JP2022546979A - ビーム増倍を有する画像表示システム - Google Patents

Abstract

画像を表示するための光学システムは、結合入力領域および伝搬領域を有する導光光学素子（ＬＯＥ）と、ＬＯＥの伝搬領域に関連付けられた結合出力構成と、コリメート画像に対応する画像照射を生み出すための画像プロジェクタと、ＬＯＥの外部にあるビーム増倍構成と、を含む。ビームマルチプライヤは、結合入力領域に隣接してＬＯＥに接着された透明プレートである。透明プレートは、ＬＯＥとプレートとの間にある部分反射表面と、反対側の表面にある反射体とを有する。部分反射表面および反射体は、ＬＯＥの伝搬領域をコリメート画像とコリメート画像の共役物との両方で完全に照射するように、プロジェクタからのビームを増倍する。

Description

本発明は、光学システムに関し、特に、照射ビームが増倍される導波路を採用する画像表示システムに関する。

本発明の実装態様のための例示的なコンテクストとして、様々な光学ディスプレイは、ユーザの眼に向かい合う画像プロジェクタから画像を伝達するための導光光学素子（ＬＯＥ）（互換的に「導波路」または「基板」と称される）を採用し、画像は、典型的には、部分反射体の構成によって、または回折光学素子によって、眼に向かって結合出力される。

閲覧された画像の均一性を達成するために、導波路は、投影された画像およびその共役物画像で均一に「充填」されるべきである。これは、画像プロジェクタのサイズおよび光学設計の様々な他の側面に設計上の制限を課す。

本発明は、画像プロジェクタによる不十分なアパーチャ充填を補償するためのビーム増倍構成を有する導光光学システムである。

本発明の一実施形態の教示によれば、ユーザの眼に画像を表示するための光学システムであって、（ａ）２つの平面状主外部表面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）であって、２つの平面状主外部表面は、主外部表面での内部反射によってＬＯＥ内での画像照射の伝搬を支援するように、平行であり、ＬＯＥは、主外部表面間の厚さｈを有し、ＬＯＥは、結合入力領域および伝搬領域を有する、ＬＯＥと、（ｂ）ＬＯＥの伝搬領域に関連付けられており、かつ画像照射の少なくとも一部をＬＯＥからユーザの眼に向かって結合出力するように構成されている、結合出力構成と、（ｃ）コリメート画像に対応する画像照射を生み出すための画像プロジェクタであって、画像照射をＬＯＥの結合入力領域内に導入して、内部反射によって、ＬＯＥの伝搬領域内を伝搬させるように、ＬＯＥに光学的に結合されている画像プロジェクタと、（ｄ）ＬＯＥに関連付けられており、かつＬＯＥの結合入力領域内に導入された画像照射のビーム増倍のために構成されているビーム増倍構成であって、ビーム増倍構成は、相互に平行な外部表面を有する透明プレートを含み、透明プレートは、結合入力領域に隣接するＬＯＥの主外部表面に接着され、透明プレートは、ＬＯＥとプレートとの間に部分反射表面を提供し、反射体をさらに提供し、部分反射表面および反射体は、結合入力領域内に導入された画像照射を伝搬領域内に反射し、したがって、伝搬領域をコリメート画像とコリメート画像の共役物との両方で完全に照射するように構成されている、ビーム増倍構成と、を備える光学システムが提供される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明プレートは、ｈ／２の厚さを有する。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、ビーム増倍構成は、画像プロジェクタによる結合入力領域の１／２アパーチャ充填を補償するように構成される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、ＬＯＥの結合入力領域に関連付けられており、かつ内部反射によってＬＯＥ内を伝搬するように、画像照射を画像プロジェクタからＬＯＥ内に結合入力するように構成されている、結合入力構成を含む。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、結合入力構成は、画像プロジェクタとＬＯＥの結合入力領域との間に位置付けられたくさび型プリズム、または画像プロジェクタとＬＯＥの結合入力領域との間のＬＯＥの一端にある斜め縁部を含む。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、系は、ＬＯＥの誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第１のビーム増倍構成と、ＬＯＥの非誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第２のビーム増倍構成とを含む。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、ビーム増倍構成は、ｍ個の部分反射性の相互に平行な表面を含み、ｍは、正の整数であり、ｍ個の表面は、ｍ個の透明プレートによって提供され、ビーム増倍構成は、１／（ｍ＋１）のアパーチャ充填を補償するように構成され、各プレートは、一対の主平行外部表面を有し、ｍ個のプレートは、それぞれの主平行表面においてともに接着されて、ＬＯＥの主外部表面に接着されているスタックを形成し、ｍ番目のプレートの外部表面によって提供される反射体は、ＬＯＥから最も遠いプレートであり、ｍ個のプレートの各々は、ＬＯＥの厚さｈの１／（ｍ＋１）に等しい厚さを有する。

