(57)【要約】  結像光ガイドは、導波路と、導波路の上に形成され、像担持光ビームを導波路に向けるよう配置された入力結合型回折光学素子を有する。２つ以上の少なくとも半反射性の表面のアレイが平行に向けられており、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを１次元で拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるよう配置される。出力結合型回折光学素子は、導波路に形成されており、像担持光ビームを１次元と直交する２次元で拡大し、像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるよう配置される。
2019507370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路と、
第１格子ベクトルを有し、上記導波路に像担持光ビームを向けるように配置された入力結合型回折光学素子と、
平行に配向され、かつ、上記入力結合型回折光学素子からの各々の上記像担持光ビームを第１次元において拡大して上記拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるように配置された、２以上の少なくとも半反射性の表面、を有するレフレクターアレイと、を備え、
上記出力結合型回折光学素子は、上記第１格子ベクトルに平行な第２格子ベクトルを有し、かつ、各々の上記像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大して上記導波路からの上記像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるように配置されていることを特徴とする、虚像伝達用結像光ガイド。
【請求項２】
上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも半反射性の表面は、第１及び第２表面を備え、
上記第１表面は半反射性及び半透過性を有し、上記第２表面は完全な反射性を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項３】
上記第１表面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
【請求項４】
上記第１表面の上記反射率値は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率まで上記長さに沿って単調に変化することを特徴とする請求項３に記載の結像光ガイド。
【請求項５】
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項６】
上記像担持光ビームの第１の部分が上記レフレクターアレイを直接透過し、
上記像担持光の残りが、上記２以上の少なくとも半反射性の表面によって偶数回反射されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項７】
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、体積ホログラムであるか、又はホログラフィック高分子分散液晶から形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項８】
上記少なくとも半反射性の表面の１又は複数は、二色性コーティングを用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項９】
上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも半反射性の表面は、第３の表面をさらに備え、
上記第３の表面は、上記第１及び第２の表面間に配置され、上記第３の表面は、半反射性及び半透過性を有し、上記第３の表面は、上記第１の表面の反射率値より大きい反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
【請求項１０】
上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項１１】
上記レフレクターアレイは、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項１２】
平坦な基板に形成され、虚像を伝達する結像光ガイドであって、
a)上記基板に形成され、第１格子ベクトルを有し、かつ、入射する像担持光ビームを回折して上記基板に沿って伝搬させるよう配置された、入力結合型回折光学素子、
b)上記基板に沿って又は上記基板内で平行に配置されている第１及び第２の少なくとも半反射性の表面、及び
c)上記基板に形成され、上記第１格子ベクトルに平行な第２格子ベクトルを有し、かつ上記像担持光を上記基板から外方に向けるよう配置された、出力結合型回折光学素子、を備え、
上記第１の少なくとも半反射性の表面は、半反射性であるとともに半透過性であり、
上記第２の少なくとも半反射性の表面は、完全な反射性を有し、
上記第１の半反射かつ半透過性の表面は、(a)上記第２の全反射性の表面によって反射された上記像担持光ビームの一部分を上記第２の全反射性の表面に戻すように反射し、(b)上記第２の全反射性の表面によって反射された上記像担持光ビームの一部分を上記出力結合型回折光学素子に向けて透過するように、配設されていることを特徴とする結像光ガイド。
【請求項１３】
上記第１の半反射性かつ半透過性の表面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１４】
上記第１の半反射性かつ半透過性の表面の上記さまざまの反射率値は、１０%未満の反射率値から５０%より大きい反射率値までの勾配に及ぶことを特徴とする請求項１３に記載の結像光ガイド。
【請求項１５】
上記第１及び第２の少なくとも半反射性の表面は、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１６】
上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１７】
上記第１及び第２の少なくとも半反射性の表面は、上記各々の像担持ビームの上記第２の部分が上記出力結合型回折光学素子への途上で少なくとも近接して重なるような、限られた距離を介して離間していることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１８】
a)第１の格子周期と第１の格子ベクトルとを有する入力結合型回折光学素子を、平坦な基板に形成するステップと、
b)上記第１の格子周期に等しい第２の格子周期と、上記第１の格子ベクトルに平行な第２の格子ベクトルとを有する出力結合型回折光学素子を、上記平坦な基板に形成するステップと、
c)上記平坦な基板に沿って又は上記平坦な基板のなかに、上記入力結合型回折光学素子からの回折光を上記出力結合型回折光学素子に向けるように配置されるレフレクターアレイを形成するステップと、を含み、
上記レフレクターアレイは、平行に方向付けられた２以上の少なくとも半反射性の表面で形成され、
上記２以上の少なくとも半反射性の表面の各々は、異なる反射率を有して形成されることを特徴とする、結像光ガイドの製造方法。
【請求項１９】
上記入力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子を、入射する像担持光ビームを上記平坦な基板内に回折してレフレクターアレイに向かって上記基板内を伝搬するように、配置することを含み、
上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記出力結合型回折光学素子を、上記レフレクターアレイから反射されて入射する像担持光ビームを虚像として見ることのために上記平坦な基板から外へ回折するように、配置することを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記レフレクターアレイを形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子からの上記像担持光ビームを第１次元において拡大するように上記レフレクターアレイを配置することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記レフレクターアレイからの上記像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大するように上記出力結合型回折光学素子を配置することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記入力結合型回折光学素子を形成するステップ、上記出力結合型回折光学素子を形成するステップ、及び上記レフレクターアレイを形成するステップは、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように上記レフレクターアレイを相対的に位置づけることを含むことを特徴とする請求項２１に記載の結像光ガイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電子ディスプレイに関し、特に、結像光ガイドを用いて像担持光を観者に伝達する頭部装着型（ニアアイ(near-eye)）ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の眼鏡又はサングラスに似た形のニアアイディスプレイを含む頭部装着型ディスプレイ（Head-Mounted Displays）（HMDｓ）は、軍用、商業用、産業用、消防用、及び娯楽用のアプリケーションを含む様々な用途のために開発されている。これらのアプリケーションの多くで特に価値のあることは、ＨＭＤユーザの視野にある実世界の画像上に視覚的に重ね合わせることができる虚像を形成することである。様々なタイプの導波路を組み込んだ光ガイドは、狭小空間で観者に像担持光を中継し、虚像を観者の瞳孔に向け直し、この重ね合わせ機能を可能にする射出瞳拡大器として機能する。
