(57)【要約】構造化光プロジェクタは、第１の波長の光を放出する光源と、非回折状態と回折状態との間で切り替え可能な少なくとも１つの切り替え可能格子と、少なくとも１つの受動格子とを備えている。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第１の時間間隔において均一照明を投影するための第１の格子構成を提供する。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第２の時間間隔において構造化照明を投影するための第２の格子構成を提供する。
2019520595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造化光プロジェクタであって、前記構造化光プロジェクタは、
第１の波長の光を放出する光源と、
非回折状態と回折状態との間で切り替え可能な少なくとも１つの切り替え可能格子と、
少なくとも１つの受動格子と
を備え、
前記切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第１の時間間隔において均一照明を投影するための第１の格子構成を提供し、
前記切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第２の時間間隔において構造化照明を投影するための第２の格子構成を提供する、構造化光プロジェクタ。
【請求項２】
前記第２の格子構成は、前記光を構造化照明に形成するために、振幅または位相変調のうちの少なくとも１つをエンコードする受動格子または切り替え可能格子を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする受動格子もしくは切り替え可能格子、またはパターン化されたマスクとして形成された受動格子のうちの１つを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の格子構成は、２つの切り替え可能格子によって提供され、前記２つの切り替え可能格子は、その回折状態において光をビームに偏向し、前記ビームは、干渉し、構造化照明を提供し、前記第１の格子構成は、その非回折状態における前記切り替え格子のうちの少なくとも１つによって提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧによって提供され、前記第２の格子構成は、その回折状態における前記ＳＢＧと受動透過格子とによって提供され、前記受動透過格子は、一次回折光と、干渉し、構造化照明を提供するゼロ次光とを提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧによって提供され、前記第２の格子構成は、受動透過格子とパターン化されたマスクとによって提供され、前記受動透過格子は、その回折状態における前記ＳＢＧからの一次回折光を回折する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧとパターン化されたマスクとによって提供され、前記第１の格子構成は、その回折状態における前記ＳＢＧからの一次回折光を回折する受動透過格子によって提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
導波管内に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする格子、または前記光を前記導波管の外へ偏向するための切り替え可能ＳＢＧ偏向器と前記光を空間的に変調するために前記導波管の表面に適用されているパターン化されたマスクとの組み合わせのうちの１つを備え、前記第１の格子構成は、均一照明として前記導波管の外へ前記光を偏向するための受動ＳＢＧである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記光を前記導波管の中に取り込むための入力結合器格子または入力結合器プリズムをさらに備えている、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の格子構成は、それぞれ、上側および下側導波管層内に配置され、前記第１の格子構成は、前記上側導波管基板内に配置されたその回折状態における切り替え可能入力格子結合器と、その回折状態における切り替え可能出力格子結合器とを備え、その回折状態における前記切り替え可能入力格子結合器は、前記光を前記上側導波管基板の中に結合し、その回折状態における前記切り替え可能出力格子結合器は、前記上側導波管基板の外へ均一照明を偏向し、前記下側導波管基板は、前記上側導波管基板入力格子結合器および出力格子結合器がそれらの非回折状態にあるとき、前記上側導波管基板の反射表面を通して取り込む、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、受動格子とを備え、前記受動格子は、前記下側導波管基板の外へ構造化照明を偏向するための構造光パターンをエンコードする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の格子構成は、前記下側導波管基板の外へ構造化照明を偏向するために、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、受動格子偏向器と、パターン化されたマスクとを備えている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、前記下側導波管基板の外へ構造化照明を偏向するための交互する受動格子領域とミラー領域との受動構造とを備えている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、受動格子偏向器と、前記下側導波管基板からＳおよびＰ偏光の構造化照明を偏向するために構成されているパターン化されたマスク、ミラー、および４分の１波長板とを備えている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記切り替え可能格子は、切り替え可能ブラッグ格子、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録された切り替え可能格子、または反転モードホログラフィックポリマー分散液晶内に記録された切り替え可能格子のうちの１つであり、前記受動格子は、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録された格子、またはパターン化されたマスクのうちの１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記均一照明または構造照明のうちの少なくとも１つは、屈折、反射、または回折レンズのうちの１つによって成形される、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記時間間隔は、少なくとも部分的に、重なる、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記光は、レーザまたはＬＥＤによって提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
重なる均一照明ビームおよび構造化照明ビームを提供する、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、米国仮出願第６２／３９０，７８１号（２０１６年４月１１日出願、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ  ＬＩＧＨＴ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲＳ」）からの優先権を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（関連出願の引用）
以下の特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に引用される：米国特許第９，０７５，１８４号（名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許第８，２３３，２０４号（名称「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」）、ＰＣＴ出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号（名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号（名称「Ｍ  ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＤＡＴＡ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許出願第１３／３１７，４６８号（名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＥＹＥＧＬＡＳＳ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許出願第１３／８６９，８６６号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＩＤＥ  ＡＮＧＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許出願第１３／８４４，４５６号（名称「ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許出願第１４／６２０，９６９号（名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＧＲＡＴＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥ）、米国仮出願第６２／１７６，５７２号（名称「ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ  ＦＯＣＵＳ  ＴＵＮＡＢＬＥ  ＬＥＮＳ」）、米国仮出願第６２／１７７，４９４号（名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＥＶＩＣＥ  ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ  Ａ  ＬＩＧＨＴ  ＰＩＰＥ」）、米国仮出願第６２／０７１，２７７号（名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ  ＩＮＰＵＴ  ＩＭＡＧＥＳ  ＦＯＲ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１６／０００００５号（名称「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ  ＩＳＯＬＡＴＥＤ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００５００号（名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＦＯＲ  ＨＯＭＯＧＥＮＩＺＩＮＧ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１４／０００２９５号（名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＣＯＮＴＡＣＴ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＩＮＧ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１６／０００００５号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＬＩＧＨＴ  ＦＩＥＬＤ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１６／００００１４号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＬＩＤＡＲ」）、米国特許第８，２２４，１３３号（名称「ＬＡＳＥＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」）、米国特許第８，５６５，５６０号（名称「ＬＡＳＥＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」）、米国特許第６，１１５，１５２号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００００５号（名称「ＣＯＮＴＡＣＴ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲ  ＵＳＩＮＧ  ＳＷＩＴＣＨＡＢＬＥ  ＢＲＡＧＧ  ＧＲＡＴＩＮＧＳ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１２／０００６８０号（名称「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」）、ＰＣＴ出願��ＧＢ２０１４／０００１９７号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＥＲ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号（名称「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号（名称「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧ」）、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１５／０００２７４号（名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲ」）、米国特許第８，９０３，２０７号（名称「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＥＸＴＥＮＤＩＮＧ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＦＩＥＬＤ  ＯＦ  ＶＩＥＷ  ＩＮ  ＨＥＡＤ  ＵＰ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＣＯＭＢＩＮＥＲ」）、米国特許第８，６３９，０７２号（名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国特許第８，８８５，１１２号（名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＥＹＥＧＬＡＳＳ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国仮出願第６２／２８４，６０３号（名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）、米国仮出願第６２／２８５，２７５号（名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」）。
【０００３】
本開示は、照明デバイスに関し、より具体的には、構造化照明を生産するためのホログラフ導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
導波路光学は、現在、ある範囲のディスプレイおよびセンサ用途のために検討されており、それらの用途のために、複数の光学機能を薄く、透明な軽量基板の中に統合する導波路の能力は、非常に重要である。導波管は、眼追跡、指紋走査、およびＬＩＤＡＲ等のセンサ用途のためにも提案されている。Ｐｏｐｏｖｉｃｈ、他による「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国ＵＳ９０７５１８４Ｂ２号は、光源と、ＳＢＧデバイスとを備えている投影ディスプレイデバイスを開示しており、ＳＢＧデバイスは、透明電極が適用された透明基板間に挿入された複数の別個のＳＢＧ要素を備えている。基板は、光導波路として機能する。少なくとも１つの透明電極は、複数の独立して切り替え可能透明電極要素を備え、各電極要素は、唯一のＳＢＧ要素に実質的に重なる。各ＳＢＧ要素は、画像表面上に投影されるべき画像情報をエンコードする。光導波路の中に結合される光は、作動させられたＳＢＧ要素によって光導波路の外へ回折されるまで、全内部反射を受ける。ＳＢＧは、該透明電極を介して印加される電圧を受けると、光導波路の外へ光を回折し、画像領域を画像表面上に形成する。導波管用途におけるブラッグ格子（体積格子とも称される）の利点は、周知である。ブラッグ格子は、高効率を有し、少ない光がより高次に回折される。回折され、ゼロ次における相対的光の量は、格子の屈折率変調を制御することによって変動させられることができ、その性質は、大瞳にわたって光を抽出するための損失性導波路格子を作製するために使用される。格子の１つの重要な種類は、切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）として公知である。ＳＢＧは、最初に、光重合可能モノマーおよび液晶材料の混合物の薄膜を平行なガラスプレート間に設置することによって製作される。一方または両方のガラスプレートは、電場を膜を横断して印加するために、典型的には透明酸化インジウムスズである電極を支持する。体積位相格子が、次いで、液晶材料（多くの場合、シロップと称される）を２つの相互コヒーレントレーザビームを用いて照明することによって記録され、２つの相互コヒーレントレーザビームは、傾斜フリンジ格子構造を形成するように干渉する。記録プロセス中、モノマーが、重合し、混合物が、位相分離を受け、クリアポリマーの領域が介在する液晶微小液滴が高密度に密集した領域を生成する。交互する液晶豊富領域と液晶欠乏領域とが、格子のフリンジ位相を形成する。結果として生じる体積位相格子は、非常に高い回折効率を呈し得、それは、膜を横断して印加される電場の大きさによって制御され得る。電場が、透明電極を介して格子に印加されると、ＬＣ液滴の自然な配向が変化させられ、それによって、フリンジの屈折率変調を低減させ、ホログラム回折効率を非常に低レベルに降下させる。典型的には、ＳＢＧ要素は、３０μｓ以内に切り替えられてクリアにされる。オンに切り替えるために、より長い緩和時間を伴う。デバイスの回折効率は、ある連続範囲にわたって印加される電圧によって調節されることができることに留意されたい。デバイスは、電圧が印加されないと約１００％効率を呈し、十分に高い電圧が印加��れると本質的にゼロ効率を呈する。あるタイプのＨＰＤＬＣデバイス磁場が、ＬＣ配向を制御するために使用され得る。ポリマーからのＬＣ材料のあるタイプのＨＰＤＬＣ位相分離は、判別可能液滴構造が生じないような程度に達成され得る。ＳＢＧは、受動格子としても使用され得る。このモードでは、その主な利点は、独特の高い屈折率変調である。
