JP2023544093A - 複合導光光学要素 - Google Patents

Abstract

観賞するためにユーザの方に画像を向けるための光学系（１００）は、内部反射によって画像の伝播を支援するための平行な主外面（１１ａ、１１ｂ）を有する導光光学要素（ＬＯＥ）（１０）と、画像をユーザの眼に向けて結合出力するための結合出力配置と、結合入力開口と、を含む。画像プロジェクタ（１１４）は、画像を生成するための画像生成器（３２）と、画像をコリメートするためのコリメート光学素子（３１）と、画像共役生成器（２０、３３、３４）と、を含む。画像プロジェクタは、コリメートされた画像及びその共役画像の双方が主外面のうちのどちらかに衝突する前に、それらの画像をＬＯＥに導入するように、結合入力開口に結合される。画像共役生成器は、第２の画像生成器（３３）であってもよく、又はＬＯＥの主外面と不連続な１つ以上の反射面（２２、２３、２４、３４）を採用してもよい。【選択図】図３

Description

本発明は、光学系に関し、特に、ユーザに画像を表示するための光学系に関する。

様々な種類のディスプレイ、特にニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）は、典型的には１つ以上の導波路を採用し、その導波路内で、画像が全内部反射（ＴＩＲ）によって伝播するように画像プロジェクタから出射され、次いで、１つ以上の結合出力（ｃｏｕｐｌｉｎｇ－ｏｕｔ）要素（例えば、部分反射内部表面（「ファセット」）、回折格子など）を介して観察者の眼に向かって結合出力される。そのような導波路は、一対の平行な主外面を有する透明な基板から作られ、その一対の主外面が導波路の長さに沿って伸長し、それらの間で画像及びその共役体が反射される。画像はコリメートされた画像であることが好ましく、導波路は平面であることが好ましい。性能を最良化するためには、画像の各画素及び共役画像の各画素に対応する照明が導波路の厚さ内の（ユーザの眼に到達することができる出力画像に寄与する導波路の領域に対して）全ての点に存在するように、画像とその共役体の双方が導波路を完全に充填する必要がある。

その導波路の充填は、入射された画像の主光線にほぼ垂直に配向された結合入力（ｃｏｕｐｌｉｎｇ－ｉｎ）面を有する結合入力プリズムを提供することによって達成することができ、それにより、共役画像を生成するように画像が導波路の１つの表面の伸長領域上に到達することが可能になる。しかしながら、特に、画像が主外面に対して比較的浅い角度（すなわち、表面の法線に９０度近く）で入射される実装態様では、共役画像で導波路を充填するために必要な結合入力領域の長さを導波路の寸法に追加することが重要である。これは、導波路１０への典型的な結合入力を示す図２Ａに示されている。導波路基板から切断された、又は導波路基板に取り付けられた結合入力プリズム１４を使用して、光線４０、４１を浅い角度で導波路に向ける。光線４０、４１が導波路内を伝播すると、光線４１が導波路の上面から反射され、それによって光線４０の共役体となる。図１から明らかなように、結合入力プリズムを用いても、導波路内に浅い光線の共役体を生成するためには、比較的大きな入力開口（したがって、より大きなプロジェクタ）が必要となる。

図２Ｂに示される導波路を充填するための代替の手法では、主外面間の導波路の厚さを細分化し、かつ外面に平行な導波路の長さに沿って少なくとも一部の経路に延びる中間点付近で、導波路１０の内部に５０％ビームスプリッタ（又は「ミキサ」）１３が採用される。ビームスプリッタは、光線を部分的に反射して、導波路内でその共役体（例えば、光線４１）を生成するのに効果的であり、図２Ａに示されるように、入力開口及びウェッジプリズム１４をより小さくすることが可能になる。

ミキサ１３の存在によって、より小さいプロジェクタ開口及び結合プリズムが使用可能となるが、重要なこととして、ミキサ自体が導波路の寸法に追加される。ミキサ１３に必要な最短の長さは、式ｌ_ｍｉｎｉ＝ｗ・ｔａｎ（Φ）によって表すことができ、式中、ｗは導波路の幅であり、Φは（ＬＯＥ主表面の法線に対して）視野角の伝播である。したがって、ミキサの最短の長さに対する上記の制約によって、ミキサを収容するために導波路をより長くすることが必要となる。更に、ミキサを導波路内に組み込むことは、導波路表面との平行性が必要となるために、導波路の製造においてより高い精度が必要となる。

