JP7764585B2 - Image light guide device with optical security - Google Patents
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Description
本開示は、概して、電子表示装置に関し、より具体的には、画像担持光をビューアに伝達するための回折光学素子を有する、画像光ガイドを利用する、表示装置に関する。 This disclosure relates generally to electronic display devices, and more specifically to display devices that utilize an image light guide having a diffractive optical element for transmitting image-bearing light to a viewer.
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)及び虚像ニアアイディスプレイは、軍事、商業、産業、消防、エンターテイメント用途など、幅広い用途のために開発されている。これらの用途の多くでは、HMDユーザーの視野にある現実世界の画像の上に視覚的に重ね合わせることのできる虚像を形成することに価値がある。光学画像光ガイドは、虚像をビューアの瞳孔に向けて、この重ね合わせ機能を可能にするために、狭い空間でビューアに画像担持光を伝達することができる。 Head-mounted displays (HMDs) and virtual image near-eye displays are being developed for a wide range of applications, including military, commercial, industrial, firefighting, and entertainment applications. In many of these applications, there is value in creating a virtual image that can be visually superimposed on a real-world image in the HMD user's field of view. Optical image light guides can deliver image-bearing light to the viewer in a small space to direct the virtual image toward the viewer's pupil and enable this superimposition function.
従来の画像光ガイドの配置は、ニアアイディスプレイ光学素子の嵩張り、重量、及び全体コストの大幅な減少をもたらしてきたが、さらなる改善が必要である。一部の実例では、光は、ニアアイディスプレイから、ビューアのアイボックスの方向よりも多くの方向に出力される。しかしながら、ニアアイディスプレイを利用する多数の用途は、望ましくない方向の光出力を制御及び/又は除去するように動作可能なニアアイディスプレイから利益を得るであろう。例えば、光セキュリティを有するニアアイディスプレイは、ニアアイディスプレイが従来のアイウェアのように見え得るため(すなわち、審美的改善)、商業的及び一般的な消費者にとって魅力的であり得る一方、軍事用途は、隠蔽及び可視性の目的で光セキュリティから利益を得ることができる。したがって、望ましくない方向の光の出力を管理しながら、所望の虚像の輝度及び解像度を生成するように動作可能な画像光ガイドシステムに対するニーズがある。 While conventional image light guide arrangements have resulted in significant reductions in the bulk, weight, and overall cost of near-eye display optics, further improvements are needed. In some instances, light is output from a near-eye display in more directions than toward the viewer's eyebox. However, many applications utilizing near-eye displays would benefit from near-eye displays operable to control and/or eliminate light output in undesired directions. For example, near-eye displays with optical security may be attractive to commercial and general consumers because the near-eye display may appear like conventional eyewear (i.e., aesthetic improvement), while military applications may benefit from optical security for purposes of concealment and visibility. Therefore, there is a need for an image light guide system operable to produce desired virtual image brightness and resolution while managing light output in undesired directions.
第一の例示的な実施形態では、本開示は、画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、を含む、光セキュリティのある画像光ガイドを提供する。導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、インカップリング回折光学素子が、画像源から導波路内に画像担持光ビームの一部分を角度的にコードされた形態で回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、導波路に沿って形成されたアウトカップリング回折光学素子であって、アウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの一部分を拡張し、導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で第一の方向に、アイボックスに向かって方向付け、導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子。画像光ガイドは、画像光ガイドから第二の方向に出力される拡張された画像担持光ビームの第二の部分を減少、除去、及び/又は遮断するように動作可能な光学装置をさらに含む。 In a first exemplary embodiment, the present disclosure provides an optically secure image light guide including an image source operable to generate an image-bearing light beam and a waveguide operable to propagate the image-bearing light beam. An incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner; and an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in an angularly coded manner in a first direction toward the eyebox and direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction. The image light guide further includes an optical device operable to reduce, eliminate, and/or block the second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guide in the second direction.
添付図面は、本明細書の一部として本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される図面は、本開示の主題の実施形態を例示し、本開示の選択された原理、及び教示を例示するものである。しかしながら、図面は、本開示の主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、本開示の範囲をいかなる方法でも制限することを意図するものではない。 The accompanying drawings are incorporated herein as part of this specification. The drawings described herein illustrate embodiments of the subject matter of the present disclosure and illustrate selected principles and teachings of the present disclosure. However, the drawings do not illustrate every possible implementation of the subject matter of the present disclosure, and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.
本発明は、相反する内容が明示的に特定されない限り、様々な代替的な配向、及びステップ配列を想定し得ることが、理解されるべきである。添付図面に図示され、以下の明細書に記述される、特定のアセンブリ及びシステムは、本明細書に定義される発明概念についての単なる例示的な実施形態であることも、理解されるべきである。したがって、開示された実施形態に関連する、特定の次元、方向、又はその他の物理的特徴は、別途明示的に記載されない限り、限定するものとはみなされない。また、当てはまらない場合もあるが、本明細書に記載する様々な実施形態における同様の要素は、本明細書の本項内で同様の参照番号を用いて一般的に言及されてもよい。 It should be understood that the present invention may assume various alternative orientations and step arrangements unless expressly specified to the contrary. It should also be understood that the specific assemblies and systems illustrated in the accompanying drawings and described in the following specification are merely exemplary embodiments of the inventive concepts defined herein. Accordingly, specific dimensions, orientations, or other physical characteristics relating to the disclosed embodiments are not to be considered limiting unless expressly stated otherwise. Also, although not applicable, like elements in the various embodiments described herein may be generally referred to within this section of the specification using like reference numerals.
本明細書で使用される場合、「第一の」、「第二の」などの用語は、必ずしも、任意の順序関係、連続的関係、又は優先順位関係を示すものではなく、別段の指定がない限り、単に一つの要素又は要素の集合を別の要素とより明確に区別するために使用される。 As used herein, terms such as "first," "second," etc. do not necessarily imply any order, sequence, or priority relationship, but are merely used to more clearly distinguish one element or set of elements from another, unless otherwise specified.
本明細書で使用される場合、「ビューア」、「オペレータ」、「オブザーバ」、及び「ユーザー」という用語は、等価物とみなされ、画像光ガイドを有する装置を着用する、及び/又は画像光ガイドを有する装置を使用して画像を見る、人物又は機械を指す。 As used herein, the terms "viewer," "operator," "observer," and "user" are considered equivalent and refer to a person or machine wearing a device having an imaging light guide and/or viewing an image using a device having an imaging light guide.
本明細書で使用される場合、「集合、組(set)」という用語は、初等数学において、要素の集まり(collection of elements)、又は集合の構成要素(members of a set)という概念が広く理解されているように、空ではない集合を指す。本明細書で使用される場合、「部分集合」という用語は、別途明示的に記載されない限り、空ではない適切な部分集合、すなわち、一つ以上の構成要素を持つより大きな集合の部分集合を指すのに、使用される。集合Sについては、部分集合は、完全な集合Sを含んでもよい。ただし、集合Sの「適切な部分集合」は、厳密に集合Sに含まれ、集合Sの少なくとも一つの構成要素を除外する。 As used herein, the term "set" refers to a non-empty set, as the concept of a collection of elements or members of a set is commonly understood in elementary mathematics. As used herein, the term "subset," unless explicitly stated otherwise, is used to refer to a non-empty proper subset, i.e., a subset of a larger set that has one or more members. For a set S, a subset may include the complete set S. However, a "proper subset" of set S is strictly contained in set S and excludes at least one member of set S.
本明細書で使用される場合、光学の文脈における「結合」、「結合」という用語は、光が一つの光媒体又は装置から別の光媒体又は装置へと移動する接続を指す。 As used herein, the terms "coupled" and "coupling" in the optical context refer to a connection in which light travels from one optical medium or device to another.
本明細書で使用される場合、「波長帯」及び「波長範囲」という用語は同等であり、色撮像分野の当業者によって使用される標準的な意味を有し、多色画像を表すために使用される光波長の連続的範囲を指す。 As used herein, the terms "wavelength band" and "wavelength range" are equivalent and have the standard meaning used by those skilled in the art of color imaging, and refer to a continuous range of light wavelengths used to represent a multicolor image.
本明細書で使用される場合、「ビーム拡張」という用語は、一つ以上の方向に射出瞳拡張を提供するために、光学素子との複数の遭遇を介してビームの複製を意味することが意図される。同様に、本明細書で使用される場合、ビーム又はビームの一部分を「拡張する」ことは、一つ以上の方向に射出瞳拡張を提供するために、光学素子との複数の遭遇を介してビームの複製を意味することが意図される。 As used herein, the term "beam expansion" is intended to mean the duplication of a beam through multiple encounters with optical elements to provide an exit pupil expansion in one or more directions. Similarly, as used herein, "expanding" a beam or a portion of a beam is intended to mean the duplication of a beam through multiple encounters with optical elements to provide an exit pupil expansion in one or more directions.
HMDなどの光学システムは、虚像を生成することができる。実像を形成する方法とは異なり、虚像は表示面上には形成されない。すなわち、表示面が虚像の知覚される位置に位置付けられた場合、いかなる画像もその表面上には形成されない。虚像には、拡張現実の表示に特有の多数の利点がある。例えば、虚像の見かけのサイズは、表示面のサイズ又は位置によって制限されない。さらに、虚像のソースオブジェクトは小さくてもよく、例えば、拡大鏡がオブジェクトの虚像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れた距離にあるように見える虚像を形成することによって、より現実的な視聴体験を提供することができる。虚像を提供することは、実像を投影する際に必要となる場合がある画面アーチファクトを補正する必要性も排除する。 Optical systems such as HMDs can generate virtual images. Unlike methods that form real images, virtual images are not formed on the display surface. That is, when a display surface is positioned at the perceived location of the virtual image, no image is formed on that surface. Virtual images have a number of advantages unique to augmented reality displays. For example, the apparent size of the virtual image is not limited by the size or position of the display surface. Furthermore, the source object of the virtual image can be small; for example, a magnifying glass provides a virtual image of the object. Compared to systems that project real images, creating a virtual image that appears to be at some distance can provide a more realistic viewing experience. Providing a virtual image also eliminates the need to correct for screen artifacts that may be required when projecting a real image.
画像光ガイドは、プロジェクターなどの光源からの画像担持光を利用して、虚像を表示してもよい。例えば、コリメートされ、相対角度をコードした、プロジェクターからの光ビームは、インカップリング回折光学素子などの入力カップリングによって導波路内にカップリングされ、これは導波路の表面上に取り付けるか、形成することができ、又は導波路内に埋植させることができる。こうした回折光学素子は、回折格子、ホログラフィック光学素子(HOE)として、又は他の既知の方法で形成され得る。例えば、回折格子は、表面レリーフによって形成され得る。導波路に沿って伝搬した後、回折光は、アウトカップリング回折光学素子などの類似の出力カップリングによって、導波路の外に再び向けることができ、これは少なくとも一つの方向に沿って瞳孔拡張を提供するように配置され得る。さらに、回転光学素子(例えば、回折格子)は、導波路上/中に位置付けられ、少なくとも一つの他の方向に瞳孔拡張を提供することができる。導波路から出力される画像担持光は、ビューアに対し、拡張されたアイボックスを提供する。 An image light guide may display a virtual image using image-bearing light from a light source, such as a projector. For example, a collimated, relative angle-encoded light beam from the projector is coupled into the waveguide by an input coupling, such as an in-coupling diffractive optical element, which may be attached to or formed on the surface of the waveguide or embedded within the waveguide. Such a diffractive optical element may be formed as a diffraction grating, a holographic optical element (HOE), or in other known ways. For example, a diffraction grating may be formed by a surface relief. After propagating along the waveguide, the diffracted light may be redirected out of the waveguide by a similar output coupling, such as an out-coupling diffractive optical element, which may be configured to provide pupil dilation along at least one direction. Additionally, a rotating optical element (e.g., a diffraction grating) may be positioned on or in the waveguide to provide pupil dilation in at least one other direction. The image-bearing light output from the waveguide provides an expanded eyebox for the viewer.
図1に示すように、画像光ガイド10は、平面平行面を有する平面導波路22を含んでもよい。導波路22は、外表面12と、外表面12の反対側に位置する内表面14と、を有する透明な基板Sを備える。この例では、インカップリング回折光学素子IDO、及びアウトカップリング回折光学素子ODOは、内表面14上に配置され、インカップリング回折光学素子IDOは、反射型回折格子であり、それを通して画像担持光WIは平面導波路22にカップリングされる。しかしながら、インカップリング回折光学素子IDOは、別の方法としては、ボリュームホログラム、若しくは他のホログラフィック回折素子、又は入射画像担持光WIに対して回折を提供する他のタイプの光学構成要素であり得る。インカップリング回折光学素子IDOは、平面導波路22の外表面12上に、又は内表面14上に位置してもよく、画像担持光WIが平面導波路22に接近してくる方向に応じて、透過型光学素子、又は反射型光学素子であってもよい。 As shown in FIG. 1, the image light guide 10 may include a planar waveguide 22 having plane-parallel surfaces. The waveguide 22 comprises a transparent substrate S having an outer surface 12 and an inner surface 14 opposite the outer surface 12. In this example, an incoupling diffractive optical element IDO and an outcoupling diffractive optical element ODO are disposed on the inner surface 14. The incoupling diffractive optical element IDO is a reflective diffraction grating through which the image-bearing light WI is coupled into the planar waveguide 22. However, the incoupling diffractive optical element IDO may alternatively be a volume hologram, other holographic diffractive element, or other type of optical component that provides diffraction for the incident image-bearing light WI. The incoupling diffractive optical element IDO may be located on the outer surface 12 or the inner surface 14 of the planar waveguide 22 and may be a transmissive or reflective optical element, depending on the direction from which the image-bearing light WI approaches the planar waveguide 22.
虚像表示システムの一部分として使用される場合、インカップリング回折光学素子IDOは、実像源からの画像担持光WIを、平面導波路22の基板S内へとカップリングする。任意の実像又は画像の次元は、最初に、インカップリング回折光学素子IDOへの提示のために、画像内の異なる画素位置をコードする、重なり合う角度関連ビームのアレイに変換される。画像担持光WIは回折し、画像担持光WIの少なくとも一部分は、それによって、全内部反射(「TIR」)によって、平面導波路22に沿ってさらに伝搬するための、画像担持光WGとして、インカップリング回折光学素子IDOによって、平面導波路22内へと方向転換される。TIRによって設定された境界に沿って、概して、角度関連ビームのより凝縮された範囲内へと回折されるが、画像担持光WGは、コードされた形態で、画像情報を保存する。アウトカップリング回折光学素子ODOは、コードされた画像担持光WGを受信し、平面導波路22から出た画像担持光WGの少なくとも一部分を、画像担持光WOとして、ビューアの目の意図した位置に向けて回折させる。概して、アウトカップリング回折光学素子ODOは、画像担持光WOの出力された角度関連ビーム間から、画像担持光WIの元の角度関係を復元するために、インカップリング回折光学素子IDOに対して対称的に設計される。しかしながら、虚像を見ることができる、いわゆるアイボックスE内の角度関連ビーム間から、重なり合いの1つの方向を増大させるために、アウトカップリング回折光学素子ODOは、画像担持光WGに複数回遭遇し、それぞれの遭遇において画像担持光WGの一部分のみを回折するように、配置される。伝搬方向へのアウトカップリング光学素子の長さに沿った複数の遭遇は、その中で画像担持光ビームが重なり合うアイボックスの一方向を拡張する効果を有する。拡張されたアイボックスEは、虚像を見るためのビューアの目の、位置に対する感度を低下させる。 When used as part of a virtual image display system, the incoupling diffractive optical element IDO couples image-bearing light WI from a real image source into the substrate S of the planar waveguide 22. Any real image or image dimension is first converted into an array of overlapping, angle-related beams that encode different pixel locations within the image for presentation to the incoupling diffractive optical element IDO. The image-bearing light WI is diffracted, and at least a portion of the image-bearing light WI is thereby redirected by the incoupling diffractive optical element IDO into the planar waveguide 22 by total internal reflection ("TIR") as image-bearing light WG for further propagation along the planar waveguide 22. Although diffracted along the boundaries established by TIR into a generally more condensed range of angle-related beams, the image-bearing light WG preserves the image information in coded form. The outcoupling diffractive optical element ODO receives the coded image-bearing light WG and diffracts at least a portion of the image-bearing light WG exiting the planar waveguide 22 as image-bearing light WO toward the intended location of the viewer's eye. Generally, the outcoupling diffractive optical element ODO is designed symmetrically with respect to the incoupling diffractive optical element IDO to restore the original angular relationship of the image-bearing light WI from the output angle-related beams of the image-bearing light WO. However, to increase one direction of overlap between the angle-related beams within the so-called eyebox E, where the virtual image can be seen, the outcoupling diffractive optical element ODO is positioned to encounter the image-bearing light WG multiple times and diffract only a portion of the image-bearing light WG at each encounter. The multiple encounters along the length of the outcoupling optic in the propagation direction have the effect of expanding one direction of the eyebox in which the image-bearing light beams overlap. The expanded eyebox E reduces the sensitivity to the position of the viewer's eye for viewing the virtual image.
