JP2011509417A - 光導波路及び視覚用光学系 - Google Patents

Abstract

本発明は、光導波路に関し、より詳細には、像を歪めないで像を運ぶ導波路に関する。これら導波路は、最近では教育用眼鏡と呼ばれている視覚用光学系の製造に特に利用できる。光導波路は、光導波路の表面のところに設けられている反射微細構造体で形成された抽出部分を有する。微細構造体は、光ビームを反対側の表面に対し、光導波路からの光ビームの出射を可能にする所与の角度をなして光ビームを送り戻すために計算された角度をもつプリズムを構成する。有利には、微細構造体のサイズ及び配置により、微細構造体は、眼に見えないようになると共に大きく且つ快適な像を生じさせる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光導波路の分野、特に、画像を歪なしに運ぶことができる導波路（光ガイドともいう）に関する。かかる導波路は、特に、教育用眼鏡と通称されている視覚用光学系を製造するために使用できる。

光導波路は、一般に、画像を導入させる入射部分を有する。画像は、光源により照明されるＬＣＤ（液晶ディスプレイ）画素のマトリックスであるのが良い源から出た光ビームによって結ばれる。源は、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）画素のマトリックスであっても良い。光学系により、この画像を無限大に投影することができる。コリメートされたビームと呼ばれる。このコリメートされたビームは、光導波路の注入部分中に導入される。この光導波路は、例えば、２つの互いに平行なフェースを備えた材料によって形成されるのが良い。ビームは、全反射により又は壁の特別な処理によって光導波路内部で伝搬する。ビームは、次に、抽出システムに到達し、この抽出システムにより、ビームは、光導波路から出ることができる。

抽出システムは、光導波路を２つのフェースを互いに接合する傾斜平面で終端させるレフレクタから成るのが良い。かかる導波路は、米国特許出願公開第２００３／００８６１３５号明細書に記載されている。このシステムは、視角の面で非常に制限がある。

カンパニー・ルームス（company Lumus）名義の国際公開第２００１／０９５０２７号パンフレットは、光導波路の厚み中に組み込まれた一連の傾斜した互いに平行なセミレフレクタ（semi-reflector）で構成された抽出システムを記載している。このシステムにより、眼が画像を見ることができるゾーン、即ち、アイボックス（eye box）と呼ばれているゾーンを広げることができる。また、このシステムにより、従来のシステムにより得られる視角よりも広い視角を得ることができる。しかしながら、このシステムは、光導波路のコアのところにセミレフレクタが組み込まれることに鑑みて、製造するのに費用が高くつく。

米国特許出願公開第２００３／００８６１３５号明細書 国際公開第２００１／０９５０２７号パンフレット

本発明の目的は、光導波路がその表面上に設けられた反射性微細構造体から成る抽出システムを備えることにより上述の問題を解決することにある。これら微細構造体は、光ビームをこれが光導波路から出ることができる反対側のフェースと所与の角度をなして戻すよう計算された角度を持つプリズムを形成する。有利には、これら微細構造体のサイズ及び配置状態により、これら微細構造体は眼には見えなくなる一方で、大きく且つ快適な画像を生じさせる。

本発明の抽出システムは、これを光導波路製造金型内で組み込むことができるので簡単且つ安価であるという利点をもたらす。

本発明は、画像を運ぶ光ビームの光誘導装置であって、２つの面を備えた光導波路を形成する材料と、光ビームを光導波路内に入射させることができる注入部分とを有し、光ビームが、光導波路の２つの面による連続反射によって光導波路中を伝搬し、光誘導装置が、光ビームを出射させることができる抽出システムを更に有する、光誘導装置において、抽出システムは、光導波路の２つの面のうちの一方の表面上に位置していて、平らな表面を備えた少なくとも１つの微細構造体を有し、平らな表面は、平らな表面に当たった光ビームの光線を光導波路から出射させることを特徴とする光誘導装置に関する。

本発明の特定の実施形態によれば、光導波路の２つの面は、互いに平行である。

本発明の特定の実施形態によれば、光導波路の２つの面は、平らであり、画像を運ぶ光ビームは、次に、コリメートされる。

本発明の特定の実施形態によれば、微細構造体の平らな表面は、反射性であり、平らな表面に当たった光ビームの光線は、微細構造体が設けられている面と反対側の光導波路の面を通って光導波路から出る。

