(57)【要約】ニアアイディスプレイは、自由形状ナノ構造面を有するコンバイナ、二次ミラー、および導波路のうちの少なくとも１つを含む。自由形状ナノ構造面は、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する。自由形状ナノ構造面は、コンパクトな折り曲げ配置で、ニアアイディスプレイ内のコンバイナまたは二次ミラーに組み込まれてもよく、画像源と自由形状ナノ構造面との間には、必要に応じてアナモルフィックまたは自由形状の光学部品が介在してもよい。ナノ構造面は、可視スペクトルにわたって動作可能なメタ回折格子を含み得る。メタ回折格子は、反射における所望の波長において所与の効率を提供するよう構成されたメタ原子を含む。
2018514803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）画像源と、
（ｂ）前記画像源に光学的に結合されたコンバイナ、二次ミラー、および導波路のうちの少なくとも１つと
を含むニアアイディスプレイアセンブリであって、
コンバイナ、二次ミラー、および導波路のうちの前記少なくとも１つが、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含むことを特徴とするニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２】
前記単位セルが、少なくとも４つのメタ原子を含む、請求項１記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項３】
前記単位セル内の各前記メタ原子の長さ対幅の比率がそれぞれ異なる、請求項１または２記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項４】
前記メタ回折格子が、可視スペクトルにわたって少なくとも２０％の効率を有するよう選択された、請求項１〜３のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項５】
前記ニアアイディスプレイアセンブリが、コンバイナと、該コンバイナに光学的に結合された二次ミラーとを含み、前記コンバイナと前記二次ミラーとが軸外し折り曲げ配置にあり、前記コンバイナおよび前記二次ミラーのうちの少なくとも一方が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含む、請求項１〜４のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項６】
各前記メタ原子が１ｎｍより大きい寸法を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項７】
各前記メタ原子が１０ｎｍより大きい寸法を有する、請求項６記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項８】
前記ニアアイディスプレイアセンブリがコンバイナを含み、該コンバイナが、該コンバイナを観察者に対して略透明にするサイズおよび間隔を有する多数のアパチャーを含む、請求項１〜７のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項９】
前記メタ回折格子が、少なくとも６０°の入射角にわたって少なくとも２０％の効率を有するよう選択された、請求項１〜８のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１０】
前記ニアアイディスプレイアセンブリが、コンバイナと二次ミラーとを含み、前記コンバイナおよび前記二次ミラーの両方が自由形状面を含む、請求項１〜９のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１１】
前記単位セルが約５５５．５ｎｍの長さおよび約２２１ｎｍの幅を有し、第１のメタ原子が約１０５ｎｍの長さおよび約８４．６ｎｍの幅を有し、第２のメタ原子が約１０５ｎｍの長さおよび約４７．７ｎｍの幅を有し、第３のメタ原子が約５０ｎｍの長さおよび約１７７ｎｍの幅を有し、第４のメタ原子が約１０５ｎｍの長さおよび約１５０ｎｍの幅を有する、請求項１〜１０のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１２】
前記自由形状ナノ構造面が、自由形状面を含む、請求項１記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１３】
前記ニアアイディスプレイアセンブリが、装着者の頭部に解除可能に係合するフレームと、該フレームに動作可能に接続されたコンバイナおよび二次ミラーとを含み、
前記コンバイナおよび前記二次ミラーのうちの少なくとも一方が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含み、前記単位セル内の前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有すると共に、可視光スペクトルの大部分にわたって所与の所定の効率を提供するサイズおよび間隔を有する、請求項１記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１４】