【０００３】
従来の光ガイドでは、コリメートされ、角度的に関連した、画像ソースからの光ビームは、入力結合型回折格子のような入力の光学的結合によって、一般に導波路と呼ばれる光ガイド基板に結合される。入力結合型回折格子を、基板の表面に形成することができ、基板内に埋設することもできる。他のタイプの回折光学素子は、入力結合として使用することができ、ホログラフィック高分子分散液晶（holographic polymer dispersed liquid crystal）（ＨＰＤＬＣ）又は体積ホログラムのような屈折率の変化する代わりの材料で形成された回折構造を含む。回折光学素子は、表面レリーフ回折格子として形成されてもよい。コリメートされた光ビームは、回折光学素子の形態を取ることもできる同様の出力の光学的結合によって、導波路から導出することができる。導波路から射出された、コリメートされた角度的に関連したビームは、画像ソースにより生成された虚像を見ることができる射出瞳を形成する導波路からのアイレリーフ距離で重なり合う。アイレリーフ距離で虚像を見ることができる射出瞳の領域は、「アイボックス」と呼ばれる。
【０００４】
出力結合は、射出瞳を拡大するように構成することもできる。例えば、コリメートされたビームは、第１次元で拡大することが出来る。これは、コリメートされたビームの部分的に反射された部分を、コリメートされたビームが出力結合に沿って伝搬する方向にオフセットすることによるか、又は、異なる角度のコリメートされたビームを導波路に沿った異なる位置から射出し、コリメートされたビームを、導波路からのアイレリーフ距離でより効率的に重なり合わせることによる。
【０００５】
入力結合と出力結合との間の導波路に沿って配置された、いわゆる「転換光学素子」は、第２次元で瞳サイズを拡大するために使用することができる。拡大は、コリメートされたビームの反射された部分をオフセットしてビーム自体の第２次元を拡大することにより、又はコリメートされたビームを出力結合の異なる領域に向けることにより、行うことができる。これにより、異なる角度のコリメートされたビームは、異なる位置から射出され、アイボックス内でより効率的に重なり合う。転換光学素子は、回折光学素子の形態を取ることもでき、特に入力結合の回折格子と出力結合の回折格子の間に位置する場合、中間格子と呼ぶこともできる。
【０００６】
従来の結像光ガイドの構成により、ニアアイディスプレイ光学系の容積、重量及び全体のコストにおける大幅な低減がもたらされてきたが、格子の全体効率は、各格子境界面で生じる光学的損失によって制限されることが多い。各格子領域は、１つの特定の画角と１つの特定の導波路に対して十分に最適化され得るだけなので、虚像の視野にわたる性能又は同じ虚像の可視スペクトルにわたる性能は、大きく変わる可能性がある。このことは、入力結合型回折光学素子から出力結合型回折光学素子へ移動する光を方向付ける転換格子についてもいえる。光が各回折光学素子に遭遇するとき、相当量の入力光エネルギーが失われるので、入力画像ソースは、観者に提示される虚像の失われた明るさを補償するのに十分に明るくなければならない。
【０００７】
したがって、依然として所望の瞳拡大を提供しつつも、頭部装着型ディスプレイにおける効率の改善を提供する像担持光ガイドの改良された設計が必要であることが理解されよう。
【０００８】
結像に使用される光ガイドの設計の考慮において、導波路内を移動する像担持光は、結合のメカニズムが格子、ホログラム、プリズム、ミラー又は他の何らかのメカニズムを使用するかどうかにかかわらず、入力結合によって効率的にエンコードされるということに留意すべきである。入力で生じる、光のあらゆる反射、屈折及び／又は回折は、観者に提示される虚像を再構成するために出力によって、相応にデコードされなければならない。
【０００９】
入力結合型回折光学素子と出力結合型回折光学素子との間の中間位置に置かれる転換格子は、通常は、エンコードされた光にいかなる変化も引き起こさないように、選択される。好ましくは、転換格子は、導波路内の光線束（ray bundle）の方向を向け直すが、虚像のエンコードされた角度情報を変更させない。そのような設計のシステムで結果として生じる虚像は、回転されない。さらに、このようなシステムが虚像に回転を導入すれば、光の相違する視界角及び波長にわたって不均一になるため、結果として生じる虚像に不要な歪み又は収差を引き起こす。
【００１０】
「基板誘導式光学ビーム拡大器」と題する、Amitaiによる米国特許第６８２９０９５号は、平面導波路に出入りする像担持光ビームの集合を反射するミラーの形態の入力及び出力結合を開示している。出力結合は、第１次元に沿って射出瞳を拡大するための反射面のアレイに分割される。その明細書中で転換ミラーと称される、中間の反射面のアレイにより、直交する次元において射出瞳が拡大される。様々な、入力面、出力面及び中間反射面は、互いに整合され、像担持光の所望の角度方向を保持する。
【００１１】
しかし、上記Amitai型の１次元（1-D）瞳拡大ガイドは、費用が掛かり、製造が困難であることが判明している。この概念を２次元（2-D）ビーム拡大に拡張し、第２のセットの角度で方向付けられたミラーのアレイを使用すれば、ただでさえ厄介な製造作業を非常に困難にし、極めて満足し難い位置合わせの要件がもたらされる。
【００１２】
このように、転換格子及び転換ミラーの双方は、同様のタイプの入力結合及び出力結合、すなわち、格子と格子およびミラーとミラーで動作するように整合され、方向付けられている。しかし、もし転換格子が、ミラー又はプリズムを用いて入力された光の方向を向け直すように用いられれば、結果として生じる虚像に望ましくない影響が生じるだろう。１つの考慮事項として、結像に使用されるあらゆるタイプの反射面では、入力結合された光の望ましくない反転／回転が存在し得る。
【００１３】
製造可能性の観点から、導波路に出入りする像担持光ビームの入力及び出力に回折光学素子を使用することにより、多くの光学的な設計問題を単純化することができる。しかしながら、依然として、平面導波路内の光を入力結合から出力結合に向け直すための、より良い性能、効率性の向上、及びコンパクトな実装構成を可能にする光学的解決策の必要性が依然として存在する。
【発明の概要】
【００１４】
本開示の目的は、コンパクトな頭部装着型（ニアアイ）ディスプレイ内での像提示技術を進歩させることである。有利には、本開示の実施形態は、観者に高解像度で広い視野（field of view(FOV)）のコンテンツを提示するために拡大された瞳サイズを提供する結像光ガイドを有する身体装着可能なディスプレイを提供する。
【００１５】
本開示の実施形態の結像装置は、(a)虚像の第１次元に沿った瞳拡大を提供しながら、平面導波路に光を出入りさせる回折、及び、(b) 光の方向転換及び虚像の第２次元に沿った瞳拡大のための、導波路内の反射、を用いている。
【００１６】
この新規な構成は、全くの回折による解決策と比較して、像の回転及び反転の双方を提供するから、この構成により、光学的効率性と輝度の向上という利点がもたらされ、よりコンパクトな頭部装着型ディスプレイ及び関連する表示設計オプションが可能になる。
【００１７】
本発明のこれらの及び他の、態様、目的、特徴及び利点は、以下の、好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を検討し、添付の図面を参照することにより、より明確に理解され、認識されるであろう。
【００１８】
本開示の一態様によれば、結像光ガイドは、導波路と、入力結合型回折光学素子と、互いに平行に方向付けられた２以上の少なくとも半反射性の表面のアレイと、出力結合型回折光学素子と、を有する。入力結合型回折光学素子は、それぞれが虚像の画素（pixel）を表す複数の光ビームを導波路に導く。２以上の少なくとも半反射性の表面のアレイは、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを第１次元において拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向ける。出力結合型回折光学素子は、第２次元において像担持光ビームを拡大し、導波路からの像担持光ビームをビューアーアイボックスに向ける。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回折型ビーム拡大器として構成された単眼式の結像光ガイドの１つの可能な構成を簡略化された断面で示す概略図である。
【００２０】
【図２】転換格子を有する回折型ビーム拡大器として構成された結像光ガイドを示す斜視図である。
【００２１】
【図３】本開示の実施形態に係る斜視図であって、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子とビーム転換用レフレクタとを用いる、単一方向の拡大のためのハイブリッドビーム拡大器として構成された結像光ガイドを示す。
【００２２】
【図４】本開示の実施形態に係る斜視図であって、入力結合型回折光学素子、出力結合型回折光学素子及びビーム転換用レフレクタを用いるハイブリッド２次元ビーム拡大器として構成された結像光ガイドを示す。
【００２３】
【図５Ａ】レフレクターアレイを用いるビーム拡大器を提供する結像光ガイドを示す平面図である。
【００２４】
【図５Ｂ】レフレクターアレイを用いるビーム拡大器を提供する結像光ガイドを示す平面図であって、入射像の領域点の拡大された部分も示す。
【００２５】
【図６Ａ】勾配レフレクターアレイを使用する結像光ガイドを示す平面図である。
【００２６】
【図６Ｂ】勾配レフレクターアレイがどのように動作するかを示す概略図である。
【００２７】
