(57)【要約】  本発明は、２つの次元における導波路平面内に光を導くことができる導波路本体１０と、表面上又は導波路本体１０内に提供される回折光学素子２２Ａであって、回折光学素子２２Ａが上記２つの次元に延び、回折光学素子２２Ａの各場所が、そこに向けられる光に対する回折光学応答を有する、回折光学素子２２Ａとを備える、光導波路に関する。本発明によると、回折光学素子２２Ａは、異なる回折光学応答を有する複数の領域２４Ａを含む多領域素子である。さらには、上記領域の間の回折光学素子の回折光学応答は、導波路平面内で連続的に変化する。本発明はまた、そのような導波路を備える回折導波路ディスプレイに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの次元における導波路平面内に光を導くことができる導波路本体（１０）と、
表面上又は前記導波路本体（１０）内に提供される回折光学素子（２２Ａ）であって、前記回折光学素子（２２Ａ）が前記２つの次元に延び、前記回折光学素子（２２Ａ）の各場所が、そこに向けられる光に対する回折光学応答を有する、回折光学素子（２２Ａ）とを備え、
前記回折光学素子（２２Ａ）が、異なる回折光学応答を有する複数の領域を含む多領域素子である、光導波路において、
前記領域のうちの少なくともいくつかは、前記回折光学応答が一定である一定応答領域（２４Ａ）であり、
前記回折光学素子（２２Ａ）が、前記一定応答領域（２４Ａ）の間に中間領域（２６Ａ）を含み、
前記中間領域（２６Ａ）の前記回折光学応答が、前記導波路平面内で連続的に変化することを特徴とする、光導波路。
【請求項２】
前記一定応答領域（２４Ａ）が、前記導波路平面の２つの次元において前記回折光学素子（２２Ａ）内に分布する、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記一定応答領域（２４Ａ）の各々が、本質的に非ゼロの回折光学応答を有する、請求項１又は２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記回折光学素子（２２Ａ）が、前記素子（２２Ａ）全体にわたって本質的に非周期的である、請求項１から３までのいずれかに記載の導波路。
【請求項５】
前記領域（２４Ａ）のうちの少なくともいくつかが、周期的な回折格子を備える、請求項１から３までのいずれかに記載の光導波路。
【請求項６】
少なくとも前記中間領域（２６Ａ）において、前記回折光学素子（２２Ａ）が、前記回折光学応答を規定する本質的に非周期的な微細構造を備える、請求項１から５までのいずれかに記載の導波路。
【請求項７】
連続的に変化する前記回折光学応答が、所定の入射角及び波長を有する少なくとも１つの所定の角度に対する回折の強度である、請求項１から６までのいずれかに記載の導波路。
【請求項８】
前記中間領域（２６Ａ）の前記回折光学応答が、複数の入射角及び／又は波長について連続的に変化する、請求項１から７までのいずれかに記載の導波路。
【請求項９】
前記導波路が、ヘッド・マウント・ディスプレイ又はヘッド・アップ・ディスプレイなどの回折パーソナル・ディスプレイのディスプレイ導波路であり、前記回折光学素子（２２Ａ）が、その入力結合回折光学素子、射出瞳拡張回折光学素子、若しくは出力結合回折光学素子、又は前記機能のうちの２つ以上の役目を果たす組合せ回折光学素子である、請求項１から８までのいずれかに記載の導波路。
【請求項１０】
前記導波路が、多層導波路であり、前記回折光学素子（２２Ａ）が、２つの導波路層の間に位置付けられ、前記２つの層と光学的に相互作用する中間回折光学素子である、請求項１から９までのいずれかに記載の導波路。
【請求項１１】
前記回折光学素子（２２Ａ）が、その回折光学応答を規定する非周期的又は部分的に非周期的な微細構造からなり、前記微細構造が、１０％未満の局所的な高さ変動を有する、請求項１から１０までのいずれかに記載の導波路。
【請求項１２】
前記回折光学素子（２２Ａ）が、その回折光学応答を規定する微細構造からなり、前記微細構造は、前記微細構造の局所的な高さをゼロ若しくはゼロ近くにとる、又は代替的に、前記高さを導波路素子によって含まれる隣接した回折光学素子の高さにとる、段階的な高さプロファイルがない、請求項１から１１までのいずれかに記載の導波路。
【請求項１３】
光導波路であって、前記導波路の内側の光照射野を修正するための多領域回折構造を備える光導波路と、
前記光導波路の内側に画像含有光照射野を提供するための画像プロジェクタと
を備える回折導波路ディスプレイにおいて、
前記光導波路が、請求項１から１２までのいずれかに記載の導波路であることを特徴とする、回折導波路ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に関する。特に、本発明は、導波路内の光照射野を修正するための少なくとも１つの回折光学素子を備える導波路に関する。そのような導波路は、ヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）及びヘッド・アップ・ディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などのパーソナル・ディスプレイ・デバイスであり得る。