本発明の特定の実施形態によれば、微細構造体は、光導波路の面上で突き出たプリズムで構成されている。

本発明の特定の実施形態によれば、微細構造体は、光導波路の面上に設けられた凹みプリズムで構成されている。

本発明の特定の実施形態によれば、抽出部分は、複数個の微細構造体を有する。

本発明の特定の実施形態によれば、光導波路の面と整列した平らな部分により構成された隙間空間は、微細構造体相互間に配置されている。

本発明の特定の実施形態によれば、抽出部分は、数個のゾーンで構成され、各ゾーンは、微細構造体及び隙間空間の特定の配列体である。

本発明の特定の実施形態によれば、微細構造体は、抽出部分の全長にわたって設けられたバンドである。

本発明は又、上述した光誘導装置に関し、出射画像は、それぞれ光導波路の外部に位置する光導波路の抽出面の法線と角度ω_-，ω₊をなすと共に光導波路の内部に位置する光導波路の抽出面の法線と角度ω_n-，ω_n+をなす２つの両端の光線を定め、鏡と抽出面のなす角度μは、角度μ_-＝（π／２−ω_n+）／３未満又は角度μ₊＝（π／２−ω_n-）／３を超える値を有することを特徴とする光誘導装置に関する。

本発明は又、上述した光誘導装置を製造する方法であって、少なくとも１つの微細構造体を成形することにより少なくとも１つの微細構造体を光導波路の２つのフェースのうちの一方の表面上に形成するステップと、反射薄膜を微細構造体のフェースのうちの一方に被着させるステップとを有することを特徴とする方法に関する。

本発明は又、上述した光誘導装置を有することを特徴とする視覚用光学系に関する。

上述した本発明の特徴並びにその他の特徴は、実施形態についての以下の説明を読むと明らかになり、かかる説明は、添付の図面と関連して与えられている。

本発明の例示の実施形態の全体図である。 本発明の例示の実施形態の入射部分を示す図である。 抽出部分の一要素の機能を示す図である。 抽出部分の要素の考えられる分布状態を示す図である。 出射画像の限界角の定義を説明する図である。 抽出部分の特定の実施形態を示す図である。 抽出部分の２つのゾーンの特定の実施形態を示す図である。 抽出部分の一実施形態における抽出ゾーンの寸法決めの仕方を示す図である。 抽出部分の別の実施形態における抽出ゾーンの寸法決めの仕方を示す図である。

本発明は、画像を歪なく運ぶことができる光導波路である。視覚用光学系に用いられるようになった特定の実施形態に関して本発明を説明する。しかしながら、本発明は、例えば自動車のフロントガラス又は航空機のコックピットに組み込まれるスクリーンのような光導波路を用いた任意他の分野においても利用できる。

例示の実施形態の全体図が、図１に示されている。光源１．１が、光導波路を通過するようになった光学画像を発生させる。この光源は、背面照明方式のＬＣＤ画素のマトリックス又はＯＬＥＤ画素のマトリックスから成るのが良い。本発明では、任意の光学画像源を用いることができる。この画像は、光学系１．２によって無限大に投影され、即ち、コリメートされる。したがって、画像の種々の画素は、光学系１．２から出力される互いに平行な光線１．３のクラスタによって投影される。視野は、レンズの焦点距離及び投影されるべき画像の半対角線長によって定められる。コリメートされたビーム１．３は、注入部分１．４を通って光導波路１．５に入る。この注入部分は、図２に詳細に示されている。この場合、ビームは、任意の長さにわたり光導波路１．５中を伝送される。光導波路１．５は、光に対して透明であり且つ２つの互いに平行なフェースを備えた材料から成る。光ビーム１．６は、これら２つのフェースによって案内され、光導波路中の全反射によって伝搬する。光導波路を構成する透明な材料の屈折率が周囲の媒体の屈折率よりも高い場合、全反射は、当然のことながら、ビームの光線の入射角が光導波路のフェースに対して十分に小さくなるやいなや生じる。変形例として、外部の屈折率が大きく又は等しい場合、全反射条件を補完するために、或る特定の限度内において整然とした誘電体の薄膜のデポジットを設けても良い。この場合、ビームは、抽出部分１．７と呼ばれているゾーンに達する。このゾーンにより、ビームは光導波路から出ることができる。この抽出ゾーン１．７は、光導波路のフェースのうちの一方のフェース上に位置している。この抽出ゾーンにより、ビームを構成する光線をこれら光線が光導波路から出ることができるようにする実質的に垂直の角度で他方のフェースに向かって戻すことができる。光導波路から出たビーム１．８は、次に、センサ１．９に向かって投射されるのが良く、センサは、視覚用光学系の場合、ユーザの眼であるのが良い。

