JP2022517151A - 二次元の拡大を伴う導光光学素子を含む光学システム - Google Patents

Abstract

異なる配向における、相互に平行な、部分反射表面の第１および第２のセット（２０４、２０６）を備えた導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学システム。部分反射表面の両方のセットは、平行な主要外部表面の間に位置する。カップリングイン領域に配置される少なくとも部分的に反射する表面の第３のセット（２０２）は、プロジェクタ（２）から注入された画像照明を、第１の面内幅を有する光学開口で受け取り、その画像照明を、少なくとも部分的に反射するファセットの第３のセットにおける画像照明の少なくとも一部の反射を介して、第１の幅より大きい第２の幅を有する有効光学開口を備える部分反射ファセットの第１のセットの方向へ向ける。【選択図】４Ａ

Description

本発明は光学システムに関し、特に、光学開口拡大を達成するための導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学システムに関する。

多くのニアアイディスプレイシステムは、透明な導光光学素子（ＬＯＥ）またはユーザーの目の前に置かれる「導波管」を含み、それが、ＬＯＥ内の画像を内部反射によって伝達し、その後、適切な出力カップリングメカニズムによって、ユーザーの目の方向へその画像をカップルアウトする。出力カップリングメカニズムは、埋め込まれている部分反射器または「ファセット」に基づくか、あるいは、回折パターンを使用することが可能である。下記の記述は、主にファセットに基づくカップリングアウト配列について言及するが、本発明の様々な特徴は回折配列にも適用可能であることを理解されたい。

内部の直交ファセットを使用する導波管内の二次元の開口拡大は、特許文献１の図１３に記述され、本明細書では図１Ａとして再現される。先行技術の図面を参照する参照番号は、本明細書では括弧内に示される。プロジェクタ（２０）からの光は導波管内を伝播し、ファセット（２２ａ）－（２２ｃ）によってファセット（２３）の方向へ反射され、そのことが、光を観察者の方向へカップルアウトさせる。

ＰＣＴ公報の特許文献２は、非直交ファセットを使用する同様の概念を開示する。当該ＰＣＴ公報の図２および２９は、それぞれ図１Ｂおよび１Ｃとして本明細書に再現される。本明細書では（３２）で示されるファセットの第１のセットは非直交であり、したがって伝播の１様式のみが反映される。図示される２つの構成は、ファセットの２つのセットを含む領域が重なり合っている（図１Ｂ）か、重なり合っていない（図１Ｃ）かに関して異なる。

ＵＳ６８２９０９５Ｂ２ ＷＯ２０１９／１４２１７７Ａ１

本発明は光学システムである。

本発明の実施形態の教示によると、カップリングイン領域で注入された画像照明を、見るためにユーザーの方向へ向けるための光学システムが提供され、当該光学システムは透明な材料で形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を含み、当該ＬＯＥは：（ａ）第１の配向を有する平面的で相互に平行な部分反射表面の第１のセットを含む、第１の領域；（ｂ）第１の配向に対して平行でない第２の配向を有する平面的で相互に平行な部分反射表面を含む、第２の領域；（ｃ）相互に平行な主要外部表面の１つのセットを含み、当該主要外部表面は、部分反射表面の第１のセットおよび部分反射表面の第２のセットが両方共、主要外部表面の間に位置するように、第１の領域および第２領域にわたって伸びており、部分反射表面の第２のセットは主要外部表面に対して斜めに傾いており、その結果、第１の領域から第２の領域への主要外部表面での内部反射によってＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部は、ＬＯＥからユーザーの方向へカップルアウトされるようになっており、部分反射表面の第１のセットは、カップリングイン領域からの主要外部表面での内部反射によってＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部が、第２の領域の方向へ偏向されるようなっており、光学システムは、カップリングイン領域に配置される、平面的で相互に平行な少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットをさらに含み、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが配置されることにより、プロジェクタから注入された画像照明を、主要外部表面に対して平行に測定された第１の幅を有する光学開口で受け取り、且つ、少なくとも部分的に反射するファセットの第３のセットにおける画像照明の少なくとも一部の反射を介して、画像照明を、主要外部表面に対して平行に測定される第２の幅を有する有効な光学開口を備える部分反射ファセットの第１のセットの方向へ向け、この時、第２の幅は第１の幅より大きい。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが、連続的に増加する反射率の第１のシーケンスを、画像照明がその反射率に到達する順序で有し、部分反射表面の第１のセットが、連続的に増加する反射率の第２のシーケンスを、画像照明がその反射率に到達する順序で有し、第２のシーケンスが、第１のシーケンスの最後の反射率よりも小さい反射率で始まる。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、連続的に増加する反射率の第１のシーケンスの最後の反射率は９０％より大きい。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射表面の第１のセットの方向へ向けられる画像照明の大部分は、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットからちょうど１つの反射を受ける。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射表面の第１のセットの方向へ向けられる画像照明の大部分は、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットから２つの反射を受ける。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットは、ＬＯＥの一部として一体化され、主要外部表面の間に位置する。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットは、部分反射表面の第１のセットに対して平行である。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットは、部分反射表面の第１のセットに対して平行ではない。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットの相互の表面間隔が、部分反射表面の第１のセットの相互の表面間隔よりも小さい。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットの、少なくとも部分的に反射する表面の各々の表面積は、部分反射表面の第１のセットの各々の部分反射表面の表面積よりも小さい。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の領域および第２の領域は重なり合っていない。