添付の図面を参照して、本発明を、単なる例として本明細書で説明する。

それぞれ反射ビームおよび回折ビームの誘導構成要素を採用する、本発明の一実施形態によるビーム増倍を有する画像投影導波系を示す概略側面図である。 それぞれ反射ビームおよび回折ビームの誘導構成要素を採用する、本発明の一実施形態によるビーム増倍を有する画像投影導波系を示す概略側面図である。 従来の結合入力ジオメトリによる結合入力くさびを採用する導波路の概略側面図である。 それぞれ導波路の完全充填および部分充填を達成する、図２の導波路内に導入された異なるサイズの照射アパーチャの結果を示す。 それぞれ導波路の完全充填および部分充填を達成する、図２の導波路内に導入された異なるサイズの照射アパーチャの結果を示す。 それぞれ半アパーチャ充填、３分の１アパーチャ充填、および４分の１アパーチャ充填を補償するための画像表示システムの実施形態の概略側面図である。 それぞれ半アパーチャ充填、３分の１アパーチャ充填、および４分の１アパーチャ充填を補償するための画像表示システムの実施形態の概略側面図である。 それぞれ半アパーチャ充填、３分の１アパーチャ充填、および４分の１アパーチャ充填を補償するための画像表示システムの実施形態の概略側面図である。 くさび型結合入力構成を使用する従来の光学システムの結合入力領域のサイズを示す。 くさび型結合入力構成を使用する、開示された光学システムの実施形態の結合入力領域のサイズを示す。 斜め縁部結合入力構成を使用する、開示された光学システムの実施形態の結合入力領域のサイズを示す。 アパーチャが非誘導次元において延長された、開示された光学システムの実施形態の概略側面図である。 アパーチャが非誘導次元において延長された、開示された光学システムの実施形態の概略側面図である。 図１０および図１１の光学システムの等角図である。 アパーチャが誘導次元および非誘導次元の両方で延長された光学システムの等角図である。 エアギャップ結合入力構成を使用する、開示された光学システムの一実施形態の概略側面図である。

本発明は、ビーム増倍を有する導光光学システムであり、その原理および動作は、図面および添付の説明を参照してより良く理解され得る。

ここで図面を参照すると、図１Ａおよび図１Ｂは、アイモーションボックス（ＥＭＢ）１０２と称される領域内に位置するユーザの眼１００に画像を表示するための光学システムの、本明細書に提供される教示による一実装態様を概略的に示す。系は、２つの平面状主外部表面１２、１４を有する導光光学素子（ＬＯＥ）１０（互換的に「導波路」または「基板」と称される）であって、２つの主外部表面１２、１４は、主外部表面１２、１４での内部反射（ＴＩＲ）によってＬＯＥ内の画像照射の伝搬を支援するように、平行である、ＬＯＥ１０を含む。本系のＬＯＥは、以下でさらに詳細に説明されるように、その幅に沿って、本明細書では「結合入力領域」および「伝搬領域」と称される少なくとも機能的に異なる領域に仮想的に分割されていると考えることができる。

結合出力構成が、ＬＯＥの伝搬領域の少なくとも一部に関連付けられており、かつ画像照射の少なくとも一部をＬＯＥからユーザの眼１００に向かって結合出力するように構成されている。特定の実施形態では、結合出力構成は、図１Ａに示されたように、ＬＯＥ内に配備され、主外部表面に対して斜めに配向された、一組の相互に平行な部分反射表面１６として実装される。他の実施形態では、結合出力構成は、図１Ｂに示されたように、ＬＯＥ１０に関連付けられており、かつ画像照射の一部をユーザの眼に向けて漸進的に結合出力するように構成されている、少なくとも１つの回折光学素子１８として実装される。いくつかの実施形態では、結合出力構成は、画像が伝搬領域の全長に沿って漸進的に結合出力されるように、伝搬領域の全体に関連付けられ得る。他の実施形態では、結合出力構成は、画像が結合出力されることなく伝搬するのみの部分を伝搬領域が含むように、伝搬領域の一部のみに関連付けられ得る。

「ＰＯＤ」と互換的に称される画像プロジェクタ２０が、コリメート画像に対応する画像照射を生み出す。画像プロジェクタ２０は、画像照射をＬＯＥの結合入力領域内に導入して、内部反射によって、ＬＯＥ内を伝搬させるように、ＬＯＥ１０に光学的に結合されている。本発明のデバイスで採用されるＰＯＤは、好ましくは、コリメート画像、すなわち各画像画素の光が、画素位置に対応する角方向で、無限にコリメートされた平行ビームである画像を生成するように構成される。したがって、画像照射は、二次元の角視野に対応する角範囲に及ぶ。

画像プロジェクタ２０は、ＬＣＯＳチップなどの、典型的には空間光変調器を照射するために配備される、少なくとも１つの光源を含む。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。画像プロジェクタ２０の他の実施形態は、ＯＬＥＤまたはマイクロＬＥＤ照射源を含み得る。代替的または追加的に、画像プロジェクタは、ビームの強度がピクセル単位で動きと同期的に変化している間に、プロジェクタの画像平面を横切ってレーザ光源からの照射を走査し、それによって各ピクセルの所望の強度を投影することができる、典型的には高速走査ミラーを使用して実装される、走査構成を含み得る。両方の場合において、無限にコリメートされる出力投影画像を生成するために、コリメーティング光学システムが設けられる。上記構成要素のいくつかまたはすべては、典型的には、当技術分野で周知であるように、反射光学システムを採用して、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブ型または他のプリズム構成の表面上に構成される。代替的に、反射性および／または屈折性の光学素子を有する自由空間光学実装態様を使用してもよい。画像プロジェクタの詳細は、それ自体は本発明の一部ではなく、提示を簡素化するために、ここでは、個々の構成要素を説明しようとすることなく、画像プロジェクタをダッシュボックスとして模式的に表現する。

