JP2024020240A - 均一な画像を表示するコンパクトな頭部装着型表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】光学デバイスが開示される。
【解決手段】該光学装デバイスは、入射開口、出射開口、及び少なくとも二つの主要表面及び縁部を有する光伝送基板と、内部全反射によって光波を光伝送基板に入力結合する光学素子と、光伝送基板の二つの主要表面の間に設けられ、光伝送基板からの光波を部分反射する少なくとも一つの部分反射面と、少なくとも二つの主要表面を有する第１の透明板であって、透明板の主要表面のうち一つが、平坦な界面を規定する光伝送基板の主要表面に光学的結合で取り付けられた第１の透明板と、光伝送基板と透明板との間の平坦な界面に層設されているビームスプリッタコーティングと、を備え、光伝送基板に入力結合された光波が、平坦な界面で部分反射され、またこれを部分的に透過する。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板伝送型の光学デバイスに関し、特に、共通な光伝送基板に設けられた複数の反射面を備えているデバイス、またライトガイド素子（ＬＯＥ：ｌｉｇｈｔ－ｇｕｉｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）とも呼ばれるデバイスに関する。

本発明は、頭部装着型ディスプレイ（ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ、携帯電話、コンパクトディスプレイ、３－Ｄディスプレイ、コンパクトビームエキスパンダーなど、多数の画像技術の応用、それにまた例えばフラットパネル表示装置、コンパクト照明装置やスキャナーなど、非画像用の装置に関して有利な効果をもって実現可能なものである。

コンパクトな光学素子の重要な応用として、頭部装着型ディスプレイがある。その光学モジュールは結像レンズ及び合成装置の両方に機能し、二次元の表示画像（ｄｉｓｐｌａｙ）が無限遠において結像され、これが反射されて観察者の目にはいる。表示画像は、直接的又は間接的に得ることができる。直接的なものとしては、空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば陰極線管（ＣＲＴ）、液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、走査源、あるいは類似の装置があり、間接的なものとしては、リレーレンズや光学ファイバーバンドルから得られる。表示画像は素子（画素）のアレイを備え、素子（画素）のアレイは、コリメートレンズで無限遠に結像され、非透過型（ｎｏｎ－ｓｅｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ）や、透過型（ｓｅｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ）の合成装置としてそれぞれ作用する反射面、又は部分反射面によって、観察者の目に向けて伝送される。一般には、従来の自由空間光学モジュールがこの目的に用いられている。しかし、このシステムの所望の視野（ＦＯＶ）がより広くなるにつれ、従来の光学モジュールは次第に大きく、重く、かさばるものとなり、中程度の性能のタイプであっても実際的でないものとなっている。これは全ての種類のディスプレイ、特に頭部装着型のものに関して大きな欠点である。必然的にこのシステムは、可能な限り軽量でコンパクトであることが望まれている。

コンパクトさを追求することにより、いろいろな光学的な解決策が得られるが、複雑なものとなってしまう。実際の例に関してはどれも十分にコンパクトにはなっていない。他方では、製造適性の観点で大きな欠点が残って不都合を生じる。さらに、これらの工夫に基づいて得られる光学的な視野角の目の可動範囲（ｅｙｅ－ｍｏｔｉｏｎ－ｂｏｘ）（ＥＭＢ）は、かなり小さく、例えば８ｍｍ未満となってしまう。従って、光学系の性能は、観察者の目に対する光学系のわずかな動きに対してさえ、非常に微妙であり、このようなディスプレイで文章を快適に読み取るのに十分な瞳孔の動きを許容するには至っていない。

全て本出願人に係る公開公報、即ちＷＯ０１／９５０２７，ＷＯ０３／０８１３２０，ＷＯ２００５／０２４４８５，ＷＯ２００５／０２４４９１，ＷＯ２００５／０２４９６９，ＷＯ２００５／１２４４２７，ＷＯ２００６／０１３５６５，ＷＯ２００６／０８５３０９，ＷＯ２００６／０８５３１０，ＷＯ２００６／０８７７０９，ＷＯ２００７／０５４９２８，ＷＯ２００７／０９３９８３，ＷＯ２００８／０２３３６７，ＷＯ２００８／１２９５３９，ＷＯ２００８／１４９３３９，ＷＯ２０１３／１７５４６５，イスラエル特許出願２３２１９７号、イスラエル特許出願２３５６４２号、イスラエル特許出願２３６４９０、及びイスラエル特許出願２３６４９１に含まれている開示内容は、本件において参照として援用する。

本発明は、応用例の中では、頭部装着型ディスプレイのための非常にコンパクトなライトガイド光学素子（ＬＯＥ）の利用を容易にするものである。本発明は、相対的に大きなＥＭＢ値をもって広い視野（ＦＯＶ）を与える。ここで得られる光学系は、大画面の高画質の画像を供し、また目の大きな動きに適合したものとなる。本発明に係る光学系は、現行の技術水準での（ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ）実施よりも大幅にコンパクトなものとなり、また、特殊な構造の光学系にも容易に一体化できるため、特に優れた利点を有するものである。

