JP2008112187A - 表示装置におけるビーム光拡大方法およびシステム - Google Patents

表示装置におけるビーム光拡大方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】射出ひとみエクステンダ内での配光時における色の均一性を改良する技術の提供を図る。
【解決手段】ほぼ平らな光導波部材60の第１の面32と第２の面52との間で光波が進むにつれて、連続する内部反射に実質的に基づいて前記光導波用部材内で前記光波を導き、該光波が、少なくとも異なる第１および第２の色の第１および第２の光波を具備する光結合手段と、を具備する光デバイスにおいて、第１の反射角で前記第１の光波を内部反射し、前記第１または第２の面の垂直面に関して前記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で前記第２の光波を内部反射し、前記第２の面52から前記第１の面32へ向かって前記第２の光波が進むにつれて、境界面を通して前記第１の光波を透過可能としながら、前記第２の面へ向かって前記第２の光波を反射するように、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた少なくとも１つのほぼ平らな前記境界面を具備するように構成する。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、広く、携帯用デバイスで使用する表示装置に関し、特に、閲覧用表示装置の射出ひとみを拡張する１または２以上の回折素子を使用する表示装置に関する。
低解像度の液晶表示（ＬＣＤ）パネルを使用して、ネットワーク情報とテキストメッセージとを表示することが移動通信装置では一般的な方法であるが、テキストと画像の豊富な情報内容を閲覧できる高解像度の表示装置を使用する方が望ましい。マイクロ表示装置ベースのシステムは、１ｍｍ当たり５０〜１００行でフルカラーのピクセルを出力することができる。このような高解像度は、一般に、仮想表示用として適している。仮想表示装置は、典型的には、画像を表示するマイクロ表示装置と、画像から現れる光を操作して、直視型表示パネルと同じ大きさに画像を感知できるようにする光学的構成とから構成される。仮想表示装置は単眼式または双眼式装置にすることができる。
結像光学系から人間の目へ向かって現れる光ビームのサイズを射出ひとみ（exit pupil）と呼ぶ。覗き込み型ディスプレイ（Near-Eye Display：ＮＥＤ）では、射出ひとみは通常直径１０ｍｍのオーダーのものである。射出ひとみをさらに拡大することによって、仮想表示の利用は大幅に容易になる。というのは、人間の目からある一定の距離に置くことができるからである。したがって、このような表示装置は、自明の理によって、もはやＮＥＤとして適格なものではなくなる。ヘッドアップ・ディスプレイは十分に大きな射出ひとみを用いた仮想表示装置の１例である。
国際公開番号ＷＯ９９／５２００２には、仮想表示装置の射出ひとみを拡大する方法が開示されている。この開示された方法では、３つの連続するホログラフィ光学素子（ＨＯＥ）を用いて射出ひとみが拡大される。特に、ＨＯＥは図１に図示のような平らな光透過基板６上に配設された回析格子素子である。図示のように、画像ソース２から出た光は、基板６の１つの側部に設けた第１のＨＯＥすなわちＨ１に対する入射光である。基板６の中へ結合されたＨ１から出た光は、第２のＨＯＥすなわちＨ２へ向けられ、そこで配光は１つの方向に拡大される。Ｈ２もこの拡大された配光を第３のＨＯＥすなわちＨ３へ再指向させ、そこで、上記配光は別の方向にさらに拡大される。ホログラフィエレメントは基板６のいずれの側に在るものであってもよい。Ｈ３も、Ｈ３が配置されている基板面から外へ向かってこの拡大された配光の再指向を行う。光学系は、図１に図示のように、光ビームの一般的方向を維持するビーム光拡大用素子として作動する。このような素子は射出ひとみエクステンダ（exit pupil extender：ＥＰＥ）と呼ばれている。
図１に図示のようなＥＰＥは結果として色むらを生み、そのため再現されるバーチャル画像の品質の低下をもたらすことになる。色むらは異なる色の光ビームが、図２に図示のように基板６内の異なる経路を進むという事実に起因して生じるものである。例示を目的として、λ1とλ2とによって表す２色のみを用いて、従来技術のＥＰＥにおける色むらのソースを示すことにする（ここで、λ1＜λ2）。