【０００５】
ＳＢＧは、自由空間用途のための透過または反射格子を提供するために使用され得る。ＳＢＧは、導波管デバイスとして実装され得、その導波管デバイスにおいて、ＨＰＤＬＣが、導波管コア、または導波管に近接して一時的に結合される層を形成する。ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用される平行ガラスプレートは、全内部反射（ＴＩＲ）光誘導構造を提供する。光は、切り替え可能格子がＴＩＲ条件を越える角度で光を回折すると、ＳＢＧの外部で結合される。導波管は、ある範囲のディスプレイおよびセンサ用途において現在着目されている。ＨＰＤＬＣに関する以前の研究の多くは、反射ホログラムを対象としていたが、透過デバイスが、光学システム構築ブロックとしてはるかに多用途となる状態をもたらしている。典型的には、ＳＢＧ内で使用されるＨＰＤＬＣは、液晶（ＬＣ）と、モノマーと、光開始剤染料と、開始剤とを備えている。混合物は、多くの場合、界面活性剤を含む。特許および科学文献は、ＳＢＧを製作するために使用され得る材料系およびプロセスの多くの例を含む。２つの基本特許は、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ、他による米国特許第５，７５１，４５２号である。両願とも、ＳＢＧデバイスを製作するために好適なモノマーおよび液晶材料の組み合わせを説明する。
【０００６】
透過ＳＢＧの公知の属性のうちの１つは、ＬＣ分子が格子フリンジ平面に対して法線に整列する傾向にあることである。ＬＣ分子整列の効果は、透過ＳＢＧがＰ偏光された光（すなわち、入射面内の偏光ベクトルを伴う光）を効率的に回折するが、Ｓ偏光された光（すなわち、入射面に垂直な偏光ベクトルを伴う光）に対してほぼゼロ回折効率を有することである。透過ＳＢＧは、入射および反射された光間の内包角が小さいとき、Ｐ偏光に対する任意の格子の回折効率がゼロまで降下するので、かすめ入射付近では使用され得ない。
【０００７】
構造化光は、コンピュータ生成画像がシームレスに統合され得るように周囲世界をマッピングするための拡張現実（ＡＲ）等の分野において重要である。現在のソリューションは、ウェアラブル用途に好適ではない、コストがかかり、かつ嵩張る設計をもたらす従来のプロジェクタに基づく傾向にある。いくつかの構造化光アプローチは、グリッドパターンおよび連続照明等の構造化照明間で急速に切り替える能力を要求する。効率的データ処理は、２つの照明パターンの有効源が点源に可能な限り近接することを要求する。これは、従来の投影デバイスを用いて満たすことが困難な条件である。
【０００８】
低コストで効率的な構造化光発生器の要件が、存在する。低コストで効率的な構造化光発生器のためのさらなる要件は、構造化光ビームと均一照明ビームとの間で急速に切り替わることができ、２つのビームが、実質的に共通有効源を有することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第９，０７５，１８４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９４２，１５７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７５１，４５２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の目的は、低コストで効率的な構造化光発生器を提供することである。本発明のさらなる目的は、構造化光ビームと均一照明ビームとの間で急速に切り替わることができ、２つのビームが、実質的に共通効果的源を有する低コストで効率的な構造化光発生器を提供する。
【００１１】
本発明の目的は、図面を参照して以下の明細書に説明される本発明の実施形態において達成される。本発明の目的は、構造化光プロジェクタが、第１の波長の光を放出する光源と、非回折状態と回折状態との間で切り替え可能な少なくとも１つの切り替え可能格子と、少なくとも１つの受動格子とを備えている第１の実施形態において達成される。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第１の時間間隔において均一照明を投影するための第１の格子構成を提供する。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第２の時間間隔において構造化照明を投影するための第２の格子構成を提供する。いくつかの実施形態では、時間間隔は、少なくとも部分的に、重なる。いくつかの実施形態では、光源は、レーザまたはＬＥＤによって提供される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、光を構造化照明に形成するために振幅または位相変調のうちの少なくとも１つをエンコードする受動格子または切り替え可能格子を備えている。
【００１３】
いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする受動格子もしくは切り替え可能格子、またはパターン化されたマスクとして形成された受動格子のうちの１つを備えている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、その回折状態において、光を干渉するビームに偏向し、構造化照明を提供する２つの切り替え可能格子によって提供され、第１の格子構成は、その非回折状態における切り替え格子のうちの少なくとも１つによって提供される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、第１の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧによって提供され、第２の格子構成は、その回折状態におけるＳＢＧおよび受動透過格子によって提供され、受動透過格子は、一次回折光と、干渉し、構造化照明を提供するゼロ次光を提供する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第１の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧによって提供され、第２の格子構成は、受動透過格子とパターン化されたマスクとによって提供され、受動透過格子は、その回折状態におけるＳＢＧからの一次回折光を回折する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、その非回折状態におけるＳＢＧとパターン化されたマスクとによって提供され、第１の格子構成は、その回折状態におけるＳＢＧからの一次回折光を回折する受動透過格子によって提供される。
【００１８】
いくつかの実施形態では、本発明の原理による構造化光プロジェクタは、導波管内に配置される。
【００１９】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする格子、または導波管からの光を偏向するための切り替え可能ＳＢＧ偏向器と光を空間的に変調するために導波管の表面に適用されているパターン化されたマスクとの組み合わせのうちの１つを備え、第１の格子構成は、導波管からの光を均一照明として偏向するための受動ＳＢＧである。
【００２０】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、光を導波管の中に取り込むための入力結合器格子または入力結合器プリズムをさらに備えている。
【００２１】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第１および第２の格子構成は、それぞれ、上側および下側導波管層内に配置され、第１の格子構成は、上側導波管基板内に配置されたその回折状態における切り替え可能入力格子結合器と、その回折状態における切り替え可能出力格子結合器とを備え、その回折状態における切り替え可能入力格子結合器は、光を上側導波管基板の中に結合し、その回折状態における切り替え可能出力格子結合器は、上側導波管基板からの均一照明を偏向し、下側導波管基板は、上側導波管基板入力格子結合器および出力格子結合器がその非回折状態にあるとき、上側導波管基板の反射表面を通して取り込む。
【００２２】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、下側導波管基板からの構造化照明を偏向するために構造光パターンをエンコードする受動格子とを備えている。
【００２３】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、下側導波管基板からの構造化照明を偏向するために、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、受動格子偏向器と、パターン化されたマスクとを備えている。
【００２４】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、下側導波管基板からの構造化照明を偏向するための交互する受動格子領域とミラー領域との受動構造とを備えている。
