JP4291141B2 - テーパ導波路を用いたフラットパネルディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、テーパ状の厚板からなる導波路の先細りしていない方の端部から光が進入するようなテーパ導波路ディスプレイ（ｔａｐｅｒｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｙ）における歪みを除去する方法に関する。

そのようなテーパ導波路ディスプレイは、ビデオプロジェクタと、該プロジェクタからの光を幅方向に広げるための、「入力」又は「拡大」導波路として周知であるフラットな厚板からなる導波路と、透明材料からなるテーパシートとを含み、該テーパシートは光の進入した角度によって決定されるある地点にて該シートの面から光を出射する漏光導波路として作用する。テーパは拡大導波路と同じ厚みから始まり、通常ゼロまで減少する。臨界角までの間の任意の角度にて該テーパに進入する光は、それ以後はテーパに沿って、初期の入射角に依存する距離にて出射されるまで更に急な角度にて跳ね返る。このような装置は、出願人の先の出願である国際特許出願公開第ＷＯ０１／７２０３７号に開示されている。

これらのディスプレイは、スクリーンが薄膜トランジスタを必要とせず、かつプラスチック製であるために安価で頑丈ではあるものの、投影された画像は歪む傾向にある。特に、画像は間に暗い間隙を備えた帯状領域に分離されるかもしれない。その理由は、テーパに進入する任意の光線により臨界角に到達しない地点がテーパ出射導波路に存在するからである。従って、ｎ番目と（ｎ＋１）番目の跳ね返りの間では光は出現しない。この問題を解決することが好ましい。

本発明に従って、厚板状の入力導波路と、テーパ出力導波路とを含むテーパ導波路ディスプレイ装置が提供され、該入力導波路は、その一端から光が投影され、該導波路に沿って跳ね返り、他端にて出射し、該出力導波路は入力導波路からの光をテーパの幅厚側の端部にて受承し、テーパ内を反射しながら所定の距離を伝播した後にテーパ内の角度が臨界角を超えた際にテーパ導波路の一方の面を超えて光が出射するように形成されており、該装置において、テーパ導波路の厚みのプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）は、光が、テーパ導波路を離れる前で、かつ二つの導波路内を通過する間に全体で同じ回数跳ね返るように形成されている。

先の出願において、楔形のテーパ導波路は平坦な面を有しており、そのことは、光は入力厚板、次いでテーパ状厚板に沿って内部反射し、かつ臨界角に到達する前にもう一度跳ね返るためにテーパ部内に留まるので、該光が往復して跳ね返る位置に間隙が存在することを意味する。テーパ導波路の面における平坦な状態からのほんのわずかな偏差が、跳ね返りの数を常に一定にすることを確実にし、この影響を補償することが見出された。浅い角度にて進入した光線は入力厚板ではあまり跳ね返らず、出力厚板にてより長く滞在するか、又はその逆の現象により、跳ね返りの数を相殺できるという生来の傾向があるためにこれは可能である。

テーパ厚板の形状は光線の軌跡から計算され得る。この計算は、一次元、即ち、厚板の面において画像を広げるために使用される入力又は拡大厚板が（平坦な）立方体の場合は特に簡単である。入力厚板はテーパと一体的であるか、又は別体であり得、同一の平面であるか、又は光学手段により「折り畳まれて」いる。通常、入力及び出力導波路は面内にてほぼ同一の形状を有しており、従って、折り畳むことにより装置の設置領域（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）を半分にできる。

該装置はディスプレイという形で詳細に記載されているものの、出願人の先の国際出願であるＰＣＴ／ＧＢ第０１／５２６６号に記載されているように、カメラとして同様に後方にて操作することもできる。光源が簡単な点光源である場合、装置は単純に光源となり、ＬＣＤ又はホログラム照明に有用である。

本発明をより理解するために、その実施形態を、本明細書に添付した図面を参照して、実施例により以下に記載する。
図７は、本発明により考慮された一般的な概略図を示す。プロジェクタ６（もし装置が後ろ側で操作されればカメラ、若しくは照明の領域を生成するための単なる点光源）は、長方形の厚板導波路２の端部へ画素アレイからなる画像を形成するための光を出射（又は受承）し、該厚板導波路２内では光は主たる面を交互に離れるように反射することにより伝播する。この厚板は通常は平坦な平行した面を有しているが、該面を必ずしも有する必要はない。光は、伝播するにつれて、厚板の面内であり、かつ伝播方向と垂直な横方向に広がり、遠い方の端部では厚板全体の幅まで到達するように広がる。従って、画像は、幅方向に拡大したようになる。そこで、円筒状のレンズでコリメートされ、等しい幅を有するがプロジェクタから遠ざかる方向にその高さが先細りの状態となる厚板導波路１の先細りしていないほうの端部に進入する。ここでもまた、内部反射するが、例えばディスプレイを形成するために、シュネルの法則により付与された臨界角となり出射するまで増大する角度（より急な角度）にて内部反射する。この原理は、国際出願公開第ＷＯ／７２０３７号に記載されている。