本発明は、鑑賞するためにユーザの方に画像を向けるための光学系である。

本発明の実施形態の教示によれば、観賞するためにユーザの方に画像を向けるための光学系が提供される。その光学系は、（ａ）透明な材料から形成されており、相互に平行な第１及び第２の主外面を有する導光光学要素（ＬＯＥ）であって、第１及び第２の主外面は、第１及び第２の主外面での内部反射による画像の伝播を支援するためのものであり、ＬＯＥは、ユーザの眼の方に画像を結合出力するための結合出力配置を有し、ＬＯＥは結合入力開口を有する、ＬＯＥと、（ｂ）画像プロジェクタであって、画像を生成するための画像生成器と、画像をコリメートするためのコリメート光学素子と、画像共役生成器と、を備え、画像プロジェクタは、コリメートされた画像及びその共役画像が第１又は第２の主外面のいずれかに当たる前に、コリメートされた画像及びその共役画像を結合入力開口に導入するように、入力開口に結合されている、画像プロジェクタと、を備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、画像共役生成器は、第２の画像生成器を備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、画像共役生成器は、第１及び第２の主外面と不連続的な少なくとも１つの反射面を備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、画像共役生成器は、第１及び第２の主外面に非平行な少なくとも１つの反射面を備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、画像共役生成器は、２つの反射面の間に、かつこれらの反射面と平行に配備された少なくとも１つのビームスプリッタを備えるビーム増倍器を備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、ビーム増倍器は、反射面のうちの少なくとも３つの間に挿入されたビームスプリッタのうちの少なくとも２つを備える。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、ビーム増倍器は、ＬＯＥの厚さとは異なる外厚を有する。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、ビーム増倍器の反射面は、階層構造の層の間の界面における反射面であり、階層構造の外面は、ビーム増倍器の光学的に非機能な表面である。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、ＬＯＥは、第１及び第２の主外面に斜めに配備された結合入力反射器を更に備え、第１の主外面に当たるようにコリメートされた画像を向け直すために、かつ、第２の主外面に当たるように共役画像を向け直すために結合入力反射器が配備されている。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、結合入力反射器は、第１及び第２の主外面に４５度の角度で配備されている。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、画像共役生成器は、結合入力反射器に隣接するＬＯＥを横断する反射面を備え、ＬＯＥを横断する反射面の一部は、角度選択性の反射面である。

本発明の一実施形態の更なる特徴によれば、角度選択性の反射面は、結合入力反射器に隣接するＬＯＥの屈折率よりも低い屈折率を有する光学接着剤を使用して実装されている。

本発明の一態様によれば、複数の平行な界面を画定する透明なプレートのスタックを含む光学ビーム増倍器も提供される。これらの複数の平行な界面は、（ａ）Ｎ個の一組の反射器であって、Ｎは少なくとも３である、反射器と、（ｂ）少なくともＮ－１個の一組の部分反射ビームスプリッタであって、ビームスプリッタの各々は、一組の反射器のうちの２つの隣接する反射器の間に挿入されている、部分反射ビームスプリッタと、を画定するコーティングを備える。

発明を、添付の図面を参照して、実施例として本明細書に記載する。
本発明の教示に従って構築され、かつ動作可能である、導光光学要素（ＬＯＥ）を使用して実装された光学系の概略等角図であり、それぞれトップダウン及び側面入射構成を示す。 本発明の教示に従って構築され、かつ動作可能である、導光光学要素（ＬＯＥ）を使用して実装された光学系の概略等角図であり、それぞれトップダウン及び側面入射構成を示す。 結合入力プリズムを介してＬＯＥへの画像の従来の結合入力を示す概略側面図である（上述）。 一体化されたビーム増倍器を有するＬＯＥへの画像の従来の結合入力を示す概略側面図である（上述）。 画像及び共役画像対のＬＯＥへの結合入力を示す、図１Ａ及び１Ｂの光学系の一部の概略側面図である。 ビーム増倍器を採用した本発明の代替の実装態様を示す、図１Ａ及び１Ｂの光学系の一部の概略側面図である。 図４Ａのビーム増倍器の拡大概略図である。 ビーム増倍器及び斜め角度の結合入力反射器を採用した本発明の代替の実装態様を示す、図１Ａ及び１Ｂの光学系の一部の概略側面図である。 ユーザの眼の方に向けられた画像の異なる部分の光線経路を示す、図５による本発明の実装態様のための光線追跡図である。 図６からのＬＯＥの結合入力領域の拡大部分図であり、各々は、単一の画像画素についての光線経路の半分のみを示しており、その画素についての対応する画像照明でＬＯＥを充填することに寄与している。 図６からのＬＯＥの結合入力領域の拡大部分図であり、各々は、単一の画像画素についての光線経路の半分のみを示しており、その画素についての対応する画像照明でＬＯＥを充填することに寄与している。 角度選択性の反射器としてＬＯＥの厚みを横断する反射器表面を採用した本発明の代替的な実装態様を示す、図１Ａ及び１Ｂの光学系の一部の概略側面図である。