単一の方向に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アウトカップリングされた画像担持光ビームの複製を生じさせるアウトカップリング回折光学素子と画像担持光ビームとの複数の遭遇を介して、導波路に沿った伝搬方向に、アイボックスの一つの方向を拡張することができる。さらに、第二の方向に沿って屈折率の変化を有するアウトカップリング回折光学素子は、アイボックスの第二の方向を拡張し、アイボックスの二方向性拡張を提供することができる。アウトカップリング回折光学素子の第一の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、導波路から出た各ビームのエネルギーの一部分を回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。アウトカップリング回折光学素子の第二の方向に沿った屈折率の変化は、望ましい一次回折を通して、それぞれの遭遇時に、各ビームのエネルギーの一部分を、ビームの元の伝搬方向に対して角度付けた方向へと回折するように配置されてもよく、一方、ビームのエネルギーの別の部分は、ゼロ次回折を通して、元の方向にさらに伝搬するために保存される。 An outcoupling diffractive optical element having a refractive index variation along a single direction can expand the eyebox in one direction in the propagation direction along the waveguide through multiple encounters of the image-bearing light beam with the outcoupling diffractive optical element, resulting in copies of the outcoupled image-bearing light beam. Additionally, an outcoupling diffractive optical element having a refractive index variation along a second direction can expand the eyebox in a second direction, providing bidirectional expansion of the eyebox. The refractive index variation along the first direction of the outcoupling diffractive optical element may be arranged to diffract a portion of the energy of each beam emerging from the waveguide upon each encounter through a preferred first-order diffraction, while another portion of the beam's energy is preserved for further propagation in the original direction through a zeroth-order diffraction. The refractive index variation along the second direction of the outcoupling diffractive optical element may be arranged to diffract a portion of the energy of each beam upon each encounter through a preferred first-order diffraction into a direction angled relative to the beam's original propagation direction, while another portion of the beam's energy is preserved for further propagation in the original direction through a zeroth-order diffraction.
アウトカップリング回折光学素子ODOは、平面導波路22の内表面14上に配置された、透過型回折格子として示されている。しかしながら、インカップリング回折光学素子IDOと同様に、アウトカップリング回折光学素子ODOは、平面導波路22の外表面12、又は内表面14上に位置し、画像担持光WGが平面導波路22を出る際に意図される方向に応じた、透過型、反射型、組み合わせであってもよい。 The outcoupling diffractive optical element ODO is shown as a transmissive diffraction grating disposed on the inner surface 14 of the planar waveguide 22. However, like the incoupling diffractive optical element IDO, the outcoupling diffractive optical element ODO may be located on the outer surface 12 or the inner surface 14 of the planar waveguide 22 and may be transmissive, reflective, or a combination depending on the intended direction in which the image-bearing light WG exits the planar waveguide 22.
図2に示すように、画像光ガイド10は、二方向で、すなわち、意図される画像のx軸及びy軸の両方に沿って、アイボックスEを拡張するために配置されてもよい。ビーム拡張の第二の次元を達成するために、格子ベクトルk0を有するインカップリング回折光学素子IDOは、画像担持光WIの一部分を、格子ベクトルk1を有する中間ターニング格子TGに向かって回折するように配向され、これは、画像担持光WGの一部分を、アウトカップリング回折光学素子ODOに向かって反射モードで回折するように配向される。画像担持光WGの一部分のみが、中間ターニング格子TGとの複数回の遭遇のそれぞれによって回折し、それによって、アウトカップリング回折光学素子ODOに接近する画像担持光WGの角度関連ビームのそれぞれを、横方向に拡張する。ターニング格子TGは、画像担持光WGの角度関連ビームを、第二の次元へと長手方向に拡張するために、画像担持光WGを、アウトカップリング回折光学素子ODOに向けて方向転換させた後に、画像担持光WOは、平面導波路22を出る。描写された格子ベクトルk0、k1、k2などの格子ベクトルは、回折光学素子の回折特徴部(例えば、溝、線、又は罫線)に対して垂直な方向に延在し、回折光学素子IDO、TG、ODOの周期又はピッチd(すなわち、溝間の中心距離)に対して、逆数の大きさを有する。インカップリング回折光学素子IDO、ターニング格子TG、及びアウトカップリング回折光学素子ODOは、それぞれ異なる周期又はピッチdを有してもよい。 As shown in FIG. 2, the image light guide 10 may be positioned to expand the eyebox E in two directions, i.e., along both the x-axis and the y-axis of the intended image. To achieve the second dimension of beam expansion, the incoupling diffractive optical element IDO with grating vector k0 is oriented to diffract a portion of the image-bearing light WI toward the intermediate turning grating TG with grating vector k1, which is oriented to diffract a portion of the image-bearing light WG in a reflective mode toward the outcoupling diffractive optical element ODO. Only a portion of the image-bearing light WG is diffracted by each of multiple encounters with the intermediate turning grating TG, thereby laterally expanding each of the angle-related beams of the image-bearing light WG that approach the outcoupling diffractive optical element ODO. The image-bearing light WO exits the planar waveguide 22 after the turning grating TG redirects the image-bearing light WG toward the outcoupling diffractive optical element ODO to longitudinally expand the angle-related beams of the image-bearing light WG into the second dimension. The depicted grating vectors, such as grating vectors k0, k1, and k2, extend in a direction perpendicular to the diffractive features (e.g., grooves, lines, or rulings) of the diffractive optical elements and have a magnitude that is the reciprocal of the period or pitch d (i.e., the center-to-center distance between grooves) of the diffractive optical elements IDO, TG, and ODO. The incoupling diffractive optical element IDO, turning grating TG, and outcoupling diffractive optical element ODO may each have a different period or pitch d.
図2に示すように、インカップリング回折光学素子IDOは、画像源16によって生成される画像内の個々の画素又は等価の位置に対応する、一連の角度関連ビームを含む、入射画像担持光WIを受け取る。虚像を生成するための、角度をコードしたビームの全範囲を生成するように動作可能な画像源16は、集光光学素子と組み合わせた実際の表示装置、ビームの角度をより直接的に設定するためのビームスキャナー、又はスキャナーと使用される一次元の実際の表示装置などの組み合わせであってもよいが、これらに限定されない。画像光ガイド20は、中間ターニング格子TG、及びアウトカップリング回折光学素子ODOの両方により、画像担持光WGの複数回の遭遇を異なる配向で提供することによって、画像の二次元で、一連の拡張された角度関連ビームを出力する。平面導波路22の元の配向では、中間回折格子TGは、y軸方向に対しビーム拡張を提供し、アウトカップリング回折光学素子ODOは、x軸方向に対し類似するビーム拡張を提供する。回折光学素子IDO、ODO、TGの反射特性、及びそれぞれの周期dは、それぞれの格子ベクトルの配向と共に、画像担持光WOとして画像光ガイド20から出力される画像担持光WIの、角度関連ビーム間の意図される関係を維持しながら、二次元でビーム拡張を提供する。 As shown in FIG. 2, the incoupling diffractive optical element IDO receives incident image-bearing light WI, which includes a series of angle-related beams corresponding to individual pixels or equivalent locations within an image generated by the image source 16. The image source 16, operable to generate a full range of angle-encoded beams for generating a virtual image, may be a combination of, but is not limited to, an actual display device combined with focusing optics, a beam scanner to more directly set the beam angles, or a one-dimensional actual display device used with a scanner. The image light guide 20 outputs a series of expanded angle-related beams in the two dimensions of the image by providing multiple encounters of the image-bearing light WG with both the intermediate turning grating TG and the outcoupling diffractive optical element ODO at different orientations. In the original orientation of the planar waveguide 22, the intermediate grating TG provides beam expansion in the y-axis direction, and the outcoupling diffractive optical element ODO provides a similar beam expansion in the x-axis direction. The reflective properties of the diffractive optical elements IDO, ODO, and TG and their respective periods d, together with the orientation of their respective grating vectors, provide beam expansion in two dimensions while maintaining the intended relationship between the angularly related beams of image-bearing light WI that are output from the image light guide 20 as image-bearing light WO.
画像光ガイド20への画像担持光WI入力は、インカップリング回折光学素子IDOによって、異なる一連の角度関連ビームにコードされるが、画像を再構成するために必要な情報は、インカップリング回折光学素子IDOの体系的な効果を考慮することによって、保存される。インカップリング回折光学素子IDOと、アウトカップリング回折光学素子ODOとの間の中間位置に位置するターニング格子TGは、典型的には、画像担持光WGのコーディングに対し、いかなる有意な変化も誘導しないように配置される。一部の実施例では、インカップリング回折光学素子IDO及びターニング格子TGの組み合わせた回折効果は、画像担持光WGをコードするように動作し、その一方で、アウトカップリング回折光学素子ODOの回折効果は、組み合わせたコーディングをデコードするように動作する。アウトカップリング回折光学素子ODOは、典型的には、例えば、同じ周期を共有する回折特徴部を含めて、インカップリング回折光学素子IDOに対して、対称的に配置される。同様に、ターニング格子TGの周期は、典型的には、インカップリング回折光学素子IDO、及びアウトカップリング回折光学素子ODOの共通周期とも、合致する。図2に示すように、ターニング格子TGの格子ベクトルk1は、他の格子ベクトルk0、k2に対して、45度で配向されてもよい(すべて無向線分として)。しかしながら、一実施形態では、ターニング格子TGの格子ベクトルk1は、画像担持光WGが120度ターニングされるような方法で、インカップリング回折光学素子IDO、及びアウトカップリング回折光学素子ODOの格子ベクトルk0、k2に対して、60度で配向される。中間ターニング格子TGの格子ベクトルk1を、インカップリング回折光学素子IDOの格子ベクトルk0、及びアウトカップリング回折光学素子ODOの格子ベクトルk2に対して、60度で配向することによって、格子ベクトルk0、k2もまた、互いに対して60度で配向される(繰り返しになるが、無向線分とみなされる)。ターニング格子TG、インカップリング回折光学素子IDO及びアウトカップリング回折光学素子ODOの共通ピッチを格子ベクトルの大きさの根拠として、3つの格子ベクトルk0、k1、k2(有向線分として)は、正三角形を形成し、合計はゼロベクトルの大きさであり、これにより、色分散を含めた望ましくない収差を生じさせ得る非対称効果を回避する。 Although the image-bearing light WI input to the image light guide 20 is coded into a series of distinct angle-related beams by the incoupling diffractive optical element IDO, the information necessary to reconstruct the image is preserved by considering the systematic effects of the incoupling diffractive optical element IDO. The turning grating TG, located at an intermediate position between the incoupling diffractive optical element IDO and the outcoupling diffractive optical element ODO, is typically positioned so as not to induce any significant changes to the coding of the image-bearing light WG. In some embodiments, the combined diffractive effect of the incoupling diffractive optical element IDO and the turning grating TG operates to code the image-bearing light WG, while the diffractive effect of the outcoupling diffractive optical element ODO operates to decode the combined coding. The outcoupling diffractive optical element ODO is typically positioned symmetrically with respect to the incoupling diffractive optical element IDO, e.g., including diffractive features that share the same period. Similarly, the period of the turning grating TG typically matches the common period of the incoupling diffractive optical element IDO and the outcoupling diffractive optical element ODO. As shown in Figure 2, the grating vector k1 of the turning grating TG may be oriented at 45 degrees relative to the other grating vectors k0, k2 (all as undirected lines). However, in one embodiment, the grating vector k1 of the turning grating TG is oriented at 60 degrees relative to the grating vectors k0, k2 of the incoupling diffractive optical element IDO and the outcoupling diffractive optical element ODO in such a way that the image-bearing light WG is turned by 120 degrees. By orienting the grating vector k1 of the intermediate turning grating TG at 60 degrees relative to the grating vector k0 of the incoupling diffractive optical element IDO and the grating vector k2 of the outcoupling diffractive optical element ODO, the grating vectors k0, k2 are also oriented at 60 degrees relative to each other (again, considered as undirected lines). Using the common pitch of the turning grating TG, the incoupling diffractive optical element IDO, and the outcoupling diffractive optical element ODO as the basis for the magnitude of the grating vectors, the three grating vectors k0, k1, k2 (as directed line segments) form an equilateral triangle and sum to the magnitude of the zero vector, thereby avoiding asymmetric effects that can cause undesirable aberrations, including chromatic dispersion.
平面導波路22内に回折される画像担持光WIは、インカップリング回折光学素子IDOが、格子、ホログラム、プリズム、ミラー、又は何らかの他の機構を使用するかどうかに関係なく、インカップリング回折光学素子IDOによって、効果的にコードされる。インカップリング回折光学素子IDOで起こる光の反射、屈折、及び/又は回折は、アウトカップリング回折光学素子ODOによって、それに応じてデコードされ、ビューアに提示される虚像を再形成しなければならない。インカップリング回折光学素子IDOと、アウトカップリング回折光学素子ODOとの間の中間位置に位置するターニング格子TGは、典型的には、コードされた光にいかなる変化も誘導しないように、設計及び配向される。アウトカップリング回折光学素子ODOは、アイボックスEを満たすように拡張された、角度関連ビームのその元の形態、又は所望の形態に、画像担持光WGをデコードする。 The image-bearing light WI diffracted into the planar waveguide 22 is effectively coded by the incoupling diffractive optical element IDO, regardless of whether the incoupling diffractive optical element IDO uses a grating, hologram, prism, mirror, or some other mechanism. The reflection, refraction, and/or diffraction of light that occurs at the incoupling diffractive optical element IDO must be decoded accordingly by the outcoupling diffractive optical element ODO to recreate the virtual image presented to the viewer. The turning grating TG, located at an intermediate position between the incoupling diffractive optical element IDO and the outcoupling diffractive optical element ODO, is typically designed and oriented so as not to induce any changes to the coded light. The outcoupling diffractive optical element ODO decodes the image-bearing light WG into its original or desired form of an angle-related beam expanded to fill the eyebox E.
任意の対称性が、ターニング格子TGと、インカップリング回折光学素子IDO、及びアウトカップリング回折光学素子ODOとの間で維持されているかどうか、又は画像担持光WIの角度関連ビームのコード化に対する変化が、平面導波路22、ターニング格子TG、インカップリング回折光学素子IDO、及びアウトカップリング回折光学素子ODOに沿って起こるかどうかは、関連しており、その結果、平面導波路22から出力される画像担持光WOは、意図される虚像を生成するための画像担持光WIの、元の形態又は所望の形態を、保持するか、又は別の方法で維持する。 It is relevant whether any symmetry is maintained between the turning grating TG and the incoupling and outcoupling diffractive optical elements IDO and ODO, or whether changes to the angle-related beam encoding of the image-bearing light WI occur along the planar waveguide 22, the turning grating TG, the incoupling and outcoupling diffractive optical elements IDO and ODO, so that the image-bearing light WO output from the planar waveguide 22 retains or otherwise maintains the original or desired form of the image-bearing light WI for generating the intended virtual image.
アルファベットのRは、アイボックスEに目を置くビューアに見える虚像の配向を表す。示されるように、表される虚像の文字Rの配向は、画像担持光WIによってコードされる文字Rの配向と一致する。x-y平面に対する入射画像担持光WIのz軸又は角度配向の周りでの回転の変化は、アウトカップリング回折光学素子ODOからの出射光の回転又は角度配向の対応する対称的な変化を引き起こす。画像配向の態様から、ターニング格子TGは、単に、光学的リレーの一種として作用し、画像の1つの軸に沿って(例えば、y軸に沿って)、画像担持光WGの角度をコードしたビームの、拡張を提供する。アウトカップリング回折光学素子ODOは、画像担持光WIによってコードされる虚像の元の配向を維持しながら、画像の別の軸に沿って(例えば、x軸に沿って)、画像担持光WGの角度をコードしたビームを、さらに拡張する。図2に示すように、ターニング格子TGは、平面導波路22の前面又は背面上に配置された、傾斜型又は正方形の回折格子であってもよい。別の方法として、ターニング格子TGは、ブレーズド格子であってもよい。 The letter R represents the orientation of the virtual image as seen by a viewer positioned in the eyebox E. As shown, the orientation of the letter R in the represented virtual image coincides with the orientation of the letter R encoded by the image-bearing light WI. A change in rotation about the z-axis or angular orientation of the incident image-bearing light WI relative to the x-y plane causes a corresponding symmetric change in the rotation or angular orientation of the output light from the outcoupling diffractive optical element ODO. In terms of image orientation, the turning grating TG simply acts as a type of optical relay, providing expansion of the angle-encoded beam of image-bearing light WG along one axis of the image (e.g., along the y-axis). The outcoupling diffractive optical element ODO further expands the angle-encoded beam of image-bearing light WG along another axis of the image (e.g., along the x-axis) while maintaining the original orientation of the virtual image encoded by the image-bearing light WI. As shown in FIG. 2, the turning grating TG may be a tilted or square diffraction grating disposed on the front or back surface of the planar waveguide 22. Alternatively, the turning grating TG may be a blazed grating.