成形されたテーパは、アルゴリズムを用いて、テーパに対して一連の厚み及びこれらの厚み間の距離を計算し、次いで、これらのデータを数字的に制御された機械へ通し、該機械がテーパ導波路を直接形作るか、又はそれを形成するための鋳型を形作ることにより形成される。他の製造方法もまた考慮され得る。

アルゴリズムは、厚板／テーパ境界における厚板とテーパとの面を離れる全ての内部反射に対する臨界角と等しい角度を有する光線を考慮することにより開始する。この光線は入力厚板中を進行する間は最大に可能な回数跳ね返り、テーパ導波路を一回跳ね返り離れる。アルゴリズムは、入力厚板中にて一回分の二重跳ね返り（ｏｎｅ ｄｏｕｂｌｅ ｂｏｕｎｃｅ）だけ少ない跳ね返りを受けるためには光線の角度をどのように変化させることが必要であるかを決定し、どのようなテーパの厚みにて、この光線はテーパから現れるかを計算する。次いで、アルゴリズムは、光線がテーパ導波路内にて更に一回余分に二重に跳ね返り、それにより跳ね返りの総数を一定にするために、テーパの入口（即ち、幅厚側の端部）から光線が現れる地点までにはいかなる距離が必要であるかを計算し、このテーパの延長部をテーパの厚みに対する新たな値に割り当てる。テーパの厚みがゼロになるまでに、この処理を連続的な光線の角度に対して繰り返す。

光線が入力厚板内にて一回分の二重跳ね返りだけ少ない跳ね返りを受けるために必要とされる光線の角度の変化は、厚板を通過する試験的な光線の進行を計算する、即ち、光線追跡法（ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ）として公知である処理により見出せる。本明細書に記載されている実施形態において、入力、又は拡大厚板は平行な面を有し、かつ光線の角度θ_ｉｎは三角法により以下のように示される：

ここでｂは臨界角における光線の跳ね返り数未満である跳ね返り数であり、ｔ_ｉｎは拡大厚板及びテーパ入力部の厚みであり、２Ｌは拡大厚板の長さであり、θ_ｃは臨界角である。ここでは厚板はガラスにて形成されていると仮定されているが、任意の適切な材料を使用することが可能である。

光線がテーパから出現する地点におけるテーパの厚み、ｔ_ｃは、以下に示すように、光線がテーパ内を通過する際の、ガラス／空気界面への垂線に対する光線の角度θ_ｉｎから計算される。

テーパの入口から、光線が一回余分に二重の跳ね返りを受けるために必要とされる光線が現れる地点までの距離は、θ_ｉｎにてテーパを通過する光線を追跡することにより見出される。任意の二重跳ね返り時において光線が移動する距離は、三角法により示され、その地点における楔の厚みｔの二倍に、その地点における光線の角度θの正接を乗じた値となる。光線の角度の正接は以下に示されるように厚みと関係づけられる。

本明細書に記載された実施形態に対して、アルゴリズムは、マスワークス社（Ｔｈｅ Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ，Ｉｎｃ．）から入手したＭａｔｌａｂバージョン４．２ｃ．１にて書かれ、図１に示される。ここではｔａｎθ_ｃは√５／２として記載されており、この値は与えられた実施例において記載されているように屈折率が１．５である場合に等しい。

本実施形態に対するテーパのプロファイルを図２に示し、該プロファイルは図１のアルゴリズムを用いて計算されているが、実行コードの第３行目において、必要な数量（ｃｒｉｔ）は１／１．４９１７５６の逆サイン（即ち、アクリル系における光の臨界角）と等しく設定されている点のみが変更されている。１２７０ｍｍの全長で、最初は２．５ｍｍの厚みの厚板で、図２に示すようなプロファイルにて先細りしているテーパを貫通する４つのサンプル光線の二つの軌跡が図３に示されており、該図３は、テーパに沿って、面と垂直な伝播に対して垂直な軸上、及び水平な軸上での進行を示す。図３ａにおいて、光線は５７４の跳ね返りを終えて追跡されているがテーパから出現しなかった。図３ｂにおいて、光線の更にもう一回の跳ね返りが追跡されており、全てがテーパから出現し、それらはテーパの開始部分付近又は終了部分付近から出現している。従って、入射光の角度は、跳ね返りの数を変えることなく変更され得、いかなる地点においても暗い間隙が生ずることはない。

