JP7325427B2 - 射出瞳拡大器 - Google Patents

Description

本発明は、回折ディスプレイ技術に関する。特に、本発明は、射出瞳拡大器（ＥＰＥ）を含むライトガイド・ベースの回折ディスプレイ素子に関する。こうしたディスプレイ素子は、頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）、たとえばニア・ツー・アイ・ディスプレイ（ＮＥＤ）、及びヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）などのパーソナル・ディスプレイに使用することができる。

ＨＭＤ及びＨＵＤは、導波路技術を使用して実装することができる。光は、回折格子を使用して導波路に入るように結合され、その中で方向変更され、導波路から出るように結合されることが可能である。従来の１つのディスプレイ設計では、光はプロジェクタから入結合（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子に方向付けられ、この入結合格子が、入射光を回折して導波路に入れ、ここで光は内部全反射により伝播して、ディスプレイの可視区域を横方向に拡張するＥＰＥ格子を介して出結合（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子に向かう。ＥＰＥは通常、入結合格子の格子線の向き、及び入結合格子から入射する光の伝播方向に対して傾斜した格子線を有する格子を含む。

すべての格子と同様、ＥＰＥ格子も、一般的に損失及び外乱を生じさせる。これは、形成される最終画像の輝度及び均一性を低減し、色の不均衡など、画像の欠陥を生じさせる。

したがって、射出瞳拡大の改善された解決策、及び改善された導波路ディスプレイが必要とされている。

本発明の目的は、導波路ディスプレイの画像品質を向上させることである。特定の目的は、導波路ディスプレイの輝度（総合効率）、均一性、及び／又は色バランスを向上させることである。一目的は、ＥＰＥ形状の幾何学的制約を緩和するＥＰＥ解決策を提供することである。

この目的は、独立請求項に述べるものによって達成される。

一態様によれば、回折ディスプレイで使用するための射出瞳拡大器（ＥＰＥ）であって、導波路上の複数の回折ゾーン（格子ゾーン）と、回折ゾーンのうちの少なくともいくつかの間の複数の非回折ゾーン（非格子ゾーン）とを備えるＥＰＥが提供される。回折ゾーン及び非回折ゾーンは、不規則な又は規則的な２次元のパターンとして配置することができる。

言い換えれば、複数の回折ゾーンと「空所」とを含む区域を有するＥＰＥが提供され、この空所では、回折が生じず、導波路の表面から内部全反射だけが生じる。

一態様によれば、パーソナル・ディスプレイ用の回折ディスプレイ素子であって、導波路と、導波路の本体に入るように、画像を回折により結合するための入結合領域と、導波路の本体から出るように、画像を回折により結合するための出結合領域と、出結合領域の画像の射出瞳を拡大するための、入結合領域と出結合領域の間にある、ここに開示する種類の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）領域とを備える回折ディスプレイ素子が提供される。

一態様によれば、上の種類の回折ディスプレイ素子を備える、頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）又はヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）などのパーソナル・ディスプレイ・デバイスが提供される。

ここに記載のＥＰＥは、導波路の横方向平面における領域であって、１つの横方向から入射し、別の横方向に出射する光の射出瞳を拡大するという特性を有する領域を意味する。

本発明は、重要な利益を提供する。ＥＰＥ領域の内側及び周囲境界に空所を含めることにより、幾何学的により複雑なＥＰＥの最適化が可能になる。通常、ＥＰＥ形状は、導波路の内側で極端な角度で伝播している光線を使用して、簡単な幾何学的計算によって算出される。これは、最適ではない解決策につながる。本発明は、簡単な幾何学的計算により算出されるＥＰＥ形状よりも、色バランス及び効率という点でより良好な性能を呈する数値最適化を介して、ＥＰＥ解決策を見いだしやすくする。この手法を使用して、導波路のためのより小型の形状因子を可能にするＥＰＥ構造を見いだすこともできる。特に、広い視野（＞４０度）のＥＰＥは非常に大きくなるので、導波路の全体サイズが、小型の形状因子を有するウェアラブル・ディスプレイには大きくなりすぎる傾向がある。

従属請求項は、本発明の選ばれた実施形態を対象とする。

いくつかの実施形態では、第１の方向の２つの回折ゾーン間に少なくとも１つの第１の非回折ゾーンがあり、第１の方向に直交する第２の方向の２つの回折ゾーン間に少なくとも１つの第２の非回折ゾーンがある。いくつかの実施形態では、少なくとも１０個の異なる（別々の）回折ゾーン、及び少なくとも１０個の異なる（別々の）非回折ゾーンがある。