発明を実施するための実施形態
本発明は、鑑賞するためにユーザの方に画像を向けるための光学系である。

本発明の特定の実施形態では、仮想現実ディスプレイ、又はより好ましくは拡張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要素（ＬＯＥ）を含む光学系が提供される。

ＬＯＥ１０を採用し、かつ概して１００で示された本発明の一実施形態の教示に従っ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が図１Ａ及び１Ｂに概略的に示されている。ニアアイディスプレイ１００は、ＬＯＥ（互換的に「導波路」、「基板」又は「スラブ」と称される）１０に画像が入射するように光学的に結合された小型画像プロジェクタ（又は「ＰＯＤ」）１１４を採用し、画像光は、相互に平行な一組の平面外表面での内部反射によって一次元で捕捉される。

光学開口の拡大は、画像照明を連続的に向け直すための１つ以上の配置によってＬＯＥ１０内で達成され、典型的には、相互に平行で、かつ画像光の伝播方向に斜めに傾斜した一組の部分反射面（互換的に「ファセット」と称される）を採用し、各連続するファセットが、画像光の一部分を偏向方向に偏向させる。一次元に開口を拡大するために、ファセットはまた、画像光をユーザの眼に向かって結合出力する。場合によっては、ここに示されるように、２次元の開口の拡大は、領域１１６内の第１の組のファセットを採用して、内部反射によって補足／誘導された画像照明を連続的にＬＯＥ内に向け直すことによって達成される。次いで、偏向された画像照明が、隣接する異なる基板として、又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１１８に入り、その中では、結合出力配置（例えば、更なる１組の部分反射ファセット）が、アイモーションボックス（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、画像照明の一部を連続的に結合出力し、それによって、ニ次元の光学開口の拡大が達成される。同様の機能が、当技術分野で周知であるように、領域１１６及び１１８の一方又は双方内で画像照明を向け直し、かつ／又は結合出力するための回折光学要素（ＤＯＥ）を使用して得られ得る。

デバイス全体は、各眼に対して個別に実装されてよく、各ＬＯＥ１０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とが好ましくい。ここに示されたような１つの特に好ましいオプションでは、支持配置が、ユーザの耳に対してデバイスを支持するための側部１２０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、又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、その他の形態の支持配置も使用され得る。

本明細書では、図面及び特許請求の範囲において、ＬＯＥの第１の領域の一般的な伸長方向において水平（図１Ａ）又は垂直（図１Ｂ）に伸長するＸ軸、及びそれに垂直に、すなわち図１Ａでは垂直に、かつ図１Ｂでは水平に伸長するＹ軸が参照される。非常に大雑把に言えば、第１のＬＯＥ、すなわちＬＯＥ１０の第１の領域１１６は、Ｘ方向の開口拡大を達成すると考えられ得る。その一方で、第２のＬＯＥ、すなわちＬＯＥ１０の第２の領域１１８は、Ｙ方向の開口拡大を達成する。視野の異なる部分が伝播する角度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」実装態様とみなされ得るが、その一方で、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配備されている「側面入射」の実装態様とみ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が、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、これらの特徴の全ては、側面入射の実装態様にも同様に適用可能であり、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。ここに示される二次元拡大の実施形態は単なる例示であるが、本発明は、ＬＯＥによって単一次元の開口拡大のみが実行される実施形態にも適用可能である。

