JP2004157520A - ヘッド・マウント型若しくはヘッド・アップ型表示装置用光ガイド部材 - Google Patents

ヘッド・マウント型若しくはヘッド・アップ型表示装置用光ガイド部材 Download PDF

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Abstract

【課題】超小型表示装置により発生した画像を、観測者が、バックグラウンド自体に注意を奪われることなく見ることが出来る様にする。
【解決手段】ヘッド・マウント型又はヘッドアップ型の表示装置用光ガイド部材は、一部が可視光に対して透過性を有する光ガイド部材のボディ２２と、ボディ２２に接続され、画像を発生するよう設計された光学システム１８にボディ２２を連結するよう設計されたカップリング部材２４であって、光学システム１８からの光ビームが、内部全反射によってボディ２２中を伝播するように配置されたカップリング部材２４と、観測者がボディ２２により透明なバックグラウンドに取り出された画像を視覚できるよう、ボディ２２を伝播する光ビームが取り出されるように設計された画像取出し回折格子２８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘッド・マウント型若しくはヘッドアップ型表示装置用光ガイド部材に関する。
ヘッド・マウント型またはヘッドアップ型表示装置の目的は、観測者が、バックグラウンド自体に注意を奪われることなく、超小型表示装置によって発生された画像を見ることができるように、例えば超小型表示装置によって生みだされ、バックグラウンド上に重ね合わされた画像を表示することにある。
超小型表示装置により発生した画像を観測者に表示するためのたくさんの解決方法が、市場にすでに存在する。
マイクロオプティカル社は、米国特許第５７１５３７７号明細書、米国特許第５８８６８２２号明細書、米国特許第６０２３３７２号明細書および米国特許第６０９１５４６号明細書に記述された２つの解決方法を市場に開示している。第１の解決方法は、通常の一対の眼鏡に装着することができる光学システムである。前記システムは、画像を発生させる表示装置、適切な距離において超小型表示装置の虚像を形成する光学システム、およびユーザーの目に画像を表示する光ガイド部材から構成されている。観測者に表示される画像がバックグラウンドに重ね合わされないので、この解決方法は、厳格には「シースルー」とは定義されない。しかしながら、バックグラウンドが、観測者に対して表示された画像の周囲の全視野において見ることができるので、前記解決方法は、「シーアラウンド(see-around)」と定義される。しかしながら、その表示装置による視野は制限され、低解像度の画像だけしか表示されない(水平方向に１１°)。第２の解決方法は、「一体化した光学」タイプである。そのタイプにおいては、ユーザーの眼鏡のレンズに直接一体化したレンズとプリズムのシステムを介して、適切な距離において、表示装置が画像を発生させる。レンズ表面に対して４５°傾き、また視野の中心に設置された半反射性のプリズムにより、バックグラウンド上の画像はユーザーに表示される。この解決方法において、全体的な大きさは非常に小さい。しかしながら、反射プリズムを４５°で使用することにより、眼鏡のレンズの厚さは少なくともシステムの射出ひとみ（output pupil）に相応する。目の位置の許容範囲を充分保証するように(「目の可動範囲(eye-motion box)」またはＥＭＢと以降称する)、前記射出ひとみが、表示装置の視野とともに増加するので、提案された解決方法は、制限のある視野(水平方向に１１°)および低解像度(３２０×２４０画素)でのみ使用できる。
米国特許Ａ１-２００１００３３４０１号明細書には、以下の光ガイド部材の使用を意図した解決方法が記載されている。前記光ガイド部材の中で、表示装置(光学デバイスを挿入しないで、幾何学的に光ガイド部材内に連結されている。)から放出されたビームは、内部全反射により光ガイド部材壁間の適切な領域を横切った後、ホログラフ光学装置によって取り出される。このシステムは軽く、全体として小さく、したがって「クリップオン」タイプ(つまりユーザーの眼鏡上に装置を装着することを意図したもの)の解決方法に特に適している。しかしながら、ホログラフタイプのシステムの光学は、著しく非軸であり、従って、多数の収差によって、特に視野の台形歪みによって影響を受ける。ホログラムの製造プロセスは、非軸性および収差に関連した問題を最小に抑えるように考えられるけれども、しかしながら、より大きな幅(＞１６°)の視野に、提案された解決方法を用いる場合、このような問題はかなり深刻になるであろう。更に、良く知られているように、ホログラフ光学システムは、入射角および波長の変化に対して著しく敏感である。入射角へ依存することにより、異なった角度で光ガイド部材の中を伝播する光に対して取り出し効率のレベルは異なってしまう。このことにより、提案された解決方法の中で用いることができる視野を必ず制限してしまう。波長に依存することにより、波長が異なる光に対して取り出し効率のレベルは異なってしまう。この解決方法は、単色タイプの表示装置の使用に制限される。より広い視野を備えた表示装置、および／またはカラー表示装置で、この解決方法を使用すると、ホログラムの取り出し効率がかなり減少してしまう。つまり光ガイド部材の中を伝播して、観測者の目の方向へ向かう光の取り出し効率がかなり減少してしまう。