画像プロジェクタ２０のＬＯＥ１０への光学結合は、ＬＯＥの側縁部および／または主外部表面のうちの１つを介して、例えば斜めに角度付けられた入力面を有する結合入力プリズムを介してまたは反射結合構成を介してなど、任意の好適な光学結合によって達成され得る。くさび型プリズムを介した結合入力の例は、ＰＣＴ公開第ＷＯ２０１５／１６２６１１号に見い出し得る。ミラーを使用した様々な結合入力の例は、ＰＣＴ公開第ＷＯ２００１／０９５０２７号に見い出し得る。以下に別途指定される場合を除き、画像プロジェクタとＬＯＥとの間の光学結合の詳細は、典型的には、本発明にとって重要ではなく、ここでは、ＬＯＥ１０の縁部表面に適用されるくさび型プリズム２２の非限定的な例として概略的に示される。さらに、結合入力プリズムを使用して本明細書に例示される本発明の実装態様は、反射結合入力構成を使用して同様に実装することができ、その逆もまた同様である。結合入力構成は、図２にα_PODとして示された、ＰＯＤとＬＯＥとの間の角度を決定する。

図１Ａ、図１Ｂおよび図４～図１４に示された本発明の一態様は、コリメート画像の光が、一対の主平行外部表面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）によって誘導されるが、完全にはそれを「充填」（本明細書では「照射」とも称される）せず、特に画像が、ＬＯＥに沿ったすべての点で画像／画像共役物ペアであることなく、伝搬する、ある範囲の構成に関する。そのような状況で、本発明の一態様によれば、以下に詳細に説明するように、ＬＯＥの結合入力領域と関連付けられており、かつＬＯＥの結合入力領域内に導入された画像照射のビーム増倍のために構成されている、ビーム増倍構成を設けて、伝搬領域を画像およびその共役物で完全に照射することが、特に有効であることが判明している。

したがって、図１Ａおよび図１Ｂに示された光学システムは、ＬＯＥ１０の下面１２に隣接して配置された少なくとも１つの透明プレート２６を含む。図１Ａおよび図１Ｂに示された実施形態では、単一の透明プレート２６が示されている。透明プレート２６は、表面１２にまたはその近くに、（「ビームマルチプライヤ」および／または「ビームデュプリケータ」とも称される）ビームスプリッタとして作用する部分反射表面２４を含み、したがって、ビームスプリッタに当たる光の一部分は反射してＬＯＥ１０内に戻され、光の一部分はプレート２６を透過して、プレート２６の外部表面によってＬＯＥ１０内に反射される。本発明のビーム増倍構成のさらなる詳細を以下に提供する。

図１Ａおよび図１Ｂに示されたビーム増倍構成によって提供される利点をより良く示すために、図２および図３Ａは、目下開示されているビーム増倍構成なしの従来のアプローチによる、くさび型プリズム２２を採用した結合入力構成を示す。ＬＯＥは、（「フィールド」または「視野」ＦＯＶとも称される）すべての光伝搬角度にわたって、かつＥＭＢ１０２全体で、均一な分布で、画像照射をヒトの眼に提供すべきである。このため、各フィールドのアパーチャは、光で均等に充填されるべきである。言い換えれば、コリメート画像内の画素に対応する任意の照射角度に対して、ＬＯＥの主表面に垂直な平面内のＬＯＥの断面全体は、画像およびその反射物（共役物）の両方で充填され、したがって、ＬＯＥボリューム内の任意の点において、光線が、コリメート画像およびその共役物の両方のすべての画素に対応して存在するべきである。この結果を達成するために、図３Ａに示されたように、比較的大きなアパーチャの画像プロジェクタ２０が、ＬＯＥの１つの主表面１２への延長部とともに使用され、したがって、ＬＯＥ１０のアパーチャは、画像の全直接照射と、表面１２から内部反射された共役物画像の全反射照射とを受け取った。このようにしてＬＯＥアパーチャを充填するために、画像プロジェクタ２０は、対応して大きなアパーチャを有する必要がある。

「充填」条件が満たされない場合、眼に当たった光は、均等に分配されない。それ以外は図３Ａと同様の光学構成を有するより小さい画像プロジェクタ２０が使用される、この基準を満たさない狭い照射ビームの例を図３Ｂに示す。アパーチャ充填が不足しているとき、ＬＯＥから出る光は、均等に分配されない。ＬＯＥの充填の不均一性は、小さなアパーチャのプロジェクタの使用、小さな結合入力ジオメトリの使用、および内部ファセット反射の特定の構成を含むがこれらに限定されない、いくつかの理由により起こり得る。

ここで図４～図６を参照して、アパーチャの部分充填を補償する本発明の実施形態による光学システムを開示する。一般的に言えば、光学システムの各々は、２つの平面状主外部表面１２、１４を有するＬＯＥ１０であって、２つの主外部表面は、主外部表面での内部反射によってＬＯＥ内での画像照射の伝搬を支援するように、平行である、ＬＯＥ１０を含む。ＬＯＥは、主外部表面間の厚さｈを有する。ＬＯＥの長さに沿って、ＬＯＥは、まず結合入力領域３４を含み、続いて伝搬領域３６を含む。結合入力領域とは異なり、伝搬領域は、エアバリア（または代替的に反射ミラー）によって囲まれており、したがって、伝搬領域内に導入された画像照射は、主外部表面１２、１４の間でＴＩＲを受ける。

画像は、コリメート画像に対応する画像照射を生み出すように構成されたプロジェクタ２０によって結合入力領域３４内に導入され、画像照射をＬＯＥの結合入力領域内に導入して、内部反射によって、ＬＯＥの伝搬領域内を伝搬させるように、ＬＯＥに光学的に結合されている。

