(57)【要約】  本発明は、回折導波路ディスプレイ・デバイスに関するものであり、この回折導波路ディスプレイ・デバイスは、１つ又は複数の波長でレーザー光線を放射することができるイメージ・プロジェクタと、第１の表面及び反対側の第２の表面を有し、第１の表面と第２の表面との間でイメージ・プロジェクタからの前記レーザー光線を導くように構成された導波路本体と、導波路本体からの前記レーザー光線を結合するための、前記第１の表面上の出力結合回折光学素子と、導波路本体の第２の表面上に配置され、出力結合回折光学素子に位置合わせされた干渉防止コーティングと、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折導波路ディスプレイ・デバイスであって、
１つ又は複数の波長でレーザー光線を放射することができるイメージ・プロジェクタと、
第１の表面及び反対側の第２の表面を有し、前記第１の表面と前記第２の表面との間で前記イメージ・プロジェクタからの前記レーザー光線を導くように構成された導波路本体と、
前記導波路本体からの前記レーザー光線を結合するための、前記第１の表面上の出力結合回折光学素子と、
前記導波路本体の前記第２の表面上に配置され、前記出力結合回折光学素子に位置合わせされた干渉防止コーティングと、を備え、前記干渉防止コーティングは、横方向に不均一である、
回折導波路ディスプレイ・デバイス。
【請求項２】
前記干渉防止コーティングは、異なる、横方向に不均一の光学特性、例えば角度反射特性を有する、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記干渉防止コーティングは、
第１の視野角に対応し、第１の光学特性を有する第１のゾーンと、
第２の視野角に対応し、前記第１の光学特性とは異なる第２の光学特性を有する第２のゾーンと、
を備える、
請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記干渉防止コーティングは、横方向に不均一の厚さを有する、
請求項１から３までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記干渉防止コーティングは、横方向に不均一の多層構造を有する、
請求項１から４までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記干渉防止コーティングは、互いに隣接する複数の個別の領域を備え、前記領域は、異なる光学特性を有する、
請求項１から５までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記干渉防止コーティングの厚さ又は層構造は、前記出力結合回折光学素子にわたり変化するので、各位置における厚さ又は層構造は、そのエリアから前記デバイスのユーザの目の位置まで放射する角度に対して最適化される、
請求項１から６までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記干渉防止コーティングは、異なる屈折率を有する異なる材料の交互層、例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２とＭｇＦ２又はＳｉＯ２との交互層のスタックを有する多層コーティングを備える、
請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記干渉防止コーティングは、単層構造、例えばＭｇＦ２の単層を備える、
請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
重なり合ってスタックされる複数の前記導波路本体を備え、各本体は、異なる光学特性、例えば波長特異性を有する干渉防止コーティングを備える、
請求項１から９までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記干渉防止コーティングは、入射角に依存する反射率を有し、前記反射率は、ゼロの入射角に対して最も低い、
請求項１から１０までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記レーザー光線のコヒーレンス長は、前記導波路本体の２倍の厚さを超える、
請求項１から１１までのいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折導波路ディスプレイに関する。特に、本発明は、この種のディスプレイにおける改良された出力結合構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）及びヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）は、導波路技術を用いて実施可能である。光は、導波路に結合可能であり、導波路内でリダイレクト可能であり、又は、回折格子を用いて導波路から出力結合可能である。１つの従来のディスプレイ設計では、光はプロジェクタから入力結合回折格子に向けられ、入力結合回折格子は、入射光の波長を導波路内に回折させ、導波路において、それらは全反射を介して出力結合回折格子の方に伝搬する。出力結合回折格子は、導波路から光を回折させ、当初入力結合回折格子に表示された画像を再生する。
【０００３】
