JP2022554051A - 非点収差光学系を採用したディスプレイおよび収差補償 - Google Patents

Abstract

観察者の目に画像を提供するためのディスプレイが開示される。画像生成器は、基板内を伝搬するための相互に平行な主要外部表面を有する基板に画像に対応する画像照明を提供する。少なくとも１つの非点収差光学要素を含む中間光学装置は、内部反射によって第１の平面内方向に基板内を伝播するように、画像生成器からの画像照明を方向付ける。円筒形オプティカルパワーを有する反射光学装置は、内部反射によって第２の平面内方向に伝播するように画像照明を反射する。結合出力装置は、コリメート画像照明を観察者の目に向けて結合出力する。中間光学装置は、反射光学装置によってもたらされる特徴的な収差で少なくとも部分的に相殺する補正光学収差を生成するように配備された要素を含む

Description

本発明は、近視ディスプレイシステム、特に、二次元画像拡張のための導波路システムを含む近視ディスプレイシステムに関する。

商業的に実現可能であるために、近視ディスプレイなどのコンパクトな導波路ベースの光学システムは、通常、画像投影光学系のサイズを大きくすることなく広い視野（ＦＯＶ）を達成するために二次元瞳孔拡張を必要とする。一部のディスプレイシステムは、画像拡張に導波路システムを使用する。これらのシステムでは、画像に対応する光が導波路に結合入力される。光は、内部反射（ＴＩＲ）を介して導波路に沿って伝播し、一連の部分反射角度ファセットまたは回折要素などの１つ以上の光抽出要素を介して徐々に結合出力され、それによって一次元で画像の拡張を拡大する。

導波路システムを使用して二次元で拡張するには、様々な解決策が存在する。例えば、米国特許公開第２０１４／００３６３６１Ａ１号は、導波路端部で導波路平面に統合された光学要素を組み込んだ導波路を記載している。図１（上記参照刊行物の図４６に対応）に示すように、２Ｄ画像源５１５からの光は、光学要素５０１によって導波路５０３の平面内でコリメートされ、導波路に注入される。導波路では、光は、横方向に正のオプティカルパワーを有する反射導波路端部５００（通常は円筒形ミラー）に向かって拡大し、反射後にコリメートされる。次に、反射光は、一連のファセット５１２を介して導波路から抽出され、したがって、他の次元で膨張する。

別の解決策は、米国特許公開第２０１９／００３３５９８Ａ１号に記載されている。このシステムは、導波路の平面で瞳孔拡張を実現するために、導波路端部に円筒形ミラーを有する瞳孔２Ｄイメージングを採用している。図２（ＵＳ２０１９／０３３５９８ Ａ１の図４（ａ）～４（ｃ）に対応する）に示されるように、光源２４は、イメージングシステム２３によって第１のガイド要素２６に投射される。各ＦＯＶ点について、イメージングシステム２３は、導波路表面に垂直な平面でコリメートされ、導波路平面の焦点に収束する光ビームを提供する。導波路端部にある円筒形ミラー３０から反射すると、ビームはすべての方向において平行になる。抽出ゾーン３１を有する第２の導波路２７は、光抽出（例えば、ミラーまたは回折要素を使用する）および他の次元での画像拡張のために使用される。

しかしながら、上記の既存の解決策は、以下でより詳細に説明されるように、円筒形ミラーによってもたらされる画像収差の問題および他の欠点を含む様々な欠点に悩まされている。

本発明は、観察者の目に画像を提供するためのディスプレイである。ディスプレイは、相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する基板（「導波路」）を含む。導波路は、導波路端部に円筒形オプティカルパワー（「円筒形ミラー」）を有する反射光学装置と、円筒形ミラーによって引き起こされる画像収差を補償するように構成された１つ以上の追加の構成要素とを含む。本明細書に開示されるシステムは、従来のゴーグルのフレームに潜在的に適合する可能性がある、コンパクトなサイズの投影光学系で高い画像解像度を達成することを目的としている。本明細書に開示される導波路のいくつかは、システムの開口数を増加させるために、導波路の内部にエテンデュエキスパンダを含む。一部の導波路には、円筒形ミラーによって引き起こされる収差を補償するように構成された投影光学系モジュールが含まれる。

したがって、本発明の実施形態の教示によれば、観察者の目に画像を提供するためのディスプレイが提供され、このディスプレイは、（ａ）画像に対応する画像照明を提供する画像生成器と、（ｂ）相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する基板と、（ｃ）第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって基板内を第１の平面内方向に伝搬するように、画像生成器からの画像照明を方向付けるように構成された中間光学装置であって、基板内を伝搬する画像照明が、第１の主要外部表面に垂直な平面ではコリメートされ、第１の主要外部表面に平行な平面ではコリメートされないように、少なくとも１つの非点収差光学要素を含む中間光学装置と、（ｄ）円筒形オプティカルパワーを有する反射光学装置であって、第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって第２の平面内方向に伝搬するように、画像照明の少なくとも一部を反射するために、基板と一体化されており、反射光学装置からの反射後の画像照明が、第１の主要外部表面に垂直な面と平行な面の両方でコリメートされたコリメート画像照明である、反射光学装置と、（ｅ）コリメート画像照明の少なくとも一部を観察者の目に向けて結合するための結合出力装置であって、反射光学装置は特徴的な収差を有し、中間光学装置は、反射光学装置の特徴的な収差を少なくとも部分的に相殺する補正光学収差を生成する、結合出力装置と、を含む。

いくつかの態様によれば、反射光学装置は、基板のエッジと統合された円筒形ミラーを含み、円筒形ミラーは、第１の主要外部表面に垂直な円筒軸を有する。

いくつかの態様によれば、中間光学装置は、基板内を伝搬する画像照明が、基板内の焦点軌跡に向かって収束し、次に反射光学装置に到達する前に発散するように、第１の主要外部表面に平行な平面に収束するように構成される。

いくつかの態様によれば、ディスプレイは、焦点軌跡で基板と統合されたエテンデュ光学エキスパンダをさらに含む。任意選択的に、エテンデュエキスパンダは、偏光選択性であり得る。

いくつかの態様によれば、エテンデュ光学エキスパンダは、第１の主要外部表面に垂直な面で画像照明を拡幅することなく、第１の主要外部表面に平行な面で画像照明を拡大するように構成された一次元エテンデュ光学エキスパンダである。

いくつかの態様によれば、エテンデュ光学エキスパンダは、円筒形マイクロレンズのアレイを含む。

いくつかの態様によれば、中間光学装置は、円筒形オプティカルパワーの有効軸を有する少なくとも１つの非点収差光学要素を含み、円筒形オプティカルパワーの有効軸は、反射光学装置の円筒軸に光学的に平行である。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は基板と統合されている。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、基板と統合された円筒形屈折レンズを含む。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、基板と統合された円筒形反射レンズを含む。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、基板と統合された円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を含む。

いくつかの態様によれば、反射光学装置は、基板と統合された円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を含む。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は基板の外部にある。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する屈折レンズを含む。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する反射レンズを含む。

いくつかの態様によれば、非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を含む。

いくつかの態様によれば、中間光学装置は、基板内を反射光学装置に向かって伝搬する画像照明が、第１の主要外部表面に平行な平面内で発散するように構成される。

いくつかの態様によれば、画像生成器は、幅および長さを有する細長い空間光変調器を含み、長さは幅の少なくとも５倍であり、空間光変調器は、第１の主要外部表面に平行に整列された長さで配備される。

いくつかの態様によれば、中間光学装置は、基板に光学的に結合された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プリズムを含み、空間光変調器は、ＰＢＳプリズムの面に光学的に結合されている。

いくつかの態様によれば、空間光変調器は、楕円形の有効ピクセル領域を有し、長さに平行な第１のピクセルピッチと、幅に平行な第１のピクセルピッチよりも小さい第２のピクセルピッチを有する。

いくつかの態様によれば、空間光変調器の各物理ピクセル要素は、第１のピクセルピッチよりも小さく、第２のピクセルピッチよりも大きく、複数の物理ピクセル要素が、各第１のピクセルピッチ内でジグザグ配置されている。

いくつかの態様によれば、反射光学装置が、入射角の第１のサブセットに関連付けられた第１の反射率と、入射角の第２のサブセットに関連付けられた、第１の反射率よりも低い第２の反射率とを有するように構成され、第１のサブセットは、画像照明に対応する範囲内の角度を含み、第２のサブセットは、第１のサブセット内にない角度を含む。

いくつかの態様によれば、結合出力装置は、第２の偏光の画像照明を実質的に透過しながら、第１の偏光の画像照明を少なくとも部分的に結合するように偏光選択的であり、中間光学装置は、画像生成器からの画像照明を第２の偏光で第１の平面の方向に基板内で伝搬するように方向付けるように構成され、４分の１波長板が反射光学装置に関連付けられて、第２の平面内方向に伝搬するコリメート画像照明が、第１の偏光を有し、結合出力装置によって結合出力される。