本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光軸についての視野角を有するコリメートされた画像を投影するための画像プロジェクタが提供され、当該画像プロジェクタは、カップリングイン領域における少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットを介して、主要外部表面における内部反射によってＬＯＥ内で伝播する伝播画像として、コリメートされた画像をＬＯＥに導入するようにＬＯＥと光学的にカップリングされており、当該伝播画像は、主要外部表面における内部反射によってＬＯＥ内に伝播する偏向された伝播画像を生成するために、部分反射表面の第１セットによって部分的に反射され、当該偏向された伝播画像は、主要外部表面の１つからユーザーの方向へ外に向けられるカップルアウトされた画像を生成するために、部分反射表面の第２のセットによって部分的に反射されている。

本発明は、添付の図面を参照して、ほんの一例として、本明細書で説明される。
上述の通り、特許文献１の図１３に相当する。 上述の通り、ＰＣＴ特許出願公報特許文献２の図２に相当する。 上述の通り、ＰＣＴ特許出願公報特許文献２の図２９に相当する。 本発明の教示に従い構成され且つ作動する、導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装される光学システムの概略等角図であり、トップダウン構成を図示する。 本発明の教示に従い構成され且つ作動する、導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装される光学システムの概略等角図であり、サイド注入構成を図示する。 基板内の第１の方向から第２の方向へ、一定の光学開口幅を有するプロジェクタからの画像照明を再び方向転換する時の、部分反射内部表面の異なる間隔の効果の概略図である。 基板内の第１の方向から第２の方向へ、一定の光学開口幅を有するプロジェクタからの画像照明を再び方向転換する時の、部分反射内部表面の異なる間隔の効果の概略図である。 本発明の実施形態の教示に従う、導光光学素子（ＬＯＥ）の概略正面図であり、プロジェクタから観察者の方向へカップリングアウトされた照明への光学開口の３段階による拡大を図示する。 直交の部分反射内部表面を使用する、図４ＡのＬＯＥの２つの実装の概略等角描写であり、開口拡大の最初の２段階に対するものである。 斜めの部分反射内部表面を使用する、図４ＡのＬＯＥの２つの実装の概略等角描写であり、開口拡大の最初の２段階に対するものである。 図４ＡのＬＯＥの変化形の実装の正面図であり、光学開口拡大の２段階を行なうための部分反射内部表面が、少なくとも部分的に重なり合う領域に配置される。 図４ＡのＬＯＥの変化形の実装の等角図であり、光学開口拡大の２段階を行なうための部分反射内部表面が、少なくとも部分的に重なり合う領域に配置される。 図４ＣのＬＯＥを通る伝播の様々な段階を通る画像照明の相対方向を、角度空間（極座標）で表した概略描写である。 図４ＡのＬＯＥの２つのさらなる変化形の実装の概略正面図であり、画像照明を側方注入するためのオプションを図示する。 図４ＡのＬＯＥの２つのさらなる変化形の実装の概略正面図であり、画像照明を側方注入するためのオプションを図示する。 図４ＡのＬＯＥのための生産順序の概略描写である。 図５ＡのＬＯＥのための生産順序の概略描写である。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の概略正面図であり、ＬＯＥ領域の幾何学的形状が変更されている。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の概略正面図であり、光学開口拡張の予備段階のために長方形の導波管セクションを採用する。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の等角正面図であり、光学開口拡張の予備段階のために長方形の導波管セクションを採用する。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の組立前の概略等角図であり、ＴＩＲによる導光なしの光学開口拡大の予備段階のための内部の少なくとも部分的に反射するファセットを有するスラブを採用する。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の組立後の概略等角図であり、ＴＩＲによる導光なしの光学開口拡大の予備段階のための内部の少なくとも部分的に反射するファセットを有するスラブを採用する。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の組立前の概略等角図であり、ＬＯＥの主要表面と平行でない表面による導光による光学開口拡大の予備段階のための内部の少なくとも部分的に反射するファセットを有するスラブを使用する。 図４ＡのＬＯＥのさらなる変化形の実装の組立後の概略等角図であり、ＬＯＥの主要表面と平行でない表面による導光による光学開口拡大の予備段階のための内部の少なくとも部分的に反射するファセットを有するスラブを使用する。

本発明のある実施形態は、仮想現実ディスプレイ、またはより好ましくは拡張現実ディスプレイであり得るニアアイディスプレイなどのヘッドアップディスプレイを目的として、光学開口拡大を達成するための導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学システムを提供する。

