JP2023512929A - 導光光学素子を生産するための方法 - Google Patents

Abstract

導光光学素子（ＬＯＥ）（１６、１８、５６、５８）を生産するための方法であって、ＬＯＥは各々、１対の主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面（１７）と、部分反射面のない少なくとも１つの領域（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）とを有する、方法。方法は、平行に対向するプレート（４）を界面で合わせて結合して、それらの間に部分反射コーティングを有するプレートのスタック（４２）を形成することを含む。スタックを、切断および研磨して、界面と交差する境界面（４８、４８ａ、４８ｂ）を形成し、透明材料のブロック（５０、５０ａ、５０ｂ）をスタックに結合させる。結果として得られた前駆体構造（５２、５２’）を、平行平面に沿ってスライスして、ＬＯＥの活性領域のためのスタックの一部およびブロックの一部を各々が包含するスライスを形成する。

Description

本発明は、ディスプレイに関し、特に、導光光学素子を生産するための方法に関する。

ニアアイディスプレイなどの様々なタイプのディスプレイは、１つ以上の次元で入力画像を拡大するための導光光学素子（ＬＯＥ）を採用し得る。二次元拡大が必要な場合、一方の次元で画像を拡大するように構成された第１のＬＯＥと、他方の次元で画像を拡大するように構成された第２のＬＯＥとを含む、２つのＬＯＥが使用され得る。本発明に特に関連するのは、第１および第２のＬＯＥのうちの少なくとも一方が、２つの平行な主外部表面であって、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、それらの間の光線の伝搬を支援するように構成された主外部表面によって境界が定められ、かつ主外部表面の間に、それらに非平行に位置する、１セットの相互に平行な部分反射内部表面（または「ファセット」）を有する、透明ブロックとして実装される、反射型ＬＯＥである。ＬＯＥ内を伝搬するコリメート画像は、第１のセットのファセットのファセットによって、第２のセットのファセットに向かって、かつ第２のセットのファセットによって、観察者の目に向かって外側に、次第に部分偏向され、それによって、画像が観察者に提示される。

本発明は、導光光学素子を生産するための方法である。

本発明の一実施形態の教示によれば、導光光学素子（ＬＯＥ）を生産するための方法であって、ＬＯＥは各々、１対の相互に平行な主外部表面であって、主外部表面での内部反射によって、ＬＯＥ内を伝搬する画像照明を誘導するための主外部表面を有し、各ＬＯＥは、主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面を備える活性領域と、少なくとも１つの二次領域とをさらに有し、部分反射面のうちの少なくとも１つは、活性領域と二次領域との間の境界で終端し、方法は、（ａ）複数の平行に対向するプレートを複数の界面で合わせて結合して、プレートのスタックを形成するステップであって、界面の各々における１つの面は、部分反射光学特性を提供するためのコーティングを有する、ステップと、（ｂ）プレートのスタックを切断および研磨して、界面のうちの少なくとも１つと交差する境界面を形成するステップと、（ｃ）透明材料のブロックをスタックに境界面で結合して、前駆体構造を形成するステップと、（ｄ）前駆体構造を複数の平行平面に沿ってスライスして、複数のスライスを形成するステップであって、各スライスは、ＬＯＥの活性領域を提供するためのスタックの一部、およびＬＯＥの二次領域を提供するためのブロックの一部を包含するステップと、を含む、方法が提供される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、境界面は、界面の平面に対して斜めに配向された平面に沿って切断される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、複数のプレートに屈折率整合される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、光学的連続材料のブロックである。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、連続均一ブロックである。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、スライスする前に、前駆体構造は、少なくとも１つの縁部平面に沿って切断され、縁部平面の一部は、スライスした後、各ＬＯＥの縁部を画定する。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、複数の平行平面は、界面に垂直である。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、複数の平行平面は、界面に対して斜めに角度付けられる。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、ＬＯＥの活性領域に、縁部が形成され、境界は、縁部に対して非平行であり、したがって、主外部表面に平行な方向における部分反射面の長さが、セットをなす部分反射面の少なくとも４分の１に沿って、部分反射面から部分反射面へと次第に減少する。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、コーティングは、一続きの界面に対して順次に変化する反射率を提供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、プレートは、界面が不均一に離間されるように、互いに異なる厚さを有する。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、方法は、（ａ）プレートのスタックを切断および研磨して、界面のうちの少なくとも１つと交差する追加の境界面を形成するステップであって、追加の境界面は、境界面と非同一平面である、ステップと、（ｂ）追加の透明材料のブロックをスタックに境界面で結合して、前駆体構造を形成するステップと、をさらに含み、スライスすることは、各スライスが追加のブロックの一部を追加的に包含するように実行される。