本発明の他の教示によれば、観察者の目に画像を提供するためのディスプレイが提供され、このディスプレイは、（ａ）画像に対応する画像照明を提供する画像生成器と、（ｂ）相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する基板と、（ｃ）第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって基板内を第１の平面内方向に伝搬するように、画像生成器からの画像照明を指示するように構成された中間光学装置であって、基板内を伝搬する画像照明が、第１の主要外部表面に垂直な面ではコリメートされ、第１の主要外部表面に平行な面ではコリメートされないように、少なくとも１つの非点収差光学要素を含む中間光学装置と、（ｄ）円筒形オプティカルパワーを有する反射光学装置であって、第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって第２の平面内方向に伝搬するように、画像照明の少なくとも一部を反射するために、基板と一体化されており、反射光学装置からの反射後の画像照明が、第１の主要外部表面に垂直な面と平行な面の両方でコリメートされたコリメート画像照明である、反射光学装置と、（ｅ）コリメート画像照明の少なくとも一部を観察者の目に向けて結合するための結合出力装置あって、第１の偏光の画像照明を少なくとも部分的に結合出力する一方で、第２の偏光の画像照明を実質的に透過させる偏光選択性を有し、中間光学装置は、画像生成器からの画像照明を、第２の偏光で基板内を第１の平面内方向に伝搬させるように構成された結合出力装置と、を含み、第２の平面内方向に伝搬するコリメート画像照明が、結合出力装置によって結合出力されるように第１の偏光を有するように、４分の１波長板が反射光学装置に関連付けられている。

本発明は、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載されている。
既知のディスプレイの実施形態を示す。 既知のディスプレイの実施形態を示す。 既知のシステムの動作原理を示す概略図を示す。 既知のシステムの動作原理を示す概略図を示す。 既知のシステムの動作原理を示す概略図を示す。 既知のシステムに存在するある種の画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在するある種の画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在する別のタイプの画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在する別のタイプの画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在する別のタイプの画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在する別のタイプの画像収差の概略図を示す。 既知のシステムに存在する別のタイプの画像収差の概略図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 画像収差の問題の解決策の概略図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 円筒形ミラーで反射する光の模式図を示す。 ２つのミラーを有するシステムの概略図を示す。 ２つのミラーを有するシステムの概略図を示す。 ２つのミラーを有するシステムの概略図を示す。 導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 偏光制御要素を含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 偏光制御要素を含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 導波路システムの一実施形態によるゴースト光線の遮断を示す。 導波路システムの一実施形態によるゴースト光線の遮断を示す。 ミキサを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ミキサを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ビームスプリッタミラーを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ビームスプリッタミラーを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ビームスプリッタミラーを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 偏光制御要素を含む、図１５Ａ～１５Ｃに示されるシステムの変形を示す。 屈折円筒要素を含む、図１５Ａ～１５Ｃに示されるシステムのさらなる変形を示す。 回折要素を含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 第２の導波路を含む導波路システムの実施形態の概略図を示す。 エテンデュエキスパンダを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 エテンデュエキスパンダを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 エテンデュエキスパンダを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 マイクロレンズアレイ上に小さな開口数が当たる収束光線を示す。 偏光選択エテンデュエキスパンダの様々な実施形態を示す。 偏光選択エテンデュエキスパンダの様々な実施形態を示す。 ＰＯＤ内に集束要素を有する導波路システムの実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤ内に集束要素を有する導波路システムの実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤ内に集束要素を有する導波路システムの実施形態の概略図を示す。 様々な実施形態による停止の位置を示す。 様々な実施形態による停止の位置を示す。 ＰＯＤにバイコニックミラーを含む導波路システムの実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤにバイコニックミラーを含む導波路システムの実施形態の概略図を示す。 図２５Ａ～２５Ｂに示す、エテンデュエキスパンダを含むシステムの一実施形態の概略図を示す。 図２５Ａ～２５Ｂに示す、エテンデュエキスパンダを含むシステムの一実施形態の概略図を示す。 大きなＰＯＤ開口を有する導波路システムの実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤ内に円筒形の光学面を含む導波路システムの実施形態の概略図を示す。 図２８に示すシステムの一実施形態によるミキサとカバープレートを示す。 図２８に示すシステムの一実施形態によるミキサとカバープレートを示す。 ＰＯＤ内の構成要素の代替的な配置を示す。 ＰＯＤ内の構成要素の代替的な配置を示す。 追加の円筒レンズを含む図２８のシステムの実施形態の概略図を示す。 画像源の既存のピクセル配置を示す。 画像源の新しいピクセル配置を示す。 入射角が大きくなるにつれての画像収差の定性的な挙動を示す一連のグラフを示す。 平面屈折界面を通過する発散ビームを示す一連の光線図を示す。 平面屈折界面を通過する発散ビームを示す一連の光線図を示す。 ウェッジプリズムを通過する発散ビームを示す一連の光線図を示す。 ウェッジプリズムを通過する発散ビームを示す一連の光線図を示す。 円筒ミラーに対してウェッジプリズムによってもたらされる最大のｙ収差を示すグラフを示す。 様々なＦＯＶの最大収差を示す一連のグラフを示す。 ウェッジプリズムを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ウェッジプリズムを含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤに追加の光学要素を含む導波路システムの実施形態の概略図を示す。 ＰＯＤに屈折構成要素を含む導波路システムの一実施形態の概略図を示す。

「ディスプレイ」という用語は、本明細書では、仮想現実または拡張現実の用途を問わず、ヘッドアップディスプレイおよび近視ディスプレイを含むがこれらに限定されない任意のタイプのディスプレイを説明するために使用される。「ディスプレイ」は、本明細書では「導波路システム」と交換可能に使用される。

本明細書では、「画像生成器」という言葉を、画像を生成するために使用されるあらゆる要素または装置を指すために使用しており、これには、ＬＣＯＳ（シリコン上液晶）チップなどの空間光変調器（ＳＬＭ）、マイクロＬＥＤディスプレイ、および走査ビームがその走査動作に同期して変調されて画像を生成する様々な走査配置が含まれるが、これらに限定されるものではない。

「基板」という用語は、本明細書では「導波路」と交換可能に使用され、光が主表面での内部反射によってそれに沿って伝播する、相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する任意の光伝達構造を指す。光は導波路に垂直に見たときに光が伝搬する方向である「面内方向」に伝搬すると言われ、すなわち、主要表面での上下の内部反射を無視する。「面内」という句は、基板の主要外部表面に平行な方向を指すために使用される。

「円筒形オプティカルパワーを有する」という句は、本明細書では説明において使用され、２軸において等しくないオプティカルパワーを有する任意の光学要素または配置を指すと主張し、そのような要素は「非点収差」とも称される。このような場合、より高いオプティカルパワーを有する軸は、「有効円筒軸」と称される。要素または配置は、垂直軸に沿ったオプティカルパワーがない（または無視できる）１つの軸に沿ったオプティカルパワーを有する場合、「円筒形オプティカルパワーのみを有する」と称される。このような要素は「円筒形レンズ」とも称されるが、レンズの形状は必ずしも幾何学的な円筒の一部である必要はなく、代わりに、円、円錐曲線、またはより複雑な曲線を導波路表面に垂直な方向に沿ってスイープすることによって形成された表面を使用する場合がある。

「光学的に平行」という句は、物理的に平行であるか、または平行軸と光学的に同等である光学システムの軸を指すために使用される。特定の実装形態では、コンパクトさまたは他の設計上の考慮事項の理由で、光路は、１つ以上の反射要素を使用することによって折り畳まれ得る。このような場合、「光学的に平行」とは、光路が展開された場合に平行になる軸を指す。

本明細書で言及されるすべての「レンズ」は、特に明記しない限り、屈折レンズ、反射レンズ、オプティカルパワーを有する回折光学要素（ブラッグ格子に基づくものなど）、または上記の任意の組み合わせであり得る。「レンズ」という単数形の用語は、レンズグループとして配置された複数のレンズを含むと理解されるべきである。

本発明の様々な実施形態は、基板（の第１の主要外部表面）に垂直な平面でコリメートされ、基板に平行な平面でコリメートされない画像照明を指す。面内画像照明が収束している場合、面内光線が焦点を合わせる「焦点軌跡」を参照することができる。これは、「焦点面」または「焦点面」と称されることもある。しかしながら、それは、平面である必要はなく、実際の画像が生成されないように照明が垂直面に集束されないため、常識的な「焦点面」ではない。しかしながら、焦点軌跡は、特定のピクセルの平面内光線が収束する位置（表面または平面）を示す。

「エテンデュ光学エキスパンダ」および「エテンデュエキスパンダ」という句は、本明細書では、ビームのエテンデュ（空間的広がり）を増加させる任意の構造を指すために使用される。本発明の特に好ましい例では、基板に垂直な平面内の画像照明のパターンに最小限の影響しか及ぼさない配向固有のエキスパンダを使用する。

本明細書では、「中間光学装置」という用語は、補正光学収差を発生させるように構成された非点収差光学要素、または、少なくとも１つの非点収差光学要素を含み、集合的に補正光学収差を発生させるように構成された光学要素の任意の組み合わせであって、任意選択的に特定の実装に必要な追加の光学特性と組み合わされたものを指す。画像生成器と反射光学装置の間の光路に位置するという意味で「中間」と表現されるが、以下に例示するように画像プロジェクターの一部として、または基板と統合されているかどうかにかかわらず、その光路のどこにあってもかまわない。

技術分野の項において上で説明されるように、導波路システムを使用した二次元画像拡張の既存の解決策では、様々なタイプの画像収差に悩まされ、不良な品質の画像につながる。これらの収差は、従来技術のシステムに関連する様々な問題を示す、図３Ａ～７Ｃを参照してより詳細に説明される。

図３Ａ～３Ｃは、ＵＳ２０１９／０３３５９８ Ａ１のような導波路の一般的な動作を概略的に示す。図３Ａに示されるように、光は、投影光学系７０４に統合されたレンズ７０２によって導波路７００の平面において集束される。円筒形ミラー７０６は、光をコリメートし、アイモーションボックス（ＥＭＢ）での瞳孔イメージングを完了する（図示せず）。画像は、導波路の光抽出領域７０８内に配置されたファセット（または他の光学要素）などの光学光抽出要素を使用して抽出される。図３Ｂに示されるように、瞳孔画像倍率およびＦＯＶは、それぞれ、レンズ７０２および７０６の焦点距離ｆ１およびｆ２によって定義される。このシステムでは、レンズ７０２は、システムの側面図を示す図３Ｃに示されるように、導波路の平面に対してある角度で配向されていることに留意されたい。