いくつかの実施形態では、サイズ又は形状の異なる少なくとも２つの回折ゾーン及び／又は少なくとも２つの非回折ゾーンがある。

いくつかの実施形態では、回折ゾーンは、格子特性の異なる少なくとも２つのゾーンを備える。これにより、より一層複雑なＥＰＥ機能を実行できるようになる。

いくつかの実施形態では、回折ゾーン及び非回折ゾーンは、導波路の表面平面において、等しい形状の単位ゾーンに分割可能である。

いくつかの実施形態では、ＥＰＥの全面積の少なくとも２０％が、非回折ゾーンから形成される。

いくつかの実施形態では、ゾーンは、それらの両方の主光学軸に沿って少なくとも２つの異なる断面線を引くことができるように位置決めされ、それにより、これらの線に沿った回折／非回折のプロファイルが異なることになる。

いくつかの実施形態では、この導波路素子において、入結合領域から入射する光の少なくとも大半が、少なくとも１つの回折ゾーンによって回折され、少なくとも１つの非回折ゾーンにおいて内部全反射によって跳ね返り、通常は第１の回折ゾーンとは異なる少なくとも１つの回折ゾーンによって再び回折されてから、出結合領域に向かってＥＰＥを出るように、ＥＰＥの回折ゾーン及び非回折ゾーンが構成される。

いくつかの実施形態では、非回折ゾーンが回折ゾーンに置き換えられた状況と比べて、ディスプレイ素子の輝度、均一性、又は色バランスを向上させるために、ＥＰＥの非回折ゾーンが設けられる。

いくつかの実施形態では、ＥＰＥは、出結合領域の幅と少なくとも同じ幅を有する。

次に、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態及びその利点をより詳細に検討する。

単一入射光線によりＥＰＥ構造内で形成される光線経路のネットワークを示す図である。 入結合器と出結合器の間に光学的に位置決めされる、本発明による例示的なＥＰＥを示す図である。 図２ＡのＥＰＥの一部分を示す詳細図である。

光線がＥＰＥを通って伝播するとき、光線経路の複雑なネットワークが形成され、この中でエネルギーは通常２つの方向に沿って流れる。例示的なネットワークを図１に示す。点は、入射光線１１から回折により生成された光線が、格子表面にぶつかる場所を示す。このネットワーク構造により、ネットワーク内の点同士間で複数の光線経路に沿ったエネルギー伝送が可能になる。点Ａ～点Ｂまでの２つの例示的な経路を破線で示している。考えられるすべての経路がエネルギー伝送に必要なわけではないので、数値最適化中に、ＥＰＥの内側、及びＥＰＥの周囲境界に空領域（空所）を形成できるようにすることによっても、ＥＰＥ構造の動作を向上させることができる。

図２Ａは入結合格子２２を示し、これに向かって、通常は図の画像平面に対して本質的に垂直に、プロジェクタから光が方向付けられる。光は、導波路において回折され伝播し、回折ゾーン２４Ａ及び非回折ゾーン（空所）２４Ｂを備えるＥＰＥ２４に至る。非回折ゾーン２４Ｂは、通常、単にその中に格子パターンのない領域であり、一方、回折ゾーンは格子を備える。したがって、非回折ゾーンは、通常の導波路ゾーンとしての役割を果たし、ここで光線は、回折することなく内部全反射により跳ね返る。

回折ゾーン２４Ａは、通常、線形の（一次元の）格子パターンを備える。各回折ゾーン２４Ａ間で、格子線の向き及び格子の周期は通常同じであるが、特に微小特徴部の曲線因子及び／又は高さを含む微小特徴部のプロファイルは、ゾーン間で異なってもよい。

回折ゾーン２４Ａは、単位ゾーン、たとえば図２Ａに示すような矩形の単位ゾーンであってもよく、又は中に単位格子線のない（すなわち、図２Ａ及び図２Ｂに示す内側境界線のない）任意の形状のゾーンであってもよい。

本発明は、回折ゾーン２４Ａ及び非回折ゾーン２４Ｂの形状に関して、直交の幾何学的形状に限定されない。これらは、現実的にあらゆる複雑さの、傾斜又は湾曲した外側形状を有することができる。

