(57)【要約】  本発明は、導波路ディスプレイ要素に関するものであり、導波路ディスプレイ要素は、互いの上に積層される複数の導波路層１２Ａ−Ｃと、各導波路層１２Ａ−Ｃに関連付けられ、所定の波長帯域内の光を導波路層１２Ａ−Ｃ内に結合するための入力結合器１６Ａ−Ｃとを備える。各入力結合器１６Ａ−Ｃは、導波路層１２Ａ−Ｃ上に配置され、中間層特性を有する中間層１４Ａ−Ｃと、中間層１４Ａ−Ｃ上に配置され、回折格子特性を有する入力結合格子１６Ａ−Ｃとを備える。各入力結合器の中間層１４Ａ−Ｃ特性及び回折格子１６Ａ−Ｃ特性の組合せは、他の入力結合器とは異なる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路ディスプレイ要素であって、前記導波路ディスプレイ要素は、
積層された複数の導波路層と、
各導波路層に関連付けられ、所定の波長帯域内の光を前記導波路層内に結合するための入力結合器と
を備え、
前記入力結合器の各々は、
前記導波路層上に配置され、中間層特性を有する中間層と、
前記中間層上に配置され、回折格子特性を有する入力結合格子と
を備え、
各入力結合器の中間層特性及び回折格子特性の組合せは、他の入力結合器と異なる、導波路ディスプレイ要素。
【請求項２】
前記入力結合器は、他の入力結合器と同じ中間層特性及び異なる回折格子特性を有する、請求項１に記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項３】
異なる導波路層に関連付けられた入力結合器は、異なる入力結合格子周期を有する、請求項１又は２に記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項４】
前記回折格子周期は、前記要素の入射光側の一番上の導波路層から、前記導波路ディスプレイ要素の反対側の一番下の導波路層に向かって増加する、請求項３に記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項５】
前記入力結合器は、他の入力結合器と同じ回折格子特性及び異なる中間層特性を有する、請求項１に記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項６】
前記導波路層間の１つ又は複数の光帯域通過フィルタ又はダイクロイック・ミラーをさらに備える、請求項５に記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項７】
各中間層は、前記各中間層が関連付けられた前記導波路層よりも小さい厚さ及び屈折率を有する、請求項１から６までのいずれかに記載の要素。
【請求項８】
各入力結合器の前記中間層は、２０μｍ以下、特に１０μｍ以下、例えば１〜１０μｍの厚さを有する、請求項１から７までのいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項９】
前記導波路層は、１．７以上、例えば２．０以上の屈折率を有し、前記中間層は、１．８未満、例えば１．７以下の屈折率を有する、請求項１から８までのいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項１０】
前記入力結合器は、同じ形状を有し、前記要素の水平面内で互いに整列配置される、請求項１から９までのいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素。
【請求項１１】
ヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）又はヘッド・アップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）のようなパーソナル・ディスプレイ・デバイスであって、
請求項１から１０までのいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素と、
異なる入射角の光線を前記ディスプレイ要素の入力結合器に投影するように構成された多色レーザー・プロジェクタと
を備えるパーソナル・ディスプレイ・デバイス。
【請求項１２】
伝搬する光線を導波路ディスプレイ内に結合する方法であって、前記方法は、
請求項１から１０までのいずれかに記載の導波路ディスプレイ要素を提供するステップと、
