(57)【要約】  本発明は、全内部反射を介して光線を２次元で誘導することができる導波路１００と、導波路１００上又は内に配置された回折光学素子ＤＯＥ１２０とを備える導波路素子を提供し、回折光学素子１２０は、２次元に沿って導波路１００の内側で光線の伝播が可能となるように適合され、したがって、光線は、同じ幾何形状の光路長を有する異なる経路１６０Ａ、１６０Ｂに沿って少なくとも回折光学素子１２０の１つの第１の位置１４０からＤＯＥ１２０の少なくとも１つの第２の位置１５０に伝播することができる。ＤＯＥ１２０は、少なくとも１つの波長範囲に対して、異なる経路１６０Ａ、１６０Ｂに沿って伝播した光線の物理的光路長の差がコヒーレンス長よりも長くなるようにさらに適合され、したがって、光線は第２の位置１５０においてインコヒーレントに合計される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路素子であって、
全内部反射を介して光線を２次元で誘導することができる導波路と、
前記導波路上又は内に配置された回折光学素子（ＤＯＥ）とを備え、
前記ＤＯＥが、前記２次元に沿って前記導波路の内側で光線の伝播が可能となるように適合され、したがって、前記光線が、同じ幾何形状の光路長を有する異なる経路に沿って少なくとも前記ＤＯＥの１つの第１の位置から前記ＤＯＥの少なくとも１つの第２の位置まで伝播することができ、前記ＤＯＥが、少なくとも１つの波長範囲に対して、前記異なる経路に沿って伝播した光線に対する前記光線の前記波長における位相関数への線形近似の勾配と定義される物理的光路長の差が、コヒーレンス長よりも長くなるようにさらに適合され、したがって、前記光線は前記第２の位置においてインコヒーレントに合計される、導波路素子。
【請求項２】
前記光線が、同じ幾何形状の光路長を有するいくつかの異なる経路に沿って前記ＤＯＥのいくつかの第１の位置から前記ＤＯＥのいくつかの第２の位置まで伝播することができ、前記いくつかの異なる経路のうちの少なくとも一部に対して、前記ＤＯＥが、前記物理的光路長の差を生じさせるように適合される、請求項１に記載の導波路素子。
【請求項３】
前記ＤＯＥが、前記いくつかの異なる経路のすべてに対して前記物理的光路長の差を生じさせるように適合される、請求項２に記載の導波路素子。
【請求項４】
前記ＤＯＥが、それの少なくともいくつかの位置上で、前記光線が前記ＤＯＥに当たったとき、前記波長に対して顕著な相変化を生じさせるように適合される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の導波路素子。
【請求項５】
前記ＤＯＥが、それのほとんどの位置上で、前記光線が前記ＤＯＥに当たったとき、前記波長に対して顕著な相変化を生じさせるように適合される、請求項４に記載の導波路素子。
【請求項６】
前記ＤＯＥが、前記光線が前記ＤＯＥに当たったとき、光の強度を維持するように適合される、請求項４又は５に記載の導波路素子。
【請求項７】
前記ＤＯＥが、前記異なる経路の前記物理的光路長の差を生じさせるように異なる回折特性を有する複数の隣接回折領域を備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の導波路素子。
【請求項８】
前記ＤＯＥが、前記物理的光路長の差の発生に関与する、１つ又は複数の漏洩モード回折領域を備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の導波路素子。
【請求項９】
前記ＤＯＥが、前記物理的光路長の差の発生に関与する、１つ又は複数の共振回折領域を備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の導波路素子。
【請求項１０】
前記ＤＯＥの少なくともいくつかの部分の周期が、５μｍ以上の範囲にある、請求項１から９までのいずれか一項に記載の導波路素子。
【請求項１１】
前記ＤＯＥの前記部分の各周期が、周期ごとに繰り返す非周期的微細構造パターンを含む、請求項１０に記載の導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波路ベースの表示素子に関する。詳細には、本発明は、新規種類の回折光学素子を備える導波路に関する。本発明は、ヘッドマウント表示装置（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ）及びヘッドアップ表示装置（ＨＵＤ：ｈｅａｄ−ｕｐ  ｄｉｓｐｌａｙ）などの最新の個人用表示装置に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤ及びＨＵＤは、導波路を使用して実装することができる。光を導波路に結合させ、その中で回折格子を使用して向け直し、又は導波路から外へ及びユーザの目に結合させることができる。射出瞳拡大は、光線が２次元でバウンスする導波路内で回折を使用して実行することができ、したがって、光照射野をより大きな領域に効果的に拡張する。回折の各位置において、異なる光路に沿って進んだ光波が合計される。製造関連の不正確さにより、波は、そのモデルとする光路差はゼロであるが、実際は異なる位相シフト受けており、波を部分的にコヒーレントにする。例えば、そのようなＥＰＥ回折の設計において、１つの問題は、部分的インコヒーレンスにより誘発された計算課題に関する。すなわち、（ほぼ）完全にコヒーレントな波及び（ほぼ）完全にインコヒーレントな波は、相対的に合計するのが容易であるが、そのコヒーレンスの程度が正確には知られていない部分的にコヒーレントな波の合計は、問題を生じさせる。これらの設計及び計算関連問題は、最終的に、より低い品質の導波路素子及び導波路表示デバイスをもたらす。