本発明の一実施形態の教示によれば、複数の導光光学素子（ＬＯＥ）を形成するために複数の平行平面に沿ってスライス可能な中間作業成果物であって、ＬＯＥは各々、１対の相互に平行な主外部表面であって、主外部表面での内部反射によって、ＬＯＥ内を伝搬する画像照明を誘導するための主外部表面を有し、各ＬＯＥは、主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面を備える活性領域と、少なくとも１つの二次領域とをさらに有し、部分反射面のうちの少なくとも１つは、活性領域と二次領域との間の境界で終端し、中間作業成果物は、（ａ）複数の界面で互いに結合された複数の平行に対向するプレートから形成されたスタックであって、界面の各々における１つの面は、部分反射光学特性を提供するコーティングを有し、スタックは、界面のうちの少なくとも１つと交差する境界面で切断および研磨されている、スタックと、（ｂ）境界面でスタックに結合された透明材料のブロックと、を備える、中間作業成果物が提供される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、境界面は、界面の平面に対して斜めに配向される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、複数のプレートに屈折率整合される。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、光学的連続材料のブロックである。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、透明材料のブロックは、連続均一ブロックである。

本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、コーティングは、一続きの界面に対して順次に変化する反射率を提供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、プレートは、界面が不均一に離間されるように、互いに異なる厚さを有する。

発明を、添付の図面を参照して、実施例としてのみ本明細書に記載する。
それぞれトップダウン構成および側注構成を示す、本発明の教示に従って構築され、動作可能である、導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装された光学システムの概略等角図である。 画像の２つの極限域に対する光路を示す、図１Ａまたは図１ＢのＬＯＥの拡大概略等角図である。 図１Ａおよび図１Ｂの域と、眼球運動ボックスにおいて完全な画像を形成するのに必要とされる部分反射面の全体的エンベロープを画定するための追加域との組み合わせの概要である。 部分反射面が選択的に実装されている、図２Ｃの代替実装態様である。 画像プロジェクタが、異なる位置で、かつ異なる光軸配向で採用されている、図２Ｄのものと同様のＬＯＥの代替実装態様の拡大概略等角図である。 プレートのスタックをスライスすることによる、複数のＬＯＥの生産方法の段階の概略等角表示である。 部分反射面が除外されている領域を有する、改変された複数のＬＯＥの生産方法のフローチャートである。 図５の改変された生産方法に従ってプレートのスタックをスライスすることによる、複数のＬＯＥの生産方法の段階の概略等角表示である。 部分反射面のない１つの領域および２つの領域をそれぞれ有する、図５および図６の方法によって生産された２つのＬＯＥの拡大概略等角図である。 図７ＢのＬＯＥがスライスされた前駆体構造の概略等角表示である。 図７ＢのＬＯＥに対応する第１のＬＯＥ領域と、部分反射面のない領域を有して実装された第２のＬＯＥ領域とを有する、二次元拡大ＬＯＥの概略等角図である。 本発明の方法の態様に従って生成された代替前駆体構造の概略等角図である。 改変された前駆体構造を生成するように前駆体構造が切断される切断面を示す、図１０Ａの前駆体構造の側面図である。 それぞれ、図１０Ｂの断面平面に沿って切断した後の改変された前駆体構造の側面図および等角図である。 図１０Ｄの前駆体構造をスライスすることによって得られたいくつかのＬＯＥを示す。

好ましい実施形態の説明
本発明の特定の実施形態は、仮想現実ディスプレイ、またはより好ましくは拡大現実ディスプレイであり得る、ヘッドアップディスプレイ、最も好ましくはニアアイディスプレイの目的で、光学開口拡大を達成するための導光光学素子（ＬＯＥ）を製造するための方法を提供する。図１Ａ～図３は、本発明の生産方法が特に関連する、光学構成および対応するデバイスの特定の特に好ましい実施例を示すが、生産方法はそのような適用に限定されない。

本発明の一実施形態の教示によるＬＯＥ１２を採用した、全体が１０で示された、ニアアイディスプレイの形態のデバイスの例示的な実装態様を、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示す。ニアアイディスプレイ１０は、画像光が、１つの次元において、１セットの相互に平行な平面状外部表面での内部反射によって捕捉される（「導波路」、「基板」、または「スラブ」と互換的に称される）ＬＯＥ１２内に画像を注入するように光学的に結合された（この分野ではしばしば「ＰＯＤ」と称される）コンパクトな画像プロジェクタ１４を採用している。光は、互いに平行であり、かつ画像光の伝搬方向に対して斜めに傾斜した（「ファセット」と互換的に称される）１セットの部分反射面に衝突し、各連続ファセットは、基板内に捕捉され／内部反射によって誘導されてもいる、ある割合の画像光を偏向方向に偏向させる。この第１のセットのファセットは、図１Ａおよび図１Ｂには個別に示されていないが、１６と示されたＬＯＥの第１の領域に位置する。この連続ファセットにおける部分反射は、第１の次元の光学開口拡大を達成する。