本開示は、改善された画像担持光の出力制御を有する画像光ガイド配置を提供する。より具体的には、本開示は、特に、画像光ガイドから出力される光を、概してアイボックスの反対側の方向に低減、除去、及び/又は遮断する手段を有する、画像光ガイドシステム及びAR表示システムを提供する。 The present disclosure provides image light guide arrangements with improved control of image-bearing light output. More specifically, the present disclosure provides image light guide systems and AR display systems that, among other things, have means for reducing, eliminating, and/or blocking light output from the image light guide generally in a direction opposite the eyebox.
図3に示すように、一実施形態では、画像光ガイドシステム50は、第一の表面102及び第二の表面104を有する平面導波路100Aを含む。導波路の第一の表面102は、導波路の第二の表面104と略して平行に位置付けられる。第一のインカップリング回折光学素子IDO1及び第一のアウトカップリング回折光学素子ODO1は、第一の表面102上又は第一の表面102内に形成される。一実施形態では、導波路100Aは、第二のインカップリング回折光学素子、中間回折光学素子(例えば、ターニング格子)、及び/又は第二のアウトカップリング回折光学素子などの追加の回折光学素子を含む。第一のアウトカップリング回折光学素子ODO1は、複合回折光学素子を含んでもよい。他の実施形態では、画像源16は、赤色、緑色、及び青色の波長範囲の画像担持光を、デジタル光変調器/マイクロミラーアレイ(「DLP」)、又はシリコン上の液晶(「LCOS」)ディスプレイにパルスするように作動可能である、カラーフィールドシーケンシャルプロジェクターシステムである。画像源16は、赤色、緑色、及び青色の波長範囲のうちの一つのみの画像担持光を使用して、低光モードで動作するように動作可能であってもよい。例えば、低光モードでは、画像源16は、画像源16がオンである時間の約33%以下の間、画像担持光を放射し得る。 As shown in FIG. 3 , in one embodiment, the image light guide system 50 includes a planar waveguide 100A having a first surface 102 and a second surface 104. The waveguide's first surface 102 is positioned generally parallel to the waveguide's second surface 104. A first incoupling diffractive optical element IDO1 and a first outcoupling diffractive optical element ODO1 are formed on or within the first surface 102. In one embodiment, the waveguide 100A includes additional diffractive optical elements, such as a second incoupling diffractive optical element, an intermediate diffractive optical element (e.g., a turning grating), and/or a second outcoupling diffractive optical element. The first outcoupling diffractive optical element ODO1 may include a composite diffractive optical element. In another embodiment, the image source 16 is a color-field sequential projector system operable to pulse image-bearing light in the red, green, and blue wavelength ranges to a digital light modulator/micromirror array (“DLP”) or liquid crystal on silicon (“LCOS”) display. Image source 16 may be operable to operate in a low-light mode using image-bearing light in only one of the red, green, and blue wavelength ranges. For example, in the low-light mode, image source 16 may emit image-bearing light for approximately 33% or less of the time that image source 16 is on.
画像源16からの画像担持光WIは、第一のインカップリング回折光学素子IDO1上に入射し、画像担持光WIの少なくとも一部分は、第一のインカップリング回折光学素子IDO1によって回折され、画像担持光WGとしてTIRを介してアウトカップリング回折光学素子ODO1に向かって概して伝搬する。アウトカップリング回折光学素子ODO1に入射する画像担持光WGの少なくとも一部分は、少なくとも一つの方向に拡張されてもよく、アウトカップリングされた画像担持光ビームWO1、WO2(アウトカップリングされた画像担持光ビームの中心光線を表す)として、アウトカップリング回折光学素子ODO1によって第一の平面導波路100Aから方向付けられてもよい。第一のアウトカップリングされた画像担持光ビームWO1は、アイボックスEに向かって第一の方向に放射され、ここでビューアの目は虚像を見るように動作可能である。第二のアウトカップリングされた画像担持光ビームWO2は、アイボックスEの反対側の第二の方向に放射される。 Image-bearing light WI from image source 16 is incident on first incoupling diffractive optical element IDO1, and at least a portion of the image-bearing light WI is diffracted by first incoupling diffractive optical element IDO1 and generally propagates via TIR as image-bearing light WG toward outcoupling diffractive optical element ODO1. At least a portion of the image-bearing light WG incident on outcoupling diffractive optical element ODO1 may be expanded in at least one direction and directed from first planar waveguide 100A by outcoupling diffractive optical element ODO1 as outcoupled image-bearing light beams WO1, WO2 (representing central rays of the outcoupled image-bearing light beams). First outcoupled image-bearing light beam WO1 is emitted in a first direction toward eyebox E, where the viewer's eye is operable to see a virtual image. Second outcoupled image-bearing light beam WO2 is emitted in a second direction opposite eyebox E.
ここで図3、4A及び4Bを参照すると、一実施形態では、画像光ガイドシステム50は、液晶シャッタ150を備える光学装置を含む。一部の例示的な実施形態では、液晶シャッタ150は、第一のガラス基板152A及び第二のガラス基板152Bとの間に電界を作り出すことができるように、その内表面上がそれぞれ透明な導電性材料154で被覆された第一のガラス基板152A及び第二のガラス基板152Bを含み得る。電界がオンの時、第一のガラス基板152A及び第二のガラス基板152Bの間に位置する液晶156(「LC」)は、図4Aに示すように、第一の方向に整列し、電界がオフの時、LC 156は図4Bに示すように、第二の異なる方向に整列する。液晶シャッタ150はまた、第一のガラス基板152A及び第二のガラス基板152Bのそれぞれの外表面に位置する第一の偏光フィルム158A及び第二の偏光フィルム158Bを含んでもよい。偏光フィルム158A、158Bは、例えば、互いに対して概して交差する偏光軸を有してもよい。 3, 4A, and 4B, in one embodiment, the image light guide system 50 includes an optical device comprising a liquid crystal shutter 150. In some exemplary embodiments, the liquid crystal shutter 150 may include a first glass substrate 152A and a second glass substrate 152B coated on their inner surfaces with a transparent conductive material 154, respectively, so that an electric field can be created between the first glass substrate 152A and the second glass substrate 152B. When the electric field is on, the liquid crystal 156 ("LC") located between the first glass substrate 152A and the second glass substrate 152B aligns in a first direction, as shown in FIG. 4A. When the electric field is off, the LC 156 aligns in a second, different direction, as shown in FIG. 4B. The liquid crystal shutter 150 may also include a first polarizing film 158A and a second polarizing film 158B located on the outer surfaces of the first glass substrate 152A and the second glass substrate 152B, respectively. Polarizing films 158A, 158B may, for example, have polarization axes that are generally crossed relative to one another.
LC 156は、実際には波長板と類似した画像担持光WO2の偏光方向を回転させるように動作可能である。例えば、LC 156は、偏光された光の偏光を158Aから90度回転させるように動作可能であってもよい。電界がオンの時、第一の直線偏光状態において液晶シャッタ150上に入射する第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2が吸収される。電界がオフ状態にある時、LC 156によって伝送される第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2は、第二の偏光フィルム158Bによって伝送される。 LC 156 is operable to rotate the polarization direction of image-bearing light WO2, effectively similar to a wave plate. For example, LC 156 may be operable to rotate the polarization of polarized light from 158A by 90 degrees. When the electric field is on, second outcoupled image-bearing light WO2 incident on liquid crystal shutter 150 in a first linear polarization state is absorbed. When the electric field is in the off state, second outcoupled image-bearing light WO2 transmitted by LC 156 is transmitted by second polarizing film 158B.
一実施形態では、第一の偏光フィルム158Aは、波長板によって置き換えられ、導波路100Aは、偏光格子を利用する。液晶シャッタ150の前述の例示的な構成は、限定することを意図するものではなく、単に一つの潜在的な例示的な構成であることを理解されたい。当業者であれば、他の構成が可能であることを理解するであろう。 In one embodiment, the first polarizing film 158A is replaced by a wave plate, and the waveguide 100A utilizes a polarization grating. It should be understood that the above-described exemplary configuration of the liquid crystal shutter 150 is not intended to be limiting, but merely one potential exemplary configuration. Those skilled in the art will recognize that other configurations are possible.
液晶シャッタ150は、第一の偏光子158A及び第二の偏光子158Bの吸収性のため、その上に入射する周囲光の約50%を遮断し得る。例えば、画像源16がおよそ60Hzのフレームレートで動作する場合、フレームレートの一部について特定の波長範囲の画素が表示される。例えば、画像源16が、フレームレートが60分の1(1/60)秒のデューティサイクルで動作する場合、デューティサイクルは、フレームレートの3分の1(1/3)以下となる。 The liquid crystal shutter 150 can block approximately 50% of the ambient light incident thereon due to the absorptivity of the first polarizer 158A and the second polarizer 158B. For example, if the image source 16 operates at a frame rate of approximately 60 Hz, pixels of a particular wavelength range will be displayed for a portion of the frame rate. For example, if the image source 16 operates at a duty cycle where the frame rate is one-sixtieth (1/60) of a second, the duty cycle will be one-third (1/3) or less of the frame rate.
したがって、画像源16は、画像源16のフレームレートの半分未満(<1/2)の間、赤色、緑色、及び青色の波長範囲のうちの少なくとも一つの画像担持光WIを放射する。液晶シャッタ150は、画像源16が画像担持光WIを放射している期間中、第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2の伝送をほぼゼロに減少させるように動作可能である。一実施形態では、液晶シャッタ150は、画像源16が低光モードで画像担持光を放射する期間中、完全に暗所で動作するように構成される。 Thus, image source 16 emits image-bearing light WI in at least one of the red, green, and blue wavelength ranges for less than half (<1/2) of the frame rate of image source 16. Liquid crystal shutter 150 is operable to reduce transmission of second outcoupled image-bearing light WO2 to approximately zero during periods when image source 16 is emitting image-bearing light WI. In one embodiment, liquid crystal shutter 150 is configured to operate completely in the dark during periods when image source 16 is emitting image-bearing light in low-light mode.
一実施形態では、液晶シャッタ150は、赤色の光波長範囲を遮断する一方で、それを通って伝送された緑色及び青色の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。例えば、画像源16は、第一の波長範囲の画像担持光WIを放射するように動作可能であってもよく、第一の偏光子158Aは、第一の波長範囲に限定される。この実施形態では、液晶シャッタ150による周囲光の伝送は、約75%に増加する(例えば、吸収は約50%から50%の3分の1に減少する)。言い換えれば、液晶シャッタ150を利用して、一つの光波長範囲のみを遮断することは、液晶シャッタ150がオン状態である必要がある時間を変化させる。したがって、オン/オフのタイミングは、すべての色の波長範囲を遮断しようとする時とは異なる。一実施形態では、プログラム可能な画像源16は、赤色の波長範囲のみが放射される動作モードを含み、液晶シャッタ150は、図5Aに示すフレームレートの赤色の光波長範囲R部分についてのみオンである。 In one embodiment, the liquid crystal shutter 150 is configured to block a red light wavelength range while generally allowing the green and blue light wavelength ranges transmitted therethrough to be transmitted. For example, the image source 16 may be operable to emit image-bearing light WI in a first wavelength range, and the first polarizer 158A is limited to the first wavelength range. In this embodiment, the transmission of ambient light by the liquid crystal shutter 150 increases to approximately 75% (e.g., absorption decreases from approximately 50% to one-third of 50%). In other words, utilizing the liquid crystal shutter 150 to block only one light wavelength range changes the amount of time the liquid crystal shutter 150 needs to be in an on state. Thus, the on/off timing is different than when attempting to block all color wavelength ranges. In one embodiment, the programmable image source 16 includes an operational mode in which only the red light wavelength range is emitted, and the liquid crystal shutter 150 is on only for the red light wavelength range R portion of the frame rate shown in FIG. 5A.
ここで図5A、5B、及び5Cを参照すると、一実施形態では、第一のアウトカップリングされた画像担持光WO1及び第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2の輝度は、画像源16の電圧を変更することによって、及び/又はデューティサイクル(すなわち、赤色、緑色、及び/又は青色の光波長範囲R、G、Bがオンであるフレーム当たりの時間量)を変更することによって調整され得る。例えば、図5Bに示すように、第一のアウトカップリングされた画像担持光WO1及び第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2の輝度は、画像源16内の各々の光波長範囲R、G、Bに対するLEDへの電圧の程度を低減することによって減少させることができる。同様に、図5Cに示すように、第一のアウトカップリングされた画像担持光WO1及び第二のアウトカップリングされた画像担持光WO2の輝度は、画像源16内の各々の光波長範囲R、G、Bに対するLEDへのデューティサイクルを低減することによって減少させることができる。 5A, 5B, and 5C, in one embodiment, the brightness of the first outcoupled image-bearing light WO1 and the second outcoupled image-bearing light WO2 may be adjusted by changing the voltage of the image source 16 and/or by changing the duty cycle (i.e., the amount of time per frame that the red, green, and/or blue light wavelength ranges R, G, B are on). For example, as shown in FIG. 5B, the brightness of the first outcoupled image-bearing light WO1 and the second outcoupled image-bearing light WO2 may be decreased by reducing the voltage to the LEDs for each light wavelength range R, G, B in the image source 16. Similarly, as shown in FIG. 5C, the brightness of the first outcoupled image-bearing light WO1 and the second outcoupled image-bearing light WO2 may be decreased by reducing the duty cycle to the LEDs for each light wavelength range R, G, B in the image source 16.
一実施形態では、液晶シャッタ150は、14 Hathiya Street, Tel Aviv - Yafo, Israel 6816914に事業所を有するGauzy Ltd.社が開発したものなどのポリマー分散型液晶(PDLC)接着スマートフィルムを含んでもよい。例えば、スマートフィルムは概して厚さ560μmであり、10ミリ秒のスイッチング時間で動作する。 In one embodiment, the liquid crystal shutter 150 may include a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) adhesive smart film, such as that developed by Gauzy Ltd., having a place of business at 14 Hathiya Street, Tel Aviv-Yafo, Israel 6816914. For example, the smart film is typically 560 μm thick and operates with a switching time of 10 milliseconds.
一実施形態では、図6に示すように、画像光ガイドシステム50は、第一の表面102上又は第一の表面102内に形成された、少なくともインカップリング回折光学素子IDO2及びアウトカップリング回折光学素子ODO2を有する平面導波路100Bを含む。図7及び図8に示すように、一実施形態では、アウトカップリング回折光学素子ODO2は、ブレーズド格子を形成する回折特徴部170を含む。ブレーズド格子の回折特徴部170は各々、ブレーズ角度αを有する直角三角形を形成する。ブレーズ角度αは、所与の光波長範囲に対して、アウトカップリング回折光学素子ODO2の回折効率を最適化するために利用されてもよい。一実施形態では、ブレーズド回折特徴部170はそれぞれ、ブレーズ角度αを有する三角形を形成する。一実施形態では、ブレーズド回折特徴部170の一つ以上の表面は湾曲していてもよい。 In one embodiment, as shown in FIG. 6, the image light guide system 50 includes a planar waveguide 100B having at least an incoupling diffractive optical element IDO2 and an outcoupling diffractive optical element ODO2 formed on or within the first surface 102. As shown in FIGS. 7 and 8, in one embodiment, the outcoupling diffractive optical element ODO2 includes diffractive features 170 forming a blazed grating. The blazed grating's diffractive features 170 each form a right-angled triangle with a blaze angle α. The blaze angle α may be utilized to optimize the diffraction efficiency of the outcoupling diffractive optical element ODO2 for a given range of optical wavelengths. In one embodiment, the blazed diffractive features 170 each form a triangle with a blaze angle α. In one embodiment, one or more surfaces of the blazed diffractive features 170 may be curved.
一実施形態では、反射防止コーティング172は、各々のブレーズド回折特徴部170の概して垂直面上に位置する。画像担持光WGが反射防止コーティング172内にある時に、画像担持光WGの波長の一つが4分の1の厚さである反射防止コーティング172は、4分の1(1/4)波長の厚さとも呼ばれる。一実施形態では、反射防止コーティング172の屈折率は、導波路基板Sの屈折率(これは回折特徴部170に対して概して同じ)及び周囲の物質(例えば、空気)の屈折率の幾何平均を取ることによって計算することができる。
nC=√nA ・nS
In one embodiment, an antireflective coating 172 is located on a generally vertical surface of each blazed diffractive feature 170. An antireflective coating 172 that is one-quarter of the wavelength of the image-bearing light W when the image-bearing light W is within the antireflective coating 172 is also referred to as a quarter (1/4) wavelength thick. In one embodiment, the refractive index of the antireflective coating 172 can be calculated by taking the geometric mean of the refractive index of the waveguide substrate S (which is generally the same for the diffractive feature 170) and the refractive index of the surrounding material (e.g., air).
n C =√n A・n S
例えば、基板S の屈折率nSが1.65であり、かつブレーズド格子特徴部170が屈折率nA=1.0を有する空気に曝露される場合、反射防止コーティング172の屈折率はnC=1.28である。しかしながら、当技術分野の当業者であれば、反射防止コーティング172の屈折率も他の方法で計算できることを認識するであろう。図8に示すように、また図9A及び9Bのグラフに示すように、反射防止コーティング172は、二次回折光として伝搬され、アイボックスEの反対の方向に出力されるであろう、アウトカップリング回折光学素子ODO2に入射する画像担持光WGの一部分を、相殺的干渉によって破壊するように動作可能である。アウトカップリング回折光学素子ODO2は、ブレーズド格子によって形成されるため、一次回折光は、アイボックスEと反対の方向にアウトカップリングされない。したがって、平面導波路100Bの設計は、第二のアウトカップリングされた画像担持光ビームWO2を低減又は除去する。 For example, if the refractive index nS of the substrate S is 1.65 and the blazed grating feature 170 is exposed to air, which has a refractive index nA = 1.0, then the refractive index of the anti-reflective coating 172 is nC = 1.28. However, one skilled in the art will recognize that the refractive index of the anti-reflective coating 172 can also be calculated in other ways. As shown in FIG. 8 and the graphs in FIGS. 9A and 9B, the anti-reflective coating 172 is operable to destroy, by destructive interference, a portion of the image-bearing light WG incident on the outcoupling diffractive optical element ODO2, which would propagate as second-order diffracted light and be output in the opposite direction from the eyebox E. Because the outcoupling diffractive optical element ODO2 is formed by a blazed grating, the first-order diffracted light is not outcoupled in the opposite direction from the eyebox E. Therefore, the design of the planar waveguide 100B reduces or eliminates the second outcoupled image-bearing light beam WO2.
