JP6740366B2 - ヘッドマウント結像装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、拡張現実の分野にあり、拡張現実システムで使用するための光学装置に関する。本発明は、ポータブルＤＶＤ、携帯電話、モバイルＴＶ受信機、ビデオゲーム、ポータブルメディアプレイヤー、または他のモバイル表示装置などの多数の結像アプリケーションで実施することができる。本発明は、全反射（ＴＩＲ）原理を用いる様々なタイプの導波路システムに実装することができる。特に、そのような光学装置は、投射された画像を反射する機能を有しユーザがそれを通して見ることができるウェアラブルディスプレイであるシースルー型ヘッドマウントディスプレイ装置（例えばヘルメットまたは眼鏡に搭載されたディスプレイ）内に組み込むことができる。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）では、光学モジュールが結像レンズとコンバイナ（光ミキサ）の両方として機能し、２次元画像ソースが無限遠に結像され、見る人の眼に反射される。このような画像ソースは、ブラウン管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、走査源または類似の装置に基づく空間光変調器（ＳＬＭ）、またはリレーレンズや光ファイバの束を使用して間接的に得ることができる。画像ソースは、典型的には、コリメートレンズによって無限遠に結像され、それぞれ非シースルーおよびシースルー用のコンバイナとして作用する反射面または部分反射面によって見る人の眼内に伝送されるピクセルマトリックスを含む。

拡張現実アプリケーション用の様々な光学デバイスおよびシステムが、本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる、以下の特許公報に記載されている：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、およびＩＬ２０１４／２３２１９７。

この分野において、拡張現実システムで使用するための、高品質の結像が可能な新規な光学デバイスの必要性がある。

上述したように、従来の拡張現実システムは、結像レンズとコンバイナとして機能する光学モジュールを利用する。通常、これは自由空間光モジュールである。システムの視野（ＦＯＶ）を増加させることが望ましい。しかし、この結果、光モジュールはより大きく、重く、嵩張ることになる。したがって、中程度の性能の装置であっても、そのようなシステムは実用的ではない。これは、ヘッドマウント用途にとっては重要であり、可能な限り軽くコンパクトにする必要がある。

また、見る人の眼に対する光学装置の小さな動きに対する光学装置の感度を低下させ、ディスプレイからのテキストの快適な読み取りのために十分な瞳孔運動を可能にすることが望ましい。

本発明は、他の用途の中でも特にＨＭＤのための非常にコンパクトな光ガイド光学素子（ＬＯＥ）の利用を実現する新規な光学装置を提供する。本発明は、相対的に広いＦＯＶを、比較的大きなアイモーションボックス（ＥＭＢ）値／角度と共に使用可能にする。これにより、目の大きな動きにも対応する、大きく、高品質な画像が提供される。本発明の光学系は、最先端の実装よりもコンパクトであるが、特別な構成を有する光学系にも容易に組み込むことができるので、特に有利である。

本発明の光学素子に用いられるＬＯＥは、全反射により導波路内に光波がトラップされるように構成された導波路である。光デバイスが、導波路からの光出力が見る人の眼に伝播する経路に、１以上の追加の光学素子を含む必要があることが多い。このような光学素子は、光学度数を有しても有さなくてもよい。これは、例えば特定のユーザのために規定された光学度数を有する保護要素または眼科用レンズであってもよい。

したがって、導波路（ＬＯＥ）とそのような追加の光学素子との間に、少なくとも導波路の光伝播および出力、すなわち転送画像の画質を維持するための光学的分離によって規定された活性領域内で、適切な光学的分離が必要とされる。これは、一方では、導波路と光学素子との間の光学的分離が導波路の外面からの光波の反射を低下させず、他方で、ＬＯＥから、およびＬＯＥへの光波の結合と分離機構を妨げないことを意味し、すなわちＬＯＥと光学素子の間の界面領域における全内部反射効果が維持される。

本発明は、導波路と光学素子との間の少なくとも活性領域内に界面領域を設けることにより、上記問題を解決するものであり、これはＬＯＥ界面に隣接（近接）する有効擬似空気層／ギャップを提供するように構成されたパターン（表面レリーフ）を有し、前記界面と相互作用する光のＴＩＲ状態を有効に維持する。

界面領域におけるパターンは、実際には、前記界面が、ＬＯＥの内部に結合され斜めの角度でパターン形成界面に衝突する光波の全体を実質的に反射し、界面へ実質的に垂直に（ゼロ入射角で）衝突する光波を実質的に透過させるような、各度感応反射機構を呈する。

効果的な疑似空気層／界面を生成するこのようなパターン形成界面は、以下の構成のうちの１つによって実現し得る：（ｉ）導波路の外面の少なくとも一部にパターン（表面レリーフ）を設けること、（ｉｉ）光学素子の外面の少なくとも一部にパターンを設けること、（ｉｉｉ）導波路と光学素子の表面の間に別個のパターン形成された要素を使用すること。最後の場合、そのような別個のパターン形成された要素は、例えば、導波路の表面または光学素子の表面のいずれかに関連するフィルム（いわゆる「エアギャップフィルム」）の形態であってもよい。このようなエアギャップフィルムは、例えば、本発明の目的のために角度感応反射機構を提供するように構成されたモスアイ構造として構成されてもよい。

したがって、一般に、界面領域におけるパターン（表面レリーフ）は、間隔を空けた突起の形態である。突起の構成（すなわち、その高さと互いの間隔）は、所定の波長範囲の波長に対して、角度感応反射を可能にする効果的な疑似空気層を形成する超微細構造／サブ波長構造を形成するように選択される。

例えば、パターン形成界面は、それらの中心が約３００ｎｍ離間するように配置された約２００ｎｍの高さのバンプの六角形のパターンを含むことができる。このようなバンプは、可視光の波長よりも小さいので、界面に入射する光は、当該界面を、（導波路と光学素子領域との間の接触／界面における）空気と、ＬＯＥレンズ界面での反射を維持する光学素子または導波路との間の連続的な屈折率勾配を有するものとして「見る」。他の形状および寸法のパターンに同じ原理を用いて、他の波長範囲（ＵＶからＩＲ）やより広い光入射角度（０±６０度）に関連する疑似空気界面の形成を実現してもよい。