本発明の第１のセットの好ましいが非限定的な実施例では、前述のセットのファセットは、基板の主外部表面に直交している。この場合、注入画像と、領域１６内を伝搬するときに内部反射を受けるその共役体との両方が、偏向され、偏向方向に伝搬する共役画像となる。代替的なセットの好ましいが非限定的な実施例では、第１のセットの部分反射面は、ＬＯＥの主外部表面に対して斜めに角度付けられる。後者の場合、注入画像またはその共役体のいずれかが、ＬＯＥ内を伝搬する所望の偏向画像を形成し、一方で、他の反射は、例えば、反射が必要とされない画像によって提示される入射角範囲に対してそれらを比較的透明にする角度選択的コーティングをファセットに採用することによって、最小化され得る。

第１のセットの部分反射面は、画像照明を、全内部反射（ＴＩＲ）によって基板内に捕捉される第１の伝搬方向から、やはりＴＩＲによって基板内に捕捉される第２の伝搬の方向に偏向する。

次いで、偏向された画像照明は、隣接する異なる基板として、または単一の基板の継続部として実装され得る第２の基板領域１８に入り、その中では、結合出力構成（さらなる１セットの部分反射ファセットまたは回折光学素子のいずれか）が、眼球運動ボックス（ＥＭＢ）として画定される領域内に位置する観察者の眼に向かって、ある割合の画像照明を次第に結合出力し、それによって、第２の次元の光学開口拡大が達成される。デバイス全体は、各眼に対して別々に実装されてもよく、好ましくは、各ＬＯＥ１２がユーザの対応する眼に対向する状態で、ユーザの頭部に対して支持される。ここに示されたような１つの特に好ましい選択肢では、支持構成は、ユーザの耳に対してデバイスを支持するための側部２０を有する眼鏡フレームとして実装される。ヘッドバンド、サンバイザ、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それらに限定されない、他の形態の支持構成も使用され得る。

本明細書では、図面および特許請求の範囲において、ＬＯＥの第１の領域の一般的な延伸方向において水平（図１Ａ）または垂直（図１Ｂ）に延伸するＸ軸、およびそれに垂直に、すなわち図１Ａでは垂直に、図１Ｂでは水平に、延伸するＹ軸が参照される。

非常に大まかに言えば、第１のＬＯＥ、またはＬＯＥ１２の第１の領域１６は、Ｘ方向の開口拡大を達成すると見なされ得、一方で、第２のＬＯＥ、またはＬＯＥ１２の第２の領域１８は、Ｙ方向の開口拡大を達成する。視野の異なる部分が伝搬する角方向の広がりの詳細については、以下でより正確に説明する。図１Ａに示されたような配向は、ＬＯＥの主部（第２の領域）に入る画像照明が上縁部から入る「トップダウン」実装態様と見なされ得、図１Ｂに示された配向は、ここではＹ軸と称される軸が水平に展開されている、「側注」実装態様と見なされ得ることに留意されたい。残りの図面では、本発明の特定の実施形態の様々な特徴は、図１Ａと同様の「トップダウン」方向のコンテクストで示される。しかしながら、これらの特徴のすべては、側注実装態様にも等しく適用可能であり、それもまた発明の範囲内にあることが理解されるべきである。特定の場合では、他の中間配向も適用可能であり、明示的に除外される場合を除き、本発明の範囲内に含まれる。

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、無限遠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、画像照明は、二次元の視野角に対応する角範囲に及ぶ。

画像プロジェクタ１４は、典型的にはＬＣＯＳチップなどの空間光変調器を照明するために配備された、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。代替的に、画像プロジェクタは、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明を走査しながら、ビームの強度が動きと同期して画素単位で変化し、それによって各画素に所望の強度を投影する、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。どちらの場合も、無限遠にコリメートされる出力投影画像を生成するために、コリメート光学系が設けられる。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、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構成の表面上に配置される。

ＬＯＥ１２への画像プロジェクタ１４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。結合入力構成の詳細は、発明にとって重要ではなく、ここでは、ＬＯＥの主外部表面のうちの１つに適用される非限定的な実施例であるウェッジプリズム１５として概略的に示されている。

ニアアイディスプレイ１０は、典型的には小さな搭載電池（図示せず）または何らかの他の好適な電源からの電力を採用して、典型的には画像プロジェクタ１４を作動させるためのコントローラ２２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２２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。