狭い分光帯域幅を有する光源（例えば、レーザー及び光学フィルタ処理されたＬＥＤ）とともに用いられる回折導波路は、典型的には虚像に見られる干渉パターンを被る。これらの干渉パターンは、しばしば円筒状に対称であり、ニュートン・リングと呼ばれる。これは、ディスプレイによって生成される画質を低下させるので、望ましくない効果である。
【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、干渉の問題を克服し、回折ディスプレイのための干渉のない出力結合構成及びこの種の構成を利用する回折ディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、出力結合回折格子が位置する表面とは反対側の導波路本体の表面上の干渉防止コーティングを用いて干渉パターンの形成を防止することに基づく。干渉防止コーティングは、出力結合された光線と干渉する迷光の強度を減少させる。
【０００６】
特に、本発明は、独立請求項において主張されることによって特徴付けられる。
【０００７】
したがって、１つの態様に従って、本発明は、回折導波路ディスプレイ・デバイスを提供し、この回折導波路ディスプレイ・デバイスは、
−１つ又は複数の波長でレーザー光線を放射することができるイメージ・プロジェクタと、
−第１の表面及び反対側の第２の表面を有し、第１の表面と第２の表面との間でイメージ・プロジェクタからの前記レーザー光線を導くように構成された導波路本体と、
−導波路本体からの前記レーザー光線を結合するための、前記第１の表面上の出力結合回折光学素子と、
−導波路本体の第２の表面上に配置され、出力結合回折光学素子に位置合わせされた干渉防止コーティングと、を備える。
【０００８】
本発明は、重要な利点を提供する。本発明は、内部の迷光の反射及び反射光と出力結合光との干渉による視覚的に観察可能なニュートン・リングの生成を防止するか又は少なくとも減少させる。これは、イメージ・プロジェクタのレーザー光線のコヒーレンス長が干渉する光線の光路差と同じ桁又はより高い場合、特に関連する。
【０００９】
本発明はまた、周囲光がユーザの目まで届くことが望まれるシースルー・ディスプレイにも適している。
【００１０】
従属請求項は、本発明の選択された実施例に向けられる。
【００１１】
いくつかの実施例では、干渉防止コーティングは、横方向に均一である。したがって、それは、空間的に一定の光学特性を有しうる。
【００１２】
いくつかの実施例では、干渉防止コーティングは、横方向に不均一である。それは、異なる光学特性、例えば角反射特性の異なる、個別又は連続いずれかの複数の領域を有してもよい。より詳細には、コーティングは、第１の視野角に対応し、第１の光学特性を有する第１のゾーンと、第２の視野角に対応し、第１の光学特性とは異なる第２の光学特性を有する第２のゾーンと、を有してもよい。
【００１３】
空間的に異なる光学特性は、横方向に不均一の厚さ及び／又は横方向に不均一の多層構造を有するコーティング、及び／又は、互いに隣接する複数の個別のコーティング領域であって、異なる光学特性を有する領域を提供するコーティングを用いて達成されてもよい。
【００１４】
コーティングの特性を、出力結合回折格子の領域にわたり変化させてもよいので、各位置における厚さは、そのエリアからデバイスのユーザの目の位置まで放射する角度に対して最適化される。
【００１５】
いくつかの実施例では、干渉防止コーティングは、異なる屈折率を有する異なる材料の交互層、例えば、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２とＭｇＦ２又はＳｉＯ２との交互層のスタックを有する多層膜コーティングを備える。
【００１６】
いくつかの実施例では、コーティングは、単層構造、例えばＭｇＦ２の単層を備える。
【００１７】
いくつかの実施例では、ディスプレイは、重なり合ってスタックされる複数の導波路本体を備える。特に、各本体は、異なる光学特性、例えば波長又は角度特異性を有する干渉防止コーティングを備えてもよい。
【００１８】
いくつかの実施例では、干渉防止コーティングは、入射角に依存する反射率を有し、反射率は、ゼロの入射角に対して最も低い。
【００１９】
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更に詳細に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】干渉防止コーティングのない１つの可能な出力結合構成の断面側面図を示す。
【図２】干渉防止コーティングのない１つの可能な出力結合構成の断面側面図を示す。
【図３】本発明の実施例に従う出力結合構成の断面側面図を示す。
【図４】本発明の実施例に従う出力結合構成の断面側面図を示す。
【図５】本発明の実施例に従う出力結合構成の断面側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、出力結合回折格子１４が導波路の目側に位置する出力結合構成を示す。全反射を介して導光体１３の内部で伝搬する光場１５が空気／導光体インタフェース１１で出力結合回折格子１４と相互作用するとき、２つの光場１６及び１７が生成される。光場１６は、目１９の方に伝搬し、光場１７は、反対側の導光体インタフェース１２の方に伝搬する。光場１７は、インタフェースから部分的に反射し、次に、光場１８が形成される。それらのコヒーレンス長がそれらの光路長差より大きい場合、反射された光場１８は、光場１６と干渉する。
