JP3222983U - 軟質層を有する導光光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路が壊れて鋭利な断片になり、ユーザーに深刻な危害を及ぼすことを防止できる、軟質層を備えた導光光学素子を有する光学デバイスを提供する。【解決手段】導光光学素子は、第１の硬質層１２と、第２の硬質層１４と、第１の硬質層と第２の硬質層との間に置かれるとともに第１の硬質層と第２の硬質層を機械的に連結するポリマー材料の軟質層２８０とを含む。導光光学素子は全内部反射が生じる２つの主要な平行な外部表面を有し、硬質層の少なくとも１つは複数の互いに平行な部分反射面を含み、部分反射面は外部表面に非平行である。【選択図】図２Ｂ

Description

本開示の主題は導光光学素子に関し、より詳細には軟質層を有する導光光学素子に関する。

ニアアイディスプレイで使用されるものなどの導光光学素子（導波路とも呼ばれる）は、導波路に導入された光の全内部反射を生成するのに十分な平坦度と平滑性の両方を保証する高品質な光学材料から製造された平行な外部表面を必要とする。理想的には、こうした外部表面はガラスなどの硬質材料から製造される。不運なことに、硬質材料は衝撃を受けると壊れて鋭利な断片になる傾向がある。使用時、ニアアイディスプレイは典型的にはユーザーの眼の近くに配される。上記のような導波路が壊れて鋭利な断片になると、ユーザーに深刻な危害を及ぼすことになる。

本開示の主題の１つの態様によれば、導光光学素子を有する光学デバイスが提供される。導光光学素子は、第１の硬質層と、第２の硬質層と、第１の硬質層と第２の硬質層との間に置かれるとともに第１の硬質層と第２の硬質層を機械的に連結するポリマー材料の軟質層であって、導光光学素子は全内部反射が生じる２つの主要な平行な外部表面を有する、ポリマー材料の軟質層とを含み、硬質層の少なくとも１つは複数の互いに平行な部分反射面を含み、部分反射面は外部表面に非平行である。

軟質層は硬質層に屈折率整合され得るか、あるいは上記硬質層の各々からの異なる屈折率を有し得る。軟質層は安全なガラス特性をもたらす十分な引張強度を備える材料から製造され、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、およびエチレン−メタクリル酸（Ｉｏｎｏｐｌａｓｔ）から選択される少なくとも１つの材料からなり得る。硬質層の各々は複数の互いに平行な部分反射面を含み得る。複数の互いに平行な部分反射面は第１の硬質層内に含まれ得る。

導光光学素子は第２の硬質層内の互いに平行な部分反射面の第２のセットをさらに含み得、第２の硬質層の部分反射面は第１の硬質層の部分反射面に非平行であり得る。導光光学素子は、軟質層と硬質層の少なくとも１つとの間に置かれた少なくとも１つの第３の層をさらに含み得、少なくとも１つの第３の層は部分的に反射し、導光光学素子の少なくとも一部にわたって伸びる。導光光学素子はニアアイディスプレイの一部であり得る。導光光学素子は、全内部反射によって導光光学素子内に伝播し、かつ、部分反射面によって観察者の眼に向かって屈折するように、導光光学素子へ画像を導入するために配置された画像プロジェクターをさらに含み得る。

本考案を理解し、且つ本考案が実際にどのようにして実施され得るのかを理解するために、非限定的な例として添付図面を参照しながら実施形態を説明する：
本開示の主題の特定の実施形態に従った、導光光学素子（「ＬＯＥ」）の断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、図１Ａの破損した（ｂｒｏｋｅｎ）ＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第１の例に係る複数の互いに平行な部分反射面を含有するＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第２の例に係る複数の互いに平行な部分反射面を含有するＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第３の例に係る複数の互いに平行な部分反射面を含有するＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、図２Ｃに係る導波路の三次元分解図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第１の例に係る特定の光学特性を持つＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第２の例に係る特定の光学特性を持つＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第３の例に係る特定の光学特性を持つＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第１の例に係る製造されたＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第２の例に係る製造されたＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、第３の例に係る製造されたＬＯＥの断面図を示す。 本開示の主題の特定の実施形態に従った、ＬＯＥを生産する方法を示す。

以下の詳細な説明では、多くの具体的な詳細が、本考案の完全な理解を提供するために明記される。しかしながら、これらの具体的な詳細なしに本開示の主題が実行され得ることが、当業者によって理解されよう。他の例では、周知の方法、手順、およびコンポーネントは、本開示の主題を不明確にしないように、詳細には記載されてない。

