JP2008523435A

JP2008523435A - 射出瞳を拡大する汎用の回折光学的方法

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Publication number: JP2008523435A
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Inventors: レボラ，タパニ
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Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2008-07-03
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Abstract

一つの入射光学素子と、その入力光学素子の異なる側に配置される二つの射出光学素子を持つ射出瞳エクステンダ。また射出瞳エクステンダは、入力光学素子と一つの射出光学素子間にそれぞれ配置される、二つの中間回折光結合器を有する。その結合器は、射出瞳を拡大する部品として機能する。結合器の格子線は、射出瞳の拡大効率を最適化するために、光学素子の格子線と略60度の角度をなす。さらに本発明は、観賞用の電子デバイスのディスプレイの射出瞳を拡大するために、光学基板上の複数の回折素子を使用する汎用の回折光学的方法を記述する。その光学系は、広い回転角（例えば、0＜p＜70°）及び対応する円錐角をサポートすることができ、幾何学的な正確さを保つ。

Description

本発明は、一般に表示デバイスに関連し、特に、表示ディスプレイの射出瞳を拡大するために複数の回折素子を使用する汎用の回折光学的方法に関する。

携帯デバイスにおいて、ネットワーク情報及びテキストメッセージを表示するために、低解像度の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルが一般に使用されている。一方、テキスト及びイメージの豊富な情報コンテンツをブラウジングするために、高解像度のディスプレイを使用することが望ましい。マイクロディスプレイベースのディスプレイは、50−100ラインペア/mmでフルカラー画素を提供することができる。一般に、そのような高解像度は、バーチャルディスプレイに適している。代表的なバーチャルディスプレイは、イメージを提供するマイクロディスプレイと、そのイメージから放射された光を、イメージが直接表示ディスプレイパネルと同程度の大きさで知覚されるような方法で操作する光学系から構成される。バーチャルディスプレイは、単眼用にも、両眼用にもできる。

結像光学系から眼の方へ放射される光線のサイズは、射出瞳と呼ばれる。ニアアイディスプレイ（Near-Eye display）では、射出瞳は代表的に直径で10mmのオーダーとなる。さらに、射出瞳を拡大することは、バーチャルディスプレイを用いることにより、デバイスを眼から離して置くことができるため、非常に容易となる。したがって、そのようなディスプレイは、明白な理由でNEDとしてもはや適切でない。十分に大きな射出瞳を持つバーチャルディスプレイの例として、ヘッドアップディスプレイがある。

ヤーコフ・アミタイ及びアシェール・フリーゼンによる、「ホログラフィック光デバイス」、国際公開第99/52002号パンフレット、及びヤーコフ・アミタイ及びアシェール・フリーゼンによる、「ホログラフィック光デバイス」、米国特許第6,580,529号に、バーチャルディスプレイの射出瞳を拡大する方法が開示されている。開示された方法は、射出瞳を拡大するために、3個の連続したホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を使用する。図１に示すように、特にＨＯＥは、光透過基板６の平面上に配置された回折格子である。図に示すように、イメージソース２からの光は、基板６の一方の側に配置された第１のＨＯＥ、すなわちＨ１に入射する。Ｈ１からの光は、基板６に結合され、第２のＨＯＥ、すなわちＨ２の方へ向かい、その光の分布は一方向に拡げられる。またＨ２は、拡散された光分布を第３のＨＯＥ、すなわちＨ３の方へ向ける。そして光分布をさらに別の方向にも拡げる。ホログラフィック素子は、基板６の何れの側にあってもよい。またＨ３は、Ｈ３が配置された基板表面から外部へその拡散された光分布を向ける。図１に示すような光学系は、光線の一般的な方向をほぼ保つビームエクスパンダとして動作する。そのようなデバイスは、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）とも呼ばれる。

ＥＰＥでは、入射光線に対する射出光線のエネルギーは、隣接する光学素子間の結合に依存する。イメージソースの出力エネルギーは限られているので、隣接する光学素子間で高い結合効率を達成することが望ましい。

本発明の目的は、射出瞳エクステンダにおける、回折光学素子のような二つの光学素子間の光結合を向上することにある。この目的は、特定の方向に向けられた格子線を持つ回折光学素子を、入射光学素子と射出光学素子間に配置された光結合器として用いることによって達成される。特に、光結合器の格子線は、入射光学素子及び射出光学素子の格子線に対して略60度傾けられる。

そこで、本発明の第１の側面によれば、光デバイスが提供される。係る光デバイスは、第１の側面及び対向する第２の側面を持つ光学材料の基板と、その基板に配置され、光線を受光する第１の回折素子と、第１の回折素子との関係において基板に配置される第２の回折素子と、第１及び第２の回折素子間に配置される中間回折素子とを有する。受光された光線の少なくとも一部は、第１の回折素子で回折されて、実質的に第１の面と第２の面の内に含まれる入射方向で、中間回折素子に対して回折光成分を提供する。中間回折素子における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に第１の面と第２の面の間で第２の回折素子に結合され、その結合された回折光成分の少なくとも一部が第２の回折素子での回折によって基板を出射可能となる。中間回折素子は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第１の側面によれば、中間回折素子は、中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向が、そのパターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第１の側面によれば、光デバイスは、第２の回折素子から離れて第１の回折素子との関係において基板に配置される第３の回折素子と、第１の回折素子と第２の回折素子の間に配置される別の中間回折素子とをさらに有する。受光された光線の少なくとも一部は、第１の回折素子で回折されて、第１の面及び第２の面の内に含まれる入射方向で、その別の中間回折素子に対して回折光成分を提供する。その別の中間回折素子における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に第１の面と第２の面の間で第３の回折素子に結合され、その結合された回折光成分の少なくとも一部が第３の回折素子での回折によって基板を出射可能となる。その別の中間回折素子は、その別の中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、そのパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第１の側面によれば、上記の受光された光線は、第１の面を通じて第１の回折素子で受光され、結合された回折光成分の少なくとも一部は、第１の面または第２の面を通じて基板から出射する。