ニアアイディスプレイ１００は、典型的には、小型の搭載電池（図示せず）又はそ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１１４を作動させるためのコントローラ１２２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１２２は、当技術分野で全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つのプロセッサ又は処理回路などの全ての必要な電子部品を含むことが理解されよう。

本発明の一態様は、コリメートされた画像及びその共役画像の双方を画像プロジェクタがＬＯＥ１０に入射させるように配置された画像共役生成器を含む画像プロジェクタ１１４の実装態様に関する。画像共役生成器の様々な非限定的な実施例が、図３～８を参照して以下に本明細書に示される。

したがって、図３を参照すると、鑑賞するためにユーザの方に画像を向けるための、図１の光学系の拡大概略部分図が示されている。光学系は、透明な材料から形成されており、相互に平行な第１及び第２の主外面１１ａ及び１１ｂを有する、ＬＯＥ１０を含む。第１及び第２の主外面１１ａ及び１１ｂは、それらの表面での内部反射による画像の伝播を支持するためのものである。ＬＯＥ１０はまた、ユーザの眼の方に画像を結合出力するための（上記のように、かつ、ここには示されていない図１の領域１１８内の）結合出力配置と、この場合、ＬＯＥ１０の側面エッジとして示される結合入力開口１５と、を有する。

本発明の本態様に従った画像プロジェクタ１１４は、画像共役対を生成するためにＬＯＥ１０と一体化された構造に依拠する代わりに、コリメートされた画像又は共役画像のいずれかがＬＯＥ１０の主外面１１ａ及び１１ｂのいずれかに当たる前に画像共役対を生成する画像共役生成器を含む。

したがって、図３の実施例では、画像プロジェクタ１１４が、画像を生成するための画像生成器３２と、画像をコリメートするためのコリメート光学素子３１と、画像共役生成器（ここでは、共役画像を生成する第２の画像生成器３３として実装される）と、を含む。ここに示された実施例では、画像生成器３２及び３３は、共通のコリメート光学素子３１を共有する。画像プロジェクタ１１４は、コリメート画像又はその共役画像がＬＯＥ１０の主外面１１ａ及び１１ｂのいずれかに当たる前に、コリメート画像及びその共役画像をＬＯＥ１０内に直接導入するように、結合入力開口１５に結合されている。

この解決策は、主外面（又はこれらの表面と連続し、本明細書ではこの目的のためにＬＯＥの主外面の一部であると定義される結合プリズムの表面）からの反射によって共役画像がＬＯＥ自体内で生成される、図２Ａ及び２Ｂの結合入力配置と明らかに対照的であることが理解されるであろう。

２つの画像生成器３２及び３３は、一方が反転した同じ画像を生成するように駆動され、各フィールドが双方のフィールドから同一に示されている。デバイスの組み立て中に、画像生成器上で２つの画像を移動させて、それらがＬＯＥ内で相補的共役画像として位置合わせされるようにするために、機械的調整によって、又はより好ましくは画像表示位置のデジタル補正によって、能動的位置合わせが使用されることが好ましい。したがって、ＬＯＥは、結合入力開口からＬＯＥ全体にわたって主画像とその共役の双方で「充填」され、そのような充填を達成するためにＬＯＥの拡張を必要としない。

本発明及び本発明の他の全ての実装態様では、画像生成器は、当該技術分野で知られている任意の種類のマイクロディスプレイ画像生成器であってもよい。好適な実施例には、ＬＣＤディスプレイなどの透過性ＳＬＭと、ＬＣＯＳディスプレイなどの反射型ＳＬＭと、ＯＬＥＤディスプレイなどの能動性発光ディスプレイと、を含む空間光変調器（ＳＬＭ）が含まれるが、これらに限定されない。また、高速走査レーザビームがその走査運動と同期して変調される走査画像生成器は、本発明に従った画像生成器として使用され得る。

本発明の他の実装態様では、第２の画像生成器３３の代替として、共役画像を生成するために、画像共役生成器が主外面と不連続の少なくとも１つの反射面として実装される。そのような実装態様の様々な実施例が、図４Ａ～８を参照して提示される。

図４Ａは、画像共役生成器が、導波路１０の外部にあるビーム増倍器又は「ミキサ」構成２０である実装態様を示す。それ自体が特許性のあると考えられるミキサ２０の１つの特に好ましい実装態様では、より詳細には図４Ｂに示される。