前記画像源が、光路に沿って前記二次ミラーに光学的に結合されており、前記光路内に、球面、非球面、アナモルフィック、アナモルフィック非球面、または自由形状の光学部品またはレンズのうちの１つである光学要素を更に含む、請求項１３記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１５】
前記単位セルが４つのメタ原子を有し、各前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有する、請求項１３または１４記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１６】
前記コンバイナおよび前記二次ミラーの各々が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含み、前記単位セル内の前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有すると共に、可視光スペクトルの大部分にわたって少なくとも２０％の効率を提供するサイズおよび間隔を有する、請求項１３〜１５のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１７】
前記自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する、請求項１３〜１６のいずれか一項記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１８】
前記ニアアイディスプレイアセンブリが、フレームと、該フレームに第１の反射面として動作可能に接続されたコンバイナと、前記フレームに第２の反射面として動作可能に接続された二次ミラーとを含み、
前記コンバイナおよび前記二次ミラーの各々が自由形状ナノ構造面を含み、前記自由形状構成要素が、前記第１の反射面および前記第２の反射面の傾きおよび芯ずれによって生じる光学収差を補正する、請求項１記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項１９】
前記自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する、請求項１８記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２０】
前記ニアアイディスプレイアセンブリが、前記画像源に光学的に結合された導波路を含み、
前記導波路が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含む、請求項１記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２１】
（ａ）画像源と、
（ｂ）前記画像源に光学的に結合されたコンバイナと
を含むニアアイディスプレイアセンブリであって、
前記コンバイナが、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含むことを特徴とするニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２２】
（ａ）装着者の頭部に解除可能に係合するフレームと、
（ｂ）前記フレームに動作可能に接続されたコンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも１つと
を含むニアアイディスプレイアセンブリであって、
前記コンバイナおよび前記二次ミラーのうちの少なくとも一方が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含み、前記単位セル内の前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有すると共に、可視光スペクトルの大部分にわたって所与の所定の効率を提供するサイズおよび間隔を有することを特徴とするニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２３】
光路に沿って前記二次ミラーに光学的に結合された画像源と、前記光路内の、球面、非球面、アナモルフィック、アナモルフィック非球面、または自由形状の光学部品またはレンズのうちの１つである光学要素とを更に含む、請求項２２記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２４】
前記単位セルが４つのメタ原子を有し、各前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有する、請求項２２記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２５】
前記コンバイナおよび前記二次ミラーの各々が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含み、前記単位セル内の前記メタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有すると共に、可視光スペクトルの大部分にわたって少なくとも２０％の効率を提供するサイズおよび間隔を有する、請求項２２記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２６】