米国特許第６,１６９,６１３号明細書には、光ガイド部材および３つの回折光学要素を備えるホログラフ光学を有する解決方法が記載されている。第１の光学要素は、光ガイド部材内において、適切な光学システムによって発生された画像と結びつけられ、その結果光ビームは、内部全反射によって光ガイド部材内を伝播する。第２の光学要素は、その光学要素に衝突したビームの伝播方向を９０°方向転換させ、同時にホログラフ要素によって行なわれる方向転換に先立って、伝播方向に射出ひとみを広げることができる。第３の要素は、その光学要素に衝突したビームを取り出し、内部全反射角の値より低い値まで伝播角を減らし、同時に、第２のホログラフ光学要素によって行なわれた方向転換の後に、伝播方向に射出ひとみを広げることができる。この解決方法は、互いに略直角の２つの方向であって、観測者の視野の方向に対して垂直の面にある射出ひとみのサイズを広げることができる。後の反射で方向転換した一部分のビームが一定になるように保証するために、第２の回折光学要素の方向転換の効率は、光ガイド部材における伝播の方向に向かって増加する。同様に、それぞれの連続反射において光ガイド部材から取り出される一部分のビームが一定になるように保証するために、第３の回折光学要素の取出し効率は、光ガイド部材における伝播の方向に向かって増加する。表示装置の視野および／または表示装置のＥＭＢの仕様が、２つの方向へ射出ひとみの広がりを必要とするようなものであるときに、３つのホログラフ光学要素を備えた解決方法が必要になる。それ以外では、連結された光学デバイスの射出ひとみの大きさが増加することができ、２つのホログラムを使用した解決方法を用いることも可能であるだろう。しかしながら、光学設計の分野における当業者には良く知られているが、連結される光学デバイスの射出ひとみを拡大するためには、一般的にはより複雑で高価で扱いにくい光学チェーン(optical chain)を使用しなければならない。
代替の解決方法が仏国特許出願８９０６７２１号公報において記載されている。その明細書には、透明の光ガイド部材と、ｎ＞１の半反射鏡とからなる結合型光学装置が記載されている。前記透明光ガイド部材は、光線を平行にするための光学システムに光学的に連結された通路を形成する端部と、２つの大きく平らな平行面とを備える。また、半反射鏡は、光ガイド部材内において、互いに平行にかつ光ガイド部材の直線部分に対して傾いて設置されている。前記第１半反射鏡にあたるまで、光ガイド部材の内部で結合された光は、内部全反射によって伝播する。光の一部は鏡によって屈折し、さらに、その光の一部は光ガイド部材によって取り出される。一方、第２の半反射鏡にあたるまで、光の残りの部分は光ガイド部材内を伝播しつづける。光ガイド部材から取り出された光の均一性を保証するため、反射率は最初の鏡から最後の鏡に向かって減少している。
仏国特許出願第８９０６７２１号明細書は、ヘッドアップ表示装置が記載されている米国特許第４０９９８４１号明細書を基本的に繰り返し用いている。本発明において記述された表示装置を組み合わせたものは、３以上の部分反射層を含んでいる光ガイド部材に基づく。前記部分半反射層は、互いに平行に整列され、仏国特許出願第８９０６７２１号明細書において記述されたものと基本的に同じ目的で用いられる。
仏国特許第８９０６７２１号明細書の中に記載された解決方法は、新しい創造性のある内容を追加して、米国特許第５１５３７７４号明細書に取り上げられている。
仏国特許出願第８９０６７２１号の明細書および特許請求の範囲において記載されたものと実質的に同一である解決方法が、最近の国際特許出願０１／９５０２７−Ａ１の中で提案されている。
仏国特許出願第８９０６７２１号明細書の中で提案された解決方法は、米国特許第６,１６９,６１３号明細書の中で表されたホログラフによる解決手段に対する有効な代案を示す。カラー表示装置の場合、特に視野が広い場合に、ホログラフ要素がないことによって、それを用いたことの利点が現れる。
しかしながら、平行な半反射鏡を備えた解決方法は、ホログラフの解決方法と比較して、多くの不都合が生じる。米国特許第６,１６９,６１３号明細書において記述されたホログラフ光学要素は、表面除去タイプの回折格子であっても良い。このタイプの回折格子は、成形技術(例えば射出成形、鋳込成形及び高温エンボス加工)を用いることにより、都合良く繰り返し折り曲げることができる。ホログラフの解決方法が、家電に典型的に採用されている製品の大規模生産に非常によく適合することを意味する。逆に、半反射鏡を備えた解決方法は、一般的に、より複雑な製作手順を含んでいる。いくつかの製造可能な解決方法が、国際特許出願第０１／９５０２７−Ａ１において記述されている。これらの解決方法のうち１つにおいて、大量のガラス板を結合することが考えられている。前記ガラス板のそれぞれは、異なる反射率を有する半反射層で被覆され、また、その後ガラス板の面に対して実質的に傾いている方向に切断されている。半反射鏡の数が多くなればなる程、そのプロセスはますます複雑で高価となる。ＥＭＢのある特定の値に対して、鏡の数がより多くなればなる程、光ガイド部材の厚さは、より薄くなる。これは、例えば３ｍｍ未満の膜厚を有する光ガイド部材を作ることが目的である場合に、その解決方法では対処できないことを意味する。一方、厚い光ガイド部材(＞５ｍｍ)では、視界のある部分における多くの鏡の配列が、その視界内において、輝度の均一性を欠如しないようにするため、隣接する鏡同士だけでなく個々の鏡内においても被覆剤の反射率に変化を与える必要がある。
本発明の目的は、ヘッド・マウント型またはヘッドアップ型の表示装置用光ガイド部材であって、既知の解決方法の欠点を改善することができる光ガイド部材を提供することである。
本発明によれば、上記目的は、クレームの主要部をなす特性を有する光ガイド部材により達成される。特に、提案された解決方法は、回折光学装置若しくはホログラフ光学装置の使用に起因するパフォーマンスの限界と、また製作技術に関する限界および光ガイド部材内に囲まれた半透明の鏡を使用することに起因するパフォーマンスの限界を克服することができる。これは、光ガイド部材の面のうちの１つの近くに設置された半反射回折格子を使用して達成される。前記光ガイド部材を成形プロセスを用いて形成し、そして、回折格子の光学的に活性な表面上に一般的な方法で積層された半反射層で被覆しても良い。