図２は、本発明の例示の実施形態において製作された注入部分１．４を示している。注入部分の他の具体化例は、光ビームが画像を劣化させやすいデグラデーションを受けないで光導波路に入る限り、本発明の範囲から逸脱することなく可能である。注入部分は、光導波路の互いに平行な表面の平面と９０°以外の角度βをなす平らな入射フェース２．１で構成されている。コリメートされたビームは、この入射フェースに垂直に入射する。次第に下ってゆく（下行）ファセット２．２が、この入射フェースと光導波路の頂面２．３を互いに連結している。このファセットは、入射フェースに垂直である。有利には、このファセットは、迷画像の発生を阻止するために吸光性である。ビームの光線は、入射フェースを通過して光導波路の底部フェース２．４に当たる。角度βは、光導波路の底部フェース２．４への光線の入射角αが光線の全反射を可能にするよう計算されている。このように光導波路中に注入された光線は、捕捉されて光導波路の互いに平行な表面での反射によって光導波路に沿って伝搬する。かかる光線は、光導波路の表面に対する各跳ね返り中、入射角αを保つ。このシステムでは、フェースのうちの一方のフェースに対するビームの各跳ね返り相互間には穴が見える場合がある。光導波路の厚さをｅ₀とすると、光線の２回の跳ね返り相互間の距離ｓは、次の通りであり、即ち、ｓ＝ｅ₀ｔａｎ（β）である。

到来するビームは、距離ｔ＝２ｅ₀／ｓｉｎ（２β）にわたり広がる。

穴が存在しない場合、２ｓ＜ｔであることが必要である。しかしながら、β＞４５°の場合、２ｓ＜ｔである。全反射を助けるため、この条件β＞４５°を満足させることが望ましい。

これら穴を最小限に抑えるためには、入射フェースの幅を増大させることが可能である。入射フェースの頂部と光導波路の底部フェースとの間の距離をｅ₁とすると、光線が入射フェースに垂直に入射すると共に穴が生じないようにするためには以下の条件が存在しなければならない。

〔数１〕
ｅ₀・ｔａｎ（β）＝ｅ₁／ｓｉｎ（β）、即ち、
ｅ₁＝２ｅ₀／ｓｉｎ²（β）

しかしながら、注目されるべきこととして、到来する光線が入射表面に垂直ではない場合、穴が依然として存在する場合がある。穴のバランスを取るためには、入射フェースを拡大すると共に／或いは下行ファセットが入射フェースとなす角度に作用することにより、穴が垂直とは異なる入射角についてゼロであるようにすることを決定するのが良い。

抽出部分は、微細構造体を有する部分である。これら微細構造体は、この光導波路のフェースのうちの一方のフェース上の光導波路の表面上に設けられ、抽出された光線は、光導波路の反対側のフェースを通って出る。これら微細構造体は、屈折性又は反射性であるのが良い。微細構造体は、抽出線で構成された２次元であっても良く、抽出要素のモザイクによって形成された２次元であっても良い。抽出要素は、例えば、平らなフェースを備えたプリズムであり、この平らなフェースのアクティブな角度は、微細構造体に沿って一定である。これら微細構造体のサイズ及び配置状態は、光導波路を用いる用途で決まる。視覚用光学系の場合、微細構造体のサイズは、有利には、眼の瞳孔のサイズと比較して小さく、例えば、約数十μｍである。このように、画像は、眼の位置及び動きに応じて変化しない。これら微細構造体は、眼に対するこれらのサイズ及び眼からのこれらの短い距離に鑑みて、裸眼にも見えない。さらに、これら微細構造体は、光導波路のフェースを完全に覆っているわけではなく、かかるフェースは透明なままであり、光導波路を通して見ることができるようにする一方で、光導波路から出る画像を表示する。このシステムは、透視を可能にする。