【図６Ｃ】勾配レフレクタの例示的な領域を示す平面図である。
【００２８】
【図６Ｄ】勾配レフレクターアレイを有するビーム拡大器として構成された結像光ガイドを示す斜視図である。
【００２９】
【図７】本開示の結像光ガイドを用いた拡張現実視のためのディスプレイシステムを示す斜視図である。
【００３０】
【図８】勾配レフレクターアレイを用いた、本開示の他の実施形態を示す概略図である。
【発明の詳細な説明】
【００３１】
本説明は、特に、本発明による装置の一部を形成する要素、又は本発明による装置とより直接的に協働する要素に関する。特に示されず、記載されていない要素は、当業者に周知のさまざまな形態をとり得ることが理解されるであろう。
【００３２】
本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」などの用語は、必ずしも序数的、逐次的、又は優先順位の関係を示すものではなく、別段の定めがない限り、ある要素又は要素の集合を別のものとより明確に区別するために単に用いられる。
【００３３】
本開示の文脈において、「観者」、「オペレータ」、「観察者」及び「ユーザ」という用語は、同等であると見なされ、ＨＭＤ視覚装置を装着する人を指す。
【００３４】
本明細書で使用される場合、「稼働可能」という用語は、電力を受け取ったときに、及び任意に許可信号（enabling signal）を受け取ったときに、指示された機能を実行する１つの装置又は構成要素の集合に関係している。
【００３５】
本明細書で使用される「集合（set）」という用語は、要素の集まり又は集合の元の概念が基本数学において広く理解されているように、空でない集合を指す。特に明記しない限り、「部分集合（subset）」という用語は、空でない適切な部分集合、即ち、１又は複数の元を有する大きな集合の部分集合を指すために本明細書では使用される。集合Ｓについて、部分集合は完全集合Ｓを含むことができる。しかし、集合Ｓの「真部分集合」は、集合Ｓに厳密に含まれ、集合Ｓの少なくとも１つの元を除外する。
【００３６】
本開示の文脈において、「斜めの（oblique）」という用語は、９０度の整数倍ではない角度を意味する。例えば、２つの、線、線形構造又は平面は、それらが平行から少なくとも約５度以上離れた角度で、又は直交から少なくとも約５度以上離れた角度で、互いに発散する（それる）か又は収束する（近づく）場合には、互いに斜めであると見なされる。
【００３７】
本開示の文脈において、「反射率」は、表面から反射された光の強度と、考慮されるスペクトルにわたって表面に入射する光の比に基づく百分率として表される。
【００３８】
本開示の文脈において、「結合された」という用語は、２つ以上の部品間の物理的な、関連付け、接続、関係、又は連結を指すことを意図しており、その結果、ある部品の配置がその部品が結合される部品の空間的配置に影響を与える。機械的結合の場合、２つの部品は直接接触する必要はなく、１つ又は複数の中間部品を介して連結することができる。光学的結合のための部品は、光エネルギーが光学装置に入力され又は光学装置から出力されることを可能にする。「ビーム拡大器（beam expander）」及び「瞳拡大器（pupil expander）」という用語は、同義語であると見なされ、本明細書では互換的に使用される。
【００３９】
実像投影の代替として、光学システムは虚像ディスプレイを生成することができる。実像を形成する方法とは異なり、虚像は表示面には形成されない。すなわち、もし表示面が虚像の知覚された位置に配置されれば、その面には画像が形成されないだろう。虚像ディスプレイは拡張現実感ディスプレイにいくつかの固有の利点を有する。例えば、虚像の見かけ上のサイズは、表示面のサイズ又は位置によって限定されない。また、虚像のソースオブジェクトは小さくてもよく、簡単な例として、虫めがねは対象物の虚像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、遠くにあるように見える虚像を形成することにより、より現実的な視覚体験を提供することができる。虚像を提供することにより、実像を投影するときに必要とされるスクリーンのような人工物を補う必要はなくなる。
【００４０】
回折を用いて、虚像ディスプレイを提供する結像光ガイドの内部の光を観者に向ける以前の導波路の実施形態とは異なり、本開示の結像光ガイドの実施形態は、回折よりむしろ反射を用いて導波路内の回折光の方向を向け直し、一方向に瞳を拡大している。この構成により、効率性と明るさの改善及び画像ソースの向きに関する制約条件の緩和が、結像光ガイドにもたらされる。
【００４１】
図１は、回折型ビーム拡大器、又は導波路２２で形成された射出瞳拡大器として構成された、従来の単眼式の結像光ガイド１０の１つの可能な構成を簡略化された断面で示す概略図である。導波路２２は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯのような入力結合と、出力結合型回折光学素子ＯＤＯのような出力結合とを組み込んでいる。これら入力結合及び出力結合は、透明かつ平坦な導波路基板Ｓ上に構成されている。この例では、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、導波路基板Ｓの上面に配置された反射型回折光学素子として示されている。しかし、入力光ビームＷＩが最初に導波路基板Ｓに作用する限り、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、代わりに、導波路基板Ｓの下面１２に配置された透過性回折光学素子でもよい。回折光学素子は、導波路２２上に、内部に、接して、若しくは隣接して形成され、又は光学的に結合されてもよい。回折光学素子は、回折格子、体積ホログラム、若しくは他のホログラフィックパターン要素、又は、罫線状の若しくは他の周期的な配列を有する他のタイプの光学的構成要素として形成されてもよく、入射する像担持光を導波路２２の内部若しくは外部に回折する。体積ホログラムは、ホログラフィック高分子分散液晶(HPDLC)のような、屈折率の変化する代わりの材料で形成することができる。
【００４２】
仮想ディスプレイシステムの一部として使用される場合、入力結合型回折光学素子１１０は、適切な前行程の光学素子（図示せず）を経た、撮像素子からの複数の角度的に関連した入射像担持光ビームＷＩの各々を、導波路２２の基板Ｓに結合する。入力光ビームＷＩは、入力結合型回折光学素子１１０によって回折される。例えば、一次回折光は、角度的に関連した一連のビームＷＧとして基板Ｇに沿って伝搬し、図１のシステムの右方に向かって、出力結合型回折光学素子１２０に向かって移動する。格子又は他のタイプの回折光学素子の間で、光は、全反射(Total Internal Reflection)(TIR)によって導波路２２に沿って導かれるか、又は方向付けされる。出力結合型回折光学素子１２０は、伝搬する光ビームＷＧとの多重の回折遭遇によって、その長さに沿った、すなわち図１の視座におけるｘ軸に沿ったビーム拡大に寄与し、回折された光を各遭遇から観察者の目の意図された位置に向かって外側に向ける。
【００４３】
図２の斜視図は、公知のビーム拡大器として構成された結像光ガイド２０を示す。このビーム拡大器２０は、中間の転換格子ＴＧを用いて入力結合型回折光学素子１１０から出力された光（第１の回折モード）を出力結合型回折光学素子１２０に向け直して、ｘ軸及びｙ軸に沿うビーム拡大を提供している。図２の装置では、周期ｄの周期的な罫線を有する入力結合型回折光学素子１１０は、角度的に関連して入射する入力光学ビームＷＩを、角度的に関連したビームＷＧの集合として導波路２２内に回折し、初期方向における全反射によって中間転換格子ＴＧに向かって伝搬させる。中間格子ＴＧは、「転換格子」と呼ばれる。理由は、その格子ベクトルによりビームＷＧを導波路２２内から出力結合型回折光学素子１２０に向かう方向に向け直し、これにより、入力結合型回折光学素子１１０の格子ベクトルと出力結合型回折光学素子１２０の格子ベクトルの間の角度差を構成するという、光学経路における機能によるからである。中間格子ＴＧは、回折要素の角度方向と間隔周期ｄで決定される間隔構造を有し、内側で反射されたビームＷＧの方向を向け直すだけでなく、光ビームＷＧとの多重の回折遭遇により、伝搬の初期方向に沿った、すなわち図２の視座におけるｙ軸に沿った、直交するビーム拡大にも寄与する。出力結合型回折光学素子１２０は、光ビームＷＧとの多重の回折遭遇により、向け直された伝搬方向に沿った、すなわち図２の視座におけるｘ軸に沿った、直交するビーム拡大にも寄与する。
【００４４】
格子ベクトルは、一般にｋで示され、カラーチャンネル内の光に特有のものである場合には下付き文字で示される。格子ベクトルは、導波路表面の平面に平行に延びるとともに、入力結合型回折光学素子１１０及び出力結合型回折光学素子１２０のそれぞれの周期性の方向にある。
【００４５】
結像に使用される光ガイドの設計の考慮において、導波路内を移動する像担持光は、入力結合のメカニズムが格子、ホログラム、プリズム、ミラー又は他の何らかのメカニズムを使用するかどうかにかかわらず、入力結合型光学素子によって効率的にエンコードされるということに留意すべきである。入力で生じる、光のあらゆる反射、屈折及び／又は回折は、観者に提示される虚像を再構成するために出力によって、相応にデコードされなければならない。
【００４６】
