(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を拡張現実ディスプレイにおいて、二次元に拡大する光学装置であって、
導波路と、
入力光を前記導波路へと結合する入力回折光学素子と、
前記導波路内または前記導波路上に、互いに全体的に重なった２つの回折光学素子であって、前記２つの回折光学素子の各々は、前記入力回折光学素子から光を受け取り、前記光を第１の一次元方向において拡大して他方の回折光学素子へと結合すると、前記他方の回折光学素子は、前記第１の一次元方向と交差する第２の一次元方向において更に前記光を拡大し、観察者へ向けて、二次元に拡大されてアウトカップリングされた前記光を提供する出力回折光学素子として機能し得る、２つの回折光学素子と
を備える光学装置。
【請求項２】
各回折光学素子が複数の溝と、前記溝の平面内にあって、方向は前記溝に対して鉛直で、大きさは前記溝のピッチに反比例する、格子ベクトルとを備え、前記入力回折光学素子および前記２つの回折光学素子はそれぞれ、大きさが同一である格子ベクトルを有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記入力回折光学素子および前記２つの回折光学素子の各々の格子ベクトルの組み合わせによって、大きさがゼロである合成ベクトルを生じさせる、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記２つの回折光学素子の前記格子ベクトルは、前記入力回折光学素子の前記格子ベクトルに対して同一で反対向きの角度を成す、請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記入力回折光学素子および前記２つの回折光学素子の前記格子ベクトルが同じ大きさを有する、請求項２から４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記入力回折光学素子および前記２つの回折光学素子の前記格子ベクトルが組み合わされて、すべての辺が等しい三角形となっている、請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記入力回折光学素子が、前記２つの回折光学素子から離間している、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記入力回折光学素子に向けて光を投影するプロジェクタを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
投影された前記光が、前記入力回折光学素子に対して第１角度で提供され、前記回折光学素子によって前記導波路からアウトカップリングされた光も前記第１角度で提供される、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記重なった２つの回折光学素子が、前記導波路内、または前記導波路上に異なる複数の平面において設けられた、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記重なった２つの回折光学素子が、前記導波路の対向する表面上に設けられた、請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記２つの回折光学素子はフォトニック結晶で構成されることで前記導波路内の同一の平面に設けられている、請求項１、７、８および９のいずれか一項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡張現実ディスプレイまたはヘッドアップディスプレイに関する。特に、本発明は、入力光が２つの直交する方向に拡大され、観察者へ向かって導波路からアウトカップリングするディスプレイに関する。これにより、拡張現実ディスプレイ内でイメージを物理的に拡大することが可能となる。
【背景技術】
【０００２】
拡張現実ディスプレイでは、ユーザは投影されるイメージだけでなく、周囲を見ることができる。軍事および交通の用途において、投影されたイメージは、ユーザによって知覚される現実世界に重なり得る。これらのディスプレイの他の用途として、ビデオゲーム、および、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどが挙げられる。
【０００３】