光学システムは、ＬＯＥに関連付けられており、かつＬＯＥの結合入力領域内に導入された画像照射のビーム増倍のために構成されている、ビーム増倍構成であって、ビーム増倍構成は、ｍ個の部分反射性の相互に平行な表面２８を備え、ｍは、正の整数であり、ｍ個の表面は、ＬＯＥの外部にあり、ＬＯＥの主外部表面に平行である、ビーム増倍構成をさらに含む。ビーム増倍構成は、反射体３０をさらに備える。ｍ個の表面および反射体は、結合入力領域３４内に導入された画像照射を伝搬領域３６内に反射して、伝搬領域３６を画像およびその共役物の両方で完全に照射するように構成されている。

光学システムは、伝搬領域３６に関連付けられており、かつＬＯＥからの画像照射の少なくとも一部をユーザの眼に向かって結合出力するように構成されている、典型的には（図４～図６では明確にするために省略されているが、図１Ａおよび図１Ｂに示された）ファセット１６または回折素子１８として実装される、結合出力構成をさらに含む。

この説明全体を通して、部分反射表面２８は、本明細書では「部分反射体」とも称され、完全反射表面３０は単に「反射体」と称される。以下で詳細に説明するように、反射体および部分反射体は、１つ以上の透明プレート２６によって提供される。一般的に言えば、ｍ個のプレートが、１／ｍのアパーチャ充填を補償するために使用される。ｍ個のプレートは、ひとつ（１つ）の反射体とｍ個の部分反射体とを含むｍ＋１個の反射表面を提供する。反射体は、典型的には、ＴＩＲによって衝突光線を完全に反射するプレートの外部表面として実装される。代替的に、いくつかの実施形態では、反射体は、ミラーとして実装することができる。

ここで図４を参照すると、ビーム増倍構成が画像プロジェクタによる半分（１／２）のアパーチャ充填を補償する光学システムの断面の模式図が示されている。この場合、単一の透明プレート２６が、部分反射体２６および反射体３０を提供し、結合入力領域３４に隣接するＬＯＥの（本明細書では「下方」主外部表面とも称される）外部表面１２に接着されている。

透明プレート２６は、結合入力領域３４に隣接するＬＯＥの下方主外部表面１２の長さに沿って部分的に延在する。（本明細書では「臨界点」と称される）プレート２６の端点３２は、結合入力領域３４の端部およびＬＯＥの伝搬領域３６への入口をマークするが、結合入力領域と伝搬領域との間の区別は、これらの領域間の接合部に物理的バリアが存在しないので、純粋に概念的である。いくつかの実施形態では、プレート２６は、臨界点に縁部３８を含み、縁部は、ＬＯＥの主外部表面に垂直である。重要なことに、画像照射は、縁部３８に衝突した後に伝搬領域に入り得ない。いくつかの実施形態では、２つ以上のプレートの場合、ＬＯＥに最も近い（実際にはＬＯＥに隣接している）プレートのみが、結合入力領域３４に沿って完全に延在し、点３２にある縁部３８で終わる必要がある。

この場合、図４に示されたように、ビーム増倍構成は、伝搬領域に入る画像照射の（本明細書では「ビーム複製」とも称される）ビーム増倍によって１／２アパーチャ充填を補償し、したがって、伝搬領域は、（下向き矢印として示された）画像と（上向き矢印として示された）その共役物との両方によって完全に照射される。図４に示されたように、各光線は、ビームスプリッタによって複製され、光線の一部は、部分反射体２８から反射し、光線の一部は、完全反射体３０から反射し、それによって、ＬＯＥの長さに沿ってさらに臨界点３２を効果的に延長し、したがって、各光線およびその共役物がＬＯＥの伝搬領域３６を充填し、それによって、伝搬領域を画像およびその共役物の両方で完全に照射するのに不十分であろうプロジェクタによる少ないアパーチャ充填を補償する。画像および共役物画像の均一な強度分布を達成するために、透明プレート２６の下面は、（例えば、ＴＩＲまたはミラーコーティングを介して）完全反射体３０として作用し、理想的には、プレート２６の上面は、画像の角範囲内の衝撃光の３６％～４０％、最も好ましくは３８．２％を均一に反射するようにコーティングされるべきである。

補足すると、プロジェクタ２０は、代替的に、画像の共役物を注入することができ、その場合、下向きは、実際には、共役物を表し、上向きの矢印は画像を表すことが理解されるべきである。したがって、この説明全体を通して、「画像」および「共役物」という用語は、「画像」への言及がまた、画像の共役物を意味することができるように互換性があると理解されるべきであり、その場合、「共役物」への任意の言及は、画像への言及として理解されよう。

光学システムは、いくつかの実施形態では、プロジェクタ２０とＬＯＥ１０との間のくさび２２の結合入力構成を含み得る。

上記で考察したように、より小さい部分的アパーチャ充填に対する補償も企図される。図５は、全アパーチャ注入光線によって充填される領域のサイズの１／３（すなわち、図３Ａに示された光線によって充填されるもののサイズの１／３）のみを充填する、注入光線を補償する光学デバイスを示す。補償なしでは、ＬＯＥは、部分的に充填されるのみであろう（図３Ｂ）。１／３アパーチャ充填（Ｎ＝３）を補償するために、２つの（Ｎ－１＝２）部分反射体２８が必要とされる。図５に示された例示的な実装態様では、２つの部分反射体は、合計総厚がｈ＊２／３によって与えられ、各個別透明プレート２６がｈ／３の厚さを有する、２つの透明プレート２６を使用して実装されている。この場合、２つの透明プレート２６は、ともに接着され、次いで、結合入力領域３４に隣接するＬＯＥの表面１２に接着されている「スタック」を形成する。２つの透明プレートは、それらの主外部表面で接着され、２つの部分反射体２８および反射体３０を集合的に提供する。