用語「導光光学素子」、「ＬＯＥ」および「導波路」が、本明細書において区別なく使用されることに留意すべきである。

これを心に留め、ここで図１Ａ−図１Ｂを参照すると、これらの図には、本開示の主題の特定の実施形態に従った導光光学素子（「ＬＯＥ」）の断面図が示されている。図１Ａに示されるように、ＬＯＥは、硬質層（１２）、（１４）と、硬質層（１２）と（１４）の間に挟まれ、かつ硬質層（１２）と（１４）の間を機械的に連結するポリマー材料の軟質層（２８０）を含む。ポリマー層は、安全ガラス特性を提供するのに十分な引張強度を有する物質から形成される。図１Ａでさらに示されるように、ＬＯＥはさらに、ＬＯＥに導入された光の全内部反射が生じる２つの主要な平行する外部表面（２２）と（２４）をさらに含む。光線は、図１Ａに示される矢印によって示されるように、この導波路内に伝播する。

硬質層（１２）と（１４）は、ガラスのような硬い光学材料から作ることができ、外部表面（２２）と（２４）が高平坦度を有し、かつ互いに平行であるように製造される。軟質層（２８０）は、可撓性材料、好ましくはポリマーベースの材料から作られる。安全ガラス特性を提供するのに十分な引張強度を有する適切なポリマーベースの材料のいくつかの例として、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、およびエチレン−メタクリル酸（Ｉｏｎｏｐｌａｓｔ）があげられる。好ましくは、さらに下記に記載されるように、軟質層（２８０）は、硬質層（１２）と（１４）の両方に接合され、またはそうでなければ接着される。いくつかの実施形態では、軟質層（２８０）は、軟質層と硬質層との間に粘着性のコーティングを施すことによって、１つまたは両方の硬質層に接着することができる。

図１Ａの破損したＬＯＥを例示する図１Ｂにさらに示されるように、機械的衝撃の場合には、ＬＯＥの固い部分は破損するが、軟質層（２８０）の存在ゆえに破片はひとまとまりになり、それによって散乱を防ぎ、かつユーザーへの危険を減らす。適所に破片を保持することに加えて、軟質層（２８０）の柔軟性はさらに、この層が衝撃で破損するのを防ぐ役目を担う。

ここで図２Ａ−図２Ｃを参照すると、硬質層（１２）と（１４）の少なくとも１つは、導波路の外部表面に平行ではない、複数の互いに平行な部分反射面を含む。場合によっては、さらに下記に記載されるように、硬質層（１２）と（１４）は、同じ、異なる、または相補的な光学的性質を有し得る。

第１の非限定的な例として、図２Ａは、硬質層（１２）が互いに平行な部分反射面を含み、他方で硬質層（１４）は含んでいない、導波路を例示する。この例において、硬質層（１４）は、主として高品質の外部表面を提供するために機能する。

第２の非限定的な例として、図２Ｂは、両方の硬質層（１２）と（１４）が互いに平行な部分反射面を含み、および硬質層（１２）の部分反射面が硬質層（１４）の部分反射面と平行である、導波路を例示する。この例において、硬質層（１２）と（１４）は、類似する光学的性質を提供し、および導波路から観察者に向かう光線を連結する役目を担う。好ましくは、硬質層（１４）の部分反射面は、硬質層（１２）の部分反射面の個々の連続性を形成するように配置され、それによって観察者への均一の画像を生成するのを助ける。最も好ましくは、部分反射面は、例えば、国際出願第ＰＣＴ／ＩＬ２０１８／０５００２５号明細書により完全に記載されるように、オーバーラップを生成するように配置され、それによってさらに均一性を改善し、該出願は完全に本明細書に明記されているかのようにその全体が参照により組み込まれる。

第３の非限定的な例として、図２Ｃは、両方の硬質層（１２）および（１４）が、互いに平行な部分反射面を含み、かつ、硬質層（１２）の部分反射面は硬質層（１４）の部分反射面に非平行である、導波路を例示する。この例では、硬質層（１２）および（１４）は相補的な光学的性質を提供する。図３は、図２Ｃに係る導波路の分解立体図を示し、ここにおいて、硬質層（１４）に含まれる部分反射面の角度および配置に対して、硬質層（１２）に含まれる部分反射面がどのように異なって角度を付けられ、配置されているかを理解できる。この構成において、互いに平行な部分反射面の２つの非平行であるセットは、本明細書の全体として組み込まれる国際出願第ＰＣＴ／ＩＬ２０１８／０５０７０１号明細書においてより十分に述べられているように、入射開口部の二次元的側方拡大を生成するために用いることができる。

いくつかの実施形態では、軟質層を硬質層と屈折率整合させることができ、他の実施形態では、軟質層は各硬質層とは異なる屈折率を有することができることに留意されたい。

いくつかの実施形態では、図４Ａ−図４Ｃに示される非限定的な例として例示されるように、導波路はさらに、軟質層と少なくとも１つの硬質層との間に配置された１つ以上の第３の層（２５０）をさらに含むことができ、これは外部表面（２２）および（２４）と平行であり、導波路の少なくとも一部を横切って伸長している。導波路を通って伝搬する光の経路を描写するために矢印を用いて示されるように、第３の層（２５０）は、導波路の特定の所望の光学的特性を提供するように機能することができる。例えば、矢印に関して例示されるように、１つ以上の第３の層は部分的に反射できる。いくつかの実施形態では、図５Ａ−図５Ｃに関連して以下で述べられるように、第３の層（２５０）はまた、コーティングであってもよく、または一連のコーティングで構成されてもよい。