コードは若干分析しないままで表に示されているため、テーパの形状はＺｅｍａｘのような光線追跡プログラムを用いて試行錯誤により調整されるべきであり、それにより全ての光線が同じ数だけ跳ね返った後にほぼ同じ出現角にてテーパから離れるようなプロファイルが得られる。これは、楔の幅厚側の端部付近にて出現するように光線を追跡し、次いで徐々に減少させた入射角にて追跡することにより実施される。仮に光線が浅すぎる角度にて出現するか、若しくは跳ね返りが多すぎる場合、現行の光線の出現した位置と、前回に追跡された光線の出現した位置との間のテーパの領域を減少すべきである。仮に光線が大きすぎる角度にて出現するか、跳ね返りが少なすぎる場合、現行の光線の出現した位置と、前回に追跡された光線の出現した位置との間のテーパの領域を増大すべきである。

テーパの正確な形状は、ある程度までは、それほど重要ではないように思われる。問題なのはその長さ方向に沿った厚みである。一方の面を平坦にするか、又は両方の面を波状にするかなどである。

図４は本発明を具現したテーパの厚みと長さの座標を示し、この場合において、幅厚側の端部は１５ｍｍの厚みであり、約１１３０ｍｍの長さであり、１２７０ｍｍの長さと１５ｍｍの厚みである厚板に切られている。図５はテーパ１と拡大厚板２との正面立面図を示しており、厚板２から形成テーパ１までの遷移部を結合するために厚板２に折り畳んだ部分３が設けられており、厚板／テーパの界面のいずれかの側に、８５００ｍｍの曲率半径を備えた滑らかに湾曲した４４ｍｍの長さを有する部分４が設けられている。

幅の厚いテーパが必要な場合、厚板とテーパの両方の厚みを線形的な割合で拡大すべきである。仮により長いテーパが必要な場合、厚板と、テーパの両方の長さを線形的な割合で拡大すべきである。

仮に、間隙が全ての投影角にて回避されるべきであるならば、プロジェクタから楔までの光学径の長さは、光線が厚板とテーパとの間にてコリメートな場合、変更しないことが重要である。従って、フレネルの鏡は不適切であるが、従来のコリメートな鏡の影響は湾曲したディスプレイの端部を形成するであろう。この湾曲を最小限にするために、図５に示されるように、光線は、鏡５上のより短い側に、ディスプレイ（通常長方形であると仮定して）のより長い寸法の側部と平行に投影される。導波路のアスペクト比は、少なくともディスプレイにおいては、通常２未満である。あらゆる方向から画像を視認するために、ディスプレイのより長い側部の一つの中心にビデオプロジェクタ６を配置し、かつテーパ導波路の頂部に透明なスクリーンを配置することが望ましい場合、厚板内に導入されるべきである折り目は図５には示されていない。

光線が臨界角よりわずかに小さい入射角に達した場合、該光線は部分的にのみ伝達され、不必要な反射光成分が隣接する画素を不鮮明にするように導波路に沿って更に出現する。しかしながら、反射成分は最初のものよりも更に急な角度にて出現し、この不鮮明さを回避するための一つの方法は、透明のスクリーンを、両方の光線成分が該スクリーンに当たるように、該両光線成分が一致するような導波路からの距離に配置することである。この場合の欠点は、ディスプレイ全体の厚みを更に増すことであり、本発明の修正されたディスプレイはエタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を保持するためにいかなる場合も通常のものより厚くする必要がある。

従って、図６に示すように、光線が最初に臨界角以下の角度にて入射した場合、伝達される該光線の成分１０を通すが、反射した光線の成分１１は遮断するように、一組の不透明なルーバー８をテーパ導波路７の全体を覆うように配置することが好ましい。蛍光体又は屈折面のような散乱要素９を各ルーバーの端部に配置すべきであり、かつ散乱要素は小さく維持して、周辺光１２の殆どはルーバーにより吸収されるように設けられるべきである。これに代えて、例えば、短波長の、可能であれば紫外線からなる入射光により活性化された蛍光体のように、該要素９は放射性とすることもできる。その結果、不鮮明さのないコントラスト比が良好であり、しかも反射防止コーティングを必要としない薄いスクリーンが得られる。

テーパ導波路のための適切な厚みのプロファイルを計算するためのアルゴリズムの例を含む。 図１のアルゴリズムにより計算されたテーパ導波路のプロファイルをプロットしたものである。 テーパ導波路内の光線の軌跡を示し、各光線が５７４回跳ねた後の状態を示す。 テーパ導波路内の光線の軌跡を示し、各光線が５７５回跳ねた後の状態を示す。 形成されたテーパの実施形態の厚み（ｔ）対長さ（ｚ）の座標を示す。 厚板とテーパとが、該厚板の短い方の端部にてバルクミラーコリメータによりどのように折り畳められるべきかを示す。 不鮮明さを低減し、かつコントラスト比を改善するために１組のルーバーと微細散乱サイト（ｓｉｔｅ）をどのように使用することができるかを示す。 ディスプレイ装置を概略的に示す。