本発明の実施形態の教示に従う、ＬＯＥ（１２）を使用する、全体的に概して（１０）で指定されるニアアイディスプレイの形態をしたデバイスの例示的な実装が、図２Ａおよび図２Ｂに概略的に図示される。ニヤアイディスプレイ（１０）は、ＬＯＥ（同義で「導波管」、「基板」または「スラブ」と呼ばれる）（１２）に画像を注入するために、工学的にカップルされたコンパクト画像プロジェクタ（または「ＰＯＤ」）（１４）を使用し、その内部において、相互に平行で平面的な外部表面のセットにおける内部反射によって、画像照明が１次元で捕らえられる。光は、互いに平行であり、また画像光の伝播方向に対して斜めに傾いている部分反射表面（同義で「ファセット」と呼ばれる）のセットに当たり、各連続するファセットは画像光の一部を偏向方向に偏向し、基板内の内部反射によって、捕らえられ／導かれる。ファセットのこの第１のセットは図２Ａおよび２Ｂの中で個々に図示されていないが、（１６）で指定されるＬＯＥの第１の領域に位置する。連続するファセットにおけるこの部分反射が、光学開口拡大の１次元を達成する。

本発明の、好ましいが限定的でない例である第１のセットでは、前述のファセットのセットは、基板の主要外部表面に対して直交である。この場合、注入された画像と、領域（１６）内を伝播するときに内部反射を受けるその共役の両方が偏向され、そして偏向された方向に伝播する共役像になる。好ましいが限定的でない別の例では、部分反射表面の第１のセットは、ＬＯＥの主要外部表面に対して斜めに角度を付けられている。後者の場合、注入される画像またはその共役のいずれかは、ＬＯＥ内を伝播する望ましい偏向画像を形成し、一方で、他の反射は、例えばファセット上に、反射が必要とされない画像によって提供される入射角の範囲までファセットを相対的に透明化する角度選択的コーティングを使用することにより、最小限に抑えられる。

部分反射表面の第１のセットは、画像照明を、基板内の全内部反射（ＴＩＲ）によって捕えられた伝播の第１の方向から、同様に基板内のＴＩＲによって捕えられた伝播の第２の方向へと偏向する。

その後、偏向された画像照明は、隣接する別個の基板として、または単一の基板の連続として実装され得る第２の基板領域（１８）に進み、そこで、カップリングアウト配列（部分反射ファセットのさらなるセットあるいは回析光学素子のいずれか） が、アイモーションボックス（ＥＭＢ）として定義される領域内に位置する観察者の目の方向へ、画像照明の一部を徐々にカップルアウトし、それにより、光学開口拡張の２次元を達成する。デバイス全体は、おのおのの目に対して別々に実装されてもよく、好ましくはユーザーの頭に対して支持され、各ＬＯＥ（１２）がユーザーの対応する目に面している。本明細書に図示されるような１つの特に望ましい選択肢では、支持配置は、ユーザーの耳に対してデバイスを支持するための側面（２０）を備えたメガネフレームとして実装される。支持配置の他の形態も使用することが可能で、それはヘッドバンド、バイザーまたはヘルメットから吊り下げられたデバイス、を含むがこれらに限定されない。

光学システムが、カップリング領域に配置される、平面的で相互に平行な少なくとも部分的に反射する表面（「ファセット」）の第３のセットをさらに含むことは、本発明のある実施形態の特に好ましい特徴である。ファセットの第３のセットは、図２Ａおよび２Ｂの中で個々に示されていないが、領域（１５）で指定されている。ファセットの第３のセットは、ＬＯＥ（１２）の主要外部表面に対して平行に測定された第１の幅を有する光学開口を備えたプロジェクタ（１４）から注入される画像照明を受け取り、その画像照明を、領域（１５）のファセットによる画像照明の少なくとも一部の反射を介して、ＬＯＥの主要外部表面に対して平行に測定された第２の、より大きな幅を有する有効光学開口を備える領域（１６）内の、部分反射ファセットの第１のセットの方向へ向けるように、配置される。この開口拡大の重要性は、以下にさらに議論されるであろう。

ファセットの第３のセット（１５）は、プロジェクタ（１４）とカップリング領域におけるファセットの第１のセット（１６）との間の、光路に置かれる。「カップリング領域で」という句は、本明細書では、ファセットの第３のセットがカップリング領域でのＬＯＥに組み入れられる場合、および、ファセットの第３のセットがＬＯＥの外側にある場合の両方を含むように使用され、これらの選択肢の両方は、以下に詳細に説明される。

図面および特許請求の範囲において、ＬＯＥの第１の領域が全体的に伸長する方向において、水平（図２Ａ）または垂直（図２Ｂ）に伸びるＸ軸、および、それに対して垂直に伸びる、すなわち、図２Ａでは垂直方向、図２Ｂでは水平方向に伸びるＹ軸、について本明細書で言及する。

非常におおまかな言い方をすると、第１のＬＯＥ、またはＬＯＥ（１２）の第１の領域（１６）は、Ｘ方向の開口拡張を達成し、一方、第２のＬＯＥ、またはＬＯＥ（１２）の第２の領域（１８）は、Ｙ方向の開口拡張を達成すると考えられ得る。図２Ａに図示されるような配向は「トップダウン」実装とみなされ、そこではＬＯＥのメイン（第２の領域）に入る画像照明は上端から入る一方で、図２Ｂに図示される配向は「サイド注入」実装とみなされ、そこでは本明細書でＹ軸と呼ばれる軸が水平に配置されることに、注意が必要である。残りの図面では、本発明のある実施形態の様々な特徴は、図２Ａと同様に「トップダウン」の配向の観点で図示されるであろう。しかしながら、それらの特徴のすべては、同様に本発明の範囲内にあるサイド注入実装に等しく適用可能であることを理解されたい。場合によっては、他の中間の配向も適用可能であり、明示的に除外される場合を除いて、本発明の範囲内に含まれる。