【背景技術】
【０００２】
導波路は、多くの近代的なパーソナル・ディスプレイ・デバイスにおける重要な画像形成素子である。表示される予定の画像は、回折格子を使用して、導波路内へ及び外へ結合され、並びに導波路内で修正され得る。例えば、プロジェクタからの画像を導波路内へ結合するための入力結合格子、導波路の１つ又は複数の面内次元内の光照射野を拡張するための射出瞳拡張格子、及び導波路から外に出る光照射野をユーザの目に結合する出力結合格子が提供され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくともいくつかを克服することである。具体的な目的は、複雑な光学機能の実施を可能にし、ビーム分裂及び／又はパワー損失のリスクを低減する、回折導波路素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
特に、本発明は、独立請求項に記載されることによって特徴付けられる。
【０００５】
１つの態様によると、２つの次元における導波路平面内に光を導くことができる導波路本体と、表面上又は導波路本体内に提供される回折光学素子であって、回折光学素子が上記２つの次元に延び、回折光学素子の各場所が、そこに向けられる光に対する回折光学応答を有する、回折光学素子とを備える光導波路が提供される。本発明によると、回折光学素子は、異なる回折光学応答を有する複数の領域を含む多領域素子である。さらには、上記領域の間の回折光学素子の回折光学応答は、導波路平面内で連続的に変化する。この変化は、平面の１つ又は２つの次元に沿って起こり得る。
【０００６】
別の態様によると、本発明は、上に説明されるような光導波路と、光導波路の内側に画像含有光照射野を提供するための画像プロジェクタとを備える回折導波路ディスプレイを提供する。
【０００７】
本発明は、大きな利益をもたらす。まず、領域間にシャープな界面のない多領域ＤＯＥは、複雑な光学挙動を有するがビーム分裂という欠点のない導波路の実装を可能にする。界面における回折パターンを弱める代わりの連続的な遷移が、ＤＯＥの全効率を増大させ、またビーム分裂を低減する。結果として、光は、導波路内でより多くバウンスすることができ、ＤＯＥと相互作用し、依然として、その方向及びパワー、即ち、光が良好な効率で進むことが意図される進路を維持する。
【０００８】
シャープな界面のＤＯＥと比較して、連続的な遷移はまた、入射光の位置及び角度並びに導波路を伝播する光における変化に対する本ＤＯＥの感受性を低下させる。したがって、ＤＯＥの挙動は、より予測可能且つロバストである。
【０００９】
従属請求項は、本発明の選択された実施例に向けられる。
【００１０】
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論じられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】連続的な回折光学応答を有するＤＯＥを有する導波路の概略斜視図、及び例示的な応答の３次元グラフを示す図である。
【図２Ａ】導波路の側面図、及び全体的に連続的な回折光学素子の２次元応答グラフを示す図である。
【図２Ｂ】導波路の側面図、及び区分ごとに一定の回折光学素子の２次元応答グラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
定義
用語「回折光学素子」（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）は、光を回折することができる物理構造を備える導波路本体の区域を指す。この構造は、典型的には、１μｍ以下のサイズを有する特徴のパターンを含む。従来のパーソナル・ディスプレイ・デバイスに一般的に使用されるＤＯＥの例は、入力結合格子、射出瞳拡張格子、及び出力結合格子である。しかしながら、本発明においては、連続的な遷移を達成するために、ＤＯＥのすべて又は部分が非周期的であり、本明細書における用語ＤＯＥは、格子以外の他の構造も網羅する（用語「格子」は通常、周期的な構造として理解されるという意味で）ということに留意されたい。
【００１３】
用語「中間ＤＯＥ」は、そこから直接光を出力結合することは意図されないが、層から層への光線の伝播経路を変化させるＤＯＥを指す。しかしながら、不完全さに起因して、ある程度の出力結合は発生し得る。典型的には、中間ＤＯＥに衝突する伝播光の少なくとも９０％は、所定の光学応答に応じて、元の層又は新規の層のいずれかにおいて伝播を継続する。
【００１４】
ＤＯＥの「回折光学応答」は、回折に起因する、ＤＯＥによる光の角度及び／又はスペクトル分布における変化を指す。具体化すると、この応答は、例えば、固定の入射角及び波長についての特定の角度に対する回折強度であり得る。ＤＯＥの回折微細構造パターンが、回折光学応答を生成する。
【００１５】
回折光学応答における連続的な変化は、入射光ビームのためのＤＯＥの場所の（微細構造パターンの特徴サイズのオーダでの）小さな変化が、少なくとも１つの波長について応答における小さな変化を結果としてもたらすことを意味する。典型的には、変化は、幅広い範囲の入射角及び／又は波長にわたって連続的である。