導波路の表面または光学素子（例えばレンズ）の表面の直接パターニングによって形成されるパターン化界面を考えると、任意の適切なパターニング技術を利用することができる。これらは、例えば、プラズマエッチングプロセスを用いた反射防止微細構造のランダムテクスチャの形成（このような技術は公知であり、米国特許第８，１８７，４８１号の実施例に記載されている）；または所望の超微細構造を有する型を用いたハードコートのＵＶインプリント／熱エンボス加工；または表面上のハードコートの２Ｄ干渉リソグラフィ；または標準的な高解像度リソグラフィ（１００ｎｍ以下の構造体）を含む。

導波路ならびに光学素子（光学度数を有していても有していなくてもよい）は、例えば、上記のパターニング技術を適用可能なガラスやプラスチックといった、任意の適切な透明構造の形態であってもよいことに留意されたい。プラスチック構造が用いられる場合、頂部プラスチック面の熱エンボス加工を用いて所望のパターンを形成することができる。あるいは、鋳型や射出成形によってプラスチック要素を製造し、用いる型が予め超微細構造のネガを有するようにしてもよい。

本発明によれば、周囲から光学素子全体を透過する垂直入射光のための擬似空気層および反射防止界面を生成するために、モスアイフィルムまたは同様の超微細構造が用いられる。

光学素子をＬＯＥの外面に取り付ける必要があり、超微細構造を有するエアギャップフィルムを使用する場合には、光学素子とＬＯＥのどちらでもフィルムを接着することができる。したがって、ＬＯＥ内部の結合光波が異なる斜角で超微細構造に入射するとき、これらは周期構造の外側部分のみを「見る」。したがって、入射する光の光波によって「見える」実際の屈折率は、空気の屈折率に近く、全体の内部反射機構は保持される。一方、エアギャップフィルムは、外部シーンからの入射光波や、ＬＯＥから結合された光波に対して実質的に透明である。

したがって、本発明の１つの広い態様によれば、光学系であって、投影される画像を示す入力光を受光し、当該入力光を全反射によって案内し、この光を基板から分離させ出力経路に沿って所定の方向に伝播させるように構成された光伝送用の導波路基板と；前記出力経路に配置され、前記導波路基板の表面の少なくとも一部とインターフェースする少なくとも１つの透明な光学素子とを具え；前記導波路基板の表面の少なくとも一部と前記光学素子の表面との間の界面領域は、前記光伝送用の導波路の光伝播の全反射条件を維持しながら、前記導波路基板と前記光学素子との間の光結合を提供するように構成されたパターン形成界面である、光学系が提供される。

前記パターン形成界面は、導波路基板の表面の前記少なくとも一部の表面レリーフによって；または光学素子の表面の表面レリーフによって；またはパターン形成された表面を有し、導波路基板の表面の前記少なくとも一部と光学素子との間に配置されたエアギャップフィルムによって形成される。最後の場合、エアギャップフィルムの実質的にパターン形成されていない表面は、パターン形成された表面が光学素子に面するように前記導波路基板の前記少なくとも一部に取り付けられ、あるいはパターン形成された表面が前記導波路基板の前記少なくとも一部に面するように前記光学素子の表面に取り付けられる。

前記パターン形成界面のパターンは、前記突起と前記突起に面する前記導波路基板の光学素子の表面との間に空気ポケットを形成する突起のアレイを含む。したがって、このようなパターンは、導波路と光学素子との間に疑似空気層／界面を形成する。これらの突起は、典型的には誘電材料を含む。好ましくは、突起の断面は、基部からの距離の関数として、突起の基部から先端に向かって徐々に変化するように構成される。この構成では、基部における突起の誘電材料の量が最大となり、先端部における突起の誘電材料の量が最小となることが好ましい。好ましくは、突起の誘電材料の比例部分は、基端部において実質的に１に等しく、遠位端において実質的に０に等しくなるように減少する。

いくつかの実施形態では、突起の長さは１ミクロン未満である。

好ましくは、突起の遠位端での有効屈折率が空気の屈折率と実質的に等しいような構成である。

パターン化された界面は、周期的パターンを含む。

パターン化された界面は、モスアイの構成を有することができる。

光学素子は、平坦な透明基板であってもよい。いくつかの実施形態では、光学素子はコリメートモジュールである。いくつかの実施形態では、光学素子はレンズである。

いくつかの実施形態では、さらなるパターン形成界面を介して、導波路基板の表面の別の部分に関連する付加的な光学素子が提供される。したがって、パターン形成界面は、導波路基板の反対側の表面に設けられてもよい。光学素子は、それぞれ、ユーザの眼に投影される（拡大された）画像を示す光波を結像し、外部のシーンをユーザの眼に結像させるように作用するレンズであってもよい。

いくつかの実施形態では、光学素子は、パターン形成界面に面する実質的に平坦な表面を有する少なくとも１つのレンズから構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、導波路基板および少なくとも１つの光学素子は、眼鏡フレームの内部に組み込まれる。

導波路基板と少なくとも１つの光学素子とは、周辺接着技術を用いて一緒に埋め込まれてもよい。導波路基板と光学素子は、一体的に埋め込まれていてもよい。

導波路基板は、基板から光波を放出するための少なくとも１つの部分反射面を含むことができる。そのような部分反射面は、典型的には導波路基板の主面に対して傾斜している。部分反射面は、回折素子として構成されていてもよいし、実質的に平坦面または湾曲面であってもよい。

本発明の別の態様は、上記の光学系と、投射される画像を示す光を生成する画像生成装置と、前記光を受け取り、その光を示すコリメート光波を導波路基板の方に向けるためのコリメートモジュールとを具える拡張現実システムまたはヘッドアップディスプレイシステムを提供する。

また、本発明は、上記光学系を具えた電子デバイスを提供する。このような電子デバイスは、スマートフォンデバイス、スマートウォッチデバイスであり、このような装置に使用される光学素子は、タッチスクリーンであってもよい。