問題＃１：円筒形ミラーからの反射によるＦＯＶの光路差によって引き起こされる収差
導波路システム内の光路のＹＺ平面およびＺＸ平面の概略図を示す図４Ａ～４Ｂを参照して、それぞれがＦＯＶ内の異なるそれぞれの点に関連する２つの光線８００、８０２を検討する。光線のそれぞれの入射角ａ１およびａ２の違いにより、導波路平面内の光線の経路は異なる。図４Ｂに示されるように、光線８００および８０２は、導波路に注入される前に同じ収束を有するが、導波路の内部では、光線は異なる焦点に収束する。結果として、ＦＯＶ１のビームは円筒形ミラーからの反射後にコリメートできるが、ＦＯＶ２のビームは円筒形ミラーからの反射後に発散し、知覚画像に収差が発生する。

問題＃２：導波路への光の注入によって導入された光路差によってもたらされる収差。
導波路システム内の光路の概略図を示す図５Ａ～５Ｂを参照して、ウェッジプリズム９０２を使用して導波路９００に注入される光ビームを検討する。ビームはＹＺ平面でコリメートされ、ＹＺ平面に直交する方向に収束する。図５Ａに示されるように、光線は、導波路に注入された後、光路差９０４を有するであろう。光路差９０４は、ウェッジプリズムに沿った異なる点を通って注入される光線が導波路平面内の異なる焦点に収束するので、図５Ｂに示されるように、画像収差をもたらす。

問題＃３：円筒形ミラーからの反射後の非平行光線によって引き起こされる収差
他の画像収差は、導波路端部の円筒形ミラーによって引き起こされ、導波路平面に直交する方向に平行であった光線は、円筒形ミラーからの反射後に非平行になる。

背景として、図６Ａ～６Ｃは、円筒形ミラー１００１で反射する光の概略図を示している。ＹＺ平面でコリメートされ、直交方向に収束する光ビームは、ｙ軸に平行に配向された円筒形ミラー１００１に方向付けられる。なお、ＸＺ平面はミラーの表面に直交している。ミラーからの反射後、ビームはＹＺ平面で平行ではなくなる。これは、ミラーの後に配置された理想的なレンズの焦点面にある光線ファンを示す図６Ｂおよび図６Ｃから明らかである。光線ファンは、コマ収差に典型的な形状を示す。このタイプの収差は、円錐形またはより複雑な形状を与えるなど、円筒形ミラーの形状を最適化することによって修正することはできないことに留意されたい。

円筒ミラーの収差は、円筒ミラーで反射する光線の概略図を示す図７Ａ～７Ｃを参照してさらに理解することができる。図７Ａ～７Ｂに示すように、平行光線Ｒ１およびＲ２は、ミラー表面が直交する平面（すなわち、ＸＺ平面）に対して角度αで円筒ミラーに入射する。Ｒ１がミラーの表面と交差する点Ｏで、ミラーの表面は、ｚ軸に垂直である。結果として、光線Ｒ１の反射角はその入射角と同じになる。光線Ｒ２は、反射後にｙ軸を中心に角度θだけ回転する。結果として、反射後、Ｒ１およびＲ２は、図７Ｃに示されるように、ＹＺ平面において平行ではない。

上記の問題に加えて、ＵＳ２０１４／００３６３６１および／またはＵＳ２０１９／００３３５９８を含むいくつかの従来技術のシステムは、他の様々な欠点に悩まされている。例えば、これらのシステムのいくつかは、ｚ方向に比較的小さなＥＭＢを必要とする。ＥＭＢを増加させるには、投影光学系のＦ＃（「ｆ値」）を減少させる必要があり、投影光学系の設計が複雑になる。

ＵＳ２０１９／００３３５９８ Ａ１に記載されている配置の別の欠点は、２つの導波路間の光のカップリングにより、導波路の開口部が不完全に充填され、観察された画像に暗い縞模様が生じることである。この現象は、図７～１１を参照して以下でより詳細に説明する。

本明細書に記載の導波路ベースの近視ディスプレイシステム（本明細書では「導波路システム」とも称される）は、コンパクト設計を維持しながら、向上した画質（例えば、より高い達成可能な解像度、黒線の不在など）を提供することによって既存のシステムを改善する。いくつかの実施形態では、以下に詳述するように、エテンデュエキスパンダを使用して、より大きなＥＭＢサイズを可能にしながら、さらにコンパクトなサイズおよびより単純な投影光学系設計を達成する。いくつかの実施形態では、導波路内の光の偏光状態を管理するために追加の構成要素が使用され、その結果、２Ｄイメージングが単一の導波路で達成される。

提案された導波路システムの一般的な実施形態
本明細書に詳述される概念の紹介として、図８は、上記で提起された問題に対する解決策の概略図を示している。一般に、本発明者らは、非点収差集束要素４（「レンズ４」）を、円筒形ミラー（「レンズ５」）の反対側の導波路端部で導波路２に導入することが有益であることを見出した。レンズ４は、反射型または屈折型の円筒光学要素として実装できる。図８に示されるように、レンズ４は、導波路の平面内で投影光学系ユニット１（「ＰＯＤ１」）から出る光線（矢印として示される）を曲げる。光線の曲がりはすべてのフィールドで同じであるため、レンズ５からの反射後、導波路平面に光路差は生じない。導波路２は、導波路からＥＭＢ（図示せず）に向かって光を抽出するための１つ以上の光学要素（例えば、ここではファセットとして示されている）を有する光抽出領域３をさらに含む。

統合レンズ４はまた、光線が導波路内部で結合された後に導波路平面における光線の集束が達成されるので、光線が同じ焦点に収束することを可能にすることによって、図５Ａ～５Ｂを参照して上記で特定された第２の問題を解決する。

さらに、レンズ４は、図７Ａ～７Ｃを参照して上記で特定された第３の問題を解決する。なぜなら、レンズ４は、導波路において第２のミラー要素として作用し、それにより、レンズ５によって引き起こされる収差と同様であるが符号が反対の画像収差を導入し、それによって、レンズ５によって引き起こされる収差を補正するからである。

この原理をさらに実証するために、図９Ａ～９Ｂに示すように円筒形ミラーに伝搬する平行ビームを検討する。ミラーからの反射後のビームの収差を図９Ｃに示す。この収差は、上記の図６Ｃに示されている収差と類似しているが、符号が逆になっている。図１０Ａ～１０Ｂに示されるように、２つのミラーを有するシステムでは、第２のミラーからの反射後に平行ビームを達成することが可能である。その結果、導波路内の２つの円筒形ミラーのこのようなシステムは、導波路内を伝搬する入力平行光ビームを異なる平行光ビームに変換することができる。図１０Ｃが示すように、両方のミラーからの反射後に残る結果として生じる収差は非常に小さく、ほとんどの場合無視できる。２つの円筒形ミラーの少なくとも１つを円筒形レンズに置き換えることができ、これにより、収差が相互に補償されることに留意されたい。

一般的に言えば、導波路内の２Ｄイメージングシステムが、導波路内を伝搬するコリメートされたビームを、導波路平面内でコリメートされた別のビームに変換する場合、この新しいビームは、導波路の平面に直交する平面内でもコリメートされる。したがって、このような２Ｄイメージングシステムは、円筒光学系によって引き起こされる導波路平面に直交する方向の収差を補正する。

したがって、現在開示されている主題は、いくつかの点で先行技術を改善している。
ｉ）画像は、導波路平面に垂直な方向で導波路開口を完全に満たし、それにより、一般に画像全体を改善し、特に、観察された画像に黒い線が見られないようにする。
ｉｉ）導波路端部の円筒ミラーによって引き起こされる収差が補償され、それによって十分な画質のより高い解像度の画像が可能になる。
ｉｉｉ）以下に詳述するように、実施形態は、従来技術と比較して、より高い画像解像度およびより小さな画像源および投影光学系の寸法を達成することを可能にする、画像源における強化されたピクセルレイアウトを有するシステムを含む。
ｉｖ）以下に説明するように、円筒ミラーによる外界の物体の反射によって引き起こされるゴースト画像の強度が減少する。

一般的な概念を説明したので、図１１Ａ～１１Ｃは、導波路システムの実施形態の概略図をより詳細に示す。ここで図１１Ａを参照すると、図示の導波路システムは、投影光学系モジュール１（以下、「ＰＯＤ１」）内に含まれる画像生成器を含む。画像生成器は、画像に対応する画像照明を提供する。ＰＯＤ１は、導波路２に光学的に結合され、導波路に注入するための画像に対応する画像照明を提供する。

導波路２は、導波路の主要外部表面からの内部反射によって第１の平面内方向に導波路内を伝搬するように、画像生成器からの画像照明を方向付けるために構成された中間光学装置をさらに含む。中間光学装置は、導波路の主要外部表面に垂直な平面におけるコリメート画像照明と、主要外部表面に平行な平面における非コリメート画像照明を提供する。図１１Ａ～１１Ｃでは、導波路の主な平行な外部表面は、紙面に平行である。中間光学装置は、非点収差光学要素４（本明細書では「レンズ４」と称される）として図１１Ａ～１１Ｂに実装されている。

導波路２は、主要外部表面からの内部反射によって面内方向に伝搬するように画像照明の少なくとも一部を反射するための円筒形オプティカルパワー（以下「レンズ５」と称される）を有する統合反射光学装置５をさらに含む。レンズ５からの反射後の画像照明は、導波路の主要外部表面に垂直な平面に平行な平面の両方でコリメートされるコリメート画像照明である。