一実施形態では、図10Aに示すように、画像光ガイドシステム50は、第一の表面102上又は第一の表面102内に形成されたアウトカップリング回折光学素子ODO3を有する平面導波路100Cを含む。アウトカップリング回折光学素子ODO3は、分布にわたってランダム又は疑似ランダム(本明細書では集合的に「ランダムに」又は「ランダム」と称される)に変位された、ブレーズド回折特徴部180を含む。一実施形態では、図10Bに示すように、アウトカップリング回折光学素子ODO3は、分布にわたってランダムに変位された、ほぼ長方形の特徴部190を有する直線回折格子である。回折特徴部180、190の周期は、コサイン確率分布に従ってランダム化される。
ρ(s)=-π/Dcos(2πs/D)rect((2s/D)-1)
In one embodiment, as shown in FIG. 10A , the image light guide system 50 includes a planar waveguide 100C having an outcoupling diffractive optical element ODO3 formed on or in the first surface 102. The outcoupling diffractive optical element ODO3 includes blazed diffractive features 180 that are randomly or pseudo-randomly (collectively referred to herein as “randomly” or “random”) displaced across a distribution. In one embodiment, as shown in FIG. 10B , the outcoupling diffractive optical element ODO3 is a linear grating with approximately rectangular features 190 that are randomly displaced across a distribution. The period of the diffractive features 180, 190 is randomized according to a cosine probability distribution.
ρ(s)=-π/Dcos(2πs/D)rect((2s/D)-1)
コサイン確率分布に従って回折特徴部180、190の周期をランダム化することによって、アウトカップリング回折光学素子ODO3に入射する画像担持光WGの二次回折が低減又は除去され、それによって、アウトカップリング回折光学素子ODO3によって通常出力される第二のアウトカップリングされた画像担持光ビームWO2は、アイボックスEとは反対の方向に低減及び/又は除去される。 By randomizing the period of the diffractive features 180, 190 according to a cosine probability distribution, second-order diffraction of the image-bearing light WG incident on the outcoupling diffractive optical element ODO3 is reduced or eliminated, thereby reducing and/or eliminating the second outcoupled image-bearing light beam WO2 normally output by the outcoupling diffractive optical element ODO3 in a direction away from the eyebox E.
その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Nan Gao and Changqing Xie, High-Order Diffraction Suppression Using Modulated Groove Position Gratings, Optics Letters, Vol. 36, No. 21 (Nov. 1, 2011)に記載されるように、回折特徴部180、190の位置をランダムに変化させると、少量が、二次回折を抑制する。さらに、一次回折の画像担持光は強度が増加し、アウトカップリング回折光学素子ODO3がブレーズド格子で形成されるアイボックスEとは反対の方向にアウトカップリングされない。一実施形態では、図10Bに示すように、インカップリング回折光学素子IDO3の線形回折特徴部190の周期は、インカップリング回折光学素子IDO3に入射する画像担持光WGの二次回折が低減又は除去されるように、コサイン確率分布に従ってランダム化される。 As described in Nan Gao and Changqing Xie, "High-Order Diffraction Suppression Using Modulated Groove Position Gratings," Optics Letters, Vol. 36, No. 21 (November 1, 2011), which is incorporated herein by reference in its entirety, randomly varying the positions of the diffractive features 180, 190 suppresses second-order diffraction by a small amount. Furthermore, the image-bearing light of the first order diffraction increases in intensity and is not outcoupled in a direction opposite the eyebox E formed by the outcoupling diffractive optical element ODO3 with a blazed grating. In one embodiment, as shown in FIG. 10B, the period of the linear diffractive features 190 of the incoupling diffractive optical element IDO3 is randomized according to a cosine probability distribution such that second-order diffraction of the image-bearing light WG incident on the incoupling diffractive optical element IDO3 is reduced or eliminated.
一実施形態では、図11に示すように、第一の表面102上又は第一の表面102内に形成された、インカップリング回折光学素子IDO1及びアウトカップリング回折光学素子ODO1を含む平面導波路100Aを有する画像光ガイドシステム50は、フォトニック結晶シールド200を備える光学装置を含む。一実施形態では、フォトニック結晶シールド200は、画像光ガイドシステム50の固定層である。フォトニック結晶シールド200は、三軸に周期的な屈折率変動を有する三次元フォトニック結晶202を含む。三軸の周期的変動は、三次元フォトニック結晶202に完全なフォトニックバンドギャップを提供し、複雑な光放射制御を可能にする。図12に示すように、一実施形態では、三次元フォトニック結晶202は、ナノ多孔性二酸化ケイ素の間隙物質を有する窒化ケイ素を含む、木材の構築物のものである。一実施形態では、プロジェクター16は、赤色光などの波長範囲を放射するように動作可能なLEDを備える。フォトニック結晶シールド200は、プロジェクターLEDの波長範囲のうちの少なくとも一つ、又はその一部分に光を反射するように動作可能である。それに応じて、フォトニック結晶シールド200上に環境から入射するプロジェクターLEDの波長範囲の光は、導波路100Aに到達する前に反射される。 In one embodiment, as shown in FIG. 11 , an image light guide system 50 having a planar waveguide 100A including an incoupling diffractive optical element IDO1 and an outcoupling diffractive optical element ODO1 formed on or within the first surface 102 includes an optical device including a photonic crystal shield 200. In one embodiment, the photonic crystal shield 200 is a fixed layer of the image light guide system 50. The photonic crystal shield 200 includes a three-dimensional photonic crystal 202 having a periodic refractive index variation in three axes. The periodic variation in three axes provides the three-dimensional photonic crystal 202 with a complete photonic bandgap, enabling complex light emission control. As shown in FIG. 12 , in one embodiment, the three-dimensional photonic crystal 202 is of wood construction, including silicon nitride with nanoporous silicon dioxide interstitial material. In one embodiment, the projector 16 includes an LED operable to emit a wavelength range, such as red light. The photonic crystal shield 200 is operable to reflect light in at least one or a portion of the wavelength range of the projector LED. Accordingly, light in the wavelength range of the projector LED that is incident on the photonic crystal shield 200 from the environment is reflected before reaching the waveguide 100A.
一実施形態では、フォトニック結晶シールド200は、第一の光波長範囲を遮断する一方で、それを通って第二及び第三の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。例えば、プログラム可能な画像源16は、第一の波長範囲の画像担持光WIのみを放射するように動作可能であってもよく、フォトニック結晶シールド200は、第一の波長範囲を遮断する一方で、それを通って第二及び第三の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。 In one embodiment, photonic crystal shield 200 is configured to block a first range of optical wavelengths while generally allowing second and third ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough. For example, programmable image source 16 may be operable to emit only image-bearing light WI in a first range of wavelengths, and photonic crystal shield 200 is configured to block the first range of wavelengths while generally allowing second and third ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough.
ここで図13A~14Bを参照すると、液晶シャッタ150又はフォトニック結晶シールド200は、画像光ガイドシステム50を通して環境からの光の経路内外を並進移動するように動作可能なオーバーシールド1000内に具現化されてもよい。図13A及び13Bに示すように、一実施形態では、液晶シャッタ150又はフォトニック結晶シールド200は、ヒンジ1002を介してニアアイディスプレイ60のフレームと連結される。例えば、ヒンジ1002は、アイピースのリム1004と連結されて、平面導波路100Aに対するヒンジ1002の長手方向軸の周りで液晶シャッタ150又はフォトニック結晶シールド200の回転を可能にし得る。さらに、説明されるように、画像光ガイドから出力される拡張された画像担持光ビームの一部分を、アイボックスの反対の方向に低減させるように動作可能な光学装置150、200、400、800、900、1100のいずれかが、オーバーシールド1000内に具現化されてもよい。 13A-14B, the liquid crystal shutter 150 or photonic crystal shield 200 may be embodied in an overshield 1000 operable to translate in and out of the path of light from the environment through the image light guide system 50. As shown in FIGS. 13A and 13B, in one embodiment, the liquid crystal shutter 150 or photonic crystal shield 200 is coupled to the frame of the near-eye display 60 via a hinge 1002. For example, the hinge 1002 may be coupled to the rim 1004 of the eyepiece to allow rotation of the liquid crystal shutter 150 or photonic crystal shield 200 about the longitudinal axis of the hinge 1002 relative to the planar waveguide 100A. Additionally, as described, any of the optical devices 150, 200, 400, 800, 900, 1100 operable to reduce a portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guide in a direction away from the eyebox may be embodied within the overshield 1000.
図14A及び14Bに示すように、本明細書に記載する光学装置のいずれか、例えば、液晶シャッタ150、フォトニック結晶シールド200、光ダイオード400、エレクトロクロミックフィルタ800、ボリュームホログラム900、電子光学的に切替可能なミラー1100、又はそれらの任意の組み合わせは、アイピースのリム1004のスロット1006を介してニアアイディスプレイ60のフレームと摺動可能に連結されたオーバーシールド1000A内に具現化されてもよい。例えば、スロット1006は、液晶シャッタ150又はフォトニック結晶シールド200が、平面導波路100Aに対して、画像光ガイドシステム50を通る環境からの光の経路内及び外に並進移動することを可能にし得る。 14A and 14B, any of the optical devices described herein, such as the liquid crystal shutter 150, photonic crystal shield 200, photodiode 400, electrochromic filter 800, volume hologram 900, electro-optically switchable mirror 1100, or any combination thereof, may be embodied in an overshield 1000A that is slidably coupled to the frame of the near-eye display 60 via a slot 1006 in the rim 1004 of the eyepiece. For example, the slot 1006 may allow the liquid crystal shutter 150 or photonic crystal shield 200 to translate in and out of the path of light from the environment through the image light guide system 50, relative to the planar waveguide 100A.
図14C及び14Dに示すように、液晶シャッタ150又はフォトニック結晶シールド200は、単眼ニアアイディスプレイ62のフレームの一部分と摺動可能に連結されたオーバーシールド1000B内に具現化されてもよい。オーバーシールド1000Bは、画像光ガイドシステム50の導波路100Aの少なくとも一部分を覆うように動作可能なスリーブ1010を含んでもよい。スリーブ1010は、スリーブ1010の端に位置し、単眼ニアアイディスプレイ62の電源と接続して、液晶シャッタ150、フォトニック結晶シールド200、又は切替可能なミラー1100に電圧を供給するように動作可能な電気接点1012を含んでもよい。 14C and 14D, the liquid crystal shutter 150 or the photonic crystal shield 200 may be embodied in an overshield 1000B that is slidably coupled to a portion of the frame of the monocular near-eye display 62. The overshield 1000B may include a sleeve 1010 operable to cover at least a portion of the waveguide 100A of the image light guide system 50. The sleeve 1010 may include electrical contacts 1012 located at an end of the sleeve 1010 and operable to connect to a power source of the monocular near-eye display 62 to supply voltage to the liquid crystal shutter 150, the photonic crystal shield 200, or the switchable mirror 1100.
一実施形態では、図15~17に示すように、第一の表面510上又は第一の表面510内に形成された、インカップリング回折光学素子506及びアウトカップリング回折光学素子508を含む平面導波路504を有する画像光ガイドシステム500は、本明細書では光アイソレータとも呼ばれる、光ダイオードを備える光学装置400を含む。光ダイオード400は、光学損失が低いプラズモン材料412及び誘電体材料414を含む複数の構成要素層410を積み重ねることによって構築されてもよい。B. Janaszek, et al., Nonlocality-Enabled Magnetic Free Optical Isolation in Hyperbolic Metamaterials, Materials 2021, 14, 2865という記事が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。構成要素層410の複数の層420は、光ダイオード基板416上に作製されてもよい。一実施形態では、光ダイオード400は、構成要素層410のうちの10個を含む。別の実施形態では、光ダイオード400は、10個未満の構成要素層410を含み、さらに別の実施形態では、光ダイオード400は、10個を超える構成要素層410を含む。一実施形態では、プラズモン材料412はグラフェンである。一実施形態では、プラズモン材料412は単層のグラフェンであり、誘電体材料414は窒化ケイ素であり、光ダイオード基板416はセレン化亜鉛(ZnSe)である。別の実施形態では、光ダイオード基板416は、別の屈折率の高い透明な光学材料、例えばガラス又はポリマー材料であってもよい。 15-17, an image light guide system 500 having a planar waveguide 504 including an incoupling diffractive optical element 506 and an outcoupling diffractive optical element 508 formed on or within a first surface 510 includes an optical device 400 with a photodiode, also referred to herein as an optical isolator. The photodiode 400 may be constructed by stacking multiple component layers 410 including a plasmonic material 412 and a dielectric material 414 with low optical loss. The article "B. Janaszek, et al., Nonlocality-Enabled Magnetic-Free Optical Isolation in Hyperbolic Metamaterials," Materials 2021, 14, 2865, is incorporated herein by reference in its entirety. Multiple layers 420 of component layers 410 may be fabricated on photodiode substrate 416. In one embodiment, photodiode 400 includes ten of component layers 410. In another embodiment, photodiode 400 includes fewer than ten component layers 410, and in yet another embodiment, photodiode 400 includes more than ten component layers 410. In one embodiment, plasmonic material 412 is graphene. In one embodiment, plasmonic material 412 is a single layer of graphene, dielectric material 414 is silicon nitride, and photodiode substrate 416 is zinc selenide (ZnSe). In another embodiment, photodiode substrate 416 may be another high refractive index, transparent optical material, such as glass or a polymer material.
一実施形態では、プラズモン材料412の厚さは、光ダイオード400の各構成要素層410について同じである。別の実施形態では、プラズモン材料412の厚さは、すべての構成要素層410で同じでなくてもよい。一実施形態では、誘電体材料414の厚さは、光ダイオード400の各構成要素層410について同じである。別の実施形態では、誘電体材料414の厚さはすべて同じ厚さでなくてもよい。 In one embodiment, the thickness of the plasmonic material 412 is the same for each component layer 410 of the photodiode 400. In another embodiment, the thickness of the plasmonic material 412 may not be the same for all component layers 410. In one embodiment, the thickness of the dielectric material 414 is the same for each component layer 410 of the photodiode 400. In another embodiment, the thickness of the dielectric material 414 may not all be the same.
一実施形態では、プラズモン材料412は、光ダイオード400の各構成要素層410について同じである。別の実施形態では、プラズモン材料412は、光ダイオード400の各構成要素層410について同じではない。 In one embodiment, the plasmonic material 412 is the same for each component layer 410 of the photodiode 400. In another embodiment, the plasmonic material 412 is not the same for each component layer 410 of the photodiode 400.
一実施形態では、誘電体材料414は、光ダイオード400の各構成要素層410について同じ材料である。別の実施形態では、誘電体材料414は、光ダイオード400の各構成要素層410について同じ材料ではない。 In one embodiment, the dielectric material 414 is the same material for each component layer 410 of the photodiode 400. In another embodiment, the dielectric material 414 is not the same material for each component layer 410 of the photodiode 400.