異なる入射角の光線を前記ディスプレイ要素に向け、前記ディスプレイ要素の前記異なる導波路層に前記光線を選択的に結合するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記光線は、少なくとも３つの異なる波長帯域の光線を備え、前記波長帯域の各々は、異なる入射角で前記ディスプレイ要素に向けられる、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折ディスプレイ技術に関する。特に、本発明は、導波路ベースの回折ディスプレイ導波路の入力結合構成に関する。この種の導波路は、パーソナル・ディスプレイ、例えばヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ：head-mounted display）、例えばニアアイ・ディスプレイ（ＮＥＤ：near-to-eye display）及びヘッド・アップ・ディスプレイ（ＨＵＤ：head-up display）において使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤ及びＨＵＤは、導波路技術を用いて実施可能である。光は、導波路に結合することができ、導波路内で向けなおすことができ、及び、回折格子を用いて導波路から出力結合することができる。多色ディスプレイでは、すべての色成分（波長）は、単一の導波路層において、又は、異なる層において導くことができる。１つの周知の導波路設計では、導波路は、互いの上に積層される複数の層を備え、各層は、異なる波長帯域を導くように設計される。各層に結合された波長帯域は、入力結合格子を導波路スタックの異なる位置に水平方向に分離することにより、又は、最適な偏光及び偏光に高感度な入力結合格子を用いることにより選択可能である。前者の方法は、光投影構成を複雑にする一方、後者は、回折格子の偏光感度が最高のときでさえあまり高くないので、最適ではない。
【０００３】
したがって、入力結合構成を改良する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、導波路ベースのディスプレイのための波長に高感度な入力結合器の改良を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、独立請求項で述べられるものによって達成される。
【０００６】
本発明は、十分に短い波長帯域を有するレーザー光では、導波路に入射する入力光線の角度が出力光線の角度とは異なり得るというアイディアに基づく。広帯域幅照明では、導光体の面法線に対する入力及び出力の角度は、常に同じである必要があり、さもなければ、画像解像度が失われる。したがって、レーザー・プロジェクタでは、原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）は、角度的に分離されるか又は部分的にオーバーラップするように、入力結合領域に出射可能である。各原色が自身の導波路内で伝搬する３層導波路スタックにより、本発明を用いて、色の間のいかなるクロス結合なしで、光を入力結合することができる。
【０００７】
したがって、１つの態様によれば、導波路ディスプレイ要素が提供され、導波路ディスプレイ要素は、互いの上に積層される複数の導波路層と、各導波路層に関連付けられ、所定の波長帯域内の光を導波路層内に結合するための入力結合器とを備える。各入力結合器は、導波路層上に配置され、中間層特性を有する中間層と、中間層上に配置され、回折格子特性を有する入力結合格子とを備える。各入力結合器の中間層特性及び回折格子特性の組合せは、他の入力結合器に対して異なる。
【０００８】
他の態様によれば、ヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）又はヘッド・アップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）のようなパーソナル・ディスプレイ・デバイスが提供され、上記の種類の導波路ディスプレイ要素と、異なる入射角の光線をディスプレイ要素の入力結合器に投影するように構成された多色レーザー・プロジェクタとを備える。
【０００９】
さらに、伝搬する光線を導波路ディスプレイ内に結合する方法が提供され、方法は、上記の種類の導波路ディスプレイ要素を提供するステップと、異なる入射角のレーザー光線をディスプレイ要素に向け、ディスプレイ要素の異なる導波路層に前記光線を選択的に結合するステップとを含む。