図４Ａ−図４Ｃの導波路においては、第３の層（２５０）の存在により、複数の分割および反射にもかかわらず、すべての光線はその元の方向を維持し（明確性のために、最初の分割のみが図４Ａ〜図４Ｃに示されている）、それによって均一性を改善することに注目されたい。

いくつかの実施形態では、導波路はニアアイディスプレイの一部であってもよい。いくつかの実施形態では、図４Ａ−図４Ｃに示されるように、ニアアイディスプレイは、全内部反射によって導波路内を伝播し、部分反射面によって観察者の目に向かって屈折するように、導波路へと画像を導入するために配置される画像プロジェクター（２５２）をさらに含むことができる。均一な出力画像照射には、プロジェクターが導波路入口開口部の全体を照射することが必要であるが、図４Ｂと図４Ｃに示されるように、層（２５０）によって引き起こされるクロスカップリングの増大により、より小さな画像プロジェクターを使用することが可能になるので、層（２５０）は、画像プロジェクター（２５２）のサイズを縮小し、それによってシステム全体のコストを削減するのに役立ちうる。

様々な方法が、矢印が光の経路を図示する図５Ａ−図５Ｃに例示されるように、特有の光特性を有する本考案の導波路を作り出すために使用できる。図５Ａでは、硬質層（１２）、（１４）の内部表面は、軟質層（２８０）に接合される前に、反射防止コーティング（２６２）でコーティングされる。図５Ｂでは、１つの硬質層（この場合、硬質層（１２））の内部表面が、反射防止コーティング（２６２）でコーティングされるが、別の硬質層（この場合、硬質層（１４））の内部表面は、部分反射コーティング（２６４）でコーティングされる（コーティング（２６４）は、図４Ａ−図４Ｃの部分的に反射する第３の層（２５０）に相当する）。図５Ｂで例示されるものの代替的な一実施形態（図示せず）では、類似の光特性が、１つの硬質層（１２）の内部表面が反射防止コーティング（２６２）でコーティングされるが、他の硬質層（１４）の内部表面はコーティングされず、結果として、フレネル反射が、（層（２８０）と層（１４）との間の屈折率不整合により）内部反射を生成することとなる場合に達成できる。図５Ｃは、透明な軟質層（２８０）が接着剤（２６６）または粘着剤を使用して、硬質層（１２）と硬質層（１４）との間に配される、さらなる例を例示する。接着剤は、軟質層（２８０）に対して、または硬質層（１２）、（１４）に対して屈折率整合され得るが、どの層の内部表面においても適用され反射防止コーティングは、屈折率整合されない。内部反射が望ましい場合は、（上記されるように、反射コーティングの適用、またはフレネル反射によって）硬質層の１つの内部表面生成されるのが好ましいが、これは、これらの表面が、典型的には、外部表面（２４）、（２２）に対する最も高い平坦度と平行度を有することとなるからである。図５Ａ−図５Ｃから明白なように、場合によっては、軟質層（２８０）は、硬質層（１２および１４）を接合する接着剤としても役割を果たす。

ここで、図６に目を向けると、特定の実施形態に従って、本考案の導波路を作り出す方法が例示される。光学材料のコーティングされたプレート（４００）をともに接着し、積み重ね（４０２）、その積み重ねを２箇所切って、スライス（４０３）（硬質層に対応する）を作り出す。第２のスライス（４０４）が、類似の様式で作り出されてもよい（両方の硬質層が、互いに平行な部分反射面を含む場合に、別の硬質層に対応する）。スライス（４０３）、（４０５）は、図２Ａ−図２Ｃに関する、上記の様々な選択肢に従って、互いに同じであるか、または互いとは異なるものである、互いに平行な部分反射面を含むように作り出すことができる。１つまたは両方のスライス（４０３）、（４０５）（上記の硬質層（１２）、（１４）に対応する）は、随意に、その外部表面上の平坦で透明なカバー（４０５）で覆われてもよい。内部軟質層（２８０）を、スライス（４０３）とスライス（４０５）との間に置き、最後の導波路（４０７）を生成する。代替的に、単一のスライス（４０３）だけが使用される（例えば、他の硬質層が図２Ａにおけるような互いに平行な部分反射面を備えていない透明なプレートである）場合では、最後の導波路は、（４０８）に示される通りである。前に記載したように、軟質層（２８０）は、スライス（４０３）、（４０４）をともに接合する接着剤にもなり得る。両面研磨を、最後の導波路（４０７または４０８）に対して実施できる。代替的に、スライス（４０３および４０４）（および／またはカバー（４０５））の正確で平行な接合によって、導波路の外部表面とその内部表面との平行度が維持される場合には、両面研磨は、（カバーを備える、または備えていない）これらのスライス対して実施できる。