本発明のデバイスと共に使用されるＰＯＤは、好ましくは、コリメートされた画像を生成するよう構成され、すなわちそこでは、各画像画素の光は、画素位置に対応する角度方向で無限にコリメートされた平行なビームである。したがって、画像照明は２次元の視野角に対応する角度範囲に広がる。

画像プロジェクタ（１４）は、少なくとも１つの光源を含み、一般に、ＬＣＯＳチップなどの空間光変調器を照らすように配置される。空間光変調器は、画像の各画素の投影強度を変調し、それによって画像を生成する。あるいは、画像プロジェクタは、画素ベースの動きと同期してビームの強度が変化する間、プロジェクタの画像平面にわたってレーザー光源からの照明をスキャンする、高速スキャンミラーを使用して一般に実装されるスキャン配置を含むことが可能で、これにより、各画素に望ましい強度を投影する。どちらの場合も、無限にコリメートされる出力投影画像を生成するためのコリメート光学系が提供される。上記の構成要素の一部または全ては、当技術分野でよく知られているように、通常、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブまたは、他のプリズム配列の表面に配置される。

画像プロジェクタ（１４）のＬＯＥ（１２）への光学カップリングは、ある適切な光学カップリングによって、例えば、斜めに角度をつけられた入力表面を備えるカップリングプリズムを介して、または反射カップリング配置を介して、ＬＯＥの側端および／または主要外部表面の１つを介して、達成されることが可能である。ファセットの第３のセット（１５）がＬＯＥの外部にある場合、ファセットの第３のセットは、好ましくは、図１１Ａ－１１Ｃを参照して以下に例示されるように、カップリングイン配置と一体化される。カップリングイン構成のさらなる詳細は本発明にとっては重大でなく、本明細書では単に概略的に示される。

ニアアイディスプレイ（１０）は様々な追加的な構成要素を含み、一般に画像プロジェクタ（１４）を作動させるコントローラ（２２）を含み、一般に小型の搭載バッテリー（図示されていない）または他の何らかの適切な電源からの電力を使用することが理解されるであろう。コントローラ（２２）は、すべて当技術分野で知られるとおり、画像プロジェクタを駆動するための少なくとも１つのプロセッサまたは処理回路などの、必要な電気部品を全て含むことが理解されるであろう。

ここで、図３Ａおよび３Ｂを参照すると、これは、部分反射内部表面の第１のセットを備えたある特定の幅の光学開口を有するプロジェクタからの画像照明の形状を、概略的に図示する。均一な光照明を得るために、プロジェクタの開口幅（１００）は、１つのファセットからの反射光線が次のファセットからの反射光線と隣接し、ディスプレイの黒い線を避けるようなものでなければならない。場合によっては、各観察方向が、２つ以上のファセットから、最も好ましくは開口にわたる一定数のファセットから、反射を受け取り、それにより、観察される画像の均一性が向上するような十分な重なりが存在していることが望ましい。図３Ａおよび３Ｂは、開口幅（１００）を備えるプロジェクタ（２）からのビームによって、異なる数のファセット（１０２および１０９）が照明される場合を図示する。反射光（１０４、１０６、１１０および１０８）は他のファセット（この図には示されていない）の方向へ伝播する。好ましくは、完全な、且つ、一定の数のファセットが照明される。図３Ａではその数は２から３の間で変化するが、図３Ｂでが一定であり２つのファセットが開口全体にわたる出力に寄与する。開口幅（１００）が広ければ広いほど、より多くのファセットが照明され、透過される画像はより均一になる。

所定のファセット間隔に対して、均一なイメージを生成するために、開口幅は適切に変更されなくてはならない。したがって、大きなファセット間隔は、大きな開口の使用を要求する。導波管にわたるファセットの間隔が狭いと、製造の複雑さとコストが上がる。他方、大きな開口のプロジェクタを製造することは、プロジェクタのサイズを大きくする。これらの相反する設計上の考察事項は、本発明の態様に従い、プロジェクタと、上でファセットの第１のセットと呼ばれるものとの間で光学開口拡大の予備段階を実行することによって調整される。これは、ファセットの追加のセット（本明細書では「少なくとも部分的に反射する内部表面の第３のセット」と呼ばれる）を使用して達成される。

図４Ａは、本発明のこの態様に従う導波管の正面図を概略的に示す。プロジェクタ（２）の開口は小さい。このプロジェクタを起点とする２本の矢印は、この開口の端の光線を表わす。このプロジェクタからの光は、ファセット（２０２）（これは、予備的な、追加の、ファセットの「第３の」セットである）を有する導波管セクション（２００）にカップルされる。光がこのセクション（２００）を伝播すると、ＬＯＥの平面にある横方向の開口寸法（「幅」）は、連続するファセット（２０２）からの反射により、ファセット（２０４）（上でファセットの「第１の」セットと呼ばれる）を含むセクション（２０７）の方向へ部分的に再び方向転換されると拡大する。ファセット（２０４）から反射された光は、ファセット（２０６）（上記ではファセットの「第２の」セットと呼ばれる）を含むセクション（２０９）の方向へ再び方向転換され、観察者の方向へカップルアウトされる。