【００２２】
図２は、出力結合回折格子２４が導波路の世界側（すなわち目の反対側）にある出力結合構成を示す。光場２５が導光体／空気インタフェース２２上に位置する出力結合回折格子２４と相互作用するとき、回折は、出力結合された光場２６を作成する。この光場は、インタフェース２１に伝搬し、インタフェース２１では、光場がインタフェース２２の方に部分的に反射する。反射場２７は、出力結合器の方に戻って伝搬し、出力結合器では、反射場２７は、目の方に反射される。光場２６及び２８は、それらの光路長差が光場のコヒーレンス長より小さい場合、干渉する。
【００２３】
次に、出力結合されたレーザー光及び導波路本体の内部で反射する迷光の干渉によって形成される干渉パターンを防止するのに適している干渉防止コーティングのいくつかの実施例が述べられる。
【００２４】
図１及び図２の構成で生ずる干渉パターンの強度は、図３に示すように、出力結合回折格子の反対側の表面上に干渉防止コーティングを生成することによって、大きく減少させることができる。干渉防止コーティング３５は、光場３４の強度を減少させるので、ユーザによって受け取られる虚像になるニュートン・リングは形成されない。
【００２５】
コーティングは、単層又は多層構造とすることができる。層厚は、典型的には、入射光の自由空間波長より小さい。例えば、導光体の屈折率が２．０である場合、５０から１５０ｎｍの厚さを有するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の単層は、入射光の可視波長に十分になりうる。多層構造は、高屈折率と低屈折率の材料層の複数対のスタックから成ることができる。いくつかの構成では、スタックは、複数の同一の対から成る。いくつかの構成では、すべての層は、異なる厚さ及び／又は屈折率を有することができる。スタックは、マクスウェル方程式に直接基づく多層解法を用いて、数値的に最適化可能である。基本的な着想は、出力結合光をユーザの目の方にできるだけ少なく反射するが、導光体の他の領域からの出力結合領域に入射する光場のための全反射特性を依然として維持する多層構造を発見することである。高屈折率材料は、例えば、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＯ２のような金属酸化物とすることができる。低屈折率媒体は、例えば、ＭｇＦ２、ＳｉＯ２又はいくつかのエアロゲル材料とすることができる。エアロゲル材料は、屈折率が１に近いので、魅力的である。また、フッ化モノマーを主成分とした低屈折率材料を用いることもできる。
【００２６】
図４及び図５は、空間的に変化する干渉防止コーティングを示す。異なる視野（ＦＯＶ）角の光場は、明確な領域から出力結合回折格子を出る。これは、干渉防止コーティングが設計されるとき、利用可能である。コーティングは、例えば、出力結合領域にわたり変化する厚さを有することができるので、各位置における厚さは、そのエリアからユーザの目に放射する角度に対して最適化される。これは、大きいＦＯＶを有する拡張現実（ＡＲ）デバイスのために作用する干渉防止コーティングを設計することを可能にする。
【００２７】
図４は、出力結合領域にわたり変化する厚さを有する単層コーティング４１を示す。変化する厚さは、単層及び多層コーティング構造の両方として実現可能である。多層コーティングの場合、層の数及び／又は個々の層の厚さは、変化することができる。
【００２８】
図５は、導波路面において互いに対して横方向に配置される複数のセグメント５１〜５５を備える多層構成を示す。セグメントの数及びそれらの光学特性は、最適化され、ユーザの視野における干渉パターンの可視性を減少させるように最適化される。
【００２９】
干渉防止コーティングは、レーザ・プロジェクタの１つ又は複数の波長に対応する低反射率の広い（例えば＞３００ｎｍ）波長帯域又は１つ又は複数の低反射率の狭い帯域（各帯域は、例えば＜５０ｎｍのＦＷＨＭ）を有することができる。
【００３０】
いくつかの実施例では、導波路本体は、１．５以上、例えば１．７以上、特に２．０以上の屈折率を有する。導波路本体の厚さは、典型的には１．５ｍｍ以下、例えば１．１ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍ以下である。
【００３１】
いくつかの実施例では、導波路ディスプレイ・デバイスはシースルーのディスプレイ・デバイスであり、干渉防止コーティング及び出力結合回折格子は、周囲白色光に対して高い透過率、例えば少なくとも７５％の透過率を有する。
【００３２】
本発明の実施例は、さまざまな個人のディスプレイ・デバイス、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）及び複合現実感（ＭＲ）デバイス、例えば、ニアアイ・ディスプレイ（ＮＥＤ）及び他のヘッドマウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）並びにヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）においてそれらの異なる形で利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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