JP7478476B2 - 長方形導波路を使用する開口乗算器 - Google Patents

Description

本発明は、光学的開口乗算器（ｏｐｔｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、具体的には、そのような開口乗算器を利用する、長方形導波路、ニアアイディスプレイ、及びヘッドアップディスプレイに関するものである。

ニアアイディスプレイ又はヘッドアップディスプレイのための光学配置は、視点が位置する領域を覆うための大きな開口を必要とする（アイモーションボックス）。コンパクトな装置を実施するために、大きな開口を生成するために掛け合わされる小さな開口を持つ小さな光画像生成装置により、画像が生成される。

一次元での開口の乗算のための方法が、内反射により画像が中で伝播する透明材料の平行面スラブ（ｐａｒａｌｌｅｌ－ｆａｃｅｄ ｓｌａｂ）に基づいて開発された。画像波面の一部は、斜めに角度を付けた部分反射器の使用により、又は、スラブの１つの表面上での回折光学素子の使用により、スラブから連結される。そのようなスラブは、一次元での内反射により画像波面を含むという点で、本明細書では一次元導光路と称されている。スラブの面（即ち、スラブ表面）において、画像は、導波路にわたって画質を維持するようにコリメートされねばならない。

スラブ伝播方法は、開口の乗算の第２段階に非常に適しており、スラブは観察者の目（ニアアイディスプレイのためのガラスレンズ、又はより大きなヘッドアップディスプレイのためのウィンドウのようなもの）とは反対に配置され、最終出力表面を形成して、そこから画像が目に到達する。しかし、この方法は乗算の第１段階には最適ではなく、画像波面の幅と比較されたスラブの幅が装置にかさ及び重量を加えることが必要とされる。

本発明は、長方形導波路を含む光学的開口乗算器である。

本発明の特定の実施形態の教示に従い、光学的開口乗算器が提供され、該光学的開口乗算器は、
（ａ）伸長方向を持つ第１の光導波路であって、第１の光導波路は長方形断面を形成する第１の対の平行面及び第２の対の平行面を有しており、複数の部分反射面が第１の光導波路を少なくとも部分的に横断し、部分反射面が伸長方向に対して斜角である、第１の光導波路；及び
（ｂ）第１の光導波路と光学的に連結される第２の光導波路であって、第２の光導波路はスラブ型の導波路を形成する第３の対の平行面を有しており、複数の部分反射面が第２の光導波路を少なくとも部分的に横断し、部分反射面が第３の対の平行面に対して斜角である、第２の光導波路
を含み；
ここで、第１の光導波路及び第２の光導波路の光連結面と部分反射面は、第１の光導波路の平行面及び第２の光導波路の平行面の両方に対して斜めの連結角度で最初の伝播方向で画像が第１の光導波路に連結される時に、画像が第１の光導波路に沿った４回の内反射により進み、第２の光導波路に連結するように画像の強度の一部が部分反射面にて反射し、及び、第２の光導波路内で２回の反射を伝播し、目に見える画像として前記平行面の１つから外側に向けられるように画像の強度の一部が前記部分反射面にて反射するように、構成される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の対の平行面は、第１の面と第２の面を含み、第２の対の平行面は、第３の面と第４の面を含み、第１の面の端部は第１の近位縁部にて終端となり、第３の面の端部は第２の近位縁部にて終端となり、
光学的開口乗算器は更に、光導波路に一体形成され又は光学的に連結される連結反射構造を含み、連結反射構造は：
（ａ）第３の面の近位拡張部として、又は第３の面に平行であり且つその外部に反射器として配置される第１の反射器であって、第３の面の幅よりも広い、伸長方向に垂直な幅を持つ、第１の反射器、及び
（ｂ）第４の面の近位拡張部として、又は第４の面に平行であり且つその外部に反射器として配置される第２の反射器であって、第４の面の幅よりも広い、伸長方向に垂直な幅を持つ、第２の反射器
を含み、
それにより、光入力軸に沿って見ると、第１の近位縁部と第２の近位縁部は、第１の近位縁部と第２の近位縁部により連結される目に見える導波路開口を提示し、第１の近位縁部と第２の近位縁部の画像は、連結反射構造において反射される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、光入力軸は第１の反射器及び第２の反射器の両方に対して傾斜している。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、連結反射構造は、光導波路に一体形成される又は光学的に連結される連結プリズムとして実装され、連結プリズムは、光入力軸に全体的に垂直な連結面を提示する。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、連結反射構造は、光導波路に一体形成される又は光学的に連結される連結プリズムとして実装され、連結プリズムは、画像投影構造の少なくとも１つの光学素子に統合される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、少なくとも１つの光学素子は、入力面、反射器面、内部傾斜光束分割素子、及び出力画像伝播の主要な方向にほぼ直交する出力面を持つ、ビームスプリッタープリズムを含み、連結反射器の前記第１の反射器及び第２の反射器の少なくとも一部は、出力面の平面にわたって広がる。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、連結反射構造は、前記光導波路に一体形成される又は光学的に連結される連結プリズムとして実装され、連結プリズムは、目に見える導波路開口に当たるように第１の反射器及び第の反射器の１つに垂直な光学軸に沿って光入力を反射するために傾斜反射面を提示する。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、目に見える導波路開口と完全に重なるように光入力軸に沿って無限にコリメートされる画像を投影するために配置される、画像プロジェクターも提供される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、画像プロジェクターと連結反射構造との間の光路に挿入されるデポラライザ要素も提供される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の光導波路は、第２の光導波路の端面に光学的に連結され、前記端面は第３の対の平行面の間を伸びる。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、端面は第３の対の平行面に直交している。

本発明の実施形態の代替的な特徴に従い、端面は、第３の対の平行面に傾斜して角度を付けられている。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第２の光導波路の部分反射面は、一連の平行線において第３の対の平行面の第１と交差し、端面は、縁部に沿って第３の対の平行面の第１に接触し、縁部は一連の平行線とは平行でない。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の光導波路は第３の対の平行面の１つに光学的に連結される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の光導波路の部分反射面は、第１の対の平行面及び第２の対の平行面の両方に対して斜角である。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の対の平行面及び第２の対の平行面からの少なくとも１つの面は、誘電体ミラーを形成するために誘電材料の層で覆われる。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の光導波路の面のうち１つは連結面であり、これを介して第１の光導波路は第２の光導波路と光学的に連結され、第１の光導波路の複数の部分反射面は重なり合った関係であり、その結果、連結面への一次画像伝播方向に沿った部分反射面の幾何学的投影において、投影の内部にある領域の大半が、部分反射面の少なくとも２つの投影の内部に含まれる。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、第１の光導波路に連結され、且つ、角度方向の第１の広がりを持つ第１の画像を第１の光導波路に導入するように配置される、画像投影構造も提供され、ここで、４回の内反射は、角度方向の第２、第３、及び第４の広がりをそれぞれ持つ、第２、第３、及び第４の共役像を生成し、
第１の光導波路の複数の部分反射面は、部分反射面に対して第１の範囲の角度内で画像の光線にほぼ透過性となるように覆われ、且つ、第２の範囲の角度内で入射する画像の光線に部分的に反射し、
ここで、角度方向の第１の広がり、及び複数の部分反射面の斜角は、４つの共役像のうち３つに対する角度方向の広がりが全て第１の範囲の角度内の複数の部分反射面上で入射し、且つ４つの共役像のうちわずか１つに対する角度方向の広がりが第２の範囲の角度内の前記複数の部分反射面上で入射するように選択される。

本発明の特定の実施形態の教示に従い、光学的開口乗算器がされ、該光学的開口乗算器は、
（ａ）伸長方向を持つ光導波路であって、光導波路は、第１の面と第２の面を含む第１の対の平行面、及び第３の面と第４の面を含む第２の対の平行面を有しており、対の平行面は一体となって長方形断面を形成し、第１の面の端部は第１の近位縁部にて終端となり、第３の面の端部は第２の近位縁部にて終端となる、光導波路；及び
（ｂ）光導波路に一体形成され又は光学的に連結される連結反射構造
を含み、前記連結反射構造は：
（ｉ）第３の面の近位拡張部として、又は第３の面に平行であり且つその外部に反射器として配置される第１の反射器であって、第３の面の幅よりも広い、伸長方向に垂直な幅を持つ、第１の反射器、及び
（ｉｉ）第４の面の近位拡張部として、又は第４の面に平行であり且つその外部に反射器として配置される第２の反射器であって、第４の面の幅よりも広い、伸長方向に垂直な幅を持つ、第２の反射器
を含み、
それにより、光入力軸に沿って見ると、第１の近位縁部と第２の近位縁部は、第１の近位縁部と第２の近位縁部により連結される目に見える導波路開口を提示し、第１の近位縁部と第２の近位縁部の画像は、連結反射構造において反射される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、光入力軸は第１の反射器及び第２の反射器の両方に対して傾斜している。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、連結反射構造は、光導波路に一体形成される又は光学的に連結される連結プリズムとして実装され、連結プリズムは、光入力軸に全体的に垂直な連結面を提示する。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、目に見える導波路開口と完全に重なるように光入力軸に沿って無限にコリメートされる画像を投影するために配置される、画像プロジェクターも提供される。

本発明の実施形態の更なる特徴に従い、画像プロジェクターと連結反射構造との間の光路に挿入されるデポラライザ要素が更に含まれる。

本発明の特定の実施形態の教示に従い、光学的開口乗算器がされ、該光学的開口乗算器は、
（ａ）伸長方向を持つ第１の光導波路であって、第１の光導波路は長方形断面を形成する第１の対の平行面及び第２の対の平行面を有しており、ここで、複数の部分反射面が第１の光導波路を少なくとも部分的に横断し、部分反射面は伸長方向に対して斜角であり、第１の光導波路の複数の部分反射面は、部分反射面に対して第１の範囲の角度内で入射する光線にほぼ透過性となるように覆われ、且つ、第２の範囲の角度内で入射する光線に部分的に反射する、第１の光導波路；及び
（ｂ）第１の光導波路に連結され、且つ、角度方向の第１の広がりを持つ第１の画像を第１の光導波路に導入するために配置される、画像投影構造
を含み、
ここで、第１の画像は、第１の光導波路に沿った４回の内反射により進み、それによって、角度方向の第２、第３、及び第４の広がりをそれぞれ持つ、第２、第３、及び第４の共役像を生成し、及び
ここで、角度方向の第１の広がり、及び複数の部分反射面の斜角は、４つの共役像のうち３つに対する角度方向の広がりが全て第１の範囲の角度内の複数の部分反射面上で入射し、且つ４つの共役像のうちわずか１つに対する角度方向の広がりが第２の範囲の角度内の前記複数の部分反射面上で入射するように選択される。