【００１６】
本明細書における「非周期的な」構造は、規則的な間隔で繰り返す構造単位を有さない構造を意味する。この文脈では、（二元隆線／溝のような）同じ格子単位が定期的に繰り返す慣習的な格子又はその区域は、回折効率を局所的に変化させるために高さ修正がされている場合でさえも、周期的な構造と見なされる。
【００１７】
「多領域」ＤＯＥは、異なる回折光学応答を有するいくつかの内部領域を有するＤＯＥを指す。この領域は、実面積を有し、それらの領域内の回折光学応答は一定である。回折光学応答の連続的な変化は、滑らかな遷移を有する領域間で起こる。
【００１８】
選択された実施例の説明
本明細書では多領域回折光学素子（ＤＯＥ）と呼ばれる、いくつかの解決策において、互いの隣には複数の異なる格子領域が存在し、この格子領域は、格子周期、格子微細構造、又は格子線方向などの異なる特性、したがって異なる回折光学応答を有する。これらの異なる格子領域は、例えば、１〜３ｍｍであり得る、最初に格子に向けられる光ビームの直径と同じ桁にある寸法を有し得る。これは、２つの格子領域間の境界区域が光照射野に対して著しいひずみを引き起こすという欠点を有するが、それは、ビームは、ビームがそのような境界区域にぶつかる度に分割し、光パワーが失われて角度がそれるためである。しかしながら、より狭いビーム及び／又はより大きい格子領域の場合でさえも、導波路内のバウンスの量が典型的には非常に大きく、したがって境界区域衝突の確率が大きいことから、同じ問題が存在する。したがって、この問題は、ビームが、導波路を伝播しながら多領域格子において数回バウンスする複雑な格子設計において特に著しい。いくつかのバウンス後、ビームは分裂され、大量の光パワーが失われる。
【００１９】
改善された多領域回折光学素子が必要とされる。
【００２０】
いくつかの実施例において、回折光学素子は、導波路平面内に分布される異なる光学応答を有する領域を備える。即ち、ＤＯＥは、真に２次元である。そのような導波路の例は、図１に示される。
【００２１】
図１は、その表面上に概略的なＤＯＥ１２を備える導波路１０を示す。導波路平面内の連続的に変化する回折光学応答を例証するために、例示的な応答が示される。本明細書における応答は、導波路の平面内の場所の関数としての、固定の光波長で３５度の入射極角及び２０度の方位角で入ってくる光についての特定の角度（例えば、極角１０度及び方位角３３度）へのＤＯＥの透過回折の強度である。
【００２２】
応答は、本明細書では所定の入射角及び波長を有する１つの所定の回折角についてのみ例証されるが、強度は、典型的には、複数の入射角及び／又は波長について連続的に変化する。したがって、ＤＯＥの完全な回折光学応答を例証するため、類似する連続的な応答グラフが、いくつかの入射角、回折角、及び波長パラメータセットについて作成される。
【００２３】
図１の例のように、いくつかの実施例において、回折光学素子の各場所において、回折光学応答は非ゼロである。言い換えると、回折光学素子内に非回折領域は存在しない。
【００２４】
いくつかの実施例において、ＤＯＥは、非周期的な微細構造を有する少なくとも１つの区域を含む。いくつかの場合において、ＤＯＥは、素子全体にわたって非周期的である。
【００２５】
いくつかの実施例において、回折光学素子の回折光学応答は、素子全体にわたって連続的に変化する。即ち、ＤＯＥ内に一定格子領域は存在しない。
【００２６】
図２Ａは、図１のケースを断面図で例証する。連続応答ＤＯＥは、数字２２Ａで、その応答Ｒは、数字２８Ａで示される。
【００２７】
図２Ｂによって例証されるいくつかの実施例において、本明細書では数字２２Ａで示されるＤＯＥの少なくともいくつかの領域内で、回折光学応答２８Ａは一定である。これらの領域２４Ａは、周期的な回折格子を含み得る。これらの領域の間、即ち、中間領域２６Ａにおいては、応答は連続的である。これらの領域は、非周期的な微細構造を含み得る。
【００２８】
いくつかの実施例において、ＤＯＥの微細構造は、段階的プロファイルを有する部分がない、特に、微細構造の局所的な高さ、したがって、ＤＯＥの局所的な効率を、次第にゼロ若しくはゼロ近くにとる、又は代替的に、高さを導波路素子によって含まれる隣接した格子の高さにとる、側方への高さ傾斜がない。
【００２９】
いくつかの実施例において、ＤＯＥ全体を通した微細構造の高さは、ほぼ一定である。したがって、回折光学応答の連続的な変動は、特徴部高さよりも微細構造の他の特性によって達成される。
【００３０】
代替的な実施例において、ＤＯＥ内には、異なる非ゼロ微細構造高さを有する複数のほぼ一定の高さの領域が存在し、領域ごとの回折光学応答は、連続的に変化する。
【００３１】
本明細書におけるほぼ一定の高さとは、微細構造の局所的な高さ変動が１０％未満であることを意味する。
【００３２】
微細構造の局所的な高さは、本明細書では、非周期的及び不規則な回折構造並びに周期的及び規則的な回折構造に当てはめると、５μｍの直径を有する円形部内で導波路平面の法線方向における微細構造の最も低い地点と最も高い地点との高さの差（最も低い谷から最も高い頂点まで）と規定される。