例示としての実施形態は、反射性微細構造体を利用している。これら微細構造体のうちの１つの構造が図３に示されている。微細構造体３．４は、光導波路のフェース３．２の表面上に形成されている。この微細構造体は、この表面３．２から突出したプリズムを形成している。光導波路の表面に当たる光ビーム３．１の入射光線は、光導波路内でのその移動を続けるために全反射される。他方、微細構造体３．４の傾斜フェースに当たった入射光線３．３は、光線３．５として反射されて垂直に近い角度で光導波路の第２のフェースに向けられる。このために、微細構造体３．４によって反射された光線３．５は、第２の表面によっては反射されず、光導波路から出る。したがって、微細構造体は、画像出射フェースと反対側のフェース上に形成される。

微細構造体は、光導波路を製造する際に成形により光導波路のフェース上に形成されるのが良い。この場合、反射膜、例えばアルミニウム又は銀を微細構造体の傾斜フェースに被着させれば十分である。微細構造体の幅は、可視光の波長よりも大きくなければならず、従って、少なくとも１０μｍである。視覚用光学系の意図した用途のために、その幅は、光導波路の厚さ及び眼の瞳孔のサイズと比較して、小さいままでなければならず、従って、実際には、２００μｍ未満である。読者であれば理解されるように、種々の用途において、微細構造体の他のサイズを本発明の範囲から逸脱することなく計画できる。変形例として、プリズムを突出状態ではなく、微細構造体の機能を変えないで表面に設けられた凹み部により形成しても良い。これら微細構造体は、これらが光導波路の出射フェースに垂直に近い角度をなして入射光線を反射するフェースを備えていることを条件として、様々な形態を取ることができる。

光導波路の表面上へのこれら微細構造体の配置に関し、設計において大きな自由度が提供される。この配置は、代表的には、光導波路により求められる用途に関する制約で決まる。絶対的な観点において、幅が少なくとも１０μｍに等しいこれら微細構造体のうちの１つだけを設けても、画像を光導波路から出すことができる。実際には、広い視野を提供する高品質画像を得るためには、１組のこれら微細構造体が光導波路の表面上に利用されることになる。抽出ゾーンをかかる微細構造体で完全に覆うことが想定できる。しかしながら、光線の全てがそれによりかかるゾーンによって抽出されるので、提供されるアイボックスが制限される。本発明の例示の実施形態では、光導波路が２つの互いに平行な平らなフェースを有する場合、入射光線は全て、実質的に微細構造体に対して同一の入射角で到達する。したがって、微細構造体は、全て同一角度を有する反射性の平らな表面を備える。幾つかの実施形態では、例えば、光導波路が湾曲している場合、微細構造体の平らな表面の角度は、１つの微細構造体と別の微細構造体とでは異なっている場合がある。有利には、微細構造体は、微細構造体相互間の所謂間隙空間を有するよう表面上に設けられる。有利には、これら空間は、光導波路の表面と連続した状態で平べったい。このように、入射光線のうちのほんの何割かが抽出ゾーンより反射され、他の入射光線は、隙間ゾーンにより反射されて光導波路中のこれらの経路を辿り続ける。したがって、各々が画像を抽出することができる数個の抽出ゾーンを提供することが可能である。この構成により、広いアイボックス及び広い視野を得ることができ、それにより見る上で多大な快適さが与えられる。さらに、隙間ゾーン、即ち、微細構造体で覆われておらず、微細構造体相互間に位置するゾーンは、透明であり、これらが設けられていることにより、光導波路からはみ出ているシーンの視認可能性を保つ透視の作用効果を得ることができる。

図４は、２つの抽出ゾーン内におけるこれら微細構造体の配置状態の一例を示している。第１の抽出ゾーンＺ１は、バンドを形成する微細構造体４．１で構成された要素構造を繰り返したもので構成されており、バンドの幅は、抽出ゾーンの長さに等しく、バンドの幅は、例えば１０〜２００μｍの代表的な幅である。この微細構造体と並んで位置する二重幅４．２を備えた隙間ゾーンは、微細構造体と同一の長さを有している。この要素構造は、約１センチメートルの幅にわたり定期的に繰り返されている。第２の構造が、微細構造体４．３及び隙間ゾーン４．４によって表わされている。したがって、理解できるように、この第１のゾーンは、入射ビームの光強度の１／３を抽出し、２／３は、ゾーンＺ２に到達するために隙間ゾーンで反射される。この第２のゾーンも又、第１のゾーンの微細構造体の幅の３倍の幅を持つ第１の微細構造体４．５及びこの微細構造体と同一幅の隙間ゾーン４．３で構成された繰り返し構造から成っている。第１のゾーンによって抽出されなかった光線のみが第２のゾーンに至り、次に、これら光線の半分は、このゾーンＺ２によって抽出される。したがって、理解できるように、２つのゾーンの微細構造体の相対サイズについて行った選択により、源によって放出された光の同一の割合が各ゾーンにおいて抽出されるという作用効果が得られる。これは、第１のゾーンが入射光線の１／３を抽出する一方で、第２のゾーンが第１のゾーンによって抽出されなかった光線の２／３の半分を抽出するからである。最後に、かくして各ゾーンは、入射光線の１／３を抽出する。したがって、抽出は、２つのゾーン相互間で均等である。

