(57)【要約】動的デジタル化された波面分解能、すなわち、出力ビームレットの密度を増加させるための方法およびシステムは、単一のコリメートされたソース光ビームを受け取るステップと、導波管から外部結合されると、空間的にオフセットされた複数の出力ビームレットを生産するステップとを含むことができる。複数の出力ビームレットは、コリメートされたソース光ビームをオフセットおよび複製することによって取得されることができる。代替として、複数の出力ビームレットは、特定の色の公称波長の近傍に異なる波長を伴う複数の入力ビームを有するコリメートされた入射ソース光ビームを使用することによって、取得されることができる。コリメートされた入射ソース光ビームは、公称波長のために設計された接眼レンズの中に内部結合されることができる。
2020501185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像ディスプレイシステムであって、
導波管と、
入射光ビームを受け取り、複数の入力ビームレットを前記導波管に提供するように構成される光学デバイスであって、各入力ビームレットは、前記入射光ビームの一部から導出され、前記入力ビームレットは、空間的にオフセットされる、光学デバイスと
を備え、前記導波管は、
前記複数の入力ビームレットを受け取ることと、
全内部反射（ＴＩＲ）によって、前記複数の入力ビームレットを伝搬することと、
出力ビームレットの複数のグループを出力することであって、出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって前記導波管内を伝搬する前記複数の入力ビームレットのそれぞれの一部を含む、ことと
を行うように構成される、システム。
【請求項２】
前記複数の入力ビームレットは、前記導波管に向かって平行に指向される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記出力ビームレットの複数のグループは、前記導波管のバウンス間隔によって離間される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光学デバイスは、
相互に平行かつ隣接して配置される第１の表面および第２の表面を備え、前記第１の表面は、部分的に反射性であり、前記第２の表面は、実質的に完全に反射性である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記部分的に反射性である第１の表面は、光ビームを受け取り、前記受け取られた光ビームの第１の部分を反射し、前記受け取られた光ビームの第２の部分を通過させるように構成され、
前記第２の表面は、前記第１の表面から受け取られた各光ビームを再び前記第１の表面に反射するように構成され、
前記第２の表面から前記第１の表面に指向される各光ビームに対し、前記部分的に反射性である第１の表面は、一部を前記導波管に向かって通過させ、新しいビームレットを形成し、残りの部分を前記第２の表面に反射するように構成される、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記光学デバイスはさらに、相互に平行かつ隣接して配置される第３の表面および第４の表面を備え、前記第３の表面は、部分的に反射性であり、前記第４の表面は、実質的に完全に反射性であり、
前記第１および第２の表面は、前記入射光ビームを受け取り、第１の複数のビームレットを提供するように構成され、前記第３および第４の表面は、前記第１の複数のビームレットのそれぞれを受け取り、複数のビームレットを提供するように構成される、
請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記導波管は、上部表面を備え、その一部は、前記複数の入力ビームレットを前記光学デバイスから受け取るように構成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の表面および前記第２の表面は、前記導波管の上部表面と内部結合角度を形成するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記導波管の上部表面の一部は、入力格子を欠いている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記導波管は、横方向平面内に位置付けられ、前記第１および第２の表面は、前記横方向平面に対して斜角で配置される、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の表面は、プリズムの表面を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項１２】
画像を表示するための方法であって、前記方法は、
導波管および光学デバイスを提供することと、
入射光ビームを提供することと、
前記入射光ビームを指向し、前記光学デバイスの一部の上に衝突させることと、
前記光学デバイスを使用して、複数の入力ビームレットを生成することであって、前記複数の入力ビームレットは、空間的にオフセットされる、ことと、
前記複数の入力ビームレットを前記導波管の中に結合することと、
全内部反射（ＴＩＲ）によって、前記複数の入力ビームレットを前記導波管に沿って伝搬させることであって、前記複数の入力ビームレットのそれぞれは、前記導波管内の異なる経路を横断する、ことと、
前記導波管に光学的に結合される出力結合要素を提供することと、
前記出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力することであって、出力ビームレットの各グループは、前記複数の入力ビームレットのそれぞれの一部を含む、ことと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記光学デバイスは、相互に平行かつ隣接して配置される第１の表面および第２の表面を備え、前記第１の表面は、部分的に反射性であり、前記第２の表面は、実質的に完全に反射性である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の表面は、光ビームを受け取り、前記光ビームの第１の部分を反射し、前記光ビームの第２の部分を通過させるように構成され、
前記第２の表面は、前記第１の表面から受け取られた各光ビームを前記第１の表面に反射するように構成され、
前記第２の表面から前記第１の表面に指向される各光ビームに対し、前記第１の表面は、一部を前記導波管に向かって通過させ、前記複数の入力ビームレットのうちの１つ形成し、残りの部分を前記第２の表面に反射するように構成される、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
眼レンズを使用して、前記出力光ビームレットの複数のグループを集束させることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
ファイバスキャナを用いて、前記入射光ビームを提供することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
画像ディスプレイシステムであって、
波長に敏感な入力結合要素および出力結合要素を含む導波管と、
コリメートされた入射光ビームを提供するための光源であって、前記コリメートされた入射光ビームは、異なる波長を有する複数の入力光ビームを含む、光源と
を備え、前記導波管は、
前記波長に敏感な入力結合要素を使用して、前記複数の入力光ビームを前記導波管の中に内部結合することと、
全内部反射（ＴＩＲ）によって、前記複数の入力光ビームを伝搬させることであって、各入力光ビームは、異なる経路に沿って伝搬する、ことと、
前記出力結合要素を使用して、出力光ビームレットの複数のグループを出力することであって、出力光ビームレットの各グループは、全内部反射によって前記導波管内を伝搬する前記複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む、ことと
を行うように構成される、システム。
【請求項１８】
前記導波管は、色の公称波長のために構成され、前記複数の入力光ビームは、前記公称波長の近傍の波長を有する、請求項１７に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記コリメートされた入射光ビームは、ファイバスキャナによって提供される、請求項１７に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２０】