本発明の第１の側面によれば、中間回折素子は、周期的パターンを形成する複数の溝を有する。

本発明の第１の側面によれば、第１の回折素子は、入射方向に略直交するパターン方向に沿った複数の線形素子からなる周期的パターンを有し、第２の回折素子は、入射方向に略直交するパターン方向に沿った複数の線形素子からなる周期的パターンを有する。

さらに本発明の第１の側面によれば、光線は波数ベクトルk_inで定義され、第１の回折素子は周期dの周期的ラインを含み、第２の回折素子は周期dの別の周期的ラインを含み、その別の周期的ラインは第１の回折素子の周期的ラインと平行であり、中間回折素子は0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含んでもよい。ここでρは周期的ラインとそのさらに別の周期的ラインのなす角である。結合された回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子での回折により基板から出射し、それによって波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する。回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子へ回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、中間回折素子で偶数回、さらに一次の回折がなされてもよい。さらにまた、中間回折素子は０次の反射と１次の反射回折モードのみをサポートしてもよい。あるいは、基板の屈折率はn＞λ/dを満たす。ここでλは入射光線の波長である。さらにまた、２次若しくはそれ以上高次のモードが中間回折素子でサポートされない所定の条件、または、

で表現される条件を維持するようにしてもよい。ここでnは基板の屈折率であり、λは入射光線の波長である。さらにまた、ρは0＜ρ＜70°で与えられてもよい。さらにまた、透過モードが中間回折素子に対してサポートされない所定の条件、または、λ/d＞１で表される条件を維持するようにしてもよい。ここでλは入射光線の波長である。さらにまた、第１の回折素子、第２の回折素子若しくは中間回折素子は、第１の面または第の２面に配置されてもよい。

本発明の第２の側面によれば、第１の側面及び対向する第２の側面を持つ光学材料の基板と、その基板に配置され、光線を受光する第１の回折素子であって、受光した光線の少なくとも一部をその第１の回折素子で回折して回折光成分を提供する第１の回折素子と、第１の回折素子との関係において基板に配置される第２の回折素子であって、回折光成分の少なくとも一部がその第２の回折素子での回折によって実質的に基板を出射することが可能となる第２の回折素子と、を有する光デバイスへの光結合方法が提供される。その方法は、回折光成分の一部が第１の面と第２の面の間で中間回折素子に入射方向で入射できるように、第１の回折素子と第２の回折素子の間に中間回折素子を配置することを含む。中間回折素子は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第２の側面によれば、中間回折素子は、回折光成分の入射方向が、そのパターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第２の側面によれば、光デバイスは、第２の回折素子から離れて第１の回折素子との関係において基板に配置される第３の回折素子であって、回折光成分の少なくとも一部が第３の回折素子での回折によって実質的に基板を出射することが可能となる第３の回折素子をさらに有する。そしてその方法は、回折光成分の一部が第１の面と第２の面の間で別の中間回折素子に入射方向で入射できるように、第１の回折素子と第３の回折素子の間にその別の中間回折素子を配置することを含む。その中間回折素子は、回折光成分の入射方向が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、そのパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第２の側面によれば、第１の回折素子は、第１のパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを有し、第２の回折素子は、第１のパターン方向と略平行な第２のパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを有する。

さらに本発明の第２の側面によれば、光線は波数ベクトルk_inで定義され、第１の回折素子は周期dの周期的ラインを含み、第２の回折素子は周期dの別の周期的ラインを含み、その別の周期的ラインは第１の回折素子の周期的ラインと平行であり、中間回折素子は0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含んでもよい。ここでρは周期的ラインとそのさらに別の周期的ラインのなす角である。結合された回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子での回折により基板から出射し、それによって波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する。さらに、回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子へ回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、中間回折素子で偶数回、一次の回折がなされてもよい。

本発明の第３の側面によれば、電子デバイスが提供される。係る電子デバイスは、データ処理ユニットと、データ処理ユニットと動作可能に接続され、データ処理ユニットからイメージデータを受信する光エンジンと、光エンジンと動作可能に接続され、イメージデータに基づいてイメージを形成するディスプレイデバイスと、射出瞳エクステンダとを有する。射出瞳エクステンダは、第１の側面及び対向する第２の側面を持つ光学材料の基板と、その基板に配置され、光線を受光する第１の回折素子と、第１の回折素子との関係において基板に配置される第２の回折素子と、第１及び第２の回折素子間に配置される中間回折素子とを有する。受光された光線の少なくとも一部は、第１の回折素子で回折されて、実質的に第１の面と第２の面の内に含まれる入射方向で、中間回折素子に対して回折光成分を提供する。中間回折素子における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に第１の面と第２の面の間で第２の回折素子に結合され、その結合された回折光成分の少なくとも一部が第２の回折素子での回折によって基板を出射可能となる。中間回折素子は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第３の側面によれば、円錐回折における角は50度から70度の間であり、中間回折素子は、中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向が、パターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第３の側面によれば、光デバイスは、第２の回折素子から離れて第１の回折素子との関係において基板に配置される第３の回折素子と、第１の回折素子と第２の回折素子の間に配置される別の中間回折素子とをさらに有する。受光された光線の少なくとも一部は、第１の回折素子で回折されて、第１の面及び第２の面内の入射方向で、その別の中間回折素子に対して回折光成分を提供する。その別の中間回折素子における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に第１の面と第２の面の間で第３の回折素子に結合され、その結合された回折光成分の少なくとも一部が第３の回折素子での回折によって基板を出射可能となる。その別の中間回折素子は、その別の中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、そのパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ。

