JP2023528948A - 拡散スクリーン - Google Patents

Abstract

ユーザに画像を表示するための光学装置を開示する。本装置は、第１の開口数を有する画像担持光ビームを生成するための画像源と、拡散スクリーンとを備える。拡散スクリーンは、画像担持光ビームの開口数を第２の開口数に増大させるように構成される。拡散スクリーンは、第１の部分を備え、第１の部分は、互いに対して実質的に平行な第１の面及び第２の面と、第１の面と第２の面との間に光学経路を形成する複数の導波路の第１のアレイとを備える。複数の導波路の各々の光学特性の値が、光学特性の値のセットからランダムに選択される。複数の導波路の第１のアレイは、複数の導波路の各々がその最も近い近隣物に対して実質的に平行な光軸を有するように配置される。第１のアレイの実質的に全ての導波路が、可視光の単一モードが各導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満にサイジングされる。【選択図】図３Ａ

Description

拡散スクリーンは、光をより均一に分散させ、画像ビームの開口数（ＮＡ）を増大させるように、光を散乱／拡散させるためにディスプレイにおいて使用され得る。

ファイバフェイスプレート（fibre faceplate）の例示である。 ファイバフェイスプレートからの出力円錐角を例示する。 角度付きファイバフェイスプレートの例示である。 角度付きファイバフェイスプレートからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による横断アンダーソン局在（transverse Anderson localisation）拡散スクリーンを例示する。 横断アンダーソン局在角度付き拡散スクリーンからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による角度付き横断アンダーソン局在拡散スクリーンを例示する。 角度付き横断アンダーソン局在角度付き拡散スクリーンからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による二重横断アンダーソン局在拡散スクリーンを例示する。 二重横断アンダーソン局在角度付き拡散スクリーンからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による直線－角度付き横断アンダーソン局在拡散スクリーンを例示する。 直線－角度付き横断アンダーソン局在角度付き拡散スクリーンからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による角度付き－直線横断アンダーソン局在拡散スクリーンを例示する。 角度付き－直線横断アンダーソン局在角度付き拡散スクリーンからの出力円錐角を例示する。 いくつかの例による可変オフセット横断アンダーソン局在拡散スクリーンを例示する。 いくつかの例による横断アンダーソン局在ファイバ拡散スクリーンを作製するための方法を例示する。 基準スクリーン及び試験スクリーンの両方についての緑色光についての放射角度に対するパワーを例示する。 基準スクリーン及び試験スクリーンの両方についての赤色光についての放射角度に対するパワーを例示する。 基準スクリーン及び試験スクリーンの両方についての青色光についての放射角度に対するパワーを例示する。 試験スクリーンについての正規化されたパワーに対する緑色光、青色光、及び赤色光についての円錐角のプロットを例示する。 緑色光についての基準スクリーンの解像度試験を示す。 緑色光を使用した試験スクリーンについての解像度試験を示す。 赤色光についての試験スクリーンについての解像度試験を示す。 第２の基準スクリーンについての様々な円錐角にわたる変動強度を示す。 ヘッドアップディスプレイの適用のためにマスクされた円錐角を示す。 第２の試験スクリーンについての様々な円錐角にわたる変動強度を示す。 ヘッドマウントディスプレイの適用のためにマスクされた円錐角を示す。 第２の基準スクリーンの粒度を例示する。 第２の試験スクリーンの粒度を例示する。 第２の試験スクリーン及び第２の基準スクリーンの粒度を例示する。 いくつかの例による光学装置を例示する。

ヘッドアップディスプレイなどのいくつかの用途では、ファイバフェイスプレートが、ユーザに画像を表示するためのスクリーンの一部として使用され得る。ファイバフェイスプレートは、入力面から出力面に画像を転送する。ファイバフェイスプレート１００の例を図１Ａに例示する。ファイバフェイスプレート１００は、第２の面１０５と第１の面１０４との間に光学経路を形成する複数の導波路１３０を備える。各導波路１３０は、少なくとも可視光の単一モードが、全反射によるファイバ中の有意な減衰を伴わずにファイバを進むことを可能にするのに十分なサイズの光ファイバを備え得る。ほとんどの例では、導波路は、マルチモードファイバであり、そのため、多くのモードがファイバ中で許容される。各導波路１３０はまた、互いの導波路と実質的に同様であり、互いに実質的に平行である。

入力光１１０は、第１の面１０４の法線に対して角度αで拡散器中に入力され得る。入力光は、導波路のアレイの光軸に沿って伝搬する。出力光１２０は、第２の面１０５に対する法線を中心とする光の円錐で出力される。

図１Ｂは、第２の面１０５の法線に対して垂直な平面上への円錐の投影１４０を例示する。図１Ｂから分かるように、円錐は、光のリングを形成し、そのため、単一方向への直線の光入力１１０は、角度αの円錐で出力される。