【００２５】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、下側導波管基板内に配置されている受動入力格子結合器と、受動格子偏向器と、下側導波管基板からのＳおよびＰ偏光の構造化照明を偏向するために構成されるパターン化されたマスク、ミラー、および４分の１波長板とを備えている。
【００２６】
いくつかの実施形態では、切り替え可能格子は、切り替え可能ブラッグ格子、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録された切り替え可能格子、または反転モードホログラフィックポリマー分散液晶内に記録された切り替え可能格子のうちの１つであり、受動格子は、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録される格子、またはパターン化されたマスクのうちの１つである。
【００２７】
いくつかの実施形態では、均一照明または構造照明のうちの少なくとも１つは、屈折、反射、または回折レンズのうちの１つによって成形される。いくつかの実施形態では、構造化光装置は、重なる均一照明ビームおよび構造化照明ビームを提供する。
【００２８】
以下は、非偏光光と併用するための本発明のホログラフィック導波管に関連する種々の概念およびその実施形態のより詳細な説明である。上で導入され、以下により詳細に議論される、種々の概念は、多数の方法のいずれかにおいて実装され得、開示される概念は、実装の任意の特定の様式に限定されないことを理解されたい。具体的実装および用途の例は、主に、例証目的のために提供される。本発明のより完全な理解は、同様のインデックス番号が同様の部分を示す、付随の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を検討することによって得られ得る。明確性目的のために、本発明に関連する技術分野において公知の技術的材料に関連する詳細は、詳細に説明されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、一実施形態における、切り替え可能格子を使用する導波管構造化光プロジェクタの概略側面図である。
【図２】図２は、一実施形態における、切り替え可能格子およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの概略側面図である。
【図３】図３は、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用して、シヤリング干渉法の原理に従って構造化光を提供する導波管構造化光プロジェクタの概略側面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、一実施形態における重複切り替え可能格子を使用する構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、一実施形態における切り替え可能格子およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、一実施形態における切り替え可能格子およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、一実施形態における、切り替え可能格子、受動格子、およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、一実施形態における、切り替え可能格子、受動格子、およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図９】図９は、一実施形態における構造化光パターンをエンコードするための切り替え可能ビーム偏向格子および切り替え可能格子を備えている第１および第２の格子構成を提供するための導波管構造化光プロジェクタの概略側面図である。
【図１０】図１０は、図９の装置の概略断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、一実施形態における構造化光パターンをエンコードするための切り替え可能ビーム偏向格子および切り替え可能格子を使用する導波管構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、一実施形態における構造化光パターンをエンコードするための切り替え可能ビーム偏向格子および切り替え可能格子を使用する導波管構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態において使用するための拡散性質をエンコードする格子の概略側面立面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、一実施形態における別個の導波管層内に配置される、構造化光パターンをエンコードするための切り替え可能ビーム偏向格子および切り替え可能格子を使用する導波管構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、一実施形態における、別個の導波管層内に配置される、構造化光パターンをエンコードするための切り替え可能ビーム偏向格子および切り替え可能格子を使用する導波管構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明のいくつかの実施形態において使用するための代替格子およびミラー要素を備えている導波管格子構成である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、一実施形態における切り替え可能格子を使用する構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、一実施形態における切り替え可能格子を使用する構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、一実施形態における別個の導波管層内に配置される、切り替え可能ビーム偏向格子およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第１の格子構成の概略側面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、一実施形態における別個の導波管層内に配置される、切り替え可能ビーム偏向格子およびグリッドマスクを使用する導波管構造化光プロジェクタの第２の格子構成の概略側面図である。
【図１５】図１５は、いくつかの実施形態における導波管構造化光プロジェクタとの使用のための偏光復元システムの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、ここで、付随の図面を参照して、一例としてのみさらに説明されるであろう。本発明は、以下の説明に開示される本発明の一部または全部を用いて実践され得ることが当業者に明白であろう。本発明を説明する目的のために、光学設計および視覚的ディスプレイの当業者に公知の光学技術の周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないために、省略または簡略化されている。別様に記載されない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学コンポーネントの表面に垂直な軸と平行な伝搬を指す。以下の説明では、用語「光」、「光線」、「ビーム」、および「方向」は、同義的にかつ互いに関連付けて、直線軌道に沿った電磁放射の伝搬方向を示すために使用され得る。用語「光」および「照明」は、電磁スペクトルの可視および赤外線帯域に関連して使用され得る。以下の説明の部分は、光学設計の当業者によって一般に採用される専門用語を使用して提示されるであろう。本発明の以下の説明では、語句「一実施形態では」の反復使用は、必ずしも、同一実施形態を指すわけではないことにも留意されたい。
【００３１】
