(57)【要約】      （修正有）【課題】先行技術の小型光学表示装置の欠点を軽減すること、並びに、特定の要求に従って、改善された性能を有する他の光学コンポーネント及びシステムを提供する。【解決手段】光学システムは、少なくとも二つの外部の主要面２６、２８及び端を有する光伝達基材２０、並びに、全内部反射によって基材の中に光波を結合させるための光学素子１６、を含む。少なくとも一つの部分反射面２２は、基材の外に光波を結合させるために基材内に位置し、光伝達基材の屈折率よりも実質的に低い屈折率を有する少なくとも一つの透明層は、基材の主要面のうちの少なくとも一つに光学的に取り付けられており、インターフェイス平面を規定する。基材の内側に結合された光波は、インターフェイス平面から、基材の主要面と透明層との間で、実質的に全反射される。【選択図】図３
2020106855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
前記基板の外に、前記基板の前記主外表面のうちの一方に隣接して位置する第１のレンズを少なくとも含むレンズ配置であって、該第１のレンズは、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、レンズ配置と、
インターフェイス平面を規定するように前記第１のレンズの少なくとも一部を前記基板の前記主外表面うちの一方に光学的に結合する少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された多層被覆と、を含み、
前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、光学システム。
【請求項２】
前記第１のレンズが動的に制御される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの画像は、前記第１のレンズによってユーザ制御距離に焦点が合わせられる、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記第１のレンズが電子的に制御される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記第１のレンズが電子工学的に制御される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記第１のレンズによって焦点が合わせられる前記少なくとも１つの画像は、前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波に対応する前記画像である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記第１のレンズによって焦点が合わせられる前記少なくとも１つの画像は、前記基板を通過した光波に対応する、前記画像とは異なる外部光景画像である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第１のレンズによって焦点が合わせられる前記少なくとも１つの画像は、前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波に対応する前記画像と、前記基板を通過した光波に対応する、前記画像とは異なる外部光景画像とを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項９】
前記第１のレンズが前記視る者の目の収差を補正する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光景画像が電子表示源によって生成される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記電子表示源が空間光変調器に結合されている、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記電子表示源は高解像度の表示源である、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記電子表示源は液晶ディスプレイである、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記レンズ配置は、前記画像とは異なる外部光景画像からの光波が前記基板を通過するようにし、その後、前記第１のレンズを通過させ、前記視る者の目に入るようにするために、前記基板の前記主外表面うちの他方に隣接して位置する第２のレンズをさらに含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の透明層をさらに含み、該第２の透明層が前記第２のレンズの少なくとも一部を、前記基板の前記主外表面の他方に光学的に結合する、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記光景画像及び前記外部光景画像が、前記第１のレンズによってユーザ制御距離に焦点が合わせられる、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記光景画像は、前記第１のレンズによって所定の距離に焦点が合わせられ、該所定の距離は、前記外部光景画像と前記光学システムとの間の前記距離である、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１８】
前記第２のレンズはコリメートレンズである、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズのうちの少なくとも１つは動的なレンズである、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記動的なレンズが電子的に制御される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記動的なレンズが電子工学的に制御される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズのうちの少なくとも１つは、フレネルレンズである、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記基板内に結合された前記光波は、前記インターフェイス平面に対して実質的に垂直な角度で、前記インターフェイス平面を通った外に結合される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記インターフェイス平面を通った外に結合された前記光波が前記第１のレンズを通って伝達される、請求項２３に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記画像に関連する視野全体に対応し、前記臨界角よりも大きい角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるように前記臨界角が規定されている、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２６】