図２Ａは、角度付きファイバフェイスプレート２００を例示する。角度付きファイバフェイスプレート２００は、第１の面１０４と第２の面１０５との間に光学経路を形成する複数の角度付き導波路２３０を備える。複数の角度付き導波路２３０は、第１の面１０４又は第２の面１０５に対する法線に対して角度βを成す。各角度付き導波路２３０はまた、互いの導波路と実質的に同様であり、互いに実質的に平行である。

入力光１１０は、第１の面１０４の表面に垂直に入力され得る。出力光１２０は、角度ｓｉｎ^-1（ｎ ｓｉｎ ２β）の円錐で出力され、ここで、ｎは、導波路の屈折率である。

図２Ｂが例示するように、導波路２３０が第１の面１０４の表面に対して垂直ではないことの結果として、円錐１２０は、導波路が第１の面１０４の表面に対して垂直である場合に対してシフトされる。これは、ディスプレイが、第２の面１０５の真正面にあるのではなく、ファイバフェイスプレートに対して傾斜されるか、又は角度オフセットを有することを可能にし得る。

しかしながら、図１Ａ及び２Ａの両方の例では、光は、中心軸を中心として円錐で放射される。いくつかの状況では、リングではなく中実円錐で光が放射されることが望ましくあり得る。ファイバフェイスプレートが使用される場合、円錐角全体にわたって画像を拡散させるために、即ち、入力ビームの開口数と比較して出力ビームの開口数を増大させるために、別個の拡散器が使用され得る。そうでなければ、ユーザに表示される画像は、光が光の円錐で放射されることの結果として、スクリーンの全ての部分が照明されるわけではないか、又は不均一に照明されることになるので、まだらになるであろう。これはまた、ユーザに表示される画像の品質を低減し得るか、又はこの影響を軽減するために追加の要素が必要とされ得る。

本開示では、横断アンダーソン局在を利用するファイバフェイスプレートスクリーンが、リングではなく中実円錐でファイバから光が放射されることを可能にし、実質的に波長とは無関係に拡散を提供し、別個の拡散スクリーンの必要性を除去し得ることが特定されている。これは、かなりの円錐角にわたって均一な照明が望まれ得る場合に有益である。横断アンダーソン局在は、「Transverse Anderson localization of light: a tutorial review, Arash Mafi, arXiv:1505.01109v2 [physics.optics] 4 Jun 2015」に記載されている。

横断アンダーソン局在を利用するファイバフェイスプレートの使用は、より均一な画像につながり、ユーザが、別個のファイバフェイスプレートの使用を伴わずに、より高品質の画像を見ることを可能にし得る。横断アンダーソン局在は、不規則な系の存在に起因して、系中の導波路の光軸に対して垂直な軸における拡散の欠如を引き起こし得る。光軸は、導波路中の光の伝搬の方向によって規定される。従来のファイバ導波路では、光軸は、縦軸と同じであり、垂直方向は、ファイバ導波路の横軸である。

ファイバフェイスプレートの例では、異なる光学特性を有する導波路を配置することによって、例えば、異なるサイズの導波路のセット（例えば、幅）又は異なる屈折率のセットから導波路サイズをランダムに選ぶことによって、不規則性が系に追加され得る。

いくつかの例による横断アンダーソン局在（ＴＡＬ）拡散スクリーン３００の例を図３Ａに例示する。ＴＡＬ拡散スクリーン３００は、第１の面３０４と、第１の面３０４に対して実質的に平行な第２の面３０５とを備える。入力光３１０は、第１の面３０４を介してＴＡＬ拡散スクリーン３００中に入力され、出力光３２０は、第２の面３０５から放射される。

ＴＡＬ拡散スクリーン３００は、アレイ中に配置された複数の導波路３３０を備える。複数の光学導波路３３０は、第１の面３０４と第２の面３０５との間に光学経路を形成する。複数の導波路３３０の各々の光軸は、第１の面３０４及び／又は第２の面３０５の平面に対して実質的に垂直に配置される。アレイ中の導波路の各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。

各個々の導波路のサイズは、導波路が単独で使用された場合に単一の光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。しかしながら、ＴＡＬ拡散スクリーン３００の構造及び各導波路の光学特性をランダムに選ぶことによって追加された不規則性に起因して、出力光３２０は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、有意な減衰を伴わずにＴＡＬ拡散スクリーン３００を通って伝搬し、導波路（即ち、導波路の光軸）中の伝搬の方向と実質的に平行な方向を中心とする角度のほぼガウス分布で放射される。