通常の構成では、ユーザが物理的世界を見続けることができるように、透明なディスプレイ画面がユーザの前に設けられる。このディスプレイ画面は通常、ガラス導波路であり、プロジェクタが片側に設けられる。プロジェクタからの光は、回折格子によって、導波路へと結合される。投影光は、導波路内で全反射する。次に、光は別の回折格子によって導波路からアウトカップリングされ、その結果、ユーザはその光を見ることができる。プロジェクタは、ユーザが視覚する物理的世界を拡張する情報および／またはイメージを提供できる。
【０００４】
入力プロジェクタからの光は、（全幅にわたって拡張現実が望まれる場合に）ディスプレイの幅全体にわたって供給される必要があるので、ワイドスクリーンの拡張現実ディスプレイの生産において課題が存在する。１つの解決策は、ディスプレイの幅全体にわたって視野を拡大できる単一の入力プロジェクタおよび光学系を設けることである。
【０００５】
そのような装置の１つが、図１で示されているものと同様の構成を記載する米国特許出願第６，５８０，５２９号で開示されている。図１は、その面のうちの１つに入力格子４を含む導波路２の斜視図である。入力プロジェクタは、導波路２の平面に対して直角方向の入力光を供給し得る。入力格子４は、１次回折次数が導波路２と結合されるように、入力光を回折し得る。取得された光は、全反射によって、導波路２において、複数の溝が入射光に対して４５°の方向を向いている第２格子６に向かって移動し得る。第２格子６との相互作用の各地点において、光は透過するか、または、回折する。第２格子６によって回折された光は９０°向きを変え、１次回折次数は第３格子８に向かって導波路２内で延在する。最初に第２格子６内で透過した光は、第３格子８に向かって回折される前に、格子６内で更に延在し得る。これにより、第２格子６の全長に沿って、入射光の一次元拡大が実現し得る。第３格子８の複数の溝は、その入射光に対して直角方向を向いている。第３格子８との相互作用の各地点において、光は透過するか、または、回折し得る。透過光は、全反射によって、導波路８内を移動し続ける。第３格子８によって回折された光は、観察者へ向かって導波路２からアウトカップリングされる。したがって、第３格子は、第３格子の複数の溝に対して直角方向に、光の１次元拡大を実現し得る。このように、図１の光学装置は、入力光の二次元拡大を達成し得る。ここで、拡大の第１の次元は第２格子６によって提供され、拡大の第２の次元は第３格子８によって提供される。
【０００６】
図２で示されているものと同様の装置を記載する代替的なシステムがＷＯ２００８／０８１０７０で開示されている。図２は、図１と類似する、第１格子４、および、第３格子８を有する導波路２の斜視図である。また、交差格子１０が第１格子４と第３格子８との間に設けられている。交差格子１０は、重なった２つの格子を有し、それらの溝は、互いに９０°の角度である。入力格子４からの光が交差格子１０に衝突するとき、その光は同時に反対方向に回折する。その方向は、入力光の光線に対して相互に直角であるが、導波路２の平面内である。次に、光は交差格子内で再度回折され、その結果、第３格子８に向かって延在し得る。このように、交差格子１０は、入力光を２つの反対方向へと拡大することを実現する。
【０００７】
交差格子１０によって出力された光は、第３格子８に向かって移動する。入力光が第３格子８に衝突するとき、透過するか、または回折する。光線の透過部分は、第３導波路８内を延伸し、および、光線の回折部分は、観察者へ向かって導波路２からアウトカップリングされる。光線の透過部分のすべては、次に、格子８の後の溝によって、導波路２から外部へと回折され得る。したがって、拡大の第１の次元は、交差格子１０によって実現され、拡大の第２の次元は、第３格子８によって実現され得る。これを有効にするべく、交差格子１０による光のいかなるアウトカップリングも防止するように、格子周期が厳密に選択される。したがって、光のアウトカップリングは、第３格子８のみによって行われる。
【０００８】
図１および２に構成における課題は、３つの異なる領域に回折格子を提供するべく、導波路に必要な空間に関連する。これらの大規模な光学系は、すべての装置にとって適切ではない可能性がある。更なる課題は、多くの回折相互作用が必要となることである。各々の回折相互作用は、散乱を引き起こし、したがって、生じるイメージにおけるコントラストを減らす。更に別の課題は、これらの装置は必ずしもカラーディスプレイに適切なわけではないという点である。本発明の目的は、これらの欠点のいくつかを克服することである。