レンズ５は、特徴的な収差を導入し、レンズ４は、レンズ５によって生成される特徴的な収差と少なくとも部分的に相殺するための補正収差を導入する。

いくつかの実施形態では、図１１Ａ～１１Ｃに示されるように、レンズ５は、導波路のエッジと統合することができ、導波路の主要外部表面に垂直な円筒軸を有することができる。いくつかの実施形態では、レンズ５は、導波路と統合された円筒形パワーを有する回折光学要素であるか、またはそれを含むことができる。

いくつかの実施形態では、レンズ５は、画像照明１に対応する角度の範囲で高い反射率、およびこの範囲外の角度で（透過性または吸収性のいずれかである）低い反射率を有し得る。このようにして、レンズ５は、内部反射によって導波路内を伝播するＰＯＤによって放出された光のみを反射する。外界の物体（例えば、太陽）からの光は、低反射率の範囲の角度でレンズ５に当たる。したがって、外部の物体によって引き起こされるいかなる可能性のあるゴースト画像の強度も低減される。入射角に依存するそのような反射率は、例えば、多層コーティング技術を使用して実施することができる。別の潜在的に好適な技術は、比較的狭い範囲の角度でのみ高い回折効率を有するボリュームブラッグ格子である。

いくつかの実施形態では、図１１Ａ～１１Ｃに示されるように、レンズ４は、導波路内を伝搬する画像照明が、導波路内の焦点軌跡に向かって収束するように、導波路の主要外部表面に平行な平面に収束するように構成される。レンズ５に到達する前に発散する。いくつかの実施形態では、レンズ４は、レンズ５の円筒軸に光学的に平行である円筒形オプティカルパワーの有効軸を有する。

導波路２は、コリメート画像照明の少なくとも一部を観察者の目に向けて結合するための結合出力装置３をさらに含む。結合出力装置は、例として、導波路の主な平行な外部表面に対して非平行である（すなわち、角度付けられた）相互に平行な部分反射ファセットのセットとして本明細書に示されている。簡潔にするために、結合出力装置は、本明細書では光抽出領域３またはファセット３と代替的に称されるが、他のタイプの結合出力装置（例えば、回折要素）も可能であり、本開示の範囲内に含まれる。

図１１Ｂは、レンズ４がＰＯＤ１に統合されている代替的な実施形態を示している。この場合、良好な画質を実現するためには、レンズ４の光学面が直交する面が、レンズ５の光学面が直交する面と平行でなければならない（ＰＯＤ内の折り畳みミラーの可能性のある使用を考慮に入れる）。

図１１Ｃは、下記に図２８～３３を参照してより詳細に説明されるように、ディスプレイの各ピクセルから導波路平面内で発散するビームを提供する細長いＳＬＭを含む特別に構成されたＰＯＤ１を含む別の代替的な実施形態を示す。レンズ５からの反射後、ビームはコリメートされる。しかしながら、この実施形態のＰＯＤ１によって提供されるビームは、（従来技術の場合のように）導波路に直交する平面内でコリメートされない。ビームは、大きさが等しいが、レンズ５の収差と符号が反対の収差を有するように成形されている。このようにして、レンズ５から反射されたビームは、導波路平面と直交面の両方でコリメートされる。

導波路２は、単一の導波路、または２つ以上の光学的に結合された導波路のシステムであり得ることに留意されたい。

開示された導波路システムの一般的な実施形態および動作原理を説明したので、次に、多数の変形構成を詳細に説明する。

変形＃１：偏光制御要素を有する導波路システム
投影光学系の偏光出力は、いくつかのタイプのゴーストの除去およびより高いシステム効率など、いくつかの利点を提供し得る。この場合、偏光子および４分の１波長板などの偏光制御要素をシステムに統合して、偏光管理を行うことができる。

図１２Ａ～１２Ｂは、導波路システムの別の実施形態の上面図および側面図のそれぞれの概略図を示す。この実施形態では、導波路２は、統合された４分の１波長板６および偏光子７を含む。４分の１波長板６は、例えば、レンズ５の表面に取り付けられた透明なポリマーフィルムを使用して実施することができる。

ＰＯＤ１の出力の光がファセットの平面に対してｐ偏光されていると仮定する。この場合、偏光子７は、ｐ偏光を透過するように構成されるべきであり、一方、光抽出要素（例えば、ファセット３）は、ｓ偏光のみを反射するように構成されるべきである。光は波長板６を通過し、レンズ５で反射し、２回目に波長板６を通過して、Ｓ偏光になる。ｓ偏光反射率用に最適化されたファセット３は、導波路からＥＭＢに向かって光を反射する（図示せず）。ファセット３または他の光抽出要素の反射特性は、当技術分野で周知の技術、例えば、偏光分割コーティングなどを使用して、光の特定の偏光状態に対して最適化することができる。

いくつかの実施形態では、４分の１波長板は、導波路内の光線の入射角α１～α２の範囲に対応する、所与の範囲の入射角α１～α２、０＜α１＜α２内の光線に等しい位相シフトを提供するように最適化することができる。

いくつかの実施形態では、図１２Ｂに示されるように、偏光子８は、導波路の主要外部表面に結合することができる。この場合、偏光子は、好ましくは、少なくとも導波路の光抽出領域を完全に覆う必要がある（図１２Ｂではファセット３として表されている）。偏光子は、ＰＯＤ１から出力される光と同じ偏光状態の光を遮断する。したがって、ＰＯＤ出力がｐ偏光である場合、偏光子８は、ｐ偏光を遮断し、ｓ偏光を透過するように構成されるべきである。

偏光子７（ＰＯＤによって放出されるものと同じ偏光の光を透過する）は、好ましくは、導波路の光抽出領域（この場合はファセット３）とレンズ４との間に配置されるべきであることに留意されたい。このような偏光子は、レンズ５とレンズ４の間の多重反射によって作成された画像の「ゴースト」をブロックするのに効果的であり得る。

ここで図１３Ａ～１３Ｂを参照すると、偏光子８を含む実施形態は、順方向に伝搬するｐ偏光光線９によって生成されるゴースト光線１０を遮断すると同時に、引き続き逆方向に伝搬するｓ偏光光線１２をＥＭＢ（図示せず）に向けて抽出することができるようにする。

図１２Ａ～１３Ｂを参照して本明細書に記載されている偏光子はまた、本明細書に記載されている他の導波路システムにおいて使用することができる。

変形＃２：ミキサを含む導波路システム
いくつかの実施形態では、例えば、光学収差を低減するため、および／またはＰＯＤモジュールをよりコンパクトにするために、導波路平面に直交する方向にＰＯＤの開口を低減することが望ましい場合がある。しかしながら、そのような開口の減少は、導波路の開口が完全に満たされていないので、観察された画像に黒い線をもたらす可能性がある。

図１４Ａ～１４Ｂは、導波路システムの別の実施形態の上面図および側面図のそれぞれの概略図を示す。導波路２は、光学ミキサ１４を含み、この場合、導波路の主要外部表面に平行な半反射面を実装している。ミキサは、導波路内を伝搬する光ビームを分割し、分割されたビームを、ＰＯＤで満たされていない導波路開口領域に方向付ける。

ミキサ１４は、好ましくは、導波路の内側を伝搬する光に対して約５０％の反射率を有し、システムの外側から導波路に入る光に対して比較的低い反射率を有する非吸収面として実装され、その結果、ディスプレイの透明度が低下しない。ミキサは、好ましくは、レンズ４と光抽出領域３との間に配置される。

ミキサの使用は、ここで説明されている特定のシステムに限定されず、実際には、この文書で説明されている他の実施形態に組み込むこともできることに留意されたい。

変形＃３：ダブルミラーシステム
図１５Ａ～１５Ｃは、導波路システムの別の実施形態のそれぞれ、上面図、側面図、および上面透視図の概略図を示す。この実施形態では、導波路２は、ビームスプリッタミラー１７を含む。ビームスプリッタミラー１７は、ＰＯＤ１の出力が偏光されている場合に、光結合効率を最適化することができる、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり得る。光線１５は、画像源１６によって放出され、ＰＯＤ１を通って伝播し、ＰＯＤ１は、ＦＯＶ内の所与の点に対してコリメートされた光線を出力する。光線１５は、ビームスプリッタミラー１７によって導波路に結合入力されている。光線１５は、導波路を通ってレンズ４（現在は集束要素として機能）に向かって伝播する。レンズ４で反射した後、光線はファセット３を通ってレンズ５に向かって伝播する（コリメートミラーとして機能する）。レンズ５で反射すると、光線は導波路を通って反対方向に伝播する。ファセット３は、光線１５によって運ばれるエネルギーの一部をＥＭＢ１８に向けて放出する。

図１６は、図１２Ａ～１４Ｂを参照して上で考察されるように、４分の１波長板６、９および偏光子７と組み合わされたＰＢＳ１７を含む導波路２の変形構成を示している。

図１７は、１つ以上の屈折円筒要素２０を含む、図１５の一般的なシステムのさらなる変形例を示している。屈折円筒要素（「レンズ」）２０を使用して、導波路平面におけるダブルミラーシステムの収差を補正することができる。レンズ２０は、好ましくは、導波路基板の屈折率と比較して異なる屈折率を有する材料で作製され、凸状または凹状の形状を有し得る。レンズ２０はまた、異なる材料で作られた２つ以上のレンズの組み合わせであり得る。同様の方法で、レンズ４は、１つ以上の屈折要素と組み合わせて使用することもできる。