入力角度は、ファイバフェイスプレート１００と同様に、依然として名目上保存されるが、出力光線角度は、ガウスプロファイルで効果的に畳み込まれて、図３Ｂに示すようなプロファイルを生成する。図３Ｂから分かるように、出力は、中実円錐であるが、いくつかの例では、出力は、ガウスプロファイルが十分に広いか、又は円錐角が十分に小さい場合、中央が充填され得るように、ガウスプロファイルの幅又は円錐角に応じて、ドーナツ形状であり得る。

図４Ａは、オフセットＴＡＬ拡散スクリーン４００を例示する。オフセットＴＡＬ拡散スクリーン４００の配置は、複数の導波路の各々の光軸が第１の面３０４及び第２の面３０５の表面のうちの１つの法線に対して角度４０１で配置されることを除いて、図３Ａに例示するＴＡＬ拡散スクリーン３００の配置と同様であり、同様の特徴は同じ参照番号で例示する。

入力光３１０は、オフセット拡散スクリーン４００の第１の面３０４の表面に対して垂直に入力される。光は、アレイ中に配置された複数のオフセット導波路４３０を通って伝搬する。光は、オフセット出力光４２０として、オフセット導波路の光軸と実質的に平行に放射される。出力光３２０のようなオフセット出力光４２０は、ガウスプロファイルで効果的に畳み込まれる光線角度で出力されて、図４Ｂに示すようなプロファイルを生成する。出力プロファイルは、ガウス分布、又はトップハット分布若しくはスーパーガウス分布などのガウス様分布であり得る。

いくつかの例では、入力円錐角は、±３°であり得、出力円錐角は、±１２°であり得る。

ガウス分布の幅は、あるＴＡＬ拡散スクリーンの出力が別のＴＡＬ拡散スクリーン中への入力であるように、２つのＴＡＬ拡散スクリーンを共に結合することによって増大し得る。ＴＡＬ拡散スクリーンは、図３Ａに関連して説明したものと同様である。２つの拡散スクリーンを共に結合することは、二重ＴＡＬ拡散スクリーン５００をもたらす。二重ＴＡＬ拡散スクリーン５００を図５Ａに例示する。

二重ＴＡＬ拡散スクリーン５００は、２つの部分、即ち、第１の部分５００ａ及び第２の部分５００ｂを備える。各第１の部分５００ａ及び第２の部分５００ｂは、ＴＡＬ拡散スクリーン３００と実質的に同様であり得る。第１の部分５００ａ及び第２の部分５００ｂの導波路は、第１の部分５００ａの導波路の出力が第２の部分５００ｂの導波路の入力と位置合わせされないように位置付けられる。

第１の部分５００ａは、第１の面５０４と、第１の面５０４に対して実質的に平行な第２の面５０５とを備える。複数の導波路５３０ａは、アレイ中で第１の面５０４と第２の面５０５との間に光学経路を提供する。複数の導波路は、第１の面５０４に対して実質的に直交し得る。

導波路５３０ａの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダムな連続分布から、又は離散的な事前定義された値から、又は所定の離散値から選択され得る。複数の導波路５３０ａの各個々の導波路のサイズは、単一光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

第２の部分５００ｂは、第２の面５０５からの出力が第３の面５０６中に入力されるように第１の部分５００ａに光学的に結合され、上述したように、第１の部分５００ａ及び第２の部分５００ｂの導波路の個々の入力及び出力は、位置合わせされない。第２の部分５００ｂは、第３の面５０６と、第３の面５０６に対して実質的に平行な第４の面５０７とを備える。複数の導波路５３０ｂは、第３の面５０６と第４の面５０７との間に光学経路を提供する。導波路は、第３の面５０６に対して実質的に直交する。第２の面５０５及び第３の面５０６は、取得可能な解像度が隔たりの増大と共に減少するにつれて、画像の所望の解像度に応じて、可能な限り互いの近くに位置付けられ得る。

導波路５３０ｂの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。複数の導波路５３０ｂの各個々の導波路のサイズは、単一光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

いくつかの例では、値のセットは、第１の部分５００ａと第２の部分５００ｂとで同一であり得る。しかしながら、いくつかの例では、値のセットは異なり得るか、又はセットの各々を選択する機会が異なり得る。いくつかの例では、第１の部分５００ａ及び第２の部分５００ｂの各導波路のサイズは、実質的に同じであり得るか、又は異なり得る。差は、必要とされるガウス分布の幅に基づいて選ばれ得る。

出力光５２０は、図５Ｂに例示するように、導波路の光軸と実質的に平行な方向を中心とする角度のガウス又はガウス様分布で出力される。いくつかの例では、分布は、トップハット関数又はスーパーガウス関数であり得る。これは、スクリーンの一部にわたって比較的一定の輝度をもたらし得るので、いくつかの用途に有用であり得る。

