(57)【要約】導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有し得る、接眼レンズ導波管を含んでもよく、導波管は、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）と、外部結合ＤＯＥとを含む。導波管ディスプレイシステムは、光源と、走査式ミラーとを含んでもよく、反射性かつコリメート型の光学要素を含んでもよい。内部結合ＤＯＥは、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、入射光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに選択的に伝搬させるように構成されることができる。
2022500705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって透過される第１の光ビームと、
前記導波管の内部結合ＤＯＥを通して通過する前記第１の光ビームを受け取るように構成される第１の反射性光学要素であって、前記第１の反射性光学要素は、第２の光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって反射させるように構成される、第１の反射性光学要素と
を備え、
前記導波管ディスプレイシステムは、
全内部反射（ＴＩＲ）を通した前記導波管内の外部結合ＤＯＥへの前記第１の光ビームの伝搬を防止することと、
ＴＩＲを通して、前記第２の光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項２】
前記第１および第２の光ビームの入射角ならびに前記内部結合ＤＯＥの格子周期は、前記内部結合ＤＯＥを通して透過する前記第１の光ビームが、前記第１の光ビームが前記外部結合ＤＯＥに伝搬させるためのＴＩＲ条件を満たさず、前記内部結合ＤＯＥに到達する前記第２の光ビームが、前記外部結合ＤＯＥに伝搬させるための前記ＴＩＲ条件を満たすような回折角度を決定するように構成される、請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３】
前記内部結合ＤＯＥによる前記第１の光ビームの回折は、前記導波管の全内部反射（ＴＩＲ）条件を欠いている第１の負の一次回折光ビームを生じ、
前記内部結合ＤＯＥによる前記第２の光ビームの回折は、前記導波管の前記ＴＩＲ条件を満たす第２の負の一次回折光ビームを生じる、
請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４】
前記第１の光ビームは、走査されないコリメートされた画像ビームであり、
前記第１の反射性光学要素は、走査式ミラーである、
請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５】
前記第１の光ビームは、走査式光源によって提供される発散する光ビームであり、前記第１の反射性光学要素は、コリメート型走査式ミラーである、請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項６】
前記走査式光源は、ファイバスキャナを備える、請求項５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７】
前記走査式光源は、片持ち状スキャナを備える、請求項５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項８】
前記第１の光ビームは、コリメート型ミラーによって提供されるコリメートされた光ビームであり、
前記第１の反射性光学要素は、非コリメート型走査式ミラーであることができる、
請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項９】
走査式ミラーおよび光源をさらに備え、前記第１の光ビームは、前記走査式ミラーによって提供される走査された発散する光ビームであり、
前記走査式ミラーは、入力光ビームを前記光源から受け取り、前記走査された発散する光ビームを提供するように構成され、前記走査された発散する光ビームは、前記導波管を通して透過され、前記第１の反射性光学要素に到達し、
前記第１の反射性光学要素は、前記走査された発散する光ビームを受け取り、反射されたコリメートされた光ビームを前記導波管に提供するように構成されるコリメート型ミラーである、
請求項１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１０】
前記光源は、ファイバスキャナを備える、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記光源は、片持ち状スキャナを備える、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記光源は、ファイバ点光源を備える、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１３】
前記光源は、片持ち梁上に配置される導波管を備える、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１４】
前記光源および前記走査式ミラーは、前記導波管の同一側上に配置される、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１５】
前記光源および前記走査式ミラーは、前記導波管の対向側上に配置される、請求項９に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１６】
前記内部結合ＤＯＥは、全内部反射（ＴＩＲ）を通した前記導波管内の外部結合ＤＯＥへの前記入力光ビームの伝搬を防止するように構成される、請求項１５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記導波管ディスプレイシステムは、前記入力光ビームが、前記内部結合ＤＯＥを通して進むことなく、前記導波管に入射するように構成される、請求項１５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項１８】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含み、前記内部結合ＤＯＥは、第１の偏光の光ビームを通過させ、第２の偏光の光ビームを回折するように構成される偏光感知ＤＯＥである、導波管と、
前記内部結合ＤＯＥに向かって、前記内部結合ＤＯＥを通る第１の偏光の第１の光ビームを、前記導波管の第１の表面に向かって透過させるための光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される第１の反射性光学要素と、
前記導波管の第２の表面に隣接し、前記導波管と前記第１の反射性光学要素との間に配置される波長板と
を備え、
前記第１の反射性光学要素は、前記内部結合ＤＯＥおよび前記波長板を通して通過した後、前記第１の光ビームを受け取るように構成され、
前記第１の反射性光学要素は、前記受け取られた第１の光ビームを前記波長板を通して前記導波管に向かって反射させるように構成され、
前記導波管ディスプレイシステムは、
２つが前記波長板を通して通過した後、前記第１の偏光からの前記第１の光ビームを前記第２の偏光に変換することと、
前記内部結合ＤＯＥに、前記第１の反射性光学要素および前記波長板から受け取られた前記第１の光ビームを回折させ、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内で前記外部結合ＤＯＥへと伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記第１の光ビームは、コリメートされた光ビームである、請求項１８に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記第１の反射性光学要素は、走査式ミラーである、請求項１８に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記波長板は、４分の１波長板である、請求項１８に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２２】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
入力されたコリメートされた光ビームを、前記導波管の第１の表面に向かって、第１の入射角で透過させるためのコリメート型光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記入力されたコリメートされた光ビームを受け取り、反射されたコリメートされた光ビームを前記導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される、走査式ミラーと
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記コリメートされた入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記反射されたコリメートされた光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項２３】
内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項２２に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２４】
前記入力されたコリメートされた光ビームおよび前記反射されたコリメートされた光ビームの入射角ならびに前記内部結合ＤＯＥの格子周期は、前記内部結合ＤＯＥを通して透過する前記入力されたコリメートされた光ビームが前記外部結合ＤＯＥに伝搬させるためのＴＩＲ条件を満たさず、前記内部結合ＤＯＥに到達する前記反射されたコリメートされた光ビームが前記外部結合ＤＯＥに伝搬させるための前記ＴＩＲ条件を満たすような回折角度を決定するように構成される、請求項２２に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２５】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して配置される走査式光源であって、前記走査式光源は、発散する入力光ビームを前記内部結合ＤＯＥに向かって第１の入射角で走査するように構成される、走査式光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記走査式光源からの前記発散する入力光ビームを前記導波管を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成されるコリメート型光学要素である、走査式ミラーと
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記発散する入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記コリメートされた反射された光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項２６】
前記内部結合ＤＯＥは、異なる入射角の光ビームを選択的に内部結合するように構成されるピッチを有する周期的格子である、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２７】
前記内部結合ＤＯＥは、前記発散する入力光ビームを回折し、前記導波管の全内部反射（ＴＩＲ）条件を欠いている第１の負の一次回折光ビームを生じるように構成される、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２８】
前記内部結合ＤＯＥは、前記コリメートされた反射された光ビームを回折し、前記導波管の全内部反射（ＴＩＲ）条件を満たす第２の負の一次回折光ビームを生じるように構成される、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項２９】
前記走査式光源は、ファイバスキャナを備え、前記ファイバスキャナは、
光ファイバと、
前記光ファイバの先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記光ファイバを線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３０】
前記走査式光源は、片持ち状スキャナを備え、前記片持ち状スキャナは、
導波管を含む片持ち状光学部材と、
前記片持ち状光学部材の先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記片持ち状光学部材を線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３１】
前記第１の入射角は、前記発散する入力光ビームの光学軸と前記導波管の第１の表面の法線との間に形成される、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３２】
前記走査式ミラーは、コリメートされた反射された光ビームを第２の光学軸に沿って前記導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成され、前記第２の入射角は、第２の光学軸と、前記導波管の第１の表面の法線とによって画定される、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３３】
前記走査式ミラーは、前記走査式光源の走査方向に直交する方向に走査する、１軸走査式ミラーである、請求項２５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３４】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して配置される走査式光源であって、前記走査式光源は、発散する入力光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥへと第１の入射角で走査するように構成される、走査式光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記走査式光源からの前記発散する入力光ビームを前記導波管を通して受け取り、発散する反射された光ビームを前記内部結合ＤＯＥに向かって第２の入射角で提供するように構成される、走査式ミラーと、
前記導波管の第１の表面に隣接して位置付けられるコリメート型光学要素であって、前記コリメート型光学要素は、前記走査式ミラーから放出される前記発散する反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた光ビームを前記導波管に向かって生じるように構成される、コリメート型光学要素と
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記走査式光源からの前記発散する入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
前記走査式ミラーからの前記発散する反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記コリメートされた光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項３５】
前記内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項３４に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３６】
前記内部結合ＤＯＥは、異なる入射角の光ビームを選択的に内部結合するように構成されるピッチを有する周期的格子である、請求項３４に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３７】
前記走査式光源は、ファイバスキャナを備え、前記ファイバスキャナは、
光ファイバと、
前記光ファイバの先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記光ファイバを線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項３４に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３８】
前記走査式光源は、片持ち状スキャナを備え、前記片持ち状スキャナは、
導波管を含む片持ち状光学部材と、
前記片持ち状光学部材の先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記片持ち状光学部材を線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項３４に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項３９】
前記走査式ミラーは、前記走査式光源の走査方向に直交する方向に走査する１軸走査式ミラーである、請求項３４に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４０】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して配置される走査式光源であって、前記走査式光源は、発散する入力光ビームを前記導波管に第１の入射角で投影するように構成される、走査式光源と、
前記導波管の第１の表面に隣接して位置付けられるコリメート型光学要素であって、前記コリメート型光学要素は、前記走査式光源から放出される前記発散する入力光ビームを受け取り、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって第１の入射角で生じるように構成される、コリメート型光学要素と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記コリメート型光学要素からの前記コリメートされた反射された光ビームを受け取り、コリメートされた走査された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって第２の入射角で提供するように構成される、走査式ミラーと
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記コリメート型光学要素からの前記コリメートされた反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記走査式ミラーからの前記コリメートされた走査された光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項４１】
前記内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４２】
前記内部結合ＤＯＥは、異なる入射角の光ビームを選択的に内部結合するように構成されるピッチを有する周期的格子である、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４３】
前記走査式光源は、ファイバスキャナを備え、前記ファイバスキャナは、
光ファイバであって、前記光ファイバは、前記光ファイバの先端から放出される光ビームが、前記光ファイバの軸に対してある角度で屈折されるように角度付けられたファセットを有する、光ファイバと、
前記光ファイバの先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記光ファイバを線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４４】
前記走査式光源は、片持ち状スキャナを備え、前記片持ち状スキャナは、
導波管を含む片持ち状光学部材と、
前記片持ち状光学部材の先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、前記片持ち状光学部材を線形方向に走査するように構成される走査式機構であって、前記軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構と
を含む、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４５】
前記コリメート型光学要素は、凹面コリメート型ミラーのある断面を構成する、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４６】
前記コリメート型光学要素の法線は、前記コリメート型光学要素からの前記コリメートされた反射された光ビームが前記走査式光源から離れるように指向されるように、前記走査式光源に対してある角度で配置される、請求項４５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４７】
前記走査式ミラーは、前記走査式光源の走査方向に直交する方向に走査する１軸走査式ミラーである、請求項４０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項４８】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される点光源であって、前記点光源は、発散する入力光ビームを前記内部結合ＤＯＥの外側の前記導波管の一部に提供するように構成される、点光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記発散する入力光ビームを前記点光源から受け取り、発散する反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成される、走査式ミラーと、
前記導波管の第２の表面に隣接して、前記走査式ミラーと前記導波管との間に位置付けられるコリメート型レンズであって、前記コリメート型レンズは、前記走査式ミラーから放出される前記発散する反射された光ビームを受け取り、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって生じるように構成される、コリメート型レンズと
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、前記コリメートされた反射された光ビームを回折し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項４９】
前記点光源は、ファイバ点光源または片持ち状点光源を備える、請求項４８に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５０】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して配置される点光源であって、前記点光源は、発散する入力光ビームを前記内部結合ＤＯＥの外側の前記導波管の一部に提供するように構成される、点光源と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーであって、前記走査式ミラーは、前記発散する入力光ビームを前記点光源から前記導波管を通して受け取り、発散する反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成される、走査式ミラーと、
前記導波管の第１の表面に隣接して位置付けられるコリメート型走査式光学要素であって、前記コリメート型光学要素は、前記走査式ミラーから放出される前記発散する反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥに向かって生じるように構成される、コリメート型走査式光学要素と
を備え、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記走査式ミラーからの前記発散する反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記コリメートされた反射された光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項５１】
前記内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項５０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５２】
前記内部結合ＤＯＥは、異なる入射角の光ビームを選択的に内部結合するように構成されるピッチを有する周期的格子である、請求項５０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５３】
前記内部結合ＤＯＥは、
前記走査式ミラーからの前記発散する反射された光ビームを通過させることと、
前記コリメート型光学要素からの前記コリメートされた反射された光ビームを内部結合し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、請求項５２に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５４】
前記点光源は、ファイバ点光源を備え、前記ファイバ点光源は、角度付けられたファセットを伴う先端を有する光ファイバを含み、前記光ファイバは、光ビームをある方向に前記光ファイバの軸に対してある角度で放出するように構成される、請求項５０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５５】
前記点光源は、導波管を伴う片持ち状スキャナを備える、請求項５０に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５６】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して位置付けられるコリメート型走査式光学要素と、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される走査式ミラーと、
前記導波管の第２の表面に隣接して配置される点光源であって、前記点光源は、発散する入力光ビームを前記走査式ミラーに提供するように構成される、点光源と
を備え、
前記走査式ミラーは、前記発散する入力光ビームを前記点光源から受け取り、発散する反射された光ビームを前記導波管に向かって第１の入射角で提供するように構成され、
前記コリメート型走査式光学要素は、前記走査式ミラーから放出される前記発散する反射された光ビームを前記導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管に向かって生じるように構成され、
前記内部結合ＤＯＥは、
前記走査式ミラーからの前記発散する反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止することと、
全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記コリメートされた反射された光ビームを前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、導波管ディスプレイシステム。
【請求項５７】
前記内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５８】
前記内部結合ＤＯＥは、異なる入射角の光ビームを選択的に内部結合するように構成されるピッチを有する周期的格子である、請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項５９】
前記内部結合ＤＯＥは、
前記走査式ミラーからの前記発散する反射された光ビームを通過させることと、
前記コリメート型走査式光学要素からの前記コリメートされた反射された光ビームを内部結合し、ＴＩＲを通して、前記導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させることと