ここで、図２Ａ～図２Ｆを参照すると、ニアアイディスプレイの一実装態様の光学的特性がより詳細に示されている。具体的には、第１の配向を有する第１のセットの平面状で、相互に平行な部分反射面１７を包含する第１の領域１６と、第１の配向に非平行である第２の配向を有する第２のセットの平面状で、相互に平行な部分反射面１９を包含する第２の領域１８とを含む、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）１２のより詳細な図が示されている。１セットの相互に平行な主外部表面２４が、第１のセットの部分反射面１７および第２のセットの部分反射面１９の両方が主外部表面２４の間に位置するように、第１および第２の領域１６および１８にわたって延在している。最も好ましくは、セットをなす主外部表面２４は、第１および第２の領域１６および１８の全体にわたって各々連続する１対の表面であるが、領域１６と領域１８との間の厚さのセットダウンまたは逓増を有する選択肢もまた、本発明の範囲内にある。領域１６および１８は、境界で会合するように直接並置されてもよく、境界は、直線境界もしくは何らかの他の形の境界であり得、または、特定の用途に応じて、様々な追加の光学的もしくは機械的機能を提供するために、それらの領域の間に介在させた１つ以上の追加のＬＯＥ領域が存在してもよい。特定の特に好ましい実装態様では、別個に形成された領域１６および１８がそれらの間に挟まれて複合ＬＯＥ構造を形成する連続外部プレートを採用することによって、特に高品質の主外部表面が達成される。

ＬＯＥの光学特性は、画像照明経路を逆行してトレースすることによって理解され得る。第２のセットの部分反射面１９は、主外部表面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を第１の領域１６から第２の領域１８内へ伝搬する画像照明の一部が、ＬＯＥから眼球運動ボックス２６に向かって結合出力されるように、主外部表面２４に対して斜角にある。第１のセットの部分反射面１７は、主外部表面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を結合入力領域（結合プリズム１５）から伝搬する画像照明の一部が第２の領域１８に向かって偏向されるように配向されている。

画像プロジェクタ１４からの投影画像の角度広がりの１つの次元は、図２Ａでは、ＬＯＥの右側のＰＯＤ開口部からＬＯＥの左側に向かって広がる円錐の照明によって表されている。ここに示された非限定的な実施例では、ＰＯＤの中心光軸は、Ｘ軸に整列されたＬＯＥ内の伝搬方向を規定し、（ＬＯＥ内の）角度広がりは、およそ±１６°である。（屈折率の変化により、ＦＯＶ角は空気中でより大きくなることに留意されたい。）第１のセットの部分反射面１７は、第１の領域１６に示され、第２のセットの部分反射面１９は、第２の領域１８に示されている。

ニアアイディスプレイは、「眼球運動ボックス」（ＥＭＢ）２６（すなわち、眼の瞳孔が投影画像を見るであろうＬＯＥの平面から離れた、典型的には矩形として表される形状）によって指定される、許可された位置範囲内の、ある位置に位置するユーザの眼に、投影画像の全視野を提供するように設計されている。眼球運動ボックスに到達するために、光は、第２のセットの部分反射面１９によって、第２の領域１８からＥＭＢ２６に向かって結合出力されねばならない。全画像視野を提供するために、ＥＭＢ内の各点は、全角範囲の画像をＬＯＥから受け取らねばならない。ＥＭＢから視野を逆追跡することは、関連する照明がＬＯＥからＥＭＢに向かって結合出力されるより大きな長方形２８を示唆する。

図２Ａは、投影画像の左下画素に対応する、視野の第１の末端部を示す。ＬＯＥ内に結合されるときのプロジェクタの光学開口に対応する幅のビームは、ＰＯＤから左上向きに伝搬し、一連の部分反射面１７から部分反射されることが示されている。ここに示されているように、サブセットのファセットのみが、ユーザによって目視される画像内の対応する画素を提供するのに有用な反射を生成し、それらのファセットのサブ領域のみが、この画素の観察画像に寄与する。関連領域は、黒の太線によって示されており、ファセット１７から反射され、次いで、ファセット１９によって結合出力されて、ＥＭＢ２６の４つの角に到達する、方向転換された画像内のこの画素に対応する光線が示されている。ここで、および説明全体を通じて、光線の平面内伝搬方向のみを、ここではＬＯＥ内の伝搬中で、示すが、光線は、実際には、２つの主外部表面から繰り返される内部反射のジグザグ経路をたどり、１つの次元全体の画像視野が、Ｙ次元の画素位置に対応する、主外部表面に対する光線の傾斜角度によって符号化されることに留意されたい。１つの追加実施例として、ＥＭＢの左上角に見られるような、画像の左上末端部に対応する、偏向および結合出力された光線が、破線で示されている。