本発明に係る解決方法により、５ｍｍ未満の膜厚の光ガイド部材を作製することができ、安価な技術的解決方法とすることもできる。
本発明は、添付図面に関して詳細に記載するが、前記添付図面の具体例に限定されるものではない。
図１に関して言及すると、ヘッド・マウント表示装置(ＨＭＤ)またはヘッドアップ表示装置(ＨＵＤ)タイプであって、「シースルー」タイプの虚像表示用システムが１０により示されている。「シースルー」タイプにおいては、システムによって生成された画像は、観測者１２に対して表示され、表示装置システム１０の透明若しくは半透明部分により見ることができるバックグラウンド上に重ね合わされる。
表示装置システム１０は画像生成装置１６を備える。前記装置は、既知のタイプのいずれであっても良い。画像生成装置１６は、例えば透過若しくは反射で作動する液晶タイプ、ＣＲＴ表示装置、または有機若しくは無機エレクトロルミネセンス表示装置の超小型表示装置から構成されていても良い。
画像生成装置１６は、一連の適切なレンズから構成され、また、画像生成装置１６によって作り出される実像に対する虚像を発生させる光学システム１８に連結されている。虚像は、観測者１２に対して画像を表示することを意図した距離（１メートルから無限まで及ぶ距離）に発生させても良い。光は、平行なビーム(無限に離れた場所での画像の場合)を重ね合せたものが光学システム１８から出射される。前記平行ビームは、異なった方向へ広がり、全視界をカバーする。
好ましい実施形態では、表示装置は、ＳＶＧＡタイプ(つまり８００×６００画素)の形式を有している。超小型表示装置の個々の画素は正方形で、１０〜１５μｍの一次元のディメンジョンを有し、虚像を形成するための光学システム１８により生み出された視野は、２４°×１８°である。別の好ましい実施形態では、表示装置はＱＶＧＡ形式(つまり３２０×２４０画素)を有しており、また、光学システム１８により生み出された視野は１６°×１２°である。さらに、好ましい実施形態が下記に記載されている。１２°×９°の視野を備えたＱＶＧＡ形式、１６°×１２°の視野を備えたＶＧＡ(６４０×４８０)形式、および２４°×１８°の視野を備えたＶＧＡ形式である。
本発明に係る表示装置システム１０は、２つの主面２２'を有する透明若しくは半透明の材料からなる板状体２２を備える光ガイド部材２０を有する。光ガイド部材のボディ２２は、ガラス、ポリカーボネート若しくはポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)により作られていてもよい。光ガイド部材のボディ２２は、好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍの膜厚を備える。光ガイド部材のボディ２２は、少なくとも１つの主面２２'を有する。主面２２'は、平面でなくてもよく、２つの平面が平行でなくてもよい。
光ガイド部材２０は、カップリング部材２４を備える。前記カップリング部材２４は、光学システム１８から出射される光ビームを受け取り、そして、光ガイド部材のボディ２２とビームとを結合させる。カップリング部材２４は、光ガイド部材のボディ２２と結合された光学要素から構成されても良い。図３の中に図示された実施形態では、カップリング部材２４は、以下のプリズムから構成される。前記プリズムは、光ガイド部材のボディ２２の主面２２'と平行な入射面２４'、光ガイド部材のボディ２２の主面２２'に対して垂直の出射面２４"、および切り落とされてなる平面２５を有する。前記平面２５は、全反射若しくは部分反射しており、さらに表面２４'、２４"に対して傾いている。図４に示した変形例では、カップリング部材２４は以下のプリズムから構成される。前記プリズムは、光ガイド部材のボディ２２の主面２２'に対して傾いた入射面２４'、光ガイド部材のボディ２２の主面２２'に直角の出射面２４"、また不透明であって、切り落とされてなる表面２５を有している。
両方の場合において、光学システム１８により出射される光ビームは、光ガイド部材のボディ２２の内部へ向かい、そして内部全反射角より大きな角度で伝播し始める。そのために、光学システム１８により発生した一連のビームと光ガイド部材のボディ２２の経路間にあるカップリング部材２４の外面的形態は、ボディ２２の主面の垂直方向に対して角度αで各ビームが衝突するように形成される。角度αは、次のように定義された臨界角θｌｉｍより大きい。
Figure 2004157520
ここでｎは、光ガイド部材のボディ２２を構成する材料の屈折率である。すべてのビームは、エネルギーを損失しないでボディ２２の中を伝播する。双方の変形例では、カップリング部材２４の入射面２４'は平面または曲面であってもよい。カップリング部材２４の入射面２４'は、回折格子から構成されてもよい。
光は、３９°〜４５°の最小入射角、および５５°〜６５°の最大入射角で、光ガイド部材のボディ２２の中を伝播する。臨界角は、例えばポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate(ＰＭＭＡ))の場合では４１.８°である。
本発明に係る光ガイド部材２２は、画像取出しシステム２８を備える。前記システム２８は、光ガイド部材２２の主面のうちの１つ２２'に近接するように位置する半透明な回折格子から成る。図６に図示されているように、前記回折格子２８は、表面２８'を有するのこぎり歯形状を備える。前記表面２８'は、主面２２'に対して傾けられ、主面２２'に対して略垂直の表面２８"により切り落とされている。回折格子は、表面２８'上に主に積層された薄い半反射層で被覆される。半反射層は、次に、実質的に光ガイド部材２２と同じ屈折率を有するとともに、回折格子２８に面して回折格子の凹凸に沿った表面と、光ガイド部材２２の主面２２'と平行で平らな面とを有する材料の層で被覆される。