本発明の目的は、構造化光プロジェクタが、第１の波長の光を放出する光源と、非回折状態と回折状態との間で切り替え可能な少なくとも１つの切り替え可能格子と、少なくとも１つの受動格子とを備えている第１の実施形態において達成される。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第１の時間間隔において均一照明を投影するための第１の格子構成を提供する。切り替え可能格子および受動格子のうちの少なくとも１つは、第２の時間間隔において構造化照明を投影するための第２の格子構成を提供する。いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、光を構造化照明に形成するために振幅または位相変調のうちの少なくとも１つをエンコードする受動格子または切り替え可能格子を備えている。いくつかの実施形態では、第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする受動格子もしくは切り替え可能格子、または、パターン化されたマスクとして形成された受動格子のうちの１つを備えている。本発明は、どんな特定のパターン幾何学形状も前提としない。しかしながら、本発明を説明する目的のために、平行線のグリッドが、仮定されるであろう。いくつかの実施形態では、本発明の原理による、構造化光プロジェクタは、導波管内に配置される。以下の段落において議論される実施形態の大部分は、導波管内に実装されることができる。導波管は、透明の薄型形状因子および低コスト製作の利点をもたらし、構造化光プロジェクタと、参考文献に開示されるようなディスプレイ、眼追跡、およびＬＩＤＡＲを提供するための他のタイプの導波管デバイスの統合を可能にする。いくつかの実施形態では、切り替え可能格子は、上で説明されるような切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録された切り替え可能格子、または反転モードホログラフィックポリマー分散液晶内に記録された切り替え可能格子のうちの１つであり、受動格子は、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、ホログラフィックポリマー分散液晶材料内に記録される格子、またはパターン化されたマスクのうちの１つである。本発明を説明する目的のために、切り替え可能格子は、ＳＢＧであると仮定されるであろう。いくつかの実施形態では、均一または構造化照明のうちの少なくとも１つは、屈折、反射、または回折レンズのうちの１つによって成形される。いくつかの実施形態では、時間間隔は、少なくとも部分的に、重なる。いくつかの実施形態では、光源は、レーザまたはＬＥＤによって提供される。本発明を説明する目的のために、レーザが、仮定されるであろう。いくつかの実施形態では、導波管は、２つ以上の色の光を伝搬し得る。いくつかの実施形態では、導波管は、赤外線を伝搬する。いくつかの実施形態では、構造化光装置は、重なる均一照明ビームと構造化照明ビームとを提供する。
【００３２】
図１に図示される一実施形態１００では、導波管構造化光プロジェクタが、提供され、導波管構造化光プロジェクタは、全内部反射（ＴＩＲ）光１０００を伝搬するための導波管１０１と、均一照明として導波管からの光を回折するための切り替え可能回折要素１０２と、光線１００１、１００２によって表される発散ビームを形成するための切り替え可能回折要素１０３とを備え、発散ビームは、空間的に変調された構造化光パターン１００３によって特徴付けられている。いくつかの実施形態では、導波管は、格子層をガラスまたはプラスチック基板間に挟み、全内部反射が外側基板および空気界面において生じるスタックを形成することによって形成される。スタックは、ビーム分割コーティングおよび環境保護層等の追加の層をさらに備え得る。切り替え可能格子は、挟んでいる基板の表面が透明電極でコーティングされることを要求するであろう。有利には、切り替え場を最小化するために、対向基板表面は、コーティングされる。本発明を説明する目的のために、モノクロで動作する単一格子層を含む導波管を検討するものとする。しかしながら、本発明は、２つ以上の層を備えている導波管デバイスに適用され得る。図１に示される格子全体がオン／オフを切り替えると仮定される。いくつかの実施形態では、導波管は、「Ｃｏｍｐａｃｔ  ｅｄｇｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｄｉｓｐｌａｙ」と題されたＰｏｐｏｖｉｃｈ、他の米国特許第ＵＳ９０７５１８４Ｂ２号の実施形態および教示に基づき得る。本特許は、光源と、ＳＢＧデバイスとを備えている投影ディスプレイデバイスを開示し、ＳＢＧデバイスは、透明電極が適用される透明基板間に挿入された複数の別個のＳＢＧ要素を備えている。基板は、光導波路として機能する。少なくとも１つの透明電極は、複数の独立して切り替え可能な透明電極要素を備え、各電極要素は、唯一つのＳＢＧ要素に実質的に重なる。各ＳＢＧ要素は、画像表面上に投影されるべき画像情報をエンコードする。光導波路の中に結合される光は、作動させられたＳＢＧ要素によって光導波路の外へ回折されるまで、全内部反射を受ける。ＳＢＧは、該透明電極を介して印加される電圧を受けると、光導波路の外へ光を回折し、画像領域を画像表面上に形成する。
【００３３】
図２のもの等のいくつかの実施形態では、構造化光プロジェクタ１１０は、層内に配置される１１２、１１３等の切り替え可能回折要素の少なくとも１つのアレイを含むＴＩＲ光１０１０を伝搬するための導波管１１１を備え、各要素は、独特の格子ベクトル（またはＫ−ベクトル）を有する。ブラッグ格子では、Ｋ−ベクトルは、通常、ブラッグ縞表面に垂直なベクトルとして定義される。いくつかの実施形態では、Ｋ−ベクトルは、離散ステップにおいて変動する。いくつかの実施形態では、連続的回転Ｋ−ベクトルが、使用され得る。空間変動（回転）Ｋ−ベクトルは、導波管の有効角度帯域幅が増加させられることを可能にし、より広い角度の構造化光ビームを可能にする。グリッド１１３として形成されるコーティングは、導波管の出力表面に適用され、出力光を空間的に変調する。その回折状態における格子１１２、１１３によって導波管の外へ回折される光は、グリッド１１３によって変調され、１０１２、１０１３によって示される構造光ビーム部分を形成する。本発明は、格子要素の数または格子層の数に限定を課すものではない。広角度範囲を要求しない、いくつかの実施形態では、格子要素の数は、１つのみに低減させられ得る。
【００３４】
図３に図示されるもの等のいくつかの実施形態では、構造化光プロジェクタ１２０は、上側層内に配置される１２２、１２３および下側層内に配置される１２４、１２５等の切り替え可能回折要素のアレイを含むＴＩＲ光１０２０を伝搬するための導波管１２１を備えている。いくつかの実施形態では、各格子要素は、独特のＫ−ベクトルを有し、プロジェクタの角度範囲を増加させる。構造化光は、重複格子要素から回折されるビーム、例えば、重複格子要素１２３、１２５によって回折されるビーム１０２１、１０２２を干渉させることによって形成される。ビーム波面間の相対的角度を小さくすることによって、干渉縞１０２３が、シヤリング干渉法の原理に従って形成され、それは、干渉法に関する標準的文書において議論されている。グリッドカラム角度幅は、格子の相対的変位（剪断）に依存する。２つの格子層の回折効率のある程度のバランスが、最適縞コントラストを達成するために要求され得る。グリッド角度分解能δθを達成するために要求される２つの回折されるビームの有効源分離ｓは、約ｓ〜λ／δθであり、式中、λは、波長である。
【００３５】
図４Ａおよび図４Ｂに示されるもの等のいくつかの実施形態では、構造化光プロジェクタ１３０は、ＳＢＧからのゼロ次回折光と一次回折光とを干渉させることによって、構造化光パターンを形成する。均一照明は、ＳＢＧがその非回折状態にあるときに提供され（図４Ａ）、構造照明は、その回折状態におけるＳＢＧを用いて提供される。最初に、図４Ａに目を向けると、第１の格子構成における構造化光プロジェクタは、その非回折状態における切り替え可能格子１３２Ａを含む、第１の基板１３１と、その非回折状態における切り替え可能格子１３４Ａを含む、第２の基板１３３とを備えている。装置は、レンズ１３６によってビーム１０３１にコリメートされた光１０３０を放出する源１３５と、発散均一照明ビーム１０３２を形成するための投影レンズ１３７とをさらに備えている。複数の要素を備え得るレンズの精密な仕様は、源および要求されるビーム幾何学形状に依存するであろう。有利には、ビームは、コリメートされ、格子の高回折効率を可能にするであろう。源光学は、フィルタと、開口と、ビーム幾何学形状および照明プロファイルを制御するための他の光学コンポーネントとも備え得る。レーザ源を使用するいくつかの実施形態では、レンズ１３６は、焦点ビームエクスパンダであり得る。次に、第２の格子構成における構造化光プロジェクタを示す図４Ｂに目を向けると、ここでは１３２Ｂ、１３４Ｂと標識される、第１および第２の基板内の切り替え可能格子は両方とも、現在、その回折状態にある。格子１２３Ａの効率は、類似強度の回折された、ゼロ次を提供するように設計される。２つの格子は、ゼロ次光が、格子１３２Ｂの回折効率角度帯域幅の外側にあり、故に、それを通って進行し、有意な偏向となり、投影レンズによって発散均一照明１０３４に拡張されるように設計される。回折効率角度帯域幅は、通常、回折効率対角度分布の半値全幅によって定義される。しかしながら、他の尺度も、本発明を実装する目的のために使用され得る。方向１０３３に伝搬する回折される光は、格子１３２Ｂの回折効率角度帯域幅内にある。格子１３２Ｂによる回折後、光は、投影レンズによって拡張され、発散均一照明１０３５を形成し、それは、照明１０３４からわずかな側方または角度分離を有する。２つの出力ビームは、シヤリング干渉法の原理に従って干渉し、縞パターン１０３６を形成する。
【００３６】
導波管構造化光プロジェクタのいくつかの実施形態では、第２の格子構成は、構造化光パターンをエンコードする格子、または、導波管からの光を偏向するための切り替え可能ＳＢＧ偏向器と光を空間的に変調するための導波管の表面に適用されているパターン化されたマスクとの組み合わせのうちの１つを備え、第１の格子構成は、光を導波管から均一照明として偏向するための受動ＳＢＧである。
【００３７】