前記自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する、請求項２２記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２７】
（ａ）フレームと、
（ｂ）前記フレームに第１の反射面として動作可能に接続されたコンバイナと、
（ｃ）前記フレームに第２の反射面として動作可能に接続された二次ミラーと
を含むニアアイディスプレイアセンブリであって、
前記コンバイナおよび前記二次ミラーの各々が自由形状ナノ構造面を含み、前記自由形状構成要素が、前記第１の反射面および前記第２の反射面の傾きおよび芯ずれによって生じる光学収差を補正する
ことを特徴とするニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２８】
前記自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する、請求項２７記載のニアアイディスプレイアセンブリ。
【請求項２９】
（ａ）画像源と、
（ｂ）前記画像源に光学的に結合された導波路と
を含むニアアイディスプレイアセンブリであって、
前記導波路が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含むことを特徴とするニアアイディスプレイアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、仮想現実および拡張現実ニアアイディスプレイ用の自由形状ナノ構造面に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニアアイディスプレイは、ユーザの視界の前に表示を生じるウェアラブルデバイスである。このディスプレイは透明または不透明であり得る。例えば、透明なディスプレイは、現実世界の視界の上に情報およびグラフィックをオーバーレイするものであり得、一方、不透明なディスプレイは、観察者に対して、ニアアイディスプレイからの情報のみを呈示する。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書に示される態様によれば、画像源と、画像源に光学的に結合されたコンバイナ、二次ミラー、および導波路のうちの少なくとも１つとを含むニアアイディスプレイアセンブリであって、コンバイナ、二次ミラー、および導波路のうちの少なくとも１つが、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含む、ニアアイディスプレイアセンブリが提供される。
【０００４】
本明細書に示される更なる態様によれば、画像源に動作可能に接続されたコンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも１つを有するニアアイディスプレイであって、コンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも１つが自由形状ナノ構造面を含み、更に、自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する、ニアアイディスプレイが提供される。
【０００５】
本明細書に示される更なる態様によれば、コンバイナと、コンバイナに動作可能に接続された二次ミラーとを有するニアアイディスプレイであって、コンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも一方が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を含む、ニアアイディスプレイが提供される。
【０００６】
別の態様によれば、装着者の頭部に解除可能に係合するフレームと、フレームに動作可能に接続されたコンバイナと、コンバイナおよびフレームのうちの一方に動作可能に接続された二次ミラーとを有するニアアイディスプレイアセンブリであって、コンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも一方が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含み、単位セル内のメタ原子がそれぞれ異なる長さ対幅の比率を有すると共に、可視光スペクトルの大部分にわたって少なくとも５０％の効率を提供するサイズおよび間隔を有する、ニアアイディスプレイアセンブリが提供される。
【０００７】
別の態様において、画像源と、画像源に光学的に結合された導波路とを有するニアアイディスプレイアセンブリであって、導波路が、複数のメタ原子を有する単位セルによって少なくとも部分的に画成されたメタ回折格子を有する自由形状ナノ構造面を含む、ニアアイディスプレイアセンブリが提供される。
【０００８】
更なる態様によれば、フレームと、フレームに第１の反射面として動作可能に接続されたコンバイナと、フレームに第２の反射面として動作可能に接続された二次ミラーとを有するニアアイディスプレイアセンブリであって、コンバイナおよび二次ミラーの各々が自由形状ナノ構造面を含み、その下の表面形状が自由形状であってもよく、表面上に重ねられたナノ構造が自由形状面を生じてもよく、またはそれらの組合せであってもよく、自由形状特性が、第１の反射面および第２の反射面の傾きおよび芯ずれによって生じる光学収差を補正するよう構成された、ニアアイディスプレイアセンブリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１ａ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第１の態様を模式的に示す