表面２８'は、光ガイド部材の中を伝播した光の一部を、内部全反射によって反射し、反射の法則により光ガイド部材内における伝播の角度を変更する。光の残りの部分は、表面２８'を乱されず通過し、そして、それが再び回折格子のマトリクスにあたるまで、光ガイド部材を伝播し続ける。ミクロミラーによって反射された光と、透過された光との間の比率は、専ら被覆材の反射率に依存する。析出工程に特定のプロセスを用いて表面２８”上の反射被覆材が実質的に無いようにすれば、光と切り落とされてなる表面２８"との間の相互作用が最小に抑えられる。
光ビームは、光ガイド部材の中を、光ガイド部材のボディ２２の主面に対して平行な方向に伝播し、そして、回折格子２８に入射する。視界の中央方向のビームが、光ガイド部材のボディ２２の面に対して直角の方向へ取り出されるように、表面２８'は互いに平行であり、光ガイド部材のボディ２２の面に対して傾いている。
表面２８'は、表面２８"を通過するビームの一部が、逸脱することなく、光ガイド部材のボディ２２の中を伝播するように、光ガイド部材のボディ２２が形成されている材料と同一の材料内に完全に埋め込まれているか、若しくは、種類は異なるが同じ屈折率を有する２つの材料間に包含されている。
ビームが画像取出し構造２８に達すると、ビームは表面２８'と相互作用する。光ビームが、臨界角より小さな角度で反対の面に衝突するとすれば、光ビームのエネルギーの一部分が、光ガイド部材のボディから離れ、取り出される。ビームのエネルギーの残りの部分は、表面２８"を介して伝達され、光ガイド部材のボディ２２の基礎面による内部全反射によって反射され、伝播し、次の反射で表面２８'と再び相互作用する。
図の中の具体例として図示された実施形態の中で、画像取出し構造２８は、光ガイド部材のボディ２２の面と平行な面であって、主面の近くの面にある。別の実施の形態では、画像取出し構造２８は、光の伝播の方向に対して傾けられ、光ガイド部材のボディ２２の２つの平行面２２'に切り込みを入れられた面上に設置しても良い。さらに別の実施の形態として、画像取出し構造２８は、光ガイド部材のボディ２２に埋没した曲面状または非曲面状の表面上に設置しても良い。
好ましい実施形態では、回折格子２８のピッチは５００マイクロメートルであり、また、視野の水平方向のビームは、４３°〜５９°の角度で伝播する(それは、光ガイド部材からの水平視野２４°に相当する)。ミクロミラーの表面２８'の傾斜は２５.５°である。視野の中央の方向に対応するビームが、５１°の角度で光ガイド部材内を伝播した後、再び垂直方向へ光ガイド部材から取り出されるように、傾斜が計算される。
第２の発明によれば、画像取出し構造２８は次の工程により得ても良い。例えば射出成形または鋳込成形により光ガイド部材のボディ２２を形成する工程(光ガイド部材のボディの表面の一部がのこぎり歯形(線形のフレネル回折格子のような歯形)に形成される)と、
真空チャンバーにおいて例えば蒸発させることによって、のこぎり歯形状上に反射層を析出させる工程(高い反射率を保証し、また着色の効果が大きく影響しないように、反射層は、例えば、銀またはアルミニウムで作られる)と、
光ガイド部材のボディのものと実質的に等しい光学的性質(屈折率、色度および透明度)を備える高分子材料を鋳込成形して、平行面を備える光ガイド部材のボディ内にのこぎり歯形状の歯を包み込む工程とにより画像取出し構造２８は得られる。
析出プロセスは、歯の切り落とされてなる垂直表面２８"が反射剤によって被覆されていないように非常に異方性の高い方法により行っても良い。
被覆材の厚さが、画像取出し構造の形状の全体にわたって一定ならば、個々の表面２８'の反射率は一定になる。表面２８'の反射率の値は一定であっても良く、０.１０〜０.３０に含まれていても良い。
個々の表面２８'の反射率ρが一定ならば、取り出された画像の強度Ｉは、ビームの連続取り出しの回数とともに次第に減少する。まず概略すると、第ｎ番目の各ビームの取り出された画像は、次の強度を有している。
Figure 2004157520
連続取り出しにおいて取り出されたビームの強度間の比率は、次のように与えられる。
Figure 2004157520
ビームスプリッターに基づいて光ガイド部材から光を取り出すための古典的システムにおいて、光ガイド部材の透過率τ(つまりバックグラウンドから観測者に届く光の比率)および光ガイド部材内の光の取り出し効率ρは、以下の関係式によって結びつけられる。
Figure 2004157520
従って、例えば、８０％の透過率は、２０％の取り出し効率に相当する。本発明の解決方法では、上記とは違って、何回も連続的に取り出すことによって、取り出されるエネルギーの量を増加させることが可能であり、そのため、一回だけの取り出しに対して有効な前関係式に反する。実際に、もし、ρｅｆｆがシステムの全取り出し効率であり、そしてρが個々の取り出しの取り出し効率であるとするなら、ｎ回の取り出しの後に、以下の式が得られる。
Figure 2004157520
例えば、ρ＝０.２では、２回の取り出しの後、全効率はρｅｆｆ＝０．３６となり、３回の取り出しの後、全効率はρｅｆｆ＝０．４８８に上昇することが分かる。すべての場合において光ガイド部材の透過率τは０．８に等しいままである。言いかえればτ＋ρ＝１であるが、しかしτ＋ρｅｆｆ≧１である。
視野内で、輝度が３０％以上変化しないように、ユーザの目の位置を決定することが可能である。均一性欠如の値３０％とは、均一性の欠如がユーザによって知覚されないように人間の目が自動的に補償することができる値である (ファーレル、ブース、１９８４年、「イメージ演出装置用のデザインハンドブック」)。