いくつかの例では、入力円錐角は、±３°であり得、出力円錐角は、±２３°であり得る。

第１の部分５００ａと第２の部分５００ｂとの間の間隙は、可能な限り小さく保たれ得る。間隙のサイズに対する制約は、間隙のサイズの増大が利用可能な解像度の減少を引き起こすため、画像ピクセルのサイズ又は最小所望フィーチャーサイズであり得る。例として、ピクセルサイズが４μｍである場合、間隙も４μｍ未満であるべきである。

いくつかの例では、間隙は空隙であり得る。いくつかの例では、間隙は、接着剤などの接合材料で充填され得る。いくつかの例では、間隙は、屈折率整合材料で充填され得る。

図６は、いくつかの例による直線－角度付きＴＡＬ拡散スクリーン６００を例示する。直線－角度付きＴＡＬ拡散スクリーン６００は、二重ＴＡＬ拡散スクリーン５００と実質的に同様であるが、部分のうちの１つは、面のうちの１つに対して直交しない光軸を有する導波路を備える。

直線－角度付きＴＡＬ拡散スクリーン６００は、直線部分６００ａ及び角度付き部分６００ｂを備える。二重ＴＡＬ拡散スクリーン５００と同様に、直線部分６００ａ中の導波路の個々の出力は、角度付き部分６００ｂの導波路の入力と位置合わせされない。直線部分６００ａは、図３に関連して説明した拡散スクリーン３００と実質的に同様であり得る。

直線部分６００ａは、第１の面６０４と、第１の面６０４に対して実質的に平行な第２の面６０５とを備える。複数の導波路６３０ａは、アレイ中に配置され、第１の面６０４と第２の面６０５との間に光学経路を提供する。各導波路の光軸は、第１の面６０４に対して実質的に直交する。

導波路６３０ａの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。

複数の導波路６３０ａの各個々の導波路のサイズは、従来、単一光学モードが減衰を伴わずに導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

角度付き部分６００ｂは、第２の面６０５から出力される光が第３の面６０６中に結合されるように、且つ第２の面６０５の導波路の出力が第３の面６０６の導波路の入力と位置合わせされないように、直線部分６００ａに光学的に結合される。角度付き部分６００ｂは、第３の面６０６と、第３の面６０６に対して実質的に平行な第４の面６０７とを備える。アレイ中に配置された複数の導波路６３０ｂは、第３の面６０６と第４の面６０７との間に光学経路を提供する。複数の導波路６３０ｂは、導波路６３０ｂの光軸が第３の面６０６及び／又は第４の面６０７の平面の法線に対して角度６０１を成すように配置される。

導波路６３０ｂの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。複数の導波路６３０ｂの各個々の導波路のサイズは、単一光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

いくつかの例では、値のセットは、直線部分６００ａと角度付き部分６００ｂとで同一であり得る。しかしながら、いくつかの例では、値のセットは異なり得るか、又はセットの各々を選択する機会が異なり得る。いくつかの例では、直線部分６００ａ及び角度付き部分６００ｂの各導波路のサイズは、実質的に同じであり得るか、又は異なり得る。差は、必要とされるガウス様分布の幅に基づいて選ばれ得る。

光は、直線部分６００ａの第１の面６０４への入力光３１０として直線－角度付きＴＡＬ拡散スクリーン６００中に入力される。光は、図３ＡのＴＡＬ拡散スクリーン３００に関連して説明したものと同様の形で、直線部分６００ａに沿って伝搬する。光は、次いで、第３の面６０６を通って角度付き部分６００ｂに入り、複数の導波路６３０ｂに沿って伝搬する。光は、次いで、導波路６３０ｂの方向に対して平行な方向を中心とする角度のガウス又はガウス様分布で出力される。ガウス様分布は、トップハット分布又はスーパーガウス分布であり得る。

角度６０１は、鋭角であり得る。角度は、所望されるガウス又はガウス様分布のオフセットに基づいて選ばれ得、ここで、より大きい角度が、より大きいオフセットにつながる。角度を選ぶときに考慮すべき要因は、ファイバフェイスプレートと同様に、導波路から空気（又は光が通過する他の媒体）への屈折率変化に基づいて、出力円錐が導波路の光軸に対して変化することである。

直線部分６００ａと角度付き部分６００ｂとの間の間隙は、可能な限り小さく保たれ得る。間隙のサイズに対する制約は、間隙のサイズの増大が利用可能な解像度の減少を引き起こすため、画像ピクセルのサイズ又は最小所望フィーチャーサイズであり得る。例として、ピクセルサイズが４μｍである場合、間隙も４μｍ未満であるべきである。