図５Ａおよび図５Ｂに示されるもの等のいくつかの実施形態では、構造化光プロジェクタは、ＳＢＧと、受動格子と、パターン化されたマスクとを使用し、それらの全ては、異なる層内に配置される。図５Ａは、均一発散照明を形成する第１の格子構成を図示し、図５Ｂは、構造化発散照明を形成する、第２の格子構成を図示する。最初に、図５Ａに目を向けると、装置は、コリメートされたビーム１０４０を形成するための源およびレンズと、その回折状態において切り替え可能な格子１４８Ａを含む第１の基板と、第２の基板１４２および受動格子１４９を含む第３の基板と、格子１４９に実質的に重なる表面の部分に適用されるグリッドマスク１４７を伴う第４の基板１４６とを備えている。第４の基板は、妨害のない回折ビーム経路を可能にするために十分に厚くなければならない。装置は、２つの投影レンズをさらに備え、第１のもの１４４は、ビーム経路１０４０内にあり、第２のもの１４５は、格子１４９に重なる。本発明は、任意の特定のタイプの投影レンズを仮定するものではない。ビームは、第４の基板１４７を通過する発散均一発散照明１０４１に投影される。いくつかの実施形態では、投影レンズは、屈折要素のシステムを備え得る。いくつかの実施形態では、投影レンズは、回折要素を備え得る。いくつかの実施形態では、投影レンズは、第４の基板の出力表面内に形成される回折構造として形成され得る。図５Ｂに目を向けると、その回折状態１４８ＢにおけるＳＢＧを用いて、入射コリメート光は、方向１０４２に回折されることが分かる。受動格子１４９による回折後、ビームは、発散ビーム１０４３に投影され、それは、グリッド１４７によって空間的に変調され、構造化照明１０４４を形成する。２つの投影レンズを収容する必要性により、本実施形態は、互いからオフセットされるべき均一照明と構造化照明とを要求する。
【００３８】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂのものに類似する、実施形態１５０を図示する。構造化光プロジェクタは、ＳＢＧと、受動格子と、パターン化されたマスクとを備え、受動格子およびパターン化されたマスクは、共通基板内に配置される。上で導入される専門用語を使用して、図６Ａは、均一発散照明を形成する第２の格子構成を図示し、図６Ｂは、構造化発散照明を形成する第１の格子構成を図示する。最初に、図６Ａに目を向けると、装置は、コリメートされたビーム１０５０を形成するための源１５１およびレンズ１５２と、その非回折状態における切り替え可能格子１５８Ａを含む第１の基板１５４Ａと、第２の基板１５４Ｂおよび第３の基板１５４Ｃとを備え、第３の基板１５４Ｃは、受動格子１５と格子１５８Ａに重なるグリッドマスク１５５とを含む。基板１５４Ｂは、妨害のない回折ビーム経路を可能にするために十分に厚くなければならない。装置は、２つの投影レンズをさらに備え、第１のもの１５６は、ビーム経路１０４０内にあり、第２のもの１５７は、格子１５９に重なる。コリメートされた光１０５０は、偏向なく、格子１５８Ａを通過し、グリッド１５５において空間変調を受け、レンズ１５６によって発散構造化照明１５０に投影される。図６Ｂに目を向けると、その回折状態１５８ＢにおけるＳＢＧは、入射コリメート光を方向１０５３に回折する。受動格子１５９による回折後、ビームは、発散ビーム１０５９に投影され、それは、レンズ１５７によって投影され、均一照明１０５４を形成する。２つの投影レンズを収容する必要性により、本実施形態は、互いからオフセットされるべき均一照明と構造化照明とを要求する。
【００３９】
図７Ａおよび図７Ｂは、導波管アーキテクチャを使用する構造化光プロジェクタ１６０の第１および第２の格子構成を図示する。図７Ａは、構造化発散照明を形成する第２の格子構成を図示し、図７Ｂは、均一発散照明を形成する第１の格子構成を図示する。図７Ａを参照すると、装置は、コリメートされたビーム１０６０を形成するための源およびビームコリメーションならびに拡張レンズシステムと、その回折状態１６３Ａにおける切り替え可能格子を挟んでいる上側および下側基板１６１Ａ、１６１Ｂから形成される、導波管内のＴＩＲ経路１０６１の中にビームを導入するための結合プリズムとを備えている。上側基板は、切り替え可能格子および受動格子１６５に重なるグリッドマスク１６４を支持する。第１の投影レンズ１６６は、グリッドマスクに重なる。有利には、グリッドマスクは、第１の投影レンズの焦点表面にある。第２の投影レンズ１６７は、受動格子１６５に重なる。その回折状態における切り替え可能格子は、光をグリッドマスク上に回折し、それは、光を空間的に変調し、次いで、投影レンズ１６６によって、発散ビーム１０６３に形成され、構造化光１０６４を提供する。図７Ｂに図示される第１の格子構成では、切り替え可能格子は、その非回折状態１６３Ｂにある。ＴＩＲ光１０６５は、受動格子１６５と相互作用し、投影レンズ１６４によって、均一発散ビーム１０６７に形成されるまで、導波管を辿って透過される。いくつかの実施形態では、受動格子は、表面レリーフ回折構造である。いくつかの実施形態では、受動格子は、ブラッグ格子である。
【００４０】
図８Ａおよび図８Ｂは、図７Ａおよび図７Ｂのものに類似する構造化光プロジェクタ実施形態１７０の第１および第２の格子構成を示す。図８Ａを参照すると、重要な差異は、焦点ビーム拡張光学１７９Ｂの周囲に搭載される２つの４５度プリズム１７９Ａ、１７９Ｃと、受動入力格子結合器１７３との使用であり、受動入力格子結合器１７３は、レーザモジュール１７１Ｂからのコリメートされた光１０７０をＴＩＲ経路１０７１の中に結合する。レーザモジュールは、プラットフォーム１７６上に搭載される。いくつかの実施形態では、他の搭載配列も、レーザモジュールを支持するために使用され得る。装置は、その回折状態における受動出力格子１７５Ａをさらに備え、受動出力格子１７５Ａは、ＴＩＲ光１０７１をグリッドマスク１７８を通して回折し、グリッドマスク１７８は、発散ビーム１０７３に投影される前に光を空間的に変調し、構造化照明１０７４を提供する。装置は、受動出力格子１７２Ａと、回折投影レンズ１７１Ａとをさらに備えている。図８Ｂに図示される第１の格子構成では、切り替え可能格子は、その非回折状態１７４Ｂにある。ＴＩＲ光１０７５は、受動格子と相互作用し、回折投影レンズによって、均一発散ビーム１０７６に形成されるまで、導波管を辿って透過される。
【００４１】
図９−１０は、構造化光プロジェクタ実施形態１８０の直交立面図を示す。装置は、プラットフォーム１８２上に搭載されるレーザモジュール１８１と、上側および下側接触基板１８３Ａ、１８３Ｂからの導波管とを備え、上側基板は、入力格子１８４と、その回折状態にあるとき、ＴＩＲ光を偏向し、均一照明を形成するための切り替え可能出力格子１８３Ａとを含む。下側基板は、その回折状態にあるとき、構造化照明パターンを形成するための規格をエンコードする切り替え可能出力格子１８３Ｂを含む。２つの出力格子は、実質的に重なる。装置は、コリメートされた光を導波管の中に結合するために、第１の４５度プリズム１８７Ａと、無限焦点拡大レンズ１８７Ｂと、第２の４５度プリズム１８７Ｃとをさらに備えている。装置は、投影レンズ１８８をさらに備えている。
【００４２】
図１１Ａ、１１Ｂは、構造化光プロジェクタ１９０の第２および第１の格子構成を示す。装置は、図示されない、レーザモジュールと、入力格子１９２を含む導波管基板１９１と、その回折状態にあるとき、ＴＩＲ光を偏向し、均一照明を形成するための切り替え可能出力格子１９４Ｂと、その回折状態にあるとき、構造化照明パターンを形成するための規格をエンコードする切り替え可能出力格子１９４Ａとを備えている。２つの出力格子は、実質的に重なる。装置は、投影レンズ１９５をさらに備えている。図１１Ａに示される第２の格子構成では、切り替え可能格子１９４Ａは、その回折状態にあり、照明を変調し、照明は、構造化照明１０９４を伴う発散ビーム１０９３に投影される。切り替え可能格子１９４Ｂは、格子１９４Ａがその回折状態にあるとき、その非回折状態にある。いくつかの実施形態では、格子１９４Ａは、図１１Ｃに示される拡散性質もエンコードし得、図１１Ｃは、切り替え可能格子１９３と、入力ＴＩＲ光線方向と、平均回折ビーム方向１０９６とを示す。拡散されるビーム円錐の範囲は、破線光線１０９７によって示される。格子からの出力を拡散することは、投影レンズのための拡散グリッド入力画像を提供する。拡散性質を組み込む出力格子は、本発明の実施形態のいずれかにおいて使用され得る。図１１Ｂに目を向けると、第１の格子構成では、切り替え可能格子１９４Ａは、格子１９４Ｂがその回折状態にあり、発散均一照明１０９９を形成するとき、その非回折状態にある。
【００４３】
図１２Ａ、１２Ｂは、構造化光プロジェクタ２００の第２および第１の格子構成を図示する。図１２Ａを参照すると、装置は、上側および下側の光学的に隔離された導波管２０１Ａ、２０１Ｂを備えている。いくつかの実施形態では、光学隔離は、空気間隙によって提供される。いくつかの実施形態では、光学隔離は、ナノ多孔性材料等の低屈折率によって提供される。上側導波管は、その回折状態における入力切り替え可能格子２０２Ａと、その回折状態において構造化光パターン２０３Ａをエンコードする出力切り替え可能格子とを含む。入力切り替え可能格子は、入力コリメート光１１００をＴＩＲビーム１１０１の中に結合する。出力格子によって上側導波管から抽出される、回折される光１１０２は、投影レンズ２０６によって、発散ビーム１１０３に投影され、構造化照明１１０４を形成する。下側導波管は、受動入力および出力格子２０４、２０５を含み、それは、格子２０２Ａ、２０３Ａに実質的に重なる。図１２Ｂに目を向けると、上側格子内の格子が、その非回折状態２０２Ａ、２０３Ａにあるとき、上側導波管の中に結合する光は、偏向せずに、第１の切り替え可能格子を通して下側導波管の中に透過される。光は、格子２０４によって、下側導波管ＴＩＲ経路１１０５の中に回折され、格子２０５によって、下側導波管から上側導波管の中に回折され、そこで、実質的に偏向せずに、格子２０３Ｂを通過し、投影レンズによって、発散均一照明１１０７に投影される。前述のように、ＳＢＧ等の切り替え可能格子は、偏光選択的であり、それは、それらをレーザ源と適合可能にする。しかしながら、ＬＥＤ等の非偏光源の場合、潜在的に、少なくとも５０％スループット損失が存在する。図１１２Ａ−１２Ｂの実施形態に基づく、いくつかの実施形態では、格子２０５は、構造化光パターンをエンコードし、出力格子は、その回折状態にあるとき、ビーム偏向を提供する（光変調を伴わずに）切り替え格子である。故に、上側格子は、第１の格子構成を提供し、下側格子は、第２の格子構成を提供する。