図４Ｂは、図４Ａの等角図を示す。本明細書では、セクション（２００）は、（２０７）および（２０９）と同じ幅（導波管厚さ）を有するので、セクション（２００）、（２０７）および（２０９）は、相互に平行な外部表面の間に挟まれた隣接するＬＯＥ内に一体化されていることが確認できる。これらのセクション全体にわたる誘導は、これらの外部表面からの全内部反射（ＴＩＲ）によるものである。セクション間の光の透過は、好ましくは外乱あるいは断線が無く、また、様々な図（たとえば、図４Ａ、５Ａ、７Ａ、７Ｂおよび９の正面図）でセクション間に示される分離線は、理解を容易にするためのものである。

ファセット（２０６）は風景光を透過し、観察者がＬＯＥを超えて外部シーンを直接見ることを可能にするように設計されており、したがって、比較的低い反射率、一般には５０％未満、を有する。いくつかの構成では、ファセット（２０４）もまた、風景光を透過するように設計されており、したがって、比較的低い反射率、一般には５０％未満、を有する。ファセット（２０４）がＬＯＥの「視認領域」の一部ではない他の構成では、より高い反射率が使用され得る。ファセット（２０２）は、好ましくは、ＬＯＥの視認領域の外側にあり、したがって、風景を透過する必要がない。したがって、好ましくは、光透過について高い効率を得るために、高い反射率が使用される。好ましくは、領域（２００）の最後のファセット（２１１）は、少なくとも９０％の高い反射率、および好ましくは１００％の反射率、を有する。セクション（２００）は、風景光を透過するよう設計されていないので、好ましくはカバーされており（図示されず）、したがって外部光がそれを通り抜けることはない。あるいは、導波管のこのセクション（２００）は、銀などの反射コーティングで覆われる。

光学開口にわたって比較的均一な画像照明強度を提供するために、部分反射表面のセットの１つ以上、そして好ましくは各セットが、連続的に増加する反射率のシーケンスを、画像照明がその反射率に到達する順序で有していることが、最も好ましい。例として、導波管領域（２００）については、３３％、５０％および１００％の反射率を有する３つのファセットのシーケンスは、連続する各面からの入射照明の凡そ１／３を反射するのに有効である。同様に４つのファセットのシーケンスについて、２５％、３３％、５０％および１００％の値は、各面からの入射照明の凡そ１／４を反射するのに有効である。観察者がそれを通して外部シーンを観察する視認領域内にあるファセットについては、反射率の値はより低く、また、ファセット間の比例的な増加はより小さいが、伝播する画像照明内に残る照明の強度のより低い割合を補うための増加シーケンスという、根本的な概念は、同じままである。（連続するファセットの理想的な反射率値が比較的近い場合、ＬＯＥの領域内の２つ以上の連続するファセットは、製造の簡略化として、同じ反射率値を実装し得るが、シーケンスは均一性を向上させる上記の効果を提供するために単調に増加しているため、シーケンスは依然として「連続的に増加している」と称される。 ）したがって、例えば、ファセット（２０４）は、連続的に増加する反射率の第２のシーケンスを、画像照明がその反射率に到達する順序で有し、その状態では、第２のシーケンスは、（ファセット（２０４）の）第１のシーケンスの最後の反射率よりも小さい反射率から開始する。

図４Ａの構成では、 ファセット（２０４）の方向へ導かれる画像照明の大部分は、ファセット（２０２）からちょうど１回の反射を受ける。ＬＯＥセクション（２０７）に示される境界矢印によって図示される通り、ファセット（２０２）の間隔は近く、拡大した有効開口にわたってファセット（２０４）の方向へと再び方向転換される画像照明の連続性を確かにする。これにより、ファセット（２０４）はより大きな間隔を使用することが可能になり、それにより、導波管のより大部分についての製造上の複雑さおよびコストを低下させる。例えば、もしファセット（２０２）が開口を３倍で拡大させる（連続的に増加する反射率を備える３つのファセットを使用して）と、ファセット（２０４）は、セクション（２００）が無い場合に比べて、凡そ３倍の間隔を有することが可能である。より一般的に言えば、ファセット（２０４）の間隔は一般に、ファセット（２０２）の間隔よりも大きい。さらに、ファセット（２０２）の表面積は一般に、ファセット（２０４）の表面積よりも小さい。結果として、比較的小容量で間隔の狭いファセットを製造するだけでよく、他方、ＬＯＥ構造の大部分の複雑さと製造コストは抑えられる。

図４Ｂは、導波管の主要外部表面に対して垂直のセクション（２００）と（２０７）のファセットを示す。図４Ｃは、本明細書では「捻じれたファセット」と呼ばれる、導波管の両方のセクション（２００）と（２０７）のファセットがＬＯＥの主要表面に対して斜めに角度をつけられている、代替の実装を示す。

図５Ａおよび５Ｂは、図４Ａおよび４Ｃに類似しているが、上記特許文献２に教示される対応する選択肢と類似の方法で、ファセット（２０４）および（２０６）が、導波管の少なくとも部分的に重複する領域に随意実装され得ることを示す。入力開口拡大セクション（２００）は、好ましくは、図５Ｂに示されるとおり、ＬＯＥの大部分、そして好ましくは全厚、に及ぶように実装される。