別の実施の形態においては、表面２８'に、反射率を変えることができる反射被覆材を用いることにより、均一性の欠如を補償しても良い。例えば、表面２８'の反射率は変化させることもでき、０.１５〜０.２の範囲に、または０.２〜０.２６の範囲にあっても良い。
しかしながら、可変反射率は、また光ガイド部材のボディ２２の可変透過率を意味する。言いかえれば、光ガイド部材を介して見るバックグラウンドの見え方が、光ガイド部材に対する目の位置に依存してしまう。したがって、光ガイド部材の反射率(従って透過率) の変化量が３０％より大きくならないように(上記の理由のため)、反射率を変えることができる被覆材を用いても良い。たとえ、反射率が一定の被覆材と比較して高価であっても、目の可動範囲(eye-motion box)の内の輝度の均一性の欠如を全部または一部補償するために、反射率を変えることができる被覆材を使用しても良い。
本発明の好ましい実施形態では、ビームが光ガイド部材のボディの中を伝播する際に、伝播の方向において面２２'のあらゆる部分が、すべてのビームに接触するように、カップリング部材２４が配置される。言いかえれば、図７において、もし、ある１つの方向へ伝播する単一のビームを考えると、第ｎ番目の反射においてビームを反射する光ガイド部材のボディ２２の表面の領域は、第(ｎ＋１)番目の反射においてビームを反射する光ガイド部材のボディ２２の領域に近い。これは、光ビームを取り出すように意図された、光ガイド部材のいずれの位置においても、前記ビームが実際に存在することを保証する。
以下のような条件式が得られる。
Figure 2004157520
ここで、ｌは板の表面に投影されたビームのサイズであり、ｄは厚さであり、そしてαは伝播の内部角である。
図８は、前述の条件が認められない場合を図示する。衝突される線を有しない三角形部分は、反射されたビームによって衝突されない表面の領域を示す。
それぞれのビームが、常に隣接するように反射する（図７の状態）場合の光ガイド部材ボディ内の伝播の形状は、取り出しのときに有用である。それは、第ｎ回目の反射で取り出されたビームの一部が、重畳することなくまたはスペースなく、第(ｎ＋１)回目の反射で取り出されたビームの一部に完全に隣接しているからである。このことは、構造から一般的な方向へ取り出されたビームは、一次元のディメンジョンｌ'(光ガイド部材内の伝播の方向)を有することを意味する。一次元のディメンジョンｌ'は、光ガイド部材内を伝播するビームの一次元のディメンジョン(前にｌにより示されている)に、ビームが受けた取り出しの回数を掛けられたものと等しい。伝播の方向に対して直角の方向では、この掛け合わせの効果は明らかに得られない。実質的な効果は、伝播の方向(図２の中に水平の方向として示されている)にイメージ発生システムの射出ひとみが拡張することである。取り出し分布形状を定量することを、形状的に評価しても良い。ｌ'は、光ガイド部材における伝播の方向の、取り出されたビームの一次元のディメンジョンであり、また、αが、距離ｄでの最大の半発散角(つまり水平視野の半分)であるならば、「アイモーションボックス」ＥＭＢは、以下のように与えられる。
Figure 2004157520
この計算は、取り出しの方向(つまり水平の方向)、および取出し方向に対して直角の方向(つまり垂直方向)の取り出し分布形状を評価するのに有効である。第１の場合、ｌ'は多数回取り出しによるディメンジョンの増加に起因する幅である。第２の場合、ｌ'は全く掛け合わせることがない単なるビームの幅である。発明者らが水平のディメンジョンと等しいＥＭＢの垂直のディメンジョンを考慮するならば、これは、入射時においてビームの垂直のディメンジョンがビームの水平のディメンジョンより大きいことが予め予想される。
一般的に、「アイリリーフ距離(eye-relief distance)」若しくはＥＲＤとして知られている光ガイド部材と観測者間の距離ｄは、光ガイド部材が、ユーザが着用していた眼鏡に機械的に邪魔をしないように、２０〜２５ｍｍの最小値と少なくとも等しくなければならない。
図９に関して、本発明に係る光ガイド部材の第２の実施形態では、埋め込まれたマイクロミラーとともに２つの半反射回折格子３０、３２を備える。第１の半反射回折格子３０は、垂直の方向へ射出ひとみを広げ、またそれと同時に光ガイド部材のボディ２２内に伝播する方向を９０°(垂直から水平に)、方向転換させる機能を有している。第２の半反射回折格子３２は、水平の方向へ射出ひとみを広げ、それと同時に、光ガイド部材から光を取り出す機能を有している。(ある意味では、埋め込まれた上記の実施形態である構造２６により行われるものと実質的に等しい)。
回折格子３０および３２は、光ガイド部材２２の主面２２'のうちの１つの近くに位置する。両回折格子は同じ面にあってもよいし、あるいは、回折格子３０および３２は、対向する二つの面付近に位置しても良い。回折格子３０(３２)はのこぎり歯状の形状を有する。表面３０'(３２')は、主面２２'に対して傾いており、また表面３０"(３２")により切り落とされてなる。表面３０"(３２")は、表面２２'に対して略垂直である。
回折格子３０(３２)は、薄い半反射層で被覆され、その半反射層は主に表面(３２')３０'に形成される。次に、半反射層は、実質的に光ガイド部材２２と同じ屈折率を有するとともに、回折格子３０(３２)に面する表面であって、その形状が形成された表面と、光ガイド部材２２の主面２２'に対して平行である平面とを有する材料の層で被覆される。光ガイド部材内を垂直方向へ伝播しながら、ビームは第１の構造３０にあたる。回折格子３０の表面３０'は互いに平行であり、光ガイド部材のボディ２２の中を伝播するビームが９０°方向転換するように、表面３０'は傾いており、垂直から水平に伝播の方向を変える。連続反射において表面３０'によって反射されたビームの強度比が、構造の全体にわたって実質的に一定になるように、表面３０'は、部分的に、伝播の方向(垂直の方向)に対して反射率が一定若しくは増加するように反射している。一定の反射率の場合には、反射率の値は、０.１５〜０.２５の間に含まれる。ビーム方向転換構造３０の反射率が可変である場合において、反射率の値の変化量の範囲は、０.１０〜０.９０、０.３０〜０.９０、０.２０〜０.９０の範囲とすることができる。