概念的には、ミキサ２０は、図２Ｂのミキサ１３と同様の機能を果たすが、この場合、導波路１０の一部ではなく、ＬＯＥ１０と、画像生成器及びコリメート光学素子を含むプロジェクタユニット３０と、の間に配置された画像プロジェクタアセンブリ１１４の組み立て品の一部である。この場合、プロジェクタユニット３０は、１つの画像を生成する単一の画像生成器３２を有し、その一方で、ミキサ２０は、部分反射光線４０によって画像共役対を作成して共役体（光線４１）を作成する。次いで、画像ペアは、導波路に入射される。ミキサ２０は導波路の外部にあるため、導波路に製造上の制約を受けることなく、組み立て中に導波路と能動的に整列され得る。ミキサ２０は、ミラー２２、２４と、ビームスプリッタ２３と、光学的品質である必要がなく、かつＬＯＥ外部表面と同一平面にある必要がない外面２１と、の複数の層を含むことができる。これにより、構造における製造上の制約が大幅に簡素化される。

ビーム増倍器２０の構造に関し、本発明のビーム増倍器は、少なくとも１つの中間の高反射層の存在がミキサを一方が他方の上に積み重ねられた２つの独立したミキサに効果的に細分化することにより、以前の公開物に記載されているものとは区別される。したがって、光学ビーム増倍器２０は、以下を画定するようにコーティングされた複数の平行な界面を規定する透明なプレートのスタックから形成されることが好ましい。
（ａ）Ｎ個の反射器の一組（Ｎは少なくとも３である）
（ｂ）少なくともＮ－１個の一組の部分反射ビームスプリッタであり、ビームスプリッタの各々が、この一組の反射器の２つの隣接する反射器の間に挿入されている。

この場合の「反射器」は高反射型であることが好ましく、これは、少なくともＬＯＥに沿った伝播に関連する角度の範囲内で、投射光の少なくとも８５％、より好ましくは少なくとも９０％、典型的には少なくとも９５％を反射することを意味する。部分反射ビームスプリッタは、約５０％の反射器（５０％±１０％）であることが好ましい。ビーム増倍器がユーザの視野外にある用途では、反射器及びビームスプリッタの双方が、金属コーティングを使用して実装され得ることが有利である。ビーム増倍器を介してシーンを鑑賞するために透明性が必要とされる場合、当該技術分野で既知のように、小さい（ほぼ直交）角度で比較的高い透明性を提供しながら、高角度で必要なレベルの反射率を提供するために、多層誘電体コーティングが使用される。

中間の反射器は、ミキサを２つ（又はそれ以上）のサブミキサに効果的に細分化する。これにより、導波路を画像及びその共役で充填するためにミキサが必要とする長さが１／２だけ減少する。一実施例に従ったミキサ２０の入出力開口は、図４Ｂに暗線として示されている。これらの開口は、ミキサの幅全体を充填する必要はない。実際には、階層構造の外部表面が光学的に非機能な表面である一方で、反射器及びビームスプリッタの全てが、透明なプレート間の内部界面に実装されることが有利であり得る。ここで、「光学的に非機能」とは、画像光が到達しない表面、又はそれらに到達する任意の画像光がその後にＬＯＥに入力しない表面を指す。このような場合、外面は、研磨された表面である必要はなく、他の要素に平行である必要はない。したがって、図４Ａに示されるように、ミキサ２０の外形の厚さは、ＬＯＥ１０の厚さ（すなわち、第１の主外面１１ａと第２の主外面１１ｂとの間の距離）とは異なり、典型的にはより大きくてもよい。ＬＯＥを充填するために、最外側の反射器２２間の距離は、ＬＯＥ厚さと一致するか、又はわずかに長い必要がある。

ここで図５～８を参照すると、いくつかの実装態様では、外部画像共役生成器を使用することによって、折り返された光経路の使用が容易になり、それによって、組み立て品の側面からバルクが除去される。したがって、本発明の特定の実施形態によれば、コリメートされた画像を第１の主外面１１ａに当たるように、かつ、共役画像を第２の主外面１１ｂに当たるように向け直すために、ＬＯＥ２０は第１及び第２の主外面に斜めに配備された結合入力反射器１２を更に含む。結合入力反射器１２は、ある角度の範囲で実装され得るが、第１及び第２の主外面に４５度で配備され、それによって、画像プロジェクタの光軸が９０度まで効果的に折り返されることが最も好ましい。従来の特定の結合入力構成とは異なり、反射器１２は、ＬＯＥ２０の厚み内に具体的に配置され、その結果、一次画像とその共役画像の双方をそれぞれの上／下伝播方向に向かって偏向させることができる。