図６は、角度空間におけるファセットに対する画像反射を示す。本記述は、図４Ｃと図５に記載されるような、捻じれたファセットに関するものである。光は、導波管（２００）の中へとカップルされ、（１９３０Ａ）として画像（６Ｌ）または（６Ｒ）へとカップルされる。これらの２つの画像は、画像照明が開口拡大セクション（２００）に沿って伝播する際の、ＬＯＥの主要表面からの前後方向のＴＩＲ反射を表す。ファセット（２０２）による反射は、（１９３８）として（４Ｒ）および（４Ｌ）上に表される。これらは、セクション（２０７）に沿ってＴＩＲによって伝播する画像である。この限定的でないが特に好ましい構成では、ファセット（２０２）はファセット（２０４）に対して平行であり、したがって、ファセット（２０４）によるセクション（２０９）の方向への反射も、（４Ｒ）から（６Ｌ）へと（１９３８）に沿う。ここで、（６Ｌ）および（６Ｒ）も、セクション（２０９）に沿って伝播する画像を表わす。言い換えれば、セクション（２００）および（２０９）で伝播する画像は、ここでは同じ角度間隔となる。観察者の方向へカップリングアウトするセクション（２０９）内のファセット（２０６）による反射は、誘導される画像（６Ｒ）から、カップルされた出力画像（８）へと（１９３４）として表される。

円（３９）は、導波管のＴＩＲカットオフを表し、導波管の平面に対して平行である。画像（４Ｌ）と（４Ｒ）が導波管の平面に対して対角になっていることは明白であり、つまり、角度空間において長方形の画像の側面は基板の主要表面に対して平行および垂直であるが、画像（６Ｌ）と（６Ｒ）は導波管の表面に対して平行に位置合わせがなされている。実際には、一般には、プロジェクタ（２）を対角でのカップリングよりも平行でのカップリング用に構成する方がより便利である。結果として、導波管セクション（２００）を通るカップリングインは、プロジェクタ実装の簡素化に寄与し、したがって、プロジェクタの有効光学開口を必ずしも著しく拡大させるわけではない少数の高反射率ファセットを介したとしても、有利となり得る。

人間工学的考察は、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、導波管の側面からの画像の注入を要求し得る。この場合、第１のファセット（２１０）によって透過される画像照明と後続のファセットによって反射される画像照明との間の凡その均一性を達成するために、第１のファセットが高い反射率で有利に実装される。例えば、セクション（２００）に２つのファセットしか存在しない場合、第１のファセットは５０％の反射率を有し、第２のファセットは１００％の反射率を有するであろう。しかしながら、４つのファセットがある場合、第１のファセットは７５％の反射率（２５％の透過率）を有し、第２は３３％、第３は５０％、最後（２１０）は１００％の反射率を有するであろう。あるいは、ファセット（２１０）は１００％で実装される事が可能で、その結果、セクション（２０７）へのすべての透過は後続のファセットからとなる。

図７Ａに提示される構成は、（１９３０Ｂ）（図６の角度空間の例示を指す）から、（１９３８）を（６Ｌ）に反射させるファセット（２１０）上へのカップリングインに基づく。更なる伝播は前述の通りである。

図７Ｂは同等の構成を示しており、そこでは、セクション（２００）におけるファセットが逆向きに存在することでプロジェクタ（２）の異なる位置が可能となる。

側面注入の場合、第１のファセット（２１０）は主にカップリングインファセットとして機能し、且つ、ファセットの順序に沿ったファセットの連続して増大する反射率に対する例外であり、「順序」は第２のファセットから始まる。これらの場合、ファセット（２０４）の方へ向けられる画像照明の大部分は、ファセット（２０２）から２つの反射を受ける。

図８Ａは、導波管を図４Ａ－４Ｃに記載されるようなセクションに統合するための方法を概略的に説明する。１セットの被覆板（２５３）が一体的に固着されることでスタック（２５４）が形成され、これをスライスすることで（２５５ａ）、セクション（２０７）に必要なファセットセクションが生成される。１セットの被覆板（２５０）が一体的に固着されることでスタック（２５１）が形成され、これを対角線上にスライスすることで、（２５２ａ）として示される、セクション（２０９）に必要なファセットセクションが生成され、及び、第３のセットの被覆板（２５６）が一体的に固着されることでスタック（２５７）が形成され、これをスライスすることでセクション（２５８ａ）（セクション（２００）に必要なファセット）が生成される。３つのセクションが組み合わされ（２６０ａ）、固着される（２６２ａ）。接着剤は導波管とインデックスを合わせられ（ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｅｄ）、そうすることで光がセクション間を通る場合に光に導入される摂動が最小限となる。薄いカバーガラス（２６４）が好ましくは導波管の両側に固着され、随意に更に磨かれることで、平滑で平行なＴＩＲ表面を持つ導波路（２６６ａ）が生成される。