本発明はまた、上記光学系で用いるための光モジュールを提供し、この光モジュールは、導波路の表面の少なくとも一部に少なくとも１つのパターン形成界面を有する導波路構造を有する。

本書に開示される主題をよりよく理解し、実際にどのように実施され得るかを例示するために、いくつかの実施形態を添付の図面を参照して非限定的な例として以下に説明する。

図面を具体的に参照すると、示された詳細は、実施例として、本発明の好ましい実施形態の説明のためのものであり、本発明の原理および概念的側面の最も有用で理解し易い説明であると信ずる。これに関して、本発明の基本的な理解に必要であるよりも詳細に本発明の構造的詳細を示す試みはなされていない。図面に関する説明は、本発明のいくつかの形態がどのように実際に具体化され得るかについての当業者への説明として役立つものである。

図１は、ヘッドアップディスプレイシステムの一般的な構成および動作原理を概略的に示す。図１は、ヘッドアップディスプレイシステムで使用される導波路構造における光伝播スキームの概略図である。図２および図３は、ディスプレイ光源から導波路構造への入力光波をコリメートして結合する２つの既知の構成をそれぞれ示す概略図である。 図２は、ヘッドアップディスプレイシステムの一般的な構成および動作原理を概略的に示す。図１は、ヘッドアップディスプレイシステムで使用される導波路構造における光伝播スキームの概略図である。図２および図３は、ディスプレイ光源から導波路構造への入力光波をコリメートして結合する２つの既知の構成をそれぞれ示す概略図である。 図３は、ヘッドアップディスプレイシステムの一般的な構成および動作原理を概略的に示す。図１は、ヘッドアップディスプレイシステムで使用される導波路構造における光伝播スキームの概略図である。図２および図３は、ディスプレイ光源から導波路構造への入力光波をコリメートして結合する２つの既知の構成をそれぞれ示す概略図である。 図４は、ヘッドアップディスプレイシステムに用いるための本発明の光学デバイスの例示的な実施形態を示し、光学素子は、光ガイド光学素子の外面に取り付けられた負レンズの形態である。 図５は、ヘッドアップディスプレイシステムで用いるための本発明の光学デバイスの例示的な実施形態を示し、光学素子は、光ガイド光学素子の外面に取り付けられた負および正のレンズの形態である。 図６Ａ〜６Ｃは、光デバイスの直接パターニング（図６Ａ、６Ｃ）、導波路表面の直接パターニング（図６Ｂ）によって得られた本発明の光学デバイスにおけるパターン形成界面の３つの異なる実施例を例示する図である。 図７Ａ、７Ｂは、エアギャップフィルムとして実施されるパターン形成界面の構成の例示的な実施形態の２次元と３次元の概略図であり、透明な誘電体材料の超微細周期構造（パターン）が、フォトニック領域の波長よりも短いピッチで、平坦な透明基板上に構成されている。 図８Ａ、８Ｂは、例示的なエアギャップフィルムの側面図および上面図をそれぞれ示す。 図９Ａ、９Ｂは、例示的なエアギャップフィルムの基部に近い内部断面の、側面図および上面図をそれぞれ示す。 図１０Ａ、１０Ｂは、例示的なエアギャップフィルムの空気に近い外部断面用の、側面図および上面図をそれぞれ示す。 図１１は、ＬＯＥの外面に取り付けられたエアギャップフィルムを示す図であり、結合された光波がＬＯＥとフィルムとの間の界面に衝突し、表面で完全に反射される。 図１２Ａ、１２Ｂは、本発明を利用したヘッドアップディスプレイシステムが、眼鏡にどのように組み込めるかを示し、ここでＬＯＥは２つの光学レンズ間に埋め込まれ、眼鏡フレームの内側に組み込まれている。 図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、ＬＯＥを含む非モノリシック光学素子が、どのようにして接着剤なしでフレームの内部に一緒に取り付けられた前面正レンズと背面負レンズとの間に埋め込まれるかを例示する。 図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、周辺接着技術を利用して、２つの光学レンズの間にＬＯＥを埋め込む別の技術を例示する。 図１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、２つの光学レンズの間にＬＯＥを一体的に埋め込むためのさらなる別の技術を例示する。 図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、２枚の平坦な基板の間に埋め込まれ、フレームの内部に組み込まれたＬＯＥを例示する。 図１７は、回折性の結合および／または分離する光学素子に関連する導波路基板の例を示す。 図１８は、小型のモバイルデバイスとして構成された手持ち式ディスプレイ（ＨＨＤ）に本発明の原理を使用した例を示す。

最初に図１、２および３を参照すると、本発明が関係する種類のヘッドアップディスプレイシステムの一般的な構成および動作原理が概略的に示されている。

図１は、本発明の光学デバイスに使用するのに適した光ガイド光学素子（ＬＯＥ）または基板と呼ばれる平坦な導波路２０における光伝播スキームを示す。一般に、導波路２０は、その中を伝播する光に全内部反射（ＴＩＲ）条件を提供するように構成される。導波路基板２０は、光入力領域２１（後述するコリメートモジュールの出力部と位置合わせされている）と、導波路内に適切な向きで配置された光配向界面１６、２２とを有する。

図示されるように、（コリメートされ、見る人に提示される画像を示す）入力光波１８は、反射界面１６と相互作用し、これらの光波は、内部全反射によってＬＯＥの平坦な導波路基板２０の内部にトラップされるように反射される。基板２０の主要な下面２６および上面２８からのいくつかの反射の後、トラップされた光波は選択的かつ部分的な反射面２２のアレイに到達し、そこで光は基板から出て見る人の目２４の瞳孔２５の方へ伝播する。

ここで、ＬＯＥの光入力面は、入力光波がＬＯＥに入る面とみなされ、ＬＯＥの光出力面は、トラップされた光波がＬＯＥを出る面とみなされる。図１に示すＬＯＥ構成では、入力面と出力面の両方がＬＯＥ２０の下面２６にある。しかしながら、入力および画像の光波が基板２０の反対側に位置したり、光が基板の傾斜した縁部を介してＬＯＥに結合される他の構成も考えられる。