を行うように構成される、請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項６０】
前記点光源は、ファイバ点光源を備え、前記ファイバ点光源は、角度付けられたファセットを伴う先端を有する光ファイバを含み、前記光ファイバは、光ビームをある方向に前記光ファイバの軸に対してある角度で放出するように構成される、請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項６１】
前記点光源は、導波管を伴う片持ち状スキャナを備える、請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項６２】
前記走査式ミラーは、前記発散する反射された光ビームを前記導波管に向かって第１の入射角で提供するように構成され、
前記コリメート型走査式光学要素は、コリメートされた反射された光ビームを前記導波管に向かって第２の入射角で生じるように構成される、
請求項５６に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項６３】
２次元走査式光源であって、
走査光ビームを提供するように構成される片持ち状スキャナと、
反射性光学要素であって、前記反射性光学要素は、前記片持ち状スキャナに隣接して配置され、前記走査光ビームを受け取り、反射された走査光ビームを提供するように構成される、反射性光学要素と、
コリメート型光学要素であって、前記コリメート型光学要素は、前記反射性光学要素に隣接して配置され、前記反射された走査光ビームを前記反射性光学要素から受け取り、コリメートされた走査光ビームを提供するように構成される、コリメート型光学要素と、
走査式光学要素であって、前記走査式光学要素は、前記コリメート型光学要素に隣接して配置され、前記コリメートされた走査光ビームを受け取り、コリメートされた２次元走査光ビームを提供するように構成される、走査式光学要素と
を備える、２次元走査式光源。
【請求項６４】
前記片持ち状スキャナは、
基部部分と、
前記基部部分から突出する片持ち状光学部材であって、前記片持ち状光学部材は、光源に結合するための導波管を含む、片持ち状光学部材と、
変換器アセンブリであって、前記変換器アセンブリは、１つ以上の圧電アクチュエータを備え、前記１つ以上の圧電アクチュエータは、前記片持ち状光学部材に結合され、前記片持ち状光学部材の運動を第１の走査平面において誘発し、前記走査光ビームを提供するように構成される、変換器アセンブリと
を備える、請求項６３に記載の２次元走査式光源。
【請求項６５】
前記片持ち状スキャナの基部部分は、単結晶シリコンの層を備え、前記片持ち状光学部材は、前記単結晶シリコンの層と一体的に形成され、そこから突出する片持ち梁を備える、請求項６４に記載の２次元走査式光源。
【請求項６６】
前記１つ以上の圧電アクチュエータはそれぞれ、前記片持ち状光学部材の縦軸と略平行方向に配向される、請求項６４に記載の２次元走査式光源。
【請求項６７】
前記走査式光学要素は、前記片持ち状スキャナの第１の走査平面に直交する第２の平面において走査する１軸走査式ミラーである、請求項６４に記載の２次元走査式光源。
【請求項６８】
前記コリメート型光学要素は、正の屈折力を伴うミラーを備える、請求項６３に記載の２次元走査式光源。
【請求項６９】
前記コリメート型光学要素は、凹面ミラーである、請求項６８に記載の２次元走査式光源。
【請求項７０】
前記片持ち状スキャナ、前記反射性光学要素、前記コリメート型光学要素、および前記走査式光学要素は、シリコンＭＥＭＳデバイス内に統合される、請求項６３に記載の２次元走査式光源。
【請求項７１】
導波管ディスプレイシステムであって、
第１の表面と、第２の表面とを有する導波管であって、前記導波管は、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、
前記導波管の第１の表面に隣接して配置される片持ち状スキャナであって、前記片持ち状スキャナは、走査光ビームを提供するように構成される、片持ち状スキャナと、
反射性光学要素であって、前記反射性光学要素は、前記片持ち状スキャナに隣接して配置され、前記走査光ビームを受け取り、反射された走査光ビームを提供するように構成される、反射性光学要素と、
コリメート型光学要素であって、前記コリメート型光学要素は、前記反射性光学要素に隣接して配置され、前記反射された走査光ビームを前記反射性光学要素から受け取り、コリメートされた走査光ビームを提供するように構成される、コリメート型光学要素と、
走査式光学要素であって、前記走査式光学要素は、前記コリメート型光学要素に隣接して配置され、前記コリメートされた走査光ビームを受け取り、コリメートされた２次元走査光ビームを提供するように構成される、走査式光学要素と
を備え、
前記片持ち状スキャナ、前記反射性光学要素、前記コリメート型光学要素、および前記走査式光学要素は、前記第１の表面に隣接して、前記導波管の同一側上に配置され、
前記導波管は、前記コリメートされた２次元走査光ビームを前記内部結合ＤＯＥにおいて受け取り、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、前記コリメートされた２次元走査光ビームを前記外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される、
導波管ディスプレイシステム。
【請求項７２】
前記片持ち状スキャナは、
基部部分と、
前記基部部分から突出する片持ち状光学部材であって、前記片持ち状光学部材は、光源に結合するための導波管を含む、片持ち状光学部材と、
変換器アセンブリであって、前記変換器アセンブリは、１つ以上の圧電アクチュエータを備え、前記１つ以上の圧電アクチュエータは、前記片持ち状光学部材に結合され、前記片持ち状光学部材の運動を第１の走査平面において誘発し、前記走査光ビームを提供するように構成される、変換器アセンブリと
を備える、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７３】
前記片持ち状スキャナの基部部分は、単結晶シリコンの層を備え、前記片持ち状光学部材は、前記単結晶シリコンの層と一体的に形成され、そこから突出する、片持ち梁を備える、請求項７２に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７４】
前記１つ以上の圧電アクチュエータはそれぞれ、前記片持ち状光学部材の縦軸と略平行方向に配向される、請求項７２に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７５】
前記コリメート型光学要素は、正の屈折力を伴うミラーを備える、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７６】
前記コリメート型光学要素は、凹面ミラーである、請求項７５に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７７】
前記走査式光学要素は、前記片持ち状スキャナの走査方向に直交する方向に走査する１軸走査式ミラーである、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７８】
前記片持ち状スキャナ、前記反射性光学要素、前記コリメート型光学要素、および前記走査式光学要素は、前記導波管の第１の表面に隣接して、その同一側に配置される、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項７９】
前記片持ち状スキャナ、前記反射性光学要素、前記コリメート型光学要素、および前記走査式光学要素は、半導体ＭＥＭＳデバイス内に統合される、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【請求項８０】
前記内部結合ＤＯＥは、前記導波管の第１の表面に隣接して配置される、請求項７１に記載の導波管ディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年９月２８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＭＩＲＲＯＲ」と題された、米国仮特許出願第６２／７３８，９００号（弁理士整理番号１０１７８２−００６５０１ＵＳ−１０９０２６５）、２０１９年９月５日に出願され、「ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＭＩＲＲＯＲ」と題された、米国仮特許出願第６２／８９６，１３８号（弁理士整理番号１０１７８２−００６５０２ＵＳ−１１４７０５０）、および２０１８年９月２８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＦＩＢＥＲ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＡＮＧＬＥＤ  ＥＹＥＰＩＥＣＥ」と題された、米国仮特許出願第６２／７３８，９０７号（弁理士整理番号１０１７８２−００６４００ＵＳ−１０９０２６６）の優先権を主張するものであって、全３つの出願は、共同所有され、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。本願は、２０１８年９月２８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＦＩＢＥＲ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＡＮＧＬＥＤ  ＥＹＥＰＩＥＣＥ」と題された、米国仮特許出願第６２／７３８，９０７号の優先権を主張する、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＦＩＢＥＲ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＡＮＧＬＥＤ  ＥＹＥＰＩＥＣＥ」と題された、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０５３５３８号（弁理士整理番号１０１７８２−００６４１０ＷＯ−１１５２１４１）と同日に出願されたものである
【背景技術】
【０００２】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、もしくはそのように知覚され得る様式で、視認者に提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。
【０００３】
これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する、改良された方法およびシステムの必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管を含む。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の内部結合ＤＯＥに向かって透過される、第１の光ビームと、導波管の内部結合ＤＯＥを通して通過する、第１の光ビームを受け取るように構成される、第１の反射性光学要素とを含む。第１の反射性光学要素は、第２の光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって反射させるように構成される。導波管ディスプレイシステムは、全内部反射（ＴＩＲ）を通した導波管内の外部結合ＤＯＥへの第１の光ビームの伝搬を防止し、ＴＩＲを通して、第２の光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【０００５】
本発明の別の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管を含む。内部結合ＤＯＥは、第１の偏光の光ビームを通過させ、第２の偏光の光ビームを回折するように構成される、偏光感知ＤＯＥである。導波管ディスプレイシステムはまた、内部結合ＤＯＥに向かい、内部結合ＤＯＥを通る、第１の偏光の第１の光ビームを、導波管の第１の表面に向かって透過させるための光源と、導波管の第２の表面に隣接して配置される、第１の反射性光学要素と、導波管の第２の表面に隣接して、導波管と第１の反射性光学要素との間に配置される、波長板とを含む。第１の反射性光学要素は、内部結合ＤＯＥおよび波長板を通して通過した後、第１の光ビームを受け取るように構成される。第１の反射性光学要素は、受け取られた第１の光ビームを波長板を通して導波管に向かって反射させるように構成される。導波管ディスプレイシステムは、２つが波長板を通して通過した後、第１の偏光からの第１の光ビームを第２の偏光に変換し、内部結合ＤＯＥに、第１の反射性光学要素および波長板から受け取られた第１の光ビームを回折させ、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥへと伝搬させるように構成される。
【０００６】
本発明の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管を含む。導波管ディスプレイシステムはまた、入力されたコリメートされた光ビームを、導波管の第１の表面に向かって、第１の入射角で透過させるためのコリメート型光源と、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーとを含む。走査式ミラーは、入力されたコリメートされた光ビームを受け取り、反射されたコリメートされた光ビームを導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。内部結合ＤＯＥは、コリメートされた入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、反射されたコリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【０００７】
本発明の別の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、導波管の第１の表面に隣接して配置される、走査式光源とを含む。走査式光源は、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥに向かって第１の入射角で走査するように構成される。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーであって、走査式光源からの発散する入力光ビームを導波管を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成される、コリメート型光学要素である、走査式ミラーを含む。内部結合ＤＯＥは、発散する入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた反射された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【０００８】
本発明の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥと、導波管の第１の表面に隣接して配置される、走査式光源とを含む、導波管を含む。走査式光源は、発散する入力光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥへと第１の入射角で走査するように構成される。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーであって、発散する入力光ビームを走査式光源から導波管を通して受け取り、発散する反射された光ビームを内部結合ＤＯＥに向かって第２の入射角で提供するように構成される、走査式ミラーと、導波管の第１の表面に隣接して位置付けられる、コリメート型光学要素であって、走査式ミラーから放出される発散する反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた光ビームを導波管に向かって生じるように構成される、コリメート型光学要素とを含む。内部結合ＤＯＥは、走査式光源からの発散する入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、走査式ミラーからの発散する反射された光ビームが、ＴＩＲを通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、ＴＩＲを通して、コリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【０００９】
本発明の代替実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、導波管の第１の表面に隣接して配置される、走査式光源とを含む。走査式光源は、発散する入力光ビームを導波管に第１の入射角で投影するように構成される。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第１の表面に隣接して位置付けられる、コリメート型光学要素であって、走査式光源から放出される発散する入力光ビームを受け取り、コリメートされた反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって第１の入射角で生じるように構成される、コリメート型光学要素と、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーであって、コリメート型光学要素からのコリメートされた反射された光ビームを受け取り、コリメートされた走査された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって第２の入射角で提供するように構成される、走査式ミラーとを含む。内部結合ＤＯＥは、コリメート型光学要素からのコリメートされた反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、走査式ミラーからのコリメートされた走査された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【００１０】
上記の導波管ディスプレイシステムのうちのいくつかでは、走査式光源は、光ファイバと、光ファイバの先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、光ファイバを線形方向に走査するように構成される、走査式機構であって、軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構とを含む、ファイバスキャナであることができる。代替として、走査式光源は、導波管と、片持ち状光学部材の先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、片持ち状光学部材を線形方向に走査するように構成される、走査式機構であって、軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構とを有する、片持ち状光学部材を含む、片持ち状スキャナであることができる。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、導波管の第２の表面に隣接して配置される、点光源とを含む。点光源は、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥの外側の導波管の一部に提供するように構成される。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーであって、発散する入力光ビームを点光源から受け取り、発散する反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成される、走査式ミラーと、導波管の第２の表面に隣接して、走査式ミラーと導波管との間に位置付けられる、コリメート型レンズとを含む。コリメート型レンズは、走査式ミラーから放出される発散する反射された光ビームを受け取り、コリメートされた反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって生じるように構成される。内部結合ＤＯＥは、コリメートされた反射された光ビームを回折し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【００１２】
本発明のさらに別の具体的実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、導波管の第１の表面に隣接して配置される、点光源とを含む。点光源は、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥの外側の導波管の一部に提供するように構成される。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーであって、発散する入力光ビームを点光源から導波管を通して受け取り、発散する反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって提供するように構成される、走査式ミラーを含む。導波管ディスプレイシステムはさらに、導波管の第１の表面に隣接して位置付けられる、コリメート型光学要素であって、走査式ミラーから放出される発散する反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって生じるように構成される、コリメート型光学要素を含む。内部結合ＤＯＥは、走査式ミラーからの発散する反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた反射された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【００１３】
本発明のさらに別の代替実施形態によると、導波管ディスプレイシステムが、提供される。導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有する、導波管であって、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む、導波管と、導波管の第１の表面に隣接して位置付けられる、コリメート型走査式光学要素と、導波管の第２の表面に隣接して配置される、走査式ミラーとを含む。導波管ディスプレイシステムはまた、導波管の第２の表面に隣接して配置される、点光源を含む。点光源は、発散する入力光ビームを走査式ミラーに提供するように構成される。走査式ミラーは、発散する入力光ビームを点光源から受け取り、発散する反射された光ビームを導波管に向かって第１の入射角で提供するように構成される。コリメート型光学要素は、走査式ミラーから放出される発散する反射された光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥを通して受け取り、コリメートされた反射された光ビームを導波管に向かって第２の入射角で生じるように構成される。内部結合ＤＯＥは、走査式ミラーからの発散する反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた反射された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【００１４】
上記の導波管ディスプレイシステムのうちのいくつかでは、点光源は、ファイバ点光源または片持ち状点光源を含むことができる。
【００１５】
本発明のさらにいくつかの代替実施形態によると、２次元走査式光源は、走査光ビームを提供するように構成される、片持ち状スキャナと、片持ち状スキャナに隣接して配置され、走査光ビームを受け取り、反射された走査光ビームを提供するように構成される、反射性光学要素とを含む。２次元走査式光源はまた、反射性光学要素に隣接して配置され、反射された走査光ビームを反射性光学要素から受け取り、コリメートされた走査光ビームを提供するように構成される、コリメート型光学要素を含む。２次元走査式光源はまた、コリメート型光学要素に隣接して配置され、コリメートされた走査光ビームを受け取り、コリメートされた２次元走査光ビームを提供するように構成される、走査式光学要素を含む。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態によると、導波管ディスプレイシステムは、導波管と、片持ち状スキャナと、反射性光学要素と、コリメート型光学要素と、走査式光学要素とを含む。導波管は、第１の表面と、第２の表面とを有し、内部結合ＤＯＥ（回折光学要素）と、外部結合ＤＯＥとを含む。片持ち状スキャナは、導波管の第１の表面に隣接して配置され、走査光ビームを提供するように構成される。反射性光学要素は、片持ち状スキャナに隣接して配置され、走査光ビームを受け取り、反射された走査光ビームを提供するように構成される。コリメート型光学要素は、反射性光学要素に隣接して配置され、反射された走査光ビームを反射性光学要素から受け取り、コリメートされた走査光ビームを提供するように構成される。走査式光学要素は、コリメート型光学要素に隣接して配置され、コリメートされた走査光ビームを受け取り、コリメートされた２次元走査光ビームを提供するように構成される。片持ち状スキャナ、反射性光学要素、コリメート型光学要素、および走査式光学要素は、第１の表面に隣接して、導波管の同一側上に配置される。導波管は、コリメートされた２次元走査光ビームを内部結合ＤＯＥにおいて受け取り、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた２次元走査光ビームを外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【００１７】
以下の説明は、付随の図面とともに、請求される発明の性質および利点のさらなる説明を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態による、ファイバスキャナを図示する、簡略化された斜視図である。
【００１９】
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施形態による、ファイバスキャナを図示する、簡略化された裁断斜視図である。
【００２０】
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学系アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。
【００２１】
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施形態による、接眼レンズの構造を図示する、部分断面図である。
【００２２】
【図３】図３は、本発明のいくつかの実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。
【００２３】
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、第１の通過および第２の通過時の図３に図示されるような角度付けられた内部結合回折光学要素のための光の回折結合を図示する、簡略化された概略図である。
【００２４】
【図５】図５は、本発明のいくつかの他の実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。
【００２５】
【図６】図６Ａおよび６Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、第１の通過および第２の通過時の図５に図示されるような角度付けられた内部結合回折光学要素のための光の回折結合を図示する、簡略化された概略図である。
【００２６】
【図７】図７は、本発明のいくつかのさらなる実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。
【００２７】
【図８】図８は、本発明のいくつかの他の実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。
【００２８】
【図９】図９は、本発明のいくつかの実施形態による、接眼レンズに結合される、２つのファイバ走査式プロジェクタを含む、構成を図式的に図示する。