画像共役物画像の均一な分布を達成するために、上部（第１の）プレートとＬＯＥとの間の界面は、２１％～２４％、好ましくは２２．８％の反射率を有する部分反射コーティングを含み得る。底部（第２の）プレートと上部（第１の）プレートとの間の界面は、３７％～４０％、好ましくは３８．２％の反射率を有する部分反射コーティングでコーティングすることができる。底部（すなわち、第２の）透明プレートの下方主外部表面は、図４を参照して説明されたのと同様の完全反射体として作用する。

図６は、全アパーチャ注入光線によって充填される領域のサイズの１／４（すなわち、図３Ａに示された光線によって充填されるもののサイズの１／４）のみを充填する、注入光線を補償する光学デバイスを示す。１／４アパーチャ充填（Ｎ＝４）を補償するために、３つの（Ｎ－１＝３）部分反射体２８が必要とされる。図６に示された例示的な実装態様では、３つの部分反射体２８は、合計総厚がｈ＊３／４で与えられ、各個別透明プレートがｈ／４の厚さを有する、３つの透明プレート２６を使用して実装されている。

画像共役物画像の均一な分布を達成するために、上部（第１の）プレートとＬＯＥとの間の界面は、１５％～１７％、好ましくは１６．１％の反射率を有する部分反射コーティングを含み得る。中間（第２の）プレートと上部（第１の）プレートとの間の界面は、２１％～２４％、好ましくは２２．８％の反射率を有する部分反射コーティングでコーティングすることができる。中間（第２の）プレートと底部（第３の）プレートとの間の界面は、３７％～４０％、好ましくは３８．２％の反射率を有する部分反射コーティングでコーティングすることができる。底部（すなわち、第２の）透明プレートの下方主外部表面は、図４および図５を参照して説明されたのと同様に、完全反射体として作用する。

一般的に言えば、ビーム増倍構成は、ｍ個の透明プレートによって提供される、主外部ＬＯＥ表面に平行なｍ個の部分反射表面を含み、ｍは、正の整数である。部分反射体の数は、式ｍ＝Ｎ－１によって決定され、ここで、１／Ｎは、補償されるべきアパーチャ充填の画分を表す。部分反射体は、間隔を置いた関係で配備され、第１の部分反射体は、ＬＯＥの下方主外部表面１２に、またはその近くに置かれる。部分反射体間の間隔は、ＬＯＥの厚さｈに比例し、プレートの厚さによって決定される。完全反射体３０は、部分反射体の下、特に（１つの部分反射体のみが使用されるときは第１の部分反射体でもある）最後の部分反射体の下に配備される。完全反射体は、完全反射体とＬＯＥの下方主外部表面１２（等価的に、またはほぼ等価的に、第１の部分反射体）との間の有効間隔もまたｈに比例するように、最後の部分反射体に対して、かつその下に、間隔を置いた関係で配備される。一般に、完全反射体とＬＯＥの下方主外部表面との間の有効間隔は、式ｈ＊（Ｎ－１）／Ｎで表すことができる。そのような間隔を達成するために、ｍ個のプレートの各々の厚さは、好ましくは、ｈの１／（ｍ＋１）であるべきである。

１つを超える透明プレートの場合、プレート間の各界面と、１番目のプレート（すなわち、ＬＯＥに隣接するプレート）とＬＯＥとの間の界面とは、部分反射コーティングを含む。いくつかの異なるコーティング方法が可能である。例えば、各プレートは、１つの表面がコーティングされ、ともに、およびＬＯＥに、接着することができ、そうすると、各界面が部分反射コーティングを含む。代替的に、１つおきのプレート（すなわち、スタック内の一つおきのプレート）を、各々、両方の主外部表面に部分反射コーティングでコーティングすることができる。代替的に、部分反射率は、プレート間の界面で所望の部分反射を生み出すように選択された異なる屈折率のプレートを積み重ねる（または光学接着剤を使用する）ことによって達成することができる。代替的に、プレート間の光学接着剤は、所望の部分反射を生み出すように選択された、プレートとは異なる屈折率を有することができる。

画像および共役画像の均一な強度を達成するために、プレートｉの上面は、ＴＩＲにより、

の理想的な部分反射率を達成するようにコーティングされるべきであり、式中、ｍ番目のプレート（すなわち、ＬＯＥから最も遠いプレート）の底面はＲ_m+1＝１である。

好ましくは、ｍ個の連続した部分反射体の各々の反射率は、上に詳述されたＲ_iについての式を使用して与えられる。しかしながら、反射率の割合は、すべての場合で、少なくとも画像（視野）の角範囲全体に対して、正確には定義され得ない、または正確には達成可能であり得ないパラメータであり、ここでの意図は、サンプリングされた場合に結果として得られる強度分布がＬＯＥの厚さにわたって均一であると視覚的に認識される理論値に十分に近い値を指すことである。単一の部分反射体（ｍ＝１）の場合、反射率の５～１０％の誤差は、半サイクル後でさえ視覚的に容認可能である。より一般的には、反射率の±５％、またはさらには±１０％の変動は、特定の場合に、視覚的に容認可能であるのに十分に最適に近い結果をもたらし得る。部分反射体層とＬＯＥの主外部表面との間の平行性は維持されるべきであり、ビーム増倍プロセス中に縞状の不均一な強度を生み出すことを回避するために、厚さを等分に細分化することが、１０％以内の精度で、好ましくはより正確に、実行される。