図２では、２つのＨＯＥしか用いられていないが、色むらのソースは３つまたはそれ以上のＨＯＥを使用する場合でも同じである。第１のＨＯＥすなわちＨ１は、一般に、基板６の中へ入射光を結合し、次いで、基板６内の配光を第２のＨＯＥすなわちＨ２の方へ向ける、平行な回析縞から成る回析構造を有する。基板は、主として総内反射（ＴＩＲ）によって基板の２つの表面間で光ビームを捕捉する光導波路として機能する。図２に図示のように、回折素子Ｈ１とＨ２の双方が基板６の下面に設けられる。このような光デバイスでは、ＴＩＲは上面側のみで完了する。というのは、光の一部が基板の下面から視る人の目へ向かって外側へ回折されるからである。
基板６の内部の回折角が下式によって決定されることが知られている。
ｓｉｎ（θi）−ｎ ｓｉｎ（θm）＝ｍ λ／ｄ （１）
ここで、
ｄは回折素子（この場合Ｈ１）の格子周期、
λは波長、
ｎは基板の屈折率、
ｍは回折次数、
θiは入射角、そして、
θmはｍ番目の次数における回折角である。
数式１からわかるように、回折角θmは波長λと共に増加する。したがって、回折角θm1は回折角θm2よりも小さくなる。この結果、２つの連続するＴＩＲ間の間隔Ｌも波長と共に変動する。λ1の間隔Ｌ１はλ2の間隔Ｌ２よりも狭くなる。したがって、η方向の送出配光はすべての波長について均一ではなくなる（図６を参照のこと）。ここで、出力信号が１つの波長（青など。図６を参照のこと）について均質となるように格子構造を設計することは可能である。図２でわかるように、短い方の波長λ1が、回折素子Ｈ２上でλ2よりも多くの“ヒット”を経験する。その結果、短い方の波長λ1の多くの光がＨ１の近くの領域内の回折素子Ｈ２の中から“漏出する”。３原色（赤、緑、青）が用いる表示装置では、図２のＥＰＥに起因してムラのある光の色分布が生じる。これによって、Ｈ１に対して相対的に、近端部では色が青っぽく現れ、遠端部では色が赤っぽく現れる場合がある。η方向に沿って距離が増すにつれて、むらのある色分布はさらに顕著になる。
Ｈ２が配置されている基板６の下面から、あるいは、上面から光が“漏出する”可能性があることに留意されたい。上面からの送出配光は下面からの送出配光の場合と同様である。
射出ひとみエクステンダ内での配光時における色の均一性を改良する方法およびシステムを提供することが好都合であり、望ましい。
異なる波長に対する連続する総内反射間の間隔の差を小さくするか、この差を取り除くことが本発明の主要な目的である。この目的の達成は、複数の層を設けた基板を用いて、１つの色の総内反射が異なる層表面で生じるようにすることにより可能となる。
したがって、本発明の第１の形態によれば、光デバイスが提供され、上記光デバイスは、
第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
上記光導波用部材の中へ光波を結合するための、上記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、上記第１の面と第２の面との間で上記光波が進むにつれて、上記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて上記光導波用部材内で上記光波を導き、さらに、上記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを含む光結合手段と、を具備し、さらに前記光デバイスは、上記第１の反射角で上記第１の光波を内部反射し、上記第１の面または第２の面の垂直な面に関して上記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で上記第２の光波を内部反射し、
上記第２の面から上記第１の面へ向かって上記第２の光波が進むにつれて、上記境界面を通して上記第１の光波を透過することを可能にしながら、上記第２の面へ向かって上記第２の光波を反射するように、上記第１の面と上記第２の面との間に設けられた少なくとも１つのほぼ平らな境界面を具備することを特徴とする。
上記第２の面における上記第１の光波による上記連続する内部反射が、第１の反射間隔によって分離された複数の第１の反射点において生じ、上記第２の面における上記第２の光波による上記連続する内部反射が、第２の反射間隔によって分離された複数の第２の反射点において生じる光デバイスは、
上記第１の面と第２の面との間に上記境界面を配置して、上記第１の反射間隔と上記第２の反射間隔間の差を小さくするか、上記差を取り除くようにすることをさらに特徴とする。
好適には、上記第２の面を通して上記光導波用部材の中へ上記光波を結合するように上記光結合手段を配置することが望ましい。
好適には、上記第２の面の一部に出会う上記光波を上記第２の面を通して部分的に透過させるために、光結合手段を上記光導波用部材に対して相対的に配置することが望ましい。
或いは、上記第２の面の一部に出会う上記光波を上記第２の面を通して部分的に透過させるために、さらなる光結合手段を上記光導波用部材に対して相対的に配置して、
上記境界面を通して、次いで上記第１の面を通して上記第２の面の一部に出会う上記光波の一部を透過させ、