図８Ｂは、図５Ａと５Ｂに記載される構造に適切な同様の製造プロセスを示す。セクション（２５２ｂ）、（２５５ｂ）、及び（２５８ｂ）は、図８Ａに示されるのと同じ様式で生成されるが、（２５８ｂ）の厚みは他のものの２倍である。（２５２ｂ）と（２５５ｂ）が積み重ねられる一方、（２５８ｂ）は（２６０ｂ）に示されるように側面から配置される。セクションは一体的に固着され（２６２ｂ）、透明なカバーガラス（２６４）がカバーとして固着され、随意に更に磨かれることで、単一の導波管（２６６ｂ）が生成される。

ファセットの２つの重なり合ったセットを単一層内に組み込むことが望ましい場合、この組み込みは、上記で言及される先行技術文献２において図１１を参照しつつ説明される技術に従い行うことができ、この場合に、結果として生じる、ファセットの２つのセットを含有する導波管セクションは、セクション（２５８ｂ）（セクション（２００）のファセットに対応）と組み合わされて側部に取り付けられ、その後にカバーシートが追加される。

これまでは長方形導波管セクションとして示されてきたが、セクションの形状は誘導された光の伝播に従い変化し得ることに留意されたい。１つの非限定的な例として、画像伝播の幾可学的形状に応じて、導波管内の画像照明の拡大は、場合によっては、セクション（２００）と（２０７）の伝播路に沿った広がりを必要とし、結果として図９に例示されるような導波管形態をもたらす場合がある。

これまでは一次元で誘導されたＬＯＥの一体部品として例示されてきたが、開口拡大の予備的段階は随意に、図１０Ａ－１２Ｂの非限定的な例によりここで例示されるように、誘導されていない、異なる軸上で誘導される、或いは二次元において誘導される、様々な追加の構成において実施され得る。

図１０Ａ及び１０Ｂの非限定的な例において、セクション（２００）は長方形導波管（２７０）として実装され、二次元での画像照明を予備的な開口拡大中に誘導し、その後、拡大した開口画像照明を導波管セクション（１０７）へと注入する。好ましくは、エアギャップ（２９５）、又はエアギャップを模した幾つかの光学層を設けることで、カップリングアウトされる場所を除いて導波管セクション（２７０）内の内部反射を維持する。そのような２Ｄ導波路構造の例は米国特許第１０，１３３，０７０号に見出すことができ、本明細書では詳述しない。

図１１Ａ及び１１Ｂは更なる選択肢を例示し、これに従い、カップリングイン開口拡大ファセットがＴＩＲにより画像照明を誘導することなく設けられる。この場合、ファセット（２０２）は、導波管（２０７）の残部よりも幅広い第１のセクション（２８０）に設けられる。この構成において、（２８０）における光は誘導されず、（２８０）を通って伝播しつつ、両次元において拡大する。この構成において、導波管（２０７）へのカップリングは好ましくは、カップリングプリズム（２８５）を介して達成される。図１１Ａは明瞭さのために、（２８０）を（２８５）から分離した状態で示す。（２８０）及びカップリングプリズム（２８５）の角度配向は、（２０７）の厚み（示されるように垂直な）次元に沿った均一な照明を容易にする。図１１Ｂは、カップリングインプリズム（２８５）に取り付けた後の（２８０）を示す。

図１２Ａは更なる実施の変形を示し、これに従い、開口拡大の第１段階がファセット（２０２）を介して、導波管（２０７）と平行でない１次元で誘導される第１のセクション（２９０）に設けられる。図１２Ｂはカップリングプリズム（２８５）の上部でのセクション（２９０）の配置を示し、そこでは、エアギャップ（２９５）が設けられることでセクション（２９０）内のＴＩＲ誘導が保たれる。

本明細書で明白に記載したもの以外の全ての点において、部分反射内部表面の第１のセット（２０４）及び部分反射内部表面の第２のセット（２０６）の、共通の導波管内での配置は、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１９／１５７５７２に並行して記載される選択肢の範囲に従い実施することができ、前記特許出願は本出願の出願日時点では公開されておらず、先行技術を構成するものではない。

本明細書に例示される正面図の全てにおいて、本発明の開口拡大は、コリメートされた画像の光学軸の中心画素に相当する所定の光線方向に対する光学開口の範囲を示す、平行な矢印により概略的に表わされる。光学軸は実際にＸ－Ｙ面内にはなく、むしろ、視界（ＦＯＶ）の深さ寸法における角度の全範囲が主要な基板表面にて全内部反射を受けるように選択されるページへと、Ｚ構成要素を有している。提示を簡潔にするために、本明細書中の図式表現、及びその説明は、光線伝播方向の面内（Ｘ－Ｙ）構成要素のみに関係し、本明細書中では「面内構成要素」又は「ＬＯＥの主要な外部表面に平行な構成要素」として言及される。

図３Ｂの文脈において上述されているように、上記原理の全ては「横向き」構成にも適用可能であり、その場合、画像が、表示領域の外部から側方に位置するＰＯＤから注入され、且つ、ユーザーの眼へのカップリングのために、ファセットの第１のセットにより垂直に、及びその後、ファセットの第２のセットにより水平に広げられる。上記の構成及び変形は全て、サイド注入構成にも適用可能であると理解されねばならない。