【００２９】
【図１０】図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、ウェアラブルディスプレイの上面図を図式的に図示する。
【００３０】
【図１１】図１１は、本発明のいくつかのさらなる実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。
【００３１】
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３２】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３３】
【図１３】図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３４】
【図１４】図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３５】
【図１５Ａ】図１５Ａは、いくつかの実施形態による、ファイバ走査式プロジェクタの斜視図を図式的に図示する。
【００３６】
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａに図示されるファイバ走査式プロジェクタの側面図を図式的に図示する。
【００３７】
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３８】
【図１６】図１６は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００３９】
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００４０】
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００４１】
【図１８Ａ】図１８Ａ−１８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状ＭＥＭＳスキャナの種々の実施例を図示する、簡略化された斜視図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａ−１８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状ＭＥＭＳスキャナの種々の実施例を図示する、簡略化された斜視図である。
【図１８Ｃ】図１８Ａ−１８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状ＭＥＭＳスキャナの種々の実施例を図示する、簡略化された斜視図である。
【００４２】
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、圧電アクチュエータを駆動するための４相信号スプリッタネットワークを図示する、電気概略図である。
【００４３】
【図１９】図１９は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００４４】
【図２０】図２０は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【００４５】
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状走査式プロジェクタを図示する、斜視図である。
【００４６】
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａに図示される片持ち状走査式プロジェクタの側面図を図式的に図示する。
【００４７】
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合された片持ち状プロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である
【００４８】
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、２次元走査式光源を図示する、斜視図である。
【００４９】
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａの２次元走査式光源を図示する、側面図である。
【００５０】
【図２３】図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明は、概して、ウェアラブルディスプレイを含む、投影ディスプレイシステムに関連する、方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、光の立体彫像を１つを上回る深度平面において作成する、ライトフィールドディスプレイとも称される、立体ディスプレイのための方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。
【００５２】
図１Ａは、本発明の実施形態による、ファイバスキャナを図示する、簡略化された斜視図である。寸法約２ｍｍ×２ｍｍ×７ｍｍを有し得る、ファイバスキャナ１００は、ファイバ入力１１０と、ファイバ発振領域１２０とを含む。圧電アクチュエータ（図示せず）によって駆動されると、光ファイバは、ファイバ発振領域１２０内で、例えば、螺旋構成において、角度偏向の増加に伴って、光の投影の間、所与のフレーム時間にわたって発振する。ファイバスキャナの種々の要素は、本明細書全体を通してより完全に説明される。
【００５３】
図１Ｂは、本発明の実施形態による、ファイバスキャナを図示する、簡略化された裁断斜視図である。図１Ｂに図示される図では、ファイバスキャナ１００は、水平に回転されている。ファイバ入力１１０は、図の右側に図示され、入力を、保定カラー１５２によって支持される（および示されないワイヤからの電気信号によって駆動される）、圧電アクチュエータ１５０を含む、ファイバ発振断面１２０に提供し、走査式ファイバ１５４が、機械的エンクロージャ１５６内に配置される。
【００５４】
動作の間、圧電アクチュエータ１５０に機械的に取り付けられる、走査式ファイバ１５４は、ファイバ発振領域１２０内で発振する。ある実施形態では、圧電アクチュエータ１５０は、相互に対して９０°偏移される円周方向位置に分散される、４つの電極を含む。故に、圧電アクチュエータの対向側に印加される、正および負の電圧は、アクチュエータおよび電極の平面における走査式ファイバを撓曲させることができる。全４つの電極を同期させて駆動することによって、ファイバの発振が、遂行されることができる。
【００５５】
本明細書により完全に説明されるように、標準的眼鏡に匹敵する小形状因子が、本発明の実施形態によって可能にされる。本発明の実施形態を利用することによって、所望の視野、分解能の深度、統合された慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、カメラ、オーディオコンポーネント、および同等物を伴う、ディスプレイが、提供される。いくつかの実施形態では、図１Ａおよび１Ｂに図示されるファイバスキャナ１００は、眼鏡のつるまたはフレーム内に搭載され、フレーム内に配置される接眼レンズと組み合わせて稼働し、投影された光をユーザの眼に向かって指向する。ファイバスキャナ１００のサイズは、光を各眼に向かって指向させ得る、複数のファイバスキャナの統合を可能にし、ディスプレイ面積のタイル化を通して視野を増加させる。実施例として、２つのプロジェクタが、眼あたり使用される場合、８９°の対角線視野が、２つのプロジェクタを使用して提供されることができる。眼あたり４つのプロジェクタを使用すると、１３４°の対角線視野が、達成されることができる。加えて、視野の増加に加え、付加的深度平面が、複数のプロジェクタの使用を通して提供されることができる。視野を増加させるためのディスプレイ面積のタイル化および複数のプロジェクタの使用に関連する付加的説明は、２０１８年３月２１日に出願された、米国特許出願第１５／９２７，８２１号（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に提供される。
【００５６】
ある実施形態では、ファイバスキャナ１００は、ファイバ入力１１０によってフィードされ、ファイバ発振領域１２０は、２０１８年３月２１日に出願された、米国特許出願第１５／９２７，８５５号（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）の図２に図示されるように、フレームの外側縁内に搭載される。ファイバスキャナの付加的説明は、２０１８年３月２１日に出願された、米国特許出願第１５／９２７，７６５号（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に提供される。
【００５７】
図２Ａは、本発明の実施形態による、デジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る、視認光学系アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、視認者の眼の周囲または正面に装着され得る、接眼レンズ２６０を含む。本明細書に議論されるように、ＶＯＡは、一対の眼鏡のフレームと統合され、デジタルまたは仮想画像をこれらの眼鏡を装着している視認者に提示することができる。接眼レンズ２６０は、１つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。一実施形態では、接眼レンズ２６０は、３つの原色、すなわち、赤色、緑色、および青色毎に、１つの接眼レンズ層の３つの接眼レンズ層を含む。別の実施形態では、接眼レンズ２６０は、６つの接眼レンズ層、すなわち、仮想画像を１つの深度平面に形成するように構成される、３つの原色毎に１セットの接眼レンズ層と、仮想画像を別の深度平面に形成するように構成される、３つの原色毎に別のセットの接眼レンズ層とを含んでもよい。他の実施形態では、接眼レンズ２６０は、３つ以上の異なる深度平面のために、３つの原色毎に３つ以上の接眼レンズ層を含んでもよい。各接眼レンズ層は、平面導波管を備え、内部結合格子２６７と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域２６８と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域２６９とを含んでもよい。
【００５８】
依然として、図２Ａを参照すると、入力光ビーム２６４（例えば、図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、ファイバスキャナ１００によって提供される）が、画像光を接眼レンズ層２６０内の内部結合格子２６７上に投影する。内部結合格子２６７は、入力光ビーム２６４によって提供される画像光を、ＯＰＥ領域２６８に向かう方向に伝搬させる、平面導波管の中に結合する。導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、画像光を水平方向に伝搬させる。接眼レンズ層２６０のＯＰＥ領域２６８はまた、導波管内で伝搬する画像光の一部を結合し、ＥＰＥ領域２６９に向かって再指向させる、回折要素を含む。ＥＰＥ領域２６９は、接眼レンズ層２６０の平面と略垂直な方向に導波管内を伝搬する画像光の一部を結合し、視認者の眼２６２に向かって指向する、回折要素を含む。本方式では、入力光ビーム２６４によって投影された画像は、視認者の眼２６２によって視認され得る。
【００５９】
上記に説明されるように、プロジェクタによって生成された画像光は、３つの原色、すなわち、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、および赤色（Ｒ）の光を含んでもよい。そのような画像光は、各構成色内の画像光が接眼レンズ内の個別の導波管に結合され得るように、例えば、時間的または空間的に、構成色に分離されることができる。
【００６０】
図２Ｂは、本発明の実施形態による、接眼レンズの構造を図示する、部分断面図である。断面図に示される領域は、接眼レンズ２００の内部結合回折光学要素（例えば、内部結合格子）の領域を含む。図２Ｂに示されるように、接眼レンズ２００は、ファイバスキャナからの入力光を受け取り、画像情報を視認者の眼２０２に出力する、導波管プレート２２０、２３０、および２４０のスタックを含む。図２Ｂに図示される接眼レンズ２００は、視認者の眼に隣接して接眼レンズの側上に位置付けられる、眼側カバー層２１０と、世界の方に向いた接眼レンズの側上に位置付けられる、世界側カバー層２５０とを含む。
【００６１】
いくつかの実施形態では、導波管プレート２２０、２３０、および２４０は、その個別の導波管プレート２２０、２３０、および２４０の平面において光を伝搬させるための個別の平面導波管２２２、２３２、または２４２を含む。各平面導波管２２２、２３２、または２４２は、視認者の眼に向いた背面表面と、世界に向いた正面表面とを有する。図２Ｂに図示される実施形態では、導波管プレート２２０、２３０、および２４０はまた、その個別の導波管２２２、２３２、または２４２内を伝搬する光の一部を結合および再指向するために、その個別の導波管２２２、２３２、または２４２の背面表面上に配置される、個別の格子２２４、２３４、または２４４を含む。
【００６２】
図示される実施形態では、各導波管２２２、２３２、または２４２ならびに各格子２２４、２３４、または２４４は、所与の波長範囲内の光を選択的に伝搬または再指向させるように、波長選択的であってもよい。いくつかの実施形態では、導波管プレート２２０、２３０、および２４０はそれぞれ、個別の原色のために構成されてもよい。例えば、導波管プレート２２０は、赤色（Ｒ）光のために構成され、導波管プレート２３０は、緑色（Ｇ）光のために構成され、導波管プレート２４０は、青色（Ｂ）光のために構成される。接眼レンズ２００は、上記に説明されるように、異なる深度平面のために、赤色光のための２つ以上の導波管プレートと、緑色光のための２つ以上の導波管プレートと、青色光のための２つ以上の導波管プレートとを含んでもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに加え、使用されてもよい、またはそれらに取って代わってもよい。
【００６３】
光学効率を改良するために、いくつかの実施形態は、反射性構造を入力結合要素（例えば、垂直に整合された内部結合格子）の背後に形成し、入力結合要素を通して通過し、入力結合要素を通した第２の通過を生じ、画像明度を改良する、ＲＧＢ光であり得る、入力光を反射させる、反射性表面、例えば、眼側カバー層の表面のうちの１つ、例えば、正面表面上における表面の金属化を利用して、高反射性表面（例えば、約１００％反射性コーティング）を提供する。図２Ｂに図示されるように、反射体２１２は、導波管の中に結合されない、ファイバスキャナから入射する入力光２０１を反射させる。反射体２１２からの反射後、入力光は、入力結合要素を通して第２の通過を行い、導波管の中に結合される光の量を増加させることが可能である。
【００６４】
代替実施形態では、例えば、１００％反射性金属コーティングを使用して加工される、環状反射体２５２が、世界側カバーガラス上に設置されることができる。本環状反射体２５２は、世界側カバー層２５０の背面側上に示されるが、これは、本発明によって要求されず、代替として、正面側上に搭載されてもよい。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。本代替実施形態では、ファイバスキャナからの入力光２０１は、ファイバスキャナの光学アセンブリ断面から出力された後、環状反射体２５２の中心を通して通過する。入力光は、発散するため、ビームは、接眼レンズを通して通過し、入力結合要素の背後の反射体２１２から反射するにつれて、拡散する。本反射された光２０４は、接眼レンズを通して戻るように伝搬し、光の円錐は、伝搬の間、拡張する。いくつかの実施形態では、反射された光２０４はまた、帰還経路の間、内部結合格子の中に結合され、反射された光２０４が、入力光２０１の鏡像であるが、内部結合格子の対向側を通した入射が、同一配向をもたらすため、視認者への表示のために、入力ビームと同一配向によって特徴付けられる。光の大部分であり得る、実質的部分が、二重反射された光２０６によって図示されるように、世界側カバー層上の環状反射体２５２から反射し、入力結合要素を通した第３の通過を行い、導波管プレートの中への光の付加的結合をもたらすことが可能である。当業者に明白となるであろうように、鏡の間効果が、達成されることができ、接眼レンズを通して通過する光線の増加された数と相関される増加された明度をもたらし、充填率および画質を改良する。
【００６５】
チャネルが、つるおよびフレーム内に切り込まれ、ファイバおよび電気配線を収納することができる。ファイバ／ワイヤが、ばねヒンジにわたって通過する際、設計寸法は、つるが折畳されるにつれて、ファイバが最小屈曲曲率半径を超えて屈曲されないようにする。
【００６６】
図２Ｂに関連して議論される、入力結合要素と関連付けられる反射性構造に加え、いくつかの実施形態は、接眼レンズから世界に向かって伝搬する、光の一部（例えば、半分）が、反射され、ユーザの眼に向かって指向されるように、世界側カバーガラスの内面上に部分反射性（例えば、５０％アルミ被覆）表面を利用し、これは、ビームに対する若干の側方オフセットの結果として、全体的明度を増加させ、ビーム密度を増加させ、改良された充填率に寄与する。
【００６７】
本発明の実施形態は、従来の光学構成に優る改良を提供する。例えば、米国特許出願第１５／９２７，７６５号に説明されるように、偏光ビームスプリッタが、光ファイバから放出される入力光ビームをコリメートするためのコリメート型光学アセンブリのコンポーネントとして利用されてもよい。しかしながら、広範囲の入射角のために良好に性能を発揮する、偏光ビームスプリッタを生じることは困難であり得る。加えて、偏光ビームスプリッタを通して、高光学スループットを有することが望ましくあり得るが、これは、第１の通過時に高透過および第２の通過時に高反射を要求する。非偏光入力光ビームに関して、光強度の約５０パーセントは、第１の通過時に喪失され得、光強度の別の２５パーセントは、第２の通過時に喪失され得る。光スループットを改良するために、偏光維持（ＰＭ）光ファイバを使用して、偏光された入力光ビームを送達することが望ましくあり得る。いくつかのＰＭ光ファイバは、応力部材を有し、複屈折を導入し、偏光維持性質を促進する。ファイバスキャナコンポーネントを加工するために使用されるエッチング液に応じて、応力部材は、ファイバコアより急速にまたはよりゆっくりとエッチングされ、ＰＭ光ファイバの使用と関連付けられる課題をもたらし得る。故に、本発明のいくつかの実施形態は、偏光維持性ではない、光ファイバを含む、光学導波管を利用し、それによって、システム複雑性およびコストを低減させる。
【００６８】
さらに、本発明の実施形態は、コリメート型光学要素を軸上構成において利用する、光学構成を提供する。当業者に明白となるであろうように、光が、軸外角度、すなわち、高入射角で光学要素上に入射する実装と対照的である、光が光学要素上に光学要素の表面に対して略法線の角度で入射する、軸上構成において、光学要素を使用することが望ましくあり得る。軸上構成を利用することによって、本発明の実施形態は、光学要素が非点収差およびコマ収差等の収差を導入し得る、軸外構成とは対照的に、高レベルの光学性能によって特徴付けられる。
【００６９】
図３は、本発明のいくつかの実施形態による、接眼レンズに結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。ファイバスキャナとも称されるファイバ走査式プロジェクタは、走査式光源の実施例である。ファイバスキャナは、光ファイバと、光ファイバの先端が軌道に沿って走査するように構成されるように、光ファイバを線形方向に走査するように構成される、走査式機構であって、軌道は、第１の光学軸を画定する、走査式機構とを含むことができる。図３に示されるように、ファイバ走査式プロジェクタは、光ファイバ３１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよい。光ファイバ３１０は、その先端の軌道が２次元凸面オブジェクト表面３１２（例えば、球状表面の一部）を画定するように偏向されてもよい。光学軸３２０は、光ファイバ３１０が偏向されないとき、光ファイバ３１０を通して通過する、線として画定されてもよい。例えば、光学軸３２０は、凸面オブジェクト表面３１２の中心を通して通過してもよい。ファイバ走査式プロジェクタはさらに、光学軸３２０に沿って軸上構成に位置付けられる、凹面コリメート型ミラー等のコリメート型光学要素３３０を含んでもよい。本軸上構成では、光学軸３２０は、コリメート型光学要素３３０の中心に対する法線と整合される。光が、光ファイバ３１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、光ファイバ３１０の開口数によって決定された定められた角度を伴う光線の円錐（例えば、図３に図示されるように、周辺的光線３６０ａおよび３６０ｂによって境界される）として発散し得る。故に、コリメート型光学要素３３０は、光ファイバ３１０の先端から放出される周辺的光線３６０ａおよび３６０ｂによって特徴付けられる、発散する入力光ビームを受け取り、周辺的光線３７０ａおよび３７０ｂによって特徴付けられるコリメートされた光ビームを反射された光ビームとして生じるように構成されてもよい。単一の発散する入力光ビームのみが、光ファイバの非偏向位置のために図示されるが、コリメート型光学要素３３０の空間範囲は、偏向角度の範囲を横断してファイバ先端によって生じさせられた発散する入力光ビームが、コリメート型光学要素３３０によって捕捉およびコリメートされるであろうようなものであろうことを理解されたい。
【００７０】
図３に図示されるように、光ファイバ３１０の偏向は、凸面オブジェクト表面３１２を画定する。いくつかの実施形態では、コリメート型光学要素３３０は、凸面オブジェクト表面３１２の曲率半径の２倍の曲率半径を有する、略球状ミラーであり得る、反射表面を有してもよい。故に、いくつかの実施形態では、集束の大部分は、非球面補正項を伴う湾曲ミラーとして実装され得る、コリメート型光学要素３３０を使用して達成される。代替実施形態では、反射表面は、走査表面、すなわち、凸面オブジェクト表面３１２の半径の２倍を上回る、曲率半径によって特徴付けられる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、コリメート型光学要素３３０の反射表面のプロファイルは、凸面オブジェクト表面３１２の曲率半径の２倍の曲率から、例えば、光経路内の中間コンポーネントの屈折率（例えば、導波管３４２の屈折率）および入射角の関数として変動し得、これは、光学軸３２０に対する導波管３４２の傾斜に起因する非対称構成に適応し得る。
【００７２】
図３を参照すると、導波管３４２および内部結合ＤＯＥ３４６は、光学軸３２０に対して角度θｉで傾斜される。結果として、ファイバ３１０からの光は、種々および非対称の角度で導波管３４２上に入射し得る。例えば、光線３６０ａは、光線３６０ｂの入射角未満の入射角を有する、すなわち、光線３６０ｂは、３６０ａよりもかすめ入射角に近い。明確性の目的のために、導波管３４２を通して伝搬する光線は、屈折しないように図示されるが、実際の実践では、入力角度における差異は、屈折角度および導波管３４２を通した透過における差異をもたらすであろう。故に、いくつかの実施形態では、導波管３４２の表面の法線３０２と光学軸３２０との間の非ゼロ角度θｉを補償するために、導波管３４２を通した伝搬後の凸面オブジェクト表面３１２上に伝えられる非対称性は、コリメート型光学要素３３０の曲率の修正によって補償される。これらの実施形態では、コリメート型光学要素３３０の曲率または凹面は、角度θｉに基づく位置ならびに導波管３４２およびそれを通して発散するビームが通過する他の光学要素の屈折率および厚さの関数として変動し得る。位置の関数として、コリメート型光学要素３３０の曲率を変動させることによって、光ファイバ３１０の光学軸３２０に対する導波管の傾斜された配向の影響および光ファイバ３１０によって放出される光線の伝搬角度に及ぼされる任意の結果として生じる影響の補償が、本発明のいくつかの実施形態によって提供される。
【００７３】
図３に図示されるように、接眼レンズ３４０が、光ファイバ３１０の先端とコリメート型光学要素３３０との間に位置付けられてもよい。接眼レンズ３４０は、導波管３４２の表面の法線３０２が光学軸３２０に対して非ゼロ角度θｉを形成するように、光学軸３２０に対して傾斜された平面導波管３４２を含んでもよい。接眼レンズ３４０はさらに、光学軸３２０を遮る、導波管３４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）３４６、例えば、内部結合格子（ＩＣＧ）を含んでもよい。
【００７４】
接眼レンズ３４０はさらに、第１の側方領域から所定の距離だけ変位される、導波管３４２の表面の第２の側方領域に結合される、外部結合回折光学要素（ＤＯＥ）３４８（例えば、外部結合格子）を含んでもよい。外部結合ＤＯＥ３４８は、導波管３４２内を伝搬する光の一部を導波管３４２から外に視認者の眼３５０に向かって回折するように構成される、回折格子を備えてもよい。例えば、外部結合ＤＯＥ３４８は、図２Ａに関連して上記に議論される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）であってもよい。下記の議論を促進するために、図３および４Ａ−４Ｂに図示されるように、内部結合ＤＯＥ３４６から外部結合ＤＯＥ３４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【００７５】
図４Ａ−４Ｂに関連して下記により完全に説明されるように、光ファイバ３１０からの光は、内部結合ＤＯＥ３４６上に斜め入射角で入射するため、導波管３４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するために制御されることができる。
【００７６】
図４Ａは、本発明の実施形態による、図３に図示されるように、角度付けられた内部結合ＤＯＥ３４６のための光の回折結合を図示する、簡略化された概略図である。図４Ａは、光ファイバ３１０の先端から放出される発散する入力光ビーム（中心光線３６０−１によって表される）が、第１の通過時に、内部結合ＤＯＥ３４６上に入射する際の内部結合ＤＯＥ３４６の光学効果を図式的に図示する。明確にするために、光学軸３２０と整合される、発散する入力光ビームの中心光線３６０−１のみが、示される。しかしながら、下記の分析は、発散する入力光ビームの他の光線にも適用可能であることを理解されたい。図４Ａに図示されるように、内部結合ＤＯＥ３４６は、（透過幾何学形状における）入力光ビームの第１の部分（中心光線３６０−１によって表される）を正の一次（「＋１」）回折４２０として回折角度θ＋１で、（透過幾何学形状における）入力光ビームの第２の部分（中心光線３６０−１によって表される）を負の一次（「−１」）回折４３０として回折角度θ−１で回折し得る。中心光線３６０−１は、内部結合ＤＯＥ３４６と関連付けられる導波管の法線３０２に対して非ゼロ入射角θｉで傾斜されるため、回折次数の角度は、等しくならないであろう。換言すると、回折角度θ＋１が、正である場合、回折角度θ＋１は、回折角度θ−１の絶対値に等しくならないであろう。故に、下記に説明されるように、回折次数は、導波管内で均一全内部反射を被らないであろう。
【００７７】
回折格子の動作は、以下の格子方程式によって統制され得る。
【化１】
2022500705.tif 000003
式中、θｍは、格子の表面に対して法線のベクトルに対して回折格子から出射する光の回折角度（回折角度）であり、λは、波長であり、ｍは、「次数」として知られる整数値パラメータであり、ｄは、格子の周期であり、θｉは、格子の表面に対して法線のベクトルに対する光の入射角である。したがって、特定の次数ｍ（ｍは、非ゼロである）に関する回折角度θｍは、入射角θｉおよび格子の周期ｄに依存し得る。
【００７８】