本発明の第３の側面によれば、電子デバイスは、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、通信装置、携帯インターネット端末（portable Internet appliance）、ハンドヘルドコンピュータ、デジタルビデオ及びデジタルカメラ、ウェアラブルコンピュータ、コンピュータゲームデバイス、観賞用に特化された眼にかざす（bring-to-the-eye）製品及び他の携帯電子デバイスなどの携帯デバイスであってもよい。しかし、本発明による射出瞳エクステンダは、ゲームデバイス、自動販売機、バンドオーマティック（band-o-matic）、オーブン、電子レンジ及び他の機器のような家電機器、及び他の非携帯デバイスなどの非携帯デバイスに使用してもよい。

さらに本発明の第３の側面によれば、光線は波数ベクトルk_inで定義され、第１の回折素子は周期dの周期的ラインを含み、第２の回折素子は周期dの別の周期的ラインを含み、その別の周期的ラインは第１の回折素子の周期的ラインと平行であり、中間回折素子は0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含んでもよい。ここでρは周期的ラインとそのさらに別の周期的ラインのなす角である。結合された回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子での回折により基板から出射し、それによって波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する。回折光成分の少なくとも一部は、第２の回折素子へ回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、中間回折素子で偶数回、さらに一次の回折がなされてもよい。

本発明は、図２−１０とともに説明を読むことによって明らかとなろう。

本願は、米国特許出願第11/011,481号（2004年12月13日出願）及び米国特許出願第11/202,653号（2005年8月11日出願）について一部継続し、優先権を主張する。

本発明による、射出瞳エクステンダ（ＥＰＥ）１０は、光学材料で作られた基板２０を有する。図２に示すように、基板２０上には、一つの入力光学素子３０と、一つまたは二つの射出光学素子５０がある。また、ＥＰＥ１０は、入力光学素子３０と射出光学素子５０、５０’の一方との間にそれぞれ配置された、一つまたは二つの中間光結合器４０、４０’を有する。その光結合器４０、４０’は、射出瞳拡大部品として機能する。光学素子３０、５０、５０’及び光結合器４０、４０’は、例えば回折光学素子（ＤＯＥ）である。各ＤＯＥは、回折のために複数の格子線を有する。図示のように、光学素子３０は、複数の格子線３２を有し、また光学素子４０（４０’）は複数の格子線４２を有し、そして光学素子５０（５０’）は複数の格子線５２を有する。

図３は、入射光線７０と二つの出射光線８０、８０’との関係を示す等角投影図である。図示のように、基板２０は、第１の側面２２と第２の側面２４を有する。入射光線７０は、基板２０の一方の側面においてＥＰＥ１０に入射し、出射光線８０、８０’は、入射光線と略平行な方向で、基板２０の他方の側面においてＥＰＥ１０から出射する。

図２に示すように、ＤＯＥ３０及び５０（５０’）における格子線３２及び５２は、y軸に略平行である。図４に示すように、ＤＯＥ４０（４０’）がビームエクスパンダのように働くため、及びその効率が最適化されるために、光結合器４０（４０’）における格子線はy軸に対して略60度をなす。このように、ＤＯＥ４０（４０’）の一方の側面に入射した光は、ＤＯＥ４０（４０’）の他方の側面から出射するまで、第１の側面２２と第２の側面２４との間の格子エリアにトラップされる。さらに、図３に示すように、ＤＯＥ４０（４０’）の形状は、出力側において、格子エリアを出る光線がx軸と略平行になるように設計される。

本発明の一実施態様によれば、全てのＤＯＥ３０、４０（４０’）及び５０（５０’）における格子周期は略等しい。しかし、ＤＯＥ３０と５０（５０’）が同じ周期を持ちつつ、ＥＰＥ光学系の機能を損ねることなく、ＤＯＥ４０は、それらからわずかにずらすことも可能である。それにもかかわらず、格子のそれぞれは、その機能に対して最適化された、ユニークな格子プロファイルを持つ。ＤＯＥ３０及びＤＯＥ４０（４０’）は、代表的には深いプロファイルと適正な充填率（filling ratio）を有する。

図３に示すように、ＥＰＥ１０を、ＤＯＥ３０に入射した光線７０を拡散するために使用した場合、光線７０は基板２０の一方の側面での内部全反射（ＴＩＲ）により（ＤＯＥ３０が上側面２２に配置された場合、ＴＩＲは下側面２４で生じる）、回折及び反射され、方向７２（７２’）にほぼ沿ってＤＯＥ４０（４０’）の方へ向かう。さらにその光線は、ＤＯＥ４０（４０’）から、方向７２（７２’）に対して略60度の円錐角をなす方向へ回折される。基板２０の下側面での内部全反射の後、その光線は再び格子４０（４０’）とぶつかり、そして方向７２（７２’）と平行な方向に再び回折されれる。最後に、一連のステップを何回か繰り返した後、その光線は、方向７２（７２’）とほぼ同一の方向７４（７４’）にほぼ沿って、ＤＯＥ５０（５０’）に入射する。その光線が格子４０（４０’）と偶数回ぶつかることを確保することが重要である。さもなければ、光線は完全に正しい方向でＤＯＥ５０（５０’）に入射することはない。最後に、その光線は、出射光線８０（８０’）として、ＤＯＥ５０（５０’）を出射する。しかし、入射光線はＤＯＥでx軸とy軸の両方に拡散されるので、出射光線８０（８０’）の断面は、入射光線７０の断面よりも大きいことに留意されたい。図３に示すように、ＤＯＥ４０に入射する光線の入射角は、方向７２にほぼ沿っており、ほぼxz平面内にある。方向７２は、円錐格子方程式（conical grating equations）から計算することができ、一般に、実際の例では、方向７２における光線は、xz平面内を完全には伝播せず、そこから数度ずれる。