一部の実施例では、各構成要素層410の化学電位は、光ダイオード400の誘電率を変化させるように変更させることができる。一実施例では、構成要素層410の化学ドーピングは、構成要素層410の化学電位の変化を引き起こし、これが、各々のそれぞれの構成要素層410の誘電率の変化をもたらす。他の実施例では、電圧は、動作中に一つ以上の構成要素層410にわたって印加され、各々のそれぞれの構成要素層410の化学電位を変化させ、誘電率の変化をもたらす。プラズモン材料412がグラフェンである例示的な実施形態では、グラフェン層は、一つ以上の電気的にアドレス指定可能な部分を有する薄膜トランジスタTFTに電気的に接続されてもよい。電流又は電圧がTFTの一つ以上の電気的にアドレス可能な部分にわたって印加されると、接続されたグラフェン層の対応する部分は、化学電位の変化、及びそれゆえにそのそれぞれの部分の誘電率の変化を経験することになる。一部の実施例では、グラフェンの個々の構成要素層410の誘電率は、層全体にわたって、又は層の限定された数の部分のみにわたって変更されてもよい。例えば、アイボックス及び平面導波路504を通過する虚軸の周りに同軸に整列されるグラフェン層の一つ以上の部分の誘電率は、第二のアウトカップリングされた画像担持光ビームWO2の伝送を防止するように変更され得る。一部の実施例では、一つ以上のグラフェン層の一つ以上の部分にわたって印加される電圧は、0~1eVである。 In some embodiments, the chemical potential of each component layer 410 can be altered to change the dielectric constant of the photodiode 400. In one embodiment, chemical doping of the component layers 410 causes a change in the chemical potential of the component layers 410, which results in a change in the dielectric constant of each respective component layer 410. In other embodiments, a voltage is applied across one or more component layers 410 during operation, changing the chemical potential of each respective component layer 410 and resulting in a change in the dielectric constant. In an exemplary embodiment in which the plasmonic material 412 is graphene, the graphene layer may be electrically connected to a thin film transistor TFT having one or more electrically addressable portions. When a current or voltage is applied across one or more electrically addressable portions of the TFT, the corresponding portion of the connected graphene layer will experience a change in chemical potential and therefore a change in the dielectric constant of its respective portion. In some embodiments, the dielectric constant of an individual component layer 410 of graphene may be altered across the entire layer or across only a limited number of portions of the layer. For example, the dielectric constant of one or more portions of the graphene layer that are coaxially aligned about an imaginary axis passing through the eyebox and the planar waveguide 504 can be modified to prevent transmission of the second outcoupled image-bearing light beam WO2. In some embodiments, the voltage applied across one or more portions of the one or more graphene layers is between 0 and 1 eV.
図16は、ヘッドマウント式拡張現実(AR)表示システムで動作可能な画像光ガイドシステム500の一部分を示す。画像光ガイドシステム500は、マイクロプロジェクター502及び平行板導波路504を含む。システム500の着用者は、着用者の目501に入るシステム500からの画像担持光ビームを介して虚像を観察し得る。平行板導波路504は、平行な表面510、512を含む。平行板導波路504はまた、インカップリング回折光学素子506及びアウトカップリング回折光学素子508を含む。インカップリング回折光学素子506は、プロジェクター502から平行板導波路504内に入射する画像担持光ビーム520を光学的に結合する、回折格子、ホログラフィック光学素子などであってもよい。一般的に、光ビーム520が回折格子506上に入射すると、一つ以上の反射ビーム524及び一つ以上の透過ビーム522の両方がある。特定の回折次数(例えば、±1回折次数)の一部の透過ビーム522は、全内部反射(TIR)条件を満たす導波路表面512への入射角を有し、したがって表面512から反射する。同様に、表面512で反射した後のビーム522は、導波路表面510での反射のためのTIR条件を満たす。したがって、インカップリングされたビーム522は、TIRによって平行板導波路504を通って導波路504の近位端536から遠位端538に伝搬する。 16 shows a portion of an image light guide system 500 operable in a head-mounted augmented reality (AR) display system. The image light guide system 500 includes a microprojector 502 and a parallel-plate waveguide 504. A wearer of the system 500 can view a virtual image via an image-bearing light beam from the system 500 entering the wearer's eye 501. The parallel-plate waveguide 504 includes parallel surfaces 510, 512. The parallel-plate waveguide 504 also includes an incoupling diffractive optical element 506 and an outcoupling diffractive optical element 508. The incoupling diffractive optical element 506 may be a diffraction grating, a holographic optical element, or the like, that optically couples an image-bearing light beam 520 incident from the projector 502 into the parallel-plate waveguide 504. Generally, when the light beam 520 is incident on the diffraction grating 506, there are both one or more reflected beams 524 and one or more transmitted beams 522. A portion of the transmitted beam 522 of a particular diffraction order (e.g., ±1 diffraction order) has an angle of incidence at the waveguide surface 512 that satisfies the total internal reflection (TIR) condition, and therefore reflects from the surface 512. Similarly, after reflecting from the surface 512, the beam 522 satisfies the TIR condition for reflection from the waveguide surface 510. Thus, the incoupled beam 522 propagates through the parallel-plate waveguide 504 by TIR from the proximal end 536 to the distal end 538 of the waveguide 504.
平行板導波路504は、アウトカップリング回折光学素子508をさらに含む。アウトカップリング回折光学素子508は、回折格子、又はホログラフィック光学素子などであってもよく、これは、平行板導波路504からのインカップリングされたビーム522の少なくとも一部分を光学的にアウトカップリングして、典型的には、着用者の目501に向かったビーム526となる。インカップリングされたビーム522の一部分は、アウトカップリング光学素子508から反射し戻り、反射ビーム532となる。反射ビーム532の一部は、導波路表面512でのTIRの要件をもはや満たさなくなり、平行板導波路504から屈折してビーム534となる。 The parallel-plate waveguide 504 further includes an outcoupling diffractive optical element 508. The outcoupling diffractive optical element 508 may be a diffraction grating, a holographic optical element, or the like, which optically outcouples at least a portion of the incoupled beam 522 from the parallel-plate waveguide 504, typically as beam 526 directed toward the wearer's eye 501. A portion of the incoupled beam 522 reflects back from the outcoupling optical element 508 as reflected beam 532. A portion of the reflected beam 532 no longer meets the TIR requirements at the waveguide surface 512 and refracts out of the parallel-plate waveguide 504 as beam 534.
ある人が画像光ガイドシステム500を着用している人物を観察している時には、ビーム534が観察者に見える場合がある。これは、画像光ガイドシステム500の着用者を損なうか、又は着用者が見ている情報を損なう場合がある。さらに、着用者から離れて平行板導波路を出るこうしたビーム534は、審美的には望ましくない。したがって、ビーム534が観察されることを低減又は除去することが望ましい。 When a person is observing a person wearing the image light guide system 500, the beam 534 may be visible to the observer. This may detract from the wearer of the image light guide system 500 or from the information the wearer is viewing. Furthermore, such beam 534 exiting the parallel plate waveguide away from the wearer is aesthetically undesirable. Therefore, it is desirable to reduce or eliminate the observation of the beam 534.
図16はさらに、環境からの入射光ビーム又は光線530を示す。こうした環境光線530の一部分は、平行板導波路504を通過し、着用者の目501によって観察されるアウトカップリング光学素子508を通過する。 Figure 16 further shows incident light beams or rays 530 from the environment. A portion of these ambient rays 530 passes through the parallel plate waveguide 504 and through the outcoupling optics 508 where they are observed by the wearer's eye 501.
図17は、導波路表面512を通して平行板導波路504を出るビーム534を反射するように配向された光ダイオード400を有する、図16に詳述されるような画像光ガイドシステム600の一部分を示す。光ダイオード400は、上述のように、及び/又は図15に示すように構築され得る。光ダイオード400の整列は、導波路表面512に平行である。光ダイオード400は、アウトカップリング回折光学素子508と同じ領域を覆ってもよい。別の実施形態では、光ダイオード400の領域は、アウトカップリング回折光学素子508の領域に加えて導波路表面512の別の部分を覆う。別の実施形態では、光ダイオード400の領域は、導波路表面512の領域全体を覆う。 17 shows a portion of an image light guide system 600 as detailed in FIG. 16, having a photodiode 400 oriented to reflect a beam 534 exiting a parallel-plate waveguide 504 through a waveguide surface 512. The photodiode 400 may be constructed as described above and/or as shown in FIG. 15. The alignment of the photodiode 400 is parallel to the waveguide surface 512. The photodiode 400 may cover the same area as the outcoupling diffractive optical element 508. In another embodiment, the area of the photodiode 400 covers another portion of the waveguide surface 512 in addition to the area of the outcoupling diffractive optical element 508. In another embodiment, the area of the photodiode 400 covers the entire area of the waveguide surface 512.
一実施形態では、光ダイオード400と表面512との間の空間は、空気で充填される。別の実施形態では、光ダイオード400と表面512との間の空間は、閉じた空洞を形成し、乾燥空気、空気、気体アルゴン、又は気体窒素などの流体で充填されるが、これらに限定されない。さらに別の実施形態では、光ダイオード400と導波路表面512との間の空間は、Kutojantie 2, 02630 Espoo, Finlandに事業所を有するPiBond Oy社によって提供される材料など、低い屈折率を有する材料で充填される。低い屈折率を有する材料は、シロキサン材料に基づいて、1.25ほどの低い屈折率を有する材料を得てもよい。 In one embodiment, the space between the photodiode 400 and the surface 512 is filled with air. In another embodiment, the space between the photodiode 400 and the surface 512 forms a closed cavity and is filled with a fluid such as, but not limited to, dry air, air, argon gas, or nitrogen gas. In yet another embodiment, the space between the photodiode 400 and the waveguide surface 512 is filled with a material having a low refractive index, such as materials provided by PiBond Oy, having offices at Kutojantie 2, 02630 Espoo, Finland. The low refractive index material may be based on a siloxane material, resulting in a material with a refractive index as low as 1.25.
光ダイオード400は、平行板導波路504に対して配向され、その結果、導波路表面512を通って平行板導波路504を出るビーム534は、反射ビーム540として平行板導波路504に向かって反射し戻る。反射ビーム540の一部分は、ビーム542として平行板導波路504に再び入ってもよい。ビーム542の一部分は、アウトカップリング回折光学素子508に遭遇し、ビーム544として平行板導波路504を出てもよい。ビーム544は、アウトカップリング回折光学素子508によってアウトカップリングされるビーム526と本質的に平行である。ビーム544がビーム526に平行である程度は、光ダイオード400が平行板導波路504の導波路表面512に平行にされ得る程度に少なくとも部分的に依存する。導波路表面512への光ダイオード400の整列は、虚像を観察する着用者が一つの画像のみを見るようなものである。光ダイオード400のミスアライメントは、着用者によって二重画像が観察される原因となり得る。 The photodiode 400 is oriented relative to the parallel-plate waveguide 504 so that beam 534 exiting the parallel-plate waveguide 504 through the waveguide surface 512 reflects back toward the parallel-plate waveguide 504 as reflected beam 540. A portion of reflected beam 540 may re-enter the parallel-plate waveguide 504 as beam 542. A portion of beam 542 may encounter the outcoupling diffractive optical element 508 and exit the parallel-plate waveguide 504 as beam 544. Beam 544 is essentially parallel to beam 526, which is outcoupled by the outcoupling diffractive optical element 508. The degree to which beam 544 is parallel to beam 526 depends, at least in part, on the degree to which the photodiode 400 can be collimated to the waveguide surface 512 of the parallel-plate waveguide 504. The alignment of the photodiode 400 with the waveguide surface 512 is such that a wearer viewing a virtual image sees only one image. Misalignment of the photodiode 400 can cause double images to be observed by the wearer.
光ダイオード400が適切に整列されると、ビーム544は、導波路504から着用者の目501に向かって放射される合計光の強度を強化(すなわち、輝度が増す)する。アウトカップリングされたビーム544をアウトカップリングされたビーム526に追加することで、着用者が観察する虚像は、光ダイオード400を有しない場合よりも輝度が高いであろう。光ダイオード400が定位置にあり、より明るい虚像を生成すると、プロジェクター502の電力が低減され得る。すなわち、プロジェクター502によって生成される光の量は、光ダイオード400を定位置に有さない場合と同じレベルの虚像の観察された輝度を達成するために減少され得る。したがって、システム600は、プロジェクター502を駆動するためにより少ない電力を必要とし得、したがって、電池充電当たりの電池寿命を増加させ得る。さらに、必要な電力が少ないと、システム600は加熱の問題を低減し得る。したがって、本明細書に開示されるように構築及び位置付けられた光ダイオード400を有するヘッドマウント式ARシステムについてセキュリティを超えた利点がある。 When the photodiode 400 is properly aligned, the beam 544 enhances the intensity (i.e., increases brightness) of the total light emitted from the waveguide 504 toward the wearer's eye 501. By adding the outcoupled beam 544 to the outcoupled beam 526, the virtual image observed by the wearer will be brighter than it would be without the photodiode 400. With the photodiode 400 in place and producing a brighter virtual image, the power of the projector 502 can be reduced. That is, the amount of light generated by the projector 502 can be reduced to achieve the same level of observed brightness of the virtual image as without the photodiode 400 in place. Thus, the system 600 may require less power to drive the projector 502, thus increasing battery life per battery charge. Furthermore, requiring less power, the system 600 may reduce heating issues. Thus, there are advantages beyond security for a head-mounted AR system having a photodiode 400 constructed and positioned as disclosed herein.
図17に示すように、環境光線530は、光ダイオード400を通過して、光ダイオード400が定位置にあることなく、現実世界の視界に近似する現実世界の視界を着用者に対して可能にする。 As shown in FIG. 17, ambient light rays 530 pass through the photodiode 400, allowing the wearer a real-world view that approximates the real-world view without the photodiode 400 being in place.
一実施形態では、光ダイオード400は、第一の光波長範囲を遮断する一方で、それを通ってその他の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。例えば、画像源502は、第一の波長範囲の画像担持光520を放射するように動作可能であってもよく、光ダイオード400は、第一の波長範囲を遮断/反射するように構成される。 In one embodiment, the photodiode 400 is configured to block a first range of optical wavelengths while generally allowing other ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough. For example, the image source 502 may be operable to emit image-bearing light 520 in a first range of wavelengths, and the photodiode 400 is configured to block/reflect the first range of wavelengths.
図18は、図16又は図17のシステム500、600に関して前述した一つ以上の特徴部及び/又は構成要素を有する、ヘッドマウント式AR表示システムで動作可能な画像光ガイドシステム700の一部分を示す。対応して、同様の要素は、同様の参照番号で一般的に言及される。図18に示すように、画像光ガイドシステム700は、プロジェクター502と平行板導波路504の導波路表面510上のインカップリング回折光学素子506との間に光学的に位置付けられた光ダイオード550を含む。光ダイオード550は、プロジェクター502からのビーム520が光ダイオード550を通過し、インカップリング回折光学素子506上に入射するように配向される。インカップリング光学素子506では、入射ビーム520は、ビーム524(一つ以上の回折次数であってもよい、図示せず)になるように部分的に反射され、インカップリング光学素子506を通して部分的に伝送されて、インカップリングされたビーム522(一つ以上の回折次数であってもよい、図示せず)になる。光ダイオード550は、反射ビーム524が光ダイオード550から反射されるように配向される。したがって、ビーム524の一部分は、ビーム552として導波路504に向かって反射し戻る。ビーム552の一部分は、インカップリング光学素子506上に入射してもよく、その後、インカップリングされたビーム554となり得る。インカップリングされたビーム554は、光ダイオード550の非存在下では導波路504内で伝搬しない。したがって、光ダイオード550は、導波路504内に連結するための追加のビーム554を提供し、これはその後、ビーム522とアウトカップリングして、画像光ガイドシステム700の着用者によって観察されるより輝度の高い画像をもたらす。したがって、より明るい虚像、電池需要の低減、熱生成の低減の利点は、光ダイオード550の導入によって達成されてもよい。 FIG. 18 illustrates a portion of an image light guide system 700 operable in a head-mounted AR display system, having one or more features and/or components described above with respect to systems 500, 600 of FIG. 16 or 17 . Correspondingly, like elements are generally referred to by like reference numerals. As shown in FIG. 18 , image light guide system 700 includes a photodiode 550 optically positioned between a projector 502 and an incoupling diffractive optical element 506 on a waveguide surface 510 of a parallel-plate waveguide 504. The photodiode 550 is oriented such that a beam 520 from the projector 502 passes through the photodiode 550 and is incident on the incoupling diffractive optical element 506. At the incoupling optic 506, the incident beam 520 is partially reflected to become beam 524 (which may be one or more diffraction orders, not shown) and partially transmitted through the incoupling optic 506 to become an incoupled beam 522 (which may be one or more diffraction orders, not shown). Photodiode 550 is oriented such that reflected beam 524 is reflected from photodiode 550. Thus, a portion of beam 524 reflects back toward waveguide 504 as beam 552. A portion of beam 552 may be incident on incoupling optic 506 and then become incoupled beam 554. Incoupled beam 554 would not propagate within waveguide 504 in the absence of photodiode 550. Thus, photodiode 550 provides additional beam 554 for coupling into waveguide 504, which then outcouples with beam 522 to result in a brighter image observed by the wearer of image light guide system 700. Thus, the advantages of a brighter virtual image, reduced battery demand, and reduced heat generation may be achieved with the introduction of photodiode 550.
光ダイオード550は、導波路表面510と平行であるように位置付けられる。一実施形態では、光ダイオード550は、導波路表面510上に作製される。別の実施形態では、光ダイオード550は、表面510と機械的に接触する。光ダイオード550の整列は、複数の画像が生成されず、着用者が見るようなものである。 The photodiode 550 is positioned so that it is parallel to the waveguide surface 510. In one embodiment, the photodiode 550 is fabricated on the waveguide surface 510. In another embodiment, the photodiode 550 is in mechanical contact with the surface 510. The alignment of the photodiode 550 is such that multiple images are not produced and are viewed by the wearer.