【０００９】
本発明の一態様によると、拡張現実ディスプレイにおいて入力光を二次元に拡大するための光学装置が設けられ、この光学装置は、導波路と、入力光を導波路へと結合するように構成されている入力回折光学素子と、導波路内または導波路上で互いに少なくとも部分的に重なった２つの回折光学素子であって、２つの回折光学素子のうち少なくとも１つが、観察者へ向かって、導波路から光をアウトカップリングする出力回折光学素子として機能し得る、２つの回折光学素子とを備えている。
【００１０】
このように、光学装置は、ユーザが見ることができるように光を導波路からアウトカップリングすると同時に、入力光源の二次元拡大を実現できる。これにより、導波路において出力結合と同じ領域内で二次元拡大を実現できるので、光学装置の内部で、より効率的な空間の使用が可能となる。このことは、製造コストを削減する上で有利となり得る。また、この装置は、改善された光学特性を提供し得る。例えば、回折相互作用の数を減らして二次元拡大を達成できるので、この装置は、改善された背景のコントラストを提供し得る。２つの回折光学素子は、導波路内または導波路上で部分的に、または全体的に互いに重なり得る。
【００１１】
この光学装置の１つの特長は、光線の二次元拡大とアウトカップリングを同時に実現する上で必要となる、回折光学素子のため導波路の領域が、わずか２つであるという点である（一方は入力回折光学素子用、もう一方は重なった回折光学素子用）。これにより、装置の全体的なサイズを減らすことができる。加えて、同様の光学的性能を達成する上で必要となる、基板の平坦性およびウェッジに関する許容差を少なくすることができるので、より少ない費用で装置を生産できる。あるいは、製造における許容差を増やすことなく、より良い光学的性能を達成できる。
【００１２】
好ましくは、重なった回折光学素子において、素子の１つは、入力回折光学素子から受け取った光を、重なった組の他方の素子へと導く。次に、他方の回折光学素子は、観察者へ向かって、導波路から光をアウトカップリングし得る。外部方向の結合のために、重なった回折光学素子の各々が、受け取った光を他方に導くように、対称な構成であることが好ましい。
【００１３】
好ましくは、回折光学素子の各々は、複数の溝と、溝の平面内の格子ベクトルを備える。格子ベクトルは、複数の溝に対して鉛直の方向、および、複数の溝のピッチに反比例する大きさで定義される。入力回折光学素子および出力回折光学素子はそれぞれ、大きさが実質的に同一の格子ベクトルを有し得る。
【００１４】
大きさが同じである入力格子ベクトルおよび出力格子ベクトルを提供することで、角度特性が入力光線と同じである出力光線を得ることが可能である。したがって、出力光線は、入力光線と同じ角度で提供され得る。これは、すべての使用波長で達成できるので、装置はカラーで（すなわち、複数の波長の範囲にわたって）有効に動作する。
【００１５】
入力回折光学素子および２つの回折光学素子の各々の格子ベクトルを組み合わせることで、大きさが実質的にゼロである合成ベクトルとなり得る。このような、格子の組み合わされた特性は、角度または色のずれが実質的にゼロである出力光を提供できることを意味し、これにより、カラーの拡張現実ディスプレイにおける装置の使用が容易となり得る。
【００１６】
いくつかの構成において、合成ベクトルの大きさが小さいことがあり得る。一般的に、これらの実施形態は、単色光に適切である。なぜなら、この構成は通常、カラーディスプレイにおいて望ましくない色分散を生じさせるからである。
【００１７】
回折光学素子の複数の溝は、線形であり得、導波路表面におけるエッチングによって形成され得る。あるいは、複数の溝は、ボリュームタイプの感光性樹脂において見られるように、様々な屈折率で形成され得る。これらの屈折率は、滑らかに変化してよく、また、段階的に変化してもよい。
【００１８】