ビーム方向転換構造３０の反射率の変化範囲が、取り出し構造３２の反射率の範囲より実質的に広いということに注意しなければならない。取出し構造３２が観測者の視野内に置かれ、したがって、３０％以上の透過率の均一性を保証しなければならない一方(ファーレル、ブース、１９８４年、「イメージ演出装置用のデザインハンドブック」)、ビーム方向転換構造３０は観測者の視野の外に位置してもよく、その上、３０％を越える透過率の均一性欠如を示してもよいからである。表面３０'によって透過されたビームの一部分が、散逸することなく、光ガイド部材の中を伝播するように、構造３０は、光ガイド部材のボディ２２が作られた材料と同一の材料の中に完全に埋め込まれているか、若しくは、材料の種類は異なるけれども同じ屈折率を有する２つの材料間でパックされている。
垂直方向へ光ガイド部材の中を伝播するビームが、第１の構造３０に達するとき、ビームは反射被覆材と相互作用する。光ガイド部材の面２２'に対して同じ入射角で(しかし水平の方向ではない)、光ガイド部材の中を伝播し続けるように、ビームの比率はかたよっている。被覆材を透過したビームの一部は、内部全反射によって、光ガイド部材の主面で反射され、さらに垂直方向へ伝播し続け、後の反射で表面３０'と再び相互作用する。
好ましい実施形態では、第１の構造３０のピッチは５００マイクロメートルであり、また、反射面３０'の傾斜はおよそ３０°である。
方向転換した後、ビームは、第２の構造３２にあたるまで、光ガイド部材のボディ２２の中を水平方向に伝播する。前記構造は実質的に先の実施形態において記述されたものと同じであり、同じ機能を発揮する。それぞれのビームが他のビームと常に隣接するように反射されるような場合(図７の状態)の光ガイド部材のボディ２２内の伝播の幾何形状は、第１の構造３０によって９０°方向転換されるとき、および第２の構造３２によって取り出されるとき、有用である。それは、第ｎ回目の反射で取り出されたビームの一部分が、重畳することなくまたはスペースが空くこともなく、第(ｎ＋１)回目の反射で取り出された部分に完全に隣接しているからである。これは、構造体から一般的な方向へ取り出されたビームは、水平(あるいは垂直)方向の一次元のディメンジョンｌ'を有することを意味する。一次元のディメンジョンｌ'は、光ガイド部材を伝播しているビームの一次元のディメンジョン(前にｌによって示された)にビームが受けた取り出し(あるいは散逸)の回数を掛けたものと等しい。
実質的な効果は、第１の構造３０により垂直方向に、そして第２の構造３２により水平方向に画像生成システムの射出ひとみを広げることである。
市場に存在する画像射影用の光学的解決方法と比較して、本発明に係る解決方法は多数の利点を提供する。例えば、製作コストが安いこと、着色の影響がないこと、透過および取り出しにおいて回折の効果がないこと、取り出し効率が良好であること、そしてシースルー特性が優れていることなどである。
図１は本発明に係る光ガイド部材を備える表示装置の模式的に例示したものである。 図２は本発明に係る光ガイド部材の第１の実施形態を図示する模式的斜視図である。 図３は図１中の矢IIIによって示されたカップリング部材を拡大した模式図である。 図４は図３のカップリング部材の変形例を図示した模式図である。 図５は図１の中の矢Ｖによって示された部分の拡大模式的細部図である。 図６は本発明に係る画像取出し用システムの操作原理を示す模式図である。 図７は光ガイド部材内の光の伝播のモードを模式的に例示したものである。 図８は光ガイド部材内の光の伝播のモードを模式的に例示したものである。 図９は本発明に係る光ガイド部材の第２の実施形態を図示した模式的斜視図である。

Claims (43)

  1. ヘッド・マウント型またはヘッドアップ型の表示装置用光ガイド部材であって、
    可視光に対して少なくとも部分的に透過性を有する光ガイド部材のボディ(２２)と、
    前記光ガイド部材のボディ(２２)に付随するとともに、ボディ（２２)と画像が発生するよう設計された光学システム（１８)とを連結するよう設計されたカップリング部材（２４)であって、前記光学システム（１８)から来る光ビームが前記光ガイド部材のボディ(２２)に入射し、内部全反射によって前記ボディ（２２)の中を伝播するように配置されたカップリング部材（２４)と、
    前記光ガイド部材のボディ(２２)を介して観測者が取り出される画像を透明のバックグラウンド上に視覚できるように、光ガイド部材のボディ(２２)の中を伝播する光ビームを取り出すように設計された画像取り出し回折格子と、を備え、
    前記光ガイド部材の取り出し回折格子(３２)が、前記光ガイド部材の外部表面のうちの１つの近くに設置され、さらに前記取り出し回折格子(３２)がのこぎり歯状の形状を有し、
    また、光ガイド部材の表面(２２)に対して僅かに傾けられた歯の表面上に主に配置された前記取り出し回折格子(３２)は、部分的反射被覆材で覆われ、
    さらに、実質的に光ガイド部材のボディ(２２)と同じ屈折率を有するとともに、取り出し回折格子(３２)に面し、のこぎり歯状の形状が形成された表面と、回折格子が作製された領域の光ガイド部材の外部表面と略平行なもう一つの平面とを有する材料の層により前記被覆材が被覆されていることを特徴とする光ガイド部材。
  2. 前記カップリング部材(２４)と前記画像取出し回折格子(３２)の経路間にビーム方向転換回折格子(３０)を備えることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  3. 前記方向転換回折格子(３０)が、光ガイド部材の外部表面のうちの１つの近くに設置され、さらにのこぎり歯状の形状を有しており、