部分的にコヒーレントな波は、特に光源自体がほぼコヒーレント（レーザ光）であるとき、関心事である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】フィンランド特許出願第２０１７６１５７号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｖａｒｔｉａｉｎｅｎ  Ｉ．ら、Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｑｕａｓｉ−ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｂｙ  ｔｈｉｎ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｇｒａｔｉｎｇｓ、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１１／２００９年６月１日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題に対処するのが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
目的は、独立請求項に定義されているように、本発明によって実現される。
【０００７】
一態様によれば、本発明は、全内部反射を介して光線を２次元で誘導することができる導波路と、導波路上又は内に配置された回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）とを備える導波路素子を提供し、ＤＯＥが、２次元に沿って導波路の内側で光線の伝播が可能となるように適合され、したがって、光線は、同じ幾何形状の光路長を有する異なる経路に沿って少なくとも回折光学素子の１つの第１の位置からＤＯＥの少なくとも１つの第２の位置に伝播することができる。ＤＯＥが、少なくとも１つの波長範囲に対して、異なる経路に沿って伝播した光線の物理的光路長の差がコヒーレンス長よりも長くなるようにさらに適合され、したがって、光線は第２の位置においてインコヒーレントに合計される。
【０００８】
本発明は顕著な利益を提供する。とりわけ、本発明は、少なくとも導波路内のいくつかの波長及び伝播経路に対する部分的コヒーレンス問題を解決し、したがって、コヒーレンス関連の計算上及び実際上の両方の光学的品質問題を軽減する。
【０００９】
従属請求項は、本発明の選択された実施例を対象とする。
【００１０】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施例及び本発明の利点をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるＤＯＥを有する２次元導波路素子の上面図である。
【図２】導波路素子の概略的断面図である。
【図３】線形近似とともに波数の関数としての位相のグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、大周期回折の単一周期の微細構造の側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、大周期回折の単一周期の微細構造の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
定義
「位相関数（ｐｈａｓｅ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）」は、対象の波長（波数）範囲内の波数の関数として位相分布を表す。
【００１３】
「幾何形状の光路長（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ  ｌｅｎｇｔｈ）」は、本明細書では、検討される波長に対する導波路材料の屈折率の実部で乗算される導波路内を進んだ距離と定義される。
【００１４】
「物理的光路長（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ  ｌｅｎｇｔｈ）」は、対象の波長における位相関数への線形近似の勾配と定義される。すなわち、相変化と波数差の比と定義される。この近似は説明を簡単にするためだけに使用され、位相関数が線形又はほぼ線形であり、又はそうであるはずであることを意味しないことが観察されている。
【００１５】
「インコヒーレント（ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）」及び「完全にインコヒーレント（ｆｕｌｌｙ  ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）」という用語は、光路長差が、該当する導波路材料中のコヒーレンス長を超える、２つの光線の関係を表す。具体的には、２つの光線の位相関数の差への線形近似の勾配がコヒーレンス長を超える場合、これらの光線はインコヒーレントである。
【００１６】
選択された実施例の説明
図１は、全内部反射を介して光線を２次元で誘導することができる導波路１００を備える導波路素子を示す。導波路１００上又は内にＤＯＥ１２０が提供される。ＤＯＥは、２次元に沿って、例えば、それの第１の位置１４０と第２の位置１５０との間の第１及び第２の経路１６０Ａ、１６０Ｂに沿って導波路の内側で光線を拡散するように適合される。経路１６０Ａ、１６０Ｂは、同じ幾何形状の光路長を有する。各矢印は、ＤＯＥからまたＤＯＥに戻って導波路内の全内部反射を介した光線の単一の「ホップ（ｈｏｐ）」を表す。ＤＯＥは、光線をＤＯＥ内で拡散するために光線を所定のやり方で折り曲げ／分割するように適切な回折構造を有する。
【００１７】