転換格子ＴＧは、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子１１０、１２０のような、入力結合と出力結合との間の中間位置に置かれる。転換格子ＴＧは、エンコードされた光におけるあらゆる変化を最小化するように通常は選択される。そのため、転換格子のピッチは、好ましくは、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子１１０、１２０のピッチに一致する。また、転換格子の向きを入力結合型及び出力結合型の回折光学素子１１０、１２０に対して約６０度に合わせて、エンコードされた光線束が転換格子ＴＧの第１次の反射次数の１つによって１２０度転換されるような方法で、虚像は保たれる。転換格子ＴＧの回折効果は、転換格子の格子ベクトルに平行な入射光のベクトル成分上で最も顕著である。そのように配置された転換格子は、虚像のエンコードされた角度情報へのあらゆる変化を最小限に抑えながら、ガイド基板内で光線束の方向を向け直す。このように設計されたシステムで結果として得られる虚像は、回転されない。このようなシステムが何らかの回転を虚像に導入した場合、回転の効果は異なる視野角及び光の波長にわたって不均一に分布することがあり、結果として得られる虚像に望ましくない歪み又は色収差を引き起こす。
【００４７】
本明細書に記載の特定の実施形態について想定される転換格子ＴＧの使用により、光ガイド２０の設計に固有の幾何学的精度が保持される。これにより、入力ビーム及び出力ビームは、互いに対称的に方向付けられる。適切な格子ＴＧ間隔及び方向性を用いて、格子ベクトルｋは、光を入力結合型回折光学素子１１０から出力結合型回折光学素子１２０に向ける。留意すべきは、結像光ガイドビューアに形成される像は、無限遠又は少なくとも光ガイド２０の正面に焦点が合った虚像であるが、入力像コンテンツに対する出力像コンテンツの相対的な向き(orientation)が保持されている、ということである。x-y平面に対する入射光ビームＷＩの、z軸まわりの回転又は角度方向、における変化により、出力結合型回折光学素子（ＯＤＯ）１２０からの出射光の、回転又は角度方向における対応する対称的な変化を引き起こすことができる。像の向きの観点から、転換格子ＴＧは、一種の光リレーとして機能するように意図されており、入力結合型回折光学素子（ＩＤＯ）１１０を介して入力され、出力結合型回折光学素子（ＯＤＯ）１２０に方向を向け直される像の、一つの軸に沿う拡大を提供する。転換格子ＴＧは、一般的には、傾斜した若しくは四角形の格子であり、又は、代替として、ブレーズド格子(blazed grating)であってもよい。光を出力結合型回折光学素子１２０に向けて転換するために反射面を代わりに用いてもよい。
【００４８】
図２の構成を使用する場合、２つの異なる次元のビーム拡大が提供される。転換格子ＴＧは、入力結合型回折光学素子１１０からの回折されたビームを図示のようにｙ方向に拡大する。出力結合型回折光学素子１２０は、図示のように、その回折されたビームをｙ方向と直交するｘ方向にさらに拡大する。
【００４９】
図２に示す、公知の結像光ガイド２０は、観者にイメージコンテンツを提供するための、いくつかの既存の頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）の設計に使用されてきた。このタイプのビーム拡大器は、透明な結像光ガイドを通して見える現実世界の視界にイメージコンテンツを重ね合わせることができる拡張現実アプリケーションに特によく適している。
【００５０】
転換格子の角度に関する性能は、制限される可能性がある。転換格子は、正しく設計された場合、せいぜい単一の視界角及び単一の波長では、理想的な解決策となり得る。実際に光を方向転換する反射屈折配列の効率曲線は、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子の効率曲線と同様の特性を有する。システムを伝搬する、中心視野角にある設計波長の光線は、効率よく入力結合され（回折光学素子ＩＤＯ）、効率よく転換され１次元で拡大され（格子ＴＧ）、効率よく出力結合され直交する次元で拡大される（回折光学素子ＯＤＯ）。同じ波長であるが、末端の視野点からの同様の光線は、逆に、効率的でなく入力結合され、効率的でなく転換され、効率的でなく出力結合される。これにより、画角全体にわたるバランス性能、カラーバランス、及び輝度における困難が生じる。
【００５１】
例えばピコプロジェクタのような従来の携帯型投影装置は、一般的に９：１６の高さ幅比でイメージコンテンツを提供する。従来の結像光ガイド設計の角度範囲の制約は、同様にして、プロジェクタ装置の許容される姿勢を抑制し、一般的に、例えばＨＭＤにおけるピコプロジェクタ装置のコンパクトなパッケージングを妨げる。更なる制約として、前に言及したとおり、全体的な光効率が制限される。
【００５２】
本開示の実施形態は、拡大された観察瞳(view pupil)又はアイボックスを有する虚像を形成する光学システムを提供する。この光学システムは、単一の平面導波路の構成要素の形式の結像光ガイドを含む。平面導波路の構成要素は、次のものを有する。(i) 入射する像担持光ビームを受け、少なくとも、入射する光ビームからの一次回折光を、全反射を用いて平坦な構成要素に沿うように向ける入力結合型回折光学素子ＩＤＯのような入力結合要素。(ii) それぞれの像担持光ビームを、ビームの伝搬方向に対して横方向の第１方向に拡げ、像担持光ビームを外に向けて虚像を形成する出力結合型回折光学素子ＯＤＯのような出力結合要素。(iii) 少なくとも第１及び第２の平行な、反射率を互いに異ならせた反射性の表面を有するレフレクターアレイ。レフレクターアレイは、各像担持光ビームを、ビームの伝搬方向に対して横方向であって第１方向と直交方向の第２方向に拡大するとともに、入力結合型回折光学素子からの回折光を出力結合型回折光学素子に向ける角度に配置されて虚像を形成する。回折光学素子が使用される場合、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯは、それぞれ好ましくは、同じ回折周期を有する。
【００５３】
ビーム拡大器として構成された結像光ガイドの全体的な効率を高めるのを助けるために、本開示の実施形態は、導波路基板の内部に入れられ、導波路基板に取り付けられ、又は導波路基板の一部として形成された１つ又は複数の反射面を使用し、転換及びy軸に関するビーム拡大機能を実行している。第１の例示的な実施形態として、図３は、レフレクタ３６を使用して出力ビームを転換する、導波路基板Ｓ上にビーム拡大器として構成された光ガイド３０を示す。レフレクタ３６は、導波路基板Ｓの外縁内部に、又は外縁に沿って形成され、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯのそれぞれの周期性の方向の格子ベクトルに適切な角度に配置される。本開示の実施形態によれば、レフレクタ３６は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの格子ベクトルと平行な光を反射し、反射された光が、同様にして出力結合型回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルと平行になるようにする。破線は、結像光ガイド内の回折一次光の光路を示す。破線が示すように、レフレクタ３６は、虚像の向きを変え、この図で文字「Ｒ」で示されるように、虚像コンテンツを効率的に反転させ、レフレクタでの中心視野主光線の入射角の２倍で像を回転させる。上述したように、出力結合型回折光学素子ＯＤＯを用いる図３の構成において、瞳拡大は一方向においてのみ行われる。
【００５４】
図４は、本開示の実施形態に係るビーム拡大器として構成された結像光ガイド３０を示す斜視図である。光ガイド３０は、図２、図３に関して述べたような、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯを有しており、２次元（2-D）ビーム拡大のためのレフレクターアレイ３２を用いる。このタイプの構成は、光ビーム出力をx及びy方向に拡大する。レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃとして図４の実施形態に示す、３つの鏡面反射面を有する。アレイにおけるいくつかの鏡面反射面は半反射性であり、これにより、レフレクタ３４ａへのある入射光は、レフレクタ３４ｂに伝達し、同様に、レフレクタ３４ｂへのある入射光は、レフレクタ３４ｃに伝達する。アレイにおける連続するレフレクタの反射率は、レフレクタが入力結合型又は出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯからさらに離れるにつれて増加する。一連における一番後の又は最後尾のレフレクタ、図４の例におけるレフレクタ３４ｃは、一般的に１００%の公称反射率を有する。
【００５５】
拡大された瞳における光の均一な分布を提供するために、レフレクターアレイ３２の連続したレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、異なる量の反射率を有することができ、逆に言うと、異なる量の透過率を有することができる。吸収を伴わない５レフレクタの実施形態の例示的な値を以下の表に示す。
【００５６】
2019507370.tif 000003
【００５７】
図５Ａは、レフレクターアレイ３２を使用する場合に、中心視野点の軸光路を入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力結合型回折光学素子ＯＤＯへトレースするビーム拡大器  として構成された結像光ガイド４０の平面図である。図５Ａの例において、レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄとして示される４つの反射面を有する。
【００５８】