    また、光ガイド部材の表面(２２)に対して僅かに傾けられた歯の表面上に主に配置された前記取り出し回折格子(３２)が、部分反射金属層で被覆され、
    さらに、前記金属層が、実質的に光ガイド部材のボディ(２２)と同じ屈折率を有するとともに、取り出し回折格子(３２)ののこぎり歯状の形状を形成する一方の表面と、回折格子が作られた領域の光ガイド部材の外部表面と略平行であるもう一方の平面とを有している材料の層により被覆されていることを特徴とする請求項２記載の光ガイド部材。
  4. 前記取り出し回折格子(３２)が、複数の連続反射で光が取り出されるように、さらにビームの伝播方向の成分方向であって、光ガイド部材のボディ(２２)の主面と平行な成分方向に沿って射出ひとみが広がるように作製されることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  5. 前記光が、ビームの伝播方向の成分方向であって、光ガイド部材のボディ(２２)の平面と平行な成分方向に沿って射出ひとみが広がるように、複数の連続反射で方向転換されることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  6. ビームの伝播方向の成分方向であって、光ガイド部材のボディ(２２)の主面と平行な成分方向に射出ひとみが広がるように、光が複数の連続反射で方向転換され、前記成分方向と直角の方向に射出ひとみが広がるように、光が複数の連続反射で取り出されることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  7. ビームが、伝播方向の光ガイド部材の表面のすべての部分に触れながら、光ガイド部材のボディ(２２)の中を伝播するように、カップリング部材(２４)が配置されることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  8. 前記回折格子の反射率が一定であり、さらに０.１５〜０.２５の間にあることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  9. 前記回折格子の反射率が変化しており、さらに０.１５〜０.２の間にあることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  10. 前記回折格子の反射率が変化しており、さらに０.２０〜０.２６の間にあることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  11. 前記ビーム方向転換回折格子(３０)の反射率が一定であり、さらに０.１５〜０.２５の間にあることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  12. 前記ビーム方向転換回折格子(３０)の反射率が変化しており、さらに０.２０〜０.９０の間にあることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  13. 前記ビーム方向転換回折格子の反射率が変化しており、さらに０.３０〜０.９０の間にあることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  14. 前記ビーム方向転換回折格子の反射率が変化しており、さらに０.１０〜０.９０の間にあることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  15. 前記のこぎり歯形の表面が、クロムとアルミニウムを含む群から選択された材料により被覆されていることを特徴とする請求項３記載の光ガイド部材。
  16. 前記画像取り出し回折格子(２６)が、光ガイド部材のボディ(２２)の主面(２２')と平行な面であって、観測者から最も離れた面上にあることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  17. 前記画像取り出し回折格子(２６)が、光ガイド部材のボディ(２２)の主面(２２')に対して傾けられた平面にあり、さらに前記平面が光ガイド部材のボディ(２２)の２つの平行面(２２')を切り落とされてなることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  18. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、ガラス、ポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレートを含む群から選択された材料からなることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  19. 前記光が、３９°〜４５°の最小入射角、そして５５°〜６５°の最大入射角で、光ガイド部材のボディ(２２)の中を伝播することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  20. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、２ｍｍ〜５ｍｍの膜厚を有していることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  21. 前記カップリング部材(２４)が、平らな入射面(２４')を有することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  22. 