本発明のさらに大きな用途は、携帯電話のようなモバイルの手持ち型デバイスのための広いＦＯＶを有するコンパクトディスプレイを提供することである。今日の無線でのインターネットアクセスの市場においては、ビデオ伝送を十分にするために大きな帯域が利用可能となっている。限界のある要素といえば、エンドユーザーの持つ機器のディスプレイの品質である。モバイルのための要請によってディスプレイの物理的な大きさが限定され、直接表示される閲覧画像の品質が低いという結果になる。本発明は、非常に大きな仮想的な画像をもって、物理的に非常にコンパクトなディスプレイの実現を可能にする。これはモバイル通信、特にモバイルでのインターネットアクセスにおいて鍵となる特徴であり、実際的な構成の主要な限界の一つに対して解決を与える。従って、本発明は、携帯電話のような、小さな手持ち型デバイスにおいてフルフォーマットのインターネットページのデジタルコンテンツを閲覧することを可能にする。

本発明の大きな目的は、従って、従来技術に係るコンパクト光学表示装置の欠点を克服し、また、具体的な要請に基づいて、性能を改良したその他の光学構成要素や光学系を提供することである。

本発明によれば、入射開口、出射開口、及び少なくとも二つの主要表面及び縁部を有する光伝送基板と、内部全反射によって光波を光伝送基板に入力結合する光学素子と、光伝送基板の二つの主要表面の間に設けられ、光伝送基板からの光波を部分反射する少なくとも一つの部分反射面と、少なくとも二つの主要表面を有する第１の透明板であって、透明板の主要表面のうち一つが、平坦な界面を規定する光伝送基板の主要表面に光学的結合で取り付けられた第１の透明板と、光伝送基板と透明板との間の平坦な界面に層設されているビームスプリッタコーティングと、を備え、光伝送基板に入力結合された光波が、平坦な界面で部分反射され、またこれを部分的に透過する光学デバイスを提供するものである。

本発明を一層よく理解できるように、下記の図面を参照しつつ好ましい実施形態に関して記載する。

特に図面の内容に即して、図示した具体的な内容は単なる一例なのであって、ただ本発明の好ましい実施形態の例示として述べることを目的とすることが強調される。発明の原理や概念の説明として最も有益で直ちに理解し得ると思われる形で提示するものである。この観点で、発明の原理的な理解に必要となる以上の詳細に関して、発明を構造的に示そうとはしていない。図面を参照して行われる説明は、当業者に対して、発明のさまざまな例がどのように実施できるかということに関して示唆となるであろう。

図面において、
従来技術のライトガイド光学素子の例を示す側面図である。 部分反射面のアレイの例を示す詳細断面図である。 部分反射面のアレイの例を示す詳細断面図である。 本発明に係る２本の異なる入射光線とともに反射面を示す概略断面図である。 基板縁部に透明板が取り付けられた部分反射面のアレイの例を示す断面図で ある。 反射面の実際の有効開口を表した、本発明に基づく反射面を示す概略断面図 である。 ＬＯＥの例に対して視野角の関数として反射面の有効開口サイズを示す図で ある。 ３個の異なる視野角に対して部分反射面のアレイの例からの反射の詳細断面 図である。 ＬＯＥの例に対して視野角の関数として二つの隣り合う反射面の間の所要距 離を示す図である。 本発明に基づいて、２本の異なる入射光線とともに反射面を示す他の概略断 面図である。 基板縁部に取り付けられたくさび形状の透明板を有する、部分反射面のア レイの例を示す概略図である。 ２本の光線が二つの部分反射面で反射される本発明に基づいて、２本の異 なる入射光線とともに反射面を示す他の概略断面図である。 ２本の光線が、離れて位置するＬＯＥに入力結合し、隣り合うＬＯＥから 出力結合する本発明に基づいて、２本の異なる入射光線とともに反射面を示すさらに 他の概略断面図である。 ライトガイド光学素子内に埋め込まれたビームスプリッタ面を示す概略 断面図である。 ライトガイド光学素子内に埋め込まれたビームスプリッタ面を示す概略 断面図である。 ｓ偏光波のための角度依存コーティングの例に関して、入射角を関数とす るビームスプリッタ面の反射率のカーブを示すグラフである。 ｓ偏光波のための角度依存コーティングの例に関して、入射角を関数とす るビームスプリッタ面の反射率のカーブを示すさらに他のグラフである。 ライトガイド光学素子に埋め込まれた二つの異なるビームスプリッタ面の 概略断面図である。 部分反射面が透明な取り付け板内に形成されているライトガイド光学素子 内に埋め込まれたビームスプリッタ面を示す他の概略断面図である。 入力結合及び出力結合の素子が回折光学素子となっているライトガイド 光学素子内に埋め込まれたビームスプリッタ面の実施形態を示すさらに他の概略断面 図である。 入力結合及び出力結合の素子が回折光学素子となっているライトガイド 光学素子内に埋め込まれたビームスプリッタ面の実施形態を示すさらに他の概略断面 図である。