表示のために前記出力光ビームの複数のグループを集束させるための眼レンズをさらに備える、請求項１７に記載の画像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、２０１６年１１月３０日に出願された米国仮特許出願62/４２８，５１０号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の内容は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書中に援用される。
【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、ウェアラブルデバイス内でデジタル的に生産された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実または「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う。拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザ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】
ウェアラブルデバイスは、拡張および／または仮想現実眼鏡を含んでもよい。画像は、画像フレームまたはラスタ走査画像を使用して、表示されることができる。走査画像ディスプレイシステムでは、光ビームはそれぞれ、画像のピクセルを定義する。ミラーを２つの直交軸において走査することによって、２次元視野が、作成されることができる。画像は、導波管ベースの接眼レンズおよび光ファイバ等の他の光学要素を含み得る、眼鏡レンズ上に投影されることができる。画像ディスプレイシステムは、眼鏡フレームの左側および右側のそれぞれ上に搭載されることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
走査プロジェクタおよび導波管接眼レンズを採用する、走査画像ディスプレイシステムでは、画像光ビームは、導波管接眼レンズの内側で全内部反射（ＴＩＲ）を受ける。画像光ビームが出力結合要素に到達する、反射点毎に、ビームレットは、導波管から外部結合される。これらの出力光ビームレットの密度が、低い、すなわち、出力波面の分解能が、低い場合、画質は、不良となる。例えば、視認ボックスを通して視認されるときの深度平面における画像は、「網戸」アーチファクトまたは波面スパース性アーチファクトに悩まされる。ユーザにとって、これは、画像を網戸を通して視認するように見える。
【０００５】
本発明のいくつかの実施形態は、コリメートされたソース光ビームをオフセットおよび複製することによって、動的デジタル化された波面分解能、すなわち、出力ビームレットの密度を増加させるための方法およびシステムを提供する。ソースは、コピーまたは複製またはクローン化され、複数のビームレットを形成することができ、ビームレットは、事実上複数のコリメートされたビームソースが存在するように、側方にオフセットまたは変位される。本方法は、基板厚から独立して、ビームレット密度を増加させる方法を提供する。これはまた、接眼レンズが眼に送達する焦点／遠近調節キューを引き立たせる。
【０００６】
代替として、本発明のある実施形態は、波長多様性を通して出力ビームレット密度を増加させるための方法およびシステムを提供する。コリメートされた入射ソース光ビームは、特定の色の公称波長の近傍の異なる波長を伴う複数の入力ビームを含むことができる。入射ソース光ビームは、公称波長のために設計された接眼レンズの中に内部結合されることができる。複数の波長を伴う入力ビームレットは、導波管の中に内部結合するとき、若干異なるように回折し、したがって、導波管内で全内部反射を受けると、異なる経路を辿り、明確に異なる位置で外部結合し、複数のオフセット出力ビームレットを生産する。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像ディスプレイシステムは、導波管と、入射光ビームを受け取り、複数の入力ビームレットを導波管に提供するように構成される、光学デバイスとを含む。各入力ビームレットは、入射光ビームの一部から導出され、入力ビームレットは、相互から空間的にオフセットされる。導波管は、入力結合要素を使用して、複数の入力ビームレットを受け取り、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の入力ビームレットを伝搬し、出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力するように構成される。出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力ビームレットのそれぞれの一部を含む。
【０００８】
上記の画像ディスプレイシステムのいくつかの実施形態では、光学デバイスは、相互に平行かつ隣接して配置される、第１の表面および第２の表面を含む。第１の表面は、部分的に反射性であって、第２の表面は、実質的に完全に反射性である。いくつかの実施形態では、部分的に反射性である第１の表面は、光ビームを受け取り、受け取られた光ビームの第１の部分を反射し、受け取られた光ビームの第２の部分を通過させるように構成される。第２の表面は、第１の表面から受け取られた各光ビームを再び第１の表面に反射するように構成される。第２の表面から第１の表面に指向される各光ビームに対し、部分的に反射性である第１の表面は、一部を導波管に向かって通過させ、新しいビームレットを形成し、残りの部分を第２の表面に反射するように構成される。
【０００９】
上記の画像ディスプレイシステムのいくつかの実施形態では、光学デバイスはさらに、相互に平行かつ隣接して配置される、第３の表面および第４の表面を含み、第３の表面は、部分的に反射性であって、第４の表面は、実質的に完全に反射性である。第１および第２の表面は、入射光ビームを受け取り、第１の複数のビームレットを提供するように構成される。第３および第４の表面は、第１の複数のビームレットのそれぞれを受け取り、複数のビームレットを提供するように構成される。
【００１０】
上記の画像ディスプレイシステムのいくつかの実施形態では、第１の表面および第２の表面は、導波管内に入力格子が必要とされないように、導波管の上部表面と内部結合角度を形成するように構成される。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像を表示するための方法は、導波管を提供するステップと、入射光ビームを受け取るステップと、複数の入力ビームレットを導波管に提供するステップであって、入力ビームレットは、空間的にオフセットされる、ステップとを含む。本方法はまた、複数の入力ビームレットを導波管内で受け取るステップと、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の入力ビームレットを導波管内の異なる経路に沿って伝搬させるステップとを含む。本方法はさらに、出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力するステップを含む。出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む。
【００１２】
本発明のいくつかの実施形態によると、代替画像ディスプレイシステムは、導波管と、異なる波長を有する複数の入力光ビームを含む、コリメートされた入射光ビームを提供するための光源とを含む。導波管は、波長に敏感な入力結合要素を使用して、複数の入力光ビームを導波管の中に内部結合し、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の入力ビームを伝搬させるように構成され、各入力光ビームは、異なる経路に沿って異なる方向に伝搬する。本システムはまた、出力結合要素を使用して、出力光ビームレットの複数のグループを出力するように構成される。出力光ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む。
【００１３】