【図１ｂ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第１の態様を模式的に示す
【図２ａ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第２の態様を模式的に示す
【図２ｂ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第２の態様を模式的に示す
【図３ａ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第３の態様を模式的に示す
【図３ｂ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第３の態様を模式的に示す
【図４ａ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第４の態様を模式的に示す
【図４ｂ】メタ回折格子を組み込んだニアアイディスプレイの第４の態様を模式的に示す
【図５】メタ回折格子の単位セルの上面図
【図６】図５の単位セルの側断面図
【図７】図５の単位セルの４つのメタ原子の個々の応答のプロットであり、４つのメタ原子の均一周期アレイに法線入射する平面波についての、波長に対する振幅を示す
【図８】図５の単位セルの４つのメタ原子の個々の応答のプロットであり、４つのメタ原子の均一周期アレイに法線入射する平面波についての、波長に対する複素反射係数、ｒ＝｜ｒ｜ｅiΦの位相を示す
【図９】波長に対する、反射率に基づいて予測された絶対効率のプロット
【図１０】機械刻線回折格子およびメタ回折格子についての、偏光、入射角、および波長の関数としての、ｍ＝＋１でのシミュレーションされた絶対回折格子効率の比較を示す
【図１１】広い視野に詳細にわたる入射角の関数としての、メタ回折格子の効率を示す
【図１２】導波路を用いたニアアイディスプレイの態様を模式的に示す
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ニアアイディスプレイは、観察者に対して、観察瞳（「アイボックス」とも称する）内に画像情報を呈示し、この画像情報は、観察者の目の瞳と位置合わせされた際に、観察者の視野内にバーチャル画像を生じる。ニアアイディスプレイのコンバイナ、または導波路は、観察者の視野の外の位置から観察者の目に向かって画像情報を運ぶ。コンバイナ（または導波路）によって運ばれる画像情報は、バーチャル画像を観察者の目の中に投影するための角度的に符号化された形態を有し得る。
【００１１】
コンバイナは、コンバイナの同じ側（反射／反射、または透過／透過）からの、またはコンバイナの異なる２つの側からの（反射／透過）２つの画像を合成する光学装置である。コンバイナは、ユーザが、外部の景色に重ねられたコンピュータ生成画像（ＣＧＩ）を見ることを可能にするヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）（ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）と称される場合もある）またはニアアイディスプレイにおいて用いられ得る。ＨＵＤは、ユーザが通常の視点から目をそらさずにＣＧＩを見ることを可能にする。
【００１２】
一般的に、コンバイナには２つのバージョンがある。第１のバージョンは、２つの視野を、どちらの視野にもいかなるレンズ効果も加えずに、合成する（例えば、傾いたダイクロイックプレート等）。第２のバージョンは、合成機能に加えて、ディスプレイから入射する視野に対するレンズ効果機能（これが、全球面、軸外し円錐、非球面、または自由形状のレンズ効果であり得る）を含む。レンズ効果機能は、ディスプレイから発するバーチャル画像を遠視野またはコンバイナからの特定の距離に変位させるため、および、ユーザがターゲットのサイズにおいてバーチャル画像に焦点を合わせるのを可能にするために画像に特定の視野を与えるために用いられる。レンズ効果機能は、表示される視野を通して光学収差の適切な補正を提供するよう構成される。また、レンズ効果機能は、個々のユーザに対して眼科的な補正を提供するよう構成されてもよい。
【００１３】
導波路（導光板と称する場合もある）としては、回折型、ホログラフィ式、偏向型、または反射型の導波路が挙げられるが、それらに限定されない。ナノ構造面の態様は、光を導波路に入るようおよび／または導波路から出るよう結合するために用いられ得る。
【００１４】