上記反射角を保持しながら、上記第２の面から上記第１の面へ向かって上記第２の面の一部に出会う上記光波の別の部分を反射させるようにすることが望ましい。
好適には、上記光結合手段が回折素子を具備することが望ましい。
好適には、上記光結合手段と上記さらなる光結合手段とは上記光導波用部材上に設けたホログラフ回折素子であることが望ましい。
好適には、上記光波は上記第１および第２の色とは異なる第３の色の第３の光波をさらに含み、上記第１および上記第２の反射角よりも小さな第３の反射角で上記第３の光波を内部反射する光デバイスにおいて、
上記第１の面と上記境界面との間にさらなる境界面を設けて、上記さらなる境界面を通して上記第３の光波を透過できるようにしながら、上記第２の面から上記第１の面へ向かって上記第１の光波が進むにつれて、上記第２の面へ向かって上記第１の光波を反射するようにすることが望ましい。
上記光導波用部材が第１の屈折率を有する光学材料からつくられた光デバイスにおいて、
上記境界面が上記第１の屈折率よりも小さな第２の屈折率を有する光学材料からつくられた層であって、それによって、上記境界面における上記第２の光波による反射が総内反射となるようにする。
上記さらなる境界面が、上記第１の屈折率よりも小さな第２の屈折率を有する光学材料からつくられた層であり、それによって、さらなる境界面における上記第１の光波による反射が総内反射となるようにする。
本発明の第２の形態によれば、光デバイスにおける色の均一性を改善する方法が提供され、上記光デバイスは、
第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
光導波用部材の中へ光波を結合するための、上記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、上記第１の面と第２の面との間で上記光波が進むにつれて、上記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて上記光導波用部材内で上記光波を導き、さらに、上記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを含む光結合手段と、を具備し、第１の反射角で上記第１の光波を内部反射し、上記第１の面または第２の面の垂直な面に関して上記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で上記第２の光波を内部反射する方法において、
上記第１の面と上記第２の面との間に少なくとも１つのほぼ平らな境界面を設けて、上記第２の面から上記第１の面へ向かって上記第２の光波が進むにつれて、上記境界面を通して上記第１の光波を透過させることを可能にしながら、上記第２の面へ向かって上記第２の光波を反射させるようにする。
好適には、上記第２の面における上記第１の光波による上記連続する内部反射が、第１の反射間隔によって分離された複数の第１の反射点において生じ、
上記第２の面における上記第２の光波による上記連続する内部反射が、第２の反射間隔によって分離された複数の第２の反射点において生じ、
上記第１の面と第２の面との間に上記境界面を配置して、上記第１の反射間隔と上記第２の反射間隔間の差を小さくするか、上記差を取り除くステップをさらに特徴とすることが望ましい。
上記方法は、上記第２の面を通して上記光導波用部材の中へ上記光波を結合することをさらに特徴とする。
本発明の第３の形態によれば、以下の、
ハウジングと、
閲覧可能情報を示す光波を出力するために上記ハウジング内に設けた画像ソースと、
視る人が上記光デバイスを介して上記閲覧可能情報を閲覧できるようにするために、上記光波を受け取るように上記画像ソースと作動してリンクされた光デバイスと、を具備する電子デバイスが提供され、上記光デバイスは、
第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
光導波用部材の中へ光波を結合するための、上記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、上記第１の面と第２の面との間で上記光波が進むにつれて、上記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて上記光導波用部材内で上記光波を導き、さらに、上記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを含む光結合手段と、を具備し、第１の反射角で上記第１の光波を内部反射し、上記第１の面または第２の面の垂直な面に関して上記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で上記第２の光波を内部反射する電子デバイスにおいて、