上記のシステムのある実施形態では、導波管は、色の公称波長のために構成され、複数の入力光ビームは、公称波長の近傍の波長を有する。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像を表示するための方法は、導波管を提供するステップと、コリメートされた入射光ビームを提供するステップとを含む。コリメートされた入射光ビームは、異なる波長を有する複数の入力光ビームを含む。本方法はまた、波長に敏感な入力結合要素を使用して、複数の入力光ビームを導波管の中に内部結合するステップと、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の入力ビームレットを伝搬させるステップとを含む。各ビームレットは、異なる経路に沿って伝搬するように構成される。本方法はまた、出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力するステップを含む。出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む。
【００１５】
付加的特徴、利点、および実施形態は、下記の詳細な説明、図、および請求項に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明のいくつかの実施形態による、例示的ウェアラブルディスプレイデバイスの斜視図を図示する、簡略化された概略図である。
【００１７】
【図２】図２は、本発明のいくつかの実施形態による、走査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。
【００１８】
【図３】図３は、本発明のいくつかの実施形態による、画像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。
【００１９】
【図４】図４Ａ−４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像ディスプレイシステムからの出力ビームレット波面を図示する。
【００２０】
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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５Ｂ】図５Ａ−５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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５Ｃ】図５Ａ−５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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５Ｄ】図５Ａ−５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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。
【００２１】
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、上記に説明される光学デバイスによる網戸効果の低減を図示する、画像である。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、上記に説明される光学デバイスによる網戸効果の低減を図示する、画像である。
【００２２】
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明のある実施形態による、ディスプレイシステムの機能を検証するための実験システムを図示する、簡略化された図面である。
【００２３】
【図７Ａ】図７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、複数の出力ビームレットを生産するための別の光学デバイスを図示する、簡略化された概略図である。
【００２４】
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、複数の出力ビームレットを生産するための別の光学デバイスを図示する、簡略化された概略図である。
【００２５】
【図８】図８は、本発明のある実施形態による、低減された波面スパース性効果または網戸効果を伴う画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。
【００２６】
【図９】図９は、本発明の代替実施形態による、画像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。
【００２７】
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、上記に説明される光学デバイスによる網戸効果の低減を図示する、画像である。
【００２８】
【図１１】図１１は、本発明のある実施形態による、低減された波面スパース性効果または網戸効果を伴う画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本願による方法および装置の代表的用途が、本節に説明される。これらの実施例は、単に、コンテキストを追加し、説明される実施形態の理解を補助するために提供されている。したがって、説明される実施形態は、これらの具体的詳細の一部または全部を伴わずに実践されてもよいことが当業者に明白となるであろう。他の事例では、周知のプロセスステップは、説明される実施形態を不必要に曖昧にすることを回避するために、詳細に説明されていない。他の用途も、可能性として考えられ、したがって、以下の実施例は、限定として捉えられるべきではない。
【００３０】
図１は、本発明のいくつかの実施形態による、例示的ウェアラブルディスプレイデバイス１００の斜視図を図示する、簡略化された概略図である。ウェアラブルディスプレイデバイス１００は、主ディスプレイ１１０を含む。いくつかの実施形態では、ウェアラブルディスプレイデバイス１００はまた、プロジェクタアセンブリ１２０を含み、これは、つるのアーム１３０の中に統合される。プロジェクタアセンブリ１２０は、回折光学を通して光を光輝させ、次いで、主ディスプレイ１１０を通してユーザの眼の中に反射される、プロジェクタを含むことができる。
【００３１】
図２は、本発明のいくつかの実施形態による、走査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。本実施例では、走査ディスプレイシステム２００は、図１におけるウェアラブルデバイス１００等のウェアラブルデバイス内の接眼レンズ、例えば、導波管ベースの接眼レンズの一部であることができる。図２に示されるように、走査ディスプレイシステム２００は、表面２５０を横断して、光ビーム、例えば、ビーム２４０を放出し、画像を投影するように構成される、走査プロジェクタ２１０を含む。いくつかの実施形態では、走査プロジェクタ２１０は、図１におけるウェアラブルディスプレイデバイス１００内のプロジェクタアセンブリ１２０の一部であることができる。
【００３２】
図３は、本発明のいくつかの実施形態による、画像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３は、導波管３１０を伴う接眼レンズの側面図を含む、画像ディスプレイシステム３００を示す。単一のコリメートされた光ビーム３２０が、導波管３１０に向かって指向される。光ビーム３２０は、ファイバスキャナ等の走査プロジェクタによって提供されることができる。代替として、光ビーム３２０はまた、走査ミラーから反射されたコリメートされた光によって提供されることができる。画像ディスプレイシステム３００はさらに、全内部反射（ＴＩＲ）による伝搬のために入射光を受け取るように構成される、入力結合要素３１２と、導波管３１０に沿ってＴＩＲによってユーザの眼３９０に向かって伝搬する光を拡張および外部結合するように構成される、出力結合要素３１４とを含む。光ビーム３２０は、導波管３１０の入力結合要素３１２において導波管３１０に入射し、導波管３１０の内側の矢印３２２によって示されるように、全内部反射（ＴＩＲ）を受ける。ビームレット３３０のアレイは、導波管３１０の射出瞳内の出力結合要素３１４において外部結合される。出力ビームレット３３０のアレイは、波面を形成する。いくつかの実施形態では、画像ディスプレイシステムはまた、画像をユーザの眼３９０に指向する、眼レンズ等の光学要素３８０を含むことができる。ユーザの視点から、出力ビームレットのアレイは、図４Ａ−４Ｄにおいてさらに説明されるように、２次元波面を形成する。出力ビームレットの密度は、バウンス間隔ｂよって決定され、そしてこれは、基板厚ｔによって決定される。