本発明は、ほんの一例ではあるが添付図面を参照するとともに、本明細書に記載される。
Ａ及びＢは、本発明の実施形態に従って構築且つ操作される光学的開口乗算器の、概略的な側面視と正面視をそれぞれ表す。 Ａ及びＢは、図１のＡ及びＢの光学的開口乗算器からの導波路の内部ファセットの部分的な反射に関連して伝播する画像光線の２つの可能な幾何学的配置を示す概略図である。 様々な反射画像と図１のＡ及びＢの光学的開口乗算器の内部ファセットとの角度関係の、概略的な二次元投影図である。 Ａ－Ｄは、様々な共役像と図１のＡ及びＢの光学的開口乗算器の内部ファセットにおける反射との相互関係を示す、概略的な等角図である。 Ａ－Ｄは、様々な最初の光線方向に対する図１のＡ及びＢの光学的開口乗算器からの２Ｄ導波路に沿って伝播する共役像における様々な光線と導波路の様々な幾何学的形状との関係の概略図である。 本発明の更なる態様に従った、図１のＡ及びＢの光学的開口乗算器からの２Ｄ導波路に画像を内連結させるための連結反射構造の、概略的な等角図である。 図６の連結反射構造の異なる実装である。 Ａ及びＢは、連結反射構造が連結プリズムの一部として中に実装される、図６と同等の導波路と連結反射構造の、異なる視点からの等角図である。 Ａ及びＢは、連結プリズムの異なる実装をそれぞれ示す、図８のＡ及びＢと同様の図である。 Ａ－Ｃは、連結プリズム及び２Ｄ導波路の代替的な実装の、等角図、平面図、及び側面視をそれぞれ示す。 図１０のＡの連結プリズム及び２Ｄ導波路の実装の等角図である。 図１０のＡの連結プリズム及び２Ｄ導波路の実装の等角図である。 Ａは、図１０のＡの連結プリズム及び２Ｄ導波路の実装の等角図である。Ｂは、図１３Ａの連結プリズム及び２Ｄ導波路の平面図である。 Ａ－Ｃは、本発明の更なる態様に従った、図１０のＡの連結プリズム及び２Ｄ導波路の産生中の３つの段階の、概略的な等角図である。 本発明の更なる態様に従った、２Ｄ導波路を備えた画像投影構造の統合を示す概略的な側面視である。 図１５の画像投影構造及び２Ｄ導波路の実装を示す概略的な側面視である。 図１５の画像投影構造及び２Ｄ導波路の実装を示す概略的な側面視である。 三次元での図１５－１７の原理の典型的な実装の等角図である。 Ａ－Ｃは、本発明の更なる実装に従った、２Ｄ導波路と１Ｄ導波路との間の異なる連結の幾何学的配置を示す、概略的な等角図、側面視、及び平面図をそれぞれ示す。 様々な共役像と図１９のＡ－Ｃの光学的開口乗算器の内部ファセットにおける反射との相互関係を示す、概略的な等角図である。 Ａ－Ｃは、本発明の教示に従った、２Ｄ導波路と１Ｄ導波路との間の連結の幾何学的配置の、３つの異なる実装を示す概略的な側面視である。 Ａ及びＢは、本発明の実装に従った、斜角での２Ｄ導波路と１Ｄ導波路との間の異なる実装連結の幾何学的配置を示す、概略的な等角図と側面視をそれぞれ示す。Ｃ－Ｅは、様々な異なる実装を示す、図２２のＢと同様の概略的な側面視である。 図１のＡと同様であるが、２つの導波路間に挿入される屈折層を利用する、光学的開口乗算器の概略的な側面視である。 図２３の装置に対する相関的な角度関係を示す、図３と同様の図である。 Ａ－Ｃは、２つの導波路の機械的な相互接続に対する様々な実装の選択肢を示す、図１のＡと同様の装置の側面視である。Ｄは、２つの導波路の機械的な相互接続に対する実装の選択肢を示す、図２２のＥと同様の装置の側面視である。 第１の導波路と、第２の導波路における画像伝播の方向との間の、相対的な傾斜を示す、図１のＢと同様の装置の正面視である。 長方形の平行な外面のセットの両方に対して斜めに傾斜した内部部分反射ファセットを備えた２Ｄ導波路の実装を示す、概略的な等角図である。 第１の内部ファセット配向と第２のファセット配向をそれぞれ備えた、図２７の２Ｄ導波路を利用する装置の２つの典型的な実装に対する幾何学的な角度関係を示す、図３と同様の図である。 第１の内部ファセット配向と第２のファセット配向をそれぞれ備えた、図２７の２Ｄ導波路を利用する装置の２つの典型的な実装に対する幾何学的な角度関係を示す、図３と同様の図である。 図２９Ａの実装に従った２Ｄ導光路内の画像伝播の角度の、概略的な等角図である。 均一性の増大をもたらすために、隣接した導波路で並置された本発明の更なる態様に従った導波路の概略的な正面視である。 Ａ及びＢは、本発明の更なる態様に従った、画像の均一性に対する内部ファセット間隔の変異の効果を示す、導波路の概略図である。Ｃは、画像の均一性を増大させるための多重経路実装を示す、図１のＢと同様のシステムの正面視である。 Ａ及びＢは、図１のＢと同様のシステムの更に２つの異なる多重経路実装である。 Ａは、浅い入射角光線を選択的に反射するように覆われた内部ファセットを利用する、図１のＢと同様の装置の更に代替的な実装の概略的な正面視である。Ｂは、様々な反射画像と図３３のＡの光学的開口乗算器の内部ファセットとの角度関係を示す、図３と同様の図である。Ｃは、図３３のＡの装置に使用される覆われたファセットのためのＳ及びＰの偏光に対する反射率の角度依存性を示すグラフである。 Ａ－Ｅは、本発明の態様に従った、２Ｄ導波路及び連結プリズムの産生における一連の工程を示す、概略的な等角図である。 Ａ及びＢは、直接確認された場面の伝達された視野の強度に対する本発明の実施形態の起こり得る影響を示す、概略的な正面視と側面視をそれぞれ示す。Ｃ及びＤは、本発明の更なる態様に従った、伝達された視野の強度矯正を示す、図３５のＡ及びＢと同様の図である。

本発明は、長方形導波路を含む光学的開口乗算器である。

本発明に係る光学的開口乗算器の原理及び操作は、図面及び付随の記載を参照することでより良く理解され得る。

ここで図面を参照すると、図１のＡ－３５は、本発明の特定の実施形態に従って構築され及び動作する、光学的開口乗算器の様々な態様を示している。一般用語において、本発明の実施形態に従った光学的開口乗算器は、「Ｘ軸」に対応するものとして本明細書で恣意的に示される伸長方向を持つ第１の光導波路（１０）を含んでいる。第１の光導波路（１０）は、長方形断面を形成する、第１の対の平行面及び第２の対の平行面（１２ａ）、（１２ｂ）、（１４ａ）、（１４ｂ）を有している。本発明の特定の特に好ましい実施形態に従い、本明細書では「ファセット」と称される、複数の内部部分反射面（４０）は、伸長方向に対して斜角（即ち、平行でも垂直でもない）で第１の光導波路（１０）を少なくとも部分的に横断する。

光学的開口乗算器はまた、好ましくは、第１の光導波路と光学的に連結され、且つスラブ型導波路を形成する第３の対の平行面（２２ａ）、（２２ｂ）を有している、第２の光導波路（２０）を含んでおり、即ち、導波路（２０）の他の二次元の距離は、第３の対の平行面（２２ａ）、（２２ｂ）の間の距離よりも少なくとも桁違いに大きい。ここでも、複数の部分反射面（４５）は、好ましくは、第３の対の平行面に対して斜角で第２の光導波路を少なくとも部分的に横断する。

導波路と部分反射面（４０）（４５）の配置及び構成との間の光学的連結は、第１の光導波路の平行面及び第２の光導波路の平行面（１２ａ）（１２ｂ）（１４ａ）（１４ｂ）の両方に対して斜めの連結角度で最初の伝播方向（３０）により画像が第１の光導波路（１０）に連結される時に、画像が第１の光導波路（１０）に沿って４回の内反射（画像（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、及び（ａ４））により進み、第２の光導波路（２０）に連結するように画像の強度の一部が部分反射面（４０）にて反射し、その後、第２の光導波路（２０）内で２回の反射（画像（ｂ１）、（ｂ２））を通じて伝播し、ユーザー（４７）の目で確認される目に見える画像（ｃ）として平行面の１つから外側に向けられるように画像の強度の一部が部分反射面（４５）にて反射するような、連結である。

ここで図１のＡ及びＢをより明確に参照すると、これらは上の記載の実装の第１の実例を示している。第１の導波路（１０）は、２つのセットの平面間の反射により二次元で注入画像をガイドする場面では２Ｄ導波路として本明細書で称されており、一方で第２の導波路（２０）は、１つの対の平行面間において一次元だけで注入画像をガイドする１Ｄ導波路と称されている。光画像発生装置（図示せず）からの光線（３０）は、ある角度で第１の導波路（１０）に注入される。結果的に、光は導波路（１０）に沿って伝播しつつ、図１のＡの側面視に示されるように導波路の４つの外面全てから反射されている。このプロセスにおいて、４つの共役光線ベクトルは、面により内部に反射されると、同じ画像を表わす（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、及び（ａ４）として生成される。

導波路（１０）に注入される光線（３０）の角度は、この導光路の４つの外面全てから反射されるように設定される。光線は、浅い（グレージング）角度で第１の導波路（１０）の底面（１２ｂ）、即ち第２の導波路（２０）に隣接している面から反射し、急角度で（１０）から（２０）へと伝達されねばならない。この特性は、全内反射（ＴＩＲ）又は光学コーティングにより達成され得る。回折パターンはまた、同じ表面上で送信と回折を組み合わせることにより、この光学特性を実行することができる。第１の導波路（１０）の他の３つの面（１２ａ）、（１４ａ）、及び（１４ｂ）からの反射は、同じように、或いは反射コーティングの使用により生成され得る。

第１の導波路（１０）内のガイドされた光線の一部（例えば（ａ１）と（ａ２））は、第２の導波路（２０）の入力連結面へ下向きに、内部平行部分反射器（ファセット）（４０）により反射される。第２の導波路（２０）において、これら光線は（ｂ１）及び（ｂ２）と定義される。

光線（ｂ１）及び（ｂ２）は外面により反射され、共役し、即ち光線（ｂ１）は（ｂ２）となるように反射され、その逆も然りである（図１のＡに表される）。第１の導波路（１０）外部前面（１４ａ）及び外部後面（１４ｂ）は、互いに、及びこの実装においては、第２の導波路（２０）の対応する外面（２２ａ）（２２ｂ）に平行でなければならない。平行性から生じる任意の偏差は、連結画像（ｂ１）及び（ｂ２）を正確な共役像でなくし、画質が劣化してしまう。

第２の導波路（２０）内の内部ファセット（４５）は、導波路の外側に、及び観察者（４７）の目に光線（ｂ２）を反射させる。

導波路（１０）及び（２０）の内部ファセットによる反射プロセスを、図２のＡ及びＢで更に説明する。２つの基本構成が表されており、光線及びファセットの相対的角度によって異なる。この概略図において、対応する導波路の側面視から観察されるように同じ幾何学的な考慮が各々に適用されるため、光線（ａ１）、（ａ２）、及び（ｂ１）は、同じベクトルとして表される（参照ではｂ１のみである）。光線（ａ３）、（ａ４）、及び（ｂ２）も同じベクトルとして表される（参照ではｂ２のみである）。

光線（ｂ２）は実際に、図２のＡにおいて２つのベクトルにより表されるのと同じ方向で伝播する光線束である。この場合、１つのベクトルは、光線（ｂｅｃｏｍｅ）（ｂ１）に及び内部ファセット（４０）（又は（４５））上へと外面により反射され、その一部は（ｃ１）として反射される。他の（ｂ２）ベクトルは、ベクトル（ｃ２）としてファセットにより直接反射される。ベクトル（ｃ１）及び（ｃ２）は、この順序で必ずしも通常の画像及びゴースト画像を表わすものではない。この構成において、（ｂ１）と（ｂ２）は、同じ側からファセット（４５）に影響する。

ちなみに、画像が光線により本明細書において表わされる場所ではどこでも、光線は、画像の点又は画素に各々が対応するわずかに異なる角度で多数の光線により典型的に形成される、画像のサンプル光線であることに、注意されたい。特に画像の端と称される場合を除いて、示される光線は典型的に画像の重心である。

図２のＢは、実質的に同じプロセスを説明しているが、幾何学的配置は、（ｂ１）と（ｂ２）が両側からファセット（４０）（又は（４５））に影響するようなものである。

両方の場合、ＳとＰの偏光における、画像（ｃ１）及び（ｃ２）に対する反射の大きさは、これらファセット上でのコーティングにより決定される。好ましくは、１つの反射は画像であり、他の反射は、望まれない「ゴースト」像に対応するため、抑えられる。入射光線角度のどの範囲が反射されるか、及び、入射光線角度のどの範囲が伝達されるかを制御するのに適切なコーティングは、当該技術分野で既知であり、本発明と共に同時譲渡される（ｃｏａｓｓｉｇｎｅｄ）米国特許第７３９１５７３号及び第７４５７０４０号にて詳細に見出すことができる。