【００４４】
図１２Ｃは、いくつかの実施形態では、交互するミラーと格子要素とを備えている導波管デバイス２１０を図示し、それは、格子マスクの代替使用を提供する。導波管アーキテクチャにおける格子マスクの不利点は、マスクの非透過領域の下面に衝突するＴＩＲ光の多くが、構造化照明に寄与しないことである。図１２Ｃの実施形態２１０は、誘導光の大部分が構造化光として抽出されることを可能にする。装置は、反射表面２１１Ａ、２１１Ｂを伴う導波管部分を備え、導波管部分は、交互する格子要素２１２、２１４、２１６とミラー要素２１３、２１５とを備えているアレイを含む。ミラー要素は、反射上側および下側表面を有する。格子は、光線１１３の場合のように、光を上向きに回折する役割を果たす。ミラー要素に衝突する下向きに伝搬する光は、反射され、上側導波管表面２１１ＡにおけるさらなるＴＩＲ反射表面を経て、次いで、光線が回折効率角度帯域幅の外側にあるので、回折せずに格子要素を通過する。光線は、下側導波管表面２１１ＢにおいてＴＩＲを受け、次の格子要素と相互作用すると、光線１１１４として上向きに回折される。ミラー要素２１３に衝突する表面点Ａから反射された下向きに伝搬するＴＩＲ光は、上側導波管表面２１１Ａ上の表面点Ｂにおいて反射され、さらなるＴＩＲ反射を受け、次いで、光線が回折効率角度帯域幅の外側にあるので、回折せずに格子要素２１４を通過する。下側導波管表面２１１Ｂ上の点ＥにおいてＴＩＲを受ける光線は、ミラー要素２１５の下面において反射され、下側導波管表面２１１Ｂ上の点ＦにおいてさらなるＴＩＲを受け、格子要素２１６と相互作用すると、光線１１１４として上向きに回折される。下側導波管表面２１１Ｂ上の点Ｃから反射された上向きに伝搬するＴＩＲ光は、ミラー要素２１３の下側表面において反射を受け、下側導波管表面上の点ＤにおいてＴＩＲを受け、格子要素２１４と相互作用すると、光線１１１５として上向きに回折される。格子要素は、受動要素であり、いくつかの実施形態では、ブラッグ格子である。いくつかの実施形態では、図１２Ｃの装置は、上で説明された実施形態に関連して開示される格子マスクに取って代わる。図１２Ｃに示されるもの等のいくつかの実施形態では、ミラーおよび格子アレイは、下側導波管の底部表面上に配置され得る。
【００４５】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、光学経路に沿って直列に配列される２つの切り替え可能格子を使用する、構造化光プロジェクタ２２０の第２および第１の格子構成を図示する。第２の格子構成では、第１の格子は、その回折状態２２１Ａにあり、入射コリメート光１１２０を方向１１２１に高効率で回折する。同様にその回折状態２２２Ａにある、第２の格子は、光を１１２２によって示される回折（＋１）および１１２３によって示されるゼロ次（０）光に回折し、格子規格は、等しい強度を２つのビームに提供するように設計される。回折光とゼロ次光とは、干渉し、構造化光１１２４を形成する。第１の格子構成では、第１および第２の格子は、その非回折状態２２１Ｂ、２２２Ｂにあり、実質的偏向または減衰を伴わずに、入射光が伝搬することを可能にし、均一照明１１２７をもたらす。いくつかの実施形態では、図３１Ａ−１３Ｂの装置は、導波管内に構成される。
【００４６】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、光学的に隔離された導波管を使用する構造化光プロジェクタ２３０の第１および第２の構成を図示する。装置は、図１２Ａおよび図１２Ｂの実施形態のものに類似する。しかしながら、上側導波管の出力格子として使用される構造化光パターンをエンコードする、切り替え格子は、ここでは、光変調を伴わずにビーム偏向を提供する。後者は、下側導波管の出力格子の上方に配置され、それに重なるグリッドマスクによって提供される。最初に、図１４Ａを参照すると、装置は、上側および下側の光学的に隔離された導波管２３１Ａ、２３１Ｂを備えている。上側導波管は、その回折状態における入力切り替え可能格子２３２Ａと、その回折状態における構造化光パターンをエンコードする出力切り替え可能格子２３３Ａとを含む。入力切り替え可能格子は、入力コリメートされた光１１３０をＴＩＲビーム１１３１の中に結合する。上側導波管から出力格子によって抽出される回折される光１１３２は、投影レンズ２３８によって、発散ビーム１１３３に投影され、均一照明を形成する。下側導波管は、受動入力および出力格子２３４、２３５を含み、それらは、格子２３２Ａ、２３３Ａに実質的に重なる。図１４Ｂに目を向けると、上側格子内の格子が、その非回折状態２３２Ａ、２３３Ａにあるとき、光１１３０は、上側導波管の中に結合され、偏向せずに第１の切り替え可能格子を通して下側導波管の中に透過される。光は、受動格子２３４によって、下側導波管ＴＩＲ経路１１３５の中に回折され、受動格子２３５によって、下側導波管からグリッドマスク２３９を通して上側導波管の中に回折され、そこで、実質的偏向を伴わずに、その非回折状態における格子２３３Ｂを通過し、投影レンズによって、発散ビーム１１３８に投影され、構造照明１１３９を提供する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、導波管に基づく構造化光プロジェクタは、照明を再生利用するための手段を組み込む。通常、等しいクリアおよび不透明ストライプ幅を伴う、マスクは、スループット損失を被るであろう。例えば、等しいクリアおよび不透明ストライプ幅を有するマスクは、少なくとも５０％スループット損失を被る。図１５に示される実施形態２５０は、基板２５１、２５２と、基板２５１の下側表面に適用されるミラーコーティングと、基板２５１内に配置される、透過格子２５４と、格子に重なる基板２５１、２５２によって挟まれる４分の１波長フィルム２５５と、同様に格子に重なるグリッドマスク２５６とを備えている。Ｐ偏光ＴＩＲ照明１１５０は、基板２５１の下側表面から反射され、４分の１波長板を通して上向きに回折され、４分の１波長板は、方向１１５１および１１５３に伝搬する第１の感知円形偏光光１０５４に変換する。この光の約半分は、グリッドマスクによって下向きに反射され、第２の感知円形偏光１０５５に変換され、それは、４分の１波長板を通過後、Ｓ−偏光される。ミラーにおいて反射すると、Ｓ−偏光は、格子がＳ−偏光のための低効率を有するので、偏向せずに格子を通過する。光は、再び、４分の１波長板によって、線形から円形偏光に変換され、その約半分は、グリッドマスクを介して、導波管から抽出される。潜在的に、この再生利用スキームは、利用可能な光の約７５％がパターン投影のために使用されることを可能にし得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、前述の導波管格子は、表面レリーフ構造に基づき得る。グリッド透過性を使用して、構造化照明を提供する、いくつかの実施形態では、グリッドパターンは、事前に歪まされ、投影レンズによって導入される歪を補償し得る。例えば、いくつかの実施形態では、グリッドは、たる形歪を用いて事前に歪まされ、投影レンズの糸巻形歪を補償し得る。
【００４９】
いくつかの実施形態では、グリッドマスクは、導波管の上部基板を覆うクロミウムマスクを使用して製作され、マスクは、出力格子に正確に重なる。いくつかの実施形態では、銀、金、またはアルミニウム等の他の材料も、マスクを製作するために使用され得る。マスクは、標準的ミラー堆積およびマスクプロセスを使用して生産されるであろう。
【００５０】
いくつかの実施形態では、導波管内の出力格子は、ビーム偏向および拡散の機能を組み合わせるであろう。２つの導波管は、小空気間隙によって分離され、完全な光学隔離を確実にするであろう。
【００５１】
いくつかの実施形態では、モバイルデバイスカメラのために要求されるものに類似するサイズおよび規格の原料レンズが、投影レンズを提供するために使用され得る。いくつかの実施形態では、回折またはハイブリッド回折−屈折レンズが、使用され得る。いくつかの実施形態では、格子角度特性は、格子ベクトルを変動させることによって微調整されることができる。いくつかの実施形態では、視野の縁における照明は、視野の中心近傍の照明を犠牲にして、増加させられ得る。いくつかの実施形態では、要求される照明プロファイルは、基本ビーム操向および拡散機能とともに、出力格子の中にエンコードされる。
【００５２】
２つ以上のホログラフィック規格が単一ホログラフィック層の中に記録されることができることは、ホログラフィの文献で十分に立証されている。そのような多重化されたホログラムを記録する方法は、当業者に周知である。いくつかの実施形態では、入力、フォールド、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上の角度回折規格を組み合わせ、角度帯域幅を拡張させ得る。同様に、いくつかの実施形態では、入力、フォールド（ｆｏｌｄ）、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上のスペクトル回折規格を組み合わせ、スペクトル帯域幅を拡張させ得る。例えば、色多重化された格子が、使用され、原色の２つ以上のものを回折し得る。