図５Ａの実施形態に関して、ビーム拡大は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに透過された光の反射によってだけでなく、反射光の一部がレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄによってさらに反射されることによっても生じる。したがって、同じ光は、透過又は反射の条件下で、同じ個々のレフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに複数回遭遇する可能性がある。この多重反射の一部が示されている。図５Ａに示すように、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、両面で反射性であるので、平行な反射面の各組み合わせの間で光の減少部分が伝搬する。それぞれの表面の各々について指定された反射率は、これら付加的な反射を構成する。レフレクタ自体や目標出力格子領域を越えた光伝搬によるのと同様に、吸収による若干の不可避の損失が生じることにも注意する必要がある。
【００５９】
レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及び３４ｄの反射面間の間隔は、それぞれの拡大されたビームにわたって所望の強度プロファイルを維持するための別の考慮事項である。例えば、個々の（ピクセル）ビームを、隣接するビームレットとの近接オーバーラップ領域を越えて逸れたビームレットに分割して、アイボックス内で視認可能な像におけるギャップや輝度変動を回避することは、望ましくない。適切な反射率と反射面間の間隔はまた、複数のビームレットからなる拡大された個々の（ピクセル）ビームにわたって所望のエネルギー分布を生成することができる。一般に、レフレクタ表面間の距離は、ガイド基板Ｓの厚さの約２．５倍を超えてはならない。
【００６０】
図５Ｂは、光が垂直入射であって、中心視野点から離れた視野点の方向転換を示すように変更されたビーム拡大器として構成された結像光ガイド４０の平面図である。レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及び３４ｄのそれぞれには、光の同じ角度の入射が適用される。
【００６１】
図６Ａは、結像光ガイド２２を用いるビーム拡大器として構成される結像光ガイド５０の代替の実施形態を示し、結像光ガイド５０は、勾配レフレクターアレイ４２によって提供されるボックス構成において２つのレフレクタ４４ａ及び４４ｂのみを用いて可変量の反射率を提供する。レフレクタ４４ｂは、１００%の可視光の公称反射率を有する標準ミラーである。レフレクタ４４ａは、その長さに沿って反射率を変化させる勾配コーティングを有し、ビーム拡大を提供するためにレフレクターアレイ４２の内部の反射光を分配する。「勾配反射率」という語句は、反射率値が徐々に、好ましくは連続的に増加又は減少するように変化することを指すが、製造又は光学的性能のために好ましいように反射率におけるより漸進的変化を含むこともできる。本開示の実施形態によれば、レフレクタ４４ａの長さ部分にわたる勾配反射率は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率までの範囲にわたって単調に連続的に変化する。他の範囲も提供することができる。
【００６２】
図６Ｂは、わかりやすくするために、図６Ａの結像光ガイド２２の詳細の一部を選択的に省略した概略図であって、勾配レフレクターアレイ４２が、連続して構成された可変透過領域を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの光を繰り返し反射しながら、どのように動作するかを示している。入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力された回折光は、最初に、レフレクタ４４ａの全透過性領域４６ａを通過し、その光をレフレクタ４４ａの方に戻すように向けるレフレクタ４４ｂによって反射される。レフレクタ４４ａの半透過性領域４６ｂは、例として、レフレクタ４４ａの長さに沿って７５%の反射率から５０%未満の反射率の範囲の反射勾配を提供するようにコーティングされている。レフレクタ４４ａを透過する光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって外側に向けられる。レフレクタ４４ｂは、領域４６ｂから反射された入射光を、半透過性領域４６ｂに向けて戻すように、例えばこの例における６６%の反射率のように、反射率の低いレフレクタ４４ａのセグメントの向こう側に向けて、反射する。６６%の反射率であるレフレクタ４４ａの部分を越えて、約1/3の入射光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯの別の部分に透過される。減少する光量は、レフレクタ４４ａと４４ｂとの間で往復して繰り返し反射され、入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの像担持光の最後の残りが、勾配レフレクタ４４ａを介して回折光学素子ＯＤＯに伝達されるまで繰り返される。
【００６３】
勾配レフレクタ４４ａの領域４６ａ及び４６ｂの１つの可能な全体構成を、図６Ｃの側面図で示す。破線は、勾配レフレクタ４４ａに沿った反射率の局所値を示す。図６Ｄは、ビーム拡大器として構成された結像光ガイド６０を斜視図で示している。レフレクタ４４ｂは、図示した例では、結像光ガイド２２の縁に沿って形成されている。図６Ａから図６Ｄの例に与えられた反射率値は、勾配レフレクタ４４ａの反射率を変化させる一般的な原理を示しているが、限定的と見なされるべきではないことは、容易に理解できる。あらゆる実施形態で実際に使用される反射率値は、光損失量、コーティング許容値、及び他の性能変数を含む様々な要因に依存し得る。代わりに、均一な反射率値を有し、レフレクタ４４ａの長さに沿って変化する小領域を設けることができる。
【００６４】
レフレクターアレイ４２の勾配反射率は、傾斜角に影響を受ける付加的な自由度を提供することができる。個々の（ピクセル）ビームを単純に拡大することは、アイボックスを拡大するのに役立つが、拡大されたビームはアイボックスで完全には交差しないので、一般的なアイボックスは、個々の拡大されたビームのサイズよりもずっと小さいままである。アイボックスでより完全に交差するために、異なる方向に伝搬する個々のビームは、出力格子内の異なる位置から出なければならない。一次元における交差（すなわち、重なり）の可能性を改善するために、ある角度のビームは、出力格子の一方の側へ他方の側よりもより向けることができる。これを行うために、勾配反射面を、他の入射角よりも特定の入射角の光に選択的により反射性があるようにすることができる。これにより、異なる角度が、出力格子の異なる側に向けられる。この方法の使用は、個々の（ピクセル）ビームが２次元で角度エンコードされることによって複雑になる。したがって、反射感度は、次元の１つに限定されるべきである。
【００６５】
最良の性能を得るために、ビーム拡大器光学系は、各個別の（ピクセル）ビームにそれ自身の横方向エネルギー分布を提供する。これにより、エネルギーの大部分がアイボックスに到達し、ビームの重なり合わない部分はより少ないエネルギーしか含まない。アレイ３２及び４２の反射面は、相対的にオフセットされたビームレットの個々の集まりとして、出力個別（ピクセル）ビームを構成し、各ビームレットは、強度及び位置の双方で変化可能である。本開示の実施形態は、反射中間ビーム拡大器が少なくとも９０度にわたる角度の範囲を介して光を出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向けることを可能にする。この光は、像の直交軸に沿って、又は、図５Ａに示すような斜めの角度のような中間のどこかに沿って、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに近づくことができる。傾斜角度での方向づけの機能は、部品の位置決め及びパッケージングに有利であり得る。さらに、レフレクターアレイ３２，４２は、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ及びＯＤＯの間で中心視野光線を傾斜角度で相互接続することができ、その間に、像の直交軸x，yの１つとの配列を維持し、特に出力結合型回折光学素子で維持する。
【００６６】
図７の斜視図は、本開示の結像光ガイドを使用する３次元（３−Ｄ）拡張現実視のためのディスプレイシステム６０を示す。ディスプレイシステム６０は、ＨＭＤとして示されており、左眼用ビーム拡大器として構成された結像導波路５０ｌを有する左眼光学システム５４ｌと、対応する、右眼用ビーム拡大器として構成された結像光ガイド５０ｒを有する右眼光学システム５４ｒと、を備えている。上述したように、ピコプロジェクタや同様の装置などの画像ソース５２が提供可能であり、正立像表示のために必要な像方向を有する虚像として形成される各眼に別個の像を生成するよう稼働可能である。生成される像は、３−Ｄ視のための立体的な対の像であり得る。光学システムによって形成された虚像は、観者によって見られる現実世界のシーンに重ね合わされて又は覆われているように見え得る。拡張現実感視覚化技術の当業者によく知られた追加の構成要素、例えば、シーンコンテンツを観るためにＨＭＤのフレームに搭載された１つ又は複数のカメラや、観者視線追跡なども提供することができる。
【００６７】
図８の平面図は、勾配レフレクターアレイ４２を用いる結像光ガイド２２の他の実施形態を示す。この構成により、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、１００%の反射率のレフレクタ４４ｂに向かって、他の実施形態よりもより近接して配置され、勾配反射性レフレクタ４４ａと一直線上にあり、勾配反射性レフレクタ４４ａと一致する線Ｌ１は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと交差する。レフレクタ４４ａ及び４４ｂは、周期性の方向に延在する、入力結合型回折光学素子ＩＤＯのｋベクトル又は格子ベクトルに対して４５度にある。
【００６８】