図２Ｂは、図２Ａと同じ構成を示しているが、ここでは、ＥＭＢの４つの角に到達する、視野の右下の画素に対応する光線を示し、やはり、関連する部分反射面１７の関連領域が太線で示されている。

ＥＭＢのすべての領域に到達する画像のすべての領域（方向または画素）の対応光路を追加的にトレースすることによって、結合入力領域から、ＬＯＥ内を伝搬し、第１のセットの部分反射面のうちの１つによって偏向され、第２のセットの部分反射面のうちの１つによって、眼球運動ボックスに到達する方向に結合出力される、すべての光線経路のエンベロープをマッピングすることが可能であり、このエンベロープは、画像がＥＭＢに到達することに寄与する、画像照明の一部を偏向させるのに必要な各ファセット１７の「結像領域」を画定し、一方で、エンベロープの外にあるファセット１７の残りのものは、必要な画像に寄与しない「非結像領域」であることが明らかであろう。すべてのファセット１７の「結像領域」に対応する、このエンベロープの簡略化された輪郭を図２Ｃに太線で示す。

「非結像領域」内のファセットの部分は、特定の場合、例えば意図しない多重反射光経路を支援して、入力画像照明および／または周囲光源からの外部放射線のゴースト画像を生じさせるという悪影響を、画質に及ぼし得ることが分かった。そのような影響を最小限に抑えるために、本発明の特定の特に好ましい実装態様によれば、部分反射特性が、各ファセット平面の「結像領域」を含む、領域１６の断面積のサブ領域内にのみ存在し、好ましくは、ファセットのうちのいくつかまたはすべてについて、「非結像領域」の少なくとも大部分を除外するように、ファセット１７を「部分ファセット」として実装することが好ましい。そのような実装態様を、図２Ｄに概略的に示す。ファセットの活性（部分反射）領域は、好ましくは、ＥＭＢ画像投影の幾何学的要件を完遂するのに必要な最小限度をわずかに超えて延在する。特定の特に好ましい実装態様によれば、結合入力位置から、線に沿って遭遇する最も遠い部分反射ファセットの距離は、次第に増加し、示されたように時計回りに角度は増加し、プロジェクタ１４から投影される画像の角範囲の大部分にわたって、第２の領域１８との境界から遠ざかる。これにより、領域１６内にあって、好ましくは部分反射ファセットなしに実装されている、本明細書では３０ａ、３０ｂ、および３０ｃとしてラベル付けされた１つ以上の領域が残る。

図２Ａ～図２Ｄでは、プロジェクタ１４の光軸は、Ｘ軸に平行であるように示されている。光軸は、実際には、Ｘ軸に平行ではなく、むしろＸ－Ｚ平面内にあり、ページ内のＺ成分は、ＦＯＶの深さの次元における角範囲全体が、主基板表面で全内部反射を受けるように選択されることを理解されたい。提示を簡単にするために、本明細書におけるグラフィック表現およびその説明は、本明細書では「面内成分」または「ＬＯＥの主外部表面に平行な成分」と称される、光線伝搬方向の面内（Ｘ－Ｙ）成分のみに関する。

図３は、プロジェクタの光軸が、視野の１つの側部を領域１６の上縁部に整列させるように回転されている同様の実装態様を示す。この場合、好ましくは部分反射ファセットなしで実装されている、３０ａおよび３０ｂとラベル付けされた、２つの領域が存在する。

図４は、図２Ａ～図２Ｃに示されたようなＬＯＥ領域１６または１８を製造するための典型的な生産方法を示す。方法は、まず、少なくとも部分反射性のコーティングで光学コーティングされた複数の透明プレート４０を積層して結合させ、それによって、スタック４２を形成することを含む。プレート間の界面は、ＬＯＥのファセットに対応する。スタックは、典型的には、他のプレートの数倍の厚さを有する透明プレートを用いて（頂部および／または底部が）仕上げられる。スタックは、ファセット面に対して所望の角度で、スライス４４に切断される。次いで、各スライスは、ファセットが、要求されるＬＯＥ構成４６に基づいて、外部表面に対して特定の所定の角度で配向された状態で、（例えば、切断および／または研削、続いて研磨によって）成形されて、平行な外部表面を形成する。言い換えれば、ＬＯＥは、平行なコーティングされたガラス板のスタックからのスライスから成形され、部分反射面の角度および配向は、スライスする角度および後続の切断の配向によって決定される。

上記の製造プロセスは、単一のプレートスタックを使用して、上述のスライス、切断および研磨ステップを通して複数の同様のＬＯＥを製造することができるという点で、効率的である。スタックに厚いエンドプレートを使用することにより、最初のファセットの前および／または最後のファセットの後に、ただし、ファセットに平行な境界にのみ、透明なガラスの領域を生成することが可能になる。しかしながら、図２Ｄおよび図３の領域３０ａ、３０ｂ、および３０ｃなどの非活性領域は、ファセット領域１７を形成する、積層および結合された複数の透明プレートと交差するので、このアプローチでは、これらの領域を直接形成することはできない。