構造的に、ビーム増倍構成の部分反射率は、金属コーティング、構造的部分反射体（例えば、ポルカドットパターン反射体）、および多層誘電体コーティングを含むがこれらに限定されない、任意の好適な部分反射層またはコーティングを使用して実装することができる。いくつかの実施形態では、部分反射コーティングは、好ましくは、コーティングが、（ビームスプリッタに垂直に近い）小さい角度で低反射率を有しながら、ＬＯＥ内の画像光伝搬の角度に対応する範囲内の角度で、上記のシーケンスに従って所望の反射率を有して、直接閲覧されるシーンからの光の減衰がより少ない、角度依存性反射コーティングを使用して実装され得る。そのような角度依存性反射率を有する層は、多層誘電体コーティングを使用して容易に達成することができ、必要な特性は本質的にフレネル反射特性に類似しているので、製造が容易である。そのような角度依存性反射率を提供するための多層コーティングの設計は、当該技術分野で慣行されているように、標準的なソフトウェアパッケージを使用して行うことができ、好適なコーティングは、多くの供給源から商業的に得ることができる。したがって、提示の簡潔化のため、ここでは詳細については触れない。

ここまで説明した実施形態は、ＬＯＥに光線を注入するための結合入力機構としてくさびを使用するときのビーム増倍に関するものであったが、他の結合入力ジオメトリが企図される他の実施形態も可能である。

紹介すると、図７は、結合入力機構としてくさび２２を使用するときのＬＯＥの全アパーチャ充填を繰り返す。くさびは、アパーチャが完全に充填されるように光学的に設計されており、すなわち、ＬＯＥの主外部表面に垂直な平面内のＬＯＥの断面のすべての点に上向きおよび下向きの光線が存在する。結合入力領域３４のサイズは、くさびと視野とによって決定され、ＬＯＥ内部のすべてのフィールドについて、上向き光線と下向き光線とが重なるように設計されている。主光線がＬＯＥに垂直にＬＯＥから結合出力される構成では、ＬＯＥに対するくさびの角度は、主光線に対して垂直であるように選択される。しかしながら、（例えば、美観上の理由により）ＬＯＥにわずかな傾斜が加えられている場合、くさびの角度は、傾斜角を考慮して調整されて、色収差を最小限に抑えるようにすべきである。さらに、くさびの長さは、ＬＯＥを通して誘導することができる最も浅い光線に従って決定される。伝搬領域３６は、結合入力領域３４の端部から始まり、ＬＯＥの長さ全体にわたって続く。

上記で詳細に考察したように、ビーム増倍による部分的アパーチャ充填技術（例えば、図４に示され、図８でより詳細に再現された半アパーチャ充填技術）は、アパーチャを完全に充填するために、１つ以上の透明プレート２６を使用して入射光線を複製することに依拠する。しかしながら、図８から明らかなように、透明プレート２６は、図７に示された全アパーチャ法と比較したとき、結合入力領域３４のサイズを増加させる（すなわち、透明プレートは、ＬＯＥの下方主外部表面１２のかなりの部分に沿って延在する）。

上記を念頭に置いて、図９は、図８の結合入力領域３４と比較したとき、結合入力領域３４のサイズを同時に減少させるビーム増倍機構を有する、本発明の実施形態による光学デバイスを示す。そのような実施形態では、全アパーチャが照射されるが、但し、くさび型結合入力機構は、斜め縁部４０（すなわち、ＬＯＥの平行な主外部表面に対して角度のある縁部）によって置き換えられる。一般に、斜め縁部４０の特定の角度は、上記で考察されたくさびの角度を選択するために使用されるのと同じ基準に従って選択される。上向きおよび下向きの光線を複製するためのくさびが存在しないので、光線は、斜め縁部４０を介してＬＯＥに直接注入される。（前述したのと同様の）透明プレート２６が、上向きおよび下向きの光線を複製および重複させる。さらに、結合入力機構として作用するくさびが存在しないので、光学デバイスの全体的な入力アパーチャは（図８の光学デバイスと比較して）より小さく、結合入力領域３４の（すなわち、透明プレートの長さによって規定されるような）サイズは、図８の結合入力領域３４のサイズよりも小さい。余談として、縮小された全体的な入力アパーチャは、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）システムでの使用に好適である、光学デバイスの全体的な形態係数を低減するという追加の利点を有する。

ここまで、入力アパーチャ延長の考察を、ＬＯＥ１０の誘導次元におけるアパーチャ延長に関して考察した。場合によっては、非誘導次元におけるアパーチャ延長も必要である。本明細書で使用される場合、「誘導次元」は、光がＴＩＲによって誘導される主表面間の次元を指し、「非誘導次元」は、内部反射によって制限されることなく光路が膨張する、主表面に平行に延在する次元を指す。

図１０は、アパーチャが非誘導次元において延長された光学システムを示す。光線がＴＩＲによって誘導されないときにアパーチャの部分充填を補償するために、部分反射コーティングでコーティングされた下方主表面２８を有する透明プレート２６が、くさび２２とＬＯＥ１０の縁部との間に配備され、したがって、透明プレート２６の上方主外部表面の一部分は、ミラー３０として作用し、透明プレートの下方主外部表面は、部分反射体２８として作用する。透明プレートは、部分的に充填された入力光線が複製されるように、入射光線を効果的に反射する。アパーチャ全体を充填するために、透明プレート２６の厚さｈ_mは、光学システムのアパーチャストップＳの半分を有するように選択される。

図１１は、（非平行なセットの平行光線によって示された）異なるフィールドからの光線が（元の全アパーチャ光学システムの半分のサイズである）光学システムのストップＳをすべて充填するという図が追加された、図１０の光学システムの別の描写を示す。