図５は、外部のミキサ２０が導波路に垂直に配置されるそのような構成の１つを示す。この場合、４５度を有する反射性の結合入力面１２は、ミキサが出力する画像を導波路内に折り込む。ウェッジプリズム２５は、プリズム表面に垂直な角度で中央のＦＯＶ光をミキサに結合入力するために使用されることが好ましい。折り込むためには、ミキサの開口の幅は導波路の開口の幅よりも大きくなければならない。開口の正確なサイズは、表示光の角度ＦＯＶ及び表面１２の折り返し角度に依存する。この実施例では、幅が６６％だけ増加している。

この場合、ミキサ２０は３つのサブミキサに分割されることに留意されたい。結果として、ミキサの長さを増加させる必要はない（前述のように、ｌ_ｍｉｎｉ＝ｗ・ｔａｎ（Φ）／２であり、折り返した後に幅（ｗ）が６０％増加する）。したがって、ミキサは、外部ミラーファセット２２の間の２つの内部ミラーファセット２４によって３つのサブミキサに分割される。各サブミキサの中心平面には、ビームスプリッタ２３が設けられる。

図６は、図５のミキサを組み込んだ全体的な光学系の光路図を示す。画像生成器３２上の３つの例示的な点（画素）は、レンズ３１によってコリメートされて、プロジェクタユニット３０から出力し、結合ウェッジプリズム２５及びミキサ２０に入る。ミキサは、画像全体及びその共役が結合入力反射器１２によって導波路１０内に結合されるように共役フィールドを生成する。この実施例では、光は、平行な一組の部分反射ファセット１１によって、導波路からアイモーションボックス（ＥＭＢ）２００に結合される。ファセット１１の例は１つの非限定的な実施例であり、結合出力の他の機構、例えば、ホログラフィック又はダイクロイック格子も可能であり、これらは本明細書の範囲内に含まれることに留意されたい。最後に、異なるフィールドの伝播角は非常に浅い場合があるが、ミキサ２５とプロジェクタユニット３０との間の入力開口は比較的小さいままであることがわかる。

図７Ａ及び７Ｂは、導波路内で伝播する画像（図７Ａ）及びその共役（図７Ｂ）の２つの断面図を示す。図７Ａと７Ｂとを重ねることにより、どのようにして導波路が画像及びその共役で完全に充填されるかがわかる。したがって、光均質化は、導波路内で達成される。この図は、ＬＯＥに沿った部分的な任意の位置に従って、照明を「画像」及び「共役」に細分化するが、光は、それが伝播するにつれてＬＯＥの第１及び第２の主外面から反射されながら画像と共役との間で絶えず交換されることに留意されたい。本発明の１つの特に好ましい態様の特定の定義的特徴は、ＬＯＥの結合入力開口に入力し、結合入力反射器１２に到達する照明が、画像と共役画像の双方で反射器を充填することを既に含み、そのうちの一方は、図示のように上方に向けられて第１の主外面１１ａに最初に当たり、他方は、図示のように下方に向けられて第２の主外面１１ｂに最初に当たる点である。どの画像が「主画像」であり、どの画像が「共役画像」であるか、あるいは、どの表面が「第１の」又は「第２の」主外面と呼ばれるかの定義は任意であり、画像生成器によって生成される「主画像」が、様々な設計上の考慮事項のみに依存して、ユーザによって鑑賞されるべき画像であるか、又はその画像の反転されたバージョンであるかは、一般的に重要ではない。

図７Ｂに見られるように、結合入力反射器１２から反射されて下方に向けられる光線の一部は、ビーム増倍器２０によって重複する領域内の第２の主外面１１ｂに衝突することに留意されたい。その重複する領域でＴＩＲを維持するために、デバイスは、要素の間に小さな空隙を設けることで組み立てられることが好ましく、又は、部品間に低屈折率な接着剤を用いて組み立てられることがより好ましい。特に、浅い角度で光線を伝播するために、ＬＯＥの材料と接着剤との間の屈折率の差は比較的小さいことは、ＴＩＲによる伝播している画像照明を保持する臨界角度を規定するのに十分である。代替的に、角度選択性の多層誘電体コーティングを、ＬＯＥと重複する領域に適用して、適切な内部反射特性を提供してもよい。