レンズ４および５、ならびに屈折要素のうちのいずれも、システムにおいて、より良好な画像品質を達成するために、円筒、スイープコニカル（導波路平面に垂直な方向に沿って２Ｄ円錐曲線をスイープすることによって得られる形状）、または自由形状の２Ｄ形状を有し得る。フレネルレンズは、上記の要素（すなわち、レンズ４、５、または２０）のいずれかと組み合わせて使用することもできる。

変形＃４：回折光学要素
図１８は、導波路システムの別の実施形態の概略図を示している。この実施形態では、導波路の平面内の２Ｄイメージングは、回折光学要素２１および２２を使用して実装される。この場合、回折要素の機能は、レンズ（ミラーを含む）などの光学要素の機能と同様である。場合によっては、イメージングシステムの特定の設計に応じて、３つ以上の回折要素を使用できる。

示されている２１または２２のような回折要素は、ｚ方向に微小に小さくすることができず、そのため、導波路の平面に収差を導入することが理解されよう。そのような収差を補償するために、回折要素のオプティカルパワーは、好ましくは、ｚ軸に沿って不均一でなければならない。このような回折要素は、例えば、導波路の表面に湾曲した溝を有する表面レリーフ回折格子として実装することができる。導波路は原理的に端部が透明である必要がないため、回折格子を反射コーティングで覆うことができ、回折次数が０次および１次のみが存在するように回折格子のピッチを作ることができ、よって１次の効率を最大化することができる。

代替的に、ブラッグ格子を回折要素２１および２２として使用して、高い回折効率を得ることができる。ブラッグ格子は高い角度選択性を示すため、２つ以上のブラッグ格子を使用して要素２１および２２のそれぞれを実装できる。代替的に、偏光ブラッグ格子を要素２１および２２として実装し、選択された偏光のみを画像化に使用することができる。

変形＃５：追加の導波路を有する投影光学系開口の拡張
図１９は、導波路システムの別の実施形態の概略図を示している。この実施形態では、ＰＯＤ１は、米国特許第７，６４３，２１４号に開示されているタイプの導波路３３と組み合わせることができる。図１９に示されるように、この配置は、導波路２の平面に平行な次元で光学開口を拡張するために使用することができる。この配置は、ｘ次元のＥＭＢ（図示せず）のサイズを大きくするのに役立つ場合がある。

変形＃６：エテンデュエキスパンダ
図２０Ａ～２０Ｃは、導波路システムの別の実施形態の概略図を示している。この実施形態では、導波路システムは、光学エテンデュエキスパンダを含む。エテンデュエキスパンダは、好ましくは、導波路の焦点軌跡で導波路と統合される。エテンデュエキスパンダは、好ましくは、主要外部表面に垂直な平面で画像を拡幅することなく、導波路の主要外部表面に平行な平面で画像を拡大するように構成される。

図１１Ａ～１１Ｂに戻って参照すると、レンズ５でのビームＤ２の幅は、ＥＭＢの幅以上でなければならないことに留意されたい。Ｄ２とＰＯＤ開口幅Ｄ１の関係は、式１で与えられる。

同時に、システムのＦＯＶ（ＦＯＶ）と投影光学系のＦＯＶ（ＦＯＶｏ）の関係は、式２で与えられる。

ＥＭＢおよびＦＯＶの幅は固定パラメータである。したがって、Ｄ２がＥＭＢの幅（「Ｗ_EMB」）に等しいと仮定すると、投影光学系のＦＯＶおよび開口幅Ｄ１に対して満たされなければならない条件は式３で表される。
Ｄ１ ×ＦＯＶｏ＝Ｗ_EMB×ＦＯＶｓ （３）

したがって、光学開口幅は、投影光学系ＦＯＶを増加させるという犠牲を払ってのみ、ＥＭＢの幅よりも小さくすることができる。これは、投影光学系の小型化の可能性を制限し、また、光学系の設計を困難にする。なぜなら、大きな開口は投影光学系の低いＦ＃を意味するからである。

問題を説明したので、本発明者らは以下の解決策を提案する。図１１Ａ～１１Ｂに見られるように、レンズ４は、仮想曲線２５に沿って導波路内に中間像を形成する。これは、図２０Ａにさらに示され、導波路の平面内で導波路内の点に集束された光３４を示している。異なるＦＯＶに対応するビームは、仮想曲線２５に沿った点に集束される。導波路平面に平行な一次元で光を変換する光学要素３６（本明細書では「エテンデュエキスパンダ」と称される）が、図２０Ｂに示されるように仮想曲線２５の位置に配置されると仮定する。エテンデュエキスパンダ３６は、一次元ディフューザ、回折格子、または円筒マイクロレンズのアレイであり得る。エテンデュエキスパンダ３６は、導波路平面内のエテンデュエキスパンダに当たる光線の円錐の角度を増加させる。言い換えると、エテンデュエキスパンダは、ビームの開口数（ＮＡ）を増加させるか、導波路平面内のシステムのＦ＃（「ｆ値」）を減少させる。この光学機能は、図２１Ａ～２１Ｂを参照しながら下記に説明するように、ディフューザの場合は散乱、格子の場合は回折、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の場合はオプティカルパワーのいずれかによって達成される。

図２１Ａは、左からＭＬＡに当たる小さな開口数（ＮＡ）を有する収束光線を示す。ＭＬＡを通過し、さらに右に伝播するビームのＮＡは、ＭＬＡの左側にあるビームのＮＡと比較して大幅に大きくなる。図２１Ｂは、ＭＬＡのマイクロレンズの１つを通過する光線の拡大図を示している。見て分かる通り、ビームのＮＡを大きくするには、ＭＬＡを収束ビームの焦点から少し外して配置する必要がある。そのようなＭＬＡがエテンデュエキスパンダ３６として使用される場合、各マイクロレンズは、ユーザの目に投影される画像のピクセルになる。したがって、マイクロレンズは、結果として得られる画像で解像されないように、十分に小さいことが好ましい。

簡単にするために、回折格子がエテンデュエキスパンダとして使用されていると仮定する。この場合、図２０Ａのビーム３４内の各光線は、いくつかの回折光線を生成する。元のビーム３４内のすべての光線およびそれぞれの回折光線は、より大きな角度発散を伴うビーム３７を形成する。したがって、レンズ５からの反射後のビームの幅Ｄ３は、ディフューザ、回折格子、またはＭＬＡのないシステムの幅Ｄ２と比較して、著しく大きくすることができる。図２０Ｃに示すように、回折ビーム３７内のエネルギーの角度分布が均一であることが重要である。不均一なエネルギー分布は、システムユーザによって観察される不均一な画像およびＥＭＢ全体での画像の明るさの変動をもたらす可能性がある。さらに、迷光の発生を避けるために、ビームの発散が大きすぎてはならない。

エテンデュ拡張の説明されたアプローチは、システムのＦＯＶを犠牲にせず、回折限界によって許容されるのと同じくらい小さいＰＯＤの開口を潜在的に可能にすることに留意されたい。

エテンデュエキスパンダ３６は、ディフューザまたは格子を使用して実装された場合、場合によっては、ディスプレイシステムの視認者に見える可能性があることにさらに留意されたい。この場合、偏光に敏感な格子または視認者には見えないようにすることができるディフューザを使用することが望ましい場合がある。

例えば、図２０Ａ～２０Ｃに示されるシステムが、図１２Ａ～１３Ｂに示されるものと同様の偏光制御要素を含むと仮定する。さらに、ＰＯＤ出力がファセットの平面に対してｐ偏光され、偏光子８（図１２Ａ～１３Ｂ）がｓ偏光を送信すると仮定する。したがって、ディフューザまたは格子エテンデュエキスパンダ３６がｐ偏光を拡散または回折するだけである場合、視認者は、ディフューザまたは格子を見ることができない。そのような偏光感受性格子（またはディフューザ）は、例えば、偏光ブラッグ格子（またはそれらの組み合わせ）または図２２Ａに示され、２つの整合部分２８および２９からなる構造を使用して作製することができる。パーツ２９は光学的に透明な均質材料であり、パーツ２８は一軸複屈折材料、例えば、液晶で作製されている。パーツ２８および２９の屈折率は、ｓ偏光では一致し、ｐ偏光では異なる（ファセットの平面に対して）。このように実装すると、格子はｐ偏光を回折し、ｓ偏光に影響を与えない。偏光感度の同じメカニズムは、偏光感度ディフューザにも適用可能である。代替的に、図２２Ｂに示されるように、円筒マイクロレンズのアレイを使用して、ｓ偏光に影響を与えずに、ｐ偏光を屈折させることができる。

変形＃７：任意選択的なバイコニックミラーを有する統合集束要素を有するＰＯＤ。
図２３Ａ～３１は、導波路システムの別の実施形態の概略図を示している。この実施形態では、レンズ４は、導波路に注入されたビームがすでに導波路平面に集束されるように、ＰＯＤに統合され、これは、導波路の製造コストを削減し得る。

文脈として、図２３Ａは、レンズ４および５が導波路に統合されている導波路の等角図を示している（図１５Ｃと同様）。図２３Ｂおよび２３Ｃは、４つの異なるＦＯＶについてのシステム内の展開された光路を示している。図２３Ｂは、ストップ開口４０（「ストップ」）を示し、これは、ＰＯＤの出力開口と、または導波路内の仮想または実平面または光入力ウェッジの平面と一致し得る。また、ｘ方向およびｙ方向の停止は必ずしも一致しない。

図２４Ａは、ストップ４０がレンズ４と５の間に配置されているシステムを示している。ストップおよびレンズ５を含むシステムの部分は、ストップ４０の平面が導波路端部に位置するように、折り畳み、導波路に統合することができる。レンズ４を含むシステムの部分は、ＰＯＤの出口開口がストップ４０と一致するように、ＰＯＤ１に統合することができる。光路は、ＰＯＤ内でさらに折り畳むことができる。しかしながら、この折り畳みのために、レンズ４への光線の入射角は、変化しないはずである。そうでない場合、図６、７、および１１に示すように、レンズ５の円筒オプティカルパワーによって引き起こされる収差が発生する。