したがって、図２Ｄまたは図３に記載の導波路、または部分ファセットを有する他の同様の導波路を生産するために、図４を参照して上記で説明した製造方法を超えて、追加のステップが必要である。

本発明の１つの特に好ましい態様によれば、導光光学素子（ＬＯＥ）を生産するための方法であって、各ＬＯＥは、１対の相互に平行な主外部表面であって、主外部表面での内部反射によって、ＬＯＥ内を伝搬する画像照明を誘導するための主外部表面と、主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面を有する活性領域と、少なくとも１つの二次領域とを有し、部分反射面のうちの少なくとも１つは、活性領域と二次領域との間の境界に終端する、方法が提供される。方法は、図５のブロック図に示され、図６に概略的に示されているように、少なくとも以下のステップを含む：
（ａ）複数の平行に対向するプレート４０を複数の界面で合わせて結合して、プレートのスタック４２を形成するステップであって、界面の各々における１つの面は、部分反射光学特性を提供するためのコーティングを有する、ステップ（ステップ３２）、
（ｂ）プレートのスタックを切断および研磨して、界面のうちの少なくとも１つと交差する境界面４８を形成するステップ（ステップ３４）、
（ｃ）透明材料のブロック５０を、スタック４２に境界面４８で結合して、前駆体構造５２を形成するステップ（ステップ３６）、ならびに
（ｄ）前駆体構造５２を複数の平行平面に沿ってスライスして、複数のスライス５４を形成するステップであって、各スライスは、ＬＯＥの活性領域を提供するためのスタック４２の一部、およびＬＯＥの二次領域を提供するためのブロック５０の一部を包含するステップ。

図６に示された実施例では、最終ＬＯＥ５６は、示されたように各スライス５４から切り出され、それによって、このセットのファセットが除外されている少なくとも１つの領域３０ａを有するＬＯＥ５６が形成される。

好ましくは、ブロック５０は、ファセットを有する領域とファセットを有しない領域との間の境界が、有意な光収差を生成しないように、複数のプレートに屈折率整合された透明材料から形成される。同じ理由から、スタック４２へのブロック５０の取り付けは、屈折率整合光学接着剤で行うことが好ましくあり得る。ブロック５０自体は、光学的連続材料のブロックであることが好ましく、つまり、ブロック５０が、顕著な光の光学的収差、散乱または偏向を引き起こす内部特徴を有しないことを意味する。最も好ましくは、ブロック５０は、透明材料、典型的にはガラスの連続均一ブロックとして実装される。

境界面４８の配向および位置は、最終ＬＯＥ構造内の所望の境界の位置に従って選択される。ほとんどの場合、配向は、界面の平面に対して斜めに配向された平面である。これは、図６に（９０°よりも大きい）角度αとして概略的に示されている。

図５および図６の方法は、図７Ａに示されたような、単一の非活性領域３０ａを有するＬＯＥを製造するためのステップを提示しているが、セットをなすファセットが除外されている２つ以上の非活性領域を形成するために、スライスする前に、ステップ３４および３６を繰り返して、追加の境界面を形成すること、および前駆体構造に追加の透明ブロックを追加することにより、容易に適合される。図７Ｂは、２つの非活性領域３０ａおよび３０ｂを有するＬＯＥ５６のさらなる実施例を示し、図８は、いくつかのそのようなＬＯＥ５６が、各スライドがスタックの領域および両ブロックの領域を含むように、対応する前駆体構造５２からスライスされることを示す。

本明細書では、主に、ファセットが、ＬＯＥによる画像光伝搬の第１の誘導方向から第２の誘導方向への偏向を担う、第１の次元の光学開口拡大の実施例で示されているが、同じ原理が、第２の（または任意の他の）段階の光学開口拡大に採用されるＬＯＥに適用可能である。例として、図９は、第１の次元の光学開口拡大を実行するための、図７Ｂに示されたような第１のＬＯＥ５６と、第２の次元の光学開口拡大を実施し、観察者の眼に向かって画像照明を結合出力するための第２のＬＯＥ５８と、を含む光学構成を示す。この場合、（図の理解を容易にするために、概略的に、過度に離間して示されている）結合出力ファセット６０は、ＬＯＥ５８の活性領域に限定され、画像の任意の部分をＥＭＢの任意の部分に導くのにファセットが必要でない非活性領域６２からは除外されている。ファセットは、境界面６１で停止する。ここでも、非活性領域６２は、好ましくは、図５および図６を参照してすべて上記で開示したように、コーティングされたプレートのスタックに結合された透明ブロックを含む前駆体アセンブリ（図示せず）をスライスすることによって、ＬＯＥの残りの部分と一緒に生成される。