図１は、本発明に係るライトガイド光学素子（ＬＯＥ）の断面図である。第１反射面１６は、光学素子の背後に配置された光源（図示せず）から発生された平行光の表示光１８によって照明される。反射面１６は、入射光が平面基板２０内で内部全反射によって捕捉されるように、表示光源からの入射光を反射する。基板の表面２６，２７での数回の反射の後に、捕捉された光波は部分反射面２２のアレイに到達する。これは光を基板から出力結合して、瞳孔２５を備えた観察者の目２４の方向に向ける。ＬＯＥの入力面は入力光波がＬＯＥに入射する面として定義され、ＬＯＥの出力面は捕捉された光波がＬＯＥから出射する面として定義される。また、ＬＯＥの入射開口とは、ＬＯＥにはいる際に入力光波が実際に通過する入力面の部分を意味し、ＬＯＥの出射開口とは、ＬＯＥにはいる際に出力光波が実際に通過する出力面の部分を意味する。図１に示したＬＯＥの場合には、入力面及び出力面の両方が下の基板表面２６と一致するが、入力光波と画像光波とが基板の反対側、又はＬＯＥの一方の縁部に位置するような他の構成も想定される。ここで表示光源の中央光波が、基板表面２６の法線方向に基板２０から出力結合し、部分反射面２２が平坦であり、基板２０内の入力結合した光波の軸外れ角がα_ｉｎであるとすれば、基板平面（の法線）と反射面との間の角度α_ｓｕｒ２は、次の通りである。

図１から分かるように、捕捉された光線は、二つの異なる方向２８，３０で反射面に到達する。この特定の実施形態では、捕捉された光線は、基板表面２６，２７から偶数回の反射の後に複数方向２８のうち一つの方向で部分反射面２２に達する。ここで捕捉された光線と反射面の法線との間の入射角β_ｒｅｆは、次のようになる。

捕捉された光線は、基板表面２６，２７から奇数回反射した後に第２方向３０で反射面に到達する。ここで軸外し角は、α’_ｉｎ＝１８０°－α_ｉｎであり、捕捉された光線と反射面の法線との間の入射角は下記の通りである。

式中、マイナスの符号は捕捉された光線が部分反射面２２の反対側に当たることを表す。

図１に示すように、各面に対して光線は方向３０に沿って基板表面に到達する。この光線のうちあるものは、方向２８に沿って基板表面に再度当たる。無用な反射とゴースト像を防ぐために、方向２８に位置する基板表面に当たる光線に対しては反射率が無視可能であるということは、重要なことである。

ここで考慮するべき重要な問題は、各反射面の実際の有効範囲（ａｒｅａ）である。得られる画像で起こりうる不均一は、各部分反射面（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）に到達する異なる光線の異なる反射シーケンスに起因することがある。ある光線は部分反射面と事前の相互作用なしに到達し、別の光線は、１回以上の部分反射をした後に到達する。この状況は図２Ａに示されている。例えばα_ｉｎ＝５０°ならば、光線８０は、点８２で部分反射面２２と交わる。光線の入射角は２５°であり、光線のエネルギーの一部は基板から出力結合する。そして光線は、特に大きく反射せずに７５°の入射角で点８４において同じ（選択的な）部分反射面と交わり、また、２５°の入射角で点８６において再び交わる。光線の残りのエネルギーは、ここで基板から出力結合する。他方、図２Ｂに示す光線８８は、同じ反射面からただ１回の反射９０を行う。これ以上の複数回の反射は、別の部分反射面で生じる。

図３は、基板内に捕捉された光を観察者の目２４に向けて射出する部分反射面２２の詳細な断面図に、不均一性の現象を示している。図示したように、光線８０は、部分反射面２２と表面２７との交線である線１００の直前で、上の表面２７によって反射される。この光線は部分反射面２２に当たらないので、明るさは同じままである。その部分反射面２２への初めての入射は、両外面での二重の反射の後に、点１０２で生じる。この点において、光波は部分反射され、光線１０４が基板２０から出力結合される。他の光線、例えば光線８０のすぐ下方に位置する光線８８に関しては、部分反射面２２への初めての入射は、点１０６において表面２７に達する前に生じる。点１０６では光波は部分反射され、光線１０８は基板から出力結合される。従って、外の表面２６，２７における二重の反射の後に、点１１０において再び部分反射面２２に当たると、出力結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ－ｏｕｔ）光線の明るさは隣の光線１０４より小さくなる。その結果、点１０２の左側で部分反射面２２に到達する光線８０と同じ入力結合の（ｃｏｕｐｌｅｄ－ｉｎ）角度を有する全ての光線が、より小さな明るさを有する。従って、部分反射面２２からの反射は、この特定の入力結合の角度のための点１０２の左側で、現実に「より暗い」ものとなってしまう。

現実には人間の目は、無意識のうちに、明るさの有意なばらつきを許容するようになっているが、複数回交差の現象でのこうした差を完全に補正することは困難である。ニア・アイ・ディスプレイ（ｎｅａｒ－ｔｏ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）で、目は、単一の視野角で出射した光を積分し、網膜上の一点にこれを結像させる。目の応答曲線は対数的であるため、表示部の明るさに小さなばらつきがあっても認識されないことがある。表示部内で光の均一性が中程度のレベルしかないときにでも、人間の目は高い品質の画像を視認する。この所要の中程度の均一性は、図１に示す光学素子を用いれば、順当に実現する。大きなＦＯＶを有し、大きなＥＭＢを要するシステムは、所望の出射開口を得るには、比較的多数の部分反射面が必要となる。その結果、多数の部分反射面における複数回の交差に起因する不均一性が、特に、目から離して位置する表示部、例えばヘッドアップディスプレイに関して、より顕著なものとなる。この不均一性は受け入れることはできない。このような場合には、不均一性を解決するために一層組織的な方法が必要となる。