いくつかの実施形態によると、発散する入力光ビームを構成する光の入射角θｉ（導波管３４２が光学軸３２０に対して傾斜される角度によって決定される）および格子周期ｄは、回折角度θ＋１における正の一次回折４２０が、導波管３４２の全内部反射（ＴＩＲ）条件を満たし得、したがって、導波管３４２内で＋Ｘ方向に伝搬し得る一方、回折角度θ−１における負の一次回折４３０が、導波管３４２のＴＩＲ条件を欠き得、したがって、エバネッセント波として導波管３４２の表面に沿って−Ｘ方向に伝搬する（図４Ａにおける長破線４３０’によって表される）か、または導波管３４２内の各バウンスにおいて導波管３４２から外に屈折されるかのいずれかであり得るように選択されてもよい。正の一次回折４２０は、導波管３４２内で＋Ｘ方向に外部結合ＤＯＥ３４８から離れるように伝搬するため、外部結合ＤＯＥ３４８によって導波管３４２から外に回折され、視認者の眼３５０に到達することはないであろう。むしろ、光トラップまたは他の吸光構造が、ビームダンプとして利用され、第１の通過時に、正の一次回折へと回折される光を吸収することができる。
【００７９】
再び図３を参照すると、周辺的光線３６０ａおよび３６０ｂによって特徴付けられ、光ファイバ３１０の先端から放出される、発散する入力光ビームの一部は、内部結合ＤＯＥ３４６を通して（例えば、ゼロ次透過として）透過され、軸上構成においてコリメート型光学要素３３０上に入射し得る。コリメート型光学要素３３０は、第２の通過時に、内部結合ＤＯＥ３４６に向かって戻るように指向される、コリメートされた光ビームとして（例えば、図３に図示されるように、周辺的光線３７０ａおよび３７０ｂによって境界される平行光線の束として）、発散する入力光ビームを反射させ得る。上記に記載されるように、発散する光ビームの縁における光線は、周辺的光線３６０ａおよび３６０ｂによって図示されるが、他の光線も同様に、コリメートされ、周辺的光線３７０ａおよび３７０ｂによって表されるコリメートされた光ビームを形成するであろう。
【００８０】
図４Ｂは、本発明の実施形態による、図３に図示されるような角度付けられた内部結合ＤＯＥ３４６のための中心光線３７０−１によって図示されるコリメートされた光ビームの回折結合を図示する、簡略化された概略図である。明確にするために、コリメートされた光ビームの中心光線３７０−１のみが、示される。しかしながら、下記の分析は、コリメートされた入力光ビームの他の光線にも適用可能であることを理解されたい。図４Ｂに図示されるように、内部結合ＤＯＥ３４６は、（反射幾何学形状における）中心光線３７０−１によって図示されるコリメートされた光ビームの第１の部分を正の一次（「＋１」）回折４６０として回折角度θ＋１で、（反射幾何学形状における）中心光線３７０−１によって図示されるコリメートされた光ビームの第２の部分を負の一次（「−１」）回折４７０として回折角度θ−１で回折し得る。
【００８１】
コリメーション前の第１の通過の間に内部結合ＤＯＥ上に入射した光に関連して議論されるように、コリメートされた光ビームの中心光線３７０−１が、内部結合ＤＯＥ３４６と関連付けられる導波管の法線３０２に対して非ゼロ入射角θｉで傾斜されるので、回折次数の角度は、等しくならないであろう。換言すると、回折角度θ＋１が、正である場合、回折角度θ＋１は、回折角度θ−１の絶対値に等しくならないであろう。故に、下記に説明されるように、回折次数は、導波管内で均一全内部反射を被らないであろう。
【００８２】
図４Ｂを参照すると、コリメートされた光ビームの中心光線３７０−１は、図４Ａに図示される入力光ビーム３６０の中心光線３６０−１と比較して、対向方向から内部結合ＤＯＥ３４６上に入射するため、正の一次回折４６０は、導波管３４２のＴＩＲ条件を満たし得、したがって、導波管３４２内で−Ｘ方向に伝搬し得る一方、負の一次回折４７０は、導波管３４２のＴＩＲ条件を欠き得、したがって、エバネッセント波として導波管３４２の表面に沿って＋Ｘ方向に伝搬する（図４Ｂにおける長破線４７０’によって表される）か、または導波管３４２内の各バウンスにおいて導波管３４２から外に屈折されるかのいずれかであり得る。正の一次回折４６０は、導波管３４２内で−Ｘ方向に沿って外部結合ＤＯＥ３４８に向かって伝搬するため、外部結合ＤＯＥ３４８によって導波管３４２から外に回折され、視認者の眼３５０に到達し得る。
【００８３】
上記に説明されるように、ファイバ走査式プロジェクタに対する接眼レンズ３４０の角度付けられた構成における内部結合ＤＯＥ３４６および導波管３４２の非対称挙動を利用することによって、光ファイバ３１０から放出される入力光ビームの導波管３４２の中への効率的結合が、軸上コリメート型光学要素３３０を使用して達成され得る。本光学構成は、米国特許出願第１５／９２７，７６５号に議論されるように、偏光ビームスプリッタの使用を回避する。したがって、非偏光入力光ビームが、非偏光維持光ファイバを使用することによって伝達され得、これは、従来の技法と関連付けられる１つ以上の技術的難点を解消することができる。図３に図示されるファイバ走査式プロジェクタはまた、偏光ビームスプリッタを使用する構成と比較して、より少ない光学コンポーネントを有するという利点を有し得、したがって、製造がより容易であり得る。コリメート型光学要素３３０の軸上構成は、単一要素コリメート型光学要素３３０において補正することが困難であり得る、非点収差およびコマ収差等の軸外収差を防止し得る。
【００８４】
いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ３４６は、光を所望の回折次数の中に優先的に回折するように、ブレーズドされてもよい（すなわち、特定の周期的プロファイルを与えられる）。例えば、内部結合ＤＯＥ３４６は、視認者の眼３５０に到達する入力光ビームの割合を最大限にするように、正の一次回折４６０の強度が負の一次回折４７０の強度より高くなり得るようにブレーズドされてもよい。
【００８５】
加えて、内部結合ＤＯＥ３４６は、内部結合ＤＯＥ３４６が、第１の通過時に内部結合ＤＯＥ３４６上に入射する入力光ビームとしてより第２の通過時に内部結合ＤＯＥ３４６上に入射する入力光ビームとして高い結合効率を有し得るように、透過次数より反射次数において高い効率を有するように構成されてもよい。したがって、より小さい割合の入力光ビームは、第１の通過時に無駄にされ、より大きい割合の入力光ビームが視認者の眼３５０に到達する結果をもたらし得る。
【００８６】
内部結合ＤＯＥ３４６の周期的構造は、種々の実施形態による、透明材料の屈折率の表面レリーフプロファイルまたは体積変調を含んでもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ３４６は、メタ表面を含んでもよい。メタ表面は、光学的に薄いサブ波長構造化インターフェースである。メタ表面は、概して、小型の異方性光散乱体（すなわち、光学アンテナ等の共振器）のアレイを組み立てることによって作成される。アンテナ間の間隔およびその寸法は、波長よりはるかに小さい。メタ表面は、Ｈｕｙｇｅｎｓの原理から、空間変動を光散乱体の光学応答に導入することによって、光学波面をサブ波長分解能を伴う恣意的形状に成型することが可能である。メタ表面は、光の偏光、位相、および振幅を制御することを可能にし得る。光の波面を操作するために使用され得る、要因は、ナノ構造の材料、サイズ、幾何学形状、および配向を含む。メタ表面の共振波長は、その構成ナノ構造の幾何学的サイズを変化させ、それによって、波長選択性を提供することによって、工作されることができる。例えば、メタ表面は、光を再指向する際に高度に波長選択的であるように工作されてもよい。したがって、メタ表面は、波長選択的内部結合光学要素および外部結合光学要素として使用されることができる。メタ表面回折光学要素の付加的説明は、２０１７年８月２２日に出願された、米国特許出願第１５／６８３，６４４号（その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に提供される。
【００８７】
図５は、本発明のいくつかの他の実施形態による、接眼レンズ５４０に結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。接眼レンズ５４０は、平面導波管５４２と、導波管５４２の背面表面の第１の側方領域に結合される、内部結合ＤＯＥ５４６と、導波管５４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ５４８とを含む。外部結合ＤＯＥ５４８は、図５では、導波管５４２の背面表面に結合されるように図示されるが、正面表面または背面表面のいずれかに結合されることができることに留意されたい。内部結合ＤＯＥ５４６の背面は、内部結合ＤＯＥ５４６が反射幾何学形状で動作し得るように、金属化される。概して、金属化された内部結合ＤＯＥは、非金属化内部結合ＤＯＥより高い結合効率を有し得る。外部結合ＤＯＥ５４８は、導波管５４２内を伝搬する光の一部を導波管５４２から外に視認者の眼５５０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。下記の議論を促進するために、図５および６Ａ−６Ｂに図示されるように、内部結合ＤＯＥ５４６から外部結合ＤＯＥ５４８に向かって延びている方向は、「−Ｘ」方向を示し、対向方向は、「＋Ｘ」方向を示す。
【００８８】
ファイバ走査式プロジェクタは、光ファイバ５１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含む。光ファイバ５１０は、その先端の軌道５１２が２次元凸面オブジェクト表面（例えば、球状表面の一部）を画定するように偏向されてもよい。光学軸５２０は、光ファイバ５１０が偏向されないとき、光ファイバ５１０を通して通過する、線として画定されてもよい。例えば、光学軸５２０は、凸面オブジェクト表面の中心を通して通過し得る。光ファイバ５１０は、光学軸５２０が導波管５４２の法線５０２に対して非ゼロ角度θｉを形成するように、角度付けられた構成において接眼レンズ５４０に対して位置付けられる。図６Ａ−６Ｂに関連して下記により完全に説明されるように、光ファイバ５１０からの光は、内部結合ＤＯＥ５４６上に斜め入射角で入射するため、導波管５４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するために制御されることができる。
【００８９】
内部結合ＤＯＥ５４６は、金属化されるため、入力光ビーム５６０の一部は、第１の通過時に、内部結合ＤＯＥ５４６によって反射され（例えば、ゼロ次反射として）、仮想オブジェクト点５９０から放出される発散する入力光ビームとして現れ得る。図６Ａに関連して下記に説明されるように、内部結合ＤＯＥ５４６はまた、入力光ビーム５６０を他の回折次数（例えば、正の一次回折および負の一次回折）へと回折するであろう。
【００９０】
ファイバ走査式プロジェクタはさらに、接眼レンズ５４０の光ファイバ５１０と同一側上に位置付けられる、凹面ミラー等のコリメート型光学要素５３０を含んでもよい。コリメート型光学要素５３０は、軸上構成において位置付けられ、金属化された内部結合ＤＯＥ５４６によって反射された発散する入力光ビーム５６０’（すなわち、ゼロ次反射）を受け取る。コリメート型光学要素５３０は、第２の通過時に内部結合ＤＯＥ５４６に向かって戻るように指向されるコリメートされた反射された光ビーム５７０として、入力光ビームをコリメートする。
【００９１】
図６Ａは、本発明の実施形態による、図５に図示されるような角度付けられた内部結合ＤＯＥ５４６のための光の回折結合を図示する、簡略化された概略図である。明確にするために、発散するビーム５６０の中心光線５６０−１のみが、示される。図示されるように、内部結合ＤＯＥ５４６は、（反射幾何学形状における）入力光ビーム５６０の第１の部分を正の一次（「＋１」）回折６２０として回折角度θ＋１で、（反射幾何学形状における）入力光ビーム５６０の第２の部分を負の一次（「−１」）回折６３０として回折角度θ−１で回折し得る。図３および４Ａ−４Ｂに図示される内部結合ＤＯＥ３４６と同様に、入射角θｉおよび内部結合ＤＯＥ５４６の格子周期ｄは、図６Ａに図示されるように、回折角度θ−１における負の一次回折６３０が、導波管５４２のＴＩＲ条件を満たし得、したがって、導波管５４２内で＋Ｘ方向に伝搬し得る一方、回折角度θ＋１における正の一次回折６２０が、導波管５４２のＴＩＲ条件を欠き得、したがって、エバネッセント波として導波管５４２の表面に沿って−Ｘ方向に伝搬するか（図６Ａにおける長破線６２０’によって表される）、または導波管５４２内の各バウンスにおいて導波管５４２から外に屈折されるかのいずれかであり得るように選択されてもよい。故に、内部結合ＤＯＥ５４６の入射角θｉおよび格子周期ｄの選択は、殆どまたは全く光が外部結合ＤＯＥ５４８に到達する第１の正の次数の反射６２０へと回折されない結果をもたらし得る。負の一次回折６３０は、導波管５４２内で＋Ｘ方向に外部結合ＤＯＥ５４８から離れるように伝搬するため、図５に図示されるように、外部結合ＤＯＥ５４８によって導波管５４２から外に回折され、視認者の眼５５０に到達することはあり得ない。むしろ、光トラップまたは他の吸光構造が、ビームダンプとして利用され、第１の通過時に負の一次回折６３０へと回折される、光を吸収することができる。
【００９２】
図６Ｂは、本発明の実施形態による、図５に図示されるような角度付けられた内部結合ＤＯＥ５４６のためのコリメートされた光ビーム５７０の回折結合を図示する、簡略化された概略図である。明確にするために、コリメートされた光ビーム５７０の中心光線５７０−１のみが、示される。しかしながら、下記の分析は、コリメートされた入力光ビーム５７０の他の光線にも適用可能であることを理解されたい。図示されるように、内部結合ＤＯＥ５４６は、（反射幾何学形状における）コリメートされた光ビーム５７０の第１の部分を正の一次（「＋１」）回折６６０として、（反射幾何学形状における）コリメートされた光ビーム６５０の第２の部分を負の一次（「−１」）回折光ビーム６７０として回折し得る。ここでは、コリメートされた光ビーム５７０は、図６Ａに図示される入力光ビーム５６０と比較して、対向方向から内部結合ＤＯＥ５４６上に入射するため、負の一次回折光ビーム６７０は、図６Ｂに図示されるように、導波管５４２のＴＩＲ条件を満たし得、したがって、導波管５４２内で−Ｘ方向に伝搬し得る一方、正の一次回折６６０は、導波管５４２のＴＩＲ条件を欠き得、したがって、エバネッセント波として導波管５４２の表面に沿って＋Ｘ方向に伝搬する（図６Ｂにおける長破線６６０’によって表される）か、または導波管５４２内の各バウンスにおいて導波管５４２から外に屈折されるかのいずれかであり得る。負の一次回折光ビーム６７０は、導波管５４２内で−Ｘ方向に沿って外部結合ＤＯＥ５４８に向かって伝搬するため、外部結合ＤＯＥ５４８によって導波管５４２から外に回折され、視認者の眼５５０に到達し得る。
【００９３】
光学軸５２０と導波管５４２の法線５０２との間の角度θｉは、上記に説明されるように、内部結合ＤＯＥ５４６および導波管５４２の非対称挙動を促進するように選択されてもよい。他の幾何学的考慮点もまた、考慮されてもよい。例えば、角度θｉは、光ファイバ５１０の先端の軌道５１２とコリメート型光学要素５３０との間の任意の競合を回避するように選択されてもよい。種々の実施形態では、角度θｉは、例えば、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、または４５°であるように選択されてもよい。いくつかの他の実施形態では、コリメート型光学要素５３０は、米国特許出願第１５／９２７，７６５号の図５に図示される構成に類似する、それを通して光ファイバ５１０が通過し得る、穴を有してもよい。本構成は、角度θｉが、光ファイバ５１０がそうでなければコリメート型光学要素５３０と幾何学的に競合するであろうように選択される場合に使用されてもよい。
【００９４】
図７は、本発明のいくつかのさらなる実施形態による、接眼レンズ７４０に結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。接眼レンズ５４０と同様に、接眼レンズ７４０は、平面導波管７４２と、導波管７４２の背面表面の第１の側方領域に結合される、内部結合ＤＯＥ７４６と、導波管７４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ７４８（外部結合ＤＯＥ７４８は、図７では、導波管７４２の背面表面に結合されるように図示されるが、正面表面または背面表面のいずれかに結合されることができる）とを含む。外部結合ＤＯＥ７４８は、導波管７４２内を伝搬する光の一部を導波管７４２から外に視認者の眼７５０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。ここでは、内部結合ＤＯＥ７４６の背面は、金属化されない。代わりに、接眼レンズ７４０は、内部結合ＤＯＥ７４６の背後に位置付けられる、別個の平面ミラー７８０を含む。
【００９５】
ファイバ走査式プロジェクタは、光ファイバ７１０（または導波管）を含む。光ファイバ７１０は、その先端の軌道が２次元凸面オブジェクト表面７１２（例えば、球状表面の一部）を画定するように偏向されてもよい。光学軸５２０は、光ファイバ７１０が偏向されないとき、光ファイバ７１０を通して通過する、線として画定されてもよい。例えば、光学軸７２０は、凸面オブジェクト表面７１２の中心を通して通過し得る。光ファイバ７１０は、光学軸７２０が導波管７４２の法線７０２に対して非ゼロ角度θｉを形成するように、接眼レンズ７４０に対して位置付けられる。入力光ビーム７６０の一部は、第１の通過時に、内部結合ＤＯＥ７４６を通して通過し、平面ミラー７８０によって反射され得る。したがって、入力光ビーム７６０は、仮想オブジェクト点７９０から放出される発散する入力光ビームとして現れ得る。
【００９６】
ファイバ走査式プロジェクタはさらに、接眼レンズ７４０の光ファイバ７１０と同一側上に位置付けられる、凹面ミラー等のコリメート型光学要素７３０を含んでもよい。コリメート型光学要素７３０は、軸上構成において位置付けられ、発散する入力光ビーム７６０を受け取る。コリメート型光学要素７３０は、入力光ビーム７６０を第２の通過時に内部結合ＤＯＥ７４６に向かって戻るように指向されるコリメートされた光ビーム７７０として反射させる。
【００９７】
図５に図示されるファイバ走査式プロジェクタと同様に、内部結合ＤＯＥ７４６の入射角θｉおよび格子周期ｄは、第１の通過時に内部結合ＤＯＥ７４６上に入射する入力光ビーム７６０に関して、図６Ａにおける例証と同様に、（反射幾何学形状における）負の一次回折が、導波管７４２のＴＩＲ条件を満たし得る一方、（反射幾何学形状における）正の一次回折が、導波管７４２のＴＩＲ条件を欠き得るように選択されてもよい。第２の通過時に内部結合ＤＯＥ７４６上に入射するコリメートされた光ビーム７７０に関して、図６Ｂにおける例証と同様に、（反射幾何学形状における）負の一次回折は、導波管７４２のＴＩＲ条件を満たし得、（反射幾何学形状における）正の一次回折は、導波管７４２のＴＩＲ条件を欠き得る。
【００９８】
一般に、接眼レンズは、周期性を含め、内部結合ＤＯＥ（例えば、図５に図示される内部結合ＤＯＥ５４６または図７に図示される内部結合ＤＯＥ７４６）と同一格子パラメータを有するように構成される、外部結合ＤＯＥ（例えば、図５に図示される外部結合ＤＯＥ５４８または図７に図示される外部結合ＤＯＥ７４８）を含んでもよい。例えば、図５および６Ａ−６Ｂに図示され、図８において複製される、システムでは、導波管５４２上に入射角θｉで入射する入力光ビーム５６０に関して、コリメートされた光ビーム５７０が第２の通過時にその上に入射する際に、金属化された内部結合ＤＯＥ５４６によって生じさせられた負の一次回折として、回折される光ビーム６７０は、図６Ｂを参照して上記に議論されるように、導波管５４２内で外部結合ＤＯＥ５４８に向かって伝搬し得る。外部結合ＤＯＥ５４８が、内部結合ＤＯＥ５４６と同一格子パラメータを有する（例えば、同一格子周期ｄを有する）ように構成される場合、外部結合ＤＯＥ５４８は、光ビーム６７０の一部を、例えば、負の一次回折として出射角度θｅで視認者の眼５５０に向かって結合し得、θｅは、入射角θｉに実質的に等しい。したがって、図５に図示されるように（または図３および７に図示されるように）、接眼レンズ５４０に対するファイバ走査式プロジェクタの角度付けられた構成に関して、眼５５０に投影されたライトフィールドは、法線５０４の片側上でバイアスされる、ある角度視野（ＦＯＶ）のみを被覆し得る。
【００９９】
本発明の他の実施形態によると、接眼レンズは、外部結合ＤＯＥ５４８が内部結合ＤＯＥ５４６の格子周期と異なる格子周期ｄを有するような様式で実装されてもよい。これは、外部結合ＤＯＥ５４８が、光を内部結合ＤＯＥ５４６によって回折される角度と異なる角度で回折することを可能にし得る。
【０１００】
いくつかの実施形態によると、２つのファイバ走査式プロジェクタが、法線の両側上のＦＯＶを被覆するために使用されてもよい。図９は、２つのファイバ走査式プロジェクタを含む、例示的構成を図式的に図示する。接眼レンズ９４０は、導波管９４２と、右側の導波管９４２の第１の側方領域に結合される、第１の内部結合ＤＯＥ９４６と、左側の導波管９４２の第２の側方領域に結合される、第２の内部結合ＤＯＥ９４４と、中心の導波管９４２の第３の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ９４８（例えば、ＥＰＥ）とを含んでもよい。第１のファイバ走査式プロジェクタは、図５に図示されるものに類似する、第１の内部結合ＤＯＥ９４６の近傍において、接眼レンズ９４０に対して角度付けられた構成において配列される、第１の光ファイバ９１０と、第１のコリメート型光学要素９３０とを含んでもよい。第２のファイバ走査式プロジェクタは、第１のファイバ走査式プロジェクタの鏡像として、第２の内部結合ＤＯＥ９４４の近傍において、同様に接眼レンズ９４０に対して角度付けられた構成において配列される、第２の光ファイバ９２０と、第２のコリメート型光学要素９３２とを含んでもよい。
【０１０１】
図示されるように、第１のファイバ走査式プロジェクタは、ライトフィールドを法線９０４の左側の第１の角度ＦＯＶ９８０内に投影してもよい一方、第２のファイバ走査式プロジェクタは、ライトフィールドを法線９０４の右側の第２の角度ＦＯＶ９７０内に投影するように構成されてもよい。第１のＦＯＶ９８０および第２のＦＯＶ９７０は、相互に対してタイル状にされた画像の２つの部分を表し得る。いくつかの実施形態では、第１のＦＯＶ９８０および第２のＦＯＶ９７０は、法線９０４の近傍において相互に対して当接し（すなわち、第１のＦＯＶ９８０と第２のＦＯＶ９７０との間の間隙９９０は、実質的に消失する）、持続画像を表す、組み合わせられたＦＯＶを形成し得る。第１のＦＯＶ９８０および第２のＦＯＶ９７０が出会う領域内において、残影画像が作成されないことを確実にすることが必要であり得る。
【０１０２】
図１０は、いくつかの実施形態による、ウェアラブルディスプレイの上面図を図式的に図示する。ウェアラブルディスプレイは、視認者の右眼１０１０のための第１の接眼レンズ１０３０と、視認者の左眼１０２０のための第２の接眼レンズ１０５０とを含む。第１の接眼レンズ１０３０および第２の接眼レンズ１０５０は、視認者の顔の周囲に装着され得る、ゴーグル内に位置付けられてもよい。
【０１０３】
第１の接眼レンズ１０３０は、第１の平面導波管１０３２と、第１の導波管１０３２に結合される、第１の内部結合ＤＯＥ１０３４および第１の外部結合ＤＯＥ１０３６とを含んでもよい。第１のファイバ走査式プロジェクタは、図５または７に図示されるものに類似する、角度付けられた構成において、第１の接眼レンズ１０３０に結合される、第１の光ファイバ１０４０と、第１のコリメート型光学要素１０４２とを含んでもよい。同様に、第２の接眼レンズ１０５０は、第２の平面導波管１０５２と、第２の導波管１０５２に結合される、第２の内部結合ＤＯＥ１０５４および第２の外部結合ＤＯＥ１０５６とを含んでもよい。第２のファイバ走査式プロジェクタは、角度付けられた構成において、第２の接眼レンズ１０５０に結合される、第２の光ファイバ１０６０と、第２のコリメート型光学要素１０６２とを含んでもよい。
【０１０４】
視認者の眼１０１０および１０２０の周囲に、直線ラップ角と比較して、有限ラップ角の接眼レンズ１０３０および１０５０を有することが好ましくあり得る。図１０に図示されるように、第１の接眼レンズ１０３０は、有限ラップ角βが第１の導波管１０３２の法線１０３８と視認者の矢状平面１０１２との間に存在するように、視認者の顔の周囲に巻装されてもよい。同様に、第２の接眼レンズ１０５０は、有限ラップ角βが第２の導波管１０５２の法線１０５８と視認者の矢状平面１０２２との間に存在するように、視認者の顔の周囲に巻装されてもよい。（図１０における例証は、幾分、誇張され得ることに留意されたい。）いくつかの実施形態によると、ラップ角βは、第１の導波管１０３２に対する第１の光ファイバ１０４０の傾角θまたは第２の導波管１０５２に対する第２の光ファイバ１０６０の傾角θに実質的に合致し得る。したがって、第１の接眼レンズ１０３０および第２の接眼レンズ１０５０のそれぞれによって投影されたライトフィールドは、各個別の眼１０１０または１０２０に入射する法線を含む、ＦＯＶを被覆し得る。いくつかの他の実施形態では、ラップ角βは、より緩やかなラップ角を有するように、光ファイバ１０４０または１０６０の傾角θ未満であってもよい。第１の接眼レンズ１０３０および第２の接眼レンズ１０５０を有限ラップ角βに位置付けることによって、視認者は、直線ラップ角（例えば、β＝０）と比較して、仮想コンテンツに対するより没入型の体験を有し得る。
【０１０５】
図１１は、本発明のいくつかのさらなる実施形態による、接眼レンズ１１４０に結合される、ファイバ走査式プロジェクタを図式的に図示する。接眼レンズ１１４０は、導波管１１４２と、導波管１１４２の側方領域に結合される、金属化された内部結合ＤＯＥ１１４６とを含んでもよい。ファイバ走査式プロジェクタは、光ファイバ１１１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよい。光ファイバ１１１０は、その先端の軌道が２次元凸面オブジェクト表面１１１２（例えば、球状表面の一部）を画定するように偏向されてもよい。ファイバ走査式プロジェクタはさらに、中実「プリズム」１１３０を含んでもよい。プリズム１１３０は、光ファイバ１１１０の先端から放出される入力光ビーム１１６０を受け取るための入力表面としての役割を果たし得る、第１の湾曲表面１１３２を含んでもよい。プリズム１１３０はさらに、入力光ビーム１１６０を透過させるための出力表面としての役割を果たし得る、第２の表面１１３４を含んでもよい。プリズム１１３０はさらに、第３の湾曲表面１１３６を含んでもよい。第３の湾曲表面１１３６は、反射性コーティング、例えば、金属コーティングを有してもよく、それぞれ、図５および７に図示されるようなコリメート型光学要素５３０または７３０に類似する、コリメート型ミラーとしての役割を果たしてもよい。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、第１の湾曲表面１１３２は、米国特許出願第１５／９２７，７６５号に説明される偏光ビームスプリッタに類似する、屈折力によって特徴付けられてもよい。いくつかの他の実施形態では、第１の湾曲表面１１３２は、オブジェクト表面１１１２と実質的に合致する、球状表面の一部であってもよい。したがって、光ファイバ１１１０の先端から放出される光ビーム１１６０は、第１の湾曲表面１１３２上に法線入射し得る。第２の表面１１３４もまた、屈折力によって特徴付けられてもよい。いくつかの他の実施形態では、第２の表面１１３４は、略平坦であってもよく、導波管１１４２と物理的に接触してもよい。プリズム１１３０は、第２の表面１１３４から出射する光線が、屈折され得ない、または無視可能な屈折を被り得るように、導波管１１４２の屈折率と実質的に合致する屈折率を伴う、材料を含んでもよい。図１１に図示されるプリズム１１３０を利用する、いくつかの実施形態は、光がプリズム内で屈折する角度が光がプリズム上に入射する角度未満であるという結果をもたらす、１を上回るプリズムの屈折率から利点を享受し得ることに留意されたい。
【０１０７】