前記透明層が光学的に取り付けられる前記第１のレンズの前記一部は、前記基板に対向する平坦な外表面を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記透明層は、前記基板の前記第１の主外表面と前記第１のレンズとの間に配置される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記基板の外に光波を結合するための前記少なくとも１つの部分反射面は、回折素子である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２９】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して光透過性の該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
臨界角を規定するように前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する少なくとも１つの透明層であって、該少なくとも１つの透明層は、インターフェイス平面を規定するように前記基板の前記主外表面のうちの１つに光学的に取り付けられる、少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された多層被覆であって、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、多層被覆と、
前記少なくとも１つの透明層に光学的に結合されたレンズであって、該レンズは、前記基板の前記第１の主外表面に隣接して位置し、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、あるいは該レンズは、前記基板の前記第２の主外表面に隣接して位置し、前記視る者の目で見るために、前記光景画像とは異なる外部光景画像からの光波が前記基板を通過するようにするレンズと、を含む光学システム。
【請求項３０】
前記レンズが電子的に制御される、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３１】
前記レンズは動的なレンズである、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３２】
前記レンズはフレネルレンズである、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３３】
前記レンズが前記視る者の目の収差を補正する、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３４】
前記レンズはフォーカシングレンズである、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３５】
前記レンズはコリメートレンズである、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３６】
前記レンズが前記基板の前記第１の主外表面に隣接して位置し、前記レンズが前記外部光景画像からの光波を、前記インターフェイス平面を通った外に結合される前記画像からの前記光波と共に、前記視る者の目に焦点を合わせる、請求項２９に記載の光学システム。
【請求項３７】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面と、該主外表面に平行でない少なくとも１つの端とを含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、少なくとも１つの端を介して、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成されており、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
インターフェイス平面を規定するように、前記基板の前記主外表面のうちの少なくとも１つに光学的に結合された少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された多層被覆であって、前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、多層被覆と、を含む光学システム。
【請求項３８】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
前記基板の外に、前記基板の前記主外表面のうちの一方に隣接して位置する第１のレンズを少なくとも含むレンズ配置であって、該第１のレンズは、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、レンズ配置と、
インターフェイス平面を規定するように前記第１のレンズの少なくとも一部を前記基板の前記主外表面うちの一方に光学的に結合する少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された角度に敏感な反射被覆と、を含み、
前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、光学システム。
【請求項３９】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
前記基板の外に、前記基板の前記主外表面のうちの一方に隣接して位置する第１のレンズを少なくとも含むレンズ配置であって、該第１のレンズは、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、レンズ配置と、
インターフェイス平面を規定するように前記第１のレンズの少なくとも一部を前記基板の前記主外表面うちの一方に光学的に結合する少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された反射防止被覆と、を含み、
前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、光学システム。
【請求項４０】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して光透過性の該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
臨界角を規定するように前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する少なくとも１つの透明層であって、該少なくとも１つの透明層は、インターフェイス平面を規定するように前記基板の前記主外表面のうちの１つに光学的に取り付けられる、少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された角度に敏感な反射被覆であって、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、角度に敏感な反射被覆と、
前記少なくとも１つの透明層に光学的に結合されたレンズであって、該レンズは、前記基板の前記第１の主外表面に隣接して位置し、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、あるいは該レンズは、前記基板の前記第２の主外表面に隣接して位置し、前記視る者の目で見るために、前記光景画像とは異なる外部光景画像からの光波が前記基板を通過するようにするレンズと、を含む光学システム。