２つの回折光学素子の複数の格子ベクトルは、入力回折光学素子の格子ベクトルに対し同一で反対向きの角度を成し得る。このように、複数の重なった回折光学素子は、互いに対して交差され得て、入力回折光学素子に対して対称的に配置され得る。したがって、入力回折光学素子からの光は、２つの回折光学素子によって、散開する方向へ同時に回折され得る。複数の回折光学素子に対し、大きさが同一で向きが反対である格子ベクトルを提供することで、二次元拡大は対称的になり得て、両方の格子によって生成される角度のずれが等しくなり得る。入力回折光学素子および２つの回折光学素子の格子ベクトルは、実質的に同じ大きさを有し得る。これら３つのベクトルの組み合わせは、実質的にゼロの大きさを有するので、これらのベクトルが組み合わされると正三角形となり、その結果、これらの格子ベクトルは、互いに約６０°の角度である。この構成は、交差する回折光学素子による、散開する方向への均一な回折を可能にし得る。光を導波路からアウトカップリングするべく、次に、交差した複数の回折光学素子に起因する、同一の後続の回折が発生し得る。このように、２つの回折光学素子の各々は、他の重なった回折光学素子による光の回折の後、出力格子として機能し得る。これにより、光が入力と同じ方向で、導波路からアウトカップリングすることが可能となり得る。好都合なことに、すべての波長で同じ結果となるので、カラーディスプレイが容易となる。
【００１９】
好ましくは、入力格子は、２つの回折光学素子から離間されている。入力格子は、光を導波路に結合し得て、光は全反射によって導波路を通って他の２つの回折光学素子へと移動し得る。
【００２０】
好ましくは、光を入力回折光学素子に向けて投影するべく、プロジェクタが設けられる。プロジェクタは多色であり得て、導波路の平面を横切る方向に設けられる。
【００２１】
投影光は、入力回折光学素子に対して第１角度で提供され得て、出力回折光学素子によって導波路からアウトカップリングされた光も、第１角度で提供され得る。したがって、角度のずれを発生させることなく出力光が提供され得る。
【００２２】
重なった２つの回折光学素子は、異なる平面内の導波路内、または導波路上で設けられ得る。このように、重なった回折光学素子は、互いに物理的に分離され得る。そのような構成は、容易に製造でき、望ましい結果をもたらし得る。
【００２３】
回折光学素子は、導波路の対向する面上に設けられ得る。これらは、必要に応じて、導波路の内部または外部の面上に設けられ得る。あるいは、２つの回折光学素子は、導波路内の実質的に同じ平面内に設けられ得る。これは、フォトニック結晶を使用することによって達成され得る。複数の回折光学素子は、結晶材料の表面の高さ、および／または屈折率を様々に変化させて設けられ得る。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、回折光学装置が設けられ、その回折光学装置は、光透過性基板と、当該基板が有する第１回折光学素子と、当該基板が有する第２回折光学素子とを備え、光透過性基板は、二次元の実質的に平行な２つの面を有し、第１回折光学素子は、光源からの光線を結合し、その光線を全反射によって当該基板内に閉じ込め、第２回折光学基板は、三次元の複数の次数へと光線を回折し、その結果、これらの中の当該次数はなお全反射しながら、（基板の主要な表面を含む二次元内の）異なる方向へと回折し、一方で、当該複数の次数のうち少なくとも１つは導波路からアウトカップリングする。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、回折光学装置が設けられ、その回折光学装置は、光透過性基板と、当該基板が有する回折光学素子とを備え、光透過性基板は、二次元の実質的に平行な２つの面を有し、当該単一回折基板は、光源からの光線を結合し、当該光線を全反射によって当該基板内に閉じ込め、また、当該単一回折光学素子は、三次元の複数の次数へと光線を回折し、当該複数の次数のうちいくつかは、なお全反射しながら、（基板の主要な表面を含む二次元内の）異なる方向へと回折され、その結果、当該光線の二次元の複製が生じ、一方で、当該複数の次数のうち少なくとも１つは、導波路からアウトカップリングする。
【００２６】
単に例として、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】入力光線を２つの直交する方向に拡大するための光学装置の斜視図である。
【図２】入力光線を２つの直交する方向に拡大する別の光学装置の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における光学装置の斜視図である。
【図４】図３の光学装置における回折格子のうちの１つの溝の上面図である。
【図５】図３の光学装置における別の回折格子の溝の上面図である。
【図６】図３の光学装置における更に別の回折格子の溝の上面図である。
【図７】複数の格子ベクトルを示す、図３の光学装置の概略図である。