【００３３】
典型的には、微細構造高さは、２０〜５００ｎｍである。
【００３４】
側方の最大特徴部寸法は、例えば、１０〜７００ｎｍまで様々であり得る。
【００３５】
いくつかの実施例において、回折光学素子の各場所で、回折光学素子の光学応答は、回折光学素子の他の場所に対して固有である。
【００３６】
連続的な光学応答を有する導波路構造は、例えば、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ）応用において利用され、この場合、システムの特徴の改善には、各ＦＯＶ角について多くの異なる伝播方向の使用が必要とされる。そのようなシステムにおいて、格子構造が一定に保たれる、格子領域を隣り合うサブ領域へと分割する標準的なやり方は、使用することができない。これは、ＦＯＶ角に対応するビームが、それらの部分が高発散となるところまでサブ領域境界によって細分化され、細分化と関連付けられるような、及びＦＯＶ角クロストークを導く、望ましくない伝播方向への回折が著しくなるためである。
【００３７】
さらには、連続的な光学応答を有する構造の使用は、例えば、製造誤差に起因するビーム又はビーム移動のわずかなズレが、システムの出力全体に小さい変化しか引き起こさないため、小さな誤差に対するシステム耐性を付与する。これは、ビームのズレが出力全体に劇的な変化をもたらし得る、明白に規定されたサブ領域を有するシステムとは対照的である。
【００３８】
いくつかの実施例において、導波路は、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）などの回折パーソナル・ディスプレイのディスプレイ導波路であり、回折光学素子は、その入力結合素子、射出瞳拡張素子、又は出力結合素子である。ＤＯＥはまた、複数の導波路層の間の中間パワー再分布素子（中間ＤＯＥ）であり得る。
【００３９】
実際、いくつかの実施例において、導波路は、多層導波路であり、回折光学素子は、２つの導波路層の間に位置付けられ、その２つの層と光学的に相互作用する中間ＤＯＥである。特に、素子の第１の横区域から素子の第２の横区域へ画像を導くための導波路ディスプレイ素子が提供され得、この素子は、互いの上に複数の導波路層を備え、この素子は、導波路層のうちの２つの間に配置されるこの種の少なくとも１つの中間ＤＯＥをさらに備える。中間ＤＯＥは、層間の伝播光パワーの分布を、その局所的な回折光学応答に従って変化させるように適合される。
【００４０】
１つの態様によると、本発明はまた、光導波路を設計する方法を提供する。本方法は、
回折光学素子の第１の領域の第１の所望の光学応答を選択するステップと、
回折光学素子の少なくとも１つの第２の領域の少なくとも１つの第２の所望の光学応答を選択するステップと、
本質的に連続的な光学応答分布が形成されるように、第１の領域と少なくとも１つの第２の領域との間の複数の場所の複数のさらなる光学応答を補間するステップとを含む。
【００４１】
本方法は、
第１の光学応答を提供する第１の回折パターンを選択するステップと、
少なくとも１つの第２の光学応答を提供する少なくとも１つの第２の回折パターンを選択するステップと、
上記さらなる光学応答を提供する複数の他の回折パターンを選択するステップであって、他のパターンの幾何学的特性が、導波路に沿って第１の領域から少なくとも１つの第２の領域へ空間的に連続的に変化している、ステップとをさらに含む。
【００４２】
１つの態様によると、本発明は、本明細書に説明されるような光導波路を製造する方法を提供する。本方法は、まず、上で論じられるように回折パターンを決定するステップ、次いで、決定された回折パターンからなる回折光学素子を有する導波路を製造するステップを含む。
【００４３】
例えば、本明細書で論じられる原則を使用して設計された後、回折光学素子は、それ自体知られている光学微細加工技術を使用して製造され得る。
【００４４】
本発明の実施例は、ニア・アイ・ディスプレイ（ＮＥＤ：Ｎｅａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｅｙｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ）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）のような、様々なパーソナル・ディスプレイ・デバイス、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ）、及び複合現実（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ）デバイスにおいて、異なる形態で利用され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【国際調査報告】
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2021508084.tif 000007
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