抽出レンズは、画像が作られている物体上の各点にそれぞれ角度を対応させる。その結果、２つの跳ね返り相互間のピッチ又は進み距離ｓは、物体上に考慮した点に従って変わり、或る特定の範囲内の値を取る。この場合、第１のゾーン上の位置に関し、問題の画像が結ばれている物体の点に続き、第２のゾーンに対する衝撃のオフセットが生じる。かくして、第２のゾーンのパターンに対する第１のゾーンのパターンの跡は変化する。これにより、これらゾーンがこのオフセットを考慮に入れるよう構成されていない場合、黒色のバンドの外観が生じる場合がある。上述の構造は、オフセットの効果を考慮に入れており、反射率は、オフセットが何であれ、従って、画像が結ばれている物体の点の全てに関し一定である。

図６は、微細構造体の特定の実施形態を示している。この実施形態では、凹み形式のプリズムは、所謂突出モード又は形式の場合のように光導波路の外側に差し向けられるのではなく、光導波路の内側に差し向けられている。これらプリズムは、プリズムの点が平行なフェースによって定められる平面から見て最も遠くに位置する場合に突出しているといわれ、プリズムは、厚さがこの点のところにおいて、２つのプリズムを隔てる平らな部分のところで光導波路の厚さよりも大きいようにかかる平行なフェース上に構成されている。この厚さが小さい場合、プリズムは凹み状態にある。

抽出部分は、全反射を行う鏡６．３及び光導波路の表面６．５の高さ位置に戻ることができる連結表面６．４によって形成された凹みプリズムで構成されている。微細構造体の抽出鏡６．３と光導波路のフェースのなす角度をμと呼ぶ。これら鏡は、光導波路のフェースと角度αをなして光導波路中を伝搬している入射光線６．１，６．２又は６．６をフェースの法線と光導波路中において角度ω_nをなす光線６．７に変換する。この角度ω_nは、光線が次に屈折によって光導波路から出るようなものである。光導波路からのこの出射後に、光線６．８は、次に、光導波路のフェースの法線と角度ω_airをなす。

光導波路の表面上への鏡の投影像は、長さａを有し、表面６．４の投影像は、長さｂを有し、２つの微細構造体相互間の距離は、長さｃを有することが注目できる。

図５は、光導波路からの出射状態を示している。本明細書で説明している光導波路のように光導波路を構成するため、第１ステップでは、「アイボックス（eye box）」５．１と呼ばれるもの、即ち、抽出された画像の広がり及びその方向を定める。したがって、光導波路からの出射状態が決定され、これは、それぞれω_-，ω₊で示された２つの端っこの視野又は光線５．２，５．３を特徴としている。画像が必ずしも互いに平行なフェースの法線上に心出しされていないので、これら２つの数値は、一方が他方の逆であるようには必ずしもなっていない（ただし、実際には、このようになっている場合が多い）ことに注目されるべきである。

抽出鏡の角度μが選択される場合、出射画像の制限光線の角度ω_-，ω₊は、光導波路中の対応の光線によって形成される角度ω_n-，ω_n+を定める。光導波路中のこれらの光線には入射光線が対応し、その後、抽出鏡の反射光が光導波路のフェースと関連してそれぞれの制限角度α_max，α_minを形成する。

角度μを基準光線に関連させるのが良く、この場合、基準光線は、鏡の表面に平行である。この光線は、必ずしも、作られるべき画像により定められる範囲［α_min，α_max］内に存在しない。この場合、μ＝αであり、従って方程式α＝μ＝（π／２−ω_n）／３が成り立つ。