【図８】図３に示されている光学装置を通り得る、いくつかの光路の例である。
【図９】図３に示されている光学装置に関する格子ベクトルの合成を示す。
【図１０】図３に示されている光学装置を通り得る複数の光路の他の例を示す、導波路の上面図である。
【図１１】図３に示されている光学装置を通り得るいくつかの光路の他の例である。
【図１２】図３で示されている光学装置を通り得る光路の更に他の例を示す、導波路の上面図である。
【図１３】入力格子によって受け取られ、回折される光を示す図である。
【図１４】出力格子によって受け取られ、回折される光を示す図である。
【図１５Ａ】内部の格子を示す代替的な構成における導波路の側面図である。
【図１５Ｂ】外部の格子を示す代替的な構成における導波路の側面図である。
【図１６】本発明の一実施形態で使用するための、三角形格子構造を有するフォトニック結晶の概略図である。
【図１７】図１６で示されているフォトニック結晶の三角形格子の構造を示す概略図である。
【図１８】図１６で示されている、フォトニック結晶を通り得る複数の光路を示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態における眼鏡の斜視図である。
【図２０】本発明の一実施形態におけるヘッドアップディスプレイの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図３は、３つの線形格子、Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２を含む導波路１２の斜視図である。導波路１２の第１面上のｘ‐ｙ平面にある、入力格子Ｈ０の複数の溝は、図４に示すように、ｙ軸と平行の向きであり、格子ピッチｐを有する。線形格子Ｈ１は、ｘ‐ｙ平面内の入力格子Ｈ０から、横方向に離れており、導波路１２の第２面上にある。格子Ｈ１の複数の溝は、ｘ‐ｙ平面上にあり、図５に示すように、ｘ軸に対して３０°の向きであり、格子ピッチｐを有する。線形格子Ｈ２は、ｘ‐ｙ平面内でＨ１に重ね合わされ、格子Ｈ１の反対側である、導波路１２の第１面上にある。したがって、交差格子Ｈ１およびＨ２は、導波路１２の厚さだけｚ軸方向に離れている。格子Ｈ２の複数の溝は、ｘ‐ｙ平面内にあり、図６に示すように、ｘ軸に対して−３０°の方向を有し、格子ピッチｐを有する。
【００２９】
格子ベクトルは、格子Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２の各々について定義され得る。格子ベクトルは、格子の複数の溝の平面内にあり、複数の溝の方向に対して直角の方向に延びる。格子ベクトルの大きさは、Ｇ＝２π／ｄの数式から求められる。ここで、ｄは格子のピッチ（すなわち、隣接する溝の間の距離）である。図７は、格子Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２にそれぞれ対応する格子ベクトル、Ｇ０、Ｇ２、Ｇ３を示す、導波路１２の平面図である。これらは別々に描かれているが、ベクトルＧ２およびＧ３が実際は互いに重なっていることは明確である。ベクトルＧ０／Ｇ２／Ｇ３のすべては、同一の大きさを有し、互いに６０°の方向である。図９で示されているように、ベクトルＧ０、Ｇ２、Ｇ３は、組み合わされると、正三角形を形成し、その結果、合成ベクトルを生じさせないか、または、わずかな大きさを有する合成ベクトルを生じさせる。
【００３０】
図８は、導波路１２を通り得る光路を示す光路図の例である。この構成において、プロジェクタからの入射光線は、多色光によって、入力格子Ｈ０を照射する。入射光線は、導波路１２の下から供給され、導波路１２の平面に直角の方向に延びる。入力格子Ｈ０は、入射光線を回折し、１次回折次数は、導波路１２内に結合される。次に、回折光は、全反射によって導波路１２内を移動する。次に、光は交差格子１０と衝突し、交差格子Ｈ１、Ｈ２と同時に相互作用する。
【００３１】
格子Ｈ１（ベクトルＧ２）は、光を０次数０Ｒおよび１次回折次数１Ｒに回折する。１次回折次数１Ｒは、ｘ軸に対して−１２０°であり、導波路１２内でなお全反射する。１次回折次数１Ｒは、次に、交差格子１０のうちの他方であるＨ２（ベクトルＧ３）と衝突する。この地点で、Ｈ２も光を０次数および１次回折次数へと回折する。０次数は導波路１２内を移動し続け、１次回折次数は、観察者へ向かって、ｚ軸に沿って導波路１２からアウトカップリングされる。この例において、光が導波路１２から出力される角度は、光がプロジェクタから導波路１２へ入射する角度と同一である。