図２４Ｂは、ＰＯＤ１がレンズ４に向けてコリメートされたビームを出力する光学モジュール４１を含む、図２４Ａに示されるシステムの代替的な実装形態を示す。

ストップ４０は、導波路の入口と一致するため、ｙ軸に沿ったストップとして機能することに留意されたい。ｘ軸の方向に光線を制限する開口は、ストップ４０または他の場所に配置することができる。

いくつかの実施形態では、ＰＯＤは、同じまたは異なる光学材料で作られた円筒、バイコニック、球面、非球面または非球面または自由形状のレンズまたはミラーなど、光学収差を最小化するための追加の光学要素を含み得る。

図２５Ａ～２５Ｂは、レンズ４がＰＯＤ１内のバイコニックミラーとして実装されているシステムの上面図および側面図をそれぞれ示している。図２５Ａ～２５Ｂのシステムは、偏光子を有するディスプレイ３２を含み、その各ピクセルは、ＰＢＳ３３を介してレンズ４に向かって偏光を放出する。レンズ４は、反射光の偏光が９０度回転するように４分の１波長板と組み合わされている。レンズ４によって反射された光は、続いてＰＢＳ３３によって反射され、導波路エッジのストップ４０を通って導波路に注入される。

図２５Ａ～２５Ｂに示されるＰＯＤは、（導波路に垂直な平面において）導波路開口を満たさないことに留意されたい。したがって、ミキサ１４を使用して、導波路の開口を充填する。

図２６Ａ～２６Ｂは、図２５Ａ～２５Ｂと同様のシステムの上面図および側面図をそれぞれ示しており、これは、導波路の平面内の（ｘ軸に沿った）投影光学系開口の縮小を可能にするエテンデュエキスパンダ３６を含む。

いくつかの実施形態では、図２５Ａ～２６Ｂのシステムは、図１２Ａ～１３Ｂを参照して上記で説明したように、偏光子および４分の１波長板などの偏光制御要素をさらに含むことができる。

図２７に示すように、ＰＯＤ開口は、ｙ軸に沿った導波路の厚さよりも大きくなり得ることにも留意されたい。この場合、導波路は結合端でより厚くなり、より大きな入口開口４４を提供する。場合によっては、ミキサの代わりに、またはミキサに加えて、大口径を使用することができる。

変形＃８：投影モジュールに円筒光学面を有する光学システム
図２８～３３は、中間光学装置がＰＯＤに統合されている、導波路システムの別の実施形態の概略図を示している。この実施形態では、導波路システムは、ＰＯＤ内に円筒形の光学面を含む。この実施形態によるシステムの上面図の概略図を示す図２８を参照すると、ＰＯＤ１は、導波路２に光学的に結合されている。導波路２は、１つ以上の光抽出要素３（複数の部分的に反射するファセットとして示されている）を含む。導波路は、焦点距離ｆ２を有するレンズ５をさらに含む。この実施形態によるシステムの側面図の概略図を示す図２９Ａを参照すると、ＰＯＤ１は、レンズ５の焦点面に配置された画像源１０４を含む。画像源のピクセルによって放出された光ビーム３５は、コリメート光学系（図２８には図示せず）によって、導波路に直交する平面内でコリメートされる。光ビームは、導波路２を通ってレンズ５に向かって伝播する。レンズ５で反射すると、光は導波路の平面内でコリメートされ、導波路を通って伝播し、ファセットによってＥＭＢに向けられる（図示せず）。

ＰＯＤ１を出るとき、導波路の平面におけるビーム３５の発散は、レンズ５の焦点距離およびＥＭＢの所望の幅Ｄによって定義されることに留意されたい。

角度φが大きいほど、円筒ミラー５によって引き起こされるビーム開口の縁での光線の光学収差が大きくなる。そのため、ＥＭＢが大きいほど、ユーザの瞳孔がＥＭＢのエッジにあるときにユーザに見られる画質が低下する。画像源の角開口は、式（４）で与えられる値を大幅に超えてはならない。そうしないと、光の一部がＥＭＢの外側に向けられ、システムのエネルギー効率が低下する。

画像源１０４は、例えば、マイクロＬＥＤディスプレイ、ＳＬＭなどであり得る。図２８の目的のために、画像源１０４は、ＳＬＭであると想定される。ＰＯＤ１は、照明システム２００と、間にＰＢＳ１０３が挟まれたプリズム１０２、１０５を含む。ＰＯＤ１は、ＳＬＭ（例えば、ＬＣＯＳなど）１０４、４分の１波長板１０６および円筒ミラー１０７をさらに含む。照明システム２００からの偏光は、プリズム１０２に入り、ＰＢＳ１０３によってＳＬＭ１０４に向かって反射される。ＳＬＭ１０４によって反射された変調光は、９０度回転した偏光状態を有するので、それは、ＰＢＳ１０３を通って、円筒ミラー１０７に向かってプリズム１０５に方向付けられる。プリズム１０５とミラー１０７との間の４分の１波長板１０６は、円筒ミラー１０７によって反射された光の偏光を９０度回転させる。反射光はプリズム１０５に再び入り、ＰＢＳ１０３によって導波路２に向かって反射される。

画像源１０４は、好ましくは、その幅より少なくとも５倍長い長さを有する細長いＳＬＭであり、その長さが導波路の主要外部表面に平行に整列されて配備される。好ましくは、ＳＬＭは、以下に詳述するように、楕円形であり、第１のピクセルピッチがＳＬＭの長さに平行であり、第２のピクセルがＳＬＭの幅に平行である第１のピクセルピッチよりも小さい有効ピクセル領域を有する。好ましくは、ＳＬＭの各物理的ピクセル要素は、第１のピクセルピッチよりも小さく、第２のピクセルピッチよりも大きく、以下でさらに詳細に説明するように、複数の物理ピクセル要素が各第１のピクセルピッチ内でジグザグ配置されている。

いくつかの実施形態では、円筒ミラー１０７およびレンズ５は、円筒形状、非球面または自由形状、または上記の任意の組み合わせを有することができる。

いくつかの実施形態では、ｙ方向のＰＯＤ１の開口は、導波路２の入口開口を満たすために必要な開口寸法よりも小さくすることができる。この場合、導波路の開口を完全に満たすために、前述のようにミキサ１４を使用することができる。

いくつかの実施形態では、図２９Ａ～２９Ｂに示されるように、ミキサは、ＰＯＤと光抽出要素３（ここではファセットとして示される）との間に配置され得、ファセットは、ミキサとレンズ５との間に配置される。別の実施形態では、ミキサはレンズ５とファセットの間に配置することができ、ファセットはＰＯＤとミキサの間に配置することができる。

さらに他の実施形態では、システムは２つのミキサ（図示せず）を含むことができ、一方はＰＯＤとファセットの間に配置され、他方はレンズ５とファセットの間に配置され、ファセットは２つのミキサの間に配置される。

いくつかの実施形態では、導波路内の後方反射光に起因する画像ゴーストを防止するために、偏光子１０８を、プリズム１０５と導波路開口部の導波路との間に使用することができ、４分の１波長板１０６をレンズ５の前に配置する。したがって、後方反射光の偏光は９０度回転され、偏光子１０８によって遮断される。このような偏光の回転は、前述のように、選択された光の偏光に対してファセットの反射率を最適化するためにも有益である。

いくつかの実施形態では、図２９Ａに示されるように、導波路は、平行な外部表面に結合されたカバープレート４６を含むことができる。この場合、偏光子は、カバープレート４６の前に実装することができる（図１２Ａおよび１３Ｂに示されるのと同様の方法で）。ディスプレイシステムのユーザから最も遠いカバープレート４６の前の偏光子（図２９Ａの導波路２の左側）は、ユーザから離れる方向に向けられたファセット３によって放出される光を遮断することができる。ユーザに最も近いカバープレート４６の前の偏光子（図２９Ａの導波路２の右側）は、反対側のカバープレート４６（すなわち、図２９Ａの導波路の左側のカバープレート）の表面によってユーザに向かって反射されるゴースト光を遮断することができる。

図３０Ａ～３０Ｂは、ＰＯＤ１内の上記の構成要素の様々な代替的な配置を示している。光の経路は、実線の矢印で示されている。

図３１は、追加の円筒レンズ１０９（またはアクロマティック円筒ダブレットなどの円筒レンズの組み合わせ）および円筒レンズ（または複数のレンズ）１１０が画質を改善するために使用されるＰＯＤ１のさらなる実施形態を示す。

図２８～３１では、レンズ５の焦点距離ｆ２は、ＰＯＤ１のコリメート光学系（すなわち、図２９Ａ、３０Ａ、および３０Ｂの円筒ミラー１０７、または図３１の円筒要素１０９および１１０と組み合わせたミラー１０７）の焦点距離ｆ１と比較してはるかに大きいことに留意されたい。

それぞれｘ次元およびｙ次元（ｄｘ、ｄｙ）での目の角度分解能は、画像源平面の分解可能なピクセルの寸法に次のように変換される。

式（５）において、ｎ１はＰＯＤ１の材料の屈折率を指し、ｎ２は導波路２の材料の屈折率を指す。式（５）から次のように、画像源平面の分解可能なスポットは、ｄｘ＞＞ｄｙの長方形である（つまり、ｄｘはｄｙよりも大幅に大きくなる）。図３２は、ｄｘおよびｄｙの異なる空間解像度のために長方形のピクセル１１１を使用するＳＬＭまたはマイクロＬＥＤディスプレイなどの画像源のピクセル配置を示している。長方形のピクセルが先行技術において説明されているが、ピクセルの寸法と目の解像度との間のリンクは、確立されていない。