図１０Ａ～図１０Ｅは、先の実施例と概ね同様の本発明の方法のさらなる実施例を示す。この場合、前駆体構造５２（図１０Ａ）は、スタック４２に、第１のブロック５０ａを第１の境界面４８ａで、かつ第２のブロック５０ｂを第２の境界面４８ｂで取り付けることによって形成されている。この場合、第２の境界面４８ｂの切断はまた、第１のブロック５０ａの一部の切断を含む。図１０Ｂは、スライスする前に、前駆体構造が好ましく切断される切断線６４を示す側面図である。この切断は、好ましくは、１つ以上の縁部平面を画定し、その部分は、スライス後、各ＬＯＥの縁部を画定する。結果として得られる事前成形前駆体構造５２’を図１０Ｃおよび１０Ｄに示す。続いて前駆体構造５２’をスライス面（図１０Ｄの破線６６）に沿ってスライスすると、典型的には全体的光学設計の一部としてＬＯＥを組み立てるのに必要な最終研磨および任意の他のステップのみを必要とする、ほぼ最終的なＬＯＥ構造５８がもたらされる。

本発明の生産方法は、異なる用途のための広範囲のＬＯＥ構造に適用可能であり、ＬＯＥの異なるパラメータを提供するように適合させることができることに留意されたい。例えば、特定の実装態様では、平行なスライス面は、スタックの界面に垂直に配向され、ＬＯＥの主外部表面に直交する部分反射面をもたらす。他の用途に対しては、平行なスライス面は、界面に対して斜めに角度付けられ、それによって、ＬＯＥの主外部表面に対して斜めである部分反射面を有するＬＯＥが生成される。

本発明の方法はまた、特定の光学構成の要件にすべて従って、様々な追加の特徴を実装する一連の部分反射面を用いて実装され得る。例としては、限定されないが、界面が不均一に離間されるように、プレートが互いに異なる厚さを有する、可変ファセット間隔、および一続きの界面に対して順次に変化する反射率を提供するようにコーティングが構成される、可変反射率が挙げられる。

明らかに、最終光学デバイスの所望の幾何学的形状に応じて、ＬＯＥの非活性領域は、ファセット領域のより大きなまたはより小さな割合に沿って延在し得る。特定の特に好ましい実装態様によれば、境界面は、主外部表面に平行な方向における部分反射面の長さが、セットをなす部分反射面の少なくとも４分の１に沿って、部分反射面から部分反射面へと次第に減少するように、ＬＯＥの縁部に非平行である。

図１Ｂのコンテクストにおいて上述されたように、「トップダウン」コンテクストで本明細書に示された二次元光学拡大実施例は、画像が、目視領域の外側の横方向に位置するＰＯＤから注入され、ユーザの眼内に結合させるために、第１のセットのファセットによって垂直方向に、次いで第２のセットのファセットによって水平方向に広げられる「横方向」構成に、すべて同様に適用することができる。上記の構成および変形態様のすべては、側注構成にも適用可能であると理解されるべきである。

上記の説明全体を通して、示されているようなＸ軸およびＹ軸が参照されており、ここで、Ｘ軸は水平または垂直のいずれかであり、第１の次元の光学開口拡大に対応し、Ｙ軸は、第２の次元の拡大に対応する、他方の主軸である。このコンテクストにおいて、ＸおよびＹは、典型的には前述された図１Ａおよび図１Ｂの眼鏡フレームなどの支持構成によって規定される配向で、ユーザの頭部に装着されたときのデバイスの配向に関して、規定することができる。典型的にはそのＸ軸の規定と一致する他の用語には、（ａ）Ｘ軸に平行な方向を規定するために使用することができる、眼球運動ボックスを区切る少なくとも１つの直線、（ｂ）長方形の投影画像の縁部は、典型的には、Ｘ軸およびＹ軸に平行である、および（ｃ）第１の領域１６と第２の領域１８との間の境界は、典型的には、Ｘ軸に平行に延在する、が含まれる。

上記の説明は、実施例としてのみ役立つことが意図されること、および添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内で、多くの他の実施形態が可能であることが理解されよう。

Claims (19)