【００３２】
図１０は、図８で示されている光路図の別の図である。図１０より、交差格子への入射光が、格子Ｈ１によって、導波路内の複数の異なる位置で回折され得ることは明らかである。なぜなら、相互作用の各地点において、光は０次または１次回折次数へと回折され得るからである。このように、入力光線は第１方向に拡大され得る。格子Ｈ１によって１次数へと回折される光は、次に格子Ｈ２に衝突し、ここで、光は０次数、または１次数に回折される。これにより、入力光が、Ｈ２の溝と直角である、第２方向に拡大されることが可能となり得る。このように、アウトカップリングされた複数の次数は、格子Ｈ２によって、二次元の領域に供給され得る。これにより、光の二次元拡大、および、アウトカップリングの両方が、小さい物理的領域で提供されることが可能となり得る。
【００３３】
図１１は、導波路１２を通り得る光路を示す光路図の他の例である。この構成において、入力格子Ｈ０から入力される光は、交差格子１０と衝突し、格子Ｈ２（ベクトルＧ３）と相互作用する。格子Ｈ２は、光を０次数０Ｒと１次回折次数１Ｒとに回折する。１次回折次数１Ｒは、ｘ軸に対して＋１２０°の角度であり、導波路１２内でなお全反射する。１次回折次数１Ｒは、次に、交差格子１０の他方の部分であるＨ１と衝突する。この地点で、Ｈ１は光を導波路１２から観察者へ向けて上向きにアウトカップリングする。この例において、光が導波路１２から出力される角度は、光がプロジェクタから導波路１２へ入射する角度と同一である。
【００３４】
図１２は、図１１で示された光路図の別の図である。複数の格子のこのような構成は、二次元ディスプレイを埋めるべく、入力光線を拡大できることが理解されよう。当然、光は図１０で示されている経路と、図１２で示されている経路とを同時にたどり、これにより、二次元領域における入力光線の均一な拡大が実現する。
【００３５】
この例において、光はベクトルＧ０，Ｇ２、Ｇ３を有する３つの回折格子に衝突した。回折の順番は、Ｇ０／Ｇ２／Ｇ３またはＧ０／Ｇ３／Ｇ２のいずれかである。これらのベクトルの各々は、同じ大きさを有する。図９で示されているように、これらベクトルが互いに加算されると、同一の開始位置と終了位置とを有する、正三角形の形状のベクトル図が得られる。複数の回折格子の物理特性は、この構成が入力光線と同一の角度および色の特性とを有する出力光線を供給することを規定する。
【００３６】
図１３は、入力格子Ｈ０で回折される光を示す図である。この状況において、ｚ軸に対して入射角θｉｎ°、ｘ軸に対して入射角φｉｎ°の入力光線が供給される。この入力光線は次に、入力格子Ｈ０によって回折され、導波路１２によって取得される。
【００３７】
図１４は、出力格子で回折されている光を示す図である。この例において、導波路１２を通る光の経路に応じて、出力格子はＨ１またはＨ２のいずれかである。見て分かる通り、光は導波路１２内の全反射から、出力格子で受け取られ、ｚ軸に対してθｏｕｔ°、ｘ軸に対してφｏｕｔ°の入射角で出力される（θｏｕｔ°＝θｉｎ°、φｉｎ°＝φｏｕｔ°）。これらの関係は、波長に関係なく適用される。つまり、カラーディスプレイ内に角度または色のずれが無い。
【００３８】
図１５Ａは、２つのガラスプレート１４と１６との間に挟まれた導波路１２の側面図である。この構成において、格子１７はガラスプレート１４、１６の面上に設けられ、導波路１２は、光学接着剤の薄層によって、これらのプレート１４、１６に取り付けられる。したがって、格子１７がガラスプレート１４、１６の内部表面に設けられる。図１５Ｂは、格子１７がその表面上に直接設けられた代替的な構成における導波路１２の側面図である。このように、格子１７は、導波路１２の外部表面上に設けられ得る。
【００３９】
別の実施形態において、交差格子１０は、フォトニック結晶に置き換えられ得る。フォトニック結晶は、変化する屈折率によって規則的なパターンが生成される物質である。この例において、フォトニック結晶は、三角形格子の形状である。二次元フォトニック結晶は、直角方向において、周期的なナノ構造を有する。この例において、フォトニック結晶は、正三角形格子の形状である。図１６は、導波路１２より高い屈折率を示す円柱２０を有するフォトニック結晶１９の上面図である。これらの円柱２０は、規則的なパターンで構成され、すべてが同じｘ‐ｙ平面内に設けられている。図１７は、円柱２０のうち３つを示している。これらの円柱は、ｘ軸またはｙ軸に沿った距離ｐに対応する、距離ｅだけ離れている。