図３−１１に関連して上記に説明される方法は、下記により完全に説明されるような走査式ミラーを含む、導波管ディスプレイシステムにおいて使用されることができる。そのような導波管ディスプレイシステムは、仮想現実または拡張現実眼鏡等のウェアラブルディスプレイシステムにおいて使用されることができる。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイシステムは、第１の表面と、第２の表面とを有し得る、接眼レンズ導波管を含んでもよく、導波管は、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）、例えば、内部結合格子（ＩＣＧ）と、外部結合ＤＯＥ、例えば、外部結合格子（ＯＣＧ）とを含む。導波管ディスプレイシステムは、接眼レンズ導波管を通して通過し、第１の反射性光学要素に到達する、第１の光ビーム、例えば、入射光ビームを含んでもよい。第１の反射性光学要素は、走査式ミラー、コリメート型ミラー、または走査式コリメート型ミラーであることができる。第１の反射性光学要素から反射された光ビームである、第２の光ビームは、導波管の中に内部結合され、ユーザによって視認され得る、画像を形成し得る。この場合、内部結合ＤＯＥは、全内部反射（ＴＩＲ）を通した、導波管内の外部結合ＤＯＥへの第１の光ビームの伝搬を防止または抑制するように構成される。内部結合格子はまた、ＴＩＲを通して、第２の光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。
【０１０８】
上記に説明されるように、入射角および格子の周期またはピッチは、回折角度を決定するように選択されることができる。内部結合ＤＯＥは、内部結合ＤＯＥを通して透過する第１の光ビームが、第１の光ビームが外部結合ＤＯＥに伝搬させるためのＴＩＲ条件を満たさないように構成されることができる。同様に、内部結合ＤＯＥは、内部結合ＤＯＥに到達する第２の光ビームがＴＩＲ条件を満たす、したがって、第２の光ビームが外部結合ＤＯＥに伝搬し得るように構成されることができる。
【０１０９】
ある実施形態では、第１の光ビームまたは入射光ビームは、走査されないコリメートされた画像ビームであることができ、第１の反射性光学要素は、走査式ミラーであることができる。反射された走査されたビームは、画像のために導波管の中に内部結合されることができる。
【０１１０】
別の実施形態では、第１の光ビームまたは入射光ビームは、ファイバスキャナによって提供される発散する光ビームであってもよく、第１の反射性光学要素は、コリメート型走査式ミラーであることができる。例えば、コリメート型走査式ミラーは、正の屈折力を伴う反射型光学要素を有する、走査式ミラー、例えば、凹面ミラーであることができる。コリメートされる、反射された走査されたビームは、導波管の中に内部結合され、画像を形成することができる。
【０１１１】
別の実施形態では、第１の光ビームまたは入射光ビームは、コリメート型ミラーによって提供されるコリメートされた光ビームであってもよく、第１の反射性光学要素は、非コリメート型走査式ミラーであることができる。例えば、コリメート型ミラーは、正の屈折力を伴う凹面反射型光学要素のセグメントまたは小片、例えば、凹面ミラーであることができる。コリメート型ミラーは、入力光ビームをファイバスキャナから受け取るように構成されることができる。第１の反射性光学要素からの反射された走査されたビームは、導波管の中に内部結合され、画像を形成することができる。
【０１１２】
別の実施形態では、第１の光ビームまたは入射光ビームは、入力光ビームをファイバスキャナから受け取り、導波管を通して透過され、第１の反射性光学要素に到達する、走査された発散する光ビームを提供する、走査式ミラーによって提供される、走査された発散する光ビームであってもよい。第１の反射性光学要素は、走査された発散する光ビームを受け取り、反射されたコリメートされた光ビームを導波管に提供するように構成される、コリメート型ミラーであることができる。第１の反射性光学要素からの反射された走査されたビームは、導波管の中に内部結合され、画像を形成することができる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、ファイバスキャナは、導波管の走査式ミラーとの対向側上に配置されてもよい。この場合、ファイバスキャナからの光ビームは、導波管を通して通過する必要がある。ファイバスキャナからの光ビームが、導波管の中に内部結合され、外部結合ＤＯＥに到達することを防止するために、ファイバスキャナは、光ビームが、内部結合ＤＯＥを有していない、導波管の一部内において、導波管を透過するように配置されることができる。代替として、内部結合ＤＯＥは、第１の光ビームが外部結合ＤＯＥに伝搬しないために、内部結合ＤＯＥを通して透過するファイバスキャナからの光ビームがＴＩＲ条件を満たさないように構成されることができる。
【０１１４】
上記の実施形態では、導波管ディスプレイシステムは、接眼レンズ導波管を通して通過し、第１の反射性光学コンポーネントに到達する、入射光ビームを含む。反射された光ビームは、導波管の中に内部結合され、ユーザによって視認され得る、画像を形成し得る。代替実施形態では、第１の反射された光ビームは、導波管を通して通過し、導波管の中に内部結合されるように第２の反射された光ビームを提供し得る、第２の反射性光学コンポーネントに到達し得る。この場合、内部結合格子は、第１の光ビームまたは第１の反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の出力格子に伝搬することを防止するように構成される。内部結合格子はまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、第２の反射された光ビームを導波管内の出力格子に伝搬させるように構成される。
【０１１５】
例えば、ある実施形態では、入射光ビームは、導波管の中で外部結合ＤＯＥへと内部結合されずに、導波管を通して透過する、ファイバスキャナからの発散する光ビームであってもよい。第１の反射性光学コンポーネントは、入射光ビームをファイバスキャナから受け取り、導波管を通して透過し、第２の反射性光学要素に到達する、走査された発散する光ビームである、第１の反射された光ビームを提供する、走査式ミラーであることができる。第２の反射性光学要素は、走査された発散する光ビームを受け取り、反射されたコリメートされた光ビームである、第２の反射された光ビームを導波管に提供するように構成される、コリメート型ミラーであることができる。第２の反射された光ビームは、導波管の中に内部結合され、画像を形成することができる。
【０１１６】
図１２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１２Ａに示されるように、導波管ディスプレイシステム１２００は、平面導波管１２４２を有する、接眼レンズ導波管１２４０を含む。例えば、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）プロジェクタから放出されるような非走査入力光ビーム１２１０が、接眼レンズ１２４０上に入射する。接眼レンズ１２４０は、導波管１２４２と、導波管１２４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１２４６と、導波管１２４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１２４８、例えば、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）または外部結合格子（ＯＣＧ）とを含む。例えば、ＤＯＥ１２４８は、外部結合格子（ＯＣＧ）等の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）であることができる。ディスプレイシステムは、接眼レンズ１２４０の入力光ビーム１２１０と反対側上に位置付けられる、走査式ミラー１２３０を含む。走査式ミラー１２３０は、紙の平面と垂直な走査軸の周囲で走査されてもよい。走査式ミラー１２３０は、接眼レンズ１２４０に対して平坦に位置付けられてもよく、ミラーは、可能な限り小型にするように、接眼レンズの近くに配置されることができ、走査角度範囲を可能な限り小さくすることが可能性として考えられ得る。
【０１１７】
図１２Ａのシステムでは、走査式ミラー１２３０からの走査された反射された光ビームは、内部結合ＤＯＥ１２４６によって、導波管の中に内部結合され、ＴＩＲによって、ＯＣＧに伝搬し、ユーザによって視認可能な画像を提供する。本構成では、入力光ビーム１２１０が、事実上、導波管１２４２内において、ＴＩＲによって、接眼レンズ１２４０のＥＰＥまたはＯＣＧ領域（すなわち、ＤＯＥ１２４８が結合される、第２の側方領域）の中に結合されることを防止することが望ましい。いくつかの実施形態では、入力光ビーム１２１０は、偏光されたコリメートされた光ビームであることができ、内部結合ＤＯＥ１２４６は、入力光ビーム１２１０が導波管の中に結合されないように、偏光感知内部結合格子であることができる。さらに、システムは、走査された反射された光ビームが入力光ビーム１２１０の偏光と異なる偏光を有し、ＴＩＲによって導波管の中に内部結合され、ユーザの眼１２７０のための出力画像を形成し得るように、４分の１波長板１２３２を導波管１２４２と走査式ミラー１２３０との間に含むことができる。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、代替システムが、偏光感知格子またはビームスプリッタおよび４分の１波長板を伴わずに提供されることができる。これらの実施形態では、光ビームの入射角および／または格子の周期もしくはピッチは、入射光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の出力格子に伝搬することを防止するように選択されることができる。光ビームの入射角および／または格子の周期またはピッチはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、反射された光ビームを導波管内の出力格子に伝搬させるように構成されることができる。実施例は、図１２Ｂに図示される。
【０１１９】
図１２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１２Ｂに示されるように、導波管ディスプレイシステム１２５０は、第１の表面１２２１と、第２の表面１２２２とを有する、接眼レンズ導波管１２４２を含む。導波管１２４２は、内部結合格子（ＩＣＧ）であり得る、内部結合回折要素（ＤＯＥ）１２４６と、外部結合する格子（ＯＣＧ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）であり得る、外部結合回折要素（ＤＯＥ）１２４８とを含む。
【０１２０】
コリメートされた光ビーム１２１１は、導波管１２４２の第１の表面１２２１に第１の入射角θで投影される。走査式ミラー１２３０は、導波管１２４２の第２の表面１２２２に隣接して配置される。走査式ミラーは、コリメートされた入力光ビーム１２１０を受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１２２０を導波管に向かって第２の入射角θｒで提供するように構成される。反射された光ビーム１２５０は、周辺的光線をマーキングする点線を伴う、入射角の範囲に及び得る。コリメートされた光ビーム１２１１は、内部結合ＤＯＥ１２４６上に斜め入射角で入射するため、導波管１２４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するために制御されることができる。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１２４６から外部結合ＤＯＥ１２４８に向かって延びている導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１２１】
図１２Ｂに示されるように、入力光ビーム１２１０は、導波管１２４２の法線１２０２に対して、軸外で、例えば、角度θで接眼レンズ１２４０上に入射する。コリメートされた光ビーム１２１１は、内部結合ＤＯＥ１２４６上に斜め入射角で入射するため、導波管１２４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するために制御されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１２４６の格子周期ｄは、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１２４６は、コリメート型光源からのコリメートされた入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１２４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた反射された光ビーム１２２０を外部結合ＤＯＥ１２４８に伝搬させるように構成される。
【０１２２】
例えば、コリメートされた光ビーム１２１１が、内部結合ＤＯＥ１２４６を通して通過するとき、（反射幾何学形状における）第１の通過時の回折角度θでの内部結合ＤＯＥ１２４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥに向かった導波管１２４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１２Ｂでは、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１２６２として導波管１２４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１２６４によって示されるように、導波管１２４２内の各バウンスにおいて導波管１２４２から外に屈折される。しかしながら、入力光ビーム１２１０が、走査式ミラー１２３０によって反射された後、走査された反射された光ビーム１２２０が、内部結合ＤＯＥ１２４６上に入射すると、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１２４６による負の一次回折は、光ビーム１２６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１２４８に向かった導波管１２４２のＴＩＲ条件を満たし得る。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１２７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１２７１、１２７２、１２７３、および１２７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１２４８から離れるような「−Ｘ」方向における光ビームは、図１２Ｂにおいて省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、および４Ｂに関連して上記に説明される。
【０１２３】
走査式ミラー１２３０は、ピッチ軸およびロール軸を伴う２つの寸法において回転するように構成される、２次元走査式ミラーである、ＭＥＭＳ（微小電気機械的システム）２軸走査式ミラーであることができる。実施形態に応じて、走査式ミラーは、磁気、電気、または圧電アクチュエータによって駆動されてもよい。走査式ミラーの移動は、１自由度において共振性であって、第２の自由度において準静的に制御され得る。例えば、共振軸は、ディスプレイの線に沿った移動に類似する移動に対応し得、準静的に制御される第２の自由度は、ディスプレイの線間の垂直移動に類似する移動に対応し得る。１つの可能性として考えられる場合では、共振軸は、ピッチ軸であり得、準静的に制御される軸は、ヨー軸であり得る。比較的に高分解能画像に関して、例えば、１，０００または２，０００走査線および３０〜６０フレーム／秒のフレームリフレッシュレートの均等物を有することが望ましい。そのようなパラメータは、３０Ｋｈｚ〜１２０ＫＨｚのラインレートを要求する。拡張現実ウェアラブル内に含まれるために十分に小さい、小型ＭＥＭＳスキャナに関して、概して、視野（ＦＯＶ）に関連する共振軸の角度範囲とラインレートに匹敵する共振周波数との間にトレードオフが存在する。
【０１２４】
図１２Ｂは、走査式ミラーと統合されたコリメートされた画像光を提供する光源を伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にする。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストが、実質的に低減されることができる。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素が、導波管の対向側上に設置されることができる。例えば、入射光ビームは、ファイバスキャナによって提供される発散する光ビームであってもよく、コリメート型走査式ミラーは、正の屈折力を伴う反射型光学要素を有する、走査式ミラー、例えば、走査式凹面ミラーであることができる。光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（またはピッチ）は、入射光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の出力格子に伝搬することを防止するように選択されることができる。光ビームの入射角および／または格子の周期もしくはピッチはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた走査された反射された光ビームを導波管内で外部結合ＤＯＥへと伝搬させ、ユーザによって視認され得る、画像を形成するように構成されることができる。実施例は、図１３に図示される。
【０１２６】
図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１３に示されるように、導波管ディスプレイシステム１３００は、第１の表面１３２１と、第２の表面１３２２とを伴う平面導波管１３４２を有する、接眼レンズ導波管１３４０を含む。接眼レンズ導波管１３４０はまた、導波管１３４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１３４６と、導波管１３４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１３４８とを有する。ファイバスキャナ１３１５は、導波管１３４２の第１の表面１３２１に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１３３０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。図１３におけるファイバスキャナ、導波管、およびコリメート型ミラーの構成は、図３に示されるような対応するコンポーネントの構成に類似し得る。しかしながら、導波管ディスプレイシステム１３００では、ファイバスキャナ１３１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、コリメート型ミラー１３３０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１２７】
ファイバスキャナ１３１５は、光ファイバ１３１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよく、発散する入力光ビーム１３１１を導波管１３４２の内部結合ＤＯＥ１３４６に向かって第１の入射角θで走査するように構成される。光ファイバ１３１０は、その先端の軌道が１次元凸面オブジェクト表面を画定するように偏向されてもよい。光ビームが、光ファイバ１３１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、光ファイバ１３１０の開口数によって決定された定められた角度を伴って、光線の円錐（例えば、図１３に図示されるように、周辺的光線１３５０によって境界される）として発散し得る。光学軸１３２０は、光ファイバ１３１０が偏向されないとき、光ファイバ１３１０を通して通過する、線として画定されてもよい。
【０１２８】
導波管１３４２の第２の表面１３２２に隣接して配置される、コリメート型走査式ミラー１３３０は、発散する入力光ビーム１３１１をファイバスキャナ１３１５から導波管１３４２を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１３６０を導波管の内部結合ＤＯＥ１３４６に向かって第２の入射角θｒで提供するように構成される。
【０１２９】
図１３に示されるように、入力光ビーム１３１１は、導波管１３４２の法線１３０２に対して、軸外で、例えば、角度θで接眼レンズ１３４０上に入射する。導波管１３４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１３４６の格子周期ｄは、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１３４６は、コリメート型光源からのコリメートされた入力光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１３４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた反射された光ビーム１３６０を外部結合ＤＯＥ１３４８に伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１３４６から外部結合ＤＯＥ１３４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１３０】
例えば、入力光ビーム１３１１が、内部結合ＤＯＥ１３４６を通して通過するとき、（反射幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１３４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１３４８に向かった導波管１３４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１３では、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１３６２として導波管１３４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１３６４によって示されるように、導波管１３４２内の各バウンスにおいて導波管１３４２から外に屈折される。しかしながら、入力光ビーム１３１１が、コリメート型走査式ミラー１３３０によって反射され、走査された反射された光ビーム１３６０が、内部結合ＤＯＥ１３４６上に入射した後、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１３４６による負の一次回折は、光ビーム１３６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１３４８に向かった導波管１３４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１３４８は、導波管１３６６内を伝搬する光の一部を導波管１３４２から外に視認者の眼１３５０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１３７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１３７１、１３７２、１３７３、および１３７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１３４８から離れるような「＋Ｘ」方向における光ビームは、図１３において省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、および４Ｂに関連して上記に説明される。
【０１３１】
図１３は、コリメートされた光ビームを提供するためにコリメート型走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供するファイバスキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。本システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にする。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、導波管の同一側上に、走査式ミラーは、導波管の他側上に設置されることができる。例えば、発散する入力光ビームは、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥを通して走査式ミラーに透過させる、ファイバスキャナによって提供されてもよい。走査式ミラーは、発散する入力光ビームを受け取り、発散する反射された光ビームを内部結合ＤＯＥを通してコリメート型光学要素に透過させることができる。コリメート型光学要素は、コリメートされた光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって反射させることができる。この場合、光ビームは、３回、内部結合ＤＯＥを通して通過する。望ましくない回折を低減させるために、内部結合ＤＯＥは、ファイバスキャナからの発散する入力光ビームおよび走査式ミラーからの反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成されることができる。内部結合ＤＯＥはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成されることができる。上記に説明される実施形態と同様に、光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、望ましい回折を可能にし、望ましくない回折を抑制するように選択されることができる。実施例は、図１４に図示される。
【０１３３】
図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１４に示されるように、導波管ディスプレイシステム１４００は、第１の表面１４２１と、第２の表面１４２２とを伴う平面導波管１４４２を有する、接眼レンズ導波管１４４０を含む。接眼レンズ導波管１４４０はまた、導波管１４４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１４４６と、導波管１４４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１４４８とを有する。ファイバスキャナ１４１５は、導波管１４４２の第１の表面１４２１に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー１４２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１４３０が、導波管の第１の表面に隣接して配置される。図１４におけるファイバスキャナ、導波管、走査式ミラー、およびコリメート型ミラーの構成は、図５に示されるような対応するコンポーネントの構成に類似し得る。しかしながら、導波管ディスプレイシステム１４００では、ファイバスキャナ１４１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、走査式ミラー１４３０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１３４】
ファイバスキャナ１４１５は、光ファイバ１４１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよく、発散する入力光ビーム１４１１を導波管１４４２の内部結合ＤＯＥ１４４６に向かって第１の入射角θで走査するように構成される。光ファイバ１４１０は、図１３に図示される光ファイバ１３１０と同様に、その先端がページの内外における弧に沿って移動するように、線形に走査されるように構成される（すなわち、ライン走査）。光ファイバ１４１０は、その先端の軌道が１次元凸面オブジェクト表面を画定するように偏向されてもよい。光ビームが、光ファイバ１４１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、光ファイバ１４１０の開口数によって決定された定められた角度を伴って、光線の円錐（例えば、図１４に図示されるように、周辺的光線１４５０によって境界される）として発散し得る。図１３における光学軸１３２０と同様に、光学軸は、図１４では、光ファイバ１４１０が偏向されないとき、光ファイバ１４１０を通して通過する、線として画定されてもよい。