部分反射面２２の「より暗い」部分は、捕捉された光波の基板からの出力結合に寄与することがより少ないので、ＬＯＥの光学性能への影響は悪い（ｎｅｇａｔｉｖｅ）ものしかない。即ち、システムの出射開口に暗い部分が生じ、暗いストライプが画像の中にできる。しかし、各反射面の透明度は、外界のシーンからの光波に関して均一である。従って、出射開口内の暗い部分を補正するように反射面それぞれの間で重複するように設定すれば、重複部を横切る外界のシーンからの光線は、二重の減衰をきたし、外界のシーンに暗いストライプができてしまう。この現象は、目から離して位置する表示部、例えばヘッドアップディスプレイの性能のみならず、ニア・アイ・ディスプレイの性能を大きく低下させてしまい、使用できないことになる。

図４はこの問題を解決する実施形態を示す。部分反射面２２ａ，２２ｂ，２２ｃの「明るい」部分のみが基板の内側に埋め込まれている。即ち、これらは下主要表面２６とは交わらず、この表面の手前で終わっている。ＬＯＥの長さを越えて反射面の端同士が隣り合っているので、投影された画像にギャップは生じない。反射面の間に重なりはないので、外から見た場合にギャップはない。ＬＯＥを製作するにはいくつかの方法があり、その一つは、厚みＴを有する透明板１２０を、好ましくは光学的セメント接合により、基板の有効範囲に取り付けることである。部分反射面２２の有効範囲のみを正確に利用するためには、各部分反射面の実際の有効範囲と、透明板１２０の必要な厚みＴとを算出することが重要である。

図５において、入力結合の角度α_ｉｎの関数として、表面２６の平面内に形成された反射面２２ｎの有効開口のサイズＤｎは下記の通りである。

捕捉角α_ｉｎはＦＯＶの関数として可変なので、反射面２２ｎの有効開口のサイズを算出するために、各反射面２２ｎにどんな角度を対応させるべきかを知ることは重要である。

図６に、システムパラメーターに対しての視野角の関数として有効開口を示している。ちシステムパラメーターは、基板の厚みｄ＝２ｍｍ、基板の屈折率ν＝１．５１、部分
反射面の角度α_ｓｕｒ＝６４°である。視野角を考慮すると、得られる画像の異なる部分は、部分反射面の異なる部分に基づいて形成されることが分かる。

本構成に基づくコンパクトＬＯＥ表示システムの断面図である図７に、この効果を示す。ここにおいて、特定の視野角１１４をなす単一の平面光波１１２が、部分反射面２２ａ，２２ｂ，２２ｃのアレイ全体の一部分のみを照明する。こうして、部分反射面上の各点に関して名目上の視野角が定義され、この視野角に基づいて反射面の必要な有効範囲が算出される。さまざまな部分反射面の有効範囲の正確で詳細な設定は、次のように行われる。各特定の面に対して、面の左縁から特定の目の瞳孔２５の中央に向けて、（スネルの法則に基づく屈折を考慮に入れて）光線をプロットする。算出された方向が名目上の入射方向とされ、特定の有効範囲がこの方向に基づいて算出される。

図５に示すように、反射面の有効範囲（ａｒｅａ）の正確な値は、各反射面２２ｎの明るい部分の左縁部１０２と下表面２６との間の各距離Ｔを決定するのに用いることができる。有効範囲を大きくするには、面間の距離は小さいことが要件となる。この距離は、ＬＯＥの下面に取り付けるべき透明板１２０（図７）の厚みを表す。図５に示すように、入力結合の角度α_ｉｎの関数としての距離Ｔは、下記のようになる。

図８は、図６に関連して上述した同じパラメーターについて、視野角の関数としての透明板１２０の必要な厚みＴを示している。厚みＴを極大算出値として決定することは、画像上で暗いストライプができることを回避することを確実にするために好適である。もし厚すぎる透明板１２０にした場合は、正反対の結果を生む。即ち画像上に明るいストライプを出現させてしまう。

図９に示すように、２本の光線１２２，１２４が平面基板２０内に入力結合する。これらは、それぞれ点１２６，１２８で部分反射面２２ａから部分反射される。しかし、光線１２２だけは、点１３０において第２部分反射面２２ｂに当たり、ここで部分反射する。光線１２４は、反射せずに部分反射面２２ｂをスキップする。この結果、点１３４で部分反射面２２ｃに入射する光線１２４の明るさは、点１３２での光線１２２の明るさより大きい。従って、点１３４からの出力結合の光線１３８の明るさは、点１３２で出力結合する光線１３６より大きく、画像内で明るいストライプが出てしまう。よって、厚みＴの正確な値を、画像内に暗いストライプも明るいストライプもできないように選ぶべきである。