ミキサ２０を採用する上記の実施形態の全てにおいて、ミキサは、画像をＬＯＥ１０に入射する前に光学系の一部を形成し、ＬＯＥの任意の表面の拡張を含まないため、本明細書では、プロジェクタ１１４の一部であると任意に定義される。製品の実用的な構造では、ミキサは、画像生成器とコリメート光学素子を組み合わせたプロジェクタユニット３０と必ずしも一体化されておらず、場合によっては、プロジェクタユニットの位置決めの前にＬＯＥに取り付けられることによってより便利に組み立てられ得る。

図８は、本発明の特定の特に好ましい実装態様の更なる特徴を示す。この特徴によれば、画像共役生成器は、結合入力反射器１２に隣接するＬＯＥ１０の厚みを横断する反射面３４を含む。ＬＯＥを横断する反射面３４の一部１２１は、反射器１２で反射される前にプロジェクタ１１４からＬＯＥに入る光線を反射するように角度選択性の反射面として実装され、その一方で、反射器１２によって既に反射されている光線を、すなわち、ＬＯＥ２０に沿って画像伝播に関連する角度で透過させる。ここでも、角度選択性の反射面が、結合入力反射器に隣接するＬＯＥの屈折率よりも低い屈折率を有する光学接着剤を使用して実装され得ることが最も好都合である。それによって、反射器１２での反射の前後の光線の投射角の間にある臨界角を提供する。角度選択性の多層誘電体コーティングの使用、又は空隙の含有などの上記の他のオプションも使用され得る。

図８に示される非限定的な実施例では、プロジェクタ１１４は、外部のミキサを介してではなく、ＬＯＥの主外面に垂直な単一の伸長された反射面３４を使用することによって共役画像を生成する。第１の主外面１１ａに向かって上方に偏向された一次画像に対応する、投影及びコリメートされた画像の一部は、結合入力反射器１２に直接投射される。画像の別の部分は、表面３４から反射し、それによって共役画像を生成し、その共役画像は結合入力反射器１２によって第２の主外面１１ｂに向かって下方に偏向される。反射面領域１２１は、共役画像での結合入力反射器１２の充填に寄与し、その一方で、重複領域１２２は、（上記のように）重複領域内の下方に反射された共役画像光の漏れを回避するために、同様に処理されて角度選択性の反射を提供する。

図８のプロジェクタ１１４の構造の他の態様は、偏光ビームスプリッタプリズムに基づく従来の反射型ＳＬＭ画像プロジェクタで採用された原理に基づいている。具体的には、照明源４０は、光がＬＣＯＳ、ＤＬＰなどの反射性のＳＬＭ３２に向かって反射されるＰＢＳプリズム３５に照明を導入する。反射された画像照明は、ＰＢＳを通過して４分の１波長プレート（図示せず）に関連付けられた反射コリメートレンズ３１０に到達し、その結果、コリメート及び反射された画像がＰＢＳからＬＯＥ結合入力開口に向かって反射される。画像の一部が反射器１２に直接投射されることによって、画像とその共役の双方を提供するための画像の倍増が上述したように達成され、その一方で、他の画像照明が最初に表面３４から反射される。また、ＰＢＳからの反射の後に関連する角度でＴＩＲを達成するために、表面３４の下方に存在する反射レンズ３１０の領域に低指数接着剤などの角度選択性の反射コーティングを備えることが有利である。光学性能を向上させるために、フィールドレンズ３１３などの他のレンズを追加し得る。

本実装態様では、プリズム面３４が導波路１０の主表面に直交し、反射レンズ３１０を出た（ここに図示した）２つの平行光線が導波路に入る前に共役になることが特に有利である。更に、ソース４０からの照明の必要な入力方向は、導波路の主表面に対して約１１０度であり、それにより、眼鏡フレームの形成要因に適切に適合するように、デバイスの両側部に一体化されるべき構成部品間にわずかな発散を伴う高度な人間工学的設計にそれ自体が加えられることがわかる。