【０１３５】
走査式ミラー１４２０は、導波管１４４２の第２の表面１４２２に隣接して配置される。走査式ミラー１４２０は、ページの平面と垂直な遅軸において走査するように構成されることができる。走査式ミラーは、発散する入力光ビーム１４１１を受け取り、反射された光ビーム１４５５を導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。反射された光ビーム１４５５は、周辺的光線をマークする点線を伴う入射角の範囲に及び得る。
【０１３６】
導波管１４４２の第１の表面１４２１に隣接して配置される、コリメート型ミラー１４３０は、発散する反射された光ビーム１４５５を走査式ミラー１４２０から導波管１４４２の内部結合ＤＯＥ１４４６を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１４６０を導波管の内部結合ＤＯＥ１４４６に向かって第３の入射角で提供するように構成される。
【０１３７】
図１４に示されるように、発散する入力光ビーム１４５０、走査された反射された発散する光ビーム１４５５、およびコリメートされた光ビーム１４６０は、導波管１４４２の法線に対して、軸外で、例えば、ある角度で接眼レンズ１４４０上に入射する。導波管１４４２の中への入射光ビームの回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１４４６の格子周期ｄは、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１４４６は、コリメート型光源からの発散する入力光ビーム１４５０および反射された発散する光ビーム１４５５が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１４４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた光ビーム１４６０を外部結合ＤＯＥ１４４８に伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１４４６から外部結合ＤＯＥ１４４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１３８】
例えば、発散する入力光ビーム１４５０が、内部結合ＤＯＥ１４４６を通して通過するとき、（透過幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１４４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１４では、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１４６２として導波管１４４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１４６４によって示されるように、導波管１４４２内の各バウンスにおいて導波管１４４２から外に屈折される。同様に、反射された発散する光ビーム１４５５もまた、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を欠いているように構成される。しかしながら、入力光ビーム１４１１が、コリメート型走査式ミラー１４３０によって反射され、コリメートされた反射された光ビーム１４６０（また、灰色矢印１４６１によってマークされる）が、内部結合ＤＯＥ１４４６上に入射した後、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１４４６による負の一次回折は、光ビーム１４６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１４４８は、光ビーム１４６６の一部を導波管１４４２から外に視認者の眼１４７０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１４７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１４７１、１４７２、１４７３、および１４７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１４４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される、光ビームは、図１４において省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、および６Ｂに関連して上記に説明される。
【０１３９】
上記に説明されるように、図１４は、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供するファイバスキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーが、次いで、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じ、画像を形成するために使用される。本システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にする。コリメート型ミラーは、光源と同一側上に配置されることができる。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１４０】
図１５Ａは、いくつかの実施形態による、ファイバ走査式プロジェクタの斜視図を図式的に図示する。ファイバ走査式プロジェクタは、ページの平面における弧１５１２に沿って線形に走査されるように構成される光ファイバ１５１０を含む（すなわち、ライン走査）。ファイバ走査式プロジェクタはさらに、完全に丸いミラーの代わりに、コリメート型ミラー１５３０の断面を含む。コリメート型ミラー１５３０の断面は、光ファイバ１５１０の先端から放出される発散する入力光ビーム１５５０または１５５２を受け取り、コリメートされた光ビーム１５６０または１５６２を生じるように構成されてもよい。
【０１４１】
図１５Ｂは、図１５Ａに図示されるファイバ走査式プロジェクタの側面図を図式的に図示する。光ファイバ１５１０は、ページの内外の弧に沿って走査するように構成される。図示されるように、コリメート型ミラー１５３０の断面の法線１５０２は、反射されたコリメートされた光ビーム１５６０が上向きに指向され、光ファイバ１５１０を回避する（光ファイバ１５１０に向かって戻るように指向される代わりに）ように、光ファイバ１５１０の光学軸１５５２に対して若干傾斜された角度βであってもよい。傾角βは、少量の軸外収差のみが導入され得るように、比較的に小さくあり得る。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、図１４に図示されるシステムと同様に、導波管の同一側上に、走査式ミラーは、導波管の他側上に設置されることができる。しかしながら、代替実施形態では、発散する入力光ビームは、発散する入力光ビームを、直接、コリメートされた光ビームを導波管の他側上の内部結合ＤＯＥを通して走査式ミラーに透過させ得るコリメート型光学要素に透過させる、ファイバスキャナによって提供されてもよい。この場合、光ビームは、２回、内部結合ＤＯＥを通して通過する。望ましくない回折を低減させるために、内部結合ＤＯＥは、コリメート型ミラーからのコリメートされた光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成されることができる。内部結合ＤＯＥはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、走査式ミラーによって提供されるコリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成されることができる。上記に説明される実施形態と同様に、光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、望ましい回折を可能にし、望ましくない回折を抑制するように選択されることができる。実施例は、図１５Ｃに図示される。
【０１４３】
図１５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１５Ｃに示されるように、導波管ディスプレイシステム１５００は、第１の表面１５２１と、第２の表面１５２２とを伴う平面導波管１５４２を有する、接眼レンズ導波管１５４０を含む。接眼レンズ導波管１５４０はまた、導波管１５４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１５４６と、導波管１５４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１５４８とを有する。ファイバスキャナ１５１５は、導波管１５４２の第１の表面１５２１に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１５３０は、ファイバスキャナと同一側上の導波管の第１の表面に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー１５２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。導波管ディスプレイシステム１５００では、ファイバスキャナ１５１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、走査式ミラー１５２０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１４４】
ファイバスキャナ１５１５は、光ファイバ１５１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよい。光ファイバの先端１５１０は、光ファイバ１５１０の先端から放出される入力光ビーム１５５０の光学軸１５５２が光ファイバ１５１０の拡張部１５１７に対して角度αで屈折されるように、角度付けられたファセット１５１４を有することができる。コリメート型ミラー１５３０は、完全に丸いミラーの代わりに、コリメート型ミラーの断面または小片であることができる。コリメート型ミラー１５３０の断面は、光ファイバ１５１０の先端から放出される発散する入力光ビーム１５５０を受け取るように構成されてもよい。光ファイバ１５１０は、ページの内外における弧に沿って走査することができる。図示されるように、コリメート型ミラー１５３０の断面の法線１５０２は、反射されたコリメートされた光ビーム１５６０は、上向きに指向され、光ファイバ１５１０を逸するように（光ファイバ１５１０に向かって戻るように指向される代わりに）、光学軸１５５２に対して若干傾斜された角度βであってもよい。発散する入力光ビーム１５５０の光学軸１５５２は、入射角βでコリメート型ミラー１５３０上に入射する。傾角αのため、コリメートされた光ビーム１５６０に光ファイバ１５１０を避けさせるために要求される角度βの大きさは、より小さくあり得る。したがって、軸外収差は、図１５Ａおよび１５Ｂに関連して上記に説明されるように、低減され得る。
【０１４５】
走査式ミラー１５２０は、導波管のファイバスキャナおよびコリメート型ミラーとの対向側上において、導波管１５４２の第２の表面１５２２に隣接して配置される。走査式ミラー１５２０は、ページの平面と垂直な遅軸において走査するように構成されることができる。走査式ミラーは、コリメートされた光ビーム１５６０を内部結合ＤＯＥを通して受け取り、走査された反射された光ビーム１５６５を導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。
【０１４６】
上記に説明される実施形態と同様に、導波管の中への入射光ビームの回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、光ビームの入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１５４６の格子周期ｄは、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１５４６は、コリメートされた光ビーム１５６０が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成される。内部結合ＤＯＥ１５４６はまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、走査式ミラーからのコリメートされた走査された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１５４６から外部結合ＤＯＥ１５４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１４７】
例えば、発散する光ビーム１５６０が、内部結合ＤＯＥ１５４６を通して通過するとき、（透過幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１５４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１５４８に向かった導波管１５４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１５では、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１５６２として導波管１５４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１５６４によって示されるように、導波管１５４２内の各バウンスにおいて導波管１５４２から外に屈折される。しかしながら、コリメートされた反射された光ビーム１５６５は、内部結合ＤＯＥ１５４６上に入射すると、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１５４６による負の一次回折は、光ビーム１５６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１５４８に向かった導波管１５４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１５４８は、光ビーム１５６６の一部を導波管１５４２から外に視認者の眼１５７０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１５７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１５７１、１５７２、１５７３、および１５７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１５４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される光ビームは、図１５Ｃにおいて省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、および６Ｂに関連して上記に説明される。
【０１４８】
上記に説明されるように、図１５Ｃは、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供するファイバスキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーが、次いで、画像を形成するために、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じるために使用される。本システムは、光源およびコリメート型ミラーが接眼レンズ導波管の同一側上に、走査式ミラーが他側上に配置されることを可能にする。さらに、コリメート型ミラーは、ファイバスキャナがコリメート型ミラーから反射された光ビームの光経路内にあることを回避するために、断面または小片の形状にある。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１４９】
図１６は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。導波管ディスプレイシステムは、光ファイバ１６１０を含んでもよい。光ファイバ１６１０の先端は、入力光ビーム１６５０は、ファセット１６１２において屈折され、ＭＥＭＳミラー１６２０に向かって上向きに入射するように、角度付けられたファセット１６１２を有してもよい。ＭＥＭＳ走査式ミラー１６２０は、ページの平面と垂直な遅軸において走査されるように構成されてもよい。ここでは、ＭＥＭＳミラー１６２０は、コリメートされた光ビームの代わりに、発散する光ビーム１６５０を走査する。ファイバ走査式プロジェクタはさらに、ＭＥＭＳミラー１６２０によって反射された発散する光ビーム１６５０’を受け取り、接眼レンズ１６４０上に入射するためのコリメートされた光ビーム１６７０を生じるように構成される、コリメート型レンズ１６３０を含んでもよい。接眼レンズ１６４０は、導波管１６４２と、導波管１６４２の第１の側方領域に結合される、内部結合ＤＯＥ１６４６とを含む。コリメートされた光ビーム１６７０は、内部結合ＤＯＥ１６４６によって導波管内で回折され、全内部反射（ＴＩＲ）によって伝搬し、外部結合ＤＯＥ（図示せず）に到達し得る。
【０１５０】
図１６の実施例に図示される光源は、光ファイバである。他の実施形態では、光源は、図１８Ａ−１８Ｄ、１９−２０、２１Ａ−２１Ｃ、および２２Ａ−２２Ｂに関連して下記に説明される片持ち状スキャナに類似する、導波管を伴う片持ち状スキャナによって提供されることができる。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、図１６のシステムを修正し、コリメート型ミラーを導波管の他側上に位置付け、よりコンパクトな構成を可能にすることが望ましくあり得る。いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、導波管の同一側上に、走査式ミラーは、導波管の他側上に設置されることができる。ある実施形態では、発散する入力光ビームは、発散する入力光ビームを走査式ミラーに透過させる、ファイバ点光源によって提供されてもよい。走査式ミラーは、発散する入力光ビームを受け取り、発散する走査された光ビームを内部結合ＤＯＥを通してコリメート型光学要素に透過させることができる。コリメート型光学要素は、コリメートされた光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって反射させることができる。走査式ミラーからの走査された発散する光ビームおよびコリメート型ミラーからのコリメートされた光ビームの構成は、図１４のシステムにおける構成に類似する。しかしながら、図１４のシステムでは、ファイバからの発散する光ビームは、走査式ミラーに到達する前に、導波管の内部結合ＤＯＥを通して透過される。したがって、光ビームは、３回、内部結合ＤＯＥを通して通過する。代替実施形態では、ファイバからの発散する光ビームは、内部結合ＤＯＥを通して通過せずに、導波管を通して透過される。例えば、ファイバからの発散する光ビームは、内部結合ＤＯＥの外側の導波管の領域を通して透過される。代替実施形態では、ファイバ光源は、ファイバからの発散する光ビームが導波管を通して進まずに走査式ミラーに到達し得るように、走査式ミラーの同一側上に位置付けられることができる。これらの代替実施形態では、光ビームは、２回のみ、内部結合ＤＯＥを通して通過する。望ましくない回折を低減させるために、内部結合ＤＯＥは、走査式ミラーから反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成されることができる。内部結合ＤＯＥはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメート型ミラーからのコリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成されることができる。上記に説明される実施形態と同様に、光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、望ましい回折を可能にし、望ましくない回折を抑制するように選択されることができる。２つの実施例は、図１７Ａおよび１７Ｂに図示される。
【０１５２】
図１７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１７Ａに示されるように、導波管ディスプレイシステム１７００は、第１の表面１７２１と、第２の表面１７２２とを伴う平面導波管１７４２を有する、接眼レンズ導波管１７４０を含む。接眼レンズ導波管１７４０はまた、導波管１７４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１７４６と、導波管１７４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１７４８とを有する。ファイバ点光源１７１５が、導波管１７４２の第１の表面１７２１に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー１７２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１７３０が、導波管の第１の表面に隣接して配置される。図１７Ａにおけるファイバ光源、導波管、走査式ミラー、およびコリメート型ミラーの構成は、図１４に示されるような対応するコンポーネントの構成に類似し得る。
【０１５３】
しかしながら、導波管ディスプレイシステム１４００では、ファイバスキャナ１４１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、走査式ミラー１４３０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１５４】
光ファイバの先端１７１０は、光ファイバの先端１７１０から放出される入力光ビーム１７５０が、ファセット１７１２において屈折され、角度θでＭＥＭＳ走査式ミラー１７２０に入射するように、角度付けられたファセット１７１２を有する。
【０１５５】
ファイバ点光源１７１５は、光ファイバ１７１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、光ファイバの先端１７１０は、光ファイバ１７１０の先端から放出される入力光ビーム１７５０が、ファセット１７１２において屈折され、角度θでＭＥＭＳ走査式ミラー１７２０に入射するように、金属化され得る、角度付けられたファセット１７１２を有する。発散する光ビームが、光ファイバ１７１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、光線の円錐（例えば、図１７Ａに図示されるように、周辺的光線１７５０によって境界される）として発散し得る。
【０１５６】
走査式ミラー１７２０は、導波管１７４２の第２の表面１７２２に隣接して配置される。走査式ミラーは、発散する入力光ビーム１７５０をファイバ点光源から受け取り、反射された光ビーム１７５５を導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。
【０１５７】
導波管１７４２の第１の表面１７２１に隣接して配置される、コリメート型ミラー１７３０は、発散する反射された光ビーム１７５５を走査式ミラー１７２０から導波管１７４２の内部結合ＤＯＥ１７４６を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１７６０を導波管の内部結合ＤＯＥ１７４６に向かって第３の入射角で提供するように構成される。
【０１５８】
図１７Ａに示されるように、発散する入力光ビーム１７５０、走査された反射された発散する光ビーム１７５５、およびコリメートされた光ビーム１７６０は、導波管１７４２の法線に対して、軸外で、例えば、ある角度で、接眼レンズ１７４０上に入射する。図１７Ａの実施形態では、ファイバ点光源１７１５は、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥの外側の導波管の一部に第１の入射角θで提供するように構成される。導波管１７４２の中への入射光ビームの回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１７４６の格子周期ｄは、走査された反射された発散する光ビーム１７５５およびコリメートされた光ビーム１７６０のための所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１７４６は、コリメート型光源からの反射された発散する光ビーム１７５５が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１７４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた光ビーム１７６０を外部結合ＤＯＥ１７４８に伝搬させるように構成される。図１４に関連する説明と同様に、内部結合ＤＯＥ１７４６から外部結合ＤＯＥ１７４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１５９】
例えば、反射された発散する光ビーム１７５５が、内部結合ＤＯＥ１７４６を通して通過するとき、（透過幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１７４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１７４８に向かった導波管１７４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１７Ａでは、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１７６２として導波管１７４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１７６４によって示されるように、導波管１７４２内の各バウンスにおいて導波管１７４２から外に屈折される。しかしながら、コリメートされた反射された光ビーム１７６０は、内部結合ＤＯＥ１７４６上に入射すると、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１７４６による負の一次回折は、光ビーム１７６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１７４８に向かった導波管１７４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１７４８は、光ビーム１７６６の一部を導波管１７４２から外に視認者の眼１７７０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１７７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１７７１、１７７２、１７７３、および１７７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１７４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される、光ビームは、図１７Ａにおいて省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、６Ｂ、および１４に関連して上記に説明される。
【０１６０】