図１０に示すように、透明板１２０の厚みＴが視野角に依存する所要の構造を成立させる可能な例は、二つの主要表面が平行でないくさび形状の基板２０’を用いるものである。相補的なくさび形状の透明板１２０’が基板に、好ましくは光学的セメント接合によって、取り付けられ、結果的に、組み合わせた構造が完全な直方体となるように、即ち、最終的なＬＯＥの外側の二つの主要表面が互いに平行になるようにする。しかし、この方法には欠点がいくつかある。まず第１に、くさび形状のＬＯＥの製作方法は、平行なＬＯＥよりも複雑で手間がかかる。また、この解決法は、基板平面上で視野角と横位置との間が適正に適合しているＥＭＢの小さなシステムに有効である。しかし、ＥＭＢの大きなシステム、即ち、横軸に沿って目が顕著に動きうるシステムの場合には、視野角とくさび形状の透明板１２０’の実際の厚みとの間にうまく調整を行うことができない。従って、明暗のストライプが画像内に見えてしまうことがある。

ＬＯＥ内の部分反射面の構造による明暗のストライプの発生は、この現象が生じる面に限ったものではない。図３に示すように、部分反射面２２ａで２回反射された入射した光線８８の明るさは、点１１０では、点１０２において部分反射面２２ａで１回反射された光線８０の明るさよりも小さい。この結果、反射された光波１１２の明るさは、隣の光線１０４の明るさよりも小さい。しかし、図１１に示すように、部分反射面２２ａからの反射光波の明るさが異なるのみならず、透過してからの光線１４０，１４２の明るさも異なる。その結果、それぞれ点１４８，１５０における部分反射面２２ｂからの反射光線１４４，１４６の明るさは、やはりまた異なるものとなり、この画像の領域で暗いストライプが生じてしまう。従ってこれらの光線の間の相違に起因して、次に並んだ部分反射面へＬＯＥ内での伝送が続くことになる。結果として、多数の部分反射面を有するＬＯＥに対して、正しい入射角に基づいて、各部分反射面は明暗のストライプを形成するため、多数の明暗のストライプがＬＯＥの出射開口の遠い方の縁に集中してできる。このため、画質は大幅に低下する。

画像むらの別の発生源は、ＬＯＥに入力結合する画像光波の不均一性であることがある。通常は、光源の２本のエッジがわずかに異なる発光強度であるときには、それがあったとしても、観察者にほとんど気づかれない。これは、ＬＯＥでのように、基板に入力結合し、次第に出力結合する画像に対しては、全く違う。図１２に示すように、２本の光線１５２，１５４が、表示源（図示せず）内の同じ点から生じた平面波１５６のエッジに位置している。不完全な画像システムの帰結として光線１５２の明るさが光線１５４の明るさよりも小さい場合、光線同士が離れた状態であるため、平面波１５６を直接見たとしても、これらの間の差異はほとんど認められない。しかし、ＬＯＥ２０内に入力結合した後には、条件が変わる。光線１５４は、反射面１６と下主要表面２６との間の界面線１５８のすぐ右側で、反射面１６を照明する。その一方、右の光線１５２は反射面１６で反射され、上主要表面２７で全反射され、その後に、界面線１５８のすぐ左側で下主要表面２６に当たる。結果的に、２本の光線１５２，１５４はＬＯＥ２０内で隣り合って伝送される。光線１５２，１５４から生じ、部分反射面２２ａで反射された２本の出射光線１６０，１６２は、このようなわけで異なる明るさを有する。しかし、入力平面波１５６とは異なり、２本の異なる光線は隣り合っているので、この相違は、画像上の暗いストライプとして容易に識別されてしまう。この２本の光線１６４，１６５は、ＬＯＥ内で隣り合って伝送され続け、一緒に出力結合される各位置で暗いストライプを生じさせる。当然ながら、この光むらを回避する最良の方法は、ＬＯＥ内に入力結合する光波の全てを、ＦＯＶの全てに対して入射開口の全域で、確実に均一な明るさにすることである。広い入射開口とともに大きなＦＯＶを有するシステムにおいて、この要求を満たすことは非常に困難である。

図１３Ａ，１３Ｂに示すように、既に図４を参照して述べたＬＯＥの主要表面の一つに透明板を取り付けることによって、光むらの問題を解決することもある。しかし本実施形態では、ビームスプリッタコーティング１６６が、平面基板２０と透明板１２０との間の平坦な界面１６７に層設されている。図１３Ａに示すように、２本の光線１６８，１７０が平面基板２０に入力結合される。ただ光線１６８だけが、点１７２において第１部分反射面２２ａに当たり、ここで部分反射する。一方光線１７０は、部分反射面２２ａをスキップして、反射はされない。この結果、ＬＯＥに入力結合される際に２本の光線が同じ明るさであるとするならば、下主要表面２６から上方向に反射された光線１７０は、上主要表面２７から下方向に反射された光線１６８よりも大きな明るさとなる。この２本の光線は、平坦な界面１６７に位置する点１７４において、互いに交差する。ここに層設されたビームスプリッタコーティングによって、２本の交わる光線はそれぞれ部分反射され、また、ビームスプリッタコーティングを部分的に透過する。従って、２本の光線はエネルギーを交換し、交点１７４からの出射光線１７６，１７８は同じ明るさを有する。これはほぼ、２本の入射光線１６８，１７０の平均の明るさとなる。この光線は、さらに加えて、交点１８０，１８２において２本の他の光線（図示せず）とエネルギーを交換する。エネルギー交換の結果として、部分反射面２２ｂからの２本の反射光線１８４，１８６は、ほぼ同じ明るさとなり、明るいストライプの発生現象は顕著に改善される。