上記光デバイスが、上記第１の面と上記第２の面との間に少なくとも１つのほぼ平らな境界面を設けて、上記第２の面から上記第１の面へ向かって上記第２の光波が進むにつれて、上記境界面を通して上記第１の光波を透過させることを可能にしながら、上記第２の面へ向かって上記第２の光波を反射させるようにすることを特徴とする。
好適には、上記第２の面の一部に出会う上記光波を上記第２の面を通して部分的に透過させて、視る人が上記第２の面の上記部分を通して上記閲覧可能情報を閲覧できるようにするために、さらなる光結合手段を上記光導波用部材に対して相対的に配置することが望ましい。
好適には、電子デバイスが、
上記受信信号を示すデータを上記画像ソースへ出力する外部ソースから上記閲覧可能情報を示す信号を受け取るための、上記画像ソースと作動してリンクされる通信手段をさらに特徴とすることが望ましい。
上記電子デバイスは、移動端末装置、コミュニケータ装置、コンピュータ、等であってもよい。
図３ａ〜図９と関連して行う説明を読むとき、本発明は明らかになる。
図２に図示のような均質な基板６を使用する代わりに、本発明の射出ひとみエクステンダ（ＥＰＥ）１０は図３ａ〜３ｃに図示のような複数の層から成る基板６０を使用する。
図３ａに図示のように、基板６０は光学材料からなる第１の層３０と、光学材料からなる第２の層５０とを有し、短い方の波長λ1の総内反射（ＴＩＲ）が空中／基板境界面３２で生じるようになっているのに対して、長い方の波長λ2のＴＩＲは第１の層３０と第２の層５０との間の境界面で生じるようになっている。好適には、第１の層３０と第２の層５０との間に薄膜４０を設けることが望ましい。例えば、薄膜４０は第２の層５０の屈折率よりも低い屈折率を持つ材料からつくられる。第２の層５０がガラスまたはプラスチックからつくられる場合、ＡｌＦ3、ＮＡＦ、氷晶石などから薄膜４０をつくって、短い方の波長の光から赤色光（λ2）を分離することができる。これらの薄膜材料の屈折率は１.３５のオーダーである。したがって、赤色光７２が薄膜４０と第２の層５０との間の境界面で反射されるのに対して、短い方の波長７４の光は薄膜４０を透過することができる境界面３２で反射させる。その場合、第１の層３０と第２の層５０は、異なる光学材料からつくられたものであってもよいし、あるいは、同じ光学材料からつくられたものであってもよい。個々の層の相対的厚さは、第１の回折素子Ｈ１における入射光７０の所定の入射角度θiにおける異なる波長λ1とλ2とに対応する回折角θm1とθm2とによって決定される。基板６０に対する表面垂線Ｎに関して、回折角θm1とθm2は基板６０内の対応する波長の内反射角と同じである。
図３ａに図示のように、λ1の連続するＴＩＲ間の間隔Ｌ１と、λ2の間隔Ｌ２とは、層３０、５０の正確な厚さを選択することによりほぼ同じにすることができる。λ1の回折角θmをθ1、λ2の回折角θmをθ2とし、かつ、第１の層３０の厚さがＴ１で、第２の層５０の厚さをＴ２とすれば、（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ２＝（ｔａｎθ2／ｔａｎθ1）となる。ここで、層３０の屈折率は層５０の屈折率と同じであると仮定する。したがって、短い方の波長λ1が経験する“ヒット”の数は、基板６０の下面５２に設けた回折素子Ｈ２上の長い方の波長λ2による“ヒット”の数とほぼ同じである。図示のように、光８２（λ2）と光８４（λ1）の出口点の数はほぼ同じである。したがって、第２の回折素子Ｈ２の中から回折される出力光８０の色の均一性が改善される（図７〜図９を参照のこと）。しかし、同じ格子から出る短い方の波長と比べると、長い方の波長の回折効率は一般に低い。したがって、十分にバランスのとれたシステムでは間隔長は全く同じというわけではない。この場合、長い方の波長が短い方の波長よりも短い間隔長を有することになる。
図３ａで、送出光８０は、基板６０の下面５２の回折素子Ｈ２から直接現れる。同様に、図３ｂに図示のように短い方の波長λ1の光９２と長い方の波長λ2の光９４とを含む送出光９０は基板６０の上面３２から現れることができる。この場合、回折素子Ｈ２は、反射光７２、７４を、薄膜４０を通して上方へ回折させ、密／疎（dense-rare）境界面３２を通して屈折させる。
図３ａと３ｂは、２つの層３０、５０のみを用いて２つの波長λ1とλ2用の反射面を設け、２つの波長の配光の改善を図るようにするＥＰＥの概略図である。３つのまたはそれ以上の波長用のＥＰＥに対して同じ原理を拡張することができる。図３ｃに図示のように、基板６０は、反射用の３つの境界面を設けるために、光学材料からなる３つの層３６、３４、５０を備える。例えば、入射光７０が赤、緑、青の光から成る場合、３つの回折ビーム光７２（赤）、７６（緑）７４（青）が基板６０内で捕捉される。その場合、青色光用のＴＩＲは空中／基板境界面３２で生じ、緑色光用のＴＩＲは層３４と３６との間の境界面で生じ、赤色光用のＴＩＲは層３４と５０との間の境界面で生じる。