鏡が光導波路中で凹み状態である場合、迷反射光を阻止するためには、角度μは、或る特定の値よりも小さくなければならず、ω₊と関連した値は、上記式によって求められることは明らかである。この場合、μ≦α_minである。その結果、光導波路中を伝搬し、視野ω₊から来る光線は、鏡が作られている平行なフェースでの反射後においては鏡と交差することができないようになり、これら光線は、いくら悪くても鏡に平行であるようになる。他の視野が平行なフェースに対して一層傾けられているので、これら視野も又、同一の条件下においては鏡と交差しない。

上記式により与えられた制限角度よりも小さい角度μを採用することによっても、製造公差を得ることができる。これは、事実、実際よりも大きい端っこの視野を得ることに対応しており、かくして、心出し欠陥は、画像の品質に対する影響が小さいであろう。

また、μがω_-と関連した値よりも高いように採用される場合を考慮することができる。この場合、μ≧α_maxである。この時点において、迷光線は、全て、互いに平行なフェースに対してα_maxよりも大きな角度を持つであろう。これは、鏡が作られている平行なフェースから来た角度αの光線が鏡で反射された場合、光線は、反射後に、μ＋（μ−α）≧α_max＋（α_max−α）≧α_maxに等しい角度を持つからである。これら妨害光線は、この場合、もはや画像の邪魔をしない。迷画像は、いくら悪くても端っこの視野にちょうど並んだ状態で始まり、鏡の中に映る所要の画像の画像として見える。

しかしながら、角度の差が僅かである場合、遮られる光線の数が僅かであり、角度αが角度α_maxに近づくとゼロに近づく。迷画像の輝度も又、主要な画像と比較すると僅かであり、このことは、かかる迷画像が邪魔する度合いは低いことを意味している。傾斜度が最も高い光線が最初に抽出されるべき光線でもある場合、妨害光線をこれら光線から生じさせても、光の相当な損失が生じるわけではない。とはいうものの、注目されるべきこととして、この状況は、絶対的な観点において、場合μ≦α_minよりも好ましさの度合いが低い。というのは、とはいうものの、迷画像は、これが求められている画像を直接邪魔しない場合であっても、作られるからである。

この場合、角度α_minが最初の場合よりも小さいことも又判明している。これは、所与の視野に関し、平行なフェース上に当てられたビームによって形成されるスポットが大きく、それにより、抽出ゾーンを広げることができるので有利である。上述したように、この場合、フェースの平行度に対する公差は、より制約を加えるようになる。

したがって、プリズムが凹み状態である場合、抽出ミラーと光導波路のフェースのなす角度μの値について、出射画像の知覚を邪魔する場合のある迷光線の発生をもたらす範囲が存在する。したがって、有利には、この範囲内においてμ_-＝（π／２−ω_n+）／３且つμ₊＝（π／２−ω_n-）／３の角度μを選択することは、画像それ自体の一種の折り畳みにより画像に直接的な影響を及ぼす妨害光線を生じさせないようにするために、回避される。

凹みプリズム及び突出プリズムのもう１つの重要な特徴は、プリズム相互間の位置の順序、連結部分及び平行な部分である。高品質の画像化を提供するためには、例えば鏡６．６と光導波路の表面６．５との間における鏡と平行なフェースとのなす角度μは、全ての微細構造体について一定でなければならず、それにより画像に対する干渉をなくす。

プリズムが突出状態である場合、角度の選択は、妨害光線に関して自由である。これは、抽出されるべき光線だけを鏡によって遮ることができるからである。

周期的パターンは、３つの部分で構成されている。第１の部分は、鏡それ自体である。平行なフェース上へのその正投影像の距離ａは、最初に、回折によって制約され、この回折は、正しい画像品質を保つためには、最小サイズを必要とする。加うるに、光導波路の厚さ及び観察の快適さは、長さを制限することを必要とする。

第２の部分は、鏡の端と平行なフェースを接合する連結部分である。平行なフェース上へのその投影像の長さｂは、容易な製造を可能にするためには正である。この長さは又、上限ｂ_maxを有し、即ち、連結部分と平行なフェースのなす角度がα_maxよりも小さい場合、口径食が生じるか迷光線が現われるかのいずれかが生じる。この連結が平らでない場合であっても、連結は、かかる作用効果を保つために口径食及び迷光線が生じないようにする平面の同一の側に止まることによってこの規則に適合しなければならない。長さｂ_maxは、視野に従って鏡により形成される影の最小長さに一致している。

