができる。

また、図２Ｃでは、光学膜１１０Ｆの数量は、それぞれ異なる光学微細構造上に位置する１０個の光学膜を例にとって示されているが、本発明は、これに限定されず、光学膜１１０Ｆの数量は、光機が異なることによって変化することもできる。但し、何れにしても、少なくとも１つの以上の光学膜がある。

図３Ａは、図１Ｂの第二ウェーブガイドの分解図である。図３Ｂは、図３Ａの第二ウェーブガイドのマスクの製作を示す図である。図３Ｃは、図３Ａの第二ウェーブガイドのマスクの正確を示す正面図である。図３Ｄは３Ｃのマスクの下面図である。図３Ｅは図１Ｂの第二ウェーブガイドの正面図である。図３Ａ乃至図３Ｅに示すように、本実施例では、第二ウェーブガイド２００は第二板体２１０、複数の第二光学微細構造２２０及び複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰを含む。第二板体２１０は第一表面２１１Ｓ、第二表面２１２Ｓ、及び第二表面１１２Ｓに接続される入光面を有する。複数の第二光学微細構造２２０は第二板体２１０の中に位置し、そのうち、各第二光学微細構造２２０はそれぞれ少なくとも１つの光学面２１０ＯＳを有し、第二光学微細構造２２０の光学面２１０ＯＳはそれぞれ第一表面２１１Ｓに対して傾斜する。

さらに言えば、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰは第二光学微細構造２２０の光学面２１０ＯＳに位置し、且つ導光用光学膜パターン２１０ＦＰは一部の映像光束ＩＢを通過させ、また、他の部分の映像光束ＩＢを反射するために用いられる。例を挙げて言えば、第二ウェーブガイド２００は例えば次のようなステップで製作される。まず、第一構造層２１１及び第二構造層２１２を提供し、そのうち、第一構造層２１１は複数の第一斜面２１１ＩＳ及び複数の第一接続面２１１ＬＳを有し、第二構造層２１２も複数の第二斜面２１２ＩＳ及び複数の第二接続面２１２ＬＳを有する。各第一接続面２１１ＬＳは、隣接する第一斜面２１１ＩＳの異なる端に接続されて第一鋸歯状構造２１１ＺＳを形成し、各第二接続面２１２ＬＳは、隣接する第二斜面２１２ＩＳの異なる端に接続されて第二鋸歯状構造２１２ＺＳを形成する。

第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳには少なくとも１つの光学膜２１０Ｆが形成され、且つ少なくとも１つの光学膜２１０Ｆを形成する方法は次のようなステップを含む。マスクＯＭを提供し、マスクＯＭは複数の貫通孔ＴＨを有する。例を挙げて言えば、図３Ｂに示すように、マスクＯＭは平板状構造ＰＳであっても良い。

さらに言えば、図３Ｂに示すように、本実施例では、マスクＯＭが第一構造層２１１又は第二構造層２１２と重畳し、且つ貫通孔ＴＨの第一構造層２１１又は第二構造層２１２上の投影面が第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳと重畳するようにさせる。このようにして、図３Ｃ及び図３Ｄに示するマスクＯＭの複数の貫通孔ＴＨにより、第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳにも少なくとも１つの光学膜２１０Ｆの複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰを形成することができる。なお、本発明はこれに限定されない。また、もう１つの実施例において、マスクＯＭは歯状構造であっても良い（図３Ｃ及び図３Ｄに示すように）。

さらに言えば、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、マスクＯＭが鋸歯状構造を有するときに、鋸歯状構造は第一鋸歯状構造２１１ＺＳ又は第二鋸歯状構造２１２ＺＳと一致しており、且つマスクＯＭの貫通孔ＴＨは鋸歯状構造の複数の斜面を貫通し、鋸歯状構造の斜面は第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳに対応する。続いて、図３Ｃ及び図３Ｄに示すマスクＯＭが第一構造層２１１又は第二構造層２１２と重畳し、且つ貫通孔ＴＨの第一構造層２１１又は第二構造層２１２上の投影面が第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳと重畳するようにさせる。このようにして、図３Ｃ及び図３Ｄに示すようなマスクＯＭの複数の貫通孔ＴＨにより、第一構造層２１１の少なくとも１つの第一斜面２１１ＩＳ又は第二構造層２１２の少なくとも１つの第二斜面２１２ＩＳにも少なくとも１つの光学膜２１０Ｆの複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰを形成することができる。