【００３３】
入力結合要素および出力結合要素３１２および３１４は、回折光学要素（「ＤＯＥ」）、例えば、導波管３１０内に内蔵される、またはその上にインプリントされる、線形格子であってもよい。いくつかの実施例では、画像ディスプレイシステム３００はさらに、出力結合要素３１４に加え、直交瞳エクスパンダ（「ＯＰＥ」）要素（図示せず）を備え、光をＸおよびＹ方向の両方に拡張させてもよい。出力結合要素３１４は、導波管３００を通して伝搬するビームレットが、Ｚ平面においてユーザの眼３９０に向かって９０°偏向されるであろうように、Ｚ平面（すなわち、ＸおよびＹ方向に対して直角）において傾けられてもよい。出力結合要素３１４はまた、ビームレットが、部分的に、出力結合要素３１４を通して通過し、相互から距離ｂ離間される複数のビームレットを形成するように、光経路（Ｙ軸）に沿って、部分的に透明および部分的に反射性である。入力結合要素、出力結合要素、ＯＰＥ、および他のＤＯＥについてのさらなる詳細は、米国特許出願第１４／５５５，５８５号および米国特許出願第１４／７２６，４２４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。
【００３４】
図４Ａ−４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、画像ディスプレイシステムからの出力ビームレット波面を図示する。図４Ａは、低分解能波面を有するとも称される、スパース波面を形成する、低密度出力ビームレットの導波管を図示する。この場合、視認ボックスを通して視認されるときの深度平面における画像は、波面スパース性アーチファクト（網戸を通して画像を視認するように）としても知られる、「網戸」アーチファクトに悩まされる。図４Ｂは、波面スパース性によって生じる網戸効果を図示する、画像である。本問題は、特に、（例えば、ファイバスキャナからの）非常に単色性の狭内部結合ビームに関して深刻である。比較のために、図４Ｃは、出力ビームレットのより高い密度の導波管を図示し、図４Ｄは、出力ビームレットのはるかに高い密度の導波管を図示する。実世界では、画像は、本質的に、無限分解能を有することができ、これは、強力な深度キューをもたらすことができる。
【００３５】
上記に説明されるように、スパース波面は、画像が網戸を通して視認されるかのように現れる、望ましくない画像アーチファクトを生じさせる。ビーム密度を増加させるための簡単な方法は、基板厚を低減させることである。光線が、所与の角度に関して導波管の２つの表面間で往復してバウンスする際、ピッチまたはバウンス間隔は、２つの平行表面がともにより近づくと、すなわち、導波管の厚さが減少すると、より小さくなる。しかしながら、ある厚さを下回ると、基板の厚さをさらに低減させることは、非常に困難となり、他の画質および製造問題を導入する。本発明の実施形態は、下記に説明されるように、基板厚から独立して、波面分解能を増加させる技法を提供する。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態によると、動的デジタル化された波面分解能を増加させ、網戸／波面スパース性アーチファクトを緩和させるために、入射光ビームは、コピー、複製、またはクローン化され、ここで事実上複数のコリメートされたビームソースが存在するように、側方にオフセットまたは変位されることができる。これは、基板厚から独立して、ビームレット密度を増加させる方法を提供する。これはまた、接眼レンズがユーザの眼に送達する焦点および遠近調節キューを引き立たせる。
【００３７】
図５Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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５Ａに示されるように、画像ディスプレイシステム５００は、導波管５１０と、入射光ビーム５２０を受け取り、複数の入力ビームレット５２１を導波管５１０に提供するように構成される、光学デバイス５５０とを含む。各画像ビームレット５２１は、入射光ビーム５２０の一部から導出される。図５Ａに示されるように、４つのソースビームレット５２１が、導波管５１０に光学的に結合される入力結合要素５１２上の異なる場所に指向されるように、空間的にオフセットされる。４つのみのソースビームレットが、図５Ａに図示されるが、本発明の実施形態は、本特定の数のソースビームレットに限定されない。他の実施形態では、低減された数のソースビームレットが、利用される一方、さらに他の実施形態では、増加された数のソースビームレットが、利用される。図５Ｃに関してさらに詳細に議論されるように、いくつかの実施形態では、ソースビームレットの数は、光学デバイス５５０と関連付けられた空間パラメータの関数であって、そのさらなる詳細は、図５Ｂ−５Ｄに関してより完全に説明される。
【００３８】
図５Ａでは、導波管５１０は、入力結合要素５１２、例えば、入力結合格子において、複数の入力ビームレット５２１を受け取るように構成される。図示される実施形態では、ソースビームレットは、直角入射において、入力結合要素５１２上に入射する。しかしながら、これは、本発明によって要求されず、他の入射角における動作も、本発明の範囲内に含まれる。ソースビームレット５２１は、導波管５１０の内側の非直角伝搬角度において入力結合要素５１２を通して通過することに応じて回折する。
【００３９】
入力結合要素５１２を通して通過し、そこから回折後、入力ビームレット５２１は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管５１０に沿って伝搬し、図５Ａでは５２２として示される反射されたビームは、入力結合要素５１２に隣接する導波管５１０の端部から、導波管５１０の下側表面に光学的に結合される、出力結合要素５１４の右端部に向かって伝搬すると、複数回、通過する。導波管５１０は、導波管に沿った光の伝搬方向と整合される縦軸によって特徴付けられことができる。図５Ａでは、縦軸５０５は、導波管の上部および底部表面と整合され、入射光ビーム５２０の伝搬方向と平行である。
【００４０】
導波管内では、複数の入力ビームレットは、導波管の表面に到達すると、ビームレットが内部から完全に反射される、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管に沿って伝搬する。本現象は、ビームレットの入射角が導波管の臨界角を上回る場合に生じる。図５Ｂでは、複数のビームレット５２１はそれぞれ、異なる実線または破線パターンによって表され、複数の入力ビームレットはそれぞれ、導波管内の異なる経路を横断する。
【００４１】
導波管５１０はまた、出力結合要素５１４、例えば、出力結合格子を使用して、出力ビームレット５３０の複数のグループを出力するように構成される。出力結合要素５１４は、導波管の表面において導波管５１０に結合される。出力結合要素５１４は、導波管内のビームレット５２２を表面において部分的に屈折させ、導波管から出射させ、導波管の中に部分的に反射する。図５Ａでは、導波管の内側のビームレットが、最初に、出力結合要素５１４に到達すると、各ビームレットの一部は、屈折され、導波管から出射し、出力ビームレットの第１のグループ５３１を形成する。ビームレットの残りの部分は、全内部反射によって、継続して伝搬し、それらが縦軸に沿って異なる位置において導波管から出射すると、出力ビームレットの後続グループ５３２−５３４を形成する。したがって、出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームレットのそれぞれの一部を含む。例えば、出力ビームレットの４つのグループ５３１、５３２、５３３、および５３４が、図５Ａに示される。出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力ビームレット５２１のそれぞれの一部を含む。
【００４２】