【００１０】
本発明は、重要な利点を提供する。中間層及び入力結合格子の特性を、異なる層間で互いに異なるように選択することによって、異なる入射角を用いて、異なる波長を異なる導波路層に効率的に結合することができる。
【００１１】
言い換えれば、入力結合構成間の導波路層と入力結合格子との間に提供される低屈折率の薄い層は、異なる層に対する色分離が可能であるように、角度に高感度になる。
【００１２】
偏光ベースの色分離と比較して、本発明は、より高い結合効率を提供し、これは、輝度を増加し、及び／又は、電力消費を減少することができる。
【００１３】
また、特に、単一の導波路層が用いられるとき、異なる色が回折する角度は、従来の解決法を用いるより良好に制御可能である。例えば、本発明では、各層の光線のホップ長、すなわち、導波路の単一の表面での連続した全反射の間の距離を短く保つことができる。これは、色のより良好な制御を可能にし、出力結合における縞模様を減少する。
【００１４】
水平方向に分離された入力結合領域及び偏光に高感度な回折格子とも比較して、本発明による構造は、製造が単純である。基本的に、低屈折率材料の１つの追加の薄膜層のみが、主導波路層と回折格子との間に必要であり、薄膜層及び回折格子の特性の適切な調整が必要である。
【００１５】
従属請求項は、本発明の選択された実施例に向けられる。
【００１６】
いくつかの実施例では、層特性の異なる組合せは、少なくとも部分的に、入力結合器が、他の入力結合器に対して同じ中間層特性及び異なる回折格子特性を有するように達成される。
【００１７】
いくつかの実施例では、層特性の異なる組合せは、少なくとも部分的に、異なる導波路層に関連付けられた入力結合器が、異なる入力結合格子周期を有するように達成される。例えば、回折格子周期は、要素の入射光側の一番上の導波路層から要素の反対側の一番下の導波路層の方に増加してもよい。
【００１８】
いくつかの実施例では、層特性の異なる組合せは、少なくとも部分的に、入力結合器が、他の入力結合器に対して同じ回折格子特性及び異なる中間層特性を有するように達成される。１つ又は複数の光帯域通過フィルタ又はダイクロイック・ミラーが、導波路層間に提供されてもよい。
【００１９】
いくつかの実施例では、各中間層は、各中間層が関連付けられた導波路層より小さい厚さ及び屈折率を有する。
【００２０】
いくつかの実施例では、各入力結合器の中間層は、２０μｍ以下、特に１０μｍ以下、例えば１−１０μｍの厚さを有する。
【００２１】
いくつかの実施例では、導波路層は、１．７以上、例えば２．０以上である屈折率を有し、中間層は、１．８未満、例えば１．７以下である屈折率を有する。
【００２２】
いくつかの実施例では、入力結合器は、同じ形状を有し、要素の水平面内で互いに整列配置される。
【００２３】
次に、本発明の実施例及びその利点は、添付の図面を参照してより詳細に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】単一の導波路層及びその上に配置される入力結合器の断面詳細側面図である。
【図２】３つの導波路層のスタック及びその上に提供される入力結合器の断面側面図である。
【図３Ａ】３つの導波路のスタックの第１の入力結合器のための波数ベクトル図である。
【図３Ｂ】３つの導波路のスタックの第２の入力結合器のための波数ベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、屈折率ｎ１及び厚さｔ１を有する平面導波路層１２の部分を示す。導波路層１２は、透明材料からなり、導波路層１２によって、光線は、全反射を介して水平方向に導波路層１２内で伝搬することができる。導波路層１２の上面には、屈折率ｎ２及び厚さｔ２を有する中間層１４が存在する。
【００２６】
中間層の上には、周期的に配列された回折格子特徴１７を備える入力結合格子１６が存在する。回折格子は、１次元の回折格子、すなわち単一の周期ｐを有する線形回折格子とすることができ、又は、異なる方向に２つの主周期を有する２次元の回折格子とすることができる（本願明細書では「周期」の参照は、周期の一方に適用する）。図１には、バイナリ回折格子が示されるが、回折格子プロファイルはいずれでもよい。他の実例は、ブレーズド回折格子及び傾斜回折格子を含む。
【００２７】
導波路層１２、中間層１４及び回折格子１６は、色／角度に高感度な層の実体１０を一緒に形成する。
【００２８】