続いて、第一構造層２１１と第二構造層２１２を結合し、そのうち、第二斜面２１２ＩＳは第一斜面２１１ＩＳに対応し、第二接続面２１２ＬＳは第一接続面２１１ＬＳに対応し、これにより、第一鋸歯状構造２１１ＺＳは第二鋸歯状構造２１２ＺＳと一致しており、且つ第二斜面２１２ＩＳは第一斜面２１１ＩＳに接触して複数の光学微細構造の複数の光学面２１０ＯＳを形成することができる。このようにして、第一構造層２１１及び第二構造層２１２は接合後に第二ウェーブガイド２００の第二板体２１０を形成することができ、そのうち、光学微細構造は複数の第二光学微細構造２２０であり、且つ光学面２１０ＯＳには、少なくとも１つの光学膜２１０Ｆの複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰが形成される。

例を挙げて言えば、本実施例では、第一ウェーブガイド１００の第一光学微細構造１２０は第一方向Ｄ１に沿って配列され、第二ウェーブガイド２００の第二光学微細構造２２０は第二方向Ｄ２に沿って配列され、且つ第一方向Ｄ１は第二方向Ｄ２に垂直である。このようにして、第一ウェーブガイド１００と第二ウェーブガイド２００の中の光学微細構造配置の方式が異なるため、第二ウェーブガイド２００と第一ウェーブガイド１００の機能も異なる。第一ウェーブガイド１００の機能は主に、映像光束ＩＢを第二ウェーブガイド２００に伝播させ、また、第二ウェーブガイド２００にカップリングされる映像光束ＩＢの瞳孔開口部を有効に拡大することにある。第二ウェーブガイド２００の機能は主に、映像光束ＩＢをユーザの目に伝播させ、且つ比較的大きい可視角を提供することにある。よって、第二ウェーブガイド２００の導光用光学膜パターン２１０ＦＰは、さらに、円形の輪郭と設計され、且つ各導光用光学膜パターン２１０ＦＰのサイズが互いに不一致であり、互いの間には間隔があって良い。これにより、第一ウェーブガイド１００の映像光束ＩＢが第二ウェーブガイド２００の中でより遠く伝播することができ、大角度の映像光束ＩＢが第二ウェーブガイド２００の導光用光学膜パターン２１０ＦＰにより反射されて最後に目ＥＹに進入するように有効に制御することができるため、大視角を有するヘッドマウントディスプレイ３００の光学システムを形成することができる。

より具体的に言えば、導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の間隔が人間の目の瞳孔のサイズに従って定義される必要があり、これにより、ユーザが感じた導光用光学膜パターン２１０ＦＰが密集し過ぎることを避け、良好な視覚感受を持たせることができる。例を挙げて言えば、本実施例では、隣接する２つの導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の最小距離がユーザの瞳孔のサイズ以下である。例を挙げて言えば、隣接する２つの導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の最小距離は、ユーザの瞳孔のサイズの約０．５倍である。

もう１つの面において、ユーザが異なる瞳孔のサイズの下で見た導光用光学膜パターン２１０ＦＰの密集感受が異なるのであり、人間の目の瞳孔が大きくなるときに、より多くの光線を受けることができ、導光用光学膜パターン２１０ＦＰがもたらす密集感は大幅に低下する。よって、設計の過程では、導光用光学膜パターン２１０ＦＰのサイズを制御することで、導光用光学膜パターン２１０ＦＰがもたらす酷い密集感を避けることができる。各導光用光学膜パターン２１０ＦＰのサイズと、隣接する２つの導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の最小距離との比が０．６乃至０．７の間にあり、そのうち、各導光用光学膜パターン２１０ＦＰのサイズと、隣接する２つの導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の最小距離との比は好ましくは０．６である。例えば、本実施例では、隣接する２つの導光用光学膜パターン２１０ＦＰの間の最小距離が１．５ミリメートルである条件の下で、導光用光学膜パターン２１０ＦＰのサイズは１．１ミリメートル以下に制御されても良く、このようにして、ユーザに、より良い視覚感受を持たせることができる。