図２、３は、ヘッドアップディスプレイシステムの２つの例を例示しており、ここでは光学系が上述のＬＯＥ２０とコリメートモジュール６とを具える。画像生成装置４（例えば、プロジェクタ）の出力であり、したがって表示されるべき画像を示す光波２は、その下面３０からコリメートモジュール６に入る。典型的に、光波２は特定の偏光を有し、例えばｓ偏光の入力光波２である。コリメートモジュール６は、通常、光波を透過する材料からなり、偏光ビームスプリッタ３１と、偏光回転子（例えば１／４波長遅延板）３４、４０と、反射器３６、４４（例えば、金属コーティングまたは誘電コーティング）とを具える。したがって、入力偏光２は、コリメートモジュール６の小面３０を通過し、ビームスプリット面３１によって１／４波長遅延板３４に向かって反射され、このようにして生成されたｐ偏光が反射器３６（例えば、平面ミラー）で反射され、波長板３４を通って偏光ビームスプリッタ面３１を通過する。これらのｐ偏光された光は、コリメートモジュール６の小面３８を通って第２の１／４波長遅延板４０を通過し、レンズなどの構成要素４２によってコリメートされた後、反射器４４（例えば、レンズ面の反射コーティング）によって反射され、波長板３４を介して経路に戻される。今度はｓ偏光された光波は、偏光ビームスプリッタ面３１により反射されて、ＬＯＥの入力領域２１に面するモジュールの小面４６を通ってコリメートモジュール６を出る。コリメートモジュールの本体６は、プリズム５２および５４（例えば、屈曲プリズム）によって構成することができる。

図２、３の例に示すように、コリメートモジュール６からの光出力４８は、その下面２６の入力領域２１を通って導波路／基板２０に入る。基板２０に入射する光波４８は、光誘導要素１６によって反射され、図１を参照して説明したように、基板内にトラップされる。上述のような構成要素で構成されたコリメートモジュール６は、正確な機械的公差を必要とせずに単一の機械的モジュールに容易に統合され、導波路基板とは別個に組み立てられることができる。さらに、遅延板３４および４０は、それぞれ関連する反射光学素子３６および４２と一緒に接合されて、２つのユニットを形成することができる。

図２の例では、コリメートモジュール６は、導波路２０の入力領域２１からのエアギャップによって隔てられている。コリメートモジュール６のすべての構成要素を導波路基板２０に、適切な整列状態でその入力領域２１に取り付けて、簡単な機械的構成の単一のコンパクトな装置を形成することが有利となる。これが図３に例示されており、コリメートモジュール６の上面４６が、界面５８で基板２０の下面２６に取り付けられている。しかしながら、モジュール６と導波路２０間を物理的に取り付けた構成ではこれらの構造間にエアギャップ（図２の５０）は生じないが、このようなエアギャップは、基板２０の内部に入力光波４８をトラップするために不可欠である。トラップされた光波４８は、界面５８の点６２、６４で反射されるべきである。したがって、基板２０の主表面２６またはコリメートモジュール６の上面４６のいずれかで、この面に反射機構が適用されるべきとなる。しかしながら、これらの表面はまた、例えば点６６で基板２０に出入りする光波を透過させなければならないため、単純な反射コーティングを容易に適用することはできない。小さい入射角で面４８に入射する光波はこの面を通過する必要があり、より高い入射角を有する光波が反射されるべきである。通常、通過する入射角は０°乃至１５°であり、反射される入射角は４０°乃至８０°である。

上述した公知のヘッドアップディスプレイシステムでは、ＬＯＥに結合される画像は無限遠にコリメートされる。また、ほとんどのヘッドアップディスプレイのアプリケーションでは、シーンは無限遠に位置すると仮定される。しかし、例えば近視であって遠距離にある画像を適切に見ることができない人々のために、送信画像をより近い距離に焦点合わせする必要がある用途がある。また、外部シーンがより近い距離に配置する専門的または医学的用途がある。

図４、５を参照すると、ヘッドアップディスプレイシステムの光モジュールに追加の光学素子を組み込むことを提供する本発明の光学装置／システムを例示している。なお、以下の説明では、このような追加の光学素子をレンズ（すなわち光学度数を有する光学素子）として例示するが、本発明の原理はこの具体例に限定されるものではなく、光学度数を有するか否かを問わず、任意の適切な形状の光学素子に使用することができる。

説明と理解を容易にするために、すべての実施例において機能的に共通の構成要素を識別するために同じ参照番号が使用される。

したがって、図４、５は、本発明の光学装置／モジュール１０２を含むシステム１００を示しており、これは画像形成装置（例えば、プロジェクタ）４によって生成された画像を示すコリメートされた光をコリメートモジュール６から受け取り、ユーザが見るためにこの画像を伝送する。概略的に図示するように、無限遠からの像１８が、光誘導要素（反射面）１６によって導波路基板２０に結合され、次いで、部分反射面２２のアレイによって見る人の眼２４へとさらに配向（反射）される。光学装置１０２はまた、レンズ８２のような光学要素を含む。

図４の例では、これは平凹レンズ８２であり、所定の焦点面上に画像を集束させ、随意的に、例えば乱視など、見る人の眼の他の収差を補正する。光学素子（レンズ）８２は、その平坦な表面部分８４において導波路基板２０から適切に光学的に分離されている。導波路２０と光学素子８２との間に光学的分離を提供する界面領域において、導波路の伝播と光出力が生じる部分は、本書では時に活性領域と呼ばれる。

図５の例では、追加の光学素子８２は二重レンズ構成を有し、レンズ８２Ａ、８２Ｂが、導波路の出力領域と位置合わせされた導波路２０の反対側に配置されている。（モジュール６によるコリメートによって得られる）無限遠からの画像光波１８は、反射面１６によって導波路基板２０に結合され、次いで部分反射面２２のアレイによって反射され、レンズ８２Ａによって見る人の眼２４に集束される。近距離シーンからの別の画像光８６が、レンズ８２Ｂで無限遠にコリメートされ、次いで導波路基板２０を通過して見る人の目２４に入る。レンズ８２Ａは、投影画像１８と外部シーン画像８６との両方を適宜距離の、（必ずしもそうではないが）通常は外部シーン画像の元の距離との便利な距離の焦点面上に合焦させ、必要であれば見る人の他の収差を補正する。