本明細書に記載された実施形態は、入力結合及び出力結合の機能のために回折光学素子を使用し、従来の導波路に使用される。入力結合及び出力結合は、例えば、角度エンコードされたビームを結像導波路に出し入れして所望のビーム拡大を提供する反射のような、回折以外のメカニズムを使用することができることに留意しなければならない。
ビーム拡大器製造
【００６９】
レフレクターアレイ３２又は勾配レフレクターアレイ４２を形成するレフレクタは、二色性コーティング、金属化コーティング、又は二色性及び金属化のコーティングの組み合わせを使用して形成することができる。瞳拡大装置では、レフレクターアレイ３２を形成する方法は、ガラス又は他の透明基板の個々のピースをコーティングし、これらの部分を繋ぎ合わせてビーム拡大器を部分品で形成することを含むことができる。
【００７０】
結像光ガイドは、好ましくは、別々に分けて製造される。平行な表面（結像光ガイドの外面に垂直）を最初に切断し、研磨することができる。そのブロックは、複数の結像光ガイドの厚みであってもよく、コーティングされ、組み立てられるが、理想的には、屈折率を整合させた接着剤を使用する。この組み立てプロセスは、自動コリメータのもとで又は再帰反射スポットを用いて、実施することができ、適切なアラインメントを維持する。角度アラインメントの精度は、１つの虚像ピクセルの角度広がりの1/4程度であり得る。より精密な解像度を達成するには、より正確な製造プラクティスが必要になる。
【００７１】
位置合わせされた表面のブロックは、これらの面に対して垂直に切断され、結像光ガイドの外面を画定する。ガラスの各ブロックは、複式遊星研磨装置のもとで高品質平面として研磨され、ブランクを形成する。研磨されたブランクは好ましくは１分（one arc minute）より優れた平行度を有する。
【００７２】
結像光ガイドの最終的な外形は、ブランクから適切な方法で切断することができる。
【００７３】
ガラスの結像光ガイドブランクの適切な表面処理の後、例えば、ナノインプリント法を使用して、回折光学素子を結像光ガイドの一方又は双方の外面上に形成することができる。
【００７４】
本明細書で説明するのと同じ方法が、特定のコーティングにおいて及び整列を要する表面の数において差異のある、図４の例によって示される複数の半反射表面システム及び図６Ａに示す勾配レフレクターシステムを使用する実施形態に適用される。
【００７５】
結像光ガイドは、本開示の実施形態を参照して説明したように、光学ガラスなどの平坦な基板で形成することができる。例えば、本開示の実施形態は、平坦な導波路に形成された結像光ガイドを提供する。この結像光ガイドは、基板上に形成された入力結合型回折光学素子及び２つ以上の反射面のアレイを有する。この入力結合型回折光学素子は、虚像のピクセルを表す各入射光ビームから一次回折光を形成するように配置される。上記アレイを構成する反射面は、上記基板に沿って又は上記基板内に平行に配置される。２つ以上の反射面のうちの少なくとも１つは、上記入力結合型回折光学素子から形成された一次回折光の経路に置かれる。２つ以上の反射面は、入力結合型回折光学素子から形成された一次回折光を出力結合型回折光学素子に向ける角度で配置される。この出力結合型回折光学素子は、光を結像光ガイドから外向きに向けるよう配置される。出力結合型回折光学素子及び入力結合型回折光学素子は、好ましくは同じ格子周期を有し、２つ以上の反射面の各々は、異なる反射率を有する。
【００７６】
入力光ビームＷＩに提供される入力像と同じ方向を有する出力像を提供するビーム拡大器の形態で光ガイドを製造することが有利であり得る。また、高さの低いビーム拡大器には利点がある。図９の斜視図及び図１０Ａの平面図は、ビーム拡大器として構成された光ガイド７０を示し、光ガイド７０は、これら利点を提供するために勾配ミラーアレイ４２を使用している。入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの像担持光ビームは、一般に、その格子ベクトルｋの方向に沿って勾配ミラーアレイ４２に向けられる。勾配ミラーアレイ４２は、図示されている座標系のｙ方向に光ビームを拡大し、拡大された光ビームを出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向ける。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと同じ格子方向を有している（すなわち平行である）。したがって、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子の、格子ベクトルｋ及びｋ１は、それぞれ同様に平行である。
【００７７】
図１０Ａから図１０Ｃに最もよく示されるように、勾配ミラーアレイ４２を通る光路は光を方向付ける。これにより、各像担持光ビームの第１の部分がレフレクターアレイを直接に透過し、且つ各ビームの像担持光の残りは、ミラーアレイ４２の２以上の少なくとも半反射性の表面４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって偶数回（２回の反射、４回の反射、６回の反射等）反射される。
【００７８】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの相対位置に基づいて、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに対して異なる傾斜角度で配置された勾配ミラーアレイ４２を示す。図１０Ｃは、像担持光ビームをｙ軸方向に拡大するための３以上の反射面４４ａ，４４ｂ，４４ｃを有するミラーアレイ４２を示す。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、像担持光をｘ軸方向に対して拡大する。
【００７９】
本発明は、現在の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲内で変形及び修正が可能であることは理解されるであろう。したがって、ここに開示された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的でないと見なされる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示され、その等価物の意味及び範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。
【図１】
2019507370.tif 000004
【図２】
2019507370.tif 000005
【図３】
2019507370.tif 000006
【図４】
2019507370.tif 000007
【図５Ａ】
2019507370.tif 000008
【図５Ｂ】
2019507370.tif 000009
【図６Ａ】
2019507370.tif 000010
【図６Ｂ】
2019507370.tif 000011
【図６Ｃ】
2019507370.tif 000012
【図６Ｄ】
2019507370.tif 000013
【図７】
2019507370.tif 000014
【図８】
2019507370.tif 000015
【図９】
2019507370.tif 000016
【図１０Ａ】
2019507370.tif 000017
【図１０Ｂ】
2019507370.tif 000018
【図１０Ｃ】
2019507370.tif 000019
【誤訳訂正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００１８
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００１８】
本開示の一態様によれば、結像光ガイドは、導波路と、入力結合型回折光学素子と、互いに平行に方向付けられた２以上の少なくとも部分反射性の面のアレイと、出力結合型回折光学素子と、を有する。入力結合型回折光学素子は、それぞれが虚像の画素（pixel）を表す複数の光ビームを導波路に導く。２以上の少なくとも部分反射性の面のアレイは、入力結合型回折光学素子からの像担持光ビームを第１次元において拡大し、拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向ける。出力結合型回折光学素子は、第２次元において像担持光ビームを拡大し、導波路からの像担持光ビームをビューアーアイボックスに向ける。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００５４
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００５４】
図４は、本開示の実施形態に係るビーム拡大器として構成された結像光ガイド３０を示す斜視図である。光ガイド３０は、図２、図３に関して述べたような、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯを有しており、２次元（2-D）ビーム拡大のためのレフレクターアレイ３２を用いる。このタイプの構成は、光ビーム出力をx及びy方向に拡大する。レフレクターアレイ３２は、レフレクタ３４ａ，３４ｂ，３４ｃとして図４の実施形態に示す、３つの鏡面反射面を有する。アレイにおけるいくつかの鏡面反射面は部分反射性であり、これにより、レフレクタ３４ａへのある入射光は、レフレクタ３４ｂに伝達し、同様に、レフレクタ３４ｂへのある入射光は、レフレクタ３４ｃに伝達する。アレイにおける連続するレフレクタの反射率は、レフレクタが入力結合型又は出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯからさらに離れるにつれて増加する。一連における一番後の又は最後尾のレフレクタ、図４の例におけるレフレクタ３４ｃは、一般的に１００%の公称反射率を有する。
【誤訳訂正３】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００６２