【００４０】
これらの円柱の規則的な構成によって、多くの有効な回折格子、または、回折光学素子が生じる。特に、ｙ軸に沿って並べられ、円柱２０の隣接する列と距離ｐだけ離れた、複数の円柱２０を有する格子Ｈ１を規定することが可能である。格子Ｈ２では、ｘ軸に対して＋３０°の角度で、円柱２０の列が構成されており、隣接する列とは距離ｐだけ離れている。最後に、格子Ｈ３では、ｘ軸に対して−３０°の角度で、円柱２０の列が構成されており、隣接する列とは距離ｐだけ離れている。格子Ｈ１およびＨ２は、図３で示されている交差格子の実施形態における対応する格子と同一の特性を有することに留意されたい。
【００４１】
入力格子Ｈ０からの光がフォトニック結晶１９に入射するとき、様々な回折光学素子による複数の回折を同時に受ける。図１８は、フォトニック結晶を通り得る複数の光路示す図である。光は、同時に４つの次数へと回折を受ける地点Ａで、フォトニック結晶に受け取られる。まず、光は入射光の伝播の継続である０次数ａ０に回折される。０次数は引き続き、地点ＢおよびＣでフォトニック結晶と更に相互作用し得る。第２に、光は格子Ｈ１によって、１次回折次数ａｅへと回折される。光線ａｅは、観察者へ向かって、ｚ軸に沿って正の方向に、導波路１２から、アウトカップリングされる。格子Ｈ１の溝の方向およびピッチは、格子Ｈ０と同一である。したがって、回折の角度および色分散効果は、格子Ｈ０およびＨ１の合成効果によって打ち消される。したがって、プロジェクタからＨ０に入射する光と同一の角度および色の特性を有する光線ａｅが供給される。第３に、光はＨ２格子要素によって、１次回折次数ａ１へと回折される。ａ１光線はｘ軸に対して＋６０°で回折され、この光線は、引き続き地点Ｄでフォトニック結晶と更に相互作用する。図１２に関連して説明したように、ａ１回折光線は、交差格子Ｈ２によって回折された光と実質的に同一である。第４に、光はＨ１格子要素によって、１次回折次数ａ２へと回折される。この光線は、地点Ｆで、格子Ｈ２と相互作用し得る。フォトニック結晶の各地点で、光はこれら４つの異なる回折相互作用を発生させ得る。したがって、光は各地点で導波路からアウトカップリングされ得るが、光は引き続き、導波路１２の中で二次元に拡大し得る。フォトニック結晶の対称性により、各出力光線は、入力光線と同一の角度および色の特性を有するので、このフォトニック結晶構成で、多色（および単色）光源が入力光線として使用され得る。
【００４２】
簡潔にするため、記載された光路の数は制限されている。しかしながら、当業者にとっては、非常に多くの光路が可能であり、それらすべては、拡張現実のイメージの生成を可能にする、アウトカップリングされた次数を生じさせることは明らかであろう。更に、フォトニック結晶実装のこの例で使用される円状構造の形状は、単に例示を目的としており、当業者であれば、多くの適切な構造の形状が存在することを理解するであろう。
【００４３】
フォトニック結晶は、光の同時かつ急激な二次元拡大を可能にし得るので、入力光は二次元ディスプレイ画面全体に広がることができる。これにより、光線の二次元拡大に起因して導波路のサイズを最小限も抑えられるので、超小型ディスプレイを実現できる。
【００４４】
図１９は、眼鏡４０を示す。接眼部４４は、ユーザの眼の前に交差格子またはフォトニック結晶を含む導波路である。この例において、入力格子４２は、眼鏡４０のブリッジに設けられている。したがって、光は入力格子上に投影され、接眼部４４に導かれ得る。接眼部の中の交差格子またはフォトニック結晶は、光を二次元に拡大し、ユーザの眼に向かって、光を導波路からアウトカップリングしてよい。
【００４５】
図２０は、ヘッドアップディスプレイ５０がユーザの前に設けられている他の例を示す。交差格子またはフォトニック結晶は、ヘッドアップディスプレイ内の導波路５２に設けられている。入力格子５４は、ディスプレイの上部に設けられ、導波路５２内の交差格子またはフォトニック結晶は、イメージの急激な二次元拡大、および、光の観察者へ向けての外部方向の結合を可能にする。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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