レンズ８２（図４）およびレンズ８２Ａ、８２Ｂ（図５）は、単純な平凹レンズおよび平凸レンズである。しかしながら、導波路基板の平面形状を維持するために、細かい段差を有する薄い成型プラスチックプレートから作成できるフレネルレンズを利用することが可能である。さらに、レンズを実装する別の方法は、上述のような固定レンズを使用する代わりに、電子制御ダイナミックレンズを使用することである。ユーザが非コリメート画像を見ることができるだけでなく、画像の焦点を動的に制御する応用例もある。ホログラフィック素子を形成するために、高解像度の空間光変調器（ＳＬＭ）を使用できることが示されている。現在、この目的のために最も人気のあるソースはＬＣＤデバイスだが、他のダイナミックＳＬＭデバイスも同様に使用できる。数百の特徴（線）を有する高解像度の動的レンズが知られている。この種の電気光学的に制御されたレンズは、図４、５に関連して上述した固定レンズの代わりに、本発明の光学装置における所望の動的要素として使用することができる。したがって、リアルタイムで、ユーザは、導波路基板によって投影された虚像（拡張像）と、外部シーンの実像の両方の正確な焦点面を決定して設定することができる。レンズ８２（図４）およびレンズ８２Ａ、８２Ｂ（図５）は、任意の所望の／要求される形状係数（寸法）であってもよく、例えば補正レンズ用のアイモーションボックス領域に対応させたり、および／または導波路基板２０全体またはその所望の／必要な部分と位置合わせしてもよい。例えば、光学素子８２が保護素子である場合、導波路の表面全体と整列される（すなわち、相互作用領域は導波路基板全体に沿って延在する）ことが好ましい。これは、追加の光学素子の種類、ならびに導波路および光学素子の製造技術に依存する。

図３に関して上で説明したように、レンズと導波路基板との間には薄いエアギャップが確保されて、全内部反射によって導波路基板内の画像光波（投影画像の光波１８）が確実にトラップされるようにしている。

図４、５に示すように、光学素子８２（単一レンズまたは二つのレンズ８２Ａ〜８２Ｂ）を導波路基板２０に取り付けることにより、単一の（一体型の）小型の単純化された機械的モジュールを形成することが有利である。明らかに、前述の主な問題は、基板２０と光学素子８２との間の既存のエアギャップが取り除かれることであり、このエアギャップは導波路基板２０の内部に画像光波をトラップするために不可欠である。図５に示すように（図４にも当てはまる）、トラップされた画像光波は、界面領域８４の点／位置９０で反射され、同じ界面を点／位置９２で通過する。したがって、この領域には図３に関連して上記したものと同様の反射機構を適用すべきである。

必要な全反射機構を達成するために、界面領域８４は、サブ波長構造を有するパターン８５で適切に構成されるべきであり、すなわち所定の波長範囲の波長に対して角度感応反射を引き起こす屈折率プロファイルを生じる、超微細構造／サブ波長構造を形成するように選択された高さおよび間隔を有する離間した突起の配列の形態の表面レリーフで構成されるべきである。

パターン形成界面８４は、導波路の外面の少なくとも一部または光学素子の外面の少なくとも一部にパターン（表面レリーフ）を設けることによって実現されてもよい。これが、図６Ａから６Ｃに例示されている。理解を容易にするために、図のパターンは縮尺通りではないことを理解されたい。図６Ａ、６Ｃの例では、パターン形成界面８４は、光学素子８２の表面の少なくとも一部を直接パターニング（表面レリーフ形成）することによって形成される。図６Ｂの例では、パターン形成界面８４は、導波路基板２０の表面２８の少なくとも一部の直接パターニング（表面レリーフ形成）することによって形成される。

上述したように、導波路の表面および／または光学素子の表面の少なくとも部分的な直接パターニングによって生成されたこのようなパターン形成界面は、任意の公知の適切なパターニング技術を用いて得ることができる。そのような技術のいくつかの限定されない具体例は、プラズマエッチングプロセスを用いた微細構造のランダムテクスチャの形成、所望の超微細構造を有する金型によるハードコートのＵＶインプリント／熱エンボス加工、表面上のハードコートの２Ｄ干渉リソグラフィ、標準的な高解像度リソグラフィーを含む。

代替的に（または追加的に）、パターン形成界面は、導波路の表面と光学素子の間に別個のパターン形成された要素を用いてもよい。このような別個のパターン形成された要素は、本発明による、擬似エアギャップを効果的に生成する角度感応反射機構を提供するように構成されたモスアイ構造の原理を利用して構成されたフィルム（いわゆる「エアギャップフィルム」）の形態であってもよい。このような透明なエアギャップフィルムは、導波路基板の主面または光学素子の表面に取り付けられてもよい。このようなエアギャップフィルムを模式的に図７Ａ、７Ｂに示す。エアギャップフィルムは、その表面に、フォトピック（ｐｈｏｔｏｐｉｃ）領域の波長よりも短い小ピッチで配置された構造の超微細周期パターン８５（表面レリーフ）を表面に有する平坦で透明な（誘電体）基板／ベース１１２を有する光学デバイス１１０であり、例えば、密な（不均一な）超微細周期構造を有するモスアイフィルムである。表面レリーフの高さは、（必ずしも必須ではないが）好ましくは１ミクロン未満である。このフィルム１１０は、導波路２０の表面と光学素子８２の表面との間に配置された場合（一方の表面に取り付けられた場合）に、パターン形成界面領域８４を提供する。

図６Ａ〜６Ｃおよび図７Ａ〜７６Ｂに示すように、パターンの突起／構造は、好ましくは、突起の断面寸法が、基部から突起の先端に向かう方向に徐々に減少するように、変化する断面を有する。パターン８５は、構造体の遠位端が光学素子または導波路のいずれかに面するようにされている。

図８Ａ、８Ｂにより具体的に示すように、エアギャップフィルム１１０の表面に平行な任意の断面１２１は、周期的な構造／突起を有し、レリーフ構造における誘電体材料１２３の比例部分は、フィルム自体からの距離の関数として徐々に変化している。