図５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、画像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５Ｂに示されるように、画像ディスプレイシステム５６０は、図５Ａにおける画像ディスプレイシステム５００に類似するが、光学デバイス５５０は、具体的実装と置換される。本実施例では、光学デバイス５５０は、相互に平行かつ隣接し、導波管５１０、入力結合要素５１２、および／または出力結合要素５１４の１つ以上の表面に対して斜角、例えば、４５°の角度で配置される、第１の表面５５２および第２の表面５５４を含む。第１の表面５５２は、部分的に反射性であって、第２の表面５５４は、実質的に完全に反射性である。光学デバイス５５０の動作は、図５Ｃに示されるように、光学デバイス５５０の拡大図を参照してさらに説明される。
【００４３】
図５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、図５Ｂの画像ディスプレイシステム内の光学デバイス５５０を図示する、簡略化された概略図である。図５Ｃでは、部分的に反射性である第１の表面５５２および反射第２の表面５５４は、それぞれ、２つのプリズム５６２および５６１によって提供され、これは、直角三角形であって、サイズが匹敵する。したがって、いくつかの実施例では、光学デバイス５５０は、直方体または準直方体形状であってもよい。入射光ビーム５２０が、光学デバイス５５０に入射し、空間的にオフセットされる、複数の画像ビームレット５２１を提供する。各画像ビームレット５２１は、入射光ビーム５２０の一部から導出される。本実施例では、入射光ビーム５２０は、点Ａ１において、反射性である第２の表面５５４によって、部分的に反射性である表面５５２に向かって反射される。部分的に反射性である第１の表面５５２は、入射光ビームの第１の部分を第２の表面に反射し、入射光ビームの第２の部分がプリズムを通して透過し、第１のビームレットＢ１を形成することを可能にする。同様に、第１の表面５５２の点Ａ２に到達するために第２の表面５５４から反射された光ビームは、第２の表面５５４に向かって部分的に反射され、プリズム５６２を通して部分的に通過し、第２のビームレットＢ２を形成する。同様に、点Ａ３に到達する光ビームの一部は、第３のビームレットＢ３を形成し、点Ａ４に到達する光ビームの一部は、第４のビームレットＢ４を形成する。例証目的のために、図５Ｃの実施例では、部分的に反射性である表面５５２の反射率は、５０％であると想定される。その結果、光ビームレットＢ１、Ｂ２、Ｂ３、およびＢ４の強度は、それぞれ、図５Ｃに示されるように、入射光ビーム５２０の強度の１／２、１／４、１／８、および１／１６である。
【００４４】
図５Ｃにおける強度分布は、５０％の反射率を有する部分的に反射性である表面５５２に基づいて、導出される。いくつかの実施形態では、反射率は、異なるビームレット強度分布につながるように変動されることができる。いくつかの実施形態では、部分的に反射性である表面５５２に沿った反射率は、所望の強度分布を達成するために変動されることができる。
【００４５】
部分的に反射性である第１の表面５５２は、任意の好適なプロセス、例えば、物理蒸着（「ＰＶＤ」）、イオン支援蒸着（「ＩＡＤ」）、イオンビームスパッタリング（「ＩＢＳ」）等を用いて、プリズム５６２に適用され得る、金属、例えば、金、アルミニウム、銀、ニッケルクロム、クロム等、絶縁体、例えば、酸化物、フッ化物、硫化物等、半導体、例えば、シリコン、ゲルマニウム等、および／または反射性質を伴う糊または接着剤から成るもの等の部分的に反射性であるコーティングを含むことができる。そのようなコーティングの反射と透過の比率は、少なくとも部分的に、コーティングの厚さに基づいて、選択または決定されてもよい、またはコーティングは、複数の小穿孔を有し、反射と透過の比率を制御してもよい。出力結合要素５１４は、上記の述べられた材料のうちの１つ以上のものから成る部分的に反射性であるコーティングを含んでもよいということになる。反射性である第２の表面５５４は、反射コーティングを含むことができ、これはまた、上記の述べられた材料のうちの１つ以上のものから成ってもよいが、第２の表面５５４を完全またはほぼ完全に反射性にするように十分に厚い。いくつかの実施形態では、プリズム５６２および５６１の表面５５２および５５４は、それぞれ、直接または間接的に、上記に説明されるように、反射性質を伴う糊または接着剤等の糊または接着剤を用いて、ともに接合されることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、入力ビームレットの数は、部分的に反射性である表面５５２と反射性である表面５５４との間の間隔を変動させることによって、変化されることができる。例えば、２つの表面間の間隔の低減は、２つの表面間の増加された数の反射につながり、より多くの入力ビームレットを生成し得る。図５Ａ−５Ｃでは、部分的に反射性である第１の表面５５２および反射性である第２の表面５５４は、平面表面によって表される。他の実施形態では、部分的に反射性である第１の表面および反射性である第２の表面は、異なる形状、例えば、放物線、球状、または他の形状を有することができる。
【００４７】
図５Ｃでは、入射光ビーム５２０は、第２の表面５５４に到達し、第１の表面５５２に向かって反射される。代替として、入射光ビーム５２０が、図５Ｄに示されるように、完全に反射性である表面５５４に到達する前に、プリズム５６２に入射する場合、部分的に反射性である第１の表面５５２は、入射光ビームの第１の部分を導波管に向かって反射し、第１のビームレットを形成し、入射光ビームの第２の部分を第２の表面に透過させるように構成される。後続ビームレットは、図５Ｃに関連して上記に説明される様式で形成される。
【００４８】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、上記に説明される光学デバイスによる網戸効果の低減を図示する、画像である。図６Ａは、図４Ｂと同一であって、波面スパース性によって生じる網戸効果を図示する。図６Ｂは、単一入射光ビームから複数のビームレットを提供することによって、網戸効果の低減を図示する、画像である。ビームレット強度は、画像の下にプロットされる。図６Ｂでは、ビームレット強度は、図５Ｃに基づき、部分的に反射性であるミラーは、反射率０．５を有すると仮定される。本発明の実施形態では、さらなる改良が、ビームレット強度分布を変動させ、入射光ビームから導出されるビームレットの数を増加させることによって、達成されることができる。これらの改良は、反射性である表面および部分的に反射性である表面の形状および反射率を最適化することによって、取得されることができる。
【００４９】
図６Ｃは、上記に説明されるディスプレイシステムの機能を検証するための実験システムを図示する、簡略化された図面である。図６Ｃは、ファイバスキャナおよび光学デバイス６２０からの単一のコリメート光源６１０を示す。コリメート光源６１０は、複数のコリメートされた光ビーム６１１を提供する。光学デバイス６２０は、それぞれ、部分的に反射性であるミラー６２３および１００％反射ミラー６２４を提供する、２つのプリズム６２１および６２２を含む。ある横方向距離が、２つのミラーから２つの平行平面６２３と６２４との間に維持される。光学デバイス６２０は、複数のコリメートされた光ビーム６１１のそれぞれを受け取り、画像センサ６４０上に投影される、複数のビームレット６３０を生産する。図６Ａおよび６Ｂは、画像センサ６４０によって提供され得る、画像の実施例である。
【００５０】
図７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、複数の出力ビームレットを生産するための光学デバイスを図示する、簡略化された概略図である。図７Ａに示されるように、光学デバイス７００は、図５Ａおよび５Ｂの画像ディスプレイシステム内で光学デバイス５５０として使用されることができる。光学デバイス７００は、それぞれ、光学デバイス５５０に類似する複数の「光学デバイス」を光学デバイス７００内に含むことができる。複数の光学デバイスは、カスケード配列で位置付けられ、付加的ビームクローン化を提供することができる。図７Ａに示されるように、プリズム７０１および７０２は、第１の光学デバイス７２１を形成し、プリズム７０３および７０４は、第２の光学デバイス７２２を形成する。第１の光学デバイス７２１および第２の光学デバイス７２２は両方とも、光学デバイス５５０に類似するが、異なる方向に配向される。