このように、第一ウェーブガイド１００からの映像光束ＩＢは、入光面を経由して第二板体２１０に進入した後に、映像光束ＩＢの一部が導光用光学膜パターン２１０ＦＰを通過し、映像光束ＩＢの他の部分が導光用光学膜パターン２１０ＦＰにより反射された後に第二表面２１２Ｓから第二板体２１０を離れることができる。より具体的に言えば、本実施例では、導光用光学膜パターン２１０ＦＰの第二板体２１０上の正投影面積と、第二板体２１０の面積との間の比が３０％未満であり、これにより、より良い透過視野を得ることができる。例を挙げて言えば、導光用光学膜パターン２１０ＦＰの面積が第二板体２１０の面積の約２０％ぐらいであり、且つ、導光用光学膜パターン２１０ＦＰが５０％ぐらいの透過率を有するので、ヘッドマウントディスプレイ３００の光学システム全体の透過視野が９０％ぐらいに向上し、良好な透過視野を達成することができる。

図４Ａは、図１Ａのヘッドマウントディスプレイの光路図である。図４Ｂは、図１Ａのヘッドマウントディスプレイに現れる映像光束の明るさシミュレーションデータ図である。図４Ｃは、比較例の導光膜無しのときのヘッドマウントディスプレイに現れる映像光束の明るさシミュレーションデータ図である。さらに言えば、図４Ａに示すように、本実施例では、第二ウェーブガイド２００は第一光学領域２０１Ｒ及び第二光学領域２０２Ｒを有し、そのうち、第一光学領域２０１Ｒは入光面と第二光学領域２０２Ｒとの間に位置し、また、第一鋸歯状構造２１１ＺＳ、第二鋸歯状構造２１２ＺＳ及び第二光学微細構造２２０は第二光学領域２０２Ｒ内に位置し、且つ第二ウェーブガイド２００はさらに導光膜ＧＦを含む。導光膜ＧＦは第二ウェーブガイド２００の内部の導光面ＧＳに位置し、導光面ＧＳは第一光学領域２０１Ｒ内に位置し、且つ第一表面２１１Ｓに平行である。

さらに言えば、導光膜ＧＦの製作は、少なくとも１つの光学膜２１０Ｆの複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰを形成するときに一緒に製作することができる。例を挙げて言えば、本実施例では、第二ウェーブガイド２００の第一構造層２１１はさらに第一平面２１１ＰＳを有し、第二構造層２１２はさらに第二平面２１２ＰＳを有し、少なくとも１つの光学膜２１０Ｆの複数の導光用光学膜パターン２１０ＦＰを形成すると同時に、第一平面又は第二平面に導光膜ＧＦも形成し、続いて、第一構造層２１１と第二構造層２１２の接合の後に、第二平面は第一平面に接触して導光面ＧＳを形成し、且つその上には導光膜ＧＦを形成することができる。

具体的に言えば、図４Ａに示すように、導光膜ＧＦは、一部の映像光束ＩＢを通過させ、且つ他の部分の映像光束ＩＢを反射し、また、導光膜ＧＦにより映像光束ＩＢは第二ウェーブガイド２００の中で全反射の方式で伝播する。このようにして、第二ウェーブガイド２００に進入する映像光束ＩＢの均一性をさらに向上させることができる。

さらに言えば、図４Ｂに示すように、導光膜ＧＦが配置されているときに、導光膜ＧＦは、映像光束ＩＢの密集度を有効に増加させることができる。また、導光膜ＧＦが第二ウェーブガイド２００の内部に位置し、第二ウェーブガイド２００の外表面に導光膜ＧＦがメッキ加工される場合に比較して、その均一性を大幅に増加させ、且つその光学効率を維持することができる。このようにして、ヘッドマウントディスプレイ３００では、第二ウェーブガイド２００によりユーザの目に伝播する映像光束ＩＢが表す映像画面は良好な均一性を有し、且つ画面には欠陥が生じ難い。これに対して、図４Ｃに示すように、導光膜ＧＦが配置されないときに、ヘッドマウントディスプレイ３００では、第二ウェーブガイド２００によりユーザの目に伝播する映像光束ＩＢの均一度が明らかに低下し、よって、ユーザの目に進入する映像光束ＩＢは、一部の領域に光が存在せず、このように、ユーザの目に見える映像画面は欠陥があり不完全になり、観賞品質に影響を与えることがある。