好適には、層３４と層５０との間に薄膜４０を設け、層３４と層３６との間に薄膜４２を設けることが望ましい。緑色光と青色光とから赤色光を分離するために、薄膜４０はＡｌＦ3、ＮＡＦ、あるいは氷晶石であってもよい。しかし、青色光から緑色光を分離するために薄膜４２はさらに低い屈折率を有することが望ましい。１.２のオーダーの屈折率を持つ薄膜材料が米国特許第５，８８２，７７３号明細書（Ｃｈｏｗ他）に開示されている。個々の層の正しい相対的厚さを用いることにより、赤色光の反射間の間隔Ｌ１は、緑色光用の間隔Ｌ２並びに青色光用の間隔Ｌ３にほぼ等しくすることが可能である。
本発明によれば、ＥＰＥ１０は、Ｈ２が１つの方向に配光を拡大するように相互に隣接して配設された２つの回折素子Ｈ１、Ｈ２を備える。回折素子Ｈ１とＨ２との例示構成が図４に図示されている。移動電話、個人用情報機器（ＰＤＡ）、コミュニケータ、携帯用インターネット機器、ハンドヘルド型コンピュータ、デジタルビデオおよびスチルカメラ、着用可能コンピュータ、コンピュータゲーム装置、閲覧用の特殊な接眼式（bring-to-the-eye）製品、その他の携帯用電子装置などの携帯用デバイス１００でＥＰＥ１０を使用することができる。図５に図示のように、携帯用デバイス１００は、外部装置（図示せず）から、並びに、外部装置（図示せず）へ情報の送受信を行う通信ユニット１１２を収納するハウジング１１０を備える。携帯用デバイス１００は、送受信済み情報を処理する制御および処理ユニット１１４、並びに、閲覧用の仮想表示システム１３０も備える。仮想表示システム１３０は、マイクロ表示装置すなわち画像ソース１３２および光学エンジン１３４を備える。制御および処理ユニット１１４は光学エンジン１３４と作動して接続され、画像を表示する画像ソース１３２へ画像データの出力を行う。本発明によれば、ＥＰＥ１０は光学エンジン１３４と光学的にリンクすることができる。
本発明に基づくＥＰＥにおける選択反射制御の原理を例示するために、双眼式表示装置に関するシミュレーション研究が行われてきた。図６〜図９に図示のプロットは、３つの波長：赤、緑、青に対応する距離ηの関数としての強度分布を表わす。縦軸の単位は光子の数であり、横軸の単位はｍｍである。青色波長が表示領域全体にわたって均質になるように格子深度が選択される。
図６では、基板は、図２の基板６と類似した光学材料からなる平板にすぎない。ここで、図２の基板６には色を分離する薄膜は使用されない。３色間での反射間隔Ｌの差に起因して、赤色は表示領域にわたって均質ではない。
図３ａと３ｂに図示のように、緑色光と青色光から赤色光を分離するために１つの薄膜が基板の中へ組み込まれている場合、表示領域にわたって赤色光を均質にすることができる。しかし、緑色光の反射間隔は変更されないため、緑色の出力光の分布は図７に図示のように表示領域にわたって均質ではない。１つの薄膜を利用して緑色と赤色とを青色から分離する場合、表示領域にわたって緑色が均質になるが、これに対して、図８に図示のように赤色は均質にはならない。
図３ｃに例示の薄膜と同様の２つの薄膜を利用して赤色と緑色の反射間隔を別々に変更する場合、３色のすべてが図９に図示のように表示領域にわたって均質になる。図３ｃでは、薄膜４０は緑色と青色から赤色を分離し、薄膜４２が青色から緑色をさらに分離する。
回折素子Ｈ１とＨ２の各々をホログラフ回折素子（ＨＯＥ）あるいは回析光学素子（ＤＯＥ）とすることも可能であることに留意されたい。この名称が示唆するように、ホログラフィ回折素子はホログラフィを用いて形成される素子であり、この素子で少なくとも２つのコヒーレントな光ビームを利用して干渉縞が生みだされる。これとは対照的に、回折光学素子は機械的にまたは化学的に形成することができる。ＥＰＥ１０は２または３以上の回折素子であってもよい。
本発明の目的は異なる波長間でほぼ均一な反射間隔（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を達成することであり、したがって、長い方の波長の光を選択的に反射するために、薄膜４０または４２の代わりに、マルチ層コーティングを利用することも可能となる。さらに、本発明のＥＰＥの適用は仮想表示装置に限定されるものではない。本発明に基づいて、１または２以上の方向の光学的ビーム光の拡大が必要となり、かつ、異なる波長の光が使用されるアプリケーションで平板導波路（基板６０）での選択反射制御を利用することが可能である。回折素子（Ｈ１、Ｈ２）は、実際には、平板導波路内へ光を結合するための光カプラおよび光変調装置である。したがって、ＥＰＥ１０は、図３ａ〜３ｃに図示のように、光の結合と操作を行う目的のために、導波路に隣接して、あるいは、導波路上に設けた平板導波路と複数の光カプラ（または光変調装置）とから構成された光デバイスと見なすことができ、光カプラのうちの１または２以上は回折素子または非回折素子であってもよい。