同様に、図１３Ｂにおいて、光線１８８，１９０が平面基板２０内に入力結合する。しかし、光線１８８のみが点１９２において第１部分反射面２２ａに当たり、ここで部分反射され、上主要表面２７によって反射される。この結果、ＬＯＥに入力結合する際の明るさが２本の光線で等しいとした場合、上主要表面２７から下方向に反射された光線１９０は光線１８８よりも大きな明るさとなる。しかし、２本の光線は、平坦な界面１６７に位置する点１９４で互いに交差し、ここでエネルギーを交換する。これに加えて、２本の光線は、ビームスプリット用の界面１６７の上に位置する点１９６，１９８において、互いに交差する。この結果、面２２ａで反射された光線２００，２０２、また面２２ｂで反射された光線２０４，２０６は、ほぼ同じ明るさとなり、これに応じて暗いストライプの現象は顕著に抑制される。こうして改良された明るさの効果の均一性は、ＬＯＥの入射開口にはいる不均一な照明光で生じた明暗のストライプにも適用できる。結果的に、ＬＯＥ内に捕捉された光波の明るさの分布は、ＬＯＥの入射開口の範囲内よりも出射開口の範囲内の方が、とりわけ一層均一なものとなる。

図１３Ａに示すように、面２２ａで反射された光線１８４，１８６は、ＬＯＥから出力結合する前に、界面１６７と交わる。その結果、単純な反射コーティングを界面１６７に安易に層設することはできない。なぜならば、界面１６７は、基板２０から射出する光波に対して透明で、かつ透過型の装置利用のために外界のシーンからの光波に対して透明であるべきである。即ち、光波は界面１６７を小さな入射角で透過し、より大きな入射角で部分反射するべきであるからである。通常は、透過の入射角は０°と１５°との間であり、部分反射の入射角は４０°と６５°との間である。これに加えて、ＬＯＥ内で伝送される間に光線は界面１６７を多くの回数横切るので、コーティングでの吸収は無視可能であるべきである。従って、単純な金属コーティングを使うことはできず、高い透明度を有する誘電体の薄膜コーティングを使う必要がある。

図１４は、ｓ偏光について、明所視の領域での３個の代表的波長、即ち４７０ｎｍ，５５０ｎｍ，６３０ｎｍでの入射角の関数として反射率カーブを示している。図示したように、例えばｓ偏光波について、４０～６５°の範囲の大きな入射角における部分反射の反射率（４５～５５％）、また小さな入射角における低い反射率（５％未満）の必要とされる動作を行うことが可能である。ｐ偏光波については、ブリュースター角に近いため、４０～６５°の範囲の入射角の場合には大きな反射率を得ることは不可能である。ＬＯＥ方式の画像システムに通常利用される偏光はｓ偏光であるので、必要とされるビームスプリッタは非常に容易に設けることができる。しかし、外界のシーンからの光波であって、小さな入射角で界面に当たり、ほぼ非偏光である光波に対しては、ビームスプリッタコーティングは実質的に透明であるべきであるので、ビームスプリッタコーティングは、ｐ偏光波についても小さな入射角の場合には小さな反射率（５％未満）を持つべきである。

残る難点は、ＬＯＥ２０が複数の異なる部品から組み立てられることにある。通常、製作工程は光学素子をセメント接合することを含み、ＬＯＥ２０の本体が仕上がった後に必要な角度依存的な反射コーティングがライトガイド面に施されるので、セメント接合の部分を損なう恐れのある従来の高温コーティング方法を利用することはできない。しかし、イオンアシストのコーティング方法とともに、新しい薄膜技術もまた、低温での処理に用いることができる。部品の加熱を不要にすることで、セメント接合された部品を安全にコーティングすることができる。別の方法として、周知の高温コーティング方法を利用し、その次に適正な位置にセメント接合を行うことにより、ＬＯＥ２０に隣り合った透明板１２０に必要なコーティングを容易に施すことができる。透明板１２０が薄すぎず、かつコーティング処理の間でも変形できるという場合にのみ、この追加例の手法を利用することは、明白に可能である。

上述したようなビームスプリッタの機能を構成する際に、考慮に入れるべき課題がいくつか存在する。

ａ．ＬＯＥ内に捕捉された光線は主要表面２６，２７で全反射されるのみならず、内部の部分反射の平坦な界面１６７でも反射されるので、これらの３面は互いに平行にし、ＬＯＥ内で最初の入力結合方向を、光線が確実に維持することが重要である。