上述の記載全体にわたり、示されるようなＸ軸及びＹ軸への言及が行われており、そこでは、Ｘ軸は水平又は垂直の何れかであり、且つ光学的開口拡大の第１の次元に相当しており、Ｙ軸は拡大の第２の次元に相当する他の主軸である。この文脈において、Ｘ及びＹは、図３Ａ及び３Ｂの前述の眼鏡フレームなどの支持構成により典型的に規定される配向においてユーザーの頭部に取り付けられると、デバイスの配向に対して規定され得る。

本発明は、ニアアイディスプレイの好ましいが非限定的な例の文脈においてこれまで例示されてきたが、本発明の様々な態様の実施形態は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を含むがこれに限定されない他の用途において利益を得るために使用され得ることに留意されたい。具体的な対象のＨＵＤの１つのサブセットは、車両用のＨＵＤである。

上記の記載が単に例として役立つように意図され、且つ、多くの他の実施形態が、添付の請求項において定められるような本発明の範囲内で可能であることが理解されるであろう。

Claims (12)

1. カップリングイン領域で注入された画像照明を、見るためにユーザーの方向へ向けるための光学システムであって、前記光学システムは、透明な材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を含み、前記ＬＯＥは：
   （ａ）第１の配向を有する平面的で相互に平行な部分反射表面の第１のセットを含む、第１の領域；
   （ｂ）前記第１の配向に対して平行でない第２の配向を有する平面的で相互に平行な部分反射表面を含む、第２の領域；
   （ｃ）相互に平行な主要外部表面の１つのセットを含み、前記主要外部表面は、前記部分反射表面の第１のセットおよび前記部分反射表面の第２のセットが両方共、前記主要外部表面の間に位置するように、前記第１の領域および第２の領域にわたって伸びており、
   前記部分反射表面の第２のセットは前記主要外部表面に対して斜めに傾いており、その結果、前記第１の領域から前記第２の領域への前記主要外部表面での内部反射によって前記ＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部は、前記ＬＯＥからユーザーの方向へカップルアウトされるようになっており、前記部分反射表面の第１のセットは、前記カップリングイン領域からの前記主要外部表面における内部反射によって前記ＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部が、前記第２の領域の方向へ偏向されるようなっており、
   光学システムは、前記カップリングイン領域に配置される、平面的で相互に平行な少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットをさらに含み、前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが配置されることにより、プロジェクタから注入された画像照明を、前記主要外部表面に対して平行に測定された第１の幅を有する光学開口で受け取り、且つ、前記少なくとも部分的に反射するファセットの第３のセットにおける画像照明の少なくとも一部の反射を介して、画像照明を、前記主要外部表面に対して平行に測定される第２の幅を有する有効な光学開口を備える前記部分反射ファセットの第１のセットの方向へ向け、前記第２の幅は前記第１の幅より大きい、ことを特徴とする光学システム。
2. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが、連続的に増加する反射率の第１のシーケンスを、画像照明が前記反射率に到達する順序で有し、前記部分反射表面の第１のセットが、連続的に増加する反射率の第２のシーケンスを、画像照明が前記反射率に到達する順序で有し、前記第２のシーケンスが、前記第１のシーケンスの最後の反射率よりも小さい反射率で始まる、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記連続的に増加する反射率の第１のシーケンスの最後の反射率が９０％より大きい、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記部分反射表面の第１のセットの方向へ向けられる画像照明の大部分が、前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットからちょうど１つの反射を受ける、請求項１に記載の光学システム。
5. 前記部分反射表面の第１のセットの方向へ向けられる画像照明の大部分が、前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットから２つの反射を受ける、請求項１に記載の光学システム。
6. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが、前記ＬＯＥの一部として一体化され、前記主要外部表面の間に位置する、請求項１に記載の光学システム。
7. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが、前記部分反射表面の第１のセットに対して平行である、請求項６に記載の光学システム。
8. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットが、前記部分反射表面の第１のセットに対して平行でない、請求項６に記載の光学システム。
9. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットの相互の表面間隔が、前記部分反射表面の第１のセットの相互の表面間隔よりも小さい、請求項１に記載の光学システム。
10. 前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットの、少なくとも部分的に反射する表面のおのおのの表面積が、前記部分反射表面の第１のセットのおのおのの部分反射表面の表面積よりも小さい、請求項１に記載の光学システム。
11. 前記第１の領域と前記第２の領域が重なり合っていない、請求項１に記載の光学システム。
12. 光学システムが、光軸についての視野角を有するコリメートされた画像を投影するための画像プロジェクタをさらに含み、前記画像プロジェクタが、前記カップリングイン領域における前記少なくとも部分的に反射する表面の第３のセットを介して、前記主要外部表面における内部反射によって前記ＬＯＥ内に伝播する伝播画像として、コリメートされた画像を前記ＬＯＥに導入するように前記ＬＯＥへと光学的にカップリングされており、前記伝播画像は、前記主要外部表面における内部反射によって前記ＬＯＥ内に伝播する偏向された伝播画像を生成するために、前記部分反射表面の第１のセットによって部分的に反射され、前記偏向された伝播画像は、前記主要外部表面の１つからユーザーの方向へ外に向けられる、カップルアウトされた画像を生成するために、前記部分反射表面の第２のセットによって部分的に反射されている、請求項１に記載の光学システム。

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