角度選択性の反射特性を有する領域１２１でのＬＯＥの厚みを横断する反射面３４を使用することは、上記の本発明の他の実装態様にも適用可能である。例えば、図５～７Ｂのビーム増倍器２０の反射器のうちの１つが、ＬＯＥ２０の厚みを横断する表面として実装される場合には、ビーム増倍器２０の必要な光学入出力開口が著しく縮小され得る。その結果、設計がよりコンパクトになる。

上記の説明は、実施例として機能することのみを意図しており、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、他の多くの実施形態が可能であることが理解されるであろう。

Claims (13)

1. 観賞するためにユーザの方に画像を向けるための光学系であって、前記光学系は、
   （ａ）透明な材料から形成されており、相互に平行な第１及び第２の主外面を有する導光光学要素（ＬＯＥ）であって、前記第１及び第２の主外面は、前記第１及び第２の主外面での内部反射による画像の伝播を支援するためのものであり、前記ＬＯＥは、前記ユーザの眼の方に前記画像を結合出力するための結合出力配置を有し、前記ＬＯＥは結合入力開口を有する、導光光学要素（ＬＯＥ）と、
   （ｂ）画像プロジェクタであって、画像を生成するための画像生成器と、前記画像をコリメートするためのコリメート光学素子と、画像共役生成器と、を備え、前記画像プロジェクタは、前記コリメートされた画像及びその共役画像が前記第１又は第２の主外面のいずれかに当たる前に、前記コリメートされた画像及び前記共役画像を前記結合入力開口に導入するように、前記結合入力開口に結合されている、画像プロジェクタと、を備える、光学系。
2. 前記画像共役生成器が、第２の画像生成器を備える、請求項１に記載の光学系。
3. 前記画像共役生成器が、前記第１及び第２の主外面と不連続的な少なくとも１つの反射面を備える、請求項１に記載の光学系。
4. 前記画像共役生成器が、前記第１及び第２の主外面に非平行な少なくとも１つの反射面を備える、請求項１に記載の光学系。
5. 前記画像共役生成器が、２つの反射面の間に、かつ前記２つの反射面と平行に配備された少なくとも１つのビームスプリッタを備えるビーム増倍器を備える、請求項１に記載の光学系。
6. 前記ビーム増倍器が、前記反射面のうちの少なくとも３つの間に挿入された前記ビームスプリッタのうちの少なくとも２つを備える、請求項５に記載の光学系。
7. 前記ビーム増倍器が、前記ＬＯＥの厚さとは異なる外厚を有する、請求項５に記載の光学系。
8. 前記ビーム増倍器の前記反射面が、階層構造の層の間の界面にある反射面であり、前記階層構造の外面が、前記ビーム増倍器の光学的に非機能な表面である、請求項５に記載の光学系。
9. 前記ＬＯＥが、前記第１及び第２の主外面に斜めに配備された結合入力反射器を更に備え、前記第１の主外面に当たるように前記コリメートされた画像を向け直すために、かつ、前記第２の主外面に当たるように前記共役画像を向け直すために前記結合入力反射器が配備されている、請求項１に記載の光学系。
10. 前記結合入力反射器が、前記第１及び第２の主外面に４５度の角度で配備されている、請求項９に記載の光学系。
11. 前記画像共役生成器が、前記結合入力反射器に隣接する前記ＬＯＥを横断する反射面を備え、前記ＬＯＥを横断する前記反射面の一部が、角度選択性の反射面である、請求項９に記載の光学系。
12. 前記角度選択性の反射面が、前記結合入力反射器に隣接する前記ＬＯＥの屈折率よりも低い屈折率を有する光学接着剤を使用して実装されている、請求項１１に記載の光学系。
13. 複数の平行な界面を画定する透明なプレートのスタックを含む光学ビーム増倍器であって、前記複数の平行な界面は、
    （ａ）Ｎ個の一組の反射器であって、Ｎは少なくとも３である、反射器と、
    （ｂ）少なくともＮ－１個の一組の部分反射ビームスプリッタであって、前記ビームスプリッタの各々は、前記一組の反射器のうちの２つの隣接する反射器の間に挿入されている、部分反射ビームスプリッタと、を画定するコーティングを備える、光学ビーム増倍器。