本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の技術思想と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うこともできるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示されたすべての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の一部と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の技術的範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及されている「第一」、「第二」などの用語は、要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）に名前を付け、又は、他の実施例又は範囲を区別するためのものみであり、要素の数上での上限又は下限を限定するためのものでない。

１００：第一ウェーブガイド
１０１Ｒ：第一光学領域
１０２Ｒ：第二光学領域
１１０第一板体
１１０Ｆ：光学膜
１１０ＯＳ：光学面
１１１：第一構造層
１１１ＩＳ：第一斜面
１１１ＬＳ：第一接続面
１１１Ｓ：第一表面
１１１ＺＳ：第一鋸歯状構造
１１２：第二構造層
１１２ＩＳ：第二斜面
１１２ＬＳ：第二接続面
１１２Ｓ：第二表面
１１２ＺＳ：第二鋸歯状構造
１２０：第一光学微細構造
１２１：中央光学微細構造
１２２：中継光学微細構造
１２３：辺縁光学微細構造
２００：第二ウェーブガイド
２０１Ｒ：第一光学領域
２０２Ｒ：第二光学領域
２１０：第二板体
２１０Ｆ：光学膜
２１０ＦＰ：導光用光学膜パターン
２１０ＯＳ：光学面
２１１：第一構造層
２１１ＩＳ：第一斜面
２１１ＬＳ：第一接続面
２１１ＰＳ：第一平面
２１１Ｓ：第一表面
２１１ＺＳ：第一鋸歯状構造
２１２：第二構造層
２１２ＩＳ：第二斜面
２１２ＬＳ：第二接続面
２１２ＺＳ：第二鋸歯状構造
２１２Ｓ：第二表面
２１２ＰＳ：第二平面
２２０：第二光学微細構造
３００：ヘッドマウントディスプレイ
３１０：照明システム
３２０：表示ユニット
Ｄ１：第一方向
Ｄ２：第二方向
ＥＹ：目
ＧＦ：導光膜
ＧＳ：導光面
ＩＢ：映像光束
ＬＳ：レンズモジュール
Ｏ：主軸
ＯＭ：マスク
ＰＳ：平板状構造
ＳＴ：ストップ
ＴＨ：貫通孔
ＷＧ：ウェーブガイド素子
ＺＳ：鋸歯状構造
θ：夾角