「ゴースト」像が、主要な画像又は共役像に重ならない（（ｃ１）が（ｃ２）に重なる）ように、システムを設計することが特に好ましい。適切な光線角度を設計しつつ、導波路内での画像の伝播のためのＴＩＲ条件を維持し、且つ同時にゴーストの重複を回避するプロセスが、図３に記載される。この図は、本発明の更なる実施形態を以下に詳しく提示するために使用される概略図を導入している。

したがって、図３は、回転が直線の軸に沿った距離（「角度間隔（ａｎｇｕｌａｒ ｓｐａｃｅ）」）として描かれる導波路（１０）と（２０）の幾何学的配置の投影を示している。ゆえに、図はデカルト座標中の球座標を表す。この表示は様々な歪みを導入し、様々な軸に沿った変位は（様々な軸の回りの回転の性質がそうであるように）交換不可能である。しかしながら、図のこの形態は記載を単純化し、システム設計のための有用なツールを提供することが分かっている。明確化について、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った方向は回転の１つのシーケンスに従って示されている。

大きな円は、導波路の様々な外面の臨界角（内部全反射の境界－ＴＩＲ）を表す。したがって、円の外側の点は、ＴＩＲによって反射されるビームの角方向を表し、その一方で、円の内部の点は、外面を通って導波路から送信されるビームを表している。円（５７）と（５９）は、導波路（１０）の前後の外面（１４ａ）と（１４ｂ）、および導波路（２０）の前後の外面（２２ａ）と（２２ｂ）の臨界角を表す。反対のファセットの円の間の「距離」は１８０度である。円（６１）と（６３）は、導波路（１０）の上下の外面（１２ａ）と（１２ｂ）の臨界角を表す。点線入りの破線（６５）と（６７）は、導波路のこれらの外面の方向を表す。

以前に記載されたように、画像は２Ｄの導波路（１０）に導入され、その間に、内反射を経験する。以下の例において、反射はすべてＴＩＲベースであり、したがって、導入された画像（ａ１）は、任意の円の外部にあるように図３では示されている。角度空間内の正方形画像は四角形状を有する。

画像（ａ１）が導波路（１０）の外面（１２ａ）、（１２ｂ）、（１４ａ）、および（１４ｂ）から反射される（方向６５と６７によって表される）ため、それは（ａ２）、（ａ３）、（ａ４）、および戻って（ａ１）に乗算される（４本の湾曲した実線矢印によって概略的に表される）。あらゆる画像の反射は、反射角が入射角と等しいという光学的原理に従って、面の各々からであるが、他の側において、画像それ自体と同じ角度の「距離」を有する（線６５と６７）。

（図１のＢにおける）内部ファセット（４０）の方向は、ファセットの角のある傾斜に従って位置付けられる線（７０）としてここでは描かれている。画像（ａ１）あるいは（ａ２）がファセット（７０）（４０）にぶつかると、画像は、破線の矢印線によってそれぞれ画像（ｂ１）と（ｂ２）に対して描かれるように、７０からの等しい反対側の角距離に反射される。

（ｂ１）と（ｂ２）は、第１の導波路（１０）の底部外面の臨界角境界（６１）内にあるので、この導波路から第２の導波路（２０）へと連結されるであろう。

画像（ｂ１）と（ｂ２）は導波路（２０）内に伝播するため、角度方向（６７）を有する前後の外面（２２ａ）と（２２ｂ）からの反射により相互に交換される（反射は湾曲した実線の両矢印として描かれている）。

最終的に、画像（ｂ１）は方向（７２）で内部ファセット（４５）（図１のＡ）にぶつかり、画像（ｃ）へ反射される。画像（ｃ）は臨界角の円（５７）の内部にあるため、第２の導光路（２０）から目（図１のＡの４７）に結合される。

このすべての構成において、内部ファセット（７０と７２）の角度は画像のいずれかの角度形状（正方形）とも交差してはならない。なぜなら、そのように交差すると、「ゴースト」画像が正常画像に重なるからである。

画像（ｃ）は、（ｃ）が方向Ｚに集中していない図３で例証されるように、導波路（２０）に対して任意の角度（必ずしも垂直であるとは限らない）で出現するように設計可能である。

上に言及されるように、ファセット（４０）と（４５）には、好ましくはコーティングが施されており、これがそれぞれ低角度画像（ａ３）、（ａ４）、および（ｂ２）の反射を減らすか、実質的に取り除く。

図３に記載された計算プロセスは、表示のしやすさと明快さのために２Ｄデカルト座標中で概略的に示されている。図４のＡ－Ｄで例証されるように、システムの最終的な正確な設計は、球座標で行われる。図４のＡは、画像（ａ１）－（ａ４）の間の連結を表す。図４のＢは、ファセット（４０）での反射による、（ａ１）から（ｂ１）、および（ａ２）から（ｂ２）への連結を示す。図４のＣは、第２の導波路（２０）における（ｂ１）と（ｂ２）との間の連結を表す。図４のＤは、ファセット（４５）での反射による、（ｂ１）から（ｃ）への連結を表す。

導波路（１０）内での内反射のあいだ、図５のＡ－Ｄで示されるような一往復当たりのあらゆる寸法（ｙまたはｚ）における任意の数の反射が生じ得る。図５のＡは、外面当たりの１つの反射を描く。この条件で、（ｂ１）は（ａ１）に由来する。しかしながら、様々な画像フィールドの様々な光線は様々な角度を有するため、光線が導波路（１０）のｘ軸に沿って伝播するにつれて、最終的に、反射の方向は変わることがある。図５のＢは、（ａ２）によって生成される（ｂ２）を結果として生させることができる、ある異なる方向を描く。したがって、あらゆる設計において、（ｂ１）と（ｂ２）の両方の生成を仮定しなければならない。導波路（１０）のアスペクト比は、図５のＣで描かれるような外部ファセット当たり１つを超える反射を有するように設計され得る。様々なフィールド角度について、反射の方向は図５のＤで示されるように変わる場合がある。実際に、本発明の特定のとりわけ好ましい実装は、導波路（１０）が、４つのすべての共役像（ａ１）－（ａ４）で容積測定的に充填され、それによって、以下にさらに議論されるように、経路の１つを抑えるために特別な予防策を講じることを除いて、画像（ａ１）と（ａ２）の両方が（ｂ１）と（ｂ２）を生成するために常に外連結（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｅｄ）されることを保証する。

導波路（１０）と（２０）の外面と内部ファセットによる連結された反射は、ｘとｙの寸法の両方で元々の導入された開口を拡張する。導波路（１０）は、ｘ寸法の開口とｙ寸法の導波路（２０）とを拡張する（軸は図１のＢのように標識される）。以下に詳述されるように、第１の導波路（１０）の開口拡張は好ましくは、画像によって導波路を充填し、その後、導波路の長さに沿って連続的なやり方でファセットを介して導波路から画像を連結することにより達成される。

内連結（ｃｏｕｐｌｉｎｇ－ｉｎ）構造
拡張した開口全体で均一の強度を得るために、ビームの導入された最初の開口は均一でなければならず、導波路を「満た」さなければならない。画像中の各点（ピクセル）に対応する光線が導波路の断面全体に存在することを示すために、「充填する」という用語を本文脈で使用する。概念的に、この特性は、万一、導波路（１０）が任意の点で横に切断される場合、および、その後、ピンホールを備える不透明なシートが切断された端部の上に置かれる場合、ピンホールを断面のいかなる場所にも置くことができ、結果として完全な投影画像が得られることになるということを暗に示している。実際に、２Ｄの導波路（１０）に関して、これは、４つの完全な画像（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、および（ａ４）の投影をもたらすことになり、そのうち、（ａ２）と（ａ４）は倒像である。

入力画像で導波路を確実に充填するために、少しだけ大きすぎる入力画像を、導波路への入力時のサイズにトリミングしなければならない。これにより、乗算された隣接する開口は一方では重ならずに、他方では間隙がないようになる。トリミングは、光線が導波路に導入される際に行われる。

第１の導波路（１０）への画像の効果的な内連結を達成するための多くの構成は、図６－図１３のＢで例証される。まず図６と図７に目を向けると、これらの図は、第１の導波路（１０）を均一に充填するために入力画像をトリミングする内連結構造の自由空間のミラー実装（ｍｉｒｒｏｒ－ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を概略的に例証する。この場合、面（１２ａ）は第１の近位縁部（１６ａ）で終わり、面（１４ａ）は第２の近位縁部（１６ｂ）で終わる。導波路を十分に充填するために、光学的開口乗算器が、第１の導波路（１０）と一体的に形成されているか、あるいは第１の導波路（１０）に光学的に連結されている、連結反射器構造を含むことが、本発明の特定の実施形態の特に好ましい特徴である。連結反射器構造は、面（１２ｂ）の近位拡張部として（図６）、あるいは、面（１２ｂ）に平行かつ面（１２ｂ）の外部にある反射器として（図７）配置され、および、表面（１２ｂ）の幅よりも大きな、伸長方向に垂直な幅を有する、第１の反射器（１８ａ）を含む。連結反射器構造はさらに、面（１４ｂ）の近位拡張部として（図６）、あるいは面（１４ｂ）に平行かつ面（１４ｂ）の外部にある反射器として配置され、および、表面（１４ｂ）の幅よりも大きな、伸長方向に垂直な幅を有する、第２の反射器（１８ｂ）を含む。この連結反射器構造の結果として、画像が導入される光入力軸（図６と７の観点）に沿って見ると、第１と第２の近位縁部（１６ａ）と（１６ｂ）は、第１と第２の近位縁部によって境界を定められた目に見える導波路開口を呈し、第１と第２の近位縁部の画像は、物理的な開口の４倍（２ｘ２）である目に見える開口に全体として対応して、連結反射器構造に反射される。連結反射器が導波路の面の外部に位置する場合、目に見える開口は、物理的な開口自体からわずかに間隔を置いた物理的な開口の３つの画像から構成され、各開口は物理的な開口の４つの縁部すべてにより縁どられている。これは、開口間の「空間」に当てはまる画像強度が失われていくため、結果的にわずかに非効率的であるが、開口の充填は依然として達成される。

本明細書に例証されるような１つの好ましい幾何学的配置では、光入力軸は第１と第２の反射器（１８ａ）と（１８ｂ）の両方に傾斜している。こうした図面ではっきりと分かるように、反射器が導波路の寸法よりも大きな寸法を持つための要件は、画像の切り抜きと導波路の不完全な充填が確実に生じないようにするために必要とされる。このようにして、導波路はその断面全体にわたって４つの画像すべてにより確実に満たされる。

自由空間ミラーの使用は場合によっては実行可能なこともあるが、導波路（１０）と一体的に形成された、あるいは、導波路（１０）に光学的に連結された連結プリズムとして連結反射器構造を実装することは一般的に有利であり、第１と第２の反射器（１８ａ）と（１８ｂ）は連結プリズム（９１）の面によって提供される。連結プリズムのさらなる面は好ましくは、画像を導入する際に介する光入力軸に一般に垂直な連結表面を提示する。こうした構造の例は図８のＡ－Ｂと図９のＡ－Ｂで例証され、図８のＡ－Ｂは図６と幾何学的に同等であり、図９のＡ－Ｂは図７と幾何学的に同等である。このような場合では、導波路（１０）の近位「縁部」は、導波路表面にプリズム表面を連結する交差によって定義される縁部である。この場合、こうした近位縁部の外部に落ちる光が導波路に入らない方向に反射される（あるいは伝送される）ように、他の隣接する表面は好ましくは外側に角度が付けられる。随意に、さらに迷放射線が望ましくない場所に到着するのを防ぐために、吸収材料を上記表面に適用することもある。

内連結幾何学的配置のさらなる例は図１０のＡ－Ｃに例証され、画像を導波路に内連結する間のサンプル波頭の進行についてより詳細に説明する。この場合、図１０のＢで示されるように、Ｘ軸に沿って測定されるような任意の当初の開口の横寸法（８１）を有するビーム（３０）が導入される。ビームが導波路に入ると、この開口の前方端部は第１の近位縁部（１６ａ）によってトリミングされる。侵入する間に一方の側でトリミングされたビーム開口は、反対側の連結反射器（１８ａ）および／またはその連続面（１２ｂ）により反射されて正面（１２ａ）へ戻り、その背面は第１の近位縁部（１６ａ）によってもう一度トリミングされる。ビームが導波路に沿って伝播するにつれ、その開口（８４と８８）は重なったり間隙を開けたりすることなく隣接して、それによって導波路を充填する。