いくつかの例では、間隙は空隙であり得る。いくつかの例では、間隙は、接着剤などの接合材料で充填され得る。いくつかの例では、間隙は、屈折率整合材料で充填され得る。

図７Ａは、角度付き－直線ＴＡＬ拡散スクリーン７００を例示し、それは、図５Ａ及び６Ａの配置の変形である。角度付き－直線ＴＡＬ拡散スクリーン７００は、角度付き部分７００ａ及び直線部分７００ｂを備える。図５Ａ及び６Ａの配置と同様に、角度付き部分７００ａの導波路の出力は、直線部分７００ｂの導波路の入力と位置合わせされない。角度付き部分７００ａは、第１の面７０４及び第２の面７０５を備える。アレイに配置中された複数の導波路７３０ａは、第１の面７０４と第２の面７０５との間に光学経路を提供する。複数の導波路は、第１の面７０４及び／又は第２の面７０５の平面の法線に対して角度７０１を成す光軸を有する。

導波路７３０ａの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。

複数の導波路７３０ａの各個々の導波路のサイズは、単一光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

直線部分７００ｂは、第３の面７０６及び第４の面７０７を備える。複数の導波路７３０ｂは、第３の面７０６と第４の面７０７との間の光学経路中に位置する。複数の導波路７３０ｂは、第３の面７０６及び／又は第４の面７０７に対して実質的に直交する。

導波路７３０ｂの各々の光学特性の値が、値のセットからランダムに選択される。いくつかの例では、値のセットは、２つの値から成り得るが、いかなる数の値も適切であり得る。いくつかの例では、値は、値のランダム連続分布から、又は所定の離散値から選択され得る。

複数の導波路７３０ｂの各個々の導波路のサイズは、単一光学モードが導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満である。

直線部分７００ｂは、光が角度付き部分７００ａと直線部分７００ｂとの間を伝搬し得るように、角度付き部分７００ａに光学的に結合される。光は、第１の面７０４を介して角度付き部分７００ａ中に入力光３１０として入力される。光は、複数の導波路７３０ａに沿って伝搬し、直線部分７００ｂ中に出力される。光は、図４に関連して説明したオフセット拡散スクリーン４００のものと同様の形で、角度付き部分７００ａを通って伝搬する。光は、導波路７３０ａの光軸と平行な方向を中心とするガウスプロファイルを有する角度範囲内で出力される。

出力光は、次いで、直線部分７００ｂ中に入力される。直線部分７００ｂ中への入力光は表面に対して９０°を成さないので、光は、複数の導波路７３０ｂを通って拡散され、それは、第４の面からの出力光７２０の幅を更に増大させる。直線部分７００ｂはまた、図３に関連して説明したＴＡＬ拡散スクリーン３００のように挙動する。

複数の導波路７３０ａの角度７０１を増大させることによって、ガウス又はガウス様プロファイルの幅が増大し得る。実例的なプロファイルを図７Ｂに例示しており、それは、図６Ａの配置とは対照的に、プロファイルがオフセットなしで対称であることを示す。ガウス様プロファイルは、トップハット分布又はスーパーガウス分布を備え得る。

角度付き部分７００ａと直線部分７００ｂとの間の間隙は、可能な限り小さく保たれ得る。間隙のサイズに対する制約は、間隙のサイズの増大が利用可能な解像度の減少を引き起こすため、画像ピクセルのサイズ又は最小所望フィーチャーサイズであり得る。例として、ピクセルサイズが４μｍである場合、間隙も４μｍ未満であるべきである。

いくつかの例では、間隙は空隙であり得る。いくつかの例では、間隙は、接着剤などの接合材料で充填され得る。いくつかの例では、間隙は、屈折率整合材料で充填され得る。

図３～７は、互いに対して実質的に平行であり、且つ実質的に直線である、即ち光軸が実質的に平行である複数の導波路を有するＴＡＬ拡散スクリーンを示す。しかしながら、導波路は、それらの最も近い近隣物に対して実質的に平行であるが、ＴＡＬ拡散スクリーン中の全ての導波路に対して平行ではない光軸を有し得る。導波路はまた、直線又は実質的に直線である必要はない。例えば、第１の導波路は、第１の面に対して垂直であり得、第１の面の法線に対する角度は、第１の導波路からの距離と共に増大し得る。角度は、第１の面の平面内の１つの寸法において一定のままであり得るか、又は第１の面の平面内の２つの寸法において変化し得る。いくつかの例では、角度はまた、導波路が湾曲するように、導波路に沿って寸法が変化し得る。導波路は、同じ曲率を有し得るか、又は曲率は、導波路によって変化し得る。

例を図８が例示する。図８は、全ての導波路が互いに対して平行なわけではない可変オフセットＴＡＬ拡散スクリーン８００を例示する。そのような構造の結果、円錐角オフセットは、可変オフセットＴＡＬ拡散スクリーン８００の中心８０１には実質的にオフセットが存在せず、中心８０１の外側ではオフセットが増大するように、位置と共に変化する。

図３～７は、単一の直線光線として入力光を示す。しかしながら、入力光は、例えば±３°の角度範囲内で入力され得る。更に、光入力は、ＴＡＬ拡散スクリーンの有限領域にわたる画像、即ち単一光線の仮定として入力され得る。出力は、円錐の仮定であり、入力画像と比較して、出力される画像のサイズを保存又は増大させる。