【００５１】
図７Ａでは、光学デバイス７２１は、部分的に反射性である表面７１１を伴うプリズム７０１と、反射性である表面７１２を伴うプリズム７０２とを含む。同様に、光学デバイス７２２は、部分的に反射性である表面７１３を伴うプリズム７０３と、反射性である表面７１４を伴うプリズム７０４とを含む。いくつかの実施例では、光学デバイスは、クローン化されたビームレットの２Ｄアレイが導波管の中に内部結合され得るように、相互に異なるように配向されることができる。例えば、入射光ビーム７１０は、光学デバイス７２１に入射し、これは、空間的にオフセットされ、導波管に沿った縦方向に沿って横断する、複数の画像ビームレット（図示せず）を提供する。光学デバイス７２１から光学デバイス７２２に入射するビームレットはそれぞれ、導波管に指向される複数の入力ビームレット７３０の一部を形成する、複数のビームレットを提供することができる。その結果、クローン化されたビームレットの２Ｄアレイは、導波管の中に内部結合されることができる。
【００５２】
実施例として、光学デバイス７２１は、クローン化係数または多重化係数ｍによって特徴付けられることができ、すなわち、単一入力ビームは、ｍ個の出力ビームレットを生産することができ、光学デバイス７２２は、クローン化係数または多重化係数ｎによって特徴付けられることができる。次いで、カスケード化された光学デバイス７００は、クローン化係数または多重化係数ｍ×ｎを有することができる。図５Ａおよび５Ｂに示されるように、導波管に入射する各入力ビームレットは、導波管から放出される複数の出力ビームレットを生産する。波面密度は、大幅に増加されることができる。いくつかの実施形態では、２つを上回る光学デバイスは、波面密度をさらに増加させるようにカスケード化されることができる。
【００５３】
主に、三角形プリズム、特に、直角三角形または「ポロ」プリズムのコンテキストにおいて説明されるが、本明細書に説明されるプリズムのうちの１つ以上のものは、他の幾何学形状をとってもよいことを理解されたい。例えば、単一のポロ−アッベプリズムが、４つの光学デバイスのビームクローン化機能性をカスケード構成において提供するように、各々がポロ−アッベプリズムの４つの斜辺のそれぞれと平行に配列される完全に反射性である表面を伴う４つの三角形プリズムとともに実装されることができる。他の幾何学形状は、「アミチ」またはアミチルーフプリズム幾何学形状、平行四辺形プリズム幾何学形状、台形プリズム幾何学形状、角錐または半角錐プリズム幾何学形状、例えば、四面体プリズム幾何学形状、直方体または三角形プリズム幾何学形状の対角線スライス、および同等物等の種々の他の多面体幾何学形状のいずれかを含むことができる。
【００５４】
図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、複数の出力ビームレットを生産するための別の光学デバイスを図示する、簡略化された概略図である。これらの実施形態では、光学デバイスの底部プリズムは、内部結合機能性を提供することができる。図７Ｂに示されるように、光学システム７５０は、複数のビームレットを入力光ビームから生産するための光学デバイス７６０と、複数のビームレットを受け取るための導波管７８０とを含む。光学デバイス７６０は、部分的に反射性である表面７７１を伴う第１のプリズム７６１と、反射性である表面７７２を伴う第２のプリズム７７２とを含む。プリズムは、プリズムが、例えば、９０°角度と異なる所望の斜めの内部結合角度で、入射光７９０を導波管７８０の中に反射するように、４５°−４５°−９０°三角形プリズム以外の幾何学形状をとることができる。図７Ｂに示されるように、プリズムの表面７７１および７７２は、導波管７８０の上部表面に対して４５°未満の角度αを形成し、これは、傾けられた入射角度において導波管に入射するようにビームレットを導くことができる。したがって、これらの実施形態のうちのいくつかでは、内部結合格子は、必要ではない場合がある。光学デバイス７６０および／または導波管７８０を用いて内部結合機能性を提供するための他の幾何学形状／構成もまた、使用されることができる。例えば、プリズムの表面７７１および７７２は、導波管７８０の上部表面に対して４５°を上回る角度αを形成する。別の実施例では、入力結合要素、例えば、格子は、第１のプリズム７６１（直角三角形の形状）の一辺または両辺、例えば、非斜辺の表面上に提供されることができる。さらに別の実施例では、第１のプリズム７６１は、平行四辺形のもの等の三角形プリズム以外の幾何学形状をとることができる。そのような実施例では、第１のプリズム７６１は、導波管７８０の上部表面とは対照的に、光を導波管７８０の側面表面の中に内部結合するように配列されてもよい。いくつかの実施例では、第１のプリズム７６１は、事実上、導波管７８０と一体型であってもよい。
【００５５】
図８は、本発明のある実施形態による、低減された波面スパース性効果または網戸効果を伴う画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。画像を表示するための方法８００は、導波管および光学デバイスを提供するステップ（８１０）と、入射光ビームを受け取るステップ（８２０）とを含む。例示的光学デバイスは、図５Ｂおよび５Ｃに示され、光学デバイス５５０は、相互に平行かつ隣接して配置される、第１の表面５５２および第２の表面５５４を含む。本実施例では、第１の表面５５２は、部分的に反射性であって、第２の表面５５４は、実質的に完全に反射性である。いくつかの実施形態では、入射光ビームは、ファイバスキャナを使用して提供されることができる。
【００５６】
本方法はまた、入射光ビームを指向し、光学デバイスの一部の上に衝突させるステップ（８３０）と、光学デバイスを使用して、複数の入力ビームレットを生成するステップ（８４０）とを含む。図５Ｃを参照すると、入射光ビーム５２０は、光学デバイス５５０の第２の表面５５４に指向され、第１の表面５５２に向かって反射され、光は、第２の表面５５４に向かって部分的に反射される。光の他の部分は、プリズム５６２を通して伝送され、第１の入力ビームレットＢ１としてプリズム５６２から出射する。後続入力ビームレットＢ２、Ｂ３、およびＢ４は、類似様式で生成される。複数の入力ビームレットは、相互に対して空間的にオフセットされる。図５Ｃに示されるように、入力ビームレットＢ１−Ｂ４は、入力ビームレットのそれぞれが縦軸に沿って配列された異なる縦方向位置において入力結合要素上に衝突するように位置付けられるように、プリズム５６２の左側から増加距離においてプリズム５６２から出射する。
【００５７】
本方法はまた、複数の入力ビームレットを導波管の中に結合するステップ（８５０）と、全内部反射によって導波管に沿って伝搬する複数の入力ビームレットを伝搬させるステップ（８６０）とを含む。図５Ｂを参照すると、入力ビームレット５２１は、導波管５１０の中に入力結合要素５１２を通して結合される。導波管内では、複数の入力ビームレットが、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管に沿って伝搬する。ＴＩＲでは、ビームレットは、導波管の表面に到達すると、内部から完全に反射される。図５Ｂでは、複数のビームレット５２１はそれぞれ、異なる実線または破線パターンによって表され、集合的に、５２２と標識され、複数の入力ビームレットはそれぞれ、導波管内の異なる経路を横断する。
【００５８】
方法８００はさらに、導波管に光学的に結合される出力結合要素を提供するステップ（８７０）と、出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力するステップ（８８０）とを含む。図５Ｂに示されるように、出力結合要素５１４は、導波管と周囲空気との間の界面において導波管５１０に結合される。出力結合要素５１４は、導波管内のビームレット５２２を境界表面において部分的に屈折させ、導波管から出射させ、導波管の中に部分的に反射する。図５Ｂでは、導波管の内側のビームレットが、最初に、出力結合要素５１４に到達すると、各ビームレットの一部は、屈折し、導波管から出射し、出力ビームレットの第１のグループ５３１を形成する。ビームレットの残りの部分は、全内部反射によって、継続して伝搬し、出力ビームレットの後続グループ５３２−５３４を縦軸に沿って異なる位置に形成する。したがって、出力ビームレットの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームレットのそれぞれの一部を含む。