図５に描かれているように、画像ソース１３２は、シーケンシャルなカラーＬＣＯＳ（シリコン上液晶）装置、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）アレイ、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械的システム）装置においてあるいは送信、反射または放射時に作動する他の任意の好適なマイクロ表示装置であってもよい。
したがって、本発明の好ましい実施形態と関連して本発明について説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、細部を形成する際に本発明の上述の変更、省略、逸脱およびその他の種々の変更、省略、逸脱を行うことができる。
３つの回折素子を用いる射出ひとみエクステンダを示す概略表示である。 従来技術による射出ひとみエクステンダを示す概略表示である。 本発明に基づく射出ひとみエクステンダを示す概略表示であり、この場合、基板の下面から送出光が現れる。 同様の射出ひとみエクステンダを示す概略表示であり、この場合、基板の上面から送出光が現れる。 本発明に基づく別の射出ひとみエクステンダを示す概略表示である。 図３ｃの射出ひとみエクステンダの細部を示す概略表示である。 本発明に基づく射出ひとみエクステンダの異なる図を示す概略表示である。 仮想表示システムを備えた移動通信装置を示す概略表示である。 従来技術によるＥＰＥにおける３色の双眼式仮想表示装置の射出ひとみを介する出力光の分布を示すプロットである。 他の２色から赤色を分離するために１つの薄膜を有するＥＰＥにおける３色の双眼式仮想表示の射出ひとみを介する出力光の分布を示すプロットである。 他の２色から青色を分離するために１つの薄膜を有するＥＰＥにおける３色の双眼式仮想表示の射出ひとみを介する出力光の分布を示すプロットである。 ３色を分離するために２つの薄膜を有するＥＰＥにおける３色の双眼式仮想表示の射出ひとみを介する出力光の分布を示すプロットである。
符号の説明
１０ 射出ひとみエクステンダ（ＥＰＥ）
３０ 第１の層
３２ 空中／基板境界面
３４，３６ 層
４０ 薄膜
５０ 第２の層
５２ 基板の下面
６０ 基板
７０ 入射光
７２ 赤色光（反射光：赤）
７４ 短い方の波長（反射光：青）
７６ 反射光（緑）
８０ 出力光
９０ 送出光
９２ 短い方の波長の光
９４ 長い方の波長の光
１００ 携帯用デバイス
１１０ ハウジング
１１２ 通信ユニット
１１４ 処理ユニット
１３０ 仮想表示システム
１３２ マイクロ表示装置（画像ソース）
１３４ 光学エンジン

Claims (22)

  1. 第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
    前記光導波用部材の中へ光波を結合するための、前記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、前記第１の面と第２の面との間で前記光波が進むにつれて、前記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて前記光導波用部材内で前記光波を導き、さらに、前記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを具備する光結合手段と、を具備する光デバイスにおいて、第１の反射角で前記第１の光波を内部反射し、前記第１の面または第２の面の垂直面に関して前記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で前記第２の光波を内部反射し、
    前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第２の光波が進むにつれて、境界面を通して前記第１の光波を透過できるようにしながら、前記第２の面へ向かって前記第２の光波を反射するように、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた少なくとも１つのほぼ平らな前記境界面を具備することを特徴とする光デバイス。
  2. 請求項１に記載の光デバイスにおいて、
    前記第２の面における前記第１の光波による前記連続する内部反射が、第１の反射間隔によって分離された複数の第１の反射点において生じ、
    前記第２の面における前記第２の光波による前記連続する内部反射が、第２の反射間隔によって分離された複数の第２の反射点において生じる光デバイスにおいて、