本発明の特に好ましい実装に従って、ビームの開口の第２の寸法は、第２の近位縁部（１６ｂ）によって同時にトリミングされる。近位縁部（１６ａ）と（１６ｂ）の相対的な方向は決定的ではない。例えば、図１０のＡ－Ｃでは、縁部（１６ａ）は長手方向のＸ軸に傾斜して示されているが、近位縁部（１６ａ）と（１６ｂ）が両方とも長手方向のＸ軸に対して垂直である図１１に示される代替的な幾何学的配置は、場合によっては、製造を単純化することもある。２つの近位縁部（１６ａ）と（１６ｂ）は好ましくは１つの隅で交差するが、光学系が十分に広く、トリミングが近位縁部（１６ａ）と（１６ｂ）とそれらの反射によってのみ行われる限り、これは必要ではない。交差しない例が図１２で示される。

第２の寸法のトリミングは、図１０のＢに関して第１の寸法について記載された手法と同等の手法で生じる。したがって、図１０のＣでは、最初のトリミングされていない投影画像開口は、Ｘ軸に沿って測定されるような最初の開口垂直寸法（９２）を有する。それがセクション（９１）から導波路（１０）へ斜めに入ると、その正面は第２の近位縁部（１６ｂ）によってトリミングされる。ビーム（９２）が反対側の外面（１４ａ）および／または連続面から反射された後、その背面も適切なサイズ（９４）になるように第２の近位縁部（１６ｂ）によってトリミングされる。結果的に、この寸法に沿って反射された開口はすべて同様に隣接している。二次元でのこのトリミングの全体的な結果は、導波路（１０）が４つのすべての画像／共役像（ａ１）－（ａ４）で本質的に満たされ、それにより、その後、開口が二次元に沿って途切れることなく拡張される。

停止部（１６ａ）と（１６ｂ）は、吸収材料あるいは屈折性材料（プリズムまたはコーティングなど）を用いて作られ得る。例えば、図１０－１３では、停止部は、アクセス光を分散させるように作用する、導波路の入口にある段差形状として描かれた。

連結プリズム（９１）は、導波路（１０）と一体的に、あるいは既知技術で２つのコンポーネントを取り付けることによって製造され得る。こうしたコンポーネントの取り付けに対するある特に有利な手法がさらに以下に記載される。

上で指摘されるように、導波路（１０）へ連結された画像の光学軸は、平行面の両方のセットに傾斜して向けられる。しかしながら、このことは必ずしも画像プロジェクターの傾斜した配向を必要とするわけではない。なぜなら、画像伝播の要求される角度は、目に見える導波路開口に当たるためにＸ軸に垂直な光学軸に沿って光入力を反射するように配置された連結プリズム（９１）の傾斜した反射表面（９１ａ）のさらなる反射といった他の光学コンポーネントによって達成されることもあるからである。

こうしたオプションは図１３のＡとＢで例証されており、そこでは、傾斜した反射表面（９１ａ）は背面ミラーを提供する。図１３のＢで描かれるように、任意の（大きすぎる）開口（８１）は導波路に入り、（１６ａ）によってトリミングされる間に反射表面（９１ａ）によって反射される。１つの反射（８２）の後、開口の裏面（８４）は同じ縁部（１６ａ）によりトリミングされる。

（８１）の余分な光は２つのメカニズムを使用して、縁部（１６ａ）によりトリミングされる：入口では、余分な光は伝播を継続し、縁部を超えて外側に縁部（１６ａ）（の左へ）伝送され、一方で、（８２～８４）へ反射後、波頭の裏面は縁部（１６ａ）の右側にきて、ゆえに、（９１ａ）によってＴＩＲの外側の角度に、あるいは関連画像の外側の角度へ、もう一度反射される。

縁部（１６ｂ）は、他の次元で、以前のように垂直な軸をトリミングし続ける。随意に、ミラー（９１ａ）は、入力画像（３０）が導波路の１つの面に垂直な場合に、望ましい方向の画像の伝播をもたらすように、２つの軸の回りに傾けられることもある。

したがって、要約すると、所望の角度での導波路（１０）への画像／ビームの連結は、プリズム、導波路の前、後、または内部に置かれたミラー、あるいは他の既知の方法を使用して、達成可能である。記載された二重停止部（ｄｏｕｂｌｅ ｓｔｏｐ）構造が存在する限り、これらの方法はすべて実用的である。

拡張された開口全体で均一の強度を達成するために、トリミング縁部（１６ａ）と（１６ｂ）は最小限の偏差と分散を備えた滑らかな縁部であることが望ましい。のりの残留物あるいは他の摂動誘起（ｐｅｒｔｕｒｂｉｎｇ ）要素は、均一の低下を引き起こす場合がある。図１４のＡ－Ｃは、他の文脈でも適用可能な、本発明のさらなる態様を例証しており、ここでは、光学要素が連結されることになっており、これにより、滑らかなトリミング縁部（あるいは、他の適用では、連続的な外部表面）の形成が促される。導波路（１０）の関連する外面（（１２ａ）と（１４ｂ））は、反射または保護コーティング１６１０によって最初に覆われる。その後、導波路（１０）の縁部は必要なトリミング縁部（１６３０）（（１６ａ）と（１６ｂ））によって磨かれ、最終的に、プリズム（１６４０）が取り付けられる。この取り付けでは、（例証されるような図の後側の）他の２つの面は、こうした面の連続部として連結反射器を提供するために、導波路（１０）の外部表面の正確な連続部でなければならない。こういた面が連続的ではない場合（図９のＢのように）、反射コーティング（１６１０）は好ましくは対向面（（１２ｂ）と（１４ａ））を同様に覆わなければならない。この手法はさらに１Ｄの導波路を備えるシステムに関連する。連結表面の角度は任意の方向であってもよい。

上記の手法、すなわち、２つの光学コンポーネントを連結するための表面の仕上げ処理の前に保護誘電体または反射コーティングを提供することで、本明細書に記載される特定の適用の及ばない広範囲の問題に対処することに留意されたい。とりわけ、２つのコンポーネントが一方から他方への光路を供給するように連結される場合はいつでも、これらのコンポーネントは適切な光学接着剤によって連結されるか、あるいは、典型的にはコンポーネントに対して屈折率を一致させなければならない。最適な光連結を保証するために、インターフェース表面全体は接着剤で完全に覆われなければならない。他方で、正確には接着剤の望ましい光学的性質ゆえに、インターフェースからコンポーネントの外部表面まで接着剤があふれ出ると、典型的にはコンポーネントの光学的性質が損なわれる。好ましくはインターフェース表面を磨く前に、保護コーティングで隣接する面を事前に覆うことによって、外部表面上へ接着剤があふれ出た影響を低下させるか、取り除くことができる。２つのコンポーネントが連結し、特定の表面が連結の後に水平になる場合、こうしたコーティングは連結の前に両方のコンポーネント上で好適に提供されることもある。特定の適用では、一方の側だけへの、または面のサブセットへのコーティングで十分なこともあり、例えば、特定の表面上の余分なのりは、さらなる研磨のステップによる連結の後に容易に取り除かれ得る。

内連結構造の上記の実装は、目に見える導波路開口に十分に重なるように、光入力軸に沿ってコリメートされた画像を無限に投影するために配置された画像プロジェクターと一緒に使用されるのが好ましい。様々な自由空間画像プロジェクターを含む、任意の適切なタイプと技術の画像プロジェクターが使用されてもよい。特定の場合には、特にコンパクトで頑丈な実装を提供するために、画像プロジェクターは、連結プリズムに機械的に一体化（つまり、一体的に形成されるか、あるいは強固に相互接続される）されてもよい。このタイプの様々な実装は図１５－図１８を参照して記載される。

まず図１５を参照すると、これは、（５０３）の番号を付けられた２Ｄの導波路の文脈で使用される、ＰＣＴ特許出願公開ＷＯ２０１５／１６２６１１のコンパクトな画像プロジェクターの改造物を例証する。それは照射偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）（５００）、コリメーティングＰＢＳ（５０１）、導波路（５０３）へ連結する連結プリズム（５０２）（図１０のＡ－Ｃの９１と同等）を含んでいる。

明確にするために、以下の記載では、偏光管理コンポーネント（波長板と偏光子を含む）を省略する。照射光（５０５）は照射プリズム（５００）に入り、反射型液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイなどの画像生成装置（５０９）上に内部表面（５０７）によって反射される。ディスプレイから反射された光（５１１）はコリメーティングプリズム（５０１）に入り、ここでは、表面（５１３）が無限遠において投影画像を形成する光のコリメーションを達成するために、光学パワーを備えた表面（５１５）上に光を反射する。コリメートされた光は連結プリズム（５０２）を通って導波路（５０３）へ入る。

表面（５１５）は幅（５１７）を有し、この幅は、最も高い画像角度（５１８ａ）から最も低い画像角度（５１８ｂ）まで、導波路（１０）を画像の視野（ＦＯＶ）全体で「充填する」のに必要な入力画像角度のすべてを提供するのに十分なように選択され、（５１９）で示されるＦＯＶ中の最も低い光線を含んでいる。表面（５１５）の必要とされるサイズは、順に、プリズム（５０１）と（５００）の必要なサイズを決定する。より具体的には、図６－図１０のＣを参照して上に記載されるように、導波路（１０）を画像とその共役像で充填することが望ましく、このことは、画像によって包含されるビーム角度の全範囲が、導波路の物理的な開口の全幅に、連結反射器中のその開口の画像と同様に入射しなければならないことを意味している。導波路開口からコリメーティングＰＢＳ（５０１）までこれらの光線を後方にトレースすることによって、コリメーティングＰＢＳの最小限の必要とされる幅（５１７）を、ゆえに、照射／画像－生成ＰＢＳ（５００）の幅を決定することが可能である。近位縁部（５２３）（上の縁部（１６ａ）に対応する）は、上記のような画像波面のトリミングを行う。

図１５は１つの寸法だけを例証しているが、導波路の軸はＰＢＳの軸に対して傾いており、この同じ画像のトリミングは上記のように両方の寸法で生じる。

画像内での他の従来の１Ｄの導波路への連結についても利益を得るために使用され得る本発明のさらなる態様によれば、コリメーティングプリズム（５０１）に連結プリズム（５０２）の一部あるいはすべてを組み入れ、それによって、システムのサイズを抑えることが可能である。別の用語で言えば、表面（５１３）よりも下／上に位置するコリメーティングＰＢＳ（５０１）の一部は、必要とされる連結反射器表面を提供するために切り取られることもある。

この手法の１つの例は、図１６においてここで例証される。この図では、光は図１５のように伝播し、同じ番号付けが使用されている。ここで、コリメーティングプリズム（５２６）は、近位縁部（５２３）に当接し、連結反射器を提供するために導波路（５０３）の底面の連続部を形成する改良された底面（５２８）を有しているという点でプリズム（５０１）とは異なる。この構造では、光学面（５１５）とトリミング縁部（５２３）との間の距離は、図１５の実装でよりも実質的に短い。所望の画角全体で光学アパーチャと目に見える光学アパーチャから後方に光線をトレースすることによって、面（５１５）の（結果的にプリズム（５２６）の）の必要な寸法は減少することを理解されたい。これは、順に、画像生成ＰＢＳ（５００）の寸法の減少を可能にする。