最後の第３の部分は、平らな部分である。これにより、光導波路を透視すると共に後で抽出されることが望ましい光線を光導波路中で伝搬させるようにすることができる。その長さｃは、その性状に鑑みて正であり、この長さは又、抽出するのが望ましい光線の割合によって定められる。

この構成は、図８に見受けられる。比較すると、図９の突出プリズムの場合、部分の順序が変わっている。連結部分が先ず最初に来て、次に鏡が来て最後にフェースに平行な部分が来る。

有利には、光導波路によって運ばれた画像を見ると共に光導波路を介して（所謂、シースルーの場合）環境を見ることが望ましいシステムの関連では、これら部分が他の特性を有することが必要であることが分かっている。光導波路が屈折率のほぼ同じ媒体中に挿入される場合、連結部分は、光線を逸らさない。他方、光導波路がそれ自体の屈折率とは異なる屈折率の媒体中に浸漬される場合、連結部は、ｂが厳密な意味で正である場合光線を逸らす。この場合、連結部分は、ユーザの視界が邪魔されるのを阻止するよう反射性又は透明な被膜を更に有することが有利である。

抽出される光線の相対的量がａ、ｂ及びｃに依存しているので、これらを変化させることにより、この品質を変えることが可能である。かくして、抽出された光線の品質が増大する幾つかのゾーンを形成して抽出される光線の絶対的な量をあらゆるゾーン間で一定に維持すると共に画像の或る特定の一様性を保証することが可能である。

このゾーンのサイズは、光線の移動距離に直接関連づけられ、平行なフェースから始まって、第１のフェースに戻るために他の平行なフェース上で反射する。この距離（これは、平行なフェース上へのビームの跡の幅にも等しい）は良好な注入の場合、光線の伝搬角度及び光導波路の厚さで決まる。かくして、光導波路中における傾斜度が最も小さい光線は、最も小さな跡を有すると共に好ましくは抽出される前に光導波路中を更に伝搬しなければならないので、これら部分のサイズは、光導波路中における傾斜度が最も大きい光線の跡に関してむしろ賢明に定められる。かくして、ゾーンの抽出速度及びパターンの分布状態に応じて、幾つかの部分（１，２，３，．．．）を形成して眼が位置決めされなければならないゾーンを一様に照明すると共に投影された画像の良好な一様性を維持することが可能である。部分の数を多くすると、視覚ゾーンを広くすると共に／或いは投影された画像の角サイズを大きくすることができる。

図７は、２つの部分で構成された抽出ゾーンの例示の実施形態を示している。第１の部分７．６は、上述したような凹み微細構造体７．１を備えている。これは、ａ、ｂ及びｃの選択された値を有することを特徴としている。一方において鏡により形成される角度及び他方において連結部分により形成される角度は、例えば、それぞれ、値α_min及び値α_maxを取ることができる。例えば、この第１のゾーンに関し、ｃ＝ａ且つｂ＝ｂ_maxにすることが可能である。第２のゾーン７．７において、ｂの値＝０且つｃ＝ｂ_maxにし、ａの値は、不変のままである。換言すると、同一の鏡表面７．２が保たれる。連結部分が、破線７．５で表わされた第１のゾーン内の場合のように保たれた場合、微細構造体相互間の平らな表面は、見えなくなっている。これとは異なり、垂直連結表面７．３が、光導波路を介して見ることができるようにする平坦部７．４を再び作るために構成される。全ての光線が第２のゾーン内で抽出され、これに対し、これらの半分が第１のゾーン内で抽出される。したがって、始めの有用な光線のうちの半分は、第１のゾーン内で抽出され、次に、残りの半分が第２のゾーン内で抽出される。

この場合、α_min＝２７．４°且つα_max＝４３．９°であれば、ｂ_max＝ａ・ｔａｎ（α_min）／ｔａｎ（α_max）、即ち、約０．５４ａである。鏡及び連結部分が完全に不透明であり、透明な部分が環境からの入射光全てを透過する場合、透過率は、第１のゾーンでは約３９％であり、第２のゾーンでは約３５％である。この構成により、外部環境から来た光線についてほぼ一定の透過率を保つことが可能である。

抽出ゾーンの前後における光導波路の平行なフェースと整列したゾーンは、光導波路の内側に投影されるべき画像の光線の全反射を邪魔することなく、抽出ゾーンと他のゾーンとの間における外部シーンの透過率を調和させるために半反射性になるよう処理されるのが良い。