図19Aは、画像光ガイドシステム750の一部分を示す。画像光ガイドシステム750の同様の要素は、概して、以前の実施形態の同様の参照番号で言及される。図19Aに示すように、一実施形態では、1/4波長板556は、光ダイオード550とインカップリング光学素子506との間に光学的に位置付けられる。1/4波長板556は、画像担持光ビームの偏光を回転させる。 Figure 19A shows a portion of an image light guide system 750. Like elements of the image light guide system 750 are generally referred to with like reference numerals from the previous embodiment. As shown in Figure 19A, in one embodiment, a quarter-wave plate 556 is optically positioned between the photodiode 550 and the incoupling optic 506. The quarter-wave plate 556 rotates the polarization of the image-bearing light beam.
図19A及び19Bに示すように、AR表示システム750はまた、表面512の後に光学的に定置されたミラーなどの鏡面反射面560を含み得る。ミラー560は、画像担持光ビームの少なくとも一部分を反射し、例えば、限定されるものではないが、導波路504内に連結するためにTIR条件を満たさないインカップリング光学素子506からのゼロ次回折ビームを反射する。ミラー506から導波路504の中へと反射されたビームの一部分は、インカップリング光学素子506上に入射してもよく、インカップリング光学素子506を通過して光ダイオード550へと入ってもよい。ミラー506から光ダイオード550上に反射されるビームの一部分は、再び反射され得、その結果、それらはインカップリング光学素子506上に入射し、TIRを介してアウトカップリング光学素子508に伝搬するビーム522、554としてインカップリングされる。 19A and 19B, the AR display system 750 may also include a specular reflective surface 560, such as a mirror, optically positioned after the surface 512. The mirror 560 reflects at least a portion of the image-bearing light beam, for example, but not limited to, reflecting a zero-order diffraction beam from the incoupling optic 506 that does not satisfy the TIR condition for coupling into the waveguide 504. The portion of the beam reflected from the mirror 506 into the waveguide 504 may be incident on the incoupling optic 506 and may pass through the incoupling optic 506 to the photodiode 550. The portion of the beam reflected from the mirror 506 onto the photodiode 550 may be reflected again so that it is incident on the incoupling optic 506 and is incoupled as beams 522, 554 that propagate via TIR to the outcoupling optic 508.
インカップリング光学素子506及び/又はアウトカップリング光学素子508の配置は、導波路表面510又は導波路表面512上又は導波路表面512内にあってもよいことが理解されるべきである。 It should be understood that the incoupling optical element 506 and/or the outcoupling optical element 508 may be disposed on or within the waveguide surface 510 or the waveguide surface 512.
ここで図20を参照すると、一実施形態では、画像光ガイドシステム50は、エレクトロクロミックフィルタ800を備える光学装置を含む。エレクトロクロミックフィルタ800は、第一のガラス基板802A及び第二のガラス基板802Bとの間に電界を作り出すことができるように、その内表面上がそれぞれ透明な導電性材料804で被覆された第一のガラス基板802A及び第二のガラス基板802Bを含み得る。電界がオンの時、第一のガラス基板802A及び第二のガラス基板802Bの間に位置する液晶806(「LC」)は、図21Aに示すように、第一の方向に整列し、電界がオフの時、LC 806は図21Bに示すように、第二の異なる方向に整列する。エレクトロクロミックフィルタ800は、液晶シャッタ150と同様に機能する。しかしながら、電界を使用してLC 806の偏光を変更し、画像担持光WO2を遮る代わりに、エレクトロクロミックフィルタ800内のLC 806は、LC 806の特定の配向において、二色性フィルタが画像担持光WO2の特定の波長範囲を遮断するように構造化される。例えば、電界がオンの時、LC 806は、第一の光波長範囲を遮断するように動作可能な二色性フィルタとして作用し得る。 20, in one embodiment, the image light guide system 50 includes an optical device comprising an electrochromic filter 800. The electrochromic filter 800 may include a first glass substrate 802A and a second glass substrate 802B coated on their inner surfaces with a transparent conductive material 804, respectively, such that an electric field can be created between the first glass substrate 802A and the second glass substrate 802B. When the electric field is on, the liquid crystal 806 ("LC") located between the first glass substrate 802A and the second glass substrate 802B aligns in a first direction, as shown in FIG. 21A, and when the electric field is off, the LC 806 aligns in a second, different direction, as shown in FIG. 21B. The electrochromic filter 800 functions similarly to the liquid crystal shutter 150. However, instead of using an electric field to change the polarization of the LC 806 to block the image-bearing light WO2, the LC 806 in the electrochromic filter 800 is structured such that, at a particular orientation of the LC 806, the dichroic filter blocks a particular wavelength range of the image-bearing light WO2. For example, when the electric field is on, the LC 806 can act as a dichroic filter operable to block a first range of light wavelengths.
一実施形態では、LC 806は、光の可視スペクトルにわたって動作可能であり、LC 806のオン/オフ状態は、画像源16が画像担持光を放射する時にLC 806が完全に不透明となるように時間調節される。画像源16は、フレームレートの一部分が、画像源16のLEDがすべてオフである状態を含むように制御可能であってもよく、LC 806は、LEDがオフの時に二色性フィルタがオフであり、エレクトロクロミックフィルタ800が完全に透明であるように制御可能である。画像源16及びエレクトロクロミックフィルタ800を同期させることにより、周囲環境からユーザーの目への光の伝送が可能になり、その結果、画像光ガイドシステム50は、画像をアイボックスへと伝搬する時でさえも、ユーザーに対して透過的であるように見える。LEDがオフであるフレームレート周期を増加させることによって、画像光ガイドシステム50の見かけの透明度が増加する。 In one embodiment, the LC 806 is operable across the visible spectrum of light, and the on/off states of the LC 806 are timed so that the LC 806 is completely opaque when the image source 16 emits image-bearing light. The image source 16 may be controllable so that a portion of the frame rate includes a state in which all of the image source 16's LEDs are off, and the LC 806 is controllable so that when the LEDs are off, the dichroic filter is off and the electrochromic filter 800 is completely transparent. Synchronizing the image source 16 and the electrochromic filter 800 enables the transmission of light from the ambient environment to the user's eyes, such that the image light guide system 50 appears transparent to the user even when transmitting an image to the eyebox. Increasing the frame rate period during which the LEDs are off increases the apparent transparency of the image light guide system 50.
一実施形態では、エレクトロクロミックフィルタ800のLC 806は、可視スペクトルではなく、特定の波長範囲にわたって動作可能である。この実施形態では、画像源16は、フレームレートの一部分が、LC 806が動作可能な特定の波長範囲に対応するLEDがオフである状態を含むように制御可能であってもよく、その結果、画像光ガイドシステム50は、周囲環境からユーザーの目に光の少なくとも一部分を伝送するように動作可能である。二色性フィルタが動作可能な特定の波長範囲に対応するLEDがオフであるフレームレート周期を増加させることによって、画像光ガイドシステム50の見かけの透明度が増加し得る。 In one embodiment, the LC 806 of the electrochromic filter 800 is operable over a specific wavelength range rather than the visible spectrum. In this embodiment, the image source 16 may be controllable so that a portion of the frame rate includes a state in which the LEDs corresponding to the specific wavelength range in which the LC 806 is operable are off, such that the image light guide system 50 is operable to transmit at least a portion of the light from the surrounding environment to the user's eyes. By increasing the frame rate period in which the LEDs corresponding to the specific wavelength range in which the dichroic filter is operable are off, the apparent transparency of the image light guide system 50 may be increased.
一実施形態では、エレクトロクロミックフィルタ800は、第一のガラス基板802A及び第二のガラス基板802Bのそれぞれ外表面に位置付けられた第一の偏光フィルム808A及び第二の偏光フィルム808Bを含む。偏光フィルム808A、808Bは、例えば、互いに対して概して交差する偏光軸を有してもよい。 In one embodiment, the electrochromic filter 800 includes a first polarizing film 808A and a second polarizing film 808B positioned on the outer surfaces of a first glass substrate 802A and a second glass substrate 802B, respectively. The polarizing films 808A, 808B may have, for example, polarization axes that are generally crossed relative to one another.
ここで図22を参照すると、一実施形態では、画像光ガイドシステム50は、複数のエレクトロクロミックフィルタ800A、800B、800Cを含む。エレクトロクロミックフィルタ800A、800B、800Cの各々は、画像担持光の異なる波長範囲に対応するビデオ信号内の別個のサブフレーム(例えば、フレームレートの一部分)で動作するように(例えば、画像源16と)時間調節されてもよい。例えば、第一のエレクトロクロミックフィルタ800Aは、第一の波長範囲(例えば、赤色)の光を遮断するように動作可能であってもよく、第二のエレクトロクロミックフィルタ800Bは、第二の波長範囲(例えば、緑色)の光を遮断するように動作可能であってもよく、第三のエレクトロクロミックフィルタ800Cは、第三の波長範囲(例えば、青色)の光を遮断するように動作可能であってもよい。 22, in one embodiment, image light guide system 50 includes multiple electrochromic filters 800A, 800B, and 800C. Each of electrochromic filters 800A, 800B, and 800C may be timed (e.g., with image source 16) to operate at a separate subframe (e.g., a fraction of the frame rate) within the video signal corresponding to a different wavelength range of image-bearing light. For example, first electrochromic filter 800A may be operable to block light in a first wavelength range (e.g., red), second electrochromic filter 800B may be operable to block light in a second wavelength range (e.g., green), and third electrochromic filter 800C may be operable to block light in a third wavelength range (e.g., blue).
ここで図23を参照すると、一実施形態では、画像光ガイドシステム50は、平面導波路100Aの第二の表面104上に形成されたボリュームホログラム900を備える光学装置を含む。ボリュームホログラム900は、特定の光波長範囲に作用するように間隔を置いた回折素子を含む。図24に示すように、ボリュームホログラム900の回折素子は、ボリュームホログラム900上に入射する画像担持光WO2が、画像担持光WO3として、TIR条件ではなく、画像担持光WO2に対してほぼ直交方向に方向付けられるように構成される。ボリュームホログラム900の回折素子の構成のため、周囲環境からの光は、ボリュームホログラム900及び平面導波路100Aを通してユーザーの目に伝送するように動作可能である。一実施形態では、ボリュームホログラム900に入射する画像担持光WO2の中心光線の1つの極端な画角は、画像担持光WO3’として第二の表面104にほぼ垂直に向けられ、ボリュームホログラム900に入射する画像担持光WO2の中心光線の反対の画角は、画像担持光WO3として画像担持光WO2の中心光線にほぼ垂直な非TIR条件下で、ボリュームホログラム900を出るように方向付けられる。 23, in one embodiment, the image light guide system 50 includes an optical device comprising a volume hologram 900 formed on the second surface 104 of the planar waveguide 100A. The volume hologram 900 includes diffractive elements spaced apart to affect a specific range of optical wavelengths. As shown in FIG. 24, the diffractive elements of the volume hologram 900 are configured such that image-bearing light WO2 incident on the volume hologram 900 is directed substantially orthogonally to the image-bearing light WO2 as image-bearing light WO3, rather than in a TIR condition. Due to the configuration of the diffractive elements of the volume hologram 900, light from the surrounding environment is operable to be transmitted through the volume hologram 900 and the planar waveguide 100A to a user's eye. In one embodiment, one extreme field angle of the central ray of image-bearing light WO2 incident on volume hologram 900 is directed approximately perpendicular to second surface 104 as image-bearing light WO3', and the opposite field angle of the central ray of image-bearing light WO2 incident on volume hologram 900 is directed to exit volume hologram 900 under non-TIR conditions approximately perpendicular to the central ray of image-bearing light WO2 as image-bearing light WO3.
一実施形態では、ボリュームホログラム900上に入射し、非TIR条件においてほぼ直交方向に画像担持光WO3として方向付けられる画像担持光WO2は、平面導波路100Aの端部902に位置する吸収性材料904に向かって方向付けられる。例えば、吸収性材料904は、平坦な黒色のコーティング又は光吸収性フィルムであってもよいが、これらに限定されない。一実施形態では、画像担持光WO3の伝搬角度は、画像担持光WO3の大部分がボリュームホログラム900によって回折されることを防止する。 In one embodiment, image-bearing light WO2 incident on volume hologram 900 and directed as image-bearing light WO3 in a substantially orthogonal direction under non-TIR conditions is directed toward an absorbing material 904 located at end 902 of planar waveguide 100A. For example, absorbing material 904 may be, but is not limited to, a flat black coating or a light-absorbing film. In one embodiment, the propagation angle of image-bearing light WO3 prevents a significant portion of image-bearing light WO3 from being diffracted by volume hologram 900.
ここで図25を参照すると、一実施形態では、画像光ガイドシステム50の平面導波路100Aは、ボリュームホログラム900と平面導波路基板との間に、その第二の表面104上に形成された材料層906を含む。図26に示すように、ボリュームホログラム900の回折素子は、ボリュームホログラム900上に入射する画像担持光WO2が、TIR条件ではなく、画像担持光WO3として、画像担持光WO2に対してほぼ直交方向に方向付けられるように構成される。材料層906は、画像担持光WO3’のいくつかの光線が、吸収性材料904に向かう過程で導波路表面104から反射することを可能にする。 25, in one embodiment, the planar waveguide 100A of the image light guide system 50 includes a material layer 906 formed on its second surface 104 between the volume hologram 900 and the planar waveguide substrate. As shown in FIG. 26, the diffractive elements of the volume hologram 900 are configured such that image-bearing light WO2 incident on the volume hologram 900 is directed substantially orthogonally to the image-bearing light WO2 as image-bearing light WO3, rather than under TIR conditions. The material layer 906 allows some rays of the image-bearing light WO3' to reflect from the waveguide surface 104 en route to the absorbing material 904.
一実施形態では、ボリュームホログラム900は、第一の光波長範囲を遮断する一方で、それを通って第二及び第三の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。例えば、プログラム可能な画像源16は、第一の波長範囲の画像担持光WIのみを放射するように動作可能であってもよく、ボリュームホログラム900は、第一の波長範囲を遮断する一方で、それを通って第二及び第三の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。 In one embodiment, the volume hologram 900 is configured to block a first range of optical wavelengths while generally allowing second and third ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough. For example, the programmable image source 16 may be operable to emit only image-bearing light WI in a first range of wavelengths, and the volume hologram 900 is configured to block the first range of wavelengths while generally allowing second and third ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough.
図27Aは、図16又は図17の画像光ガイドシステム500、600に関して前述した一つ以上の特徴部及び/又は構成要素を有する、画像光ガイドシステム600の一部分を示す。対応して、同様の要素は、同様の参照番号で一般的に言及される。一実施形態では、図27Aに示すように、画像光ガイドシステム600は、導波路表面512を通して平行板導波路504を出るビーム534を反射するように反射状態で動作可能な電子光学的に切替可能なミラー1100を備える光学装置を含む。図27Cに示すように、切替可能なミラー1100はまた、環境からの入射光ビーム530の一部分がそれを通過することを可能にするために、光透過状態で動作可能である。 Figure 27A illustrates a portion of an imaging light guide system 600 having one or more features and/or components previously described with respect to the imaging light guide systems 500, 600 of Figures 16 or 17. Correspondingly, like elements are generally referred to by like reference numerals. In one embodiment, as shown in Figure 27A, the imaging light guide system 600 includes an optical device comprising an electro-optically switchable mirror 1100 operable in a reflective state to reflect the beam 534 exiting the parallel-plate waveguide 504 through the waveguide surface 512. As shown in Figure 27C, the switchable mirror 1100 is also operable in an optically transmissive state to allow a portion of the incident light beam 530 from the environment to pass therethrough.
一実施形態では、切替可能なミラー1100は、40 Corporate Park Dr., Hopewell Junction, NY 12533に事業所を有するKent Optronics, Inc.社が開発したe-TransFlector(商標)を含んでもよい。例えば、切替可能なミラー1100は、10ミリ秒~100ミリ秒のスイッチング時間で動作し、50nm~1,000nmから選択される反射帯域幅範囲を有する。切替可能なミラー1100の整列は、導波路表面512に平行である。切替可能なミラー1100は、アウトカップリング回折光学素子508と同じ領域を覆ってもよい。別の実施形態では、切替可能なミラー1100の領域は、アウトカップリング回折光学素子508の領域に加えて導波路表面512の別の部分を覆う。別の実施形態では、切替可能なミラー1100の領域は、導波路表面512の領域全体を覆う。 In one embodiment, the switchable mirror 1100 may include an e-TransFlector™ developed by Kent Optronics, Inc., having a business address at 40 Corporate Park Dr., Hopewell Junction, NY 12533. For example, the switchable mirror 1100 operates with a switching time of 10 milliseconds to 100 milliseconds and has a reflection bandwidth range selected from 50 nm to 1,000 nm. The alignment of the switchable mirror 1100 is parallel to the waveguide surface 512. The switchable mirror 1100 may cover the same area as the outcoupling diffractive optical element 508. In another embodiment, the area of the switchable mirror 1100 covers a different portion of the waveguide surface 512 in addition to the area of the outcoupling diffractive optical element 508. In another embodiment, the area of the switchable mirror 1100 covers the entire area of the waveguide surface 512.