図９Ａ〜９Ｂ、図１０Ａ〜１０Ｂに示すように、フィルムの基部１１２、すなわち超微細構造８５の下（近位）部分に近い内側断面１２４において、レリーフ構造１２６内の誘電材料１２５の比例部分は最大であり１に近く、一方で超微細構造８５の上部（遠位端）に近い外側断面１２７では、レリーフ構造１２９内の誘電体材料１２８の比例部分は最小であり、すなわち、材料１２５よりも著しく低く、実質的にゼロに等しい。

典型的には、周期パターン構造を有する光デバイスを光波が通過すると、光の回折が起こり、回折光の０次の輝度、すなわち回折を伴わずにデバイスを透過する光がかなり低減される。しかしながら、超微細周期構造のピッチが入射光の波長よりもかなり短い場合、回折は生じない。その代わり、光波は、この媒体に含まれる材料の平均である実効屈折率を有する媒体と相互作用するので、有効な反射防止特性が得られる。

一方、斜めの角度で構造体の上側（遠位端）の周期超微細構造８５に光波が当たると、周期構造の外側部分のみを「見る」（影響を受ける）ことになり、透明材料の比例部分は非常に低い。したがって、入射光波によって「見える」（すなわち、光波伝播に影響を及ぼす）実際の／有効な屈折率は、空気の屈折率に近くなる。

図１１に示すように、導波路基板２０の外面２８と光学素子８２の外面８７との間に、このようなパターン化構造（例えばエアギャップフィルム）を設けると（例えば、この特定の非限定的な例では光学素子の表面にフィルムが接着されている）、パターン化構造が導波路に面し、パターン形成界面領域８４を構成する。結合された光波１３０は、導波路基板２０とパターン／フィルムの遠位端との間の界面１３２に限界角度より大きな角度で衝突し、フィルム１１０と導波路基板２０との間に閉じ込められた空気１３１が、境界面における空気に似た屈折率のために光学的遮断を提供する。したがって、外面からの結合された光波の全反射の状態は保存され、光波は導波路基板に内包される。このような空気フィルムを導波路基板２０の外面２８に、光学素子８２に面するパターン化構造を用いて取り付けると（または導波路基板を直接パターニングすると）、同様の効果が生じることを理解されたい。ピークトゥピークの高さおよびその幅といった超微細構造の幾何学的特性は、１０から８００ナノメートルの間であり得る。超微細構造の形状は、モスアイ構成である必要はないことを理解されたい。ピラミッド、プリズム、コーンその他のような他の任意のナノ構造形状を利用することができる。さらに、超微細構造は、周期構造とすると通常製造が容易であるが、特に周期的である必要はない。本発明で使用するのに適した超微細構造は、一方では、接着プロセス中に崩壊しない程度に十分に剛体であり、他方では、構造体の外側断面の誘電材料の比例部分は、実質的にゼロに等しく、導波路基板内の全反射条件を維持するものである。さらに、超微細構造の基本要素のサイズは、回折効果を避けるためにあまり大きくはない。しかしながら、超微細構造の厚さを１００ｎｍ未満に減少させると、トラップされた光波がエアギャップフィルムに透過し、全反射現象が劣化するため、望ましくない。したがって、超微細構造の厚さは、好ましくは２００〜３００ｎｍである。

図１２Ａ、１２Ｂを参照すると、図１２Ａは眼鏡システム１４０を概略的に示し、図１２Ｂは二重レンズ光学素子のレンズ１４１、１４２（上記の二重レンズ構成８２Ａ〜８２Ｂに対応する）の間に埋め込まれ、眼鏡フレーム１４３内に組み込まれた導波路基板２０を示す。図示するように、光学素子に加えて、フレームは、カメラ１４４、マイク１４５、イヤホン１４６、ＵＳＢコネクタ、メモリカード、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）などの他のアクセサリを含むことができる。

図１３Ａ、１３Ｂ、および１３Ｃは、接着剤なしでフレーム１５４内に一緒に取り付けられた、前部正レンズ１５１および後部負レンズ１５２（二重レンズまたは二部材でなる光学素子を構成する）の間に埋め込まれた導波路基板２０を含む非モノリシック光学デバイス１５０を示す。この特定の例では、導波路２０と光学素子との間のパターン形成界面８４は、エアギャップフィルムによって構成されているが、上記のように、本発明はこの具体例に限定されないことを理解されたい。エアギャップフィルム１１０（図１３Ｃ）は導波路基板２０とレンズ１５１、１５２との間に配置または接合することができ、超微細構造８５はそれぞれ導波路基板２０の外面２６、２８に面している。エアギャップフィルム１１０（図１３Ｃ）はまた、超微細構造８５が導波路基板２０の外面２６、２８にそれぞれ対向するように、導波路基板２０とレンズ１５１、１５２との間に配置または接合することもできる。エアギャップフィルム１１０は、感圧接着剤（ＰＳＡ）、熱硬化性またはＵＶ硬化性接着剤を使用して光学レンズ１５１、１５２の平面上に直接接合することができ、またはエンボス加工、射出成形、キャスティング、機械加工、ソフトリソグラフィーまたは任意の他の関連する製造方法を利用してレンズの一体部分として直接製造することができ。埋込み型の光学素子１５０は、圧力または接合技術を利用してフレーム１５４内に組み入れることができる。任意の公知の適切なパターニング技術を用いて得られる導波路の表面または光学素子の表面の少なくとも部分的な（活性領域内の）直接パターニングによって界面を形成するようにしてもよい。