【００５３】
大部分の導波管構成では、格子は、透明基板によって挟まれる単一層内に形成される。いくつかの実施形態では、導波管は、１つのみの格子層を備え得る。いくつかの実施形態では、セル基板は、ガラスから製作され得る。例示的ガラス基板は、標準的Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｗｉｌｌｏｗガラス基板（屈折率１．５１）であり、それは、５０ミクロンまでの厚さにおいて利用可能である。他の実施形態では、セル基板は、光学プラスチックであり得る。
【００５４】
いくつかの実施形態では、格子層は、別個の層に分解され得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１の層は、入力格子を含む一方、第２の層は、出力格子を含む。その層の数は、次いで、単一導波管基板に一緒にラミネートされ得る。いくつかの実施形態では、格子層は、一緒にラミネートされ、単一基板導波管を形成するいくつかの部品から成る。部品は、部品のものに合致する屈折率の光学糊または他の透明材料によって分離され得る。別の実施形態では、格子層は、各格子のために、所望の格子厚のセルを生成し、各セルをＳＢＧ材料で真空充填することによるセル作製プロセスを介して、形成され得る。一実施形態では、セルは、ガラスのプレート間に、所望の格子厚さを定義する間隙を伴って、ガラスの複数のプレートを位置付けることによって形成される。一実施形態では、１つのセルは、別個の開口がＳＢＧ材料の異なるポケットで充填されるように、複数の開口を伴って作製され得る。任意の介在空間が、次いで、分離材料（例えば、糊、油等）によって分離され、別個の面積を画定し得る。一実施形態では、ＳＢＧ材料は、基板上にスピンコーティングされ、次いで、材料の硬化後、第２の基板によって被覆され得る。別の実施形態では、格子は、２つの光の波を基板内のある角度において干渉させ、ホログラフィック波面を生成し、それによって、所望の角度において導波管基板内に設定される明暗フリンジを生成することによって、生成されることができる。いくつかの実施形態では、所与の層内の格子は、格子エリアにわたって記録レーザビームを走査または段階化することによって、段階式方式で記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷産業において現在使用されているマスタリングおよび密着印画プロセスを使用して記録される。
【００５５】
一実施形態では、ＳＢＧとして具現化される格子は、ホログラフィックポリマー分散液晶（ＨＰＤＬＣ）（例えば、液晶液滴のマトリクス）内に記録されるブラッグ格子であることができるが、ＳＢＧは、他の材料内にも記録され得る。一実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー内に分散される固体液晶のマトリクスを有するＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭ等の均一変調材料内に記録される。ＳＢＧは、性質上、切り替えまたは非切り替え式であることができる。その非切り替え形態では、ＳＢＧは、その液晶コンポーネントに起因して高屈折率変調を提供可能な従来のホログラフィックフォトポリマー材料に優る利点を有する。例示的均一変調液晶ポリマー材料系は、Ｃａｐｕｔｏ  ｅｔ  ａｌによる米国特許出願公開第ＵＳ２００７／００１９１５２号およびＳｔｕｍｐｅ、他によるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号（両方とも、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）に開示される。均一変調格子は、高屈折率変調（故に、高回折効率）および低散乱によって特徴付けられる。
【００５６】
一実施形態では、格子は、反転モードＨＰＤＬＣ材料内に記録される。反転モードＨＰＤＬＣは、格子が、電場が印加されないとき、受動的であり、電場の存在下、回折性となるという点において、従来のＨＰＤＬＣと異なる。反転モードＨＰＤＬＣは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示されるレシピおよびプロセスのいずれかに基づき得る。格子は、前述の材料系のいずれか内に記録されるが、受動（非切り替え）モードにおいて使用され得る。製作ロセスは、切り替え式のために使用されるものと同じであるが、電極コーティング段階は、省略される。ＬＣポリマー材料系は、その高屈折率変調に照らして非常に望ましい。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ内に記録されるが、切り替えられない。
【００５７】
いくつかの実施形態では、入力格子は、プリズムまたは反射表面等の別のタイプの入力カプラによって置換され得る。いくつかの実施形態では、入力カプラは、切り替え可能または切り替え不可能ＳＢＧ格子等のホログラフィック格子であることができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、出力格子は、瞳拡張を第１の方向と異なる第２の方向に提供し、光を第１の表面または第２の表面から導波管を出射させるように構成される。いくつかの実施形態では、出力格子は、基板の複数の層から成り、それによって、出力格子の複数の層を備えている。故に、格子が導波管内の１つの平面にあるべきという要件は存在せず、格子は、互いの上にスタックされ得る（例えば、互いの上にスタックされた格子のセル）。
【００５９】
いくつかの実施形態では、基板導波管上の４分の１波長板が、光線の偏光を回転させ、ＳＢＧとの効率的結合を維持する。４分の１波長板は、導波管の表面に結合または接着され得る。例えば、一実施形態では、４分の１波長板は、基板導波管に適用される、コーティングである。４分の１波長板は、光波偏光管理を提供する。そのような偏光管理は、導波管内の歪波を補償することによって、光線が意図される視認軸との整列を保持することに役立ち得る。４分の１波長板は、いくつかの実施形態では、随意であり、光学設計の効率を増加させることができる。４分の１波長板は、多層コーティングとして提供され得る。
【００６０】
いくつかの実施形態では、構造化光プロジェクタは、導波管ディスプレイおよび眼トラッカを備えている、眼追跡ディスプレイの一部を形成する。１つの好ましい実施形態では、眼トラッカは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＥＲと題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣＷＡＶＥＧＵＩＤＥＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲと題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４号、およびＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧと題されたＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号の実施形態および教示に基づく導波管デバイスである。
【００６１】
図面は、例示的であり、寸法は、誇張されていることを強調されたい。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、大幅に誇張されている。前述の実施形態のいずれかに基づく光学デバイスは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示される材料およびプロセスを使用するプラスチック基板を使用して、実装され得る。いくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイは、湾曲され得る。
【００６２】
種々の例示的実施形態に示されるようなシステムおよび方法の構造および配列は、例証にすぎない。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されているが、多くの修正が、可能性として考えられる（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、色、配向等の変動）。例えば、要素の位置は、逆転または別様に変動させられ得、離散要素または位置の性質もしくは数は、改変または変動させられ得る。故に、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って、変動させられる、または並べ替えられ得る。他の代用、修正、変更、および省略は、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態の設計、動作条件、および配列に行われ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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