図２８および３１から見て分かるように、焦点距離ｆ１は、ＰＯＤの可能な最小サイズを定義する。したがって、よりコンパクトなＰＯＤは、式（５）に従って、より小さなｆ１を必要とし、その結果、より小さなピクセルピッチを必要とする。しかしながら、最小のピクセルピッチは、現在のディスプレイ製造技術によって制限されており、現在、約３ミクロンに制限されている。式（５）から、可能な最小焦点距離ｆ１は約１５ｍｍであると推定することができる（目の解像度が１分角であると仮定）。

図３３は、階段状のパターンでジグザグ配置されているより短いピクセル１１２を使用することによってｄｘおよびｄｙの異なる空間解像度を利用するＳＬＭ１０４（またはいくつかの実施形態ではマイクロＬＥＤディスプレイ）で使用できる新しいピクセル配置を示す。隣接するピクセル中心間のｙ距離（ｙピッチ）は、ピクセルサイズｐｙよりもはるかに小さくすることができる。ｙ方向のピクセルの発光領域１１１２は、ｐｙよりも小さくすることもできる。したがって、ｙ方向の解像度は、ｐｙよりも高くなる。一方、ｘ方向に隣接するいくつかのピクセルは、ｄｘ以下の距離を占める限り、目では解決されない。

図３３に示されるピクセル配置が１ミクロンと同じくらい小さいｙピッチをサポートできると仮定すると、最小ｆ１は今や約５ｍｍと小さくすることができ、非常にコンパクトなＰＯＤを可能にする。

円筒光学系に基づく上記のシステムは、強い歪みを有する可能性があることに注意する必要がある。しかしながら、これは、ディスプレイ（ＳＬＭまたはＬＣＯＳ）制御チェーンの画像処理アルゴリズムによって補正することができる。画像処理アルゴリズムを使用して、色の収差を補償することもできる。

変形＃９：円筒ミラーの収差を補正した光学系
図３４～３９Ｂは、別の実施形態の導波路システムの概略図を示している。この実施形態では、導波路システムは、円筒形ミラーによって引き起こされる収差を補償するための１つ以上の追加の構成要素を含む。

導入として、上記で図２８～３１に示されているシステムは、大きなＦＯＶおよびＥＭＢの場合、画質が悪いという問題を抱えている可能性がある。図７Ａ～７Ｃに示すような光入射角αを考慮すると、レンズ５によって引き起こされる収差は、角度αが増加するか、またはビームがＸＺ平面において広くなるにつれて大きくなる。図３４は、角度αが増加するときのｘ軸（「ｐｘ」または瞳孔のｘ座標）に沿った位置の関数として、「ｅｙ」で表されるこの収差の定性的な動作を示す一連のグラフを示す。

ここで、上記の問題を説明する図３５Ａ～３５Ｂを参照して、図３９Ｂに示されるように、角度βで平面屈折界面に入射する、ＹＺ平面において平行であり、ＸＺ平面において発散する、ビームを検討する。ビームは、Ｒ１およびＲ２の２つの光線で表される。図３５Ａ～３５Ｂは、屈折率がｎ１およびｎ２である媒体間の界面を想定している。ｎ２＞ｎ１である。屈折後、ビームはＹＺ平面で平行ではなくなる。角度βが大きいほど、屈折後にｙ方向にビームに導入される収差が大きくなる。また、ｎ１とｎ２の差が大きいほど収差が大きくなる。

図３６Ａ～３６Ｂは、ウェッジプリズムが図３５Ａおよび３５Ｂの媒体の間に導入されたときの上記の挙動を示している。この場合、ＹＺ平面で平行で、ＸＺ平面で発散するビームは、それぞれ屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３を有するセンターウェッジプリズムを含む３つの媒体を伝搬する。ｎ２はｎ１およびｎ３の両方よりも小さい。図３６Ｂに示される屈折率ｎ２を有するウェッジ形の媒体は、屈折界面と同様の収差を導入する。ウェッジ角γが大きいほど、またはｎ１とｎ２の間、およびｎ３とｎ２の間の差が大きいほど、ウェッジによってｙ方向に導入される収差が大きくなる。

しかしながら、可視光域に好適な利用可能な光学ガラスの最大屈折率差は約０．５であり、図３５Ａ～３５Ｂに示す屈折界面では小さすぎて、本明細書で開示する導波路システムのレンズ５のような円筒ミラーによる収差と釣り合うほど大きな収差を生じさせることができないことに留意すべきである。１つの可能な解決策は、入射角βを大きくして、ｙ方向の収差を大きくすることである。しかしながら、角度が大きいと、ビームに望ましくない収差が追加される可能性がある。

一方、ウェッジプリズムの代わりに空気を媒体として使用すると、空気は大きな屈折率差と大きなｙ収差を可能にする。この収差の大きさは、入射角βに弱く依存する。ウェッジによってもたらされる最大のｙ収差は、図３７Ａに破線で定性的に示されている。逆に、円筒ミラー収差は、図３７Ａに実線で示すように、入射角に強く依存する。結果として、α＝Ａ２について図３７Ｂに示されるように、ウェッジが中央ＦＯＶの収差を補償するために使用される場合、エッジＦＯＶ Ａ１およびＡ３の収差は、符号がほぼ等しく、反対になる。

したがって、図３６Ａ～３６Ｂに示されるようなウェッジ要素は、円筒ミラーの収差を約２分の１に低減することができる。図３８Ａ～３８Ｂは、ＰＯＤ１と導波路２との間に配置されたウェッジ１１３を含む導波路システムの実施形態の側面図および上面図を概略的に示す。ウェッジ１１３は、ＰＯＤから導波路に光を結合する。この場合、導波路開口ストップはウェッジ１１３の後ろに配置する必要がある。このシステムは、図１２Ａ～１３Ｂおよび２９Ａ～２９Ｂを参照して上記で説明したシステムと同様の偏光子および４分の１波長板をさらに含むことができる。ウェッジ１１３の表面１１３ａおよび１１３ｂは、ＰＯＤ１の光学収差を補償し、より良い画質を達成するために、任意選択的に一次元または二次元のオプティカルパワーを有することができる。

異なるＦＯＶに属するビームが分離され、そのような各ビームが異なる角度γのウェッジを通過するシステムでは、各ビームに異なるｙ収差を導入することが可能であり、したがって、完全なＦＯＶ上の円筒ミラーの収差を完璧に補償する。異なるＦＯＶに属するビームの分離は、ＰＯＤ内で発生する。したがって、収差補償は、ＰＯＤ内の屈折光学要素を使用して達成することができる。

したがって、図３９Ａは、ＰＯＤ１が、偏光ビームスプリッタ１０３、４分の１波長板（ＱＷＰ）１０６、および円筒光屈折要素１０９、１１０、１１４、および１１６によって分離されたプリズム１０２および１０５を含むシステムを示す。ＱＷＰ１０６は、プリズム１０５と要素１０９との間に配置することができ、または要素１１４の内側に配置することができる。要素１１４は、反射面１０７を有する。要素１０９と１１４との間のギャップは、空気または要素１０９および１１４の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で満たされている。後者の場合、要素１０９および１１４は、接合レンズのグループを形成する。光屈折要素１０９、１１０、１１４、および１１６は、接合ガラス要素を含むことができ、または空気によって分離された要素を含むことができる。

一実施形態では、光学要素１０９、１１０、１１４、および１１６のいくつかまたはすべては、ボリュームブラッグ回折レンズを使用して実装することができる。ボリュームブラッグ格子は、すべての回折エネルギーを単一の回折次数に方向付けることを可能にし、そのような格子の回折効率は波長に非常に敏感である。そのため、従来の反射または屈折インターフェースは、それぞれがスペクトルの青、赤、白の成分に最適化された３つのボリュームブラッグ格子の組み合わせに置き換えることができる。

図３９Ａに示されるシステムでは、屈折界面は、画像源１０４から放出されるＦＯＶ ＡおよびＦＯＢ Ｂに属する光線など、異なるＦＯＶに対して異なる角度γのウェッジとして効果的に機能する。要素１０９、１１０、１１４、および１１６の屈折界面は、いくつかの実施形態では、円筒、非球面もしくは自由形状、または形状タイプの任意の組み合わせを有し得る。図４３Ａに示される屈折構成要素の数および形状は、本明細書に記載されるシステムの単なる非限定的な例である。

いくつかの実施形態では、ＰＯＤ１は、ｘ方向に発散するビームを提供し、ｙ方向のレンズ５（図２８）の収差と反対の導入された収差を含む。代替的に、ＰＯＤは、図３９Ｂに示されるように、屈折構成要素１１５のみを含み、同じ所望の収差を生成することができる。

ＰＯＤ内のオプティカルパワーを有する構成要素（すなわち、構成要素１０７、１１４、１０９、１１０および１１５）は、本質的に円筒形であり、これは、それらがｘ方向にオプティカルパワーを有しないことを意味することに留意されたい。しかしながら、原則として、これらの構成要素は、特に全体的な画質を改善させる場合、実際にはｘ方向にある程度のオプティカルパワーを有する可能性がある。

円筒ミラーによって引き起こされる収差は、従来の光学システムのコマ収差に類似していることに注意する必要がある。実際、コマ収差のあるシステムの接平面に直交する射出瞳の線を通過する光線を考慮すると明らかになる。理論的には、ＰＯＤモジュールは、円筒ミラーの収差とは異なる符号のコマ収差がある場合、円筒ミラーの収差のバランスをとることができる。しかしながら、コマ収差を伴うこのようなＰＯＤシステムでは、球面収差などの追加の収差も発生する可能性がある。ＰＯＤ設計では、コマ収差を除くすべての収差のバランスをとる必要がある。