Claims

ユーザの少なくとも１つの目の前方に配置されるヘッドマウントディスプレイであって、
表示ユニット、第一ウェーブガイド及び第二ウェーブガイドを含み、
前記表示ユニットは映像光束を提供し、
前記第一ウェーブガイドは前記映像光束の伝播経路上に位置し、前記第一ウェーブガイドは第一板体及び複数の第一光学微細構造を含み、
前記複数の第一光学微細構造は前記第一板体の中に位置し、前記複数の第一光学微細構造は中央光学微細構造及び辺縁光学微細構造を含み、
前記中央光学微細構造はそれぞれ前記映像光束の主軸の両側に位置し、
前記辺縁光学微細構造はそれぞれ前記映像光束の主軸の両側に位置し、前記中央光学微細構造は前記辺縁光学微細構造よりも前記映像光束の主軸に接近し、前記映像光束は前記第一板体の第一表面を経由して前記第一板体に進入した後に、前記映像光束の一部が前記中央光学微細構造を通過し、前記映像光束の他の部分が前記中央光学微細構造を経由してそれぞれ対応する前記辺縁光学微細構造に伝播し、そして、対応する前記辺縁光学微細構造を通過した後に前記第一板体の第二表面から前記第一板体を離れ、
前記第二ウェーブガイドは前記映像光束の伝播経路上に位置し、前記第一ウェーブガイドは前記表示ユニットと前記第二ウェーブガイドとの間に位置し、前記第一ウェーブガイドは前記映像光束を前記第二ウェーブガイドに伝播させ、且つ前記映像光束の形状を調整し、前記第二ウェーブガイドは映像光束を前記ユーザの少なくとも１つの目に伝播させ、前記第二ウェーブガイドは第二板体、複数の第二光学微細構造及び複数の導光用光学膜パターンを含み、
前記第二板体は入光面を有し、前記入光面は前記第二板体の第一表面及び第二表面に接続され、
前記複数の第二光学微細構造は前記第二板体の中に位置し、前記第二光学微細構造のうちの各々はそれぞれ光学面を有し、前記複数の第二光学微細構造の前記複数の光学面はそれぞれ前記第二板体の前記第一表面に対して傾斜し、
前記複数の導光用光学膜パターンは前記複数の第二光学微細構造の前記複数の光学面に位置し、前記複数の導光用光学膜パターンは一部の前記映像光束を通過させ、且つ他の部分の前記映像光束を反射し、前記映像光束は前記入光面を経由して前記第二板体に進入した後に、前記映像光束の一部が前記複数の導光用光学膜パターンを通過し、前記映像光束の他の部分が前記複数の導光用光学膜パターンにより反射された後に前記第二板体の前記第二表面から前記第二板体を離れる、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記複数の導光用光学膜パターンの前記第二板体上の正投影面積と、前記第二板体の面積との比が３０％未満である、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一ウェーブガイドと、前記第二ウェーブガイドとの間の夾角が９０度乃至１３５度の間にある、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一ウェーブガイドの前記複数の第一光学微細構造が第一方向に沿って配列され、前記第二ウェーブガイドの前記複数の第二光学微細構造が第二方向に沿って配列され、前記第一方向は前記第二方向に垂直である、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一光学微細構造のうちの各々はそれぞれ光学面を有し、前記複数の第一光学微細構造の前記複数の光学面は、それぞれ、前記映像光束の主軸及び前記第一板体の前記第一表面に近いところから、前記映像光束の主軸を離れ且つ前記第一板体の前記第二表面に近いところへ延伸して前記第一板体の前記第一表面に対して傾斜する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、前記第一光学領域及び前記第二光学領域はそれぞれ前記映像光束の主軸の両側に位置し、前記第一光学領域内の前記複数の第一光学微細構造の前記複数の光学面の傾斜方向と、前記第二光学領域内の前記複数の第一光学微細構造の前記複数の光学面の傾斜方向とは、鏡像対称を成す、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一ウェーブガイドは少なくとも１つの光学膜を有し、前記少なくとも１つの光学膜は前記複数の第一光学微細構造の前記複数の光学面の少なくとも１つに位置し、前記光学膜は一部の前記映像光束を通過させ、且つ他の部分の前記映像光束を反射する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記中央光学微細構造又は前記辺縁光学微細構造上に位置する前記少なくとも１つの光学膜の、前記映像光束に対する反射率が、前記映像光束に対する透過率よりも大きい、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記複数の第一光学微細構造はさらに複数の中継光学微細構造を含み、前記中央光学微細構造と前記辺縁光学微細構造との間には少なくとも１つの前記中継光学微細構造が存在し、
前記中央光学微細構造からの前記映像光束の一部が前記複数の中継光学微細構造を通過した後に、対応する前記辺縁光学微細構造に伝播し、前記中央光学微細構造からの前記映像光束の他の部分が前記複数の中継光学微細構造により反射されて前記第一板体の前記第二表面から前記第一板体を離れる、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項９に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記複数の中継光学微細構造上に位置する前記少なくとも１つの光学膜の、前記映像光束に対する反射率が、前記映像光束に対する透過率よりも小さい、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一板体は第一構造層及び第二構造層を含み、