画像情報は、観察者の視野の外から（例えば、眼鏡フレームのテンプルに沿って等）発せられる。電子ビデオ表示データは、空間的パターンを角度的に変形する結像光学系と組み合わされた空間光変調器を含むが、それに限定されない画像源または生成器（例えば、光学パターン生成器等）によって、または、空間的パターンの角度的変形を直接生成する走査光学系によって、画像情報に変換される。画像源は、光のパターンを生成またはコンバイナに伝達する任意の装置を包含する。画像源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）および垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に基づくレーザ走査画像源生成器等であるがそれに限定されない画像生成器、並びに、液晶ディスプレイ、反射型もしくは透過型ディスプレイ、および有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を含むがそれらに限定されないマイクロディスプレイを含み、マイクロディスプレイは、光学収差を制御するために走査光路内にまたはマイクロディスプレイに近接してまたは接して配置されるアナモルフィックまたは自由形状の光学要素またはレンズと組み合され得る。二軸対称を有する非対称面は、アナモルフィック面と称される。二軸対称またはトロイダル形状の範囲を超えて非対称な非対称面は、自由形状面である。従って、画像源は、例えばＯＬＥＤディスプレイ等の発光型マイクロディスプレイ、および／または、例えばＬＣｏＳ（液晶オンシリコン）ディスプレイまたはＤＬＰ（デジタル光処理）装置等の反射型マイクロディスプレイを含み得る。特定の態様では、表示される各色の光について別々のマイクロディスプレイが用いられてもよく、一方、他の態様では、（例えば、フィールドシーケンシャルカラー方式の画像を表示することによって）単一のマイクロディスプレイが用いられてもよい。同様に、一部の態様では、観察者の左目および右目に対して別々の画像源が用いられてもよい。これは、立体視画像の表示を容易にし得る。そのような態様では、左目用の画像および右目用の別々の画像を生じるために、別々のコンバイナが用いられ得る。
【００１５】
コンバイナ（または導波路）は、観察者の頭部に装着され得る眼鏡に動作可能に接続され得る。眼鏡は、耳に掛けられる左右のテンプルと、鼻に掛けられるノーズピースとを有するフレームを含む。フレームは、各光コンバイナ（または導波路）を、それぞれが対応する観察者の目の前に配置する形状およびサイズを有する。他の形状を有する他のフレーム（例えば、耳アームおよび鼻梁支持部を有するバイザー、単一の連続したヘッドセット部材、ヘッドバンド、ゴーグル型の眼鏡類等）が用いられてもよいことが理解されよう。眼鏡という用語は、補正レンズ、サングラス、保護レンズ、レンズを有するまたは有しないフレーム、補正レンズを有するまたは有しないフレーム、並びに、ニアアイディスプレイを観察者の視野内に動作可能に配置して保持するための他のヘッドマウントを含む。従って、眼鏡は、二次ミラーをコンバイナの近位にまたはコンバイナから離間して配置し得る。
【００１６】
コンバイナ（または導波路）は、眼鏡レンズの代わりに、またはそれに加えて、観察者の目の前のニアアイディスプレイの厚さを最小化する形態で、フレームに動作可能に接続されて、観察者の視野の外からの画像情報を観察者の視野内に運んでもよい。コンバイナは、眼鏡レンズが眼鏡フレーム内に通常保持される空間に対応する限られた体積の空間を占める。即ち、コンバイナは、従来の眼鏡類の寸法により近くなるように、厚さ（即ち、深さ）が制限され得る、光が跳ね返る面であり得る。導波路は、平坦であっても、または湾曲していてもよく、光を導波路に結合する自由形状ナノ構造面を有する。
【００１７】
図１〜図４には、ナノ構造面を含む、二次自由形状ミラーを伴うコンバイナと、画像源とを組み込んだニアアイディスプレイアセンブリが示されている。図１〜図４は、ニアアイディスプレイの様々な形状を示しており、図１ａおよび図１ｂのベース形状、図２ａおよび図２ｂの、コンバイナを有するベース形状、図３ａおよび図３ｂの、自由形状ミラーが鼻に近接して配置されている形状、並びに、図４ａおよび図４ｂの、自由形状ミラーが共形であるニアアイディスプレイの形状を含む。図１では、画像源はコンバイナおよび二次ミラーに光学的に結合されている。１つの態様において、コンバイナ、二次ミラー、および画像源は、接続する光路の折り曲げ配置を画成する。更なる態様では、必要に応じて、例えば、球面、非球面、アナモルフィック、アナモルフィック非球面、または自由形状の光学部品またはレンズ等であるがそれらに限定されない光学要素が、画像源と自由形状ナノ構造ミラー、導波路、またはコンバイナとの間に介在し得る。
【００１８】
ニアアイディスプレイは、２つの反射面、コンバイナ、および二次ミラーを含み得るものであり、コンバイナおよび二次ミラーは軸外し折り曲げ配置にある。１つの態様において、コンバイナおよび二次ミラーの各々は、自由形状ナノ構造面を含む。別の態様において、コンバイナおよび二次ミラーの両方は、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを含み得る。
【００１９】
ニアアイディスプレイは、例えば、画像源生成器の光路内のレンズ等であるがそれに限定されない更なる光学部品を含んでもよいことが理解されよう。レンズまたは更なる光学部品は、全球面、非球面、アナモルフィック、アナモルフィック非球面、もしくは自由形状であってもよく、または、全球面、非球面、アナモルフィック、アナモルフィック非球面もしくは自由形状の組合せであってもよい。
【００２０】
自由形状ナノ構造面の、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せの様々な組合せとしての特定の態様を説明する目的で、ニアアイディスプレイアセンブリの複数の態様を述べるが、コンバイナおよび二次ミラーは、それぞれ独立して、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せとしての自由形状ナノ構造面を有するよう構成されてもよいことが理解されよう。