前記カップリング部材(２４)が、曲面状の入射面(２４')を有することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  23. 前記カップリング部材(２４)が、回折格子からなる入射面(２４')を有することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  24. 前記カップリング部材(２４)が、光ガイド部材のボディ(２２)の平面(２２')と平行な入射面(２４')と、前記平面(２２')に直角の出射面と、また全体的若しくは部分的に反射可能な切り落とされてなる平面(２５)であって、入射面(２４')および出射面(２４")に対して傾けられてなる平面(２５)とを有するプリズムであることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  25. 前記カップリング部材(２４)が、光ガイド部材のボディ(２２)の平面(２２')に対して傾けられてなる入射面(２４')と、前記平面(２２')に対して直角の出射面(２４")とまた不透過性の切り落とされてなる面(２５)とを有するプリズムであることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  26. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、平らでない主面(２２')を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  27. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、眼鏡用レンズに結合されてなることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  28. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、眼鏡用レンズに結合されてなることを特徴とする請求項２記載の光ガイド部材。
  29. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、眼鏡フレームに取り付けられ、観測者の視野内に位置することを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  30. 前記光ガイド部材のボディ(２２)が、眼鏡フレームに取り付けられ、観測者の視野内に位置することを特徴とする請求項２記載の光ガイド部材。
  31. 前記表示装置が、２４°×１８°の視野を有していることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  32. 前記表示装置が、２４°×１８°の視野を有していることを特徴とする請求項２記載の光ガイド部材。
  33. 前記表示装置が、１６°×１２°の視野を有していることを特徴とする請求項１記載の光ガイド部材。
  34. 前記表示装置が、１６°×１２°の視野を有していることを特徴とする請求項２記載の光ガイド部材。
  35. 請求項１に係る光ガイド部材を作製する方法であって、
    ａ)射出成形、高温エンボス加工、鋳込成形からなる群に属する方法のうちの１つを用いて、表面上に作製されたのこぎり歯状の回折格子(２８、３０、３２)を備える光ガイド部材を成形する工程と、
    ｂ) 光ガイド部材表面ののこぎり歯状の回折格子(２８、３０、３２)以外の部分をマスクする工程と、
    ｃ)のこぎり歯状の回折格子上に、反射率を変えることができる金属層を積層する工程と、
    ｄ)マスクを除去する工程と、
    ｅ)鋳込成形用の鋳型の中へ光ガイド部材を挿入する工程と、
    ｆ)回折格子の表面上に樹脂を積層する工程と、
    さらにｇ)樹脂を重合する工程とを備え、
    ｂ)〜ｇ)の工程が、光ガイド部材に存在する個々ののこぎり歯状回折格子に対して繰り返されることを特徴とする光ガイド部材作成方法。
  36. 前記プロセスが、浸漬により作製された防護用被覆材を積層する工程を備えることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  37. 工程ｃ)における金属層の積層が、ＣＶＤ、ＰＶＤまたはスパッタリングによって行なわれることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  38. 工程ｆ)における樹脂の積層が、鋳込成形によって行なわれることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  39. 工程ｇ)における樹脂の重合が、加熱手段またはＵＶ照射手段によって行なわれることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  40. 金属層の積層に先立って、基板上に金属層を容易に付着させるためのプラズマ処理または薬品処理が用いられることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  41. 光ガイド部材と蒸発させられる金属を含んでいる坩堝との間に設置された穴空きマスクに対するガイドの相対的な位置にしたがって反射率が変化した被覆材が得られることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  42. マスクの形状が、得ようとする反射率の分布により決定されることを特徴とする請求項４１記載の方法。
  43. 工程ｆ)の後、かつ工程ｇ)の前に、樹脂上に、被覆材の上面の平坦度を保証するために、薄いガラスが積層されることを特徴とする請求項４１記載の方法。
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