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００６２】
図６Ｂは、わかりやすくするために、図６Ａの結像光ガイド２２の詳細の一部を選択的に省略した概略図であって、勾配レフレクターアレイ４２が、連続して構成された可変透過領域を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの光を繰り返し反射しながら、どのように動作するかを示している。入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力された回折光は、最初に、レフレクタ４４ａの全透過性領域４６ａを通過し、その光をレフレクタ４４ａの方に戻すように向けるレフレクタ４４ｂによって反射される。レフレクタ４４ａの部分透過性領域４６ｂは、例として、レフレクタ４４ａの長さに沿って７５%の反射率から５０%未満の反射率の範囲の反射勾配を提供するようにコーティングされている。レフレクタ４４ａを透過する光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって外側に向けられる。レフレクタ４４ｂは、領域４６ｂから反射された入射光を、部分透過性領域４６ｂに向けて戻すように、例えばこの例における６６%の反射率のように、反射率の低いレフレクタ４４ａのセグメントの向こう側に向けて、反射する。６６%の反射率であるレフレクタ４４ａの部分を越えて、約1/3の入射光は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯの別の部分に透過される。減少する光量は、レフレクタ４４ａと４４ｂとの間で往復して繰り返し反射され、入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの像担持光の最後の残りが、勾配レフレクタ４４ａを介して回折光学素子ＯＤＯに伝達されるまで繰り返される。
【誤訳訂正４】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００７４
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００７４】
本明細書で説明するのと同じ方法が、特定のコーティングにおいて及び整列を要する表面の数において差異のある、図４の例によって示される複数の部分反射性の面システム及び図６Ａに示す勾配レフレクターシステムを使用する実施形態に適用される。
【誤訳訂正５】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００７７
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００７７】
図１０Ａから図１０Ｃに最もよく示されるように、勾配ミラーアレイ４２を通る光路は光を方向付ける。これにより、各像担持光ビームの第１の部分がレフレクターアレイを直接に透過し、且つ各ビームの像担持光の残りは、ミラーアレイ４２の２以上の少なくとも部分反射性の面４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって偶数回（２回の反射、４回の反射、６回の反射等）反射される。
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
虚像伝達用結像光ガイドであって、
導波路と、
第１格子ベクトルを有し、上記導波路内に像担持光ビームを向けるように配置された入力結合型回折光学素子と、
平行に向けられ、かつ上記入力結合型回折光学素子からの上記各々の像担持光ビームを第１次元において拡大して上記拡大された像担持光ビームを出力結合型回折光学素子に向けるように配置された、２以上の少なくとも部分反射性の面からなるレフレクターアレイと、を備え、
上記出力結合型回折光学素子は、上記第１格子ベクトルに平行な第２格子ベクトルを有し、かつ、上記各々の像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大して上記導波路からの上記像担持光ビームをビューアーアイボックスに向けるように配置されている、ことを特徴とする虚像伝達用結像光ガイド。
【請求項２】
上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも部分反射性の面は、第１及び第２の面を備え、
上記第１面は部分反射性及び部分透過性を有し、上記第２面は十分な反射性を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項３】
上記第１面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
【請求項４】
上記第１面の上記反射率値は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率まで上記長さに沿って単調に変化することを特徴とする請求項３に記載の結像光ガイド。
【請求項５】
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項６】
上記像担持光ビームの第１の部分が上記レフレクターアレイを直接透過し、
上記像担持光ビームの残りが、上記２以上の少なくとも部分反射性の面によって偶数回反射されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項７】
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つは、体積ホログラムであるか、又はホログラフィック高分子分散液晶から形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項８】
上記少なくとも部分反射性の面の１又は複数は、二色性コーティングを用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項９】
上記レフレクターアレイの上記２以上の少なくとも部分反射性の面は、第３の面をさらに備え、
上記第３の面は、上記第１及び第２の面間に配置され、上記第３の面は、部分反射性及び部分透過性を有し、上記第３の面は、上記第１の面の反射率値より大きい反射率値を有することを特徴とする請求項２に記載の結像光ガイド。
【請求項１０】
上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項１１】
上記レフレクターアレイは、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１に記載の結像光ガイド。
【請求項１２】
平坦な基板に形成され、虚像を伝達する結像光ガイドであって、
a)上記基板に形成され、第１格子ベクトルを有し、かつ、入射する像担持光ビームを回折して上記基板に沿って伝搬させるよう配置された、入力結合型回折光学素子、
b)上記基板に沿って又は上記基板内で平行に配置されている第１及び第２の少なくとも部分反射性の面、及び
c)上記基板に形成され、上記第１格子ベクトルに平行な第２格子ベクトルを有し、かつ、上記像担持光ビームを上記基板から外方に向けるよう配置された、出力結合型回折光学素子、を備え、
上記第１の少なくとも部分反射性の面は、部分反射性であるとともに部分透過性であり、
上記第２の少なくとも部分反射性の面は、より十分な反射性を有し、
上記第１の部分反射性かつ部分透過性の面は、(a)上記第２のより十分な反射性の面によって反射された上記像担持光ビームの一部分を上記第２のより十分な反射性の面に戻すように反射し、(b)上記第２のより十分な反射性の面によって反射された上記像担持光ビームの一部分を上記出力結合型回折光学素子に向けて透過するように、配設されていることを特徴とする結像光ガイド。
【請求項１３】
上記第１の部分反射性かつ部分透過性の面は、長さを有するとともに、少なくとも上記長さの一部に沿って変化する反射率値を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１４】
上記第１の部分反射性かつ部分透過性の面の上記さまざまの反射率値は、１０%未満の反射率から５０%より大きい反射率までの勾配に及ぶことを特徴とする請求項１３に記載の結像光ガイド。
【請求項１５】
上記第１及び第２の少なくとも部分反射性の面は、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように相対的に位置づけられることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１６】
上記出力結合型回折光学素子及び上記入力結合型回折光学素子は、同じ格子周期を有することを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１７】
上記第１及び第２の少なくとも部分反射性の面は、上記各々の像担持光ビームの上記第２の一部分が上記出力結合型回折光学素子への途上で少なくとも近接して重なるような、限られた距離を介して離間していることを特徴とする請求項１２に記載の結像光ガイド。
【請求項１８】
結像光ガイドの製造方法であって、
a)第１の格子周期と第１の格子ベクトルとを有する入力結合型回折光学素子を、平坦な基板に形成するステップと、
b)上記第１の格子周期に等しい第２の格子周期と、上記第１の格子ベクトルに平行な第２の格子ベクトルとを有する出力結合型回折光学素子を、上記平坦な基板に形成するステップと、
c)上記平坦な基板に沿って又は上記平坦な基板のなかに、上記入力結合型回折光学素子からの回折光を上記出力結合型回折光学素子に向けるように配置されるレフレクターアレイを形成するステップと、を含み、
上記レフレクターアレイは、平行に向けられた２以上の少なくとも部分反射性の面で形成され、