一般的に、ｎ２＜ｎ１及びｔ２＜ｔ１である。典型的には、ｔ２＜＜ｔ１である。
【００２９】
１つの実例では、ｎ１＝１．５〜２．５であり、好ましくは、ｎ１≧１．７であり、例えば２．０である。
【００３０】
１つの実例では、ｎ２＝１．１〜１．８であり、好ましくは、ｎ２≦１．７である。
【００３１】
１つの実例では、ｔ２＜ｔ１／１０であり、典型的には、ｔ２＜ｔ１／２０である。
【００３２】
１つの実例では、ｔ１＝０．２〜１．２ｍｍであり、例えば０．３〜０．７ｍｍである。
【００３３】
１つの実例では、ｔ２＝０．５〜５０μｍであり、典型的には、ｔ２＝１〜２０μｍである。
【００３４】
図２は、３つの重ねられた層の実体１０Ａ−Ｃ、すなわち、導波路層１２Ａ−Ｃと中間層１４Ａ−Ｃとそれぞれその上に配置される入力結合格子１６Ａ−Ｃとを示す。１つの実例では、すべての導波路層１２Ａ−Ｃ及び中間層１４Ａ−Ｃは、本質的に同一であるが、入力結合格子１６Ａ−Ｃの周期は互いに異なる。これによって、異なる角度でスタックに向かう異なる波長λＡ、λＢ、λＣが生じ、波を伝搬するとき、異なる導波路層１２Ａ−Ｃにそれぞれ選択的に結合する。
【００３５】
１つの実例では、第２の回折格子１６Ｂの周期は、第１の回折格子１６Ａの周期より長く、第３の回折格子１６Ｃの周期は、第２の回折格子１６Ｂの周期より長い。
【００３６】
隣接した入力結合格子１６Ａ／１６Ｂ、１６Ｂ／１６Ｃの周期は、例えば、１００−４００ｎｍだけ異なることができる。１つの実例では、第１の回折格子１６Ａの周期は、２００−３００ｎｍであり、第２の回折格子１６Ｂの周期は、３５０−４５０ｎｍであり、第３の回折格子１６Ｃの周期は、７５０−８５０ｎｍである。
【００３７】
上記実施例では、要素に到達するすべての波長の回折角を入射角に対して低く保つことができ、それによって、光線のホップ長は短いままである。
【００３８】
図３Ａは、３つの導波路のスタックの第１の入力結合器のための（ｋｘ、ｋｙ）面内の波数ベクトル図を示す。原色（青、緑、赤）は、オーバーラップしない角度で入力結合格子に入射する（３つの中心のＦＯＶボックス）。部分的にオーバーラップする構成もまた可能である。画像は、１６：９のアスペクト比を有する５２度の斜めの視野を有する。ここで、すべての導波路に対して、ｎ１＝２．０、ｎ２＝１．７である。入力結合格子の第１の回折次数は、ｙ方向に沿って中心から上方にＦＯＶボックスを移動する。内径１．０及び外径ｎ２によって定義される環の内側のＦＯＶ点は、全反射を介して主導波路の内側で伝搬するモードを表す。ｎ１円の外側のＦＯＶ点は、決して存在しない禁止モードである。青色光のみが１．０／ｎ２環に入力結合していることが分かる。入力結合格子の下のｎ２層が十分に厚いとき、伝達する回折は、ｎ１／ｎ２環内に起こらず、したがって緑色画像は、入力結合しない。第１の導波路の後、ロング・パス・フィルタを用いて、青色光を除去することができ、したがって、第２の導光体の入力結合器は、緑色光及び赤色光のみを受け取る。図３Ｂには、第２の導光体の入力結合器のための波数ベクトル図が示される。第２の導光体の後、緑色光は、帯域通過フィルタによって除去される。最後のガイドは、赤色光のみを受け取り、したがって、従来の入力結合器をそれのために用いることができる。帯域ベースの吸収体の代わりに、ダイクロイック・ミラー又は他の波長選択構成要素もまた用いることができる。
【００３９】
導波路層は、２つの平行な主面を有する透明材料、典型的にはプラスチック又はガラスの平面部分とすることができる。中間層もまた、透明であり、典型的にはプラスチック又はガラス層である。１つの実例では、中間層は、コーティング層として提供される。例えば、回折格子は、表面レリーフ格子（ＳＲＧ：surface relief grating）として、又は、回折特徴として追加の材料を表面上に提供することによって、又は、他の回折光学要素（ＤＯＥ：diffractive optical element）として作製可能である。１つの実例では、回折格子は、少なくとも１つの酸化物又は窒化物材料、例えばＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４及びＨｆＯ２からなる線形特徴を備える。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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