図１５－１７の例は１Ｄ導波路あるいは２Ｄ導波路のいずれかを備えた実装に適した断面の幾何学的配置を示す。２Ｄ導波路へ連結する際、プリズム（５２６）（および、それに隣接する（５００））は、（図１０のＡ－Ｃにおける連結プリズム（９１）の内連結面について示されるように）導波路（５０３）に対して２次元で傾斜した角度である。したがって、図１６に示される幾何学的配置は、（様々な角度の）別の軸で再生される。面（５２８）に垂直なプリズム（５２６）の第２の面は導波路（５０３）（前の図の導波路（１０））の第２の表面の連続部にもなる。こうしたアセンブリの三次元表現が図１８で示される。この場合、画像生成要素、プリズム、および導波路の方向は、それぞれの特定の設計の要件すべてに従って、互いに対する任意の回転である。

このコンパクトな実装によるプリズム（５２６）の構造は好ましくは以下の条件を充填する：
１）光学面（５１５）からの光は導波路上に直接反射され、（図１５の上記の記載と同等の）表面（５１３）によっては反射されない。
２）トリミング縁部（５２３）の画像（ビーム５２１によって画像の最も浅い角度部分について表されている）は、反射表面（５１３）によってではなく、プリズム（５２６）の外面によってでもなく、先端を切断されてはならない。
３）表面（５２８）は導波路表面の連続部でなければならない。
４）二次元の導波路については、上記の条件は導波路の両方の寸法で満たされなければならない。

図１７は、これらの限定がコリメーティングプリズム（５３１）に連結プリズム（５０２）を組み入れることが可能な程度をどのようにして決定され得るかを例証する。この例において、導波路への連結角度は非常に浅い。その結果、連結プリズム（組み込まれる前）は非常に大きくなったであろうし、コリメーティングプリズムと照射プリズムもそうであるだろう。この実施形態では、連結プリズムは、画像（５２１で表される）の最も浅い角度部分向けのトリミング縁部の画像が、プリズム（５３１）の外面によって損なわれない点にだけ、コリメーティングプリズム（５３１）に組み入れられた。この点（５３３）は連結プリズムの縁部になる。その後、光学要素（５１５）の寸法（５１７）はその後、縁部（５２３）に妨げられずに到達しなければならない画像の最も急勾配な角度部分によって決定される。この寸法のコリメーティングプリズム（５３１）が縁部（５２３）に直接当接するには及ばないことになるため、導波路（５０３）の入口で小さな連結プリズム（５３５）が提供される。

導波路（１０）への画像の内連結に対する上記のオプションの各々において、提示された解決策は、上で議論された部分的に反射するファセット・カップリングアウト手法などの任意のアウトカップリング用途、傾斜した面のカップリングアウト（ＰＣＴ特許出願公開ＷＯ２０１７／１４１２４２Ａ２で開示されるなど）、あるいは、カップリングアウトのために回折要素を使用する用途について、遊離手であると考えられている。導波路の表面上で内部に当たる一部の放射線をカップリングアウトするために使用される傾斜した面と回折要素は、当該技術分野で知られており、ここでは詳細に記載されない。

第１の導波路と第２の導波路の間の連結
図１のＡとＢの構造に係る第１の導波路（１０）からの第２の導波路（２０）への連結は、２重画像を作成することなく、画質を維持するために導波路の正確な位置合わせを必要とする。特に、図１のＡ、図３、および図５のＤで最も良く例証されているように、第１の導波路（１０）の画像の２つの出力画像（ａ１）と（ａ２）は第２の導波路（２０）へ連結され、導波路（２０）に沿って伝播する共役像（ｂ１）と（ｂ２）として互いに入れ替わり始める。優れた質を達成するために、導波路（１０）と（２０）の外面は、互いに正確に垂直または平行でなければならない。図１のＡとＢの実施形態によれば、導波路（１０）は導波路（２０）の上に置かれる。ちなみに、上、下、上部、下部など方向に対して言及がなされるときはいつでも、このような用語は表示のしやすさのためだけに用いられるにすぎず、図面で例証されるような任意の方向を指す。最終的な装置は任意の要求される方向に配置されることもある。さらに、第１の導波路へ画像を導入するための内連結構造と、第１の導波路から第２の導波路に画像を連結するためのカップリングアウト構造の相対的な方向に関する制限はない。

図１９のＡ－Ｃは、図１９のＡで見られるように、第１の導波路（１０）を第２の導波路（２０）の平行面の１つに隣接している置くことによって導波路と連結するための本発明の実施形態に係る異なる構造を例証している。光は示されるように右から左へと第１の導波路（１０）に伝播し、図１のＡに関して上に記載されるように、導波路（１０）の内部ファセットにぶつかり（図１９の平面図で目に見える）、これは、中間の屈折層（９９）（以下でさらに議論される）によって第２の導波路（２０）の面へ画像を連結させるために、偏向画像を偏向させるように本明細書では配向される。連結は、光線が好ましくはＴＩＲＴＩＲ（図１９のＢの実線の矢印）によって第２の導波路（２０）内で反射し続けるように選択された角度である。共役ビームは、連結した方向（図１９のＢの破線の矢印）に第２の導波路（２０）と連結し、第２の導波路（２０）の隣接する端部へ伝播し、外部の分散によって失われる。

この実装では、第１の導波路（１０）から連結された画像で第２の導波路（２０）を充填することは、画像の最も浅い角度部分に関して導波路（１０）の最遠端部（図１９のＢで示される上部）からある角度で出現する光線（１０１）が、第１の導波路（１０）の他の末端（１０２）を超えないように十分な第１の導波路（１０）の幅を選択することにより達成されるのが好ましい。

図１９のＡ－Ｃの構造を実施するために、多くの条件を満たさなければならない。最初に、第１の導波路（１０）に沿った伝播を支持するために、導波路（１０）へ導入された光線は、屈折層（９９）とのインターフェースによって反射されなければならない。導波路（１０）の内部ファセットによる反射後、光線は屈折層（９９）によって第２の導波路（２０）へ連結されなければならないが、導波路（２０）の反対の外面から漏れてはならない。図２０は、上記の条件を充填するためにこの構造を実施するための手法を球座標で描いている。

したがって、図２０では、画像（１０６ＬＵ）、（１０６ＲＵ）、（１０６ＬＤ）、および（１０６ＲＤ）は、図１のＡの（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、および（ａ４）と同等である。導波路と空気との間の臨界角は、それぞれ（６１）と（６３）と同等である円（１０７）と（１０８）によって表される。円（１０９）は、図１９のＢとＣの導波路（１０）と中間の屈折層（９９）との間の臨界角を表す。導波路と屈折層（９９）の屈折率の比が空気に対するよりも小さいので、ＴＩＲ円は空気境界の場合よりも大きい。第１の導波路（１０）に沿って伝播する４つの共役像はすべて、両方の円（１０７）と（１０９）の外部にあり、その結果、画像は導波路に沿ってＴＩＲを介して伝播する。（１０６ＬＵ）が導波路（１０）の内部ファセットにぶつかる（図２のＡの画像（ｃ２）として記載されるプロセス）と、それは（１１０ＬＵ）（図１のＡの（ｂ１）と同等）に連結し、一方で、（１０６ＲＵ）は（１１０ＲＵ）に連結する。ビーム（１１０ＬＵ）と（（１１０ＲＵ））は臨界角（１０９）の内部にあるが、臨界角１０７の外部にある。その結果、このようなビームは、導波路（１０）から層（９９）を介して導波路（２０）へと有効に連結するが、導波路（２０）の外面からの空気とは連結しない。

（１１０ＬＵ）と（１１０ＲＵ）が第２の導波路（２０）内で反射されると、それらは対応する共役像（１１０ＬＤ）と（１１０ＲＤ）をそれぞれ生成する。このような反射は図１のＡの（ｂ２）と同等である。

上で言及されるように、この実装では、（１１０ＲＵ）と（１１０ＲＤ）は、図１９のＢの破線の矢印によって記載されるように分散する。画像（１１０ＬＤ）は、（図１のＡの４５で上に例証されるように）第２の導波路（２０）の内部ファセットによって目に結合される。

この実施形態の異なる実装は図２１のＡとＢで例証される。図２１のＡでは、ビーム（１１０ＲＵ）と（１１０ＲＤ）（破線の矢印として描かれる）は反射されることで、（１１０ＬＵ）と（１１０ＬＤ）（実線の矢印）を重ねて強化する。この組み合わせは、図２１のＡで示されるように、反射器（１１２）を垂直に、かつ第２の導波路（２０）の端部に導入することにより達成される。この反射器は、画像（１１０ＲＵ）と（１１０ＲＤ）の一部を後方に反射させ、正反対方向の第１の導波路（１０）に再度入ることもある。内部ファセットによって反射された後にこれらのビームを含めるために第１の導波路（１０）の２つの相対する外部ファセット（１１４Ｒ）と（１１４Ｌ）上に反射するコーティングを提供することが望ましいこともある。

図２１のＢは、図２１のＡの構造と同じ機能性を維持しつつ、単一の反射器（１１６）として第２の導波路反射器（１１２）に第１の導波路反射器（１１４Ｒ）を組み合わせる構造を例証している。

図２１のＣでは、導波路（１０）は、中間の誘電体または空隙によって間隔をおいて配置された導波路（２０）に隣接している。導波路（１０）からの連結された光（実線の矢印）は、図１３のＡとＢに関して上に記載されるプロセスに似たプロセスで導波路（２０）の背面ミラー（１１７）によって反射される。ミラー（１１７）の角度は、導波路（２０）内の要求されるガイドされた光角度（点線）に、導波路（１０）から伝達された光を一致させるように選択される。場合によっては、ミラー（１１７）は、導波路（１０）の実装によって生成されるカップリングアウト角度と使用される画像伝播角度に依存して、（図２１のＣで示されるように）導波路（１０）の縁部を越えて伸びる。

例えば、図２のＡおよびＢに関連して上に記載された様々な幾何学的配置および適切なコーティングなどの、内部ファセット（または回折光学素子）によって外連結する画像の異なる幾何学的配置が、図１９のＡ－図２１のＣの実装に適用され得る。

（図２１のＣではなく）図１９のＡ－図２１のＢの実装は、図２０に関連して記載される幾何学的要件によって利用可能な視野において多少限定される。しかしながら、適用の範囲に関して、このオプションは、製造の簡潔性および設計の容易さの考察により特に利点があり得る。

第１の導波路（１０）と第２の導波路（２０）との間の連結の実装のさらなるセットが、図２２のＡ－図２２のＥに例証される。これらの実装では、２Ｄ導波路（１０）は、図２２のＢにおいて示されるように、第２の導波路（２０）に対して傾斜され、その結果、導波路（１０）から外連結された画像の１つのみが、導波路（２０）内に含まれ、ガイドされる。第１の導波路（１０）は、中間の透明ウェッジ（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｗｅｄｇｅ）（７３０）の使用によって１Ｄ導波路（２０）に対する必要とされる傾斜で取り付けられ得る。この傾斜は、導波路（１０）から１つの画像を連結する（図１９のＢの実線の矢印に類似した、実線の矢印）、および導波路（１０）から他の画像を連結しない（図１９のＢの破線の矢印に類似した、破線の矢印）ように選択される。切り離された画像は、外部吸収体（ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｂｓｏｒｂｅｒ）（例えば（７３６））に吸収されるか、または観察者に見えなくなる方向に配向される。代替的に、（７３６）は、図２１のＡ－図２１のＢにおける破線の矢印に相当する、光（鎖線の矢印）を反対方向に導波路（１０）へと後ろに反射する及び導波路（２０）へと連結する１Ｄ再帰反射器であり得る。このオプションに従って、図２２のＢにおいて示されるように、２Ｄ導波路（１０）の外部ファセットの少なくとも１つの上に、反射コーティング（７３７）が提供されてもよい。表示の明瞭さのために、導波路の内部ファセットは、これらの図面から省略されている。