画像源502及び切替可能なミラー1100を同期させることにより、周囲環境からユーザーの目への光の伝送が可能になり、その結果、表示システム600は、画像をアイボックスへと伝搬する時でさえも、ユーザーに対して透過的であるように見える。図27Cに示すように、切替可能なミラー1100が(反射状態とは対照的に)光透過状態にある時、環境からの入射光ビーム又は光線530の一部分は、切替可能なミラー1100、平行板導波路504、及び着用者の目501によって観察されるアウトカップリング光学素子508を通過する。画像源502が切替可能なミラー1100の反射/透過状態と同期される実施形態では、画像源502は、切替可能なミラー1100が透過状態にある間は画像担持光を放射しない。 Synchronizing the image source 502 and the switchable mirror 1100 allows for the transmission of light from the surrounding environment to the user's eyes, such that the display system 600 appears transparent to the user, even as it propagates an image to the eyebox. As shown in FIG. 27C , when the switchable mirror 1100 is in a light-transmitting state (as opposed to a reflective state), a portion of the incident light beam or ray 530 from the environment passes through the switchable mirror 1100, the parallel-plate waveguide 504, and the outcoupling optics 508, where it is observed by the wearer's eye 501. In embodiments in which the image source 502 is synchronized with the reflective/transmissive state of the switchable mirror 1100, the image source 502 does not emit image-bearing light while the switchable mirror 1100 is in the transmissive state.
図27Bに示すように、一実施形態では、切替可能なミラー1100は、導波路表面512を通って平行板導波路504を出る画像担持光ビーム534の一部分が、反射ビーム540として切替可能なミラー1100によって平行板導波路504に向かって反射し戻り、導波路表面512を通って平行板導波路504を出る画像担持光ビーム534の別の部分が、切替可能なミラー1100を通って伝送される、部分的に反射状態で動作可能である。同様に、環境からの入射光のビーム又は光線530の一部分は、切替可能なミラー1100を通過し、入射光ビーム530の別の部分は、切替可能なミラー1100によって反射される。切替可能なミラー1100の部分的な反射状態は、画像担持光ビーム534の一部分を導波路504に反射し戻すことによって、導波路504から着用者の目501に向かって放射される合計光の輝度/強度を増加させるという利点を有する。アウトカップリングされたビーム544をアウトカップリングされたビーム526に追加することで、着用者が観察する虚像は、切替可能なミラー1100を有しない場合よりも明るいであろう。さらに、入射光ビーム530の一部分を環境から反射することによって、ユーザーによって知覚される現実世界の画像は、強度が減少する。したがって、虚像の観察された輝度は、環境に対してさらに増加し得る。上記のように、システム600は、所望の輝度でプロジェクター502を駆動するためにより少ない電力を必要とし得、したがって、電池充電当たりの電池寿命を増加させ得る。 27B , in one embodiment, the switchable mirror 1100 is operable in a partially reflective state in which a portion of the image-bearing light beam 534 exiting the parallel-plate waveguide 504 through the waveguide surface 512 is reflected back by the switchable mirror 1100 toward the parallel-plate waveguide 504 as a reflected beam 540, and another portion of the image-bearing light beam 534 exiting the parallel-plate waveguide 504 through the waveguide surface 512 is transmitted through the switchable mirror 1100. Similarly, a portion of the incident light beam or ray 530 from the environment passes through the switchable mirror 1100, and another portion of the incident light beam 530 is reflected by the switchable mirror 1100. The partially reflective state of the switchable mirror 1100 has the advantage of increasing the brightness/intensity of the total light emitted from the waveguide 504 toward the wearer's eye 501 by reflecting a portion of the image-bearing light beam 534 back into the waveguide 504. By adding outcoupled beam 544 to outcoupled beam 526, the virtual image observed by the wearer will be brighter than it would be without switchable mirror 1100. Furthermore, by reflecting a portion of incident light beam 530 from the environment, the real-world image perceived by the user is reduced in intensity. Thus, the observed brightness of the virtual image may be further increased relative to the environment. As noted above, system 600 may require less power to drive projector 502 at a desired brightness, thus increasing battery life per battery charge.
一実施形態では、切替可能なミラー1100は、図27Aに示す少なくとも反射状態、図27Bに示す部分的に反射状態、及び図27Cに示す光透過状態との間で動作可能である。一実施形態では、切替可能なミラー1100は、第一の光波長範囲を遮断する一方で、それを通ってその他の光波長範囲が伝送されることを概して可能にするように構成される。例えば、画像源502は、第一の波長範囲の画像担持光520を放射するように動作可能であってもよく、切替可能なミラー1100は、第一の波長範囲を遮断/反射するように構成される。切替可能なミラー1100を利用して、1つの光波長範囲のみを遮断することにより、切替可能なミラー1100がオン状態である必要がある時間が変化する。したがって、オン/オフのタイミングは、すべての色の波長範囲を遮断しようとする時とは異なる。一実施形態では、プログラム可能な画像源502は、赤色の波長範囲のみが放射される動作モードを含み、切替可能なミラー1100は、フレームレートの赤色の光波長範囲R部分についてのみオンである。 In one embodiment, the switchable mirror 1100 is operable between at least a reflective state as shown in FIG. 27A, a partially reflective state as shown in FIG. 27B, and a light-transmitting state as shown in FIG. 27C. In one embodiment, the switchable mirror 1100 is configured to block a first range of optical wavelengths while generally allowing other ranges of optical wavelengths to be transmitted therethrough. For example, the image source 502 may be operable to emit image-bearing light 520 in a first wavelength range, and the switchable mirror 1100 is configured to block/reflect the first wavelength range. Utilizing the switchable mirror 1100 to block only one range of optical wavelengths changes the amount of time the switchable mirror 1100 needs to be in an on state. Thus, the on/off timing is different than when attempting to block all color wavelength ranges. In one embodiment, the programmable image source 502 includes an operational mode in which only the red wavelength range is emitted, and the switchable mirror 1100 is on only for the red optical wavelength range R portion of the frame rate.
図28の斜視図は、本開示の一つ以上の画像光ガイド、画像光ガイドシステム、及び/又はAR表示システムを使用した拡張現実視聴のための、表示システム60を示す。表示システム60は、右眼用の画像光ガイド66Rを有する、右眼用光学システム64Rを有する、HMDとして示されている。表示システム60は、ピコプロジェクター、又は類似の装置などの画像源16を含み、画像を生成するために通電可能である。一実施形態では、表示システム60は、一つ以上の画像光ガイド66L及び第二の画像源を含む、左眼用光学システム64Lを含む。生成される画像は、3D視聴のための、立体視可能な一対の画像とすることができる。表示システム60によって形成される虚像は、右眼用画像光ガイド66R及び/又は左眼用画像光ガイド66Lを通してビューアにより鑑賞される現実世界の情景コンテンツ上に、重ね合わされるか、又はオーバーレイされているように見えることがある。情景コンテンツを視聴するために、又はビューアの視線追跡などのために、HMDのフレームへ取り付けられた、一つ以上のカメラなど、拡張現実可視化技術分野の当業者であれば周知である追加の構成要素を、提供することもできる。 The perspective view of FIG. 28 illustrates a display system 60 for augmented reality viewing using one or more image light guides, image light guide systems, and/or AR display systems of the present disclosure. The display system 60 is shown as an HMD having a right-eye optical system 64R with a right-eye image light guide 66R. The display system 60 includes an image source 16, such as a picoprojector or similar device, and is energizable to generate an image. In one embodiment, the display system 60 includes one or more image light guides 66L and a left-eye optical system 64L including a second image source. The generated images can be a stereoscopic pair of images for 3D viewing. The virtual image formed by the display system 60 may appear to be superimposed or overlaid on real-world scene content viewed by a viewer through the right-eye image light guide 66R and/or the left-eye image light guide 66L. Additional components known to those skilled in the art of augmented reality visualization may also be provided, such as one or more cameras attached to the frame of the HMD for viewing scene content, or for tracking the viewer's gaze, etc.
当業者であれば、本明細書に記載の実施形態のインカップリング回折光学素子及びアウトカップリング回折光学素子は、平面導波路の外表面又は内表面上に位置してもよく、画像担持光が平面導波路に近づく方向に応じて透過型又は反射型であってもよいことを認識するであろう。同様に、回折光学素子は、代替的に、画像担持光の回折を提供するボリュームホログラム又は他のタイプの光学構成要素であってもよい。 Those skilled in the art will recognize that the incoupling and outcoupling diffractive optical elements of the embodiments described herein may be located on the outer or inner surface of the planar waveguide and may be transmissive or reflective depending on the direction from which the image-bearing light approaches the planar waveguide. Similarly, the diffractive optical elements may alternatively be volume holograms or other types of optical components that provide diffraction of the image-bearing light.
前述に加えて、本開示は、以下の実施例を企図するが、これらに限定されない。例示的な実施形態では、光セキュリティのある画像光ガイドシステムは、画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を前記画像源から角度的にコードされた形態で前記第一の導波路に回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、前記導波路に沿って形成されたアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記一部分を拡張するように動作可能であり、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向かって方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付ける、アウトカップリング回折光学素子と、前記画像光ガイドから出力される拡張された画像担持光ビームの前記第二の部分を前記第二の方向に減少させるように動作可能な光学装置と、を含む。 In addition to the foregoing, the present disclosure contemplates, but is not limited to, the following examples. In an exemplary embodiment, an optically secure image light guide system includes an image source operable to generate an image-bearing light beam; a waveguide operable to propagate the image-bearing light beam; an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source to the first waveguide in an angularly coded manner; an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand the portion of the image-bearing light beam, the outcoupling diffractive optical element directing a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in an angularly coded manner in a first direction toward an eyebox and directing a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction; and an optical device operable to reduce the second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guide in the second direction.
光セキュリティのある画像光ガイドシステムの別の例示的な実施形態では、前記光学装置は、液晶シャッタを備える。例えば、前記液晶シャッタは、第一及び第二の対向する表面を有する第一の基板と、第一及び第二の対向する表面を有する第二の基板と、前記第一の基板の第二の表面上に位置する導電性材料の第一の層と、前記第二の基板の第一の表面上に位置する導電性材料の第二の層であって、導電性材料の前記第一及び第二の層が、前記第一の基板と前記第二の基板間に電界を生成するように動作可能である、導電性材料の第二の層と、前記導電性材料の第一の層と第二の層との間に位置する液晶であって、前記液晶が、前記電界のオン状態で第一の方向に、前記電界のオフ状態で第二の方向に整列するように動作可能である、液晶と、前記第二の基板の第二の表面上に位置する偏光子と、を含む。 In another exemplary embodiment of an image light guide system with optical security, the optical device includes a liquid crystal shutter. For example, the liquid crystal shutter includes: a first substrate having first and second opposing surfaces; a second substrate having first and second opposing surfaces; a first layer of conductive material disposed on the second surface of the first substrate; a second layer of conductive material disposed on the first surface of the second substrate, the first and second layers of conductive material operable to generate an electric field between the first and second substrates; liquid crystal disposed between the first and second layers of conductive material, the liquid crystal operable to align in a first direction in an on-state of the electric field and in a second direction in an off-state of the electric field; and a polarizer disposed on the second surface of the second substrate.
例示的な実施形態では、前記第二の基板の第二の表面上に位置する前記偏光子は、第二の偏光子であり、第一の偏光子は、前記第一の基板の第一の表面上に位置する。例えば、前記第一の偏光子及び前記第二の偏光子は、交差偏光軸を有し、及び/又は前記電界の前記オン状態で、前記液晶上に入射する拡張された画像担持光ビームの前記第二の部分の第一の直線偏光状態が吸収される。前記第一の直線偏光状態及び第二の直線偏光状態は、実質的に直交してもよい。 In an exemplary embodiment, the polarizer located on the second surface of the second substrate is a second polarizer, and a first polarizer is located on the first surface of the first substrate. For example, the first polarizer and the second polarizer have crossed polarization axes, and/or in the on state of the electric field, a first linear polarization state of the second portion of the expanded image-bearing light beam incident on the liquid crystal is absorbed. The first linear polarization state and the second linear polarization state may be substantially orthogonal.
光セキュリティのある画像光ガイドシステムの別の例示的な実施形態では、前記光学装置は、三軸に周期的変動を有する三次元フォトニック結晶を備え、前記画像源は、第一の波長範囲で画像担持光を放射するように動作可能であり、前記三次元フォトニック結晶は、前記第一の波長範囲で光を反射するように動作可能である。例えば、第二の光ダイオードは、前記画像源と前記インカップリング回折光学素子との間に光学的に位置付けられてもよく、前記インカップリング回折光学素子から前記第二の光ダイオードに向かって方向付けられた前記画像担持光の一部分は、前記第二の光ダイオードによって、前記インカップリング回折光学素子に向かって反射され、それによってインカップリングされる。 In another exemplary embodiment of an image light guide system with optical security, the optical device comprises a three-dimensional photonic crystal having periodic variations in three axes, the image source operable to emit image-bearing light in a first wavelength range, and the three-dimensional photonic crystal operable to reflect light in the first wavelength range. For example, a second photodiode may be optically positioned between the image source and the incoupling diffractive optical element, and a portion of the image-bearing light directed from the incoupling diffractive optical element toward the second photodiode is reflected by the second photodiode toward the incoupling diffractive optical element and thereby incoupled.
光セキュリティのある画像光ガイドシステムの別の例示的な実施形態では、光学装置は、第一及び第二の対向する表面を有する第一の基板を有するエレクトロクロミックフィルタと、第一及び第二の対向する表面を有する第二の基板と、前記第一の基板の第二の表面上に位置する導電性材料の第一の層と、前記第二の基板の第一の表面上に位置する導電性材料の第二の層であって、導電性材料の前記第一及び第二の層が、前記第一の基板と前記第二の基板間に電界を生成するように動作可能である、導電性材料の第二の層と、前記導電性材料の第一の層と第二の層との間に位置する液晶であって、前記液晶が、前記電界のオン状態で第一の方向に、前記電界のオフ状態で第二の方向に整列するように動作可能である、液晶と、前記第二の基板の第二の表面上に位置する偏光子と、を含む。 In another exemplary embodiment of an image light guide system with optical security, an optical device includes an electrochromic filter having a first substrate having first and second opposing surfaces; a second substrate having first and second opposing surfaces; a first layer of conductive material located on the second surface of the first substrate; a second layer of conductive material located on the first surface of the second substrate, the first and second layers of conductive material operable to generate an electric field between the first and second substrates; liquid crystals located between the first and second layers of conductive material, the liquid crystals operable to align in a first direction in an on-state of the electric field and in a second direction in an off-state of the electric field; and a polarizer located on the second surface of the second substrate.
例示的な実施形態では、前記液晶は、前記画像担持光の第一の波長範囲を遮断するように動作可能な二色性フィルタを提示する。例えば、前記エレクトロクロミックフィルタは、前記画像源が前記画像担持光の前記第一の波長範囲を放射する時、前記画像担持光の前記第一の波長範囲に対して不透明である。 In an exemplary embodiment, the liquid crystal presents a dichroic filter operable to block a first wavelength range of the image-bearing light. For example, the electrochromic filter is opaque to the first wavelength range of the image-bearing light when the image source emits the first wavelength range of the image-bearing light.
例示的な実施形態では、前記画像源及び前記エレクトロクロミックフィルタは、虚像が前記アイボックス内で可視である時に、前記環境が前記エレクトロクロミックフィルタを通して知覚可能であるように同期される。 In an exemplary embodiment, the image source and the electrochromic filter are synchronized so that when a virtual image is visible in the eyebox, the environment is perceptible through the electrochromic filter.
光セキュリティのある画像光ガイドシステムの別の例示的な実施形態では、前記光学装置は、第一のエレクトロクロミックフィルタ、第二のエレクトロクロミックフィルタ、及び第三のエレクトロクロミックフィルタを備え、前記第一、第二、及び第三のエレクトロクロミックフィルタの各々は、前記画像源と同期されて、前記画像源のフレームレートの異なるサブフレーム中に前記画像担持光を遮断する。 In another exemplary embodiment of an image light guide system with optical security, the optical device comprises a first electrochromic filter, a second electrochromic filter, and a third electrochromic filter, each of the first, second, and third electrochromic filters synchronized with the image source to block the image-bearing light during different subframes of the frame rate of the image source.
例えば、前記第一のエレクトロクロミックフィルタは、第一の波長範囲の画像担持光を遮断するように動作可能であり、前記第二のエレクトロクロミックフィルタは、第二の波長範囲の画像担持光を遮断するように動作可能であり、前記第三のエレクトロクロミックフィルタは、第三の波長範囲の画像担持光を遮断するように動作可能である。 For example, the first electrochromic filter is operable to block image-bearing light in a first wavelength range, the second electrochromic filter is operable to block image-bearing light in a second wavelength range, and the third electrochromic filter is operable to block image-bearing light in a third wavelength range.