ｂ．図１３Ａ，１３Ｂに示すように、透明板１２０は本来のＬＯＥ２０よりも厚みが小さい。透明板１２０の厚みが均一性の最適化のために重要であるとする図７～１０中の非コート板に関する事情にもかかわらず、コーティング板の厚みは別の事情から設定されることがありうる。つまり、やや厚い板を製作し、コーティングを施し、セメント接合することは容易である。他方では、やや薄い板の場合は、光波を基板から実際に出力結合するＬＯＥ２０の有効な体積は、所定の基板の厚みに対して大きくなる。また、透明板１２０とＬＯＥ２０との間の厚みの正しい比率は、基板内でのエネルギー交換プロセスに影響を与えることがある。

ｃ．通常、フルカラー画像のために設計されたビームスプリッタに対して、反射率のカーブは、色彩に関する効果を抑止するために、明所視の全範囲で可能な限り均一であるべきである。しかし、本発明で図示した構成において、多くの光線が、ＬＯＥ２０から出力結合する前に多くの回数交差しあう。従って、この要件は必須ではない。当然ながら、ビームスプリッタコーティングは入射した画像の全波長のスペクトルを考慮するべきであるが、部分反射のカーブで色彩に関する平坦さは、システムの諸パラメーターに基づいて許容されてよい。

ｄ．ビームスプリッタコーティングの反射率／透過率の比率は、必ずしも５０％対５０％である必要はない。暗い光線と明るい光線との間の必要なエネルギー交換を行うために、他の比率を使用してもよい。さらに図１５に示すように、より単純なビームスプリッタコーティングを利用してもよい。この反射率は、４０°の入射角において３５％から次第に増加し、６５°の入射角において６０％に達するものである。

ｅ．ＬＯＥに設けるべきビームスプリッタ面の数は、一つに限られない。図１６に示したように、別の透明板２０８をＬＯＥの上面にセメント接合で取り付けてもよい。また、ビームスプリッタコーティングをＬＯＥ２０と上透明板２０８との間の平坦な界面２１０に層設し、二つのビームスプリッタ面を有する光学デバイスを得てよい。２本の異なる光線２１２，２１４は、コーティングされた平坦な界面２１０上の点２１５において、互いに交差する。また、平坦な界面２１０には、さらに光線が点２１６，２１７において交わる。これは、下側のビームスプリット用の平坦な界面１６７での交差に追加して行われることである。結果として、反射光線２１８，２２０の均一性が、図１３Ａ，１３Ｂの実施形態における均一性よりさらに高くなることが期待される。当然ながら、二つのビームスプリット用の平坦な界面を有するＬＯＥを作成する方法は、ただ一つの平坦な界面を有するものの場合よりも困難である。従って、不均一な表面に重大な問題があるシステムにのみ、考慮すればよい。上述のように、四つの反射面と平面２６，２７，１６７，２１０は全て互いに平行であることが重要である。

ｆ．透明板１２０は、必ずしもＬＯＥ２０と同じ光学材料から製作する必要はない。さらに、シリケート系材料からＬＯＥを製作してもよく、目の安全性の目的のために、透明板（ｌａｙｅｒ）をポリマー系材料から形成してもよい。当然ながら、外表面の光学性能を確実にし、透明板の変形を防止することに留意する必要がある。

ｇ．これまでは、透明板は全部が無地である（ｂｌａｎｋ）と想定してきた。しかし図１７に示すように、部分反射面２２２ａ，２２２ｂを透明板１２０の内部に形成し、ＬＯＥの利用可能な体積を大きくしてもよい。これらの面は部分反射面２２ａ，２２ｂと厳密に平行にして、正しく同じ姿勢に向けることが必要である。

透明板１２０の厚みと光学的材料、ビームスプリッタコーティングの本来の特性、ビームスプリッタ面の数、ＬＯＥ内の部分反射面の位置など、上記実施形態の全てのパラメーターは多くの異なる値を取ることができる。これらは、光学系のさまざまなパラメーター、また光学特性と製作コストの特定の要請に基づいて決定される。

これまでは、主要表面に対して傾斜角をもった向きになっていて、通常は誘電体のコーティングが層設されている部分反射面で、光波は基板から出力結合すると想定してきた。しかし図１８Ａに示すように、回折素子２３０，２３２を利用した基板に対して光波が入力結合、出力結合するシステムもある。既に述べた同様の均一性の問題が、この構成にもつきまとうと言える。図に示すように、表示源の同じ点からの２本の光線２３４，２３６が、入力結合用の回折素子２３０の２本の縁部で、間隔をおいて位置して、基板２３８に入力結合する。隣り合う光線は、それぞれ出力結合用の回折素子２３２で出力結合される。従って、光線間に相違がある場合には、出力結合した光波の中に容易に見ることができる。これに加えて、均一化された出力結合した画像を有効にするためには、出力結合用の回折素子２３２の回折効率は次第に増加される。結果的に、同じ点光源からの異なる光線は、光学素子から出力結合する前に回折素子２３２内の異なる位置を通過する可能性があるので、画像内で異なる明るさになる。光むらの他の原因として、回折格子のすぐ左側の下面に光線２３６が当たる間に、回折格子２３２の右縁部２４０で光線２３４が部分的に基板の外へ回折してしまい、そこでは回折しないことがある。この結果、２本の隣り合う光線２３４，２３６のための回折格子２３２内の出力結合の全位置について、光線２３６は一層大きな明るさになってしまう。この差は容易に観察できる。