【００５９】
方法８００を実装する画像ディスプレイシステムの実施例は、図３−７に関連して上記に説明される。いくつかの実施形態では、上記の方法は、入射光ビームを受け取り、空間的にオフセットされる複数の入力ビームレットを提供するための光学デバイスを提供するステップを含む。複数の入力ビームレットは、導波管に指向され、増加された数の出力ビームレットを生成することができ、これは、波面密度を増加させ、網戸効果を低減させることができる。いくつかの実施形態では、本方法はまた、眼レンズを使用して、出力光ビームレットの複数のグループを集束させるステップを含むことができる。
【００６０】
図８に図示される具体的ステップは、本発明のある実施形態による、低減された波面スパース性効果または網戸効果を伴う画像を表示するための特定の方法を提供することを理解されたい。ステップの他のシーケンスもまた、代替実施形態に従って実施されてもよい。例えば、本発明の代替実施形態は、異なる順序で上記に概略されたステップを実施してもよい。さらに、図８に図示される個々のステップは、個々のステップの必要に応じて、種々のシーケンスで実施され得る、複数のサブステップを含んでもよい。さらに、付加的ステップが、特定の用途に応じて、追加または除去されてもよい。当業者は、多くの変動、修正、および代替を認識するであろう。
【００６１】
図９は、本発明の代替実施形態による、画像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９に示されるように、画像ディスプレイシステム９００は、入射光ビームを受け取るように構成される、導波管９１０と、コリメートされた入射光ビーム９２０を提供するための光源９０５とを含む。コリメートされた入射光ビーム９２０は、異なる波長を有する複数の入力光ビームを含む。実施例として、図９では、コリメートされた入射光ビーム９２０は、第１の波長を有する第１の光ビーム９２１と、第２の波長を有する第２の光ビーム９２２とを含む。
【００６２】
図９に示されるように、若干異なる波長を伴う２つの入力光ビーム９２１および９２２が、入力結合要素９１２内で若干異なるように回折され、若干異なる入射角で導波管９１０に入射するように、コリメートされた入射光ビーム９２０内に含まれる。２つのみの入力光ビームが、図９に図示されるが、本発明の実施形態は、この特定の数の入力光ビームに限定されない。他の実施形態では、増加された数の入力光ビームが、利用される。図９から分かるように、入力光ビームの数の増加は、出力ビームレットの数を増加させ、さらに、出力画像の波面密度を増加させることができる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、異なる波長は、導波管接眼レンズが設計される公称波長を中心とする波長の範囲から選択される。ある実施形態では、赤色画像信号に関して、波長６３０ｎｍ、６３５ｎｍ、および６４０ｎｍのレーザが、公称上６３５ｎｍに関して設計された導波管接眼レンズの中に内部結合されることができる。別の実施形態では、単一のコリメートされた入射光ビームが、６３５ｎｍおよび６４２ｎｍの波長を有する、成分光ビームを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の入力光ビームが、公称波長の近傍の約５ｎｍ、１０ｎｍ、または２０ｎｍのスペクトル幅に及ぶ波長を有することができる。いくつかの実施形態では、複数の入力光ビームが、公称波長の近傍の約３０ｎｍまたは５０ｎｍのスペクトル幅に及ぶ波長を有することができる。これらの実施形態では、複数の入力光ビームは、増加された数の出力ビームレットを生成するために使用されることができ、これは、公称波長のための画像の波面密度を増加させることができる。より多くの入力光ビームの数が、より多数の出力ビームレットを生成するために使用されることができる。
【００６４】
導波管９１０が、波長に敏感な入力結合要素９１２、例えば、入力結合格子を使用して、コリメートされた入射光ビーム９２０を導波管９１０の中に内部結合するように構成される。波長に敏感な入力結合要素は、その回折性質が入射光ビームの波長に依存する、回折格子であることができる。波長に敏感な入力結合要素９１２は、導波管９１０に入射すると、第１の光ビーム９２１および第２の光ビーム９２２を異なる角度で回折させる。図示される実施形態では、コリメートされた入射光ビームは、直角入射において入力結合要素９１２上に入射する。しかしながら、これは、本発明によって要求されず、他の入射角における動作も、本発明の範囲内に含まれる。コリメートされた入射光ビームは、導波管９１０の内側の非直角伝搬角度で入力結合要素９１２を通して通過することに応じて、回折される。
【００６５】
コリメートされた入射光ビーム９２０内の複数の入力光ビームは、全内部反射（ＴＩＲ）によって、異なる経路に沿って導波管９１０内の異なる方向に導波管９１０内を伝搬するように構成される。図９に示されるように、第１の光ビーム９２１および第２の光ビーム９２２は、異なる角度で導波管９１０に入射する。その結果、光ビーム９２１および９２２は、導波管９１０の表面に到達すると、異なる入射角度を有する。したがって、入力光ビームはそれぞれ、図９に示されるように、導波管内の異なる経路を横断する。
【００６６】
入力結合要素９１２を通して通過し、そこから回折後、入力光ビーム９２１および９２２は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管９１０に沿って伝搬し、入力結合要素９１２に隣接する導波管５１０の端部から、導波管９１０の下側表面に光学的に結合される、出力結合要素５１４の右端部に向かって伝搬すると、複数回、通過する。導波管９１０は、導波管に沿った光の伝搬方向と整合される縦軸によって特徴付けられことができる。図９では、縦軸９０５は、導波管の上部表面および底部表面と整合され、入射光ビーム９２０の伝搬方向と垂直である。
【００６７】
導波管９１０はさらに、出力結合要素９１４を使用して、出力光ビーム９３０の複数のグループを出力するように構成される。図９に示されるように、出力結合要素９１４は、導波管の下側表面において導波管９１０に結合され、出力結合要素９１４は、導波管９１０に沿って縦方向に延在する。入力光ビームはそれぞれ、導波管内の異なる経路を横断するため、異なる場所において出力結合要素９１４に到達し、そこで各ビームレットの一部は、屈折され、導波管から出射し、出力ビームレットを形成し、残りの部分は、ＴＩＲによって、導波管内を継続して伝搬する。図９は、グループ９５０、９６０、９７０、および９８０を含む、出力光ビーム９３０の複数のグループを示す。出力光ビームの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む。例えば、出力ビームレットグループ９５０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９５１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９５２とを含む。同様に、出力ビームレットグループ９６０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９６１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９６２とを含む。出力ビームレットグループ９７０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９７１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９７２とを含む。出力ビームレットグループ９８０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９８１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９８２とを含む。
【００６８】
画像ディスプレイシステム９００は、入射コリメート光ビーム９２０内に異なる波長を有する、複数の入力光ビームと、波長に敏感な入力結合要素９１２とを含むことが分かる。波長に敏感な入力結合要素を使用することによって、出力ビームレットの数は、増加されることができる。その結果、波面スパース性または網戸効果は、低減されることができる。波長に敏感な入力結合要素は、その回折性質が入射光ビームの波長に依存する、回折格子であることができる。