図１２は、ＬＯＥ入力に結合された透明プレート２６を示す、図１０および図１１の光学システムの等角図である。明確にするために、結合入力構成は、図１２に示されていないが、存在すると仮定する。２つの光線は、透明プレート２６によって複製され、次いで、ＬＯＥ内を伝搬してから、（ファセットを表す対角線として図１２に示された）結合出力構成に到達し、ＥＭＢ（図示せず）に向かって結合出力される。

図１３は、図１２のものと同様の光学システムの一実施形態の断面図および等角図をそれぞれ示すが、（例えば、図４～図９を参照して考察したような）ＬＯＥの誘導次元においてビーム複製を実行するために、追加の透明プレート２６’をＬＯＥ入力部に有する。

図１４は、本発明の一実施形態による、非誘導次元においてビーム増倍を実行する別の光学システムを示す。それは、図１０～図１２を参照して説明された実施形態とは対照的である。この実施形態では、光線をＬＯＥ内に結合するためにくさびは使用されない。代わりに、入射ビーム（光線）は、（明確にするために誇張して示された）エアギャップ４４を介してプロジェクタ（図示せず）からＬＯＥ内に注入される。図１０～図１２を参照して説明されたのと同様に、透明プレートは、エアギャップ４４とＬＯＥ１０との間に配備されている。ビームは、（前述したように）透明プレート２６に一部起因して、かつより低い屈折率のエアギャップ４４の媒体からより高い屈折率の媒体（例えば、典型的にはガラスから構築されるＬＯＥ）に移るときのビームの屈折に一部起因して、膨張する。屈折による膨張は、ビーム径拡大と称される。図１４に示されたように、直径ｄ₁を有するビームは、透明プレートの長さＨのセグメントにわたって、（法線に対して測定された）入射角θ₁で衝突する。屈折したビームは、ビーム径ｄ₂および（法線に対して測定された）屈折角θ₂を有する。単純な幾何学を使用して、以下の数学的関係を容易に導出することができる。

θ₂は（スネルの法則により）θ₁よりも小さいので、ｄ₂はｄ₁よりも大きく、それによって、拡大されたビーム径を生じる。

図１Ａおよび図１Ｂならびに図４～図１４を参照して上記に開示された実施形態では、ＬＯＥの伝搬領域に入る光は、以前は部分反射体および／または完全反射体によってのみ反射されていたことが強調されるべきである。いかなる場合も、透明プレートの縁部（すなわち、ＬＯＥ表面１２、１４に垂直な透明プレート２６の縁部）から反射された光は、ＬＯＥの伝搬領域に入ってはならない。

ディスプレイは、典型的には小型の搭載電池またはいくつかの他の好適な電源からの電力を採用する、典型的には画像プロジェクタを作動させるためのコントローラを含む、様々な追加の構成要素を含むことが理解されよう。コントローラは、当技術分野ですべて周知であるように、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すべての必要な電子部品を含むことが理解されよう。これらの特徴は、本発明自体の一部ではないため、ここでは詳細に説明しない。そのような特徴はすべて、当業者によって容易に実装されるであろう。

本明細書の説明では、膨張したビームは、ビーム増倍構成が、画像プロジェクタによって提供されるビーム幅の制限を克服し、ＬＯＥへの入口アパーチャに、その面積全体にわたって画像およびその共役物の両方が提供されることを保証するという意味で、伝搬領域を「完全に照射する」と称される。明らかに、「完全」照射は、観察者の眼によって知覚されて煩わせるほどに有意な孔または黒線を有さない結合出力画像を生成する能力によって評価される。ユーザの体験に有意に影響しないＬＯＥの充填におけるささいな不完全性は、明らかに容認可能であり、「完全に照射される」という表現によって包含される。

上記の説明は、例としてのみ機能することを意図しており、多くの他の実施形態が、添付の特許請求の範囲に定義さ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よう。

Claims (20)