例えば、図３９Ａに戻って参照すると、ＰＯＤと導波路との間に位置するオプティカルパワーを有する一群の光学要素１１６が存在することに留意されたい。この要素のグループは、例えば、ＰＯＤの球面収差を補償することによって、画質を改善するのに役立つ１つ以上の要素を含むことができる。要素のグループ１１６は、円筒レンズを含むことができるか、または収差のより効率的な補償のために、より複雑な形状のレンズを有し得る。グループ内の要素間のギャップは、空気または異なる屈折率の光学材料で埋めることができる。後者の場合、グループ１１６はいくつかの接合レンズで構成される。

１つの特に好ましい実施形態では、要素１０９および１０７は、軸外モードで動作し、ＦＯＶに依存する収差を導入する。要素１１６は、軸上モードで動作し、レンズ５によってもたらされる収差と比較して、ＦＯＶに依存しないか、またはＦＯＶに弱く依存する収差を補償する。

他の実施形態では、グループ１１６内の要素の少なくともいくつかが軸外モードで動作することも可能である。

さらに別の実施形態では、要素１０７、１０９、１１０、および１１４の少なくともいくつかは、軸上モードで動作することができ、一方、グループ１１６内の要素のいくつかは、軸外モードで動作することができる。

したがって、上記の実施形態は、従来技術の光学システムの画質と比較して、視認者に示される画像の品質を改善しながら、導波路に注入された画像の２Ｄ ＦＯＶ拡張を達成するために使用され得る。

さらに、上記の実施形態は、従来技術のシステムと比較して、よりコンパクトな投影光学系モジュールを収容することができる。

上記の説明は例としてのみ役立つことを意図し、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることが理解される。

Claims (25)

1. 観察者の目に画像を提供するためのディスプレイであって、
   （ａ）前記画像に対応する画像照明を提供する画像生成器と、
   （ｂ）相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する基板と、
   （ｃ）前記第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって、第１の平面内方向において、前記基板内を伝搬するように、前記画像生成器からの前記画像照明を方向付けるために構成された中間光学装置であって、前記基板内を伝搬する前記画像照明が、前記第１の主要外部表面に垂直な平面においてコリメートされ、かつ前記第１の主要外部表面に平行な平面においてコリメートされないように、少なくとも１つの非点収差光学要素を含む、中間光学装置と、
   （ｄ）円筒形オプティカルパワーを有する反射光学装置であって、前記反射光学装置が、前記第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって、第２の平面内方向において伝搬するように、前記画像照明の少なくとも一部を反射するために、前記基板と統合されており、前記反射光学装置からの反射後の前記画像照明が、前記第１の主要外部表面に垂直な平面および平行な平面の両方においてコリメートされる、コリメート画像照明である、反射光学装置と、
   （ｅ）前記コリメート画像照明の少なくとも一部を観察者の目に向けて結合出力するための結合出力装置と、を備え、
   前記反射光学装置が、特徴的な収差を有し、前記中間光学装置が、前記反射光学装置の前記特徴的な収差を少なくとも部分的に相殺する補正光学収差を生成するように配備された少なくとも１つの要素を含む、ディスプレイ。
2. 前記反射光学装置が、前記基板のエッジと統合された円筒形ミラーを含み、前記円筒形ミラーが、前記第１の主要外部表面に垂直な円筒軸を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記中間光学装置は、前記基板内を伝搬する前記画像照明が、前記第１の主要外部表面に平行な平面において収束して、前記基板内の焦点軌跡に向かって収束し、次いで、前記反射光学装置に到達する前に発散するように構成される、請求項１に記載のディスプレイ。
4. 前記焦点軌跡において前記基板と統合されたエテンデュ光学エキスパンダをさらに備える、請求項３に記載のディスプレイ。
5. 前記エテンデュ光学エキスパンダが、偏光選択的である、請求項４に記載のディスプレイ。
6. 前記エテンデュ光学エキスパンダが、前記第１の主要外部表面に垂直な平面内の前記画像照明を拡幅することなく、前記第１の主要外部表面に平行な平面において前記画像照明を拡大するように構成された一次元エテンデュ光学エキスパンダである、請求項４に記載のディスプレイ。
7. 前記エテンデュ光学エキスパンダが、円筒形マイクロレンズのアレイを備える、請求項４に記載のディスプレイ。
8. 前記中間光学装置が、円筒形オプティカルパワーの有効軸を有する、少なくとも１つの非点収差光学要素を含み、前記円筒形オプティカルパワーの有効軸が、前記反射光学装置の円筒軸に光学的に平行である、請求項３に記載のディスプレイ。
9. 前記非点収差光学要素が、前記基板と統合されている、請求項８に記載に記載のディスプレイ。
10. 前記非点収差光学要素が、前記基板と統合された円筒形屈折レンズを備える、請求項９に記載のディスプレイ。
11. 前記非点収差光学要素が、前記基板と統合された円筒形反射レンズを備える、請求項９に記載のディスプレイ。
12. 前記非点収差光学要素が、前記基板と統合された円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を備える、請求項９に記載のディスプレイ。
13. 前記反射光学装置が、前記基板と統合された円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を備える、請求項１２に記載のディスプレイ。
14. 前記非点収差光学要素は、前記基板の外部にある、請求項８に記載のディスプレイ。
15. 前記非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する屈折レンズを含む、請求項１４に記載のディスプレイ。
16. 前記非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する反射レンズを含む、請求項１４に記載のディスプレイ。
17. 前記非点収差光学要素は、円筒形オプティカルパワーを有する回折光学要素を備える、請求項１４に記載のディスプレイ。
18. 前記中間光学装置は、前記基板内を前記反射光学装置に向かって伝搬する画像照明が、前記第１の主要外部表面に平行な平面内で発散するように構成される、請求項１に記載のディスプレイ。
19. 前記画像生成器は、幅および長さを有する細長い空間光変調器を備え、前記長さは、前記幅の少なくとも５倍であり、前記空間光変調器は、前記第１の主要外部表面に平行に整列した前記長さで配備される、請求項１８に記載のディスプレイ。
20. 前記中間光学装置は、前記基板に光学的に結合された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プリズムを備え、前記空間光変調器は、前記ＰＢＳプリズムの面に光学的に結合されている、請求項１９に記載のディスプレイ。
21. 前記空間光変調器は、前記長さに平行な第１のピクセルピッチと、前記幅に平行な前記第１のピクセルピッチよりも小さい第２のピクセルピッチとを有する、楕円形の有効ピクセル領域を有する、請求項１９に記載のディスプレイ。
22. 前記空間光変調器の各物理的ピクセル要素は、前記第１のピクセルピッチよりも小さく、前記第２のピクセルピッチよりも大きく、複数の前記物理的ピクセル要素は、各第１のピクセルピッチ内でジグザグ配置されている請求項２１に記載のディスプレイ。
23. 前記反射光学装置が、入射角の第１のサブセットに関連付けられた第１の反射率と、入射角の第２のサブセットに関連付けられた、第１の反射率よりも低い第２の反射率とを有するように構成され、前記第１のサブセットは、前記画像照明に対応する範囲内の角度を含み、前記第２のサブセットは、前記第１のサブセット内にない角度を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
24. 前記結合出力装置は、第２の偏光の画像照明を実質的に透過しながら、第１の偏光の画像照明を少なくとも部分的に結合するように偏光選択的であり、前記中間光学装置は、前記画像生成器からの前記画像照明を前記第２の偏光で前記第１の平面内方向に前記基板内で伝搬するように方向付けるように構成され、４分の１波長板が前記反射光学装置に関連付けられて、前記第２の平面内方向に伝搬する前記コリメート画像照明が、前記結合出力装置によって結合出力されるように前記第１の偏光を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
25. 観察者の目に画像を提供するためのディスプレイであって、
    （ａ）前記画像に対応する画像照明を提供する画像生成器と、
    （ｂ）相互に平行な第１および第２の主要外部表面を有する基板と、
    （ｃ）前記第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって、第１の平面内方向において、前記基板内を伝搬するように、前記画像生成器からの前記画像照明を方向付けるために構成された中間光学装置であって、前記基板内を伝搬する前記画像照明が、前記第１の主要外部表面に垂直な平面においてコリメートされ、かつ前記第１の主要外部表面に平行な平面においてコリメートされないように、少なくとも１つの非点収差光学要素を含む、中間光学装置と、
    （ｄ）円筒形オプティカルパワーを有する反射光学装置であって、前記反射光学装置が、前記第１および第２の主要外部表面からの内部反射によって、第２の平面内方向において伝搬するように、前記画像照明の少なくとも一部を反射するために、前記基板と統合されており、前記反射光学装置からの反射後の前記画像照明が、前記第１の主要外部表面に垂直な平面および平行な平面の両方においてコリメートされる、コリメート画像照明である、反射光学装置と、
    （ｅ）前記コリメート画像照明の少なくとも一部を観察者の目に向けて結合出力するための結合出力装置と、を備え、
    前記結合出力装置が、第２の偏光の画像照明を実質的に透過しながら、第１の偏光の画像照明を少なくとも部分的に結合するように偏光選択的であり、前記中間光学装置が、前記画像生成器からの前記画像照明を前記第２の偏光で前記第１の平面内方向に前記基板内で伝搬するように方向付けるように構成され、４分の１波長板が前記反射光学装置に関連付けられて、前記第２の平面内方向に伝搬する前記コリメート画像照明が、前記結合出力装置によって結合出力されるように前記第１の偏光を有する、ディスプレイ。

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