前記第一構造層は複数の第一斜面及び複数の第一接続面を有し、前記第一接続面のうちの各々は、隣接する前記複数の第一斜面の異なる端に接続されて第一鋸歯状構造を形成し、
前記第二構造層は複数の第二斜面及び複数の第二接続面を有し、前記第二接続面のうちの各々は、隣接する前記複数の第二斜面の異なる端に接続されて第二鋸歯状構造を形成し、前記複数の第二斜面は前記複数の第一斜面に対応し、前記複数の第二接続面は前記複数の第一接続面に対応し、これにより、前記第一鋸歯状構造は前記第二鋸歯状構造と一致しており、前記複数の第二斜面は前記複数の第一斜面に接触して前記複数の第一光学微細構造の前記複数の光学面を形成する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一ウェーブガイドは少なくとも１つの光学膜を有し、前記少なくとも１つの光学膜は前記第一構造層の前記複数の第一斜面及び前記第二構造層の前記複数の第二斜面の少なくとも１つに位置し、前記光学膜は一部の前記映像光束を通過させ、且つ他の部分の前記映像光束を反射する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
隣接する２つの前記導光用光学膜パターンの間の最小距離がユーザの瞳孔のサイズよりも小さい、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
各前記導光用光学膜パターンのサイズと、隣接する２つの前記導光用光学膜パターンの間の最小距離との比が０．６乃至０．７の間にある、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第二板体は第一構造層及び第二構造層を含み、
前記第一構造層は複数の第一斜面及び複数の第一接続面を有し、前記第一接続面のうちの各々は、隣接する前記複数の第一斜面の異なる端に接続されて第一鋸歯状構造を形成し、
前記第二構造層は複数の第二斜面及び複数の第二接続面を有し、前記第二接続面のうちの各々は、隣接する前記複数の第二斜面の異なる端に接続されて第二鋸歯状構造を形成し、前記複数の第二斜面は前記複数の第一斜面に対応し、前記複数の第二接続面は前記複数の第一接続面に対応し、これにより、前記第一鋸歯状構造は前記第二鋸歯状構造と一致しており、前記複数の第二斜面は前記複数の第一斜面に接触して前記複数の第二光学微細構造の前記複数の光学面を形成する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１５に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第二ウェーブガイドは第一光学領域及び第二光学領域を有し、前記第一光学領域は前記入光面と前記第二光学領域との間に位置し、前記第一鋸歯状構造、前記第二鋸歯状構造及び前記複数の第二光学微細構造は前記第二光学領域内に位置し、前記第二ウェーブガイドはさらに、導光膜を含み、前記導光膜は前記第二ウェーブガイドの内部の導光面に位置し、前記導光面は前記第一光学領域内に位置し、且つ前記第二板体の前記第一表面に平行であり、前記導光膜は一部の前記映像光束を通過させ、且つ他の部分の前記映像光束を反射し、また、前記導光膜により前記映像光束は前記第二ウェーブガイドの中で全反射の方式で伝播する、ヘッドマウントディスプレイ。
請求項１６に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第一構造層はさらに第一平面を有し、前記第二構造層はさらに第二平面を有し、前記第二平面は前記第一平面に接触して前記導光面を形成する、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に適用されるウェーブガイドであって、
前記ウェーブガイドは映像光束を受け取るために用いられ、
前記ウェーブガイドは第一板体、複数の光学膜及び複数の第一光学微細構造を含み、
前記複数の光学膜のうちの各々が一部の前記映像光束を通過させ、かつ他の部分の前記映像光束を反射するために用いられ、
前記複数の第一光学微細構造は前記第一板体の中に位置し、前記複数の第一光学微細構造は２つの中央光学微細構造、複数の中継光学微細構造及び２つの辺縁光学微細構造を含み、
前記２つの中央光学微細構造又は前記２つの辺縁光学微細構造上に位置する前記複数の光学膜のうちの少なくとも１つの光学膜の、前記映像光束に対する反射率が、前記映像光束に対する透過率よりも大きく、前記複数の中継光学微細構造上に位置する前記複数の光学膜のうちの少なくとももう１つの光学膜の、前記映像光束に対する反射率が、前記映像光束に対する透過率よりも小さく、
前記２つの中央光学微細構造はそれぞれ前記映像光束の主軸の両側に位置し、前記２つの辺縁光学微細構造はそれぞれ前記映像光束の前記主軸の両側に位置し、前記２つの中央光学微細構造は前記２つの辺縁光学微細構造よりも前記映像光束の前記主軸に接近し、
前記複数の中継光学微細構造のうちの少なくとも１つが前記２つの中央光学微細構造のうちの１つと前記２つの辺縁光学微細構造のうちの１つとの間に設置され、
前記映像光束は前記第一板体の第一表面を経由して前記第一板体に進入した後に、前記映像光束の一部が前記２つの中央光学微細構造を通過して前記第一板体を離れ、前記映像光束の他の部分が前記２つの中央光学微細構造により反射された後に前記第一板体内で伝播し、前記映像光束の前記他の部分における一部が前記２つの辺縁光学微細構造に伝播し、かつ前記第一板体の第二表面から前記第一板体を離れる、ウェーブガイド。