ＤＯＥ１２０の構造は、コヒーレンス長よりも長い、異なる経路１６０Ａ、１６０Ｂに沿って伝播した光線の物理的光路長に差を生じさせるように構成され、したがって、光線は、少なくともある波長範囲に対して、第２の位置においてインコヒーレントに合計される。従来のＤＯＥの場合、位相関数は、正確な意味においては制御されず、任意の経路に沿った位相関数の大部分は、製造の不正確さにより、それによって制御が及ばない。具体的には、このように誘発された位相関数は、コヒーレント加算を無効にする、等しい幾何形状の光路長に対して位相関数差を生じさせるが、コヒーレンス長に対応する線形位相関数のものを超えるのに十分に大きな（おおよその）勾配を有さない。
【００１８】
いくつかの実施例において、同じことが、２つよりも多い経路に当てはまり、すなわち、さらに、例えば、同じ幾何形状の光路長を有し、第１及び第２の経路１６０Ａ、１６０Ｂのものと同じか又は異なる場合がある第３及び第４の経路１８０Ａ、１８０Ｂに当てはまる。
【００１９】
いくつかの実施例において、及び通常、いくつかの位置対があり（対１４０／１５０に対応する）、それに対して、上述の条件の少なくともいくつかが成立する。したがって、光線は、同じ経路長を有するいくつかの異なる経路に沿ってＤＯＥのいくつかの第１の位置からＤＯＥのいくつかの第２の位置に伝播することができる。前記いくつかの異なる経路のうちの少なくとも一部では、ＤＯＥは、前記物理的光路長の差を生じさせるように適合される。いくつかの実施例において、ＤＯＥは、いくつかの異なる経路のすべてに対して前記物理的光路長の差を生じさせるように適合される。
【００２０】
図２は、導波路１００の具体的な位置におけるＤＯＥ１２２との光線の単一の相互作用を概略的に示す。破線の円において、ＤＯＥ微細構造（詳細には図示せず）は、所定の顕著な位相シフトが起きるようになっている。したがって、入射光線は、ＤＯＥによって回折した光線とは異なる位相を有する。この効果は、好ましくは、ＤＯＥのほとんど又はすべての位置で行われるように配置される。位相シフト効率は、波長及び／又は角度依存であることができる。
【００２１】
経路依存位相シフト、すなわち、異なる経路に対して全体的に異なるシフトを実現するために、ＤＯＥは、異なる回折特性を有する、いくつかの異なる領域を備える。
【００２２】
図３は、本発明の目的に使用可能な回折構造の例示的な典型的位相シフト曲線を示す。少なくともいくつかの波ベクトル値に対して、したがって、少なくともいくつかの波長に対して、大きな位相シフトが生じることが分かる。勾配は、対象の波数（波長）領域を表す点線の垂直線間の位相シフトの近似を表す。
【００２３】
いくつかの実施例において、ＤＯＥは、位相差の発生に関与する、１つ又は複数の漏洩モード回折領域を備える。
【００２４】
いくつかの実施例において、ＤＯＥは、位相差の発生に関与する、１つ又は複数の共振回折領域を備える。
【００２５】
必要とする位相シフトを生じさせることができる回折の種類についての詳細な説明は、Ｖａｒｔｉａｉｎｅｎ  Ｉ．ら、Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｑｕａｓｉ−ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｂｙ  ｔｈｉｎ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｇｒａｔｉｎｇｓ、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１１／２００９年６月１日に見いだすことができる。
【００２６】
他の実施例において、ＤＯＥは、波長に関わらず、光線がＤＯＥに当たるとき、光の強度を本質的に維持するように適合される。
【００２７】
実際には、可視スペクトルほどの、すなわち、１μｍ未満の、典型的には７００ｎｍ未満の周期を有する従来の回折を使用して、現在のＤＯＥを少なくとも実現可能な程度まで実装することができる。ＤＯＥは、異なる特性を有するいくつかの回折領域を備えることができる。
【００２８】
いくつかの好ましい実施例において、回折（複数可）の周期は、少なくとも１つの、典型的にはそれの両方の次元において最大可視波長よりも大きい。そのような回折において、回折の各周期は、単一の回折領域内の周期ごとに繰り返す２次元の非周期的微細構造パターンを含む。
【００２９】
この場合、ＤＯＥには、可視光の波長よりも実質的に大きい周期を有する回折を含む少なくとも１つの領域がある。具体的には、周期は、最大可視光波長（７００ｎｍ）に比較して少なくとも５倍であり、典型的には５μｍ以上、例えば、５〜７５μｍ、通常１０００μｍ未満である。そのような回折は、典型的には表示装置適用例における場合のように、周期よりも大きい入射光ビームに対してまだ回折を生じるが、それらの回折は、従来の少ない回折次数（＋／−１及び０）に限定されない。そのような回折により、所望の位相シフト挙動をＤＯＥ全体にわたって実装するのに使用することができる設計の自由度がさらに得られる。
【００３０】
図４Ａ及び４Ｂは、断面側面図及び上面図において大周期Ｐに対応する横寸法を有する例示的な単位元１４を示す。単位元は、回折の有効周期を減少させないために、本質的に非周期的である表面形状１５を有する。構造は、平均サイズｆ及び最大高さｈを有する超小型形状から構成される。本明細書では、ｆは、谷部の底部から隣接ピークの頂部までの平均距離と定義される。
【００３１】
形状サイズｆは例えば１０〜７００ｎｍ及び最大高さｈは例えば２０〜５００ｎｍであることができる。
【００３２】
現在の使用に適切な大周期回折の実装例のより詳細な説明には、まだ未公開のフィンランド特許出願第２０１７６１５７号が参照される。
【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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【国際調査報告】
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