上記に説明されるように、図１７Ａは、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供するファイバ点光源を伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーは、次いで、画像を形成するために、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じるために使用される。図１７Ａの実施例に図示される光源は、ファイバ点光源である。他の実施形態では、光源は、図１８Ａ−１８Ｄ、１９−２０、２１Ａ−２１Ｃ、および２２Ａ−２２Ｂに関連して下記に説明される片持ち状スキャナに類似する、導波管を伴う片持ち状スキャナによって提供されることができる。本システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にし、コリメート型ミラーは、光源と同一側上に配置されることができる。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１６１】
図１７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１７Ｂに示されるように、導波管ディスプレイシステム１７０１は、第１の表面１７２１と、第２の表面１７２２とを伴う平面導波管１７４２を有する、接眼レンズ導波管１７４０を含む。接眼レンズ導波管１７４０はまた、導波管１７４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１７４６と、導波管１７４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１７４８とを有する。ファイバ点光源１７１５が、導波管１７４２の第１の表面１７２１に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー１７２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１７３０が、導波管の第１の表面に隣接して配置される。
【０１６２】
図１７Ｂは、図１７Ａの導波管ディスプレイシステム１７００に類似する、導波管ディスプレイシステム１７０１を図示する。１つの差異は、図１７Ｂでは、ファイバ点光源１７１５が、走査式ミラー１７２０と同一側上に配置されることである。したがって、ファイバ点光源１７１５から走査式ミラー１７２０への発散する入力光ビーム１７５０は、導波管１７４２を通して通過しない。図１７Ｂにおける導波管ディスプレイシステム１７０１の動作は、そうでなければ、図１７Ａにおける導波管ディスプレイシステム１７００の動作に類似する。したがって、詳細な説明は、ここでは繰り返されない。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１７７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１７７１、１７７２、１７７３、および１７７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１７４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される、光ビームは、図１７Ｂにおいて省略される。
【０１６３】
上記に説明されるように、図１７Ｂは、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供するファイバ点光源を伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーが、次いで、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じ、画像を形成するために使用される。図１７Ｂの実施例に図示される光源は、ファイバ点光源である。代替実施形態では、点光源は、図１８Ａ−１８Ｄ、１９−２０、２１Ａ−２１Ｃ、および２２Ａ−２２Ｂに関連して下記に説明される片持ち状スキャナに類似する、導波管を伴う片持ち状スキャナ等の片持ち状点光源によって提供されることができる。本システムは、光源および走査式ミラーが、接眼レンズ導波管の同一側上に配置されることを可能にし、コリメート型ミラーが、導波管の対向側上に配置されることができる。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１６４】
上記に説明される導波管ディスプレイシステムの種々の実施形態では、ファイバスキャナを含む、光源が、使用される。代替実施形態では、ＭＥＭＳ片持ち状スキャナを組み込む、光源が、使用されることができる。いくつかの実施例は、下記に説明される。
【０１６５】
図１８Ａ−１８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状ＭＥＭＳスキャナの種々の実施例を図示する、簡略化された斜視図である。図１８Ａ−１８Ｃに図示されるように、離散圧電フィルムアクチュエータが、ＭＥＭＳスキャナ１８００内の片持ち梁の移動を誘発するために使用される。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳスキャナ１８００は、基部領域１８０２と、片持ち梁１８０４とを含む、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウエハ構造を使用して形成されることができる。図１８Ａは、基部領域１８０２および片持ち梁１８０４の一部が単結晶シリコン層１８０６等の材料の層から形成され得る方法を示す。いくつかの実施形態では、基部領域１８０２および片持ち梁１８０４の一部を形成する、単結晶シリコン層１８０６は、約１００μｍ厚であって、それによって、ＭＥＭＳスキャナ１８００の動作の間、片持ち梁１８０４の偏向を可能にすることができる。導波管１８０８が、基部領域１８０２および片持ち梁１８０４の上側表面に沿って形成されることができる。いくつかの実施形態では、光は、導波管１８０８によって、単結晶シリコン層１８０６の表面に固着される、レーザダイオード１８０９−１、１８０９−２および１８０９−３から受け取られることができる。いくつかの実施形態では、レーザダイオード１８０９−１は、赤色レーザダイオードであることができ、レーザダイオード１８０９−２は、青色レーザダイオードであることができ、レーザダイオード１８０９−３は、緑色レーザダイオードであることができる。いくつかの実施形態では、付加的レーザダイオードが、レーザダイオード１８０９のうちの２つ以上のものによって生成された混合光によって、より多様な色が生じさせられ、導波管１８０８を通して伝搬されることを可能にするために追加され得る。基部領域１８０２は、支持構造に添着され、ＭＥＭＳスキャナ１８００を定位置に固着し、片持ち梁の遠位端と導波管１８０８の遠位端から放たれる光を伝搬させるための付加的光学系を整合させることができる。
【０１６６】
基部領域１８０２はまた、単結晶シリコン層１８０６に結合される、シリコン１８１２の層を含むことができる。いくつかの実施形態では、単結晶シリコン層１８０６は、２つの層が酸化ケイ素層によって接合される結果をもたらす、圧縮接合動作によって、シリコン層１８１２に接合されることができる。シリコン層１８１２は、構造支持を基部領域１８０２に提供するように構成されることができ、約２００μｍの厚さ、すなわち、約１００μｍの厚さを有し得る単結晶シリコン層１８０６の２倍の厚さであることができる。いくつかの実施形態では、シリコン層１８１２は、それに対して１つ以上の作動構造が添着され得る、搭載表面を提供することができる。
【０１６７】
図１８Ａはまた、片持ち梁１８０４を所望の走査パターンで協働して操縦するように構成される、４つの圧電フィルムアクチュエータ１８１４を含む、走査式機構を描写する。アクチュエータ１８１４−１および１８１４−４はそれぞれ、同一または異なる方向に作動され、異なる力を片持ち梁１８０４上に付与することができる。圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−２は、実質的に同一平面にあるため、圧電アクチュエータ１８１４−１および１８１４−２の両方を縦方向に拡張させる、入力は、−ｙ方向における片持ち梁１８０４の下向き移動を誘発するであろう一方、圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−２を縦方向に収縮させる入力は、＋ｙ方向における片持ち梁１８０４の上向き移動を誘発するであろう。圧電フィルムアクチュエータ１８１４の全４つの同時作動は、片持ち梁１８０４上に付与される力の量を増加させ得る。例えば、収縮信号を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−２に、拡張信号を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−３および１８１４−４に送信することは、＋ｙ方向における片持ち梁１８０４の上向き移動を誘発するであろう。拡張信号を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−３に、収縮信号を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−２および１８１４−４に送信することは、＋Ｘ方向における片持ち梁１８０４の側方移動を誘発するであろう一方、それらの信号の逆転は、−ｘ方向における片持ち梁１８０４の側方移動を誘発するであろう。
【０１６８】
図１８Ｂは、圧電フィルムアクチュエータ１８１４−５、１８１４−６、１８１４−７、および１８１４−８が、片持ち梁１８０４の側方表面上に配列される、ＭＥＭＳスキャナ１８０３のための代替構成を示す。本構成は、圧電フィルムアクチュエータ１８１４−５−１８１４−８を導波管１８０８と異なる表面上に設置し、それによって、圧電アクチュエータ１８１４が片持ち梁１８０４のより大きい面積を占有することを可能にする利点を有する。収縮および拡張入力は、＋ｘ、−ｘ、＋ｙ、および−ｙ方向における片持ち梁１８０４の移動を達成するために調節されることができる。例えば、収縮信号を圧電アクチュエータ１８１４−５および１８１４−６に、拡張信号を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−７および１８１４−８に送信することによって、＋ｙ方向における片持ち梁の移動が、達成されることができる。差動信号を圧電アクチュエータ１８１４に印加することによって、片持ち梁１８０４の円形走査パターンが、確立されることができる。垂直および水平パターンもまた、ライン走査パターンが所望される場合、可能性として考えられる。
【０１６９】
図１８Ｃは、圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−２が、片持ち梁１８０４の上向きに向いた表面上に位置付けられる、ＭＥＭＳスキャナ１８０５の別の代替構成を示す。圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１および１８１４−２は、片持ち梁１８０４を＋ｘ、−ｘ、−ｙ、および＋ｙ方向に操縦することができ、その結果、上記に議論されるように、片持ち梁１８０４を単一軸または円形走査パターンで駆動することが可能である。例えば、収縮信号／入力を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−１に、拡張信号／入力を圧電フィルムアクチュエータ１８１４−２に供給することは、片持ち梁１８０４を＋Ｘ方向に側方に移動させる。
【０１７０】
圧電アクチュエータ１８１４は、図１８Ｄと併せて下記に説明される制御方法にしたがって制御されることができる。いくつかの実施形態では、片持ち梁１８０４上に位置付けられる、またはそれに隣接する、歪みゲージが、片持ち梁１８０４の移動を追跡するように構成されることができ、前述の制御方法のためのフィードバックを提供することができる。
【０１７１】
図１８Ｄは、本発明の実施形態による、圧電アクチュエータ１８２６を駆動するための４相信号スプリッタネットワーク１８５０を図示する、電気概略図である。明確性の目的のために、圧電アクチュエータは、圧電スキャナの残りと別個に図示される。いくつかの実施形態では、４相が、走査アセンブリの対向側上に配列される、圧電アクチュエータ１８２６に印加される。信号生成器１８１２が、導電性経路に接続され、ひいては、対応する作動入力に接続される、出力を提供する。信号生成器１８１２はまた、第１の９０°移相器１８２４および第２の９０°移相器１８２６に接続され、これは、圧電アクチュエータ１８１６−１および１８１６−４に接続される。したがって、信号生成器１８１２は、移相器１８２４および１８２６と連動して、相互に対して９０°位相がずれた４相を提供する。
【０１７２】
図１８Ｄの議論の目的のために、圧電アクチュエータ１８２６は全て、同一垂直方向に分極されると見なされ得る。４つの圧電アクチュエータ１８２６は、２つの対においてグループ化されると見なされ得る。第１の対は、第１の圧電アクチュエータ１８１６−１および第３の圧電アクチュエータ１８１６−３を含むと捉えられる一方、第２の対は、第２の圧電アクチュエータ１８１６−２および第４の圧電アクチュエータ１８１６−４を含むと捉えられる。４相スプリッタネットワーク１８５０は、前述の対のアクチュエータのそれぞれ内において、各対を伴う圧電アクチュエータ内のネットワーク１８５０によって確立される電場方向が反対に指向されるように構成される。故に、各対の１つの部材が、圧電効果の媒介を通して作用する、印加される電場によって、収縮するように誘発されると、対の他の部材は、拡張するように誘発されるであろう。２つの対、すなわち、第１の対の圧電アクチュエータ１８１６−１および１８１６−３ならびに第２の対の圧電アクチュエータ１８１６−２および１８１６−４は、スキャナの２つの垂直軸（示されるＸ’−軸およびＹ’−軸）を駆動すると言え得る。議論の目的のために、平面からのスキャナの静止軸を中心として回転されるＸ’−軸を想像されたい。
【０１７３】
図１８Ｄに示されるように、単一信号生成器１８１２が、信号を全４つの圧電アクチュエータ１８２６に供給するが、下記に議論されるように、代替として、回路網が、別個の位相および振幅制御信号を第１の（Ｘ’−軸）対の圧電アクチュエータ１８１６−１および１８１６−３、ならびに第２の（Ｙ’−軸）対の圧電アクチュエータ１８１６−２および１８１６−４に提供するために提供されてもよい。さらに、ネットワーク１８５０および信号生成器１８１２は、２つのみの圧電アクチュエータ１８２６を用いてスキャナを駆動するように採用されることができる。片持ち状スキャナおよび圧電アクチュエータのさらなる詳細は、２０１９年６月２５日に出願された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０３９０８８号（その内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。
【０１７４】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、導波管の対向側上に設置されることができる。例えば、入射光ビームは、図１８Ａ−１８Ｄに関連して上記に説明されるもの等の片持ち状スキャナによって提供される、発散する光ビームであってもよく、コリメート型走査式ミラーは、正の屈折力を伴う反射型光学要素を有する、走査式ミラー、例えば、走査式凹面ミラーであることができる。光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、入射光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の出力格子に伝搬することを防止するように選択されることができる。光ビームの入射角および／または格子の周期もしくはピッチはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた走査された反射された光ビームを導波管内で外部結合ＤＯＥへと伝搬させ、ユーザによって視認され得る、画像を形成するように構成されることができる。実施例は、図１９に図示される。
【０１７５】
図１９は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図１９に示されるように、導波管ディスプレイシステム１９００は、図１３に図示される導波管ディスプレイシステム１３００に類似する。これらの導波管ディスプレイシステム間の差異は、図１３に図示される導波管ディスプレイシステム１３００が、ファイバスキャナ１３１５を有する一方、図１９に図示される導波管ディスプレイシステム１９００は、片持ち状スキャナ１９１５を有することである。したがって、導波管ディスプレイシステム内の類似コンポーネントは、同一参照番号を用いて指定され、図１３に関連して提供される議論は、必要に応じて、図１９に適用可能である。
【０１７６】
図１９に示されるように、導波管ディスプレイシステム１９００は、第１の表面１３２１と、第２の表面１３２２とを伴う平面導波管１３４２を有する、接眼レンズ導波管１３４０を含む。接眼レンズ導波管１３４０はまた、導波管１３４２の第１の側方領域に結合される、またはそれと一体的に形成される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１３４６と、導波管１３４２の第２の側方領域に結合される、またはそれと一体的に形成される、外部結合ＤＯＥ１３４８とを有する。片持ち状スキャナ１９１５が、導波管１３４２の第１の表面１３２１に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１３３０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。図１３におけるファイバスキャナ、導波管、およびコリメート型ミラーの構成は、図３に示されるような対応するコンポーネントの構成に類似し得る。しかしながら、導波管ディスプレイシステム１９００では、片持ち状スキャナ１９１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、コリメート型ミラー１３３０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１７７】
片持ち状スキャナ１９１５は、図１８Ａ−１８Ｃに関連して上記に説明されるものに類似する光源に結合される、片持ち梁および導波管を含み得る、片持ち状光学部材１９１０を含んでもよい。片持ち状スキャナ１９１５は、発散する入力光ビーム１３１１を導波管１３４２の内部結合ＤＯＥ１３４６に向かって第１の入射角θで走査するように構成される。片持ち状光学部材１９１０は、その先端の軌道が１次元凸面オブジェクト表面を画定するように偏向されてもよい。光ビームが、片持ち状光学部材１９１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、片持ち状光学部材１９１０の開口数によって決定された定められた角度を伴って、光線の円錐（例えば、図１９に図示されるように、周辺的光線１３５０によって境界される）として発散し得る。光学軸１３２０は、片持ち状光学部材１９１０が偏向されないとき、片持ち状光学部材１９１０を通して通過する、線として画定されてもよい。
【０１７８】
導波管１３４２の第２の表面１３２２に隣接して配置される、コリメート型走査式ミラー１３３０は、発散する入力光ビーム１３１１を片持ち状スキャナ１９１５から導波管１３４２を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１３６０を導波管の内部結合ＤＯＥ１３４６に向かって第２の入射角θｒで提供するように構成される。
【０１７９】
図１９に示されるように、入力光ビーム１３１１は、導波管１３４２の法線１３０２に対して、軸外で、例えば、角度θで、接眼レンズ１３４０上に入射する。導波管１３４２の中への入射光の回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１３４６の格子周期ｄは、図３に関連して上記に説明されるように、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１３４６は、コリメート型走査式ミラー１３３０からのコリメートされた反射された光ビーム１３６０が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１３４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた反射された光ビーム１３６０を外部結合ＤＯＥ１３４８に伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１３４６から外部結合ＤＯＥ１３４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１８０】
例えば、入力光ビーム１３１１が、内部結合ＤＯＥ１３４６を通して通過するとき、（反射幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１３４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１３４８に向かった導波管１３４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図１９では、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１３６２として導波管１３４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１３６４によって示されるように、導波管１３４２内の各バウンスにおいて導波管１３４２から外に屈折され得る。しかしながら、入力光ビーム１３１１が、コリメート型走査式ミラー１３３０によって反射され、走査された反射された光ビーム１３６０が、内部結合ＤＯＥ１３４６上に入射した後、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１３４６による負の一次回折は、光ビーム１３６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１３４８に向かった導波管１３４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１３４８は、導波管１３６６内を伝搬する光の一部を導波管１３４２から外に視認者の眼１３５０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１３７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１３７１、１３７２、１３７３、および１３７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１３４８から離れるような「＋Ｘ」方向における光ビームは、図１９において省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、および４Ｂに関連して上記に説明される。
【０１８１】
図１９は、コリメートされた光ビームを提供するためにコリメート型走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供する片持ち状スキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。本システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にする。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１８２】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、導波管の同一側上に、走査式ミラーは、導波管の他側上に設置されることができる。例えば、発散する入力光ビームは、発散する入力光ビームを内部結合ＤＯＥを通して走査式ミラーに透過させる、片持ち状スキャナによって提供されてもよい。走査式ミラーは、発散する入力光ビームを受け取り、発散する反射された光ビームを内部結合ＤＯＥを通してコリメート型光学要素に透過させることができる。コリメート型光学要素は、コリメートされた光ビームを導波管の内部結合ＤＯＥに向かって反射させることができる。この場合、光ビームは、３回、内部結合ＤＯＥを通して通過する。望ましくない回折を低減させるために、内部結合ＤＯＥは、ファイバスキャナからの発散する入力光ビームおよび走査式ミラーからの反射された光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成されることができる。内部結合ＤＯＥはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成されることができる。上記に説明される実施形態と同様に、光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、望ましい回折を可能にし、望ましくない回折を抑制するように選択されることができる。実施例は、図２０に図示される。したがって、いくつかの実施形態では、１次元において走査する片持ち状ミラーが、線を生成するために使用され、第２の走査式ミラー（例えば、直交方向における１次元において走査するＭＥＭＳミラー）が、線を平面に変換するために使用される。いくつかの実装では、ミラーの順序は、コリメート型ミラーが第２の走査式ミラー（例えば、ＭＥＭＳミラー）の前に利用されるように切り替えられることができるが、これは、本発明によって要求されない。
【０１８３】
図２０は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図２０に示されるように、導波管ディスプレイシステム２０００は、図１４に図示される導波管ディスプレイシステム１４００に類似する。差異は、図１４に図示される導波管ディスプレイシステム１４００が、ファイバスキャナ１４１５を有する一方、図２０に図示される導波管ディスプレイシステム２０００が、片持ち状スキャナ２０１５を有することである。したがって、導波管ディスプレイシステム内の類似コンポーネントは、同一参照番号を用いて指定され、図１４に関連して提供される議論は、必要に応じて、図２０に適用可能である。
【０１８４】
図２０に示されるように、導波管ディスプレイシステム２０００は、第１の表面１４２１と、第２の表面１４２２とを伴う平面導波管１４４２を有する、接眼レンズ導波管１４４０を含む。接眼レンズ導波管１４４０はまた、導波管１４４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）１４４６と、導波管１４４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ１４４８とを有する。片持ち状スキャナ２０１５が、導波管１４４２の第１の表面１４２１に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー１４２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー１４３０が、導波管の第１の表面に隣接して配置される。図２０における片持ち状スキャナ、導波管、走査式ミラー、およびコリメート型ミラーの構成は、図１９に示されるような対応するコンポーネントの構成に類似し得る。導波管ディスプレイシステム２０００では、片持ち状スキャナ２０１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、走査式ミラー１４３０は、ファイバスキャナの走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１８５】