図４は、ＤＯＥ４０の格子線４２の向きを示す。上記のように、格子線４２は、y軸に対して略60度をなしている。したがって、格子線４２は、入射方向７２に対して略60度の円錐角をなしている（図３を参照）。しかし、回折において二つの反射回折モード、０次と１次のみが存在する限り、円錐角は60度からずれてもよい。円錐回折では、一般に、光線は格子線に対して垂直でないことに留意されたい。円錐角は、垂直位置を基準として規定される。この条件は、入射光線の角度（７０）、格子周期及び材料の屈折率に依存する。この許容可能な角度空間は、円錐回折の式を用いて、場合に応じて計算しなければならない。この許容可能な角度空間は一般に広く、そのため殆どの実際の例では広視野の場合でもその光学系は動作する。上記のように、光線は偶数回、格子４０（４０’）とぶつかることが必要である。そのため、ＤＯＥ４０（４０’）の出射端の角度はこの条件を満たさなければならない。この角度は、円錐回折の式及び入射光線の拡がり角に基づいて計算することができる。そこで、一般に、ＤＯＥ４０（４０’）の出射端は、y軸に対して30度よりもわずかに大きい角をなす。ＤＯＥ４０（４０’）は、代表的にはバイナリタイプの格子であり、本発明において記載した構成では、１次回折の回折効率を90％程度にすることができる。さらに、格子効率を、適正な充填率（proper filling ratio）と独立した偏光になるようにしてもよい。

ＤＯＥ４０’は、ＤＯＥ４０のほぼ鏡像である。そのため、格子線４２’の向きは格子線４２の向きと同様である。

図３に示すように、入射光線７０は、ＥＰＥ１０の一方の側面でＤＯＥ３０に入射するのに対し、出射光線８０、８０’は、ＥＰＥ１０の他方の側面でＤＯＥ５０、５０’から出射する。図５に示すように、一般に、入射光線７０がＥＰＥ１０に入射するのと同じ側面から出射光線８０、８０’がＥＰＥ１０を出射するように、回折格子はＥＰＥ１０に配置されることに留意されたい。

入射光線７０と比較した出射光線８０、８０’における光線の拡がりは、異なるＤＯＥにおける大きさ及び形状の異なりに部分的に依存し、複数回の回折と内部全反射（ＴＩＲ）にも部分的に依存することが知られている。図６に示すように、入射した光線は、異なる位置Ｒで内部全反射により反射され、回折位置Ｄで格子線５２により回折されて、出射光線８０となる。

ＥＰＥ１０は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、通信装置、携帯インターネット端末、ハンドヘルドコンピュータ、デジタルビデオ及びデジタルカメラ、ウェアラブルコンピュータ、コンピュータゲームデバイス、観賞用に特化された眼にかざす製品及び他の携帯電子デバイスなどの携帯デバイス１００に使用することができる。図７に示すように、携帯デバイス１００は、外部デバイス（図示せず）から情報を受信し及び外部デバイスへ情報を送信する通信ユニット２１２を収容するハウジング２１０を有する。また携帯デバイス１００は、受信及び送信する情報を扱う制御処理ユニット２１４と、観賞用バーチャルディスプレイシステム２３０とを有する。バーチャルディスプレイシステム２３０は、マイクロディスプレイ若しくはイメージソース１９２と、光学エンジン１９０を含む。制御処理ユニット２１４は、イメージデータをイメージソース１９２に提供してそこにイメージを表示するために、光学エンジン１９０と動作可能に接続される。本発明によれば、ＥＰＥ１０を、光学エンジン１９０と光学的にリンクしてもよい。

光学素子３０、４０、４０’、５０、５０’のそれぞれは、格子線を持つ回折光学素子または干渉縞を持つホログラフィック回折光学素子（ＨＯＥ）とすることができることに留意されたい。その名の通り、ホログラフィック回折素子は、少なくとも二つのコヒーレント光線を用いて干渉縞を生成した場合に、ホログラフィック的に作成される。これに対して、回折光学素子は、機械的または化学的に作成することができる。

本発明の目的は、ＥＰＥにおける様々なＤＯＥが、射出瞳の拡大に対して、大きさ、形状及び配置を決められる際、それらＤＯＥ間の光結合を効率良く達成することである。本発明のＥＰＥの用途は、バーチャルディスプレイに限定されない。本発明による、平面導波路（基板２０）内の選択的な反射制御を、１以上の方向に光線を拡散することが求められ、異なる波長の光が使用される、如何なる用途にも用いることができる。実際、回折素子は、平面導波路内に光を結合する光変調デバイス及び光結合器である。したがって、図２〜図６に示したように、ＥＰＥ１０を、平面導波路と、光を結合し操作する目的のために隣接して配置され、または導波路上に配置される複数の光結合器（若しくは光変調デバイス）からなる光デバイスとみなすこともできる。