    前記第１の面と第２の面との間に前記境界面を配置して、前記第１の反射間隔と前記第２の反射間隔間の差を小さくするか、上記差を取り除くようにすることをさらに特徴とする光デバイス。
  3. 請求項１または２に記載の光デバイスにおいて、
    前記第２の面を通して前記光導波用部材の中へ前記光波を結合するように前記光結合手段を配置することを特徴とする光デバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
    前記第２の面の一部に出会う前記光波を前記第２の面を通して部分的に透過させるために、光結合手段を前記光導波用部材に対して相対的に配置することをさらなる特徴とする光デバイス。
  5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
    前記光導波用部材に対して相対的に配置したさらなる光結合手段であって、
    前記境界面を通して、次いで前記第１の面を通して前記第２の面の一部に出会う前記光波の一部を透過させ、
    前記反射角を保持しながら、前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第２の面の一部に出会う前記光波の別の部分を反射させるようにする光結合手段をさらに特徴とする光デバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、前記光結合手段が回折素子を具備することを特徴とする光デバイス。
  7. 請求項４または５に記載の光デバイスにおいて、前記光結合手段が回折素子を具備することを特徴とする光デバイス。
  8. 請求項４または５に記載の光デバイスにおいて、前記光結合手段および前記さらなる光結合手段は、前記光導波用部材上に設けたホログラフ回折素子であることを特徴とする光デバイス。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、前記光波が前記第１および第２の色とは異なる第３の色の第３の光波をさらに含み、前記第１および前記第２の反射角よりも小さな第３の反射角で前記第３の光波を内部反射し、
    前記第１の面と前記境界面との間にさらなる境界面を設け、前記さらなる境界面を通して前記第３の光波を透過できるようにしながら、前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第１の光波が進むにつれて、前記第２の面へ向かって前記第１の光波を反射するようにすることをさらに特徴とする光デバイス。
  10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、前記光導波用部材が第１の屈折率を有する光学材料から作り、
    前記境界面が、前記第１の屈折率よりも小さな第２の屈折率を有する光学材料からつくられた層であって、それによって、前記境界面における前記第２の光波による反射が総内反射となるようにすることをさらに特徴とする光デバイス。
  11. 請求項９に記載の光デバイスにおいて、前記光導波用部材が第１の屈折率を有する光学材料である光デバイスにおいて、
    前記さらなる境界面が、前記第１の屈折率よりも小さな第２の屈折率を有する光学材料からつくられた層であり、それによって、さらなる境界面における前記第１の光波による反射が総内反射となるようにすることをさらに特徴とする光デバイス。
  12. 光デバイスにおける色の均一性を改善する方法であって、前記光デバイスが、
    第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
    光導波用部材の中へ光波を結合するための、前記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、前記第１の面と第２の面との間で前記光波が進むにつれて、前記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて前記光導波用部材内で前記光波を導き、さらに、前記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを含む光結合手段と、を具備し、第１の反射角で前記第１の光波を内部反射し、前記第１の面または第２の面の垂直な面に関して前記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で前記第２の光波を内部反射する方法において、
    前記第１の面と前記第２の面との間に少なくとも１つのほぼ平らな境界面を設けて、前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第２の光波が進むにつれて、前記境界面を通して前記第１の光波を透過できるようにしながら、前記第２の面へ向かって前記第２の光波を反射させるようにすることを特徴とする方法。