回折ゾーン及び非回折ゾーンの位置決めは、回折光学設計についてそれ自体知られている計算技法を使用して、決定及び最適化することができる。

入結合格子２２、ＥＰＥ２４、及び出結合格子は、通常、平板状の導波路素子に配置される。導波路は、通常はプラスチック又はガラスの、２つの平行な主面を有する平板状の透明な材料片とすることができる。ここに検討したすべての格子及び回折ゾーンは、たとえば表面レリーフ格子（ＳＲＧ）として作製されてもよく、又は回折特徴として、若しくは他の回折光学素子（ＤＯＥ）として、追加の材料を表面に提供することによって作製されてもよい。一例では、格子はガラス導波路上に、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＨｆＯ_２など、少なくとも１つの酸化物材料又は窒化物材料から作られる線形特徴を備える。

本発明は、様々な他のディスプレイの幾何学的形状及び構成にも適用可能であることに留意すべきである。

たとえば各層が異なる波長帯域をもつ多層導波路の場合には、本発明の実施形態を各層に別々に適用することができる。

本発明の実施形態は、広帯域の照明と、狭帯域の（マルチ狭帯域を含む）照明及びプロジェクタの両方とともに使用可能である。

Claims (8)

1. 画像を表示するための回折ディスプレイ素子であって、
   導波路と、
   導波路の本体内に、画像を回折により結合するための入結合領域と、
   前記導波路の本体から出るように、前記画像を回折により結合するための出結合領域と、
   前記出結合領域の前記画像の射出瞳を拡大するための、前記入結合領域と前記出結合領域の間の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）領域と
   を備え、
   前記ＥＰＥ領域が、導波路の表面に配置された複数の回折ゾーン、及び前記回折ゾーン同士間の複数の非回折ゾーンを備え、
   前記ＥＰＥ領域が、少なくとも１０個の異なる回折ゾーン、及び少なくとも１０個の異なる非回折ゾーンを含み、前記回折ゾーン及び非回折ゾーンが、第１の方向の２つの回折ゾーン間に少なくとも１つの第１の非回折ゾーンが位置決めされ、前記第１の方向に直交する第２の方向の２つの回折ゾーン間に少なくとも１つの第２の非回折ゾーンが位置決めされるように配置され、
   前記回折ゾーン及び前記非回折ゾーンは、不規則な又は規則的な２次元のパターンとして配置され、
   各々の前記回折ゾーン間で、格子線の向き及び格子の周期が同じであり、
   微小特徴部の曲線因子、及び／又は、高さを含む、微小特徴部のプロファイルのうちの少なくとも１つが、各々の前記回折ゾーン間で異なっており、
   前記回折ゾーンの少なくとも１つは、矩形の単位ゾーン又は中に単位格子線のない任意の形状のゾーンであり、
   前記回折ゾーン及び前記非回折ゾーンのうちの少なくとも１つは、傾斜又は湾曲した外側形状を有する、回折ディスプレイ素子。
2. サイズ又は形状の異なる少なくとも２つの回折ゾーン及び／又は少なくとも２つの非回折ゾーンを備える、請求項１に記載の回折ディスプレイ素子。
3. 前記回折ゾーンが、格子特性の異なる少なくとも２つの格子ゾーンを備える、請求項１又は２に記載の回折ディスプレイ素子。
4. 前記回折ゾーン及び非回折ゾーンが、前記導波路の表面平面において、等しい形状の単位ゾーンに分割可能である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の回折ディスプレイ素子。
5. 前記ＥＰＥの全面積の少なくとも２０％が、非回折ゾーンから形成される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の回折ディスプレイ素子。
6. 前記入結合領域から入射する光の少なくとも大半が、少なくとも１つの回折ゾーンによって回折され、少なくとも１つの非回折ゾーンにおいて内部全反射によって跳ね返り、前記１つの回折ゾーンとは異なる少なくとも１つの回折ゾーンによって再び回折されてから、前記出結合領域に向かって前記ＥＰＥを出るように、前記ＥＰＥ領域の前記回折ゾーン及び非回折ゾーンが構成されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の回折ディスプレイ素子。
7. 前記非回折ゾーンが回折ゾーンに置き換えられた状況と比べて、前記ディスプレイ素子の輝度、均一性、又は色バランスを向上させるために、前記ＥＰＥ領域の前記非回折ゾーンが設けられる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の回折ディスプレイ素子。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の回折ディスプレイ素子を備えるパーソナル・ディスプレイ・デバイス。

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