２つの光学レンズの間に導波路基板２０をモノリシックに埋め込むための別の技術が、図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに例示されている。導波路基板２０は、周縁接着技術を利用して光学レンズ間に埋め込まれている。前部レンズ１５１および後部レンズ１５２は、光学的または非光学的な接着剤あるいはすべての構成要素を一緒に取り付ける任意の他の高粘度接着剤１５６を使用して、導波路基板２０の周縁に接合されている。接着剤の粘度は、フィルム１１０と導波路基板２０との間に閉じ込められた光学的活性領域またはエアポケット１３１の突起間に接着剤が漏出するのを防ぐために十分に高く選択される。このような漏れは、導波路基板の外面からの光波の全内部反射を保つために必要とされるエアギャップをなくしてしまう。必要な接着剤１５６は、例えば、ＯＰ−６７−ＬＳまたは任意の室温加硫（ＲＴＶ）シリコーンであり得る。界面はまた、任意の公知の適切なパターニング技術を使用して得られる導波路の表面または光学素子の表面の少なくとも部分的な（活性領域の）直接パターニングによって生成され得る。

２つの光学レンズの間に導波路基板２０をモノリシックに埋め込むさらなる別の代替技術が、図１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃに例示されている。埋め込み素子の製造手順は、超微細構造８５が導波路基板２０の外面２６、２８に面するようにエアギャップフィルム１１０を配置するステップと、静電気などの接着技術を利用するステップと、必要な要素の外形を有する型１６０を準備するステップと、導波路基板２０を型内に挿入するステップと、液状樹脂ポリマーを型にキャスティングまたは注入し、ＵＶまたはポリマー温度を変化させることによってポリマーを硬化させ、最終的に、埋め込まれた要素を型から出すステップとであり得る。図１４Ａ〜１４Ｃに関して上記したように、導波路基板２０とエアギャップフィルム１１０との間のエアポケット１３１へ材料が漏れないように、超微細領域は射出成形時に注入される材料から遮断されている。

上述した図１２Ａ〜１５Ｃは、２つの光学素子（レンズ）の間に埋め込まれた導波路基板を含む光学デバイスを形成するための異なる技術を示す。しかし、いくつかの用途では、導波路基板の外面に平坦な要素を取り付ける必要がある。そのような実施形態の一例が上述の図４に示されており、コリメート素子／モジュール６が導波路基板２０に取り付けられている。平坦な光学素子を導波路基板に取り付けるいくつかの他の理由は、ユーザの眼の安全を向上するために導波路基板を機械的に保護するため、または平坦な要素の外面にコーティングしてフォトクロミック応答性、擦過抵抗性、超疎水性、着色性（カラー）、偏光、アンチフィンガー（ａｎｔｉ−ｆｉｎｇｅｒ）印刷などの様々な特性を達成するためがある。

２つの平坦な光学素子（基板）１６２、１６４の間に埋め込まれ、フレーム１６６、１６７内に組み入れられた導波路基板２０が、図１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃに例示されている。導波路基板および平坦な要素の埋め込みプロセスは、機械的接着、周辺接合、またはモノリシック製造を用いて実現することができる。埋め込みプロセスは、導波路基板の外面の１つに単一の要素のみを取り付けること、または平坦な基板や湾曲したレンズのような異なる要素を組み合わせることを含み得る。

これまで説明したすべての実施形態では、光波を導波路基板から分離する要素は、導波路基板２０の内部に位置する１以上の平坦な部分反射面２２であり、これは通常、部分反射誘電体コーティングを用いて得られ、導波路基板の主面に非平行である。しかしながら、本発明に従ってパターン形成界面の形態で設けられる特別な反射機構は、他の分離（ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ｏｕｔ）技術に対しても利用することができる。図１７は、回折素子である結合要素１７０および／または分離要素１７２が設けられた導波路基板２０を示す。さらに、湾曲した部分反射面および他の手段のような他の分離要素を使用することができる。

上述の図１２〜１６の実施形態は、本発明の簡単な実施例を示す単なる例である。システムのコアを構成する基板案内光学素子は非常に小型で軽量であるため、非常に広範な装置に設置することができる。したがって、バイザー、折り畳みディスプレイ、単眼鏡など、多くの他の実施形態も可能である。この実施形態は、ディスプレイが目に近いところにある、ヘッドマウント式、頭部装着型または頭部担持型の応用例のために指定されている。しかし、ディスプレイの位置が異なるアプリケーションもある。このような応用例の一例は、例えばスマートフォンやスマートウォッチなどのモバイルアプリケーション用の手持ち式デバイスである。これらのスマートデバイスの主な問題は、要求される小さなサイズや体積と所望の高品質画像との間の矛盾である。

図１８は、本発明の原理に基づく別の技術を示しており、小型のモバイル機器と、フルフォーマットディスプレイでデジタルコンテンツを見る欲求との間の現在の必要な妥協を排除するものである。このアプリケーションは、高品質の画像をユーザの目の中に直接投影することによって、小型モバイル機器の実現と、デジタルコンテンツをフルフォーマットディスプレイで見る要求との以前の反対要求を解決する手持ち式ディスプレイ（ＨＨＤ）である。光モジュール／デバイスは、スマートデバイス２１０の本体にすべて一体化されたディスプレイソース４（画像発生器）と、折り畳みコリメート光学系６と、導波路基板２０とを具え、導波路基板２０は、電話の既存の保護カバーウィンドウを代替する。具体的には、ソース４と光学系６とを含むサポート部品の容積は、現代のスマートデバイスの容認可能な容積内に収まるほど十分に小さい。装置が送信するフルスクリーンを見るために、装置のウィンドウは使用者の目２４の前に配置され、、高いＦＯＶ、大きなアイモーションボックス、および快適なアイレリーフで画像が観察される。また、画像の異なる部分を表示させるべく装置を傾けることによって、大きなアイレリーフでＦＯＶ全体を見ることも可能である。さらに、光モジュールはシースルー構成で動作可能であるため、装置のデュアル動作が可能であり、すなわち、従来のディスプレイ２１２をそのまま維持する選択肢がある。このようにして、ディスプレイソース４が遮断されたときに導波路基板２０を通して標準表示を見ることができる。巨大なインターネットサーフィンまたは高品質映像操作のために指定された第２の仮想モードでは、従来のディスプレイ２１２は遮断され、一方でディスプレイソース４が必要な広いＦＯＶ画像を導波路を通して視聴者の眼に投影する。通常、手持ち式スマートデバイスの大部分では、ユーザは、デバイスのフロントウィンドウに埋め込まれたタッチスクリーンを使用してスマートデバイスを操作することができる。図１８に示すように、導波路基板２０上に配置されたエアギャップフィルム１１０の外面にタッチスクリーン２２０を直接接合することによって、スマートデバイスに取り付けることができる。