図７に示すように、イメージソース１９２は、シーケンシャルカラーＬＣＯＳ（反射型液晶）デバイス、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）アレイ、ＭＥＭＳ（マイクロマシン）デバイス、又は透過、反射若しくは放射を操作する他の適切なマイクロディスプレイデバイスとすることができる。

さらに、電子デバイス１００は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、通信装置、携帯インターネット端末、ハンドヘルドコンピュータ、デジタルビデオ及びデジタルカメラ、ウェアラブルコンピュータ、コンピュータゲームデバイス、観賞用に特化された眼にかざす製品及び他の携帯電子デバイスなどの携帯デバイスとすることができる。しかし、本発明による射出瞳エクステンダは、ゲームデバイス、自動販売機、バンドオーマティック（band-o-matic）、オーブン、電子レンジ及び他の機器のような家電機器、及び他の非携帯デバイスなどの非携帯デバイスにも使用することができる。

このように、本発明をその好ましい実施態様について説明してきたが、その詳細及び形式において、前述した、及び様々な他の変更、省略及び派生を本発明の範囲から離れることなく行えることは、当業者にとって理解できるであろう。

本発明の他の目的は、観賞用の電子デバイスのディスプレイの射出瞳を拡大するために、光学基板上の複数の回折素子を使用する汎用の回折光学的方法を提供することにある。

本発明の一実施態様によれば、この方法は、光デバイスに光結合することを利用することができ、出射光線に提供される入射光線の射出瞳を拡大することによって特徴付けられる。ここで、光デバイスは、第１の面と対向する第２の面を持つ光学材料の基板（すなわち光学基板）と、基板上に配置され、波数ベクトルk_inで定義された入射光線を受光し、周期dの周期的ラインを含む第１の（入射結合）回折素子と、第１の回折素子との関係において基板上に配置され、周期dを持ち、第１の回折素子の周期的ラインと略平行な別の周期的ラインを含む第２の（出射結合）回折素子と、第１及び第２の回折素子と隣接して配置され、光学基板面内で第１及び第２の回折素子の周期的ラインに対して角ρをなす周期的ラインを持つ中間（拡大）回折素子を有する。

さらに、受光した光線の少なくとも一部は第１の回折素子で回折されて、波数ベクトルk₀を持つ回折光成分が、（例えば、内部全反射を経て）実質的に第１の面と第２の面の間で中間回折素子に提供される。中間回折素子において、回折光成分の少なくとも一部は、別の波数ベクトルk₂を持つ１次回折で再度回折され、最終的に、（例えば、内部全反射を経て）実質的に第１の面と第２の面の間で第２の回折素子へ結合されて、結合された回折光成分の少なくとも一部が第２の回折素子での回折によって基板から出射することを可能とし、そして他の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する。代表的に、第２の回折素子は別の出射光線も生成し、その波数は、基板面に対して波数ベクトルk_outの鏡像となる。この波数ベクトルは、その他の点では波数ベクトルk_outと一致しており、実際の応用では意図的に低い値に落とされるので、波数ベクトルk_outとさらに分けて考慮することはしない。

本発明の一実施態様によれば、中間回折格子はさらに別の周期的ラインを含む。そのさらに別の周期的ラインと第１の回折格子の周期的ラインのなす角（回転角）をρとすると、そのさらに別の周期的ラインの周期d'は、
0.9d/2cosρ＜d'＜1.1d/2cosρ （１）
で与えられる。

本発明の一実施態様によれば、光成分は、第２の回折素子に回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、偶数回、中間回折素子へ入射し、（例えば、１次で）回折される。中間回折素子で偶数回回折されるということは、以下に証明するように、その別の波数ベクトルk₂が、適切な条件下で、すなわち、光学系が幾何学的に正確な場合に波数ベクトルk_inを持つ入射光線から生成された波数ベクトルk₀と完全に同一の方向となることを意味する。

さらに本発明の一実施態様によれば、第１の回折素子、第２の回折素子または中間回折素子を、光学基板の第１の面または第２の面に配置することができる。さらにまた、本発明の一実施態様によれば、第１の回折素子、第２の回折素子または中間回折素子を、リソグラフィック方法または古典的に規則化された方法（バイナリ、三角形状、正弦関数状等のような、異なる溝の角度及びプロファイルを持つ）を用いて作製した平面回折格子とすることができる。

本発明によって汎用化された方法は、光学系が幾何学的に正確となる（すなわち、波数ベクトルk_in及びk_outが同一の方向を持つ）ように、回転角ρが広範囲にサポートされる条件を提供する。第１の回折素子の周期は、光を基板内に結合するために使用する０次と１次の透過回折モードのみをサポートする。以下に示すように、中間回折素子が０次と１次の反射回折モードのみをサポートし、他のモードを禁じる場合、光学系は、回転角ρについて0＜ρ＜70°及びそれ以上の広い範囲をサポートすることができる。それは、広範囲な円錐入射角（少なくとも0°から70°、及びそれ以上）が中間回折素子によってサポートできることを意味する（円錐角は、入射光線面と周期的ラインに直交する面とのなす角である）。

図８は、本発明による、汎用２次元（２Ｄ）射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）３００の幾何学的な概略配置の他の例のうちの一つを示し、上記の汎用の回折光学的方法を表す。図８は、３個の回折素子が配置された光学基板（プレート）２５０の平面図を示す。第１（入射結合）回折素子（入射結合回折格子）２７０はライン周期dを持つ。第２回折素子（出射結合回折格子）２８０もライン周期dを持つ（格子２７０及び２８０の周期的ラインは平行となっている）。中間（拡大）回折素子（中間回折格子）２６０は、（１）式によって与えられるライン周期d'を持ち、図８に示すように、その周期的ラインは第１の回折素子２７０及び第２の回折素子２８０の周期的ラインに対して光学基板面内で角ρをなしている。