【００６９】
図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、上記に説明される光学デバイスによる網戸効果の低減を図示する、画像である。上記に説明される画像ディスプレイシステムの機能を検証するために、実験が、行われ、入射光ビームが、波長６３５ｎｍおよび６４２ｎｍの光を受け取るコンバイナによって提供される。導波管接眼レンズからの画像は、ピンホールを通して視認される。図１０Ａは、波面スパース性によって生じる網戸効果を図示する。画像は、オリジナル画像の疎らにサンプリングされたバージョンとして現れる。図１０Ｂは、波長６３５ｎｍおよび６４２ｎｍを有する成分光ビームを含む単一のコリメートされた入射光ビームを提供することによる、網戸効果の低減を図示する、画像である。本実施例では、波長が７ｎｍ離れた２つのレーザに関して、図１０Ｂにおいて付加的スポットとして見られる、ピンホールから逃散する角度の顕著な偏移が存在する。
【００７０】
上記に説明されるように、単一角度ビームに関して、オリジナル波面を形成する、ビームレットのセットが存在するが、第２の波長の追加を用いて、その入力角度に対応する波面の全体的分解能を効果的に増加させる、偏移されたビームレットのセットが存在するため、波面分解能は、増加される。これは、「網戸」、より正しくは、「波面スパース性」問題を改良するであろう。さらなる改良は、入射するコリメートされた光ビーム内に異なる波長を伴うビームレットの数を増加させることによって、達成されることができる。例えば、６３０ｎｍ、６３５ｎｍ、および６４０ｎｍのレーザは、公称上６３５ｎｍに関して設計された導波管接眼レンズの中に内部結合されることができる。本発明の実施形態では、約２０ｎｍのスペクトル幅を伴うレーザ等の光源が、画質を有意に改良するであろう。レンズ機能を伴わない接眼レンズに関しては、これは、基板厚から独立してビームレット密度を増加させる方法を提供する。レンズ機能を伴う接眼レンズに関しては、波長毎の焦点面は、若干異なり、接眼レンズの焦点深度を増加させ得る。
【００７１】
図１１は、本発明のある実施形態による、低減された波面スパース性効果または網戸効果を伴う画像を表示するための方法を図示する、簡略化されたフローチャートである。図１１に示されるように、画像を表示するための方法１１００は、波長に敏感な入力結合要素を有する導波管を提供するステップ（１１１０）を含む。図９を参照すると、導波管９１０は、波長に敏感な入力結合要素９１２を有する。波長に敏感な入力結合要素は、その回折性質が入射光ビームの波長に依存する、回折格子であることができる。
【００７２】
方法はまた、コリメートされた入射光ビームを提供するステップ（１１２０）を含む。コリメートされた入射光ビームは、異なる波長を有する複数の入力光ビームを含む。実施例として、図９では、コリメートされた入射光ビーム９２０は、第１の波長を有する第１の光ビーム９２１と、第２の波長を有する第２の光ビーム９２２を含む。いくつかの実施形態では、異なる波長は、導波管接眼レンズが設計される公称波長を中心とする波長の範囲から選択される。ある実施形態では、赤色画像信号に関して、波長６３０ｎｍ、６３５ｎｍ、および６４０ｎｍのレーザが、公称上６３５ｎｍに関して設計された導波管接眼レンズの中に内部結合されることができる。別の実施形態では、単一のコリメートされた入射光ビームが、６３５ｎｍおよび６４２ｎｍの波長を有する、成分光ビームを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の入力光ビームが、２０ｎｍのスペクトル幅に及ぶ波長を有することができる。これらの実施形態では、複数の入力光ビームは、増加された数の出力ビームレットを生成するために使用されることができ、これは、公称波長のための画像の波面密度を増加させることができる。
【００７３】
本方法はまた、波長に敏感な入力結合要素を使用して、複数の入力光ビームを導波管の中に内部結合するステップ（１１３０）を含む。図９を参照すると、波長に敏感な入力結合要素９１２は、第１の波長を有する第１の光ビーム９２１と、第２の波長を有する第２の光ビーム９２２とを含む、コリメートされた入射光ビーム９２０を内部結合するように構成される。波長に敏感な入力結合要素９１２は、導波管９１０に入射すると、異なる角度で第１の光ビーム９２１および第２の光ビーム９２２を回折させる。
【００７４】
方法１１００はまた、全内部反射によって、複数の入力光ビームを導波管内で伝搬させるステップ（１１４０）を含む。図９に示されるように、第１の光ビーム９２１および第２の光ビーム９２２は、異なる角度で導波管９１０に入射する。その結果、光ビーム９２１および９２２は、導波管９１０の表面に到達すると、異なる入射角度を有する。したがって、入力光ビームはそれぞれ、図９に示されるように、導波管内の異なる経路を横断する。
【００７５】
方法はさらに、導波管に光学的に結合される出力結合要素を提供するステップ（１１５０）と、出力結合要素を使用して、出力ビームレットの複数のグループを出力するステップ（１１６０）とを含む。図９に示されるように、出力結合要素９１４は、導波管の表面において導波管９１０に結合され、導波管９１０に沿って縦方向に延在する。入力光ビームはそれぞれ、導波管内の異なる経路を横断するため、異なる場所において出力結合要素９１４に到達し、そこで各ビームレットの一部は、屈折され、導波管から出射し、出力ビームレットを形成し、残りの部分は、ＴＩＲによって、導波管内を継続して伝搬する。図９に示されるように、出力光ビームの複数のグループ９３０が、出力結合要素９１４から放出される。出力光ビームの複数のグループ９３０は、グループ９５０、９６０、９７０、および９８０を含む。出力光ビームの各グループは、全内部反射によって導波管内を伝搬する複数の入力光ビームのそれぞれの一部を含む。例えば、ビームレットグループ９５０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９５１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９５２とを含む。同様に、ビームレットグループ９６０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９６１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９６２とを含む。ビームレットグループ９７０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９７１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９７２とを含む。ビームレットグループ９８０は、入射光ビーム９２１の一部からの第１のビームレット９８１と、入射光ビーム９２２の一部からの第２のビームレット９８２とを含む。
【００７６】
方法１１００を実装する画像ディスプレイシステムの実施例は、図９および１０に関連して上記に説明される。波長に敏感な入力結合要素を使用することによって、出力ビームレットの数が、増加されることができる。本方法はまた、眼レンズを使用して、出力光ビームレットの複数のグループを集束させるステップを含むことができる。さらに、入射光ビームは、ファイバスキャナを提供されることができる。いくつかの実施形態では、導波管は、色の公称波長のために構成され、複数の入力光ビームは、公称波長の近傍の波長を有する。
【００７７】
前述の説明は、説明目的のために、具体的命名法を使用して、説明される実施形態の完全な理解を提供する。しかしながら、具体的詳細は、説明される実施形態を実践するために要求されないことが、当業者に明白となるであろう。したがって、具体的実施形態の前述の説明は、例証目的および説明目的のために提示される。それらは、包括的であること、または説明される実施形態を開示される精密な形態に限定することを意図するものではない。多くの修正および変形例が、前述の教示に照らして、可能性として考えられることが、当業者に明白となるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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