軟質層は、液体またはペースト形状中のポリマー前駆物質から形成され得、これは、硬質層（および／または、それらの層の表面に塗られる任意のコーティング）の間に差し込まれ、熱、ＵＶ放射の暴露、および／または触媒との混合などの、適切な重合プロセスによって重合をその場で受けることことに注目されたい。あるいは、軟質性ポリマー層の一部またはすべては、硬質層間に差し込まれる、予め形成された軟質層として導入されてもよい。後者の場合、硬質層への軟質性ポリマー層の接合は、層間の光学の粘着剤を包含することによって、典型的に達成される。

ある実施形態では、軟質層のために選択される材料は、特別に望ましい特性を有することができる。例えば、紫外線（「ＵＶ」）放射を遮断するか、または導波路に対して望ましい特性を示す他の材料が選ばれてもよい。上述されるように、軟質性材料は接着剤として役立つことができるか、または硬質層に接着させることができるか、そうでなければ、熱および／または圧力を使用して（導波路の他のあらゆる部分を傷つけないように選択された条件を利用して）接合することができる。あるいは、軟質層はＵＶ照射または熱で硬化する、硬化樹脂であってもよい。硬化樹脂の場合には、スペーサーが層の厚さを定義するために使用されるのが好ましい。

図１〜図６の導波路の例は同一縮尺には示されておらず、導波路の面内寸法は、典型的に導波路の全体厚より１桁または２桁大きく、そして、様々な結合構成が効果的な投影映像の結合を確実にするために、典型的に使用されることに注目されたい。最も好ましくは、軟質層は典型的に硬質層より薄く、典型的には硬質層の１０パーセント未満の厚さである。

本考案は、その用途において、本明細書に含まれる記載で説明される、あるいは図面で例証される詳細に限定されないことを理解されたい。本考案は他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施および実行することができる。したがって、本明細書で使用されている表現および用語は、説明を目的としており、限定するものと見なすべきではないことを理解されたい。したがって、当業者であれば、本開示の基礎となる概念は、本開示の主題のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、およびシステムを設計するための基礎として容易に利用できることを理解するだろう。

当業者であれば、添付の実用新案登録請求の範囲で定義される本考案の範囲から逸脱することなく、前述の本考案の実施形態に様々な修正および変更が適用され得ることを容易に理解するであろう。

Claims (9)

1. 導光光学素子を含む光学デバイスであって、導光光学素子は、
   第１の硬質層と、
   第２の硬質層と、
   前記第１の硬質層と前記第２の硬質層との間に置かれるとともに前記第１の硬質層と前記第２の硬質層を機械的に連結するポリマー材料の軟質層であって、前記ポリマー材料が安全なガラス特性をもたらすのに十分な引張強度を有し、前記導光光学素子は全内部反射が生じる２つの主要な平行な外部表面を有する、ポリマー材料の軟質層とを含み、
   前記硬質層の少なくとも１つは複数の互いに平行な部分反射面を含み、
   前記部分反射面は前記外部表面に非平行である、光学デバイス。
2. 前記軟質層は前記硬質層に屈折率整合される、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 軟質層は前記硬質層の各々とは異なる屈折率を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
4. 前記軟質層と前記硬質層の少なくとも１つとの間に置かれた少なくとも１つの第３の層をさらに含み、前記少なくとも１つの第３の層は部分的に反射し、前記導光光学素子の少なくとも一部にわたって伸びる、請求項１に記載の光学デバイス。
5. 前記硬質層の各々は前記複数の互いに平行な部分反射面を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
6. 前記複数の互いに平行な部分反射面は前記第１の硬質層内に含まれ、前記第２の硬質層内に互いに平行な部分反射面の第２のセットをさらに含み、前記第２の硬質層の前記部分反射面は、前記第１の硬質層の前記部分反射面に非平行である、請求項１に記載の光学デバイス。
7. 前記導光光学素子はニアアイディスプレイの一部である、請求項１に記載の光学デバイス。
8. 全内部反射によって導光光学素子内に伝播し、かつ、部分反射面によって観察者の眼に向かって屈折するように、導光光学素子へ画像を導入するために配置された画像プロジェクターをさらに含む、請求項１に記載の光学デバイス。
9. 前記軟質層は、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、およびエチレン・メタクリル酸（Ｉｏｎｏｐｌａｓｔ）から選択される少なくとも１つの材料で構成される、請求項１に記載の光学デバイス。