Claims (11)

1. 厚板の形状である入力導波路（２）とテーパ状の出力導波路（１）とを含むテーパ導波路光学装置において、
   光は、該入力導波路（２）の一方の端部に入射し、該導波路に沿って跳ね返り、かつ他方の端部まで伝播し、前記出力導波路（１）において、前記入力導波路からの光は該出力導波路の入力端部にて種々の入射角にて受承され、該出力導波路内を全反射により所定の距離を伝播され、該光は該出力導波路の面のうちの一方の面における入射角が臨界角を超えた場合に該出力導波路の該一方の面を超えて出射され、前記出力導波路の厚みプロファイルは、異なる入射角にて入射した光が、前記二つの導波路内を通過して出力導波路から出射されるまでの間に、同じ回数だけ跳ね返るように形成されている、テーパ導波路光学装置。
2. 前記入力導波路（２）は平坦な直方体からなる請求項１に記載の光学装置。
3. 前記二つの導波路が同じ材料から形成される請求項１又は２に記載の光学装置。
4. コリメート要素（５）を更に含み、該コリメート要素（５）は前記入力導波路と前記出力導波路との間に光を指向し、それにより該光がほぼ平行に進行するとともに該出力導波路の面内において解像される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学装置。
5. 出現する光を広げて視角を増大するために前記出力導波路を覆うスクリーンを更に含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記スクリーンは前記出現する光線を通過させるのに適した角度に傾けられたルーバー（８）と、該ルーバー間に配置された散乱要素（９）とからなる請求項５に記載の光学装置。
7. ディスプレイを形成する目的にて前記入力導波路に画像を照射するために配置されたビデオプロジェクタ（６）を含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置は、点光源を含み、それにより該装置が平坦な光源として作用する装置。
9. 前記入力導波路及び出力導波路（１，２）は一方が他方に重なるように折り畳まれている請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学装置。
10. 厚板の形状である入力導波路（２）とテーパ状の出力導波路（１）とを含むテーパ導波路光学装置を製造するための方法において、
    光は、該入力導波路（２）の一方の端部に入射し、該導波路に沿って跳ね返り、かつ他方の端部まで伝播し、前記出力導波路において、前記入力導波路からの光は該出力導波路の幅厚側の端部にて種々の入射角にて受承され、該導波路内にて一定の距離を伝播され、該光は該テーパ内における角度が臨界角を超えた場合に該出力導波路の一方の表面を超えて光が出射され、
    前記出力導波路の厚みは、前記入力導波路内における跳ね返り数の最大値から開始して、該入力導波路内における該跳ね返り数の最大値から２ずつ減少した各跳ね返り数に対して計算され、かつ出力導波路の幅厚側の端部からの対応する距離は、該出力導波路内において光が減少した分の跳ね返りを確実に受けるように計算されており、それにより、跳ね返り数の合計は確実に一定に維持され、出力導波路の厚みと該出力導波路の幅厚側の端部からの距離との計算は、該出力導波路の厚みがゼロになるまで前記入力導波路内における前記跳ね返り数の最大値から２ずつ減少した各跳ね返り数に対して繰り返され、その結果に従って出力導波路が形成される、方法。
11. 厚板の形状である入力導波路（２）とテーパ状の出力導波路（１）とを含むテーパ導波路光学装置を製造するための方法において、
    光は、該入力導波路（２）の一方の端部に入射し、該導波路に沿って跳ね返り、かつ他方の端部まで伝播し、前記出力導波路において、前記入力導波路からの光は該出力導波路の幅厚側の端部にて種々の入射角にて受承され、該導波路内にて一定の距離を伝播され、該光は該テーパ内における角度が臨界角を超えた場合に該出力導波路の一方の表面を超えて光が出射され、
    前記出力導波路の厚みは、前記入力導波路内における跳ね返り数の最大値から開始して、該入力導波路内における該跳ね返り数の最大値から２ずつ減少した各跳ね返り数に対して計算され、かつ出力導波路の幅厚側の端部からの対応する距離は、該出力導波路内において光が減少した分の跳ね返りを確実に受けるように計算されており、それにより、跳ね返り数の合計は確実に一定に維持され、出力導波路の厚みと該出力導波路の幅厚側の端部からの距離との計算は、該出力導波路の厚みがゼロになるまで前記入力導波路内における前記跳ね返り数の最大値から２ずつ減少した各跳ね返り数に対して繰り返され、その結果に従って出力導波路の鋳型が形成される、方法。

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