導波路（２０）に対する導波路（１０）の傾斜は、導波路の必要とされる角度およびそれらの間で伝搬する画像に従って選ぶことができ、図２２のＣに示されるように、第２の導波路（２０）の傾斜された連結表面に対する傾斜を低減するか、または図２２のＤに示されるように、角度を広げるために、透明ウェッジの連結プリズム（７３０）を利用してもよい。図２２のＥに例証されるような１つの特に好ましい実装において、第２の導波路（２０）に対する第１の導波路（１０）の必要とされる傾斜角度は、第２の導波路の連結表面の角度と一致し、その結果、中間の連結プリズムは必要とされない。このオプションを実装するために、第２の導波路（２０）へと連結された画像の出力角度は、導波路（２０）内の必要とされる伝搬角度と一致されなければならず、傾斜された端面（７３４）によって形成されたウェッジの範囲および導波路（１０）の寸法は、画像との第２の導波路（２０）の充填およびその共役が、上記の図６－１２に関連して上に記載された方法と類似した方法で達成されるようなものでなければならない。

各場合において、導波路特性が損なわれないことを確かなものとするために、第１の導波路（１０）の出力面にインターフェースの不連続性が必要とされる。図２２のＡ－図２２のＥに例証される実装において、導波路（１０）と導波路（２０）との間の光学的不連続性をもたら中間媒体は、空気であるが、他の屈折性材料またはコーティングが使用されてもよい。オプションは、上に記載された内部の部分的に反射するファセットに代わるものとして、出力連結も実行する回折格子を含む。

したがって、図２２のＡ－図２２のＥは、第１の導波路（１０）が、第３の対の平行面（２２ａ）、（２２ｂ）の間に伸長する及びそれらに対して斜めに角度がつけられた第２の光導波路（２０）の端面（７３４）に光学的に連結されることに従った、導波路（１０）の傾斜を例証する。このタイプの傾斜は、例えば、図２６－図２９に関連して以下に記載される様々な異なるタイプの内部ファセット傾斜などの、本明細書に提示される他のすべての変形構成と組み合わされてもよい。

ここで図２３および図２４を参照すると、これらは、上に記載された図１のＡ－Ｂの実装に本質的に類似しているが、多くの可変的な特徴を例証している実装に関する。したがって、図２３は、導波路（１０）と（２０）との間に中間の屈折層（１２０）が挿入された実装を示す。この層は、好ましくは、薄くなるべきであるが、様々な材料または多層コーティングで作られ得る。層（１２０）の存在は、図２４の角度間隔のダイアグラムにおける臨界角の円（１２１）として本明細書に例証される、図３の臨界角の円（６１）を拡大させるように働く。屈折率の適切な選択によって、この臨界角の円のサイズを選択することが可能であり、それによって、光学設計の追加の自由度が提供され、幾つかの場合には、空隙で達成され得るよりも大きなＦＯＶでの実装が促進される。

独立した態様において、図２４はまた、（ａ３）および（ａ４）が、（ａ１）および（ａ２）に対する導波路（１０）におけるファセットの角度（１２２）の同じ側面上にある実装を示す。これは、図２のＡにおけるＣ１のシナリオと同等である。

さらに独立した態様において、図２４はまた、導波路（１０）および（２０）が、異なる屈折率で材料から形成される構成を示す。結果として生じる異なる特性を表わすために、第２の導波路（２０）の幾何学的特性は、図２４において図面の左側に別々にプロットされ、画像および臨界角の円の角サイズは、２つのプロットにおいて異なる。

上記の変形はすべて、当業者に明らかとなるように、システム設計における追加の自由度を提供するために、本明細書に記載される実施形態のいずれかと組み合わせても使用されてもよい。

本発明の様々な実施形態において、構成要素および特に２つの導波路の相対的な位置付けにおける正確な位置合わせ及び構造安定性が、高度な画質を確かなものとするために重要であり得る。図２５のＡ－Ｄは、本発明による装置のアセンブリに対する多くの異なるオプションを示し、これは様々な追加の利点を提供する。

図２５のＡは、画質を保護するように外面の表面品質、平行性および垂直性を維持しながら、導波路（２０）の上に導波路（１０）を実装するための第１のオプションを例証する。このオプションによって、連続的な共通の外部カバー（１３２）が、導波路（１０）および（２０）のために提供される。１つの好ましいオプションに従って、実際の導波路が、実際にカバー（１３２）の外面によって画定され、一方で内部ファセットが、カバーの内向きのインターフェース（１３４）間にのみ提供されるように、外部カバー（１３２）は導波路の材料と光学的に一致させられる。この場合、外部カバー（１３２）は、光の漏れ（１３６）を最小限にするようにできるだけ薄くされるべきである。導波路（１０）と（２０）との間に示される間隙は、臨界角の管理のための空隙または屈折の間隙であり得る。

図２５のＢは、図２５のＡの実装に類似した実装を示すが、導波路（１０）の上部および底部にも沿った光学カバー（１４２）が追加されている。そのようなカバーの使用によって、これらの面に沿って高い光学品質（平滑度）を得ることが促進され得る。

図２５のＣは、導波路間の取り付けにおけるあらゆる間隙または偏差にもかかわらず、導波路（２０）に対する入射の完全な適用範囲（充填）を確かなものとするために、導波路（１０）が導波路（２０）よりもわずかに広い実装を示す。この場合、中間の屈折性材料（１４９）の層は、好ましくは、導波路（１０）の底面全体を覆う。

図２５のＤは、２つの導波路間に空隙を実装された、図２２のＡ－Ｅに類似した幾何学的配置を有する実装に関する。導波路の相対位置を固定し、導波路における内反射の摂動が最小である状態でそれらの間の空隙を密封するために、好ましくは、少なくとも接合が実施される領域において、導波路の外面上に反射コーティング（１１４９）が適用される。その後、機械的に導波路を相互に接続する及びシールも生成するために、接合取り付け部（１１５０）が、これらのコーティングの各々に付けられる。コーティングは、間隙に接近して局所化され得るか、または２Ｄ導波路の側面全体を覆うように伸長され得る。

コーティング（１１４９）は、金属の反射コーティングであり得るか、あるいは散乱からのより急な光線またはあらゆる望ましくない画像が送信されるが、画像光のグレージング角が反映されるように選択される、誘電体コーティングであり得る。

ここで図２６を参照すると、この実装において、導波路（１０）の伸長方向は、第２の導波路（２０）内のファセットの伸長方向に対して傾斜される（平行ではない）。言いかえれば、第２の導波路（２０）の部分反射面（ファセット（４５））は、１セットの平行線（１５０）で面（２２ａ）と交差し、第２の導波路（２０）の内連結の端面は、縁部（１５１）で面（２２ａ）に接し、縁部は１セットの平行線とは平行ではない。この傾斜は、画像の外連結角度を変化させ、特定の適用におけるエルゴノミックデザインに対する要件を満たすために使用され得るか、または特定の角度設計の制限を単純化し得る。これらの角度の制限は、臨界角を超えないための制限（円と交差しない画像矩形）または正常画像に重複するゴースト像を有さないための要件（図２４中の（１２２）などのファセットラインを交差しない画像矩形）を含む。

図２６の実装では、第１の導波路（１０）内のファセットの角度は、第２の導波路（２０）に供給されたリンクアウトした（ｌｉｎｋｅｄ－ｏｕｔ）画像が、第２の導波路のファセットに対して垂直に伝搬するように選択される。

導波路（２０）に対する導波路（１０）の傾斜は、代替的に、ファセット構成（図２のＡおよび図２のＢのオプション）、連結方法（図１９のＡ－図２３）、必要とされる画像ＦＯＶ、及び／又は空気に対する及び導波路間の臨界角（図２４）に依存して、ここで例証される傾斜とは反対方向であり得る。

図２７は、本発明のさらに異なる実装を例証し、ここで、本明細書で（１５５）と指定される、第１の導波路（１０）の部分反射表面は、面（１２ａ）および（１４ａ）の両方に対して斜角にある。（破線は、両方の外面に垂直な一平面および１つの面のみに対して傾斜した別の平面を示すことによって、ファセットの傾斜の可視化を促進するように意図されている。）角度間隔におけるこの実装の記載は、図２８に示される。導波路（１０）における最初の画像は、「ランドスケープ（ｌａｎｄｓｃａｐｅ）」（広い）縦横比を有する（ａ１）－（ａ４）として提示される。画像は、最終的な水平画像を得るために、捻れ角で画像（ａ１）として導波路に注入される。２Ｄの傾けられた内部ファセット（１５５）の平面は、（１５７）として提示される。このファセットは、（ａ１）を、導波路（１０）から導波路（２０）へと外連結される（ｂ１）へと連結する。一方、（ａ２）は、失われる代わりに、臨界角のマージン（ｍａｒｇｉｎ）（１５９）にはなく、それ故、導波路（２０）に連結されない（ｂ２）に連結される。画像（ｂ１）は、導波路（２０）内にそれ自体の共役像（ｂ３）を生成し、最終的に、（上に記載されたように）画像ｃとして眼に外連結される。この構成では、導波路（１０）と（２０）との間の位置合わせの精度に対する要件は緩和される。

図２９Ａおよび図２９Ｂにおいて角度間隔に表わされた図２７の実装のさらなる変形によると、ファセット（４０）の配向は、第１の導波路（１０）内に伝搬する４つの画像の１つのみの有意な割合を選択的に反映するように、（１１０）として表わされる２Ｄ傾斜、および適切なコーティングとともに選択され得る。したがって、図２９Ａにおいて例証される幾何学的配置では、画像（ａ２）は、導波路（２０）における伝搬および拡大のために外連結される（ｂ１）へと選択的に連結される。残存画像（ａ１）、（ａ３）および（ａ４）は、コーティングの適切な選択によって、ファセット（４０）においてこれらの画像の反射を実質的に除去することが可能である、十分に小さな角度にある。画像の角度微分（（ａ１）、（ａ３）および（ａ４）は、（ａ２）よりファセット平面に接近している）は、図２９Ｂの３Ｄ表示において最適に見られる。したがって、１つの特に好ましい例では、ファセット（４０）は、表面の法線に対して５５°と８５°の間で入射する光線に対して実質的に透明になるそれらを射線の出来事には（即ち、波長の関連範囲で５％未満の入射放射線の反射を生成する）、および法線に対して４５°未満の傾斜で入射する光線に対して部分的に反射する（典型的には、少なくとも１０％の入射放射強度で、および「実質的に透明な」角度範囲より有意に、典型的に反射の強度の少なくとも２倍で反射する）ようにコーティングされる。その後、画像の角方向の広がりの入射角およびファセット傾斜角度は、３つの画像（ここでは（ａ１）、（ａ３）および（ａ４））に対する角度の全体の広がりが、角度の実質的に透明な範囲内にあり、一方で１つの画像（ここでは（ａ２））に対するすべての画像角度が、部分反射範囲内にあるように選択され得る。これは結果として１つの画像のみの選択的な外連結をもたらし、それによって、システム設計の様々な態様を単純化する。外連結された画像が、元々生成された画像と同じ画像である必要がなく、その代わりに、その反転した共役像であり得ることが留意される。必要な場合に、原画像を生成する要素は、右画像が導波路から外連結されるように、注入のための反転した共役像を生成し得る。

＜均一性の向上＞
最終的な拡大された開口照射における非均一性は、時に、元の投影画像の開口の不均一な光、またはこの開口の非最適なトリミングに起因する場合がある。本発明のさらなる態様によると、そのような非均一性は、導波路の多重通路構成を実装することよってスムースアウトされ（ｓｍｏｏｔｈｅｄ－ｏｕｔ）得る。

図３０を具体的に参照すると、図３０は、隣接した平行導波路（１７２）が並置された導波路（１７０）を示す（これは、導波路（１０）または（２０）の側面図であり得る）。これらの導波路間の中間のインターフェースは、光の連結を生成し、その結果、光の一部は導波路間に伝達され、残りは内側に反射される。中間面（導波路（１７０）と（１７２）との間）および外面（示されるように上部および底部）は、平行である。中間のインターフェースでの部分反射は、コーティングまたは導波路間の屈折率の不連続性に基づき得る。導波路（１７０）内に伝搬する反射された開口（１７４）は、（破線でマークされた）（１７６）として導波路（１７２）へと連結される。開口のこの画像はまた、導波路（１７０）へと戻って、および内部ファセット（４０）または（４５）（この図においては示されず）によって「元の」開口（１７９）に沿って開口（１７８）に出て連結される。出力開口（１７８）および（１７９）は平行であるが、ポジションにおいてオフセットされ（ｏｆｆｓｅｔ）、結果として開口にわたる非均一性の平均化がもたらされる。