本発明は、２つのフェースが湾曲しており、平行であり又はそうでない光導波路にも利用できる。この場合、この曲率及び非平行度により生じる歪を光導波路中へのビームの注入前においてビームを発生させるために用いられる光学装置によって補償することができる。かかる光導波路は、視覚用光学系を製造するために使用できる。この場合、光導波路は、眼鏡のガラスを構成することができ又はこの中に組み込むことができる。

本発明の特定の実施形態によれば、微細構造体６．５相互間の平らな表面は、互いに整列していない。これら表面は、他の全てのこととは無関係に、互いに平行なままである。かくして、これらゾーンと抽出表面との間の距離を減少させることにより光導波路の厚さを変化させることが可能である。かくして、光導波路の機能上の品質を損なわないで、光導波路の形態に作用することが可能である。

提案された２つのゾーンの構造が示されている。３つ以上又は１つだけの抽出ゾーンを想到することが可能である。さらに、抽出ゾーンの全長にわたって連続したバンドの状態の微細構造体の使用に代えて、任意形式の構成、例えばチェッカー盤の構成を用いることができる。

Claims (13)

1. 画像を運ぶ光ビーム（１．３）の光誘導装置であって、
   ‐２つの面（２．３，２．４）を備えた光導波路（１．５）を形成する材料を有し、
   ‐前記光ビームを前記光導波路（１．５）内に入射させる注入部分（１．４）を有し、前記光ビーム（１．６）が、前記光導波路の２つの面（２．３，２．４）による連続反射によって前記光導波路中を伝搬し、
   ‐前記光ビームを出射させる抽出部分（１．７）を有する、光誘導装置において、前記抽出部分は、前記光導波路（１．５）の前記２つの面のうちの一方（３．２）の表面上に位置していて、平らな表面（３．４）を備えた少なくとも１つの微細構造体を有し、前記平らな表面（３．４）は、前記平らな表面（３．４）に当たった前記光ビームの光線（３．５）を前記光導波路から出射させる、光誘導装置。
2. 前記光導波路の前記２つの面は、互いに平行である、請求項１記載の光誘導装置。
3. 前記光導波路の前記２つの面は、平らであり、前記画像を運ぶ前記光ビームは、次に、コリメートされる、請求項２記載の光誘導装置。
4. 前記微細構造体の前記平らな表面（３．４）は、反射性であり、前記平らな表面（３．４）に当たった前記光ビームの前記光線（３．５）は、前記微細構造体が設けられている面（３．２）と反対側の前記光導波路の面を通って前記光導波路から出る、請求項３記載の光誘導装置。
5. 前記微細構造体は、前記光導波路の前記面（３．２）上で突き出たプリズムで構成されている、請求項４記載の光誘導装置。
6. 前記微細構造体は、前記光導波路の前記面（６．３，６．４）上に設けられた凹みプリズムで構成されている、請求項４記載の光誘導装置。
7. 前記抽出部分は、複数個の微細構造体を有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の光誘導装置。
8. 前記光導波路の前記面に平行な平らな部分により構成された隙間空間は、前記微細構造体相互間に配置されている、請求項６又は７記載の光誘導装置。
9. 前記抽出部分は、数個のゾーンで構成され、各ゾーンは、前記微細構造体及び前記隙間空間の特定の配列体である、請求項８記載の光誘導装置。
10. 前記微細構造体は、前記抽出部分の全長にわたって設けられたバンドである、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の光誘導装置。
11. 前記出射画像は、それぞれ前記光導波路の外部に位置する前記光導波路の抽出面の法線と角度ω_-，ω₊をなすと共に前記光導波路の内部に位置する前記光導波路の抽出面の法線と角度ω_n-，ω_n+をなす２つの両端の光線を定め、鏡と前記抽出面のなす角度μは、角度μ_-＝（π／２−ω_n+）／３未満又は角度μ₊＝（π／２−ω_n-）／３を超える値を有する、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の光誘導装置。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の光誘導装置を製造する方法であって、前記方法は、
    ‐少なくとも１つの微細構造体を成形することにより少なくとも１つの微細構造体を光導波路の２つのフェースのうちの一方の表面上に形成するステップと、
    ‐反射薄膜を前記微細構造体の前記フェースのうちの一方に被着させるステップとを有する、方法。
13. 請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の光誘導装置を有する視覚用光学系。

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