【００２１】
一般的に、自由形状面は、折り曲げ配置における反射面の傾きおよび芯ずれによって生じる光学収差を補正するために用いられる。本明細書において用いられる自由形状光学面とは、二軸対称またはトロイダル形状の範囲を超えて非対称な任意の回転非対称面である。自由形状面は、例えば、Φ多項式（例えば、ゼルニケ集合、Ｑ多項式、他の直交多項式の集合、ＸＹ多項式、放射基底関数、スプライン、または非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）等の正規化された基底関数によってパラメーター化され得る。本明細書において用いられる二軸対称を有する面は、アナモルフィック面と称される。
【００２２】
ナノ構造面は波面制御を提供する。ナノ構造面は、典型的な特徴が約１〜２００ｎｍの範囲内の寸法を有する面または基体である。
【００２３】
少なくとも１つの選択された態様では、コンバイナおよび二次ミラーの両方は、ナノ構造面としてメタ回折格子を含む。更なる態様では、メタ回折格子は、可視スペクトルにわたって波面を制御する。単位セルの工学的構造および各単位セル内のサブ構造は、一種の自由形状面も生じる。即ち、自由形状面は、メタ回折格子面そのものであってもよく、または、自由形状基体と組み合わされたものであってもよい。
【００２４】
メタ回折格子は複数の単位セルで構成されており、各単位セルは複数のメタ原子を含む。メタ原子のサイズおよび間隔は、少なくとも部分的に、メタ回折格子の動作特性を決定する。１つの態様において、メタ回折格子は、１８００線／ｍｍの可視スペクトルメタ回折格子として構成される。
【００２５】
図５および図６を参照すると、１８００線／ｍｍの可視スペクトルメタ回折格子の単位セルが示されている。図５および図６に示されるように、単位セルは４つのメタ原子を含み得る。図５では、メタ原子は、位相が減少する順に１〜４の番号で示されている。
【００２６】
１つの態様において、単位セルは、ベース層、誘電層、およびメタ原子層の３つの層を含む。誘電層はベース層によって支持されており、メタ原子層は誘電層によって支持されている。
【００２７】
ベース層は、例えば銀等の金属層である。誘電層はフッ化マグネシウムで形成されている。以下の表に示すように、ベース層は約１３０ｎｍの厚さを有し、誘電層は約７５ｎｍの厚さを有する。反射率および透過率の両方を確保するために、メタ回折格子装置には、光がメタ回折格子を透過するのを可能にするアパチャーパターンおよびサイズを有する穿孔が施されている。穿孔は、装置を観察者に対して略透明にするのに十分なものである。
【００２８】
１８００線／ｍｍの可視スペクトルメタ回折格子の、４つのメタ原子を有する単位セル内のメタ原子の寸法は、以下の表に示されていると共に、図５および図６においてラベルづけされている。
【００２９】
【表１】
2018514803.tif 000003
【００３０】
１つの態様において、各メタ原子の各寸法および隣接するメタ原子間の間隔を約１０ｎｍより大きく且つ約８０ｎｍ未満とする単位セルの構成によって、製造時の考慮すべき事項が緩和される。一部の態様では、メタ原子の寸法または隣接するメタ原子間の間隔の最小製造寸法は、約２５ｎｍより大きく且つ約６０ｎｍ未満である。しかし、製造プロセスは、単位セルの構成が約１ｎｍの寸法を含むことを可能にし得ることが理解されよう。
【００３１】
ニアアイディスプレイの軸外し折り曲げ配置において、コンバイナおよび二次ミラーの一方または両方は、自由形状面とナノ構造面（例えば、メタ回折格子等）とを有する自由形状ナノ構造面を含むことが考えられる。
【００３２】
図７からわかるように、４つのメタ原子の全ては、５７５ｎｍより長い波長については、８０％より大きい振幅を示す。スペクトル範囲の大部分にわたって、第２、第３、および第４のメタ原子間の位相差は一定である。
【００３３】
図８において、実線は、第４のメタ原子を用いた隣接するメタ原子間の理想的な２π／４の位相差をベースラインとして表す。
【００３４】
メタ回折格子の波長依存効率は、図９の予測された効率と質的に概ね一致する。効率は、個々のメタ原子の効率が高まるにつれて、赤色に向かって高まり、メタ原子間の位相間隔が悪化するより長い波長については低下する。角度依存性は、α＝βの条件については、ＴＥ偏光された機械刻線回折格子の効率と形状が類似しており、その後に最大値が続く。このことは、原因が、生じた伝搬位相におけるばらつきであることを示唆している。
【００３５】
図１０は、横電場（ＴＥ）および横磁場（ＴＭ）についての、入射角に対するメタ回折格子および機械刻線回折格子のシミュレーションされたｍ＝＋１での絶対回折格子効率のプロットである。プロットに示されている各曲線は、単一の波長についての入射角依存応答を表しており、９０°未満の回折角度を生じる入射角のみにわたるものである。このシミュレーションは、周期的な面に入射角αを有する平面波を照射し、次に、反射場を遠視野に投影して回折格子効率を決定することによって行われた。
【００３６】
全体的に、メタ回折格子のＴＥ偏光効率は、６００ｎｍより長い波長については、機械刻線回折格子のＴＥ偏光効率より高く、５００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長については、ＴＭ偏光効率と対等である。