知覚された非均一性の別のソースは、図３１のＡに例証されるような異なる視野における内部ファセットの角度の重なりに関する。本明細書に例証される導波路（１０）または（２０）の領域において、導波路は、内部ファセットを含む（それら２つは、（４０）または（４５）に相当する（２５１５）および（２５１７）として示される）。外連結された光のほとんどは、単一の内部ファセットから反射される。しかしながら、ファセットの縁部において、オフ角（ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｎｇｌｅ）で非均一性がある。（実線の矢印としてマークされた）左を指し示すＦＯＶの領域に関して、この角度では、ファセット（２５１５）とファセット（２５１７）によって反射された光間に有効な間隙があるため、（２５２０）としてマークされた領域は、光を反射せず、結果として知覚されたもの（ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ）に暗いストリップがもたらされる。一方、（破線の矢印としてマークされた）右に外連結された光は、領域（２５２５）を有し、その中に（２５１５）および（２５１７）から反射された光の重なりがあり、それは光量のほぼ２倍を反射する。それ故、図３１のＡにおける非均一性は、ＦＯＶおよび眼位の異なる領域における拡張された開口にわたって中間の画像強度がおよそ２００％と０％の間で変化する。

本発明のさらなる態様によると、図３１のＢに例証されるように、有意な重なりはファセット間に導入される。この場合、隣接したファセット間の間隔は半分にされ、結果として、ほとんどの眼位でのＦＯＶの大部分が、２つのファセットからの重ねられた反射を介して画像から照射を受ける。画像の角度端点（ａｎｇｕｌａｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｉｅｓ）およびファセットの角度端点の近くに、１つのファセットのみから生じるビーム（２５４０）および３つの隣接したファセットによって寄与されるビーム（２５４５）によって例証されるように、画像の特定の領域に寄与する重なるファセットの数の変化がまだあるだろう。しかしながら、非均一性は、典型的におよそ±５０％に応じて、大幅に低下される。さらに、その変化は、開口にわたってより密に間隔を置かれた位置で生じ、それによって、観察者の瞳において平均される傾向があり、変化の視認性（ｎｏｔｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ）が低下する。

図３１のＣに示されるように、非均一性の低下に対するさらなる改善は、重なる内部ファセットによって生成される「多重通路」画像の導入から結果として生じ得る。（実線の矢印としてマークされ、「ａ」と指定された）導波路（１０）内で伝搬する光は、外連結される（「ｂ」と指定される）が、ｂからの光のいくらかは、「ｂ」として外連結される前に（破線の矢印としてマークされた）「ａ」に後方に連結される（ｂａｃｋ－ｃｏｕｐｌｅｄ）。この「ａ」と「ｂ」との間の前後の連結は、光の平行性を維持しながら開口にわたる強度の平均化を引き起こし、それによって光の均一性を改善する。

本発明の特定の実装による交差連結（ｃｒｏｓｓ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の別の方法は、図３２のＡおよび図３２のＢにおいて例証される。図３２のＡでは、内部ファセット（２６７０）（（４０）に相当）は、上部外面（２６７５）上へと上向きに内部ファセットで（実線の矢印として示された）右から左にＴＩＲを通って伝搬する画像照射の部分を反射するように「逆」配向にある。この面は、全体的な反射器になるようにコーティングされ、それによって、光を導波路（２０）へと下方へ反射する（光線（２６７２））。

上部外面（２６７５）から反射された光のいくらかは、内部ファセットによって再び反映され（破線の矢印として示される）、光線（２６８０）として下方へ別の内部ファセットによって反映されるまで導波路（１０）に沿って後方に伝搬する。光線（２６７２）および（２６８０）が平行であり、互いにオフセットされることは明白であり、したがって、交差連結および画像強度の非均一性の平滑化が達成する。

図３２のＢでは、内部ファセットは、光を下方に連結するように示され（上方の連結も本実施形態に含まれる）、底部外面（２７０５）は、部分的な反射器として実装され、および上部外面（２７１０）は、全体的な（例えば、金属化された）反射器として実装される。この構成の結として果、内部ファセット（４０）によって下方に反射される及び通常外連結される光の一部は、その代りに、第１の導波路（１０）へと後ろに反射される。その後、（破線として示される）上方の光線は、複数の通路へと分割し、その一部は、内部ファセットを通り抜けて上面（２７１０）から反射し、さらに入射光線通路に沿って逆に後ろに反射されて、続く内部ファセットで上方に反射される。上面（２７１０）から反射された光線は同様に、外連結のために内部ファセットをまっすぐに通り抜け得るか、または内部ファセット上でさらなる対の反射を受けて、異なる位置で外連結され得る。この多重通路の混合および画像間の交差連結はさらに、非均一性を低下させる役割を果たす。

外連結面に対する高角度で生じる前述の複数の内反射も、導波路（１０）の表裏面に当たることが留意される。ビームの角度に依存して、反射コーティングで導波路（１０）の表裏面をさらにコーティングすることが好ましいかもしれない。

ここで図３３のＡ－Ｃを参照すると、図３、２４、２８および２９に関連して上に記載されたスキームでは、内部ファセットでの選択的な部分反射は、ファセットに対して比較的高い傾斜にある入射画像（ａ１）および（ａ２）のために生じるように設計され、一方で低い傾斜角度の画像（ａ３）および（ａ４）が伝達されることが留意される。上に言及されたように、これらの選択的な特性を達成するのに適したファセットコーティングは、当該技術分野で公知であり、譲受人の先の米国特許第７，３９１，５７３号および第７、４５７、０４０号において記載されていることがわかる。

この手法に対する代替策として、図３３のＡ－Ｃは、低傾斜の画像が外連結される画像であり、一方で高傾斜の画像がファセットを通して伝達される、実装を例証している。したがって、図３３のＢの角プロットでは、外連結されて（ｂ１）および（ｂ２）を提供するのは画像（ａ３）および（ａ４）であり、一方で画像（ａ１）および（ａ２）は最小の反射で内部ファセット（４０）を通り抜ける。この光線の幾何学的配置は、図３３のＡにおいて例証され、図２のＡにおける光線（ｃ２）からの外連結と幾何学的に同等である。

図３３のＣは、この選択性を達成するために使用され得る内部ファセットの角度の反射率の一例を例証している。このグラフにおいて、ファセットの法線に対する角度は、Ｘ軸に沿って表示され、一方で各偏光の反射率がＹ軸上に表示されている。実線の四角は、（ａ３）または（ａ４）の角度範囲を表わす。（前の実施形態において記載されたように）Ｓ偏光が部分的に反射され、一方でＰ偏光がほとんど伝達されることは明白である。破線の四角は、共役像（ａ１）または（ａ２）を表わす。両方の偏光における反射率は最小であり、それ故、それらは導波路（１０）から反射されない。

これらの反射率プロファイルの達成のために必要とされるコーティングは、前述の米国特許第７，３９１，５７３号および第７、４５７、０４０号などにおける１Ｄ導波路に関連して開示されたコーティングを使用して実施され得る。

＜偏光スキーム＞
ファセットコーティングの反射特性は、偏光に依存する。この強い依存性は、偏光が一定したままでない場合に、観察者に投影された画像の非均一の強度出力を発生させることができる。それ故、１Ｄ導波路で作用させるときの従来の慣例は、導波路表面に垂直な配向で単一の偏光（好ましくはＳ）を使用して、それらを照射することである。その後、光が１Ｄ導波路に沿って伝搬しても、この偏光の配向は変わらない。

本発明の態様の教示による２Ｄ導波路（１０）に関連して、光が様々な角度で面に当たり、これらの反射を介して偏光の配向の変更が引き起こされるため、入力画像に対する単一の偏光の使用は最適解を提供しない。結果的に、単一の偏光が導波路上に注入される場合、その配向は導波路に沿って変化し、画像均一性が損なわれる。

代わりに、本発明の特定の特に好ましい実施によると、第１の導波路（１０）へと導入された画像は、２Ｄ導波路へと非偏光（または以下に記載されるような擬似の非偏光）で連結される。非偏光の入力の使用によって、偏光の回転は画像均一性に影響を及ぼさない。さらに、内部ファセット（４０）から外連結する反射は、大部分が偏光された出力を生成するが、部分的に偏光された伝達された画像は、それらの偏を導波路面で続く反射を介して断続的にスクランブルさせ（ｓｃｒａｍｂｌｅｄ）、それによって続く内部ファセットで外連結された画像の均一性に寄与する。

光学画像は、光を放射する走査レーザー、ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ、ＯＬＥＤまたは他の装置によって生成することができる。投影光が偏向させられる場合、または偏光が偏光ビームスプリッターにいって導入される場合、光は、好ましくは、第１の導波路（１０）の開口に入る前にデポラライザを介して伝達される。デポラライザは、光の異なるスペクトル成分の偏光の変更に基づいてパッシブ・デポラライザ（ｐａｓｓｉｖｅ ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｒ）（「リオ（Ｌｙｏｔ）」デポラライザ、「コルニュ（Ｃｏｒｎｕ）」デポラライザ、または「ウェッジ（Ｗｅｄｇｅ）」デポラライザなど）になり得る。例えば、赤色、緑色、または青色のＬＥＤのスペクトル幅は、およそ５０ナノメートルであり得、１ｍｍの厚さの結晶石英は、優れた偏光解消を達成することができる。そのようなデポラライザは、画像投影配置における最後の偏光素子の後にある画像伝搬路に沿ったあらゆる光インターフェースで導入され得る。例えば、それは、図１６の偏光ビームスプリッター（５１３）の直下に、または導波路の製造中に接合される要素間の中間のインターフェースに導入され得る。

代替的に、単一セルのＬＣＤが、ヒトによる視覚認知の時間平均効果によって知覚されるような擬似の偏光解消を達成するために、偏光の急速な切替に使用され得る。ＬＣＤが、投影画像の単一フレームの時間内に２つの直交状態間で注入された光の偏光を変更する場合、光はこの適用に対して非偏光であると考えられ得る。幾つかの場合、より多くの状態が好ましいかもしれないが（例えば、中間状態を発生させるために低減された電圧でＬＣＤセルを始動させることによって作られる）、２つの直交状態は典型的に満足な結果をもたらす。例えば、投影画像のフレームレートが１００ＦＰＳである場合、ＬＣＤは、２００Ｈｚのレートで偏光を変更するはずであり、わずか数ミリ秒の間各偏光において留まる。

非偏光の光は、導波路（１０）に注入された後、第１の内部ファセット（４０）にぶつかる。光の一部はこのファセットによって反射される。反射が部分的に偏光されるため、伝搬し続ける光の残りの部分も部分的に偏光される。したがって、例えば、第２の導波路（２０）への外連結のための部分的に反射されるのがＳ偏光である場合、伝達された光は部分的にＰ偏光される。

この伝達された光は、続く内部ファセット（４０）に当たる前にＴＩＲまたは反射を受け続ける。このＴＩＲは、光の偏光を無作為に回転させ、ある程度までその偏光を解消する。この偏光スクランブリング（回転および偏光解消）は有益であり、導波路（１０）に沿った出力連結の均一性に寄与する。偏光スクランブリングは、導波路（１０）と、例えば、導波路（１０）の上部の外部ファセット上の媒体が空気であるその環境との間の高屈折率差を利用することによって（フレネル方程式によって発現されるように）増強される。１つの好ましいオプションによると、複屈折の材料またはコーティングが、偏光スクランブリングを増強するために導波路（１０）内に導入される。別の好ましいオプションによると、コーティングは、偏光スクランブリングを増強するために導波路（１０）の外面の外側に導入される。内部ファセットでの部分的な偏光の上記のプロセスと、続く偏光スクランブリングは、各々の連続する内部ファセットで繰り返される。