図５～７は、積み重ねられた２ＴＡＬ拡散スクリーンを例示しているが、必要とされる特性に応じて、任意の配置における任意の数のスクリーンが積み重ねられ得る。

いくつかの例では、ＴＡＬ拡散スクリーンは、ガラス基板に接合され得る。

ＴＡＬ拡散スクリーンの面は、実質的に直線であるように示しているが、いくつかの例では、面のうちの少なくとも１つは、湾曲し得る。

図３Ａ～７Ｂに関連して説明する導波路のアレイは、各導波路が格子構造内に穴を備えるように、フォトニック結晶構造を備え得る。いくつかの例では、穴は、空気で充填され得る。いくつかの例では、穴は、プラスチック又はケイ素ベースの材料などの固体材料で充填され得る。

図３～８を参照して説明するものなど、いくつかの例による拡散スクリーンの全体的な厚さは、導波路の特定の用途及びサイズに依存し得、ここで、より大きい導波路は、より厚いスクリーンを必要とし得る。いくつかの例では、拡散スクリーン厚さは、０．２５ｍｍ～１．５ｍｍであり得る。いくつかの例では、拡散スクリーン厚さは、０．５ｍｍ～１ｍｍであり得る。

図９は、いくつかの例によるＴＡＬファイバ拡散スクリーンを作製するための方法を例示する。この方法は、参照符号９００で示す。

方法は、開始９１０で始まる。導波路は、導波路のセットからランダムに選ばれる９２０。導波路のセットは、光学特性の第１の値を有する複数の導波路を備える第１のサブセットと、光学特性の第２の値を有する複数の導波路を備える第２のサブセットとを備え、第１の値と第２の値とは異なる。各々が光学特性の異なる値を備える任意の数のサブセットが存在し得る。導波路の選択は、ｎ個の導波路が選ばれるように、合計でｎ回繰り返され、各導波路は、所定数の値のうちの１つである光学特性の値を有する９３０。

導波路は、次いで、共に接合又は融着される９４０。いくつかの例では、これは、導波路を焼結し、引き出すことを備え得る。導波路の一部は溶融し、一部は完全なままであり、スクリーンのランダム性を更に追加する。

拡散スクリーンの光学面が準備される９５０。いくつかの例では、これは、面が光学的に平滑になるように面を研磨することを備え得る。

いくつかの例では、導波路の出力面又は入力面は、それが取り付けられる光学系に対して、適宜、少なくとも実質的に湾曲し得る。平坦でない表面を使用することによって、撮像光学系の視野の平坦さが矯正又は軽減され得る。
例１

横断アンダーソン局在を利用する拡散スクリーンが作製され、この拡散スクリーンは、本明細書中で試験スクリーンと呼ばれる。試験スクリーンは、Incom, 294 Southbridge Road, Charlton, MA 01507によって製造された２つの直径２４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのNanoguideフェイスプレートを備えていた。フェイスプレートは、EPO-TEK 301-LP接着剤を使用して共に接合され、EPO-TEK 301-LPは、Epoxy Technology, Inc., 14 Fortune Drive, Billerica, MA 01821によって作成された接着剤である。接合されたNanoguideスクリーンは、厚さ１ｍｍのガラス基板に接合され、ガラス基板は、一方の側上に反射防止コーティングを備えていた。両方のIncom Nanoguideスクリーンは、基板表面に対して垂直な光軸を有する導波路を備えていた。試験スクリーンの最終直径は、２５ｍｍ未満であった。

試験スクリーンは、基準スクリーンと比較され、基準スクリーンは、図１及び２に関連して説明したものと同様の回折技術及び別個の拡散器に基づいてヘルメットマウントディスプレイ上で使用される高解像度スクリーンであった。

図１０Ａ～１０Ｃは、赤色光、緑色光、及び青色光についての試験スクリーン及び基準スクリーンについての円錐角の比較を例示する。

図１０Ａは、試験スクリーン及び基準スクリーンの両方の緑色光についての円錐角を例示する。図９Ｂは、試験スクリーン及び基準スクリーンの両方の赤色光についての円錐角を例示する。図９Ｃは、試験スクリーン及び基準スクリーンの両方の青色光についての円錐角を例示する。

試験スクリーンは、従来のスクリーン（赤色光及び緑色光）と同様であるか、又はより良好（青色光）であるかのうちのいずれかであるが、ピーク及びトラフのうちのいずれも伴わない。

図１０Ａ～１０Ｃから分かるように、試験拡散スクリーンは、各色について非常に類似した線幅を有するほぼガウスプロファイルを与える。試験に使用される各光源が異なる入力パワーを有するので、強度は異なり、従って、測定される出力パワーは異なる。