【００３７】
メタ回折格子は、１８００線／ｍｍの機械刻線回折格子と比較して、偏光応答に感度を示す。ＴＭ偏光の電場は、メタ原子と揃っていないので、波面変調を生じる共鳴を励起しない。
【００３８】
図１１を参照すると、６５０ｎｍの照明波長における、約５５５．５ｎｍの長さおよび上記の表に示したメタ原子を有する単位セルの、入射角の関数としての回折効率が示されている。図１１からわかるように、水平方向の点線は約５０％の効率を表しており、内側のシェードがついた領域は２０°の視野に対応し、外側のシェードがついた領域は６０°の視野に対応する。従って、メタ回折格子は、可視光スペクトルの大部分にわたって少なくとも約５０％の効率を提供する。メタ回折格子は、例えば５０％未満等の所与の所定の効率を提供するよう構成されてもよいことが理解されよう。このように、メタ回折格子は、可視光スペクトルの大部分にわたって少なくとも約２０％、３０％、４０％、または５０％の効率を提供し得る。
【００３９】
１つの態様において、メタ回折格子は、反射における所望の波長において、代替の形状において、約２０°から高々８０°までわたる動作範囲内において、メタ回折格子に入射する光の入射角の関数として、少なくとも約５０％の効率を提供するよう構成される。平均入射角は、単位セルの異なる形状毎に様々であることが理解されよう。 
【００４０】
自由形状構成要素は、コンパクトな折り曲げ形状において軸から外れている際の、反射面の傾きおよび芯ずれによって生じる光学収差を補正するよう選択される。自由形状面は、例えば、Φ多項式（例えば、ゼルニケ集合、Ｑ多項式、他の直交多項式の集合、ＸＹ多項式、放射基底関数、スプライン、またはＮＵＲＢＳ等の正規化された基底関数によってパラメーター化され得る。
【００４１】
図１２を参照すると、導波路に対する入力カプラーおよび導波路に対する出力カプラー内にナノ構造面を有する導波路が示されている。
【００４２】
製造においては、ナノ構造面のメタ回折格子は、機械刻線回折格子において問題を生じ得る必要な高さプロファイルの制御および周期制御を、メタ回折格子の製造に用いられる二次元二成分表面制御と置き換えることが見込まれる。上述のように、１８００線／ｍｍの可視表面として構成されるメタ回折格子に必要な寸法は、約１０ｎｍより大きいものであり得る。必要な寸法が約１０ｎｍより大きいことは、製造の助けとなり得るが、製造プロセスが１ｎｍ台の寸法の製造を提供できる場合には、ナノ構造面は、少なくとも約１ｎｍの寸法を用いてもよい。
【００４３】
自由形状光学面は、例えば、米国カリフォルニア州のＳｙｎｏｐｓｙｓ社のＣＯＤＥ Ｖ光学設計ソフトウェア等の市販のソフトウェアを用いて設計され得ると共に、例えば、ダイヤモンド旋盤またはフライス盤上のスローまたはファストツールサーボ等であるがそれらに限定されない市販の設備を用いて製造され得る。また、自由形状面は、製造されたマスター型から成形されてもよい。
【００４４】
このように、少なくとも１つの反射面が、自由形状面、ナノ構造面（例えば、上述のメタ回折格子等）、または自由形状面とナノ構造面（例えば、メタ回折格子等）との組合せである、仮想現実または拡張現実ヘッドマウントディスプレイが提供される。従って、自由形状ナノ構造面が、自由形状面、ナノ構造面、または自由形状面とナノ構造面との組合せを包含する態様において、ニアアイディスプレイアセンブリは、コンバイナを含むか、または、コンバイナと、コンバイナに動作可能に接続された二次ミラーとを含み、コンバイナおよび二次ミラーのうちの少なくとも一方は、自由形状ナノ構造面を含む。１つの態様では、コンバイナおよび二次ミラーの両方が自由形状ナノ構造面を含む。
【００４５】
更なる態様では、導波路を有し、導波路内の少なくとも１つ光学面がナノ構造面（例えば、メタ回折格子等）である仮想現実または拡張現実ニアアイディスプレイが提供される。
【００４６】
なお、上記および他の特徴および機能、またはそれらの代替の特徴および機能は、他の多くの異なるシステムまたは用途に組み込まれ得る。当業者によって、現時点で予見または予期されない様々な代替、変更、変形、または改良がその後に行われ得るものであり、それらも以下の特許請求の範囲によって包含されることが意図される。
【図１ａ】
2018514803.tif 000004
【図１ｂ】
2018514803.tif 000005
【図２ａ】
2018514803.tif 000006
【図２ｂ】
2018514803.tif 000007
【図３ａ】
2018514803.tif 000008
【図３ｂ】
2018514803.tif 000009
【図４ａ】
2018514803.tif 000010
【図４ｂ】
2018514803.tif 000011
【図５−６】
2018514803.tif 000012
【図７】
2018514803.tif 000013
【図８】
2018514803.tif 000014
【図９】
2018514803.tif 000015
【図１０】
2018514803.tif 000016
【図１１】
2018514803.tif 000017
【図１２】
2018514803.tif 000018
【国際調査報告】
2018514803.tif 000019
2018514803.tif 000020
2018514803.tif 000021