光線が同一の回折格子で２回一次回折される場合、その角度が保存されることを証明するために、図９ａ及び図９ｂは、その表面に配置された中間回折格子２６０を持つ、図８の光学基板（透明プレート）２５０の概略配置を示す（それぞれ、側面図及び平面図である）。

回折格子２６０に入射する光線は、角度成分（θ₀,ψ₀）を持つ波数ベクトルk₀で記述される。その角度成分（θ₀,ψ₀）は、それぞれ、回折格子２６０の周期的ラインに直交するプレート２５０の面内の座標軸と、光学基板２５０の表面に直交する軸とで形成される。その角度（θ₀,ψ₀）は、入射結合格子からの１次回折の結果であり、以下の式で規定される。

ここでは、＋１次の透過を検討のために選択する。−１次のモードについては同様の式で得られるが、モードの符号は反転する。nはプレート２５０の屈折率であり、空気の屈折率は1である。光線は、０次及び−１次で反射回折される。−１次の回折モードの角度について、以下の連立方程式が得られる。

この方程式は、角度（θ₀,ψ₀）と同一の座標軸で形成された角度（θ₁,ψ₁）で記述される、波数ベクトルk₁の成分を定義する。

光線は、上側面へ伝播し、内部全反射された後、下側面へ伝播する。そして再び格子２６０とぶつかる。この光線は、回折格子２６０によって、０次及び１次で反射回折される。１次の反射は、プレート２５０内における角度（θ₀,ψ₀）と同一の座標軸で形成された角度（θ₂,ψ₂）を持つ。ここで波数ベクトルk₂は、以下の式で定義される。

ここでθ₀＝θ₂、ψ₀＝ψ₂-ρを参照する。

そして、波数ベクトルk₂で記述された光線は、射出結合回折格子２８０に結合される。最後に、射出結合格子２８０は、光線をプレートから出して角度（θ_rout,ψ_rout）で記述される波数ベクトルk_outに結合する。その式は以下のようになる。

これは、中間格子エリアを出射する光線が格子で偶数回１次回折される場合、光線方向が変化しないことを証明する。この原理を、さらに図１０の例で実証する。

図１０に示すように、射出結合格子へ向ける、中間回折格子での１次回折が、完全に偶数回となることを保証するため、中間回折格子２６０の出射端は格子線に対して特定の角度をなす必要がある。その角度の関係は以下の通りである。

角度（θ_in,ψ_in）は、特定の視野における任意の角である。

中間回折格子において、反射の１次と０次の回折のみが存在することを保証するために、（１）式によって与えられるライン周期d'の範囲に加えて、格子周期と回転角とに幾つかの要件を課す必要がある。

円錐方程式を用いて、光学基板２５０の内部における、光学基板２５０の表面に直交する方向の波数ベクトル成分を計算して、０次及び−１次のモードが存在する条件を、以下に記述するように導出できる。

（８）式の条件は、回転角ρに関する限り、全ての実際の例で有効である。

中間回折格子において透過モードがない条件は、λ/d＞1であり、それは全ての実際の例で有効である。別の要件は、他の反射モードが中間回折格子に存在しないことである。最小の回折モード、すなわち−２次及び＋１次のみを考慮すれば十分であり、従って以下の条件を得る。

（５）式により記述されるこの条件は、代表的に0＜ρ＜70°で有効となる。これは、広範囲の円錐入射角（少なくとも0〜70°の範囲、及びそれ以上）を中間回折格子によってサポートできるということを意味する（円錐角は図８における角ψ₀+ρ）。ここでライン周期d'の範囲は、（１）式で与えられる。（１）式で与えられるd'の範囲は、異なる条件下で非常により大きくすることができる。例えば、ρ=60°かつ水平視野±12°に対して、d'の範囲は、0.66d/2cosρ＜d'＜1.24d/2cosρに拡張される。

中間回折格子の効率は、回折効率がＴＥ偏光とＴＭ偏光の両方についてほぼ等しくなるように、略60°の回転角で非常に高い値を達成する。

上記の構成は、本発明の原理の応用の例示に過ぎないことを理解されたい。当業者は、本発明の範囲から外れることなく、様々な修正や代わりの構成を考え得るが、添付の特許請求の範囲はそのような修正や構成にも及ぶことが意図されている。

３個の回折素子を用いた、先行技術の射出瞳エクステンダを示す概略配置図である。本発明による射出瞳エクステンダの概略平面図である。本発明による射出瞳エクステンダの概略等角投影図である。本発明による中間回折光学素子における格子線の方向を示す概略配置図である。本発明による射出瞳エクステンダの他の実施態様を示す概略配置図である。回折光学素子における代表的な反射と回折を示す概略配置図である。バーチャルディスプレイシステムを有する電子デバイスを示す概略配置図である。本発明による汎用２Ｄ射出瞳エクスパンダの幾何学的配置を示す概略図である。本発明による中間回折格子における光線伝播を示す概略側面図である。本発明による中間回折格子における光線伝播を示す概略平面図である。本発明による中間回折格子の概略レイアウト図である。