Claims (22)

1. 光学系であって、
   投射される画像を示す入力光を受光し、前記入力光を全内部反射によって導く導波路基板であって、出力経路に沿って所定の方向に伝播するよう前記導波路基板から光を分離するように構成された光を伝える導波路基板と、
   前記出力経路に配置され、前記光を伝える導波路基板の表面の少なくとも一部とインターフェースする少なくとも１つの透明な光学素子とを具え、
   前記導波路基板が少なくとも１つの前記透明な光学素子にモノリシックに埋め込まれており、
   前記光を伝える導波路基板の表面の少なくとも一部と前記光学素子の表面との間の界面領域は、前記光を伝える導波路基板内における光の伝播の全内部反射条件を維持しつつ、前記光を伝える導波路基板と前記光学素子との間の光結合を提供するように構成されたパターン形成された界面であり、
   前記パターン形成された界面のパターンは、前記導波路基板の表面と光学素子の表面との間にエアポケットを形成する、突起のアレイを含み、
   前記突起の断面が、当該突起の基部から遠位端に向かって前記基部からの距離の関数として徐々に変化するように各突起が構成されていることを特徴とする光学系。
2. 請求項１に記載の光学系において、前記パターン形成された界面は、前記導波路基板の表面の少なくとも一部または前記光学素子の表面上のいずれかの表面レリーフによって形成されることを特徴とすることを特徴とする光学系。
3. 請求項１に記載の光学系において、前記パターン形成された界面は、パターン形成された表面を有し、前記導波路基板の表面の少なくとも一部と前記光学素子との間に位置するエアギャップ膜によって形成されることを特徴とする光学系。
4. 請求項３に記載の光学系において、前記エアギャップ膜は、前記パターン形成された表面が前記光学素子に面するように、前記導波路基板の少なくとも一部に取り付けられ、あるいは前記パターン形成された表面が前記導波路基板の少なくとも一部に面するように、前記光学素子の表面に取り付けられる実質的にパターン形成されていない表面によるものであることを特徴とする光学系。
5. 請求項１に記載の光学系において、前記突起は、誘電材料を含むことを特徴とする光学系。
6. 請求項５に記載の光学系において、前記突起の断面は、前記基部における前記突起の誘電材料の量が最大となるように、前記基部から前記遠位端に向かって徐々に減少することを特徴とする光学系。
7. 請求項６に記載の光学系において、（ｉ）前記遠位端における前記突起の誘電材料の量が最小限である；（ｉｉ）前記突起の誘電材料の比例部分は、前記基部における実質的に１に等しいものから、前記遠位端における実質的にゼロに等しいものへと減少する、のうちいずれか１の構成を有することを特徴とする光学系。
8. 請求項１に記載の光学系において、前記突起の長さは、１ミクロン未満であることを特徴とする光学系。
9. 請求項１に記載の光学系において、前記突起の遠位端における実効屈折率が、空気の屈折率と実質的に等しいことを特徴とする光学系。
10. 請求項１に記載の光学系において、前記パターン形成された界面は、周期的なパターンを含むことを特徴とする光学系。
11. 請求項１に記載の光学系において、前記パターン形成された界面は、モスアイの構成を有することを特徴とする光学系。
12. 請求項１に記載の光学系において、少なくとも１つの前記透明な光学素子は、平坦な透明基板として構成され；コリメートモジュールとして構成され；レンズとして構成され；前記パターン形成された界面に面する実質的に平坦な表面を有する少なくとも１つのレンズを含む、のうち少なくとも１の構成を有することを特徴とする光学系。
13. 請求項１に記載の光学系において、さらに、追加のパターン形成された界面を介して前記導波路基板の表面の別の部分に光学的に結合された追加の光学素子を具えることを特徴とする光学系。
14. 請求項１３に記載の光学系において、前記パターン形成された界面は、前記導波路基板の対向する面にそれぞれ関連付けられていることを特徴とする光学系。
15. 請求項１４に記載の光学系において、前記光学素子は、ユーザの眼に投影される画像を示す光波をそれぞれ結像するとともに、ユーザの目に外部シーンを結像する役割を果たすレンズであることを特徴とする光学系。
16. 請求項１に記載の光学系において、前記導波路基板が、前記光波を前記基板から分離させるための少なくとも１つの部分反射面を含むことを特徴とする光学系。
17. 請求項１６に記載の光学系において、前記少なくとも１つの部分反射面は、前記導波路基板の主面に対して傾斜し；回折素子として構成され；実質的に平坦な表面であり；曲面である、のうち少なくとも１の構成を有することを特徴とする光学系。
18. 拡張現実システムであって、請求項１に記載の光学系と、拡張画像を示す光を生成する画像生成装置と、前記光を受け取り、その光を示すコリメートされた光波を導波路基板の方に向けるためのコリメートモジュールとを具えることを特徴とする拡張現実システム。
19. ヘッドアップディスプレイシステムであって、請求項１に記載の光学系と、投影される画像を示す光を生成する画像生成装置と、前記光を受け取り、その光を示すコリメートされた光波を導波路基板の方に向けるためのコリメートモジュールとを具えることを特徴とするヘッドアップディスプレイシステム。
20. 請求項１に記載の光学系を具える電子機器において、スマートフォン装置として構成され；スマート・ウォッチ・デバイスとして構成され；タッチスクリーンとして構成される前記光学素子を具える、のうちいずれか１の構成を有することを特徴とする電子機器。
21. 請求項１２に記載の光学系において、少なくとも１つの前記透明な光学素子が少なくとも２つのレンズを具え、前記導波路基板が前記２つのレンズの間にモノリシックに埋め込まれていることを特徴とする光学系。
22. 請求項１２に記載の光学系において、少なくとも１つの前記透明な光学素子が少なくとも２つの平坦な透明基板を具え、前記導波路基板が前記２つの平坦な透明基板の間にモノリシックに埋め込まれていることを特徴とする光学系。
    

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