1. 導光光学素子（ＬＯＥ）を生産するための方法であって、前記ＬＯＥは各々、１対の相互に平行な主外部表面であって、前記主外部表面での内部反射によって、前記ＬＯＥ内を伝搬する画像照明を誘導するための主外部表面を有し、各ＬＯＥは、前記主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面を備える活性領域と、少なくとも１つの二次領域とをさらに有し、前記部分反射面のうちの少なくとも１つは、前記活性領域と前記二次領域との間の境界で終端し、前記方法は、
   （ａ）複数の平行に対向するプレートを複数の界面で合わせて結合して、プレートのスタックを形成するステップであって、前記界面の各々における１つの面は、部分反射光学特性を提供するためのコーティングを有する、ステップと、
   （ｂ）前記プレートのスタックを切断および研磨して、前記界面のうちの少なくとも１つと交差する境界面を形成するステップと、
   （ｃ）透明材料のブロックを前記スタックに前記境界面で結合して、前駆体構造を形成するステップと、
   （ｄ）前記前駆体構造を複数の平行平面に沿ってスライスして、複数のスライスを形成するステップであって、各スライスは、前記ＬＯＥの前記活性領域を提供するための前記スタックの一部、および前記ＬＯＥの前記二次領域を提供するための前記ブロックの一部を包含する、ステップと、を含む、方法。
2. 前記境界面は、前記界面のうちのある平面に対して斜めに配向された平面に沿って切断される、請求項１に記載の方法。
3. 前記透明材料のブロックは、前記複数のプレートに屈折率整合される、請求項１に記載の方法。
4. 前記透明材料のブロックは、光学的連続材料のブロックである、請求項１に記載の方法。
5. 前記透明材料のブロックは、連続均一ブロックである、請求項１に記載の方法。
6. 前記スライスすることの前に、前記前駆体構造を少なくとも１つの縁部平面に沿って切断することであって、前記縁部平面の一部は、前記スライスすることの後に、各ＬＯＥの縁部を画定する、切断すること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記複数の平行平面は、前記界面に垂直である、請求項１に記載の方法。
8. 前記複数の平行平面は、前記界面に対して斜めに角度付けられている、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＬＯＥの前記活性領域に縁部を形成することをさらに含み、前記境界は、前記主外部表面に平行な方向における前記部分反射面の長さが、前記セットの部分反射面の少なくとも４分の１に沿って、部分反射面から部分反射面へと次第に減少するように、前記縁部に非平行である、請求項１に記載の方法。
10. 前記コーティングは、一続きの前記界面に対して順次に変化する反射率を提供するように構成される、請求項１に記載の方法。
11. 前記プレートは、前記界面が不均一に離間されるように、互いに異なる厚さを有する、請求項１に記載の方法。
12. （ａ）前記プレートのスタックを切断および研磨して、前記界面のうちの少なくとも１つと交差する追加の境界面を形成するステップであって、前記追加の境界面は、前記境界面と非同一平面である、ステップと、
    （ｂ）追加の透明材料のブロックを前記スタックに前記境界面で結合して、前記前駆体構造を形成するステップと、をさらに含み、
    前記スライスすることは、各スライスが前記追加のブロックの一部を追加的に包含するように実行される、請求項１に記載の方法。
13. 複数の導光光学素子（ＬＯＥ）を形成するために複数の平行平面に沿ってスライス可能な中間作業成果物であって、前記ＬＯＥは各々、１対の相互に平行な主外部表面であって、前記主外部表面での内部反射によって、前記ＬＯＥ内を伝搬する画像照明を誘導するための主外部表面を有し、各ＬＯＥは、前記主外部表面の間に位置し、それらに非平行に配向された、１セットの相互に平行な部分反射面を備える活性領域と、少なくとも１つの二次領域とをさらに有し、前記部分反射面のうちの少なくとも１つは、前記活性領域と前記二次領域との間の境界で終端し、前記中間作業成果物は、
    （ａ）複数の界面で互いに結合された複数の平行に対向するプレートから形成されたスタックであって、前記界面の各々における１つの面は、部分反射光学特性を提供するコーティングを有し、前記スタックは、前記界面のうちの少なくとも１つと交差する境界面で切断および研磨されている、スタックと、
    （ｂ）前記スタックに前記境界面で結合された透明材料のブロックと、を備える、中間作業成果物。
14. 前記境界面は、前記界面の平面に対して斜めに配向されている、請求項１３に記載の中間作業成果物。
15. 前記透明材料のブロックは、前記複数のプレートに屈折率整合されている、請求項１３に記載の中間作業成果物。
16. 前記透明材料のブロックは、光学的連続材料のブロックである、請求項１３に記載の中間作業成果物。
17. 前記透明材料のブロックは、連続均一ブロックである、請求項１３に記載の中間作業成果物。
18. 前記コーティングは、一続きの前記界面に対して順次に変化する反射率を提供するように構成されている、請求項１３に記載の中間作業成果物。
19. 前記プレートは、前記界面が不均一に離間されるように、互いに異なる厚さを有する、請求項１３に記載の中間作業成果物。

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