導波路（１０）から出て導波路（２０）へと連結するための内部ファセット（４０）で反射された光に関して、この光は、典型的にＳ偏光で典型的に部分的に偏光されるが、第１導波路を出る前に、および導波路（１０）を出て導波路間の間隙へと進むと、導波路（１０）の側面に生じる更なる反射で更なる偏光の変更を受け得る。結果として生じる外連結された光の偏光特性および第２の導波路に対する偏光の配向は、それ故、利用される具体的な連結の幾何学的配置の様々な特徴に依存する。第２の導波路（２０）における偏光の管理に関して、多くのオプションが採用され得る。

随意に、Ｓ偏光からの累積偏差は、波長板を導波路（１０）と（２０）との間の間隙に入れることによって低下され得る。波長板（複数可）の実パラメーターは、導波路（２０）において必要とされる偏光に対する導波路（１０）からの比出力された光の偏光に従って判定されるべきである。随意に、望ましくない偏光、散乱およびゴースト像を低減するために、導波路（１０）と（２０）との間にポラライザが配置されてもよい。

ファセット（４５）の伸長方向が、ファセット（４０）に対して垂直である場合、ファセット（４０）によって反射されたＳ偏光は、ファセット（４５）に対するＰ偏光として配向される。Ｓ偏光がファセット（４５）に最適である場合、偏光をファセット（４５）に望ましいものに一致させるために、導波路間にλ／２波長板が配置されてもよい。このλ／２は、前に記載されたポラライザの前または後に置かれ得る。

代替的な実装では、システムは、幾つかの場合に、導波路（１０）と（２０）との間の偏光の管理を実施することなく許容可能な結果を提供することがわかった。この場合、ファセット（（ｂ１）および（ｂ２））からの反射光の偏光は、導波路（２０）へと下に伝搬するにつれ回転し、導波路（２０）のファセット（４５）にわたる偏光の平均化をもたらす。この構成のさらなる最適化は、５０°－７５°の範囲で図３３のＣにおいて示されるなど、両方の偏光を反射するコーティングを有していることによって達成される。（本例では、２つの偏光の反射は等しくないが、両方とも有意に反射される。）

２つの導波路（第１導波路への画像注入の減極剤に加えての）間の間隙にデポラライザを導入することも可能である。さらに、または代替的に、複屈折材料（例えば、特定のプラスチック）が導波路に使用されてもよく、これにより、システムの偏光スクランブリングの特性がさらに増強される。

＜製造プロセス＞
第２の導波路（２０）の製造に適した技術は一般に知られており、それは、例えば、図３２－図３６に関連して記載されるように、譲受人の先行特許である米国第６，８２９，０９５号に見られ得る。

図３４のＡは、限定しないが、第１の導波路（１０）を作り出すために使用され得る好ましいプロセスを例証している。明瞭さのために、図面では、スケールまたは密度は合わせられていないが、内部ファセットが示されている。

１セットのコーティングされた透明な平行板が、積み重ね（ｓｔａｃｋ）として一緒に貼り付けられる（４００）。積み重ねは、スライス（ｓｌｉｃｅ）（４０４）を作り出すために、対角線に切られる（４０２）。必要とされる場合、カバーの透明板（４０５）は、スライス（４０４）の上部及び／又は底部（図示されず）上に付けられ得る。１Ｄのファセット傾斜が必要とされる場合、スライスは、ファセットの縁部に対して垂直に切断され（破線）、または２Ｄ導波路（４０６）を作り出すために、２Ｄのファセット傾斜が必要とされる場合、対角線に切断される（鎖線）。

上記実施形態の多くに関して、その後、連結プリズムが導波路（１０）に付けられる。連結プリズムの取り付けのための典型的な手順は、図３４のＢ－Ｅに例証されている。スライスされた２Ｄ導波路（４０６）は、重なるファセット（２つのファセットは１視線ごとに反射する）とともに図３４のＢに示されている。これは単に限定しない例であり、重ならないファセットも可能である。

図３４のＢに例証されるように、２Ｄ導波路（４０６）（明瞭さのために非透明に示される）は、例えば、例証されるように点線に沿って切断される。この切断は、あらゆる配向でもよいが、垂直の切断は厳しい屈折率整合要件を緩和する。好ましくは、図３４のＣに見られるように、照射の均一性を維持するために、重なるファセットが存在する（図３４のＣにおける切り口を参照）場合に、その切断が実行される。そうでなければ、第１のファセットは、重なることなく反射し、結果として照射は低減される。必要な場合、透明な拡張部（４１３）を加えることができ、プリズム（４１４）（透明で示される、上記の（９１）に相当する）が（４０６）に付けられ、拡張部および連結プリズムを備える２Ｄ導波路（４１６）が作られる。拡張部が必要でない場合に、連結プリズム（４１４）は、組み立てられた導波路（４１７）を作り出すために導波路に直接付けられてもよい。導波路の遠位端は、残されてもよく、それによって、残光がそこから散乱されることが可能になり、また迷反射（ｓｔｒａｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）を最小限にするために光吸収材料（例えば黒色ペイント）を随意に塗られてもよい。

ここで図３５のＡ－Ｄを参照すると、観察者は１Ｄ導波路（２０）を通して世界（ｗｏｒｌｄ）を見る。それ故、（図１における）内部ファセット（４５）の透明度の変化が観察可能であり、不都合であり得る。しかしながら、導波路（虚像）からの均一な照射を維持するために、内部ファセットの反射率は、導波路の照射点からさらに離れて、より高くなければならない。

図３５のＡ－Ｄでは、１Ｄ導波路の照射は太い矢印として示され、ファセットのより高い反射率は、図３５のＡおよびＣの正面視でのより暗い透明度として、および図３５のＢおよびＤの側面視でのより太い線として描写される。

図３５のＡおよびＢの断面（４５０）は、導波路の端部の透明ガラスを示す。この断面は、内部に光をガイドせず、投影画像の領域を越えて、観察者に対する導波路窓の連続性のためにのみ使用される。これは、典型的に、断面（４５０）と最後のファセットとの間の明白な不連続性をもたらす。従来のシステムでも適用可能である、図３５のＣおよびＤに例証される本発明のさらなる態様によると、最後の断面（４５４）は故意にあまり透明でないように作られ、それによって、最後のファセットと断面（４５４）との間の実世界の視野の伝達の明白な不連続性が低減される。これによって、画像のこの部分は観察者に対してそれほど妨害するものではなくなる。セクション（４５４）に望ましい伝達の低減も、断面（４５０）の上のコーティングを使用して達成することができる。

本発明のまたさらなる態様によると、追加の等級分けされた透明窓（４５７）が、導波路に隣接して（その前または後ろに）導入され得る。等級分けされた透明度は、連続的により厚い内部ファセットの配置に起因する類別された透明度まで反対方向に異なり、それによって、ディスプレイを通して見られた実世界の外観の変化を補い、ほぼ均一な全体的な組み合わせた透明度がもたらされる。

添付の請求項がマルチの従属なしで作成される程度まで、これは、そのようなマルチの従属を可能にしない管轄における方式要件に適応させるためだけに行われた。請求項をマルチに従属させるようにすることによって含蓄される特徴のあらゆる可能な組み合わせが、明確に考察され、本発明の一部と考えられるべきであることが留意されるべきである。

上記の記載が例として機能するようにのみ意図され、他の多くの実施形態が、添付の請求項において定義されるように本発明の範囲内で可能であることが認識されるだろう。

Claims (9)

1. 光学的開口乗算器であって、
   （ａ）透明材料のブロックとして形成された第１の導波路であって、前記第１の導波路は、長方形断面を形成する第１の対の平行面および第２の対の平行面を有し、前記第１の導波路を少なくとも部分的に横断する第１のセットの相互に平行な部分反射内面を含み、前記部分反射面が少なくとも前記第１の対の平行面に対して斜角である、第１の導波路と、
   （ｂ）前記第１の導波路に光学的に連結される、透明材料のブロックとして形成された第２の導波路であって、前記第２の導波路は、スラブ型の導波路を形成する第３の対の平行面を有しており、第２のセットの部分反射面は前記第２の導波路を少なくとも部分的に横断し、前記第２のセットの部分反射面が、前記第３の対の平行面に対して斜角である、第２の導波路と、
   （ｃ）無限にコリメートされる画像を投影するように構成された画像プロジェクターであって、前記画像を前記第１の導波路へ導入し、前記第１の対の平行面および前記第２の対の平行面における４回の内反射によって前記第１の導波路内で伝播することにより、４つの内反射画像セットを生成するように、前記第１の導波路に光学的に連結された画像プロジェクターとを含み、
   前記第１の導波路への光学的連結ならびに前記第１および第２の導波路の前記第１および第２のセットの部分反射面は、前記４つの内反射画像セットの少なくとも１つの強度の一部が、前記部分反射面における反射によって漸進的に偏向され、前記第２の導波路に連結され、前記第２の導波路内で２回の反射によって伝播され、前記画像の強度の一部が前記部分反射面で反射され、可視画像として前記平行面の１つから外側へ向けられるように構成され、
   前記第１の導波路内を伝播する前記画像は視野角に広がっており、前記４つの内反射画像のいずれの光も前記第１の対の平行面および前記第２の対の平行面のいずれかまたは前記第１のセットの前記部分反射面に平行ではなく、
   前記漸進的に偏向される画像または前記第２の導波路内を伝播するその反射の光は、前記第３の対の平行面または前記第２のセットの部分反射面に平行ではなく、
   前記第１のセットの部分反射面は、前記第２の対の平行面に垂直であり、前記第１のセットの部分反射面は、多層誘電体コーティングであって、前記４つの内反射画像の第１の２つの画像の視野角を含む第１の角度範囲内に入射する光に対して実質的に透明であり、前記４つの内反射画像の第２の２つの画像の視野角を含む第２の角度範囲内に入射する光を部分的に反射し、それによって前記第２の２つの画像を漸進的に偏向させて前記第２の導波路に連結させる多層誘電体コーティングを用いて実装される、
   ことを特徴とする光学的開口乗算器。
2. 前記第２の対の平行面は、前記第３の対の平行面に平行である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的開口乗算器。
3. 前記第１のセットの部分反射面の反射率は、前記反射画像の伝播方向に沿って増大する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的開口乗算器。
4. 前記第１のセットの部分反射面は、前記第１の対の平行面および前記第２の対の平行面の少なくとも１つの面に隣接した周囲媒体において、前記第１の導波路の材料の臨界角よりも小さい角度で、前記第１の対の平行面の法線に対して傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的開口乗算器。
5. 前記第１の導波路は、前記第１の対の平行面または前記第２の対の平行面の間に、それに平行に配置された部分反射内面を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的開口乗算器。
6. 前記画像プロジェクターと前記第１の導波路との間の光学的連結は、前記第１の導波路に一体形成されている、または光学的に連結されている連結プリズムを通して行われ、前記連結プリズムは、前記画像プロジェクターからの射影画像の光軸に垂直な連結面を提示し、前記第１の対の平行面の第１の面と同一平面上の、またはそれに平行な第１の拡張面と、前記第２の対の平行面の第１の面と同一平面上の、またはそれに平行な第２の拡張面とを提供する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的開口乗算器。
7. 前記第１の拡張面は、前記第１の対の平行面の幅よりも大きい、前記第の一導波路の伸長方向に垂直な幅を有し、前記第２の拡張面は、前記第２の対の平行面の幅よりも大きい、前記第１の導波路の伸長方向に垂直な幅を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の光学的開口乗算器。
8. 前記連結プリズムは、前記第１の導波路の入口開口部の第１の寸法を画定する第１の遮断縁部と、前記第１の導波路の入口開口部の第２の寸法を画定する第２の遮断縁部とを画定し、前記第１の遮断縁部および前記第２の遮断縁部は同一平面上にはない、ことを特徴とする請求項６に記載の光学的開口乗算器。
9. 前記連結プリズムは、前記第１の導波路の入口開口部の第１の寸法を画定する第１の遮断縁部と、前記第１の導波路の入口開口部の第２の寸法を画定する第２の遮断縁部とを画定し、前記第１および第２の遮断縁部の少なくとも１つは、前記第１の導波路の伸長方向に斜めに傾斜している、ことを特徴とする請求項６に記載の光学的開口乗算器。