別の例示的な実施形態では、光セキュリティのある画像光ガイドシステムは、画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を前記画像源から角度的にコードされた形態で前記導波路に回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、前記導波路に沿って形成されたアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記一部分を拡張するように動作可能であり、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向かって方向付け、前記アウトカップリング回折光学素子が、ブレーズド格子特徴部を備える、アウトカップリング回折光学素子と、前記第一の方向とは反対の第二の方向に前記画像光ガイドから出力される光を低減するように動作可能な前記ブレーズド格子特徴部の表面に位置付けられた反射防止コーティングと、を含む。 In another exemplary embodiment, an optically secure image light guide system includes an image source operable to generate an image-bearing light beam, a waveguide operable to propagate the image-bearing light beam, an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner, an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand the portion of the image-bearing light beam and direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in an angularly coded manner in a first direction toward the eyebox, the outcoupling diffractive optical element comprising blazed grating features, and an anti-reflective coating positioned on a surface of the blazed grating features operable to reduce light output from the image light guide in a second direction opposite the first direction.
例示的な実施形態では、前記ブレーズド格子特徴部は、実質的に直角三角形を含み、前記反射防止コーティングは、前記ブレーズド格子特徴部の実質的に垂直面上に位置する。例えば、前記反射防止コーティングは、相殺的干渉を介して、前記アウトカップリング回折光学素子上に入射する前記画像担持光ビームのサブセットを相殺して、拡張された画像担持光ビームの第二の部分が前記導波路から前記第二の方向に出力されることを低減するように動作可能である。 In an exemplary embodiment, the blazed grating feature comprises a substantially right-angled triangle, and the anti-reflective coating is located on a substantially vertical surface of the blazed grating feature. For example, the anti-reflective coating is operable to cancel, via destructive interference, a subset of the image-bearing light beam incident on the outcoupling diffractive optical element to reduce output of a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in the second direction.
例示的な実施形態では、前記反射防止コーティングは、前記導波路の屈折率及び周囲物質の屈折率の幾何平均の関数である屈折率を含む。例示的な実施形態では、前記反射防止コーティングは、前記画像担持光の実質的に4分の1の波長の厚さを有する。 In an exemplary embodiment, the anti-reflective coating has a refractive index that is a function of the geometric mean of the refractive index of the waveguide and the refractive index of the surrounding material. In an exemplary embodiment, the anti-reflective coating has a thickness that is substantially one-quarter wavelength of the image-bearing light.
別の例示的な実施形態では、光セキュリティのある画像光ガイドシステムは、画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を前記画像源から角度的にコードされた形態で前記導波路に回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、前記導波路に沿って形成されたアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記一部分を拡張するように動作可能であり、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向かって方向付ける、アウトカップリング回折光学素子と、を含み、前記アウトカップリング回折光学素子が、分布にわたってランダムに変位され、前記第一の方向とは反対の第二の方向に前記画像光ガイドから出力される光を低減するように動作可能な回折特徴部を備える。例えば、前記回折特徴部の周期は、コサイン確率分布の関数としてランダム化される。 In another exemplary embodiment, an optically secure image light guide system includes an image source operable to generate an image-bearing light beam; a waveguide operable to propagate the image-bearing light beam; an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner; and an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand the portion of the image-bearing light beam and direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in an angularly coded manner in a first direction toward an eyebox, the outcoupling diffractive optical element comprising diffractive features randomly displaced across a distribution and operable to reduce light output from the image light guide in a second direction opposite the first direction. For example, the period of the diffractive features is randomized as a function of a cosine probability distribution.
例示的な実施形態では、前記アウトカップリング回折光学素子に入射する前記画像担持光ビームの二次回折が抑制され、それによって、前記画像光ガイドから前記第二の方向への光出力が実質的に除去される。例示的な実施形態では、前記アウトカップリング回折光学素子に入射する前記画像担持光ビームの一次回折が強化され、それによって、前記画像光ガイドから前記第一の方向への光出力の強度が増加する。 In an exemplary embodiment, second-order diffraction of the image-bearing light beam incident on the outcoupling diffractive optical element is suppressed, thereby substantially eliminating light output from the image light guide in the second direction. In an exemplary embodiment, first-order diffraction of the image-bearing light beam incident on the outcoupling diffractive optical element is enhanced, thereby increasing the intensity of light output from the image light guide in the first direction.
別の例示的な実施形態では、光セキュリティのある画像光ガイドシステムは、画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を前記画像源から角度的にコードされた形態で前記導波路に回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、前記導波路に沿って形成されたアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、画像担持光ビームの前記一部分を拡張するように動作可能であり、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向かって方向付ける、アウトカップリング回折光学素子と、前記インカップリング回折光学素子と前記画像源との間に位置する波長板と、前記画像源の反対側の前記波長板の表面に近接して位置する鏡面反射面であって、前記反射面が、前記インカップリング回折光学素子に向かって、前記画像担持光ビームの少なくとも一部分が前記インカップリング回折光学素子によってインカップリングされないように動作可能である、鏡面反射面と、を含む。 In another exemplary embodiment, an optically secure image light guide system includes an image source operable to generate an image-bearing light beam; a waveguide operable to propagate the image-bearing light beam; an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner; and an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner. an outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion and direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction toward the eyebox in an angularly decoded form; a wave plate positioned between the incoupling diffractive optical element and the image source; and a specular reflective surface positioned proximate a surface of the wave plate opposite the image source, the specular reflective surface operable to direct the specular reflective surface toward the incoupling diffractive optical element such that at least a portion of the image-bearing light beam is not incoupled by the incoupling diffractive optical element.
例示的な実施形態では、光ダイオードは、前記画像源と前記インカップリング回折光学素子との間に光学的に位置付けられ、前記反射面から反射され、前記インカップリング回折光学素子から前記第二の光ダイオードに向かって方向付けられた前記画像担持光の一部分は、前記光ダイオードによって、前記インカップリング回折光学素子に向かって反射され、それによってインカップリングされる。 In an exemplary embodiment, a photodiode is optically positioned between the image source and the incoupling diffractive optical element, and a portion of the image-bearing light reflected from the reflective surface and directed from the incoupling diffractive optical element toward the second photodiode is reflected by the photodiode toward the incoupling diffractive optical element and thereby incoupled.
本明細書に記載される実施形態の一つ以上の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作製してもよい。様々な実施形態を上記で詳細に説明しているが、それらは、限定的なものではなく例示目的で提示されていると、理解されるべきである。その範囲、精神、又は本質的な特徴から逸脱することなく、本開示の主題が、他の特定の形態、変形、及び修正によって具現化され得ることが、関連技術の当業者には明らかであろう。したがって、上述した実施形態は、すべての点において例示として考慮されるべきであり、限定的なものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味及び範囲内にあるすべての変更がその中に包含されることが意図される。
One or more features of the embodiments described herein may be combined to create additional embodiments not shown. While various embodiments have been described in detail above, it should be understood that they are presented for illustrative purposes, and not for limiting purposes. It will be apparent to those skilled in the relevant art that the subject matter of the present disclosure may be embodied in other specific forms, variations, and modifications without departing from the scope, spirit, or essential characteristics thereof. The above-described embodiments are therefore to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the appended claims, and all changes that come within the meaning and range of equivalents thereof are intended to be embraced therein.
Claims (18)
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能な液晶シャッタを含む光学装置と、
を備える、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device including a liquid crystal shutter operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
An image light guide system comprising:
第一及び第二の対向する表面を有する第一の基板と、
第一及び第二の対向する表面を有する第二の基板と、
前記第一の基板の第二の表面上に位置する導電性材料の第一の層と、前記第二の基板の第一の表面上に位置する導電性材料の第二の層であって、前記第一の基板と前記第二の基板との間に電界を生成するように動作可能である、導電性材料の第一の層及び第二の層と、
前記導電性材料の第一の層と第二の層との間に位置する液晶であって、前記液晶が、前記電界のオン状態で第一の方向に、前記電界のオフ状態で第二の方向に整列するように動作可能である、液晶と、
前記第二の基板の第二の表面上に位置する偏光子と、を備える、請求項1に記載の画像光ガイドシステム。 The liquid crystal shutter is
a first substrate having first and second opposing surfaces;
a second substrate having first and second opposing surfaces;
a first layer of conductive material located on a second surface of the first substrate; and a second layer of conductive material located on a first surface of the second substrate, the first and second layers of conductive material operable to generate an electric field between the first and second substrates;
a liquid crystal positioned between the first and second layers of conductive material, the liquid crystal operable to align in a first direction in the on-state of the electric field and in a second direction in the off-state of the electric field;
a polarizer located on the second surface of the second substrate.
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能な光学装置と、
を備え、
前記画像源が、前記画像源のフレームレートの半分未満の周期中、画像担持光ビームを放射し、前記光学装置が、前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記周期について実質的にゼロに減少させるように動作可能であり、環境からの周囲光が、前記画像源が画像担持光ビームを放射しない時に、前記画像光ガイドシステムを通して伝送可能である、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
Equipped with
an image light guide system, wherein the image source emits an image-bearing light beam during a period that is less than half a frame rate of the image source, the optical device is operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guide system to substantially zero for the period, and ambient light from the environment is capable of being transmitted through the image light guide system when the image source is not emitting an image-bearing light beam .
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能な光ダイオードを含む光学装置と、
を備え、
前記光ダイオードが、前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を反射し、環境から周囲光を伝送するように動作可能である、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device including a photodiode operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
Equipped with
An image light guide system, wherein the photodiode is operable to reflect a second portion of the expanded image-bearing light beam and transmit ambient light from the environment.
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能なエレクトロクロミックフィルタを含む光学装置と、
を備え、
前記エレクトロクロミックフィルタは、液晶分子を配向させて、前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像光ビームの第二の部分の少なくとも1つの波長範囲を低減するように構成される光学フィルタを生成するように動作可能である液晶を含む、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device including an electrochromic filter operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guide system in the second direction;
Equipped with
an image light guide system, wherein the electrochromic filter includes liquid crystals operable to orient liquid crystal molecules to produce an optical filter configured to reduce at least one wavelength range of a second portion of the expanded image light beam output from the image light guide system .
第一及び第二の対向する表面を有する第一の基板と、
第一及び第二の対向する表面を有する第二の基板と、
前記第一の基板の第二の表面上に位置する導電性材料の第一の層と、前記第二の基板の第一の表面上に位置する導電性材料の第二の層であって、前記第一の基板と前記第二の基板との間に電界を生成するように動作可能である、導電性材料の第一の層及び第二の層と、
前記導電性材料の第一の層と第二の層との間に位置する前記液晶と、
前記第二の基板の第二の表面上に位置する偏光子と、
を備え、
前記液晶が、前記電界のオン状態で第一の方向に、前記電界のオフ状態で第二の方向に整列するように動作可能である、請求項8に記載の画像光ガイドシステム。 The electrochromic filter is
a first substrate having first and second opposing surfaces;
a second substrate having first and second opposing surfaces;
a first layer of conductive material located on a second surface of the first substrate; and a second layer of conductive material located on a first surface of the second substrate, the first and second layers of conductive material operable to generate an electric field between the first and second substrates;
the liquid crystal located between first and second layers of conductive material ;
a polarizer located on the second surface of the second substrate;
Equipped with
9. The image light guiding system of claim 8 , wherein the liquid crystals are operable to align in a first direction in the electric field on state and in a second direction in the electric field off state.
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能なボリュームホログラムを含む光学装置と、
を備える、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device including a volume hologram operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
An image light guide system comprising:
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能な切替可能なミラーを含む光学装置と、
を備え、
前記切替可能なミラーが、前記画像担持光ビームの第一の波長範囲を遮断するために反射状態で動作可能である、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device including a switchable mirror operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
Equipped with
An image light guide system , wherein the switchable mirror is operable in a reflective state to block a first range of wavelengths of the image-bearing light beam .
画像担持光ビームを生成するように動作可能な画像源と、
前記画像担持光ビームを伝搬するように動作可能な導波路と、
前記導波路に沿って形成されるインカップリング回折光学素子であって、前記インカップリング回折光学素子が、前記画像源からの前記画像担持光ビームの一部分を、角度的にコードされた形態で前記導波路内へと回折するように動作可能である、インカップリング回折光学素子と、
前記導波路に沿って形成されるアウトカップリング回折光学素子であって、前記アウトカップリング回折光学素子が、前記画像担持光ビームの一部分を拡張し、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第一の部分を、角度的にデコードされた形態で、第一の方向に、アイボックスに向けて方向付け、前記導波路からの拡張された画像担持光ビームの第二の部分を、前記第一の方向とは異なる第二の方向に方向付けるように動作可能である、アウトカップリング回折光学素子と、
前記画像光ガイドシステムから出力される前記拡張された画像担持光ビームの第二の部分を前記第二の方向に低減するように動作可能な光学装置と、
を備え、
前記光学装置が、前記画像担持光ビームの第二の部分の経路の内外に並進移動するように動作可能なオーバーシールドとして形成される、画像光ガイドシステム。 An image light guide system with optical security, comprising:
an image source operable to generate an image-bearing light beam;
a waveguide operable to propagate said image-bearing light beam;
an incoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the incoupling diffractive optical element operable to diffract a portion of the image-bearing light beam from the image source into the waveguide in an angularly coded manner;
an outcoupling diffractive optical element formed along the waveguide, the outcoupling diffractive optical element operable to expand a portion of the image-bearing light beam and to direct a first portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a first direction towards an eyebox in an angularly decoded form and to direct a second portion of the expanded image-bearing light beam from the waveguide in a second direction different from the first direction;
an optical device operable to reduce a second portion of the expanded image-bearing light beam output from the image light guiding system in the second direction;
Equipped with
An image light guide system , wherein the optical device is formed as an overshield operable to translate into and out of the path of the second portion of the image-bearing light beam .
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016148855A (en) | 2012-01-24 | 2016-08-18 | ソニー株式会社 | Display device |
| CN110865460A (en) | 2019-12-19 | 2020-03-06 | 深圳惠牛科技有限公司 | Optical module with anti-theft function, display device and augmented reality equipment |
| US20210026057A1 (en) | 2019-03-21 | 2021-01-28 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Display panel, display device and driving method for driving a display panel |
| US20210199971A1 (en) | 2019-12-26 | 2021-07-01 | Facebook Technologies, Llc | Gradient refractive index grating for display leakage reduction |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1317135C (en) * | 2001-09-26 | 2007-05-23 | 西铁城时计株式会社 | LCD shutter device |
| US9594246B2 (en) * | 2014-01-21 | 2017-03-14 | Osterhout Group, Inc. | See-through computer display systems |
| US10048647B2 (en) * | 2014-03-27 | 2018-08-14 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Optical waveguide including spatially-varying volume hologram |
| US9651786B1 (en) * | 2015-05-05 | 2017-05-16 | SA Photonics, Inc. | Systems and methods for augmented reality devices with light security |
| JP6804310B2 (en) * | 2016-03-07 | 2020-12-23 | 日東電工株式会社 | Optical adhesive sheet, polarizing film with adhesive layer, and liquid crystal display |
| CN205608219U (en) * | 2016-04-26 | 2016-09-28 | 南京邮电大学 | Electromagnetic wave direct transmission device |
| AU2018237168A1 (en) * | 2017-03-21 | 2019-10-10 | Magic Leap, Inc. | Display system with spatial light modulator illumination for divided pupils |
| JP7200637B2 (en) * | 2017-12-25 | 2023-01-10 | 株式会社リコー | Head-mounted display and display system |
| US10687034B1 (en) * | 2018-04-23 | 2020-06-16 | Facebook Technologies, Llc | Image sensor with switchable optical filter |
| WO2020009788A1 (en) * | 2018-07-02 | 2020-01-09 | Vuzix Corporation | Waveguide turning grating designs for optimal efficiency |
| US10495798B1 (en) * | 2018-08-07 | 2019-12-03 | Facebook Technologies, Llc | Switchable reflective circular polarizer in head-mounted display |
| US11067809B1 (en) * | 2019-07-29 | 2021-07-20 | Facebook Technologies, Llc | Systems and methods for minimizing external light leakage from artificial-reality displays |
| WO2021030093A1 (en) * | 2019-08-13 | 2021-02-18 | Apple Inc. | Display system with time interleaving |
| US10775632B1 (en) * | 2019-10-30 | 2020-09-15 | Rockwell Collins, Inc. | Augmented reality light security shutter |
| TWI745170B (en) * | 2020-01-05 | 2021-11-01 | 宏達國際電子股份有限公司 | Head mounted display device |
| CN111258070A (en) * | 2020-02-28 | 2020-06-09 | 歌尔股份有限公司 | Imaging system and augmented reality device |
-
2022
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-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016148855A (en) | 2012-01-24 | 2016-08-18 | ソニー株式会社 | Display device |
| US20210026057A1 (en) | 2019-03-21 | 2021-01-28 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Display panel, display device and driving method for driving a display panel |
| CN110865460A (en) | 2019-12-19 | 2020-03-06 | 深圳惠牛科技有限公司 | Optical module with anti-theft function, display device and augmented reality equipment |
| US20210199971A1 (en) | 2019-12-26 | 2021-07-01 | Facebook Technologies, Llc | Gradient refractive index grating for display leakage reduction |
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