Claims

第１の面及び対向する第２の面を持つ光学材料の基板（２０、２５０）と、
前記基板に配置され、光線を受光する第１の回折素子（３０、２７０）と、
前記第１の回折素子との関係において前記基板（２０、２５０）に配置される第２の回折素子（５０、２８０）と、
前記第１の回折素子と前記第２の回折素子の間に配置される中間回折素子（４０、２６０）とを有し、
受光された光線の少なくとも一部は、前記第１の回折素子（３０、２７０）で回折されて、実質的に前記第１の面と前記第２の面の内に含まれる入射方向で、前記中間回折素子（４０、２６０）に対して回折光成分を提供し、かつ、
前記中間回折素子（４０、２６０）における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に前記第１の面と前記第２の面の間で前記第２の回折素子（５０、２８０）に結合され、結合された回折光成分の少なくとも一部が前記第２の回折素子（５０、２８０）での回折によって前記基板（２０、２５０）を出射可能となり、前記中間回折素子（４０、２６０）は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つことを特徴とする光デバイス。
前記円錐回折における角度が、50度から70度の間となる請求項１に記載の光デバイス。
前記中間回折素子（５０）は、前記中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向（７２）が、パターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項１に記載の光デバイス。
前記第２の回折素子（５０）から離れて前記第１の回折素子（３０）との関係において前記基板に配置される第３の回折素子（５０’）と、前記第１の回折素子と前記第３の回折素子の間に配置される別の中間回折素子（４０’）とをさらに有し、
受光された光線の少なくとも一部は、前記第１の回折素子（３０）で回折されて、前記第１の面と前記第２の面の内に含まれる入射方向で、前記別の中間回折素子（４０’）に対して回折光成分を提供し、かつ、
前記別の中間回折素子（４０’）における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に前記第１の面（２２）と前記第２の面（２４）の間で前記第３の回折素子（５０’）に結合され、結合された回折光成分の少なくとも一部が前記第３の回折素子（５０’）での回折によって前記基板を出射可能となり、前記別の中間回折素子（４０’）は、該別の中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向（７２’）が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項３に記載の光デバイス。
前記受光された光線は、前記第１の面を通じて前記第１の回折素子（７０）で受光され、前記結合された回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の面を通じて前記基板から出射する、請求項１に記載の光デバイス。
前記受光された光線は、前記第１の面を通じて前記第１の回折素子（７０）で受光され、前記結合された回折光成分の少なくとも一部は、前記第１の面を通じて前記基板から出射する、請求項１に記載の光デバイス。
前記中間回折素子は、前記周期的パターンを形成する複数の溝を有する、請求項１に記載の光デバイス。
前記第１の回折素子（３０）は、前記入射方向に略直交するパターン方向に沿った複数の線形素子からなる周期的パターンを有する、請求項１に記載の光デバイス。
前記第２の回折素子（５０）は、前記入射方向に略直交するパターン方向に沿った複数の線形素子からなる周期的パターンを有する、請求項１に記載の光デバイス。
前記光線は波数ベクトルk_inで定義され、前記第１の回折素子（２７０）は周期dの周期的ラインを含み、
前記第２の回折素子（２８０）は周期dの別の周期的ラインを含み、該別の周期的ラインは前記第１の回折素子の前記周期的ラインと平行であり、
前記中間回折素子（２６０）は、0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含み、ρは前記周期的ラインと該さらに別の周期的ラインのなす角であり、
前記結合された回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子での回折により前記基板（２５０）から出射し、それによって前記波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する、請求項１に記載の光デバイス。
前記回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子へ前記回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、前記中間回折素子で偶数回、さらに一次の回折がなされる、請求項１０に記載の光デバイス。
前記中間回折素子（２６０）は、０次の反射と１次の反射回折モードのみをサポートし、または前記基板の屈折率が、λを入射光線の波長としてn＞λ/dを満たす、請求項１０に記載の光デバイス。
２次若しくはそれ以上高次のモードが前記中間回折素子（２６０）でサポートされない所定の条件が維持され、または、前記基板の屈折率をnとし、入射光線の波長をλとして、