図１０Ｄは、試験スクリーンについての正規化されたパワーに対する緑色光、青色光、及び赤色光についての円錐角のプロットを例示する。これは、プロファイルが実際に非常に類似していることを実証している。ＲＧＢ円錐角は実質的に同一であるので、視野又はアイボックスにわたって変化する色バランスの問題はないはずである。

図１１Ａは、緑色光についての基準スクリーンの解像度試験を示す。図１１Ｂは、緑色光を使用した試験スクリーンについての解像度試験を示す。図１１Ｃは、赤色光についての試験スクリーンについての解像度試験を示す。

図１１Ａから分かるように、解像度は、基準スクリーンの領域にわたって６．６～７．１の範囲である。しかしながら、図１１Ｂの同じ色については、解像度は、試験スクリーンの領域にわたって７．４～７．６の範囲である。赤色光を使用する試験スクリーンの場合、解像度は７．３である。全体として、横断アンダーソン局在を使用する拡散スクリーンについて、解像度は、緑色及び青色光については１８１ｃｙ／ｍｍよりも、赤色光については１６１ｃｙ／ｍｍよりも良好である。
例２

５ｍｍ×５ｍｍの第２の試験スクリーンが、Nanoguideフェイスプレートを使用して作製された。スクリーンの導波路は、スクリーンの面に対して実質的に垂直であり、フェイスプレートは、実質的に平坦であった（即ち、図３Ａと実質的に同様であった）。第２の試験スクリーンは、ファイバフェイスプレート及び別個の拡散スクリーンを備える多くのＨＵＤ用途において使用される標準スクリーン（第２の基準スクリーン）と比較された。緑色光が、第２の試験スクリーン及び第２の基準スクリーンの両方に±３°の入力角度で入力された。

図１２Ａは、第２の基準スクリーンについての様々な円錐角にわたる変動強度を示し、図１２Ｂは、ＨＵＤの適用のためにマスクされた円錐角を示す。

図１２Ｃは、第２の試験スクリーンについての様々な円錐角にわたる変動強度を示し、図１２Ｄは、ＨＵＤの適用のためにマスクされた円錐角を示す。

図１２Ｂ及び１２Ｄの破線は、図１２Ｅ及び１２Ｆの円錐角プロットの位置を示す。図１２Ｅは、強度に対してプロットされた水平円錐角を示し、図１１Ｆは、強度に対してプロットされた垂直円錐角を示す。図から分かるように、第２の試験スクリーンは、使用された円錐の中心で、より約２０％明るい。

第２の試験スクリーンはまた、第２の試験スクリーンを通して投影されたＵＳＡＦパターンを使用して、１２８ｃｙ／ｍｍの解像度を有することが実証された。これは、５７ｃｙ／ｍｍの解像度を有する第２の基準スクリーンとの比較である。

第２の試験スクリーン及び第２の基準スクリーンの粒度は、均一に照明されたスクリーンの高解像度画像を分析することによって測定された。

図１３Ａは、基準スクリーンによって表示された画像の０．２ｍｍ×０．２ｍｍセクションの粒度を示す。図１３Ｂは、試験スクリーンによって表示された画像の０．２ｍｍ×０．２ｍｍセクションの粒度を示す。

図１３Ｃは、第２の基準スクリーン及び第２の試験スクリーンについての画像ピクセルサイズに対するグレースケール標準偏差の変化率のプロットを示す。画像ピクセルサイズは、画像解像度を、図１３Ｃの水平軸上に示すものに再スケーリングすることによって変更される。グラフ上の第１の点は３μｍであり、即ち、開始画像解像度ピクセルサイズは３μｍであった。最後の点は２３μｍであり、そのため、最終画像解像度ピクセルサイズは２３μｍに増大した。

図１４は、いくつかの例による光学装置１４００を例示する。光学装置は、画像担持光ビームを生成するための画像源１４１０であって、画像担持光ビームは、第１の開口数を有する、画像源１４１０と、画像担持光ビームの開口数を第２の開口数に増大させるための拡散スクリーン１４２０とを備える。拡散スクリーン１４２０は、図３Ａ～１３Ｃを参照して説明した横断アンダーソン局在拡散スクリーンと実質的に同様である。上記で説明したように、横断アンダーソン局在（ＴＡＬ）拡散スクリーンの使用は、同時に開口数の増大を提供しつつ、ファイバフェイスプレートと比較して解像度の増大を可能にする。

光学装置は、少なくともヘッドアップディスプレイ又はヘッドウォーンディスプレイにおいて使用され得る。いくつかの例では、入力ビームの開口数は、０．０５～０．１の範囲内であり得、出力ビームの増大した開口数は、０．３５よりも多くあり得る。いくつかの例では、ビームの出力開口数は、入力開口数の２倍よりも多くあり得る。