図１８Ｂは、これらの問題を解決するための同様の手法を示す。図において透明板２４２は、基板２３８の上面２４４にセメント接合されている。界面２４６には、上述したものと同様のビームスプリッタコーティングが層設されている。

Claims (26)

1. 入射開口、出射開口、及び少なくとも二つの主要表面及び縁部を有する光伝送基板と、 内部全反射によって光波を前記光伝送基板に入力結合する光学素子と、
   前記光伝送基板の二つの主要表面の間に設けられ、前記光伝送基板からの光波を部分反射する少なくとも一つの部分反射面と、
   少なくとも二つの主要表面を有する第１の透明板であって、前記透明板の前記主要表面のうち一つが、平坦な界面を規定する前記光伝送基板の主要表面に光学的結合で取り付けられた第１の透明板と、
   前記光伝送基板と前記透明板との間の前記平坦な界面に層設されているビームスプリッタコーティングと、を備え、
   前記光伝送基板に入力結合された光波が、前記平坦な界面で部分反射され、またこれを部分的に透過する光学デバイス。
2. 前記部分反射面によって前記光伝送基板から出力結合された光波が、有意な反射なしに前記平坦な界面をほぼ透過する請求項１記載の光学デバイス。
3. 前記光伝送基板の前記二つの主要表面は、前記第１の透明板の前記二つの主要表面と平行である請求項１記載の光学デバイス。
4. 前記ビームスプリッタコーティングは、大きな入射角の場合には大きな反射率を有し、小さな入射角の場合には小さな反射率を有する請求項１記載の光学デバイス。
5. 前記ビームスプリッタコーティングは、０°と１５°との間の入射角の場合には低い反射率を有し、４０°を越える入射角の場合には大きな反射率を有する請求項４記載の光学デバイス。
6. 前記ビームスプリッタコーティングは、４０°を越える入射角の場合には３５％を越える反射率を有し、１５°未満の入射角の場合には１０％未満の反射率を有する請求項４記載の光学デバイス。
7. 前記ビームスプリッタコーティングは前記光伝送基板の一つの主要表面に設けられている請求項１記載の光学デバイス。
8. 前記ビームスプリッタコーティングは低温でのコーティング処理を利用して形成されている請求項７記載の光学デバイス。
9. 前記ビームスプリッタコーティングは前記第１の透明板の前記主要表面の一つに設けられている請求項１記載の光学デバイス。
10. 前記ビームスプリッタコーティングの前記反射率は、４０°より大きくかつ６０°より小さな入射角の場合にはほぼ一定である請求項４記載の光学デバイス。
11. 前記ビームスプリッタコーティングの前記反射率は、４０°を越える入射角の場合は一定でない請求項４記載の光学デバイス。
12. 前記ビームスプリッタコーティングの前記反射率は、４０°を越える入射角の場合は前記入射角の関数として増加する請求項１１記載の光学デバイス。
13. 大きな入射角の場合の前記ビームスプリッタコーティングの前記反射率は、明所視の領域全体で均一である請求項４記載の光学デバイス。
14. 前記透明板は前記光伝送基板より薄い請求項１記載の光学デバイス。
15. さらに、第２の平坦な界面を形成するように、前記光伝送基板のもう一方の主要表面に光学的結合で取り付けられている第２の透明板を備えている請求項１記載の光学デバイス。
16. ビームスプリッタコーティングが前記第２の透明板に設けられている請求項１５記載の光学デバイス。
17. 前記ビームスプリッタコーティングは、大きな入射角の場合には大きな反射率を有し、小さな入射角の場合には小さな反射率を有する請求項１６記載の光学デバイス。
18. 前記光伝送基板及び前記透明板は、同じ光学材料から形成されている請求項１記載の光学デバイス。
19. 前記光伝送基板及び前記透明板は、二つの異なる光学材料から形成されている請求項１記載の光学デバイス。
20. 前記透明板はポリマー系材料から形成されている請求項１記載の光学デバイス。
21. 光波を前記光伝送基板に入力結合する前記光学素子は、回折素子である請求項１記載の光学デバイス。
22. 前記光伝送基板の前記二つの主要表面の間に設けられている前記少なくとも一つの部分反射面は、回折素子である請求項１記載の光学デバイス。
23. 前記光伝送基板の前記二つの主要表面の間に設けられている前記少なくとも一つの部分反射面は、前記光伝送基板の前記主要表面に対して傾斜角をもった向きになっている請求項１記載の光学デバイス。
24. 前記少なくとも一つの部分反射面は誘電体のコーティングが層設されている請求項２３記載の光学デバイス。
25. 前記光伝送基板の前記二つの主要表面の間に設けられている複数の部分反射面を備え、前記複数の部分反射面は互いに平行である請求項１記載の光学デバイス。
26. 前記光伝送基板に入力結合された光波の明るさの分布は、前記光伝送基板の前記入射開口の範囲よりも前記出射開口の範囲で一層均一である請求項１記載の光学デバイス。