1. ユーザの眼に画像を表示するための光学システムであって、
   （ａ）２つの平面状主外部表面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）であって、前記２つの平面状主外部表面は、前記主外部表面での内部反射によって前記ＬＯＥ内での画像照射の伝搬を支援するように、平行であり、前記ＬＯＥは、前記主外部表面間の厚さｈを有し、前記ＬＯＥは、結合入力領域および伝搬領域を有する、ＬＯＥと、
   （ｂ）前記ＬＯＥの前記伝搬領域に関連付けられており、かつ前記画像照射の少なくとも一部を前記ＬＯＥから前記ユーザの前記眼に向かって結合出力するように構成されている、結合出力構成と、
   （ｃ）コリメート画像に対応する画像照射を生み出すための画像プロジェクタであって、前記画像照射を前記ＬＯＥの前記結合入力領域内に導入して、内部反射によって、前記ＬＯＥの前記伝搬領域内を伝搬させるように、前記ＬＯＥに光学的に結合されている、画像プロジェクタと、
   （ｄ）前記ＬＯＥに関連付けられており、かつ前記ＬＯＥの前記結合入力領域内に導入された前記画像照射のビーム増倍のために構成されている、ビーム増倍構成であって、前記ビーム増倍構成は、ｍ個の部分反射性の相互に平行な表面であって、ｍは、正の整数であり、前記ｍ個の表面は、前記ＬＯＥの外部にあり、かつ前記ＬＯＥの前記主外部表面に平行である、ｍ個の表面を備え、さらに反射体を備え、前記ｍ個の表面および反射体は、前記結合入力領域内に導入された画像照射を前記伝搬領域内に反射して、前記伝搬領域を前記コリメート画像と前記コリメート画像の共役物との両方で完全に照射するように構成されている、ビーム増倍構成と、を備える、光学システム。
2. 前記ｍ個の表面は、ｍ個の透明プレートによって提供され、各プレートは、一対の主平行外部表面を有し、前記ｍ個のプレートは、それぞれの主平行表面においてともに接着されて、前記ＬＯＥの主外部表面に接着されているスタックを形成する、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記反射体は、前記ＬＯＥから最も遠いプレートであるｍ番目のプレートの外部表面によって提供され、前記外部表面は、ＴＩＲを介して完全に反射するように構成されている、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記反射体は、ミラーによって提供されている、請求項２に記載の光学システム。
5. 前記ｍ個のプレートの各々は、ｈのｌ／（ｍ＋１）に等しい厚さを有する、請求項２に記載の光学システム。
6. 前記ＬＯＥに最も近いプレートである１番目のプレートは、前記結合入力領域に隣接する前記ＬＯＥの長さに沿って延在する、請求項２に記載の光学システム。
7. 前記ビーム増倍構成は、ｌ／（ｍ＋１）アパーチャ充填を補償するように構成されている、請求項１に記載の光学システム。
8. 前記ＬＯＥは、誘導次元および非誘導次元を含み、前記光学システムは、前記誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第１のビーム増倍構成と、前記非誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第２のビーム増倍構成と、を含む、請求項１に記載の光学システム。
9. 前記ＬＯＥの結合入力領域に関連付けられており、かつ内部反射によって前記ＬＯＥ内を伝搬するように、前記画像照射を前記画像プロジェクタから前記ＬＯＥ内へ結合入力するように構成されている、結合入力構成をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
10. 前記結合入力構成は、前記画像プロジェクタと前記ＬＯＥの前記結合入力領域との間に位置付けられたくさび型プリズムを備える、請求項９に記載の光学システム。
11. 前記結合入力構成は、前記画像プロジェクタと前記ＬＯＥの前記結合入力領域との間の前記ＬＯＥの一端に斜め縁部を備える、請求項９に記載の光学システム。
12. 前記結合出力構成は、前記ＬＯＥの前記主外部表面に対して斜めに角度付けられた複数の相互に平行なファセットを備える、請求項１に記載の光学システム。
13. 前記結合出力構成は、回折素子を備える、請求項１に記載の光学システム。
14. ユーザの眼に画像を表示するための光学システムであって、
    ａ）２つの平面状主外部表面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）であって、前記２つの平面状主外部表面は、前記主外部表面での内部反射によって前記ＬＯＥ内での画像照射の伝搬を支援するように、平行であり、前記ＬＯＥは、前記主外部表面間の厚さｈを有し、前記ＬＯＥは、結合入力領域および伝搬領域を有する、ＬＯＥと、
    （ｂ）前記ＬＯＥの前記伝搬領域に関連付けられており、かつ前記画像照射の少なくとも一部を前記ＬＯＥから前記ユーザの前記眼に向かって結合出力するように構成されている、結合出力構成と、
    （ｃ）コリメート画像に対応する画像照射を生み出すための画像プロジェクタであって、前記画像照射を前記ＬＯＥの前記結合入力領域内に導入して、内部反射によって、前記ＬＯＥの前記伝搬領域内を伝搬させるように、前記ＬＯＥに光学的に結合されている、画像プロジェクタと、
    （ｄ）前記ＬＯＥに関連付けられており、かつ前記ＬＯＥの前記結合入力領域内に導入された前記画像照射のビーム増倍のために構成されている、ビーム増倍構成であって、前記ビーム増倍構成は、相互に平行な外部表面を有する透明プレートを備え、前記透明プレートは、前記結合入力領域に隣接する前記ＬＯＥの主外部表面に接着され、前記透明プレートは、前記ＬＯＥと前記プレートとの間に部分反射表面を提供し、反射体をさらに提供し、前記部分反射表面および前記反射体は、前記結合入力領域内に導入された画像照射を前記伝搬領域内に反射して、前記伝搬領域を前記コリメート画像と前記コリメート画像の共役物との両方で完全に照射するように構成されている、ビーム増倍構成と、を備える、光学システム。
15. 前記透明プレートは、ｈ／２の厚さを有する、請求項１４に記載の光学システム。
16. 前記ビーム増倍構成は、前記画像プロジェクタによる前記結合入力領域の１／２アパーチャ充填を補償するように構成されている、請求項１４に記載の光学システム。
17. 前記ＬＯＥの結合入力領域に関連付けられており、かつ内部反射によって前記ＬＯＥ内を伝搬するように、前記画像照射を前記画像プロジェクタから前記ＬＯＥ内へ結合入力するように構成されている、結合入力構成をさらに備える、請求項１４に記載の光学システム。
18. 前記結合入力構成は、前記画像プロジェクタと前記ＬＯＥの前記結合入力領域との間に位置付けられたくさび型プリズムを備える、請求項１４に記載の光学システム。
19. 前記結合入力構成は、前記画像プロジェクタと前記ＬＯＥの前記結合入力領域との間の前記ＬＯＥの一端に斜め縁部を備える、請求項１４に記載の光学システム。
20. 前記ＬＯＥは、誘導次元および非誘導次元を含み、前記光学システムは、前記誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第１のビーム増倍構成と、前記非誘導次元においてビーム増倍を提供するように構成された第２のビーム増倍構成と、を含む、請求項１４に記載の光学システム。

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