  13. 請求項１２に記載の方法において、
    前記第２の面における前記第１の光波による前記連続する内部反射が、第１の反射間隔によって分離された複数の第１の反射点において生じ、
    前記第２の面における前記第２の光波による前記連続する内部反射が、第２の反射間隔によって分離された複数の第２の反射点において生じ、
    前記第１の面と第２の面との間に前記境界面を配置して、前記第１の反射間隔と前記第２の反射間隔との差を小さくするか、上記差を取り除くステップをさらに特徴とする方法。
  14. 請求項１２または１３に記載の方法において、
    前記第２の面を通して前記光導波用部材の中へ前記光波を結合することをさらに特徴とする方法。
  15. ハウジングと、
    閲覧可能情報を示す光波を出力するために前記ハウジング内に設けた画像ソースと、
    視る人が前記光デバイスを介して前記閲覧可能情報を閲覧できるようにするために、前記光波を受け取るように前記画像ソースと作動してリンクされた光デバイスと、を具備する電子デバイスにおいて、前記光デバイスが、
    第１の面および対向する第２の面を有するほぼ平らな光導波部材と、
    光導波用部材の中へ光波を結合するための、前記光導波用部材に対して相対的に配置した光結合手段であって、前記第１の面と第２の面との間で前記光波が進むにつれて、前記光導波用部材が、連続する内部反射に実質的に基づいて前記光導波用部材内で前記光波を導き、さらに、前記光波が、少なくとも第１の色の第１の光波と、第２の異なる色の第２の光波とを含む光結合手段と、を具備し、第１の反射角で前記第１の光波を内部反射し、前記第１の面または第２の面の垂直な面に関して前記第１の反射角よりも大きな第２の反射角で前記第２の光波を内部反射する電子デバイスにおいて、
    前記光デバイスが、前記第１の面と前記第２の面との間に少なくとも１つのほぼ平らな境界面を設けて、前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第２の光波が進むにつれて、前記境界面を通して前記第１の光波を透過できるようにしながら、前記第２の面へ向かって前記第２の光波を反射させるようにすることを特徴とする電子デバイス。
  16. 請求項１５に記載の電子デバイスにおいて、
    前記第２の面における前記第１の光波による前記連続する内部反射が、第１の反射間隔によって分離された複数の第１の反射点において生じ、
    前記第２の面における前記第２の光波による前記連続する内部反射が、第２の反射間隔によって分離された複数の第２の反射点において生じ、
    前記第１の面と第２の面との間に前記境界面を配置して、前記第１の反射間隔と前記第２の反射間隔との差を小さくするか、上記差を取り除くようにすることをさらに特徴とする電子デバイス。
  17. 請求項１５または１６に記載の電子デバイスにおいて、
    前記第２の面の一部に出会う前記光波を前記第２の面を通して部分的に透過させて、視る人が前記第２の面の一部を通して前記閲覧可能情報を閲覧できるようにするために前記光導波用部材に対して相対的に配置したさらなる光結合手段をさらに特徴とする電子デバイス。
  18. 請求項１５または１６に記載の電子デバイスにおいて、
    前記境界面を通して、次いで前記第１の面を通して前記第２の面の一部に出会う前記光波の一部を透過させ、
    前記反射角を保持しながら、前記第２の面から前記第１の面へ向かって前記第２の面の一部に出会う前記光波の別の部分を反射させるための、前記光導波用部材に対して相対的に配置したさらなる光結合手段をさらに特徴とする電子デバイス。
  19. 請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
    前記受信信号を示すデータを前記画像ソースへ出力する外部ソースから、前記閲覧可能情報を示す信号を受け取るための、前記画像ソースと作動してリンクされた通信手段をさらに特徴とする電子デバイス。
  20. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、移動端末装置を具備することを特徴とする電子デバイス。
  21. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、コミュニケータ装置を具備することを特徴とする電子デバイス。
  22. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、コンピュータを具備することを特徴とする電子デバイス。
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