いくつかの例では、ディスプレイは、ヘルメットマウントディスプレイなどのヘッドマウントディスプレイを備え得、入力光開口数は、約０．１であり得、出力開口数は、約０．３５であり得る。

いくつかの例では、ディスプレイは、ヘッドアップディスプレイを備え得、入力光開口数は、約０．０５であり得、出力開口数は、約０．５であり得る。

Claims (22)

1. ユーザに画像を表示するための光学装置であって、前記装置は、
   画像担持光ビームを生成するための画像源であって、前記画像担持光ビームは、第１の開口数を有する、画像源と、
   前記画像担持光ビームの前記開口数を第２の開口数に増大させるための拡散スクリーンと
   を備え、前記拡散スクリーンは、
   前記画像担持光ビームを受けるための第１の部分を備え、前記第１の部分は、
   互いに対して実質的に平行な第１の面及び第２の面と、
   前記第１の面と前記第２の面との間に光学経路を形成する複数の導波路の第１のアレイであって、前記複数の導波路の各々の光学特性の値が、前記光学特性の値のセットからランダムに選択される、第１のアレイと
   を備え、
   複数の導波路の前記第１のアレイは、前記複数の導波路の各々がその最も近い近隣物に対して実質的に平行な光軸を有するように配置され、
   前記第１のアレイの実質的に全ての前記導波路が、可視光の単一モードが各導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満にサイジングされる、光学装置。
2. 前記第１のアレイの各導波路は、前記第１のアレイの各導波路の前記光軸が互いに実質的に平行であるように配置される、請求項１に記載の光学装置。
3. 第２の部分を更に備え、前記第２の部分は、
   前記第１の面に対して実質的に平行な第３の面及び第４の面と、
   前記第３の面と前記第４の面との間に光学経路を形成する複数の導波路の第２のアレイであって、前記複数の導波路の各々の光学特性の値が、前記光学特性の値のセットからランダムに選択される、第２のアレイと
   を備え、
   複数の導波路の前記第２のアレイは、前記第２のアレイの前記複数の導波路の各々がその最も近い近隣物に対して実質的に平行な光軸を有するように配置され、
   前記第１の部分及び第２の部分は、前記画像担持光ビームが前記第２の面と前記第３の面との間を伝搬することを可能にするために共に結合され、
   前記第２のアレイの実質的に全ての前記導波路が、可視光の単一モードが各導波路に沿って伝搬することを可能にするであろうサイズ未満にサイジングされる、請求項１又は２に記載の拡散スクリーン。
4. 前記第２のアレイの各導波路は、前記第２のアレイの各導波路の前記光軸が互いに実質的に平行であるように配置される、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記光学特性は、前記導波路の直径、及び／又は前記導波路の屈折率を備える、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
6. 導波路の前記第１のアレイ及び第２のアレイのうちの少なくとも１つは、フォトニック結晶構造を備える、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
7. 前記フォトニック結晶構造は、穴のフォトニック結晶構造を備える、請求項６に記載の光学装置。
8. 第１の面及び第２の面の隔たりは、０．２５ｍｍ～１．５ｍｍの範囲内であり、好ましくは１ｍｍである、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
9. 前記第３の面及び第４の面の隔たりは、０．２５ｍｍ～１．５ｍｍの範囲内であり、好ましくは１ｍｍである、請求項３～８のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
10. 前記導波路の各々の長さは、０．２５ｍｍ～１．５ｍｍ、好ましくは１ｍｍである、請求項１～９のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
11. 前記拡散スクリーンは、ガラス基板に接合される、請求項１～１０のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
12. 前記ガラス基板の厚さは、１ｍｍである、請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記第１のアレイの全体的な光軸と前記第２のアレイの全体的な光軸との間の角度が、０°～４５°である、請求項２～１２のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
14. 前記角度は、実質的に１０°である、請求項１３に記載の光学装置。
15. 各導波路の前記直径は、４μｍ未満である、請求項１～１４のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
16. 前記光学特性は、離散的な数の値、好ましくは２つの値から選ばれる、請求項１～１５のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
17. 前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に湾曲している、請求項１～１６のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
18. 前記第３の面及び第４の面のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に湾曲している、請求項３又は請求項３に従属する任意の請求項に記載の光学装置。
19. 前記第２の開口数は、前記第１の開口数の２倍よりも多い、請求項１～１８のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
20. 前記第１の開口数は、０．０５～０．１の範囲内であり、前記第２の開口数は、０．３５よりも多い、請求項１～１９のうちのいずれか一項に記載の光学装置。
21. 請求項１～２０のうちのいずれか一項に記載の光学装置を備えるヘッドアップディスプレイ。
22. 請求項１～２０のうちのいずれか一項に記載の光学装置を備えるヘッドウォーンディスプレイ。

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