で表現される所定の条件が維持される、請求項１０に記載の光デバイス。
前記ρは、0＜ρ＜70°を満たす、請求項１３に記載の光デバイス。
透過モードが前記中間回折素子（２６０）についてサポートされない所定の条件が維持され、または、入射光線の波長をλとしてλ/d＞１で表される所定の条件が維持される、請求項１０に記載の光デバイス。
前記第１の回折素子（２７０）、前記第２の回折素子（２８０）若しくは前記中間回折素子（２６０）は、前記第１の面または前記第２の面に配置される、請求項１０に記載の光デバイス。
光デバイス内に光を結合する方法であって、該光デバイスは、
第１の面及び対向する第２の面を持つ光学材料の基板（２０、２５０）と、
前記基板（２０、２５０）に配置され、光線を受光する第１の回折素子であって、受光した光線の少なくとも一部を該第１の回折素子で回折して回折光成分を提供する第１の回折素子（３０、２７０）と、
前記第１の回折素子（３０、２７０）との関係において前記基板（２０、２５０）に配置される第２の回折素子であって、回折光成分の少なくとも一部が該第２の回折素子での回折によって実質的に前記基板を出射することが可能となる第２の回折素子（５０、２８０）とを有し、
前記方法は、
回折光成分の一部が前記第１の面と前記第２の面の間で中間回折素子（４０、２６０）に入射方向で入射できるように、前記第１の回折素子と前記第２の回折素子の間に該中間回折素子を配置することを含み、該中間回折素子は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つことを特徴とする方法。
前記中間回折素子（５０）は、前記回折光成分の入射方向（７２）が、パターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項１７に記載の方法。
前記光デバイスは、前記第２の回折素子（５０）から離れて前記第１の回折素子（３０）との関係において前記基板に配置される第３の回折素子（５０’）であって、回折光成分の少なくとも一部が該第３の回折素子での回折によって実質的に前記基板を出射することが可能となる第３の回折素子（５０’）をさらに有し、
前記方法は、
回折光成分の一部が前記第１の面と前記第２の面の間で別の中間回折素子（４０’）に入射方向で入射できるように、前記第１の回折素子と前記第３の回折素子の間に該別の中間回折素子を配置することを含み、該中間回折素子（４０’）は、回折光成分の前記入射方向（７２’）が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項１８に記載の方法。
前記第１の回折素子（３０）は、第１のパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを有し、前記第２の回折素子（５０）は、前記第１のパターン方向と略平行な第２のパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを有する、請求項１７に記載の方法。
前記光線は波数ベクトルk_inで定義され、前記第１の回折素子（２７０）は周期dの周期的ラインを含み、
前記第２の回折素子（２８０）は周期dの別の周期的ラインを含み、該別の周期的ラインは前記第１の回折素子の前記周期的ラインと平行であり、
前記中間回折素子（２６０）は、0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含み、ρは前記周期的ラインと該さらに別の周期的ラインのなす角であり、
前記結合された回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子での回折により前記基板（２５０）から出射し、それによって前記波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する、請求項１７に記載の方法。
前記回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子へ前記回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、前記中間回折素子（２６０）で偶数回、さらに一次の回折がなされる、請求項２１に記載の光デバイス。
データ処理ユニット（２１４）と、
前記データ処理ユニットと動作可能に接続され、前記データ処理ユニットからイメージデータを受信する光エンジン（１９０）と、
前記光エンジンと動作可能に接続され、前記イメージデータに基づいてイメージを形成するディスプレイデバイス（１９２）と、
射出瞳エクステンダ（１０）とを有し、
該射出瞳エクステンダは、
第１の面及び対向する第２の面を持つ光学材料の基板（２０、２５０）と、
前記基板に配置され、光線を受光する第１の回折素子（３０、２７０）と、
前記第１の回折素子との関係において前記基板（２０、２５０）に配置される第２の回折素子（５０、２８０）と、
前記第１の回折素子と前記第２の回折素子の間に配置される中間回折素子（４０、２６０）とを有し、
受光された光線の少なくとも一部は、前記第１の回折素子（３０、２７０）で回折されて、実質的に前記第１の面と前記第２の面の内に含まれる入射方向で、前記中間回折素子（４０、２６０）に対して回折光成分を提供し、かつ、
前記中間回折素子（４０、２６０）における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に前記第１の面と前記第２の面の間で前記第２の回折素子（５０、２８０）に結合され、結合された回折光成分の少なくとも一部が前記第２の回折素子（５０、２８０）での回折によって前記基板（２０、２５０）を出射可能となり、前記中間回折素子（４０、２６０）は、円錐回折を生じるパターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つことを特徴とする電子デバイス。
前記円錐回折における角度が、50度から70度の間となる、請求項２３に記載の電子デバイス。
前記中間回折素子（５０）は、前記中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向（７２）が、パターン方向に対して20度から40度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項２３に記載の電子デバイス。
前記第２の回折素子（５０）から離れて前記第１の回折素子（３０）との関係において前記基板に配置される第３の回折素子（５０’）と、前記第１の回折素子と前記第３の回折素子の間に配置される別の中間回折素子（４０’）とをさらに有し、
受光された光線の少なくとも一部は、前記第１の回折素子（３０）で回折されて、前記第１の面と前記第２の面の内に含まれる入射方向で、前記別の中間回折素子（４０’）に対して回折光成分を提供し、かつ、
前記別の中間回折素子（４０’）における回折光成分の少なくとも一部は、実質的に前記第１の面（２２）と前記第２の面（２４）の間で前記第３の回折素子（５０’）に結合され、結合された回折光成分の少なくとも一部が前記第３の回折素子（５０’）での回折によって前記基板を出射可能となり、前記別の中間回折素子（４０’）は、該別の中間回折素子に提供される回折光成分の入射方向（７２’）が、パターン方向に対して50度から70度の角度範囲内に含まれるように、該パターン方向に沿った略線形な素子からなる略周期的パターンを持つ、請求項２５に記載の電子デバイス。
コンピュータゲームデバイスまたはデジタルカメラを有する、請求項２３に記載の電子デバイス。
前記イメージデータを表す情報を含む信号を受信する通信ユニット（２１２）をさらに有し、前記データ処理ユニットは、前記通信ユニットと動作可能に接続されて、前記情報を受信する、請求項２３に記載の電子デバイス。
携帯端末を有する、請求項２８に記載の電子デバイス。
前記光線は波数ベクトルk_inで定義され、前記第１の回折素子（２７０）は周期dの周期的ラインを含み、
前記第２の回折素子（２８０）は周期dの別の周期的ラインを含み、該別の周期的ラインは前記第１の回折素子の前記周期的ラインと平行であり、
前記中間回折素子（２６０）は、0.9d/2cosρから1.1d/2cosρの範囲で定義される周期を持つさらに別の周期的ラインを含み、ρは前記周期的ラインと該さらに別の周期的ラインのなす角であり、
前記結合された回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子での回折により前記基板（２５０）から出射し、それによって前記波数ベクトルk_inの光線と完全に同一の方向を持つ別の波数ベクトルk_outで定義される出力光線を提供する、請求項２３に記載の電子デバイス。
前記回折光成分の少なくとも一部は、前記第２の回折素子へ前記回折光成分の少なくとも一部が提供されるよりも前に、前記中間回折素子（２６０）で偶数回、さらに一次の回折がなされる、請求項３０に記載の電子デバイス。