片持ち状スキャナ２０１５は、図１８Ａ−１８Ｃに関連して上記に説明されるものに類似する光源に結合される、片持ち梁および導波管を含み得る、片持ち状光学部材２０１０を含んでもよい。片持ち状スキャナ２０１５は、発散する入力光ビーム１４１１を導波管１４４２の内部結合ＤＯＥ１４４６に向かって第１の入射角θで走査するように構成される。片持ち状光学部材２０１０は、図１９に図示される片持ち状光学部材１９１０と同様に、その先端がページの内外における弧に沿って移動するように、線形に走査されるように構成される（すなわち、ライン走査）。片持ち状光学部材２０１０は、その先端の軌道が１次元凸面オブジェクト表面を画定するように偏向されてもよい。光ビームが、片持ち状光学部材２０１０の先端から出射するにつれて、光ビームは、片持ち状光学部材２０１０の開口数によって決定された定められた角度を伴って、光線の円錐（例えば、図２０に図示されるように、周辺的光線１４５０によって境界される）として発散し得る。図１９における光学軸１３２０と同様に、光学軸は、図２０では、片持ち状光学部材２０１０が偏向されないとき、片持ち状光学部材２０１０を通して通過する、線として画定されてもよい。
【０１８６】
走査式ミラー１４２０は、導波管１４４２の第２の表面１４２２に隣接して配置される。走査式ミラー１４２０は、ページの平面と垂直な遅軸において走査するように構成されることができる。走査式ミラーは、発散する入力光ビーム１４１１を受け取り、反射された光ビーム１４５５を導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。反射された光ビーム１４５５は、周辺的光線をマークする点線を伴う入射角の範囲に及び得る。
【０１８７】
導波管１４４２の第１の表面１４２１に隣接して配置される、コリメート型ミラー１４３０は、発散する反射された光ビーム１４５５を走査式ミラー１４２０から導波管１４４２の内部結合ＤＯＥ１４４６を通して受け取り、コリメートされた反射された光ビーム１４６０を導波管の内部結合ＤＯＥ１４４６に向かって第３の入射角で提供するように構成される。
【０１８８】
図２０に示されるように、発散する入力光ビーム１４５０、走査された反射された発散する光ビーム１４５５、およびコリメートされた光ビーム１４６０は、導波管１４４２の法線に対して、軸外で、例えば、ある角度で、接眼レンズ１４４０上に入射する。導波管１４４２の中への入射光ビームの回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、入射角θおよび内部結合ＤＯＥ１４４６の格子周期ｄは、図３に関連して上記に説明されるように、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ１４４６は、発散する入力光ビーム１４５０およびコリメート型光源からの反射された発散する光ビーム１４５５が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内で外部結合ＤＯＥ１４４８に伝搬することを防止し、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内でコリメートされた光ビーム１４６０を外部結合ＤＯＥ１４４８に伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ１４４６から外部結合ＤＯＥ１４４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１８９】
例えば、発散する入力光ビーム１４５０が、内部結合ＤＯＥ１４４６を通して通過するとき、（透過幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ１４４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図２０では、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波１４６２として導波管１４４２の表面に沿って伝搬するか、または点線１４６４によって示されるように、導波管１４４２内の各バウンスにおいて導波管１４４２から外に屈折され得る。同様に、反射された発散する光ビーム１４５５はまた、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を欠いているように構成される。しかしながら、入力光ビーム１４１１が、コリメート型ミラー１４３０によって反射され、コリメートされた反射された光ビーム１４６０（また、灰色矢印１４７１によってマークされる）が、内部結合ＤＯＥ１４４６上に入射した後、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ１４４６による負の一次回折は、光ビーム１４６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ１４４８に向かった導波管１４４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ１４４８は、光ビーム１４６６の一部を導波管１４４２から外に視認者の眼１４７０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼１４７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印１４７１、１４７２、１４７３、および１４７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ１４４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される、光ビームは、図２０において省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、および６Ｂに関連して上記に説明される。
【０１９０】
上記に説明されるように、図２０は、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供する片持ち状スキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーが、次いで、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じ、画像を形成するために使用される。本システムは、光源および走査式ミラーが接眼レンズ導波管の対向側上に配置されることを可能にする。コリメート型ミラーは、光源と同一側上に配置されることができる。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０１９１】
図２１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、片持ち状走査式プロジェクタを図示する、斜視図である。片持ち状走査式プロジェクタは、ページの平面における弧２１１２に沿って線形に走査されるように構成される（すなわち、ライン走査）片持ち状光学部材２１１０を伴う、片持ち状スキャナ２１１５を含む。片持ち状走査式プロジェクタはさらに、完全に丸いミラーの代わりに、コリメート型ミラー２１３０の断面を含む。コリメート型ミラー２１３０の断面は、片持ち状光学部材２１１０の先端から放出される発散する入力光ビーム２１５０または２１５２を受け取り、コリメートされた光ビーム２１６０または２１６２を生じるように構成されてもよい。
【０１９２】
図２１Ｂは、図２１Ａに図示される片持ち状走査式プロジェクタの側面図を図式的に図示する。片持ち状光学部材２１１０は、図の平面の内外（すなわち、ページの内外）における弧に沿って走査するように構成される。図示されるように、コリメート型ミラー２１３０の断面の法線２１０２は、反射されたコリメートされた光ビーム２１６０が、上向きに指向され、片持ち状光学部材２１１０を回避する（片持ち状光学部材２１１０に向かって戻るように指向される代わりに）ように、片持ち状光学部材２１１０の光学軸２１５２に対して若干傾斜された角度βであってもよい。傾角βは、少量の軸外収差のみが導入され得るように、比較的に小さくあり得る。
【０１９３】
いくつかの実施形態では、発散する光源およびコリメート型光学要素は、図２０に図示されるシステムと同様に、導波管の同一側上に、走査式ミラーは、導波管の他側上に設置されることができる。しかしながら、代替実施形態では、発散する入力光ビームは、発散する入力光ビームを、直接、コリメートされた光ビームを導波管の他側上の内部結合ＤＯＥを通して走査式ミラーに透過させ得る、コリメート型光学要素に透過させる、片持ち状スキャナによって提供されてもよい。この場合、光ビームは、２回、内部結合ＤＯＥを通して通過する。望ましくない回折を低減させるために、内部結合ＤＯＥは、コリメート型ミラーからのコリメートされた光ビームが、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成されることができる。内部結合ＤＯＥはまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、走査式ミラーによって提供されるコリメートされた光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成されることができる。上記に説明される実施形態と同様に、光ビームの入射角および／または内部結合ＤＯＥの周期（もしくはピッチ）は、望ましい回折を可能にし、望ましくない回折を抑制するように選択されることができる。実施例は、図２１Ｃに図示される。
【０１９４】
図２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図２１Ｃに示されるように、導波管ディスプレイシステム２１００は、第１の表面２１２１と、第２の表面２１２２とを伴う平面導波管２１４２を有する、接眼レンズ導波管２１４０を含む。接眼レンズ導波管２１４０はまた、導波管２１４２の第１の側方領域に結合される、またはそれと別様に形成される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）２１４６と、導波管２１４２の第２の側方領域に結合される、またはそれと別様に形成される、外部結合ＤＯＥ２１４８とを有する。ＤＯＥ２１４６およびＤＯＥ２１４８は、第１の表面２１２１上に示されるが、他の実施形態では、ＤＯＥ２１４６およびＤＯＥ２１４８のうちの１つ以上のものは、反射モードで動作するように構成されることができ、第２の表面２１２２上に配置されることができる。片持ち状スキャナ２１１５が、導波管２１４２の第１の表面２１２１に隣接して配置される。コリメート型走査式光学要素、例えば、コリメート型走査式ミラー２１３０が、片持ち状スキャナと同一側上において、導波管の第１の表面に隣接して配置される。走査式光学要素、例えば、走査式ミラー２１２０が、導波管の第２の表面に隣接して配置される。導波管ディスプレイシステム２１００では、片持ち状スキャナ２１１５は、ラインスキャナであるように、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成され、走査式ミラー２１２０は、片持ち状スキャナの走査軸に直交し得る１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである。
【０１９５】
片持ち状スキャナ２１１５は、片持ち状光学部材２１１０（または別の好適な導波管スキャナ）を含んでもよい。導波管を含み得る、片持ち状光学部材２１１０の先端は、片持ち状光学部材２１１０の先端から放出される入力光ビーム２１５０の光学軸２１５２が、片持ち状光学部材２１１０の拡張部２１１７に対して角度αで屈折されるように構成されることができる。例えば、導波管の端部は、先端表面が導波管の軸に直交しないような角度で切断されることができる、または導波管の軸に直交する先端表面を伴う導波管は、先端が片持ち状スキャナの長軸に対して角度付けられるように搭載される。コリメート型ミラー２１３０は、完全に丸いミラーの代わりに、コリメート型ミラーの断面または小片であることができる。コリメート型ミラー２１３０の断面は、片持ち状光学部材２１１０の先端から放出される発散する入力光ビーム２１５０を受け取るように構成されてもよい。片持ち状光学部材２１１０は、ページの内外における弧に沿って走査することができる。図示されるように、コリメート型ミラー２１３０の断面の法線２１０２は、反射されたコリメートされた光ビーム２１６０が、上向きに指向され、片持ち状光学部材２１１０を逸する（片持ち状光学部材２１１０に向かって戻るように指向される代わりに）ように、光学軸２１５２に対して若干傾斜された角度βであってもよい。発散する入力光ビーム２１５０の光学軸２１５２は、入射角βでコリメート型ミラー２１３０上に入射する。傾角αのため、コリメートされた光ビーム２１６０に片持ち状光学部材２１１０を避けさせるために要求される角度βの大きさは、より小さくあり得る。したがって、軸外収差は、図２１Ａおよび２１Ｂに関連して上記に説明されるように、低減され得る。
【０１９６】
走査式ミラー２１２０は、導波管の片持ち状スキャナおよびコリメート型ミラーとの対向側上において、導波管２１４２の第２の表面２１２２に隣接して配置される。走査式ミラー２１２０は、ページの平面と垂直な遅軸において走査するように構成されることができる。走査式ミラーは、コリメートされた光ビーム２１６０を内部結合ＤＯＥを通して受け取り、走査された反射された光ビーム２１６５を導波管に向かって第２の入射角で提供するように構成される。
【０１９７】
上記に説明される実施形態と同様に、導波管の中への入射光ビームの回折結合は、所望の回折結合条件を達成するように構成されることができる。例えば、光ビームの入射角θおよび内部結合ＤＯＥ２１４６の格子周期ｄは、図３に関連して上記に説明されるように、所望の回折結合条件を達成するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ２１４６は、コリメートされた光ビーム２１６０が、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬することを防止するように構成される。内部結合ＤＯＥ２１４６はまた、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、走査式ミラーからのコリメートされた走査された光ビームを導波管内の外部結合ＤＯＥに伝搬させるように構成される。議論を促進するために、内部結合ＤＯＥ２１４６から外部結合ＤＯＥ２１４８に向かって延びている、導波管の平面に沿って配向される方向は、「−Ｘ」方向であって、対向方向は、「＋Ｘ」方向である。
【０１９８】
例えば、コリメートされた光ビーム２１６０が、内部結合ＤＯＥ２１４６を通して通過するとき、（透過幾何学形状における）第１の通過時の回折角度における内部結合ＤＯＥ２１４６による負の一次回折は、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ２１４８に向かった導波管２１４２のＴＩＲ条件を欠き得る。図２１Ｃでは、ＴＩＲ条件を欠いている、光ビームは、エバネッセント波２１６２として導波管２１４２の表面に沿って伝搬するか、または点線２１６４によって示されるように、導波管２１４２内の各バウンスにおいて導波管２１４２から外に屈折され得る。しかしながら、コリメートされた反射された光ビーム２１６５が、内部結合ＤＯＥ２１４６上に入射すると、（透過幾何学形状における）内部結合ＤＯＥ２１４６による負の一次回折は、光ビーム２１６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ２１４８に向かった導波管２１４２のＴＩＲ条件を満たし得る。外部結合ＤＯＥ２１４８は、光ビーム２１６６の一部を導波管２１４２から外に視認者の眼２１７０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を備えてもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼２１７０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印２１７１、２１７２、２１７３、および２１７４によってマークされる。図面を簡略化するために、外部結合ＤＯＥ２１４８から離れるような「＋Ｘ」方向に回折される、光ビームは、図２１Ｃにおいて省略される。内部結合ＤＯＥの選択的回折機能についてのさらなる詳細は、図３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、および６Ｂに関連して上記に説明される。
【０１９９】
上記に説明されるように、図２１Ｃは、２次元走査光ビームを提供するために走査式ミラーと統合された発散する光ビームを提供する片持ち状スキャナを伴う、導波管ディスプレイシステムの実施例を図示する。コリメート型ミラーは、次いで、画像を形成するために、導波管の中に内部結合されるためのコリメートされた光ビームを生じるために使用される。本システムは、光源およびコリメート型ミラーが接眼レンズ導波管の同一側上に、走査式ミラーが他側上に配置されることを可能にする。さらに、コリメート型ミラーは、片持ち状スキャナがコリメート型ミラーから反射された光ビームの光経路内にあることを回避するために、断面または小片の形状にある。本構成の１つの利点は、本デバイスの低減されたサイズである。さらに、本構成は、偏光感知ＤＯＥ、偏光を改変するための波長板、または偏光依存光源等を伴わずに、実装されることができる。ディスプレイシステムの複雑性およびコストは、実質的に低減され得る。
【０２００】
図２２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、２次元走査式光源を図示する、斜視図であって、図２２Ｂは、図２２Ａの２次元走査式光源を図示する、側面図である。示されるように、２次元走査式光源２２００は、走査光ビーム２２６１を提供するように構成される、片持ち状スキャナ２２１０と、片持ち状スキャナ２２１０に隣接して配置され、走査光ビーム２２６１を受け取り、反射された走査光ビーム２２６２を提供するように構成される、反射性光学要素２２２０とを含む。２次元走査式光源２２００はまた、反射性光学要素２２２０に隣接して配置され、反射された走査光ビーム２２６２を反射性光学要素２２２０から受け取り、コリメートされた走査光ビーム２２６３を提供するように構成される、コリメート型光学要素２２３０を含む。２次元走査式光源２２００はさらに、コリメート型光学要素２２３０に隣接して配置され、コリメートされた走査光ビーム２２６３を受け取り、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４を提供するように構成される、走査式光学要素２２４０を含む。
【０２０１】
図２２Ａおよび２２Ｂでは、片持ち状スキャナ２２１０は、基部部分２２１１と、基部部分２２１１から突出する、片持ち状光学部材２２１２とを含む。基部部分２２１１および片持ち状光学部材２２１２は、図１８Ａ−１８Ｃに関連して上記に説明される、例示的片持ち状スキャナ１８００における対応するコンポーネントに類似することができる。片持ち状光学部材２２１２は、光源２２１４に結合するための導波管２２１３を含むことができる。光源２２１４は、図１８Ａ−１８Ｃに関連して上記に説明されるレーザダイオード１８０９に類似する、レーザダイオードであることができる。片持ち状スキャナ２２１０はまた、片持ち状光学部材２２１２に結合され、第１の平面２２１７における片持ち状光学部材２２１２の運動（掃引矢印によって示される）を誘発し、反射性光学要素２２２０の幅に沿って往復して進行する、走査光ビーム２２６１を提供するように構成される、１つ以上の圧電アクチュエータ２２１６を有する、変換器アセンブリ２２１５によって提供される走査式機構を含む。圧電アクチュエータ２２１６は、図１８に関連して上記に説明される圧電フィルムアクチュエータ１８１４に類似し得る。
【０２０２】
片持ち状スキャナ２２１０の基部部分２２１１は、単結晶シリコン層２２１８等の材料の層を含む。基部部分２２１１はまた、単結晶シリコン層２２１８に結合され、機械的支持を提供する、別のシリコン層２２１９を含むことができる。片持ち状光学部材２２１２は、単結晶シリコン層２２１８と一体的に形成され、そこから突出する、片持ち梁を含む。１つ以上の圧電アクチュエータ２２１６はそれぞれ、片持ち状光学部材２２１２の縦軸２２５１と略平行方向に配向される。
【０２０３】
コリメート型光学要素２２３０は、正の屈折力を伴うミラー２２３２を含む。例えば、コリメート型光学要素２２３０は、凹面ミラーであることができる。いくつかの実施形態では、コリメート型光学要素２２３０は、片持ち状光学部材２２１２によって放出される走査光内の光経路における差異を補償するように構成される。走査式光学要素２２４０は、片持ち状スキャナの第１の走査平面２２３８に直交する第２の走査平面２２４８（掃引矢印によって示される）において走査する、１軸走査式ミラーである。
【０２０４】
図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、片持ち状スキャナ２２１０は、１次元スキャナ、すなわち、１つの走査軸を伴うように構成される。走査式光学要素２２４０は、片持ち状スキャナ２２１０の走査軸に直交し得る、１つの走査軸を伴って走査するように構成される、走査式ミラーである、走査式光学要素２２４０である。いくつかの実施形態では、走査式光学要素２２４０は、ＭＥＭＳ走査式ミラーであることができる。代替実施形態では、走査式光学要素２２４０は、常に、同一速さおよび同一方向で回転し、平面画像を１Ｄ片持ち状ライン走査から生成する、正方形または三角形形状の構造であることができる。本アプローチの利点は、二重性、すなわち、回転オブジェクトが、一定の速さで進むため、ミラーが、停止することになり、方向を逆転させる際、各低速通過の終了時に増光が存在しないことである。さらに、これは、各ピクセルのリフレッシュ間の時間が同一であるように、常時、同一方向にラインを走査するであろう（画像の下部に進み、次いで、次の画像のために上部に戻るようにジャンプするであろう）。
【０２０５】
いくつかの実施形態では、片持ち状スキャナ２２１０、反射性光学要素２２２０、コリメート型光学要素２２３０、および走査式光学要素２２４０は、別個に作製され、次いで、光源デバイスに組み立てられることができる。代替実施形態では、片持ち状スキャナ２２１０、反射性光学要素２２２０、コリメート型光学要素２２３０、および走査式光学要素２２４０は、シリコンＭＥＭＳデバイス等の単一半導体ＭＥＭＳデバイス内に統合され、統合された２次元走査式光源を形成する。これらの実施形態では、走査式片持ち梁および走査式ミラーは、それらが、コストおよび複雑性節約を伴って、同一シリコン部品から加工され得るように、本デバイスの同一側かつ相互に同一平面上に位置する。上記に説明されるように、２次元走査式光源２２００は、ディスプレイシステムの中に容易に統合され得る、２つの寸法においてコリメート型走査式光源を提供する、コンパクトなデバイスに作製されることができる。実施例は、図２３を参照して下記に説明される。他の実施形態では、コンポーネントは、別個に作製され、２次元走査式光源に組み立てられることができる。
【０２０６】
図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、走査式ミラーと統合されたプロジェクタを含む、別の導波管ディスプレイシステムを図示する、簡略化された概略図である。図２３に示されるように、導波管ディスプレイシステム２３００は、第１の表面２３２１と、第２の表面２３２２とを伴う平面導波管２３４２を有する、接眼レンズ導波管２３４０を含む。接眼レンズ導波管２３４０はまた、導波管２３４２の第１の側方領域に結合される、内部結合回折光学要素（ＤＯＥ）２３４６と、導波管２３４２の第２の側方領域に結合される、外部結合ＤＯＥ２３４８とを有する。内部結合および外部結合ＤＯＥは、側方にオフセットされるように説明されるが、他の構成も、可能性として考えられる。例えば、内部結合ＤＯＥは、導波管表面上で、垂直にオフセットされる、または外部結合ＤＯＥからある角度でオフセットされてもよい。片持ち状ベースの２次元走査式光源２３１５が、導波管２３４２の第１の表面２３２１に隣接して配置される。
【０２０７】
２次元走査式光源２３１５は、図２２Ａおよび２２Ｂの２次元走査式光源２２００に類似し、対応するコンポーネントは、同一参照番号を用いてマークされ、図２２Ａおよび２２Ｂに関連して提供される議論は、必要に応じて、図２３に適用可能である。
【０２０８】
示されるように、２次元走査式光源２３１５は、走査光ビーム２２６１を提供するように構成される、片持ち状スキャナ２２１０と、片持ち状スキャナ２２１０に隣接して配置され、走査光ビーム２２６２を受け取り、反射された走査光ビーム２２２２を提供するように構成される、反射性光学要素２２２０とを含む。２次元走査式光源２３１５はまた、反射性光学要素２２２０に隣接して配置され、反射された走査光ビーム２２６２を反射性光学要素２２２０から受け取り、コリメートされた走査光ビーム２２６３を提供するように構成される、コリメート型光学要素２２３０を含む。２次元走査式光源２２００はさらに、コリメート型光学要素２２３０に隣接して配置され、コリメートされた走査光ビーム２２６３を受け取り、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４を提供するように構成される、走査式光学要素２２４０を含む。２次元走査式光源２３１５のさらなる詳細は、図２２Ａおよび２２Ｂの２次元走査式光源２２００の説明に見出され得、ここでは繰り返されない。
【０２０９】
導波管２３４２は、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４を内部結合ＤＯＥ２３４６において受け取り、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、コリメートされた２次元走査光ビームを外部結合ＤＯＥ２３４８に伝搬させるように構成される。例えば、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４は、内部結合ＤＯＥ２３４６上に入射し、光ビーム２３６６によって示されるように、「−Ｘ」方向における外部結合ＤＯＥ２３４８に向かった導波管２３４２のＴＩＲ条件を満たす。内部結合ＤＯＥ２３４６の寸法は、走査式光学要素２２４０によって導波管に向かって走査された全ての角度の光が、内部結合ＤＯＥ２３４６上に入射するように選択されることができる。いくつかの実施形態では、内部結合ＤＯＥ２３４６は、側方に伸長される。外部結合ＤＯＥ２３４８は、光ビーム２３６６の一部を導波管２３４２から外に視認者の眼２３５０に向かって回折するように構成される、回折格子（本明細書では、外部結合格子と称され得る）を含んでもよい。画像投影のための光経路を図示するために、導波管内で回折され、視認者の眼２３５０に到達するように放出される、光ビームは、灰色矢印２３７１、２３７２、２３７３、および２３７４によってマークされる。
【０２１０】
図２３の実施例では、片持ち状スキャナ２２１０と、反射性光学要素２２２０と、コリメート型光学要素２２３０と、走査式光学要素２２４０とを含む、２次元走査式光源２３１５のコンポーネントは、第１の表面２３２１に隣接して、導波管の同一側上に配置される。代替実施形態では、２次元走査式光源２３１５はまた、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４が、内部結合ＤＯＥ２３４６において受け取られ、全内部反射（ＴＩＲ）を通して、外部結合ＤＯＥ２３４８に伝搬されるように選択される、コリメートされた２次元走査光ビーム２２６４の入射角を伴って、導波管２３４２の第２の表面２３２２に隣接して配置されることができる。適切な入射角は、導波管ディスプレイシステムの種々の構成に関連して上記に説明される技法を使用して選択されることができる。
【０２１１】
また、本明細書に説明される実施例および実施形態は、例証目的のみのためのものであって、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限および添付の請求項の範囲内に含まれることを理解されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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