上記２以上の少なくとも部分反射性の面の各々は、異なる反射率を有して形成されることを特徴とする、結像光ガイドの製造方法。
【請求項１９】
上記入力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子を、入射する像担持光ビームを上記平坦な基板内に回折してレフレクターアレイに向かって上記基板内を伝搬するように、配置することを含み、
上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記出力結合型回折光学素子を、上記レフレクターアレイから反射されて入射する像担持光ビームを虚像として見ることのために上記平坦な基板から外へ回折するように、配置することを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記レフレクターアレイを形成する上記ステップは、上記入力結合型回折光学素子からの上記像担持光ビームを第１次元において拡大するように上記レフレクターアレイを配置することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記出力結合型回折光学素子を形成する上記ステップは、上記レフレクターアレイからの上記像担持光ビームを上記第１次元と直交する第２次元において拡大するように上記出力結合型回折光学素子を配置することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記入力結合型回折光学素子を形成するステップ、上記出力結合型回折光学素子を形成するステップ、及び上記レフレクターアレイを形成するステップは、上記虚像の中心視野光線を上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で斜めの角度で反射するように上記レフレクターアレイを相対的に位置づけることを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
仮想ディスプレイシステムの一部として使用される場合、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、適切な前行程の光学素子（図示せず）を経た、撮像素子からの複数の角度的に関連した入射像担持光ビームＷＩの各々を、導波路２２の基板Ｓに結合する。入力光ビームＷＩは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯによって回折される。例えば、一次回折光は、角度的に関連した一連のビームＷＧとして基板Ｇに沿って伝搬し、図１のシステムの右方に向かって、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かって移動する。格子又は他のタイプの回折光学素子の間で、光は、全反射(Total Internal Reflection)(TIR)によって導波路２２に沿って導かれるか、又は方向付けされる。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、伝搬する光ビームＷＧとの多重の回折遭遇によって、その長さに沿った、すなわち図１の視座におけるｘ軸に沿ったビーム拡大に寄与し、回折された光を各遭遇から観察者の目の意図された位置に向かって外側に向ける。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図２の斜視図は、公知のビーム拡大器として構成された結像光ガイド２０を示す。このビーム拡大器２０は、中間の転換格子ＴＧを用いて入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力された光（第１の回折モード）を出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向け直して、ｘ軸及びｙ軸に沿うビーム拡大を提供している。図２の装置では、周期ｄの周期的な罫線を有する入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、角度的に関連して入射する入力光学ビームＷＩを、角度的に関連したビームＷＧの集合として導波路２２内に回折し、初期方向における全反射によって中間転換格子ＴＧに向かって伝搬させる。中間格子ＴＧは、「転換格子」と呼ばれる。理由は、その格子ベクトルによりビームＷＧを導波路２２内から出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かう方向に向け直し、これにより、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの格子ベクトルと出力結合型回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルの間の角度差を構成するという、光学経路における機能によるからである。中間格子ＴＧは、回折要素の角度方向と間隔周期ｄで決定される間隔構造を有し、内側で反射されたビームＷＧの方向を向け直すだけでなく、光ビームＷＧとの多重の回折遭遇により、伝搬の初期方向に沿った、すなわち図２の視座におけるｙ軸に沿った、直交するビーム拡大にも寄与する。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、光ビームＷＧとの多重の回折遭遇により、向け直された伝搬方向に沿った、すなわち図２の視座におけるｘ軸に沿った、直交するビーム拡大にも寄与する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
格子ベクトルは、一般にｋで示され、カラーチャンネル内の光に特有のものである場合には下付き文字で示される。格子ベクトルは、導波路表面の平面に平行に延びるとともに、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯのそれぞれの周期性の方向にある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
転換格子ＴＧは、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ、ＯＤＯのような、入力結合と出力結合との間の中間位置に置かれる。転換格子ＴＧは、エンコードされた光におけるあらゆる変化を最小化するように通常は選択される。そのため、転換格子のピッチは、好ましくは、入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ、ＯＤＯのピッチに一致する。また、転換格子の向きを入力結合型及び出力結合型の回折光学素子ＩＤＯ、ＯＤＯに対して約６０度に合わせて、エンコードされた光線束が転換格子ＴＧの第１次の反射次数の１つによって１２０度転換されるような方法で、虚像は保たれる。転換格子ＴＧの回折効果は、転換格子の格子ベクトルに平行な入射光のベクトル成分上で最も顕著である。そのように配置された転換格子は、虚像のエンコードされた角度情報へのあらゆる変化を最小限に抑えながら、ガイド基板内で光線束の方向を向け直す。このように設計されたシステムで結果として得られる虚像は、回転されない。このようなシステムが何らかの回転を虚像に導入した場合、回転の効果は異なる視野角及び光の波長にわたって不均一に分布することがあり、結果として得られる虚像に望ましくない歪み又は色収差を引き起こす。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
本明細書に記載の特定の実施形態について想定される転換格子ＴＧの使用により、光ガイド２０の設計に固有の幾何学的精度が保持される。これにより、入力ビーム及び出力ビームは、互いに対称的に方向付けられる。適切な格子ＴＧ間隔及び方向性を用いて、格子ベクトルｋは、光を入力結合型回折光学素子ＩＤＯから出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向ける。留意すべきは、結像光ガイドビューアに形成される像は、無限遠又は少なくとも光ガイド２０の正面に焦点が合った虚像であるが、入力像コンテンツに対する出力像コンテンツの相対的な向き(orientation)が保持されている、ということである。x-y平面に対する入射光ビームＷＩの、z軸まわりの回転又は角度方向、における変化により、出力結合型回折光学素子ＯＤＯからの出射光の、回転又は角度方向における対応する対称的な変化を引き起こすことができる。像の向きの観点から、転換格子ＴＧは、一種の光リレーとして機能するように意図されており、入力結合型回折光学素子ＩＤＯを介して入力され、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに方向を向け直される像の、一つの軸に沿う拡大を提供する。転換格子ＴＧは、一般的には、傾斜した若しくは四角形の格子であり、又は、代替として、ブレーズド格子(blazed grating)であってもよい。光を出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向けて転換するために反射面を代わりに用いてもよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図２の構成を使用する場合、２つの異なる次元のビーム拡大が提供される。転換格子ＴＧは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯからの回折されたビームを図示のようにｙ方向に拡大する。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、図示のように、その回折されたビームをｙ方向と直交するｘ方向にさらに拡大する。
【国際調査報告】
2019507370.tif 000020
2019507370.tif 000021
2019507370.tif 000022