【請求項４１】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面を含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成され、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して光透過性の該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
臨界角を規定するように前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する少なくとも１つの透明層であって、該少なくとも１つの透明層は、インターフェイス平面を規定するように前記基板の前記主外表面のうちの１つに光学的に取り付けられる、少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された反射防止被覆であって、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、反射防止被覆と、
前記少なくとも１つの透明層に光学的に結合されたレンズであって、該レンズは、前記基板の前記第１の主外表面に隣接して位置し、前記基板を通過した光波と前記基板の前記主外表面の間で案内された前記光波のうちの少なくとも１つに対応する少なくとも１つの画像を、視る者の目で見るために少なくとも１つの距離に焦点を合わせる、あるいは該レンズは、前記基板の前記第２の主外表面に隣接して位置し、前記視る者の目で見るために、前記光景画像とは異なる外部光景画像からの光波が前記基板を通過するようにするレンズと、を含む光学システム。
【請求項４２】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面と、該主外表面に平行でない少なくとも１つの端とを含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、少なくとも１つの端を介して、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成されており、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
インターフェイス平面を規定するように、前記基板の前記主外表面のうちの少なくとも１つに光学的に結合された少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された角度に敏感な反射被覆であって、前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、角度に敏感な反射被覆と、を含む光学システム。
【請求項４３】
光学システムであって、
少なくとも第１及び第２の主外表面と、該主外表面に平行でない少なくとも１つの端とを含む複数の表面を有する光透過性の基板であって、少なくとも１つの端を介して、該基板が内部反射によって該基板の該主外表面の間内に結合され、画像を示す光波を案内するように構成されており、該基板がさらに、少なくとも１つの部分反射面を介して該基板の外に該光波を結合するように構成されている、光透過性の基板と、
インターフェイス平面を規定するように、前記基板の前記主外表面のうちの少なくとも１つに光学的に結合された少なくとも１つの透明層と、
前記インターフェイス平面に施された反射防止被覆であって、前記少なくとも１つの透明層は、臨界角を画定するように、光透過性の前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記臨界角よりも大きな角度で前記基板内に結合されている光波が、前記基板の前記主外表面と前記透明層との間の前記インターフェイス平面での全内部反射によって、前記基板内にトラップされるようにする、反射防止被覆と、を含む光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材に導波される（substrate-guided）光学装置に関し、具体的には、光導素子（light-guide  element）とも呼ばれる、一つの共通の光伝達基材が持つ複数の反射面を含む装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型光学素子のための一つの重要な用途は、光学モジュールが結像レンズ及びコンバイナ（combiner）の両方として機能し、二次元画像源が無限遠に結像され観察者の目の中に反射される、ヘッドマウント式ディスプレイ（ＨＭＤｓ）に関係する。表示源は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、走査源若しくは同様の装置のような空間光変調器（ＳＬＭ）から直接的に得られるか、又は、リレーレンズ若しくは光ファイバー束を用いて間接的に得られるかのいずれであってもよい。表示源は、コリメートレンズによって無限遠に結像され、かつ、非シースルー及びシースルー（see-through）の用途のためのコンバイナとしてそれぞれ作用する反射面又は部分反射面を用いて、視る者の目の中に伝達される、素子（ピクセル）のアレイを含む。典型的には、これらの目的のために、従来の自由空間光学モジュールが使用される。しかしながら、システムの所望の視野（ＦＯＶ）が増大するにつれて、そのような従来の光学モジュールは、より大きく、より重く、より嵩張る（bulkier）ものとなり、従って、中程度の性能の装置用であっても、実用的ではない。これは、全ての種類のディスプレイのために、特にヘッドマウント式の用途において重大な欠点であり、システムは必然的に可能な限り軽く小型であるべきである。
【０００３】
小型であることのための努力は、いくつかの異なる複雑な光学的な解決策をもたらしているが、それらの全ては、一方では、依然として大半の実用的な用途のために十分に小型でなく、他方では、製造可能性の点で重大な欠点を有する。さらに、これらの設計の結果として生じる光学的視野角のアイ‐モーション‐ボックス（ＥＭＢ）は通常非常に小さい‐典型的には８ｍｍ未満である。ゆえに、光学システムの性能は、視る者の目に対する光学システムの小さな動きに対してさえ、非常に敏感であり、そのようなディスプレイからの文の快適な読み取りのために十分な瞳孔運動を許容しない。
【０００４】
国際公開第０１／９５０２７号，国際公開第０３／０８１３２０号，国際公開第２００５／０２４４８５号，国際公開第２００５／０２４４９１号，国際公開第２００５／０２４９６９号，国際公開第２００５／１２４４２７号，国際公開第２００６／０１３５６５号，国際公開第２００６／０８５３０９号，国際公開第２００６／０８５３１０号，国際公開第２００６／０８７７０９号，国際公開第２００７／０５４９２８号，国際公開第２００７／０９３９８３号，国際公開第２００８／０２３３６７号，国際公開第２００８／１２９５３９号，国際公開第２００８／１４９３３９号，国際公開第２０１３／１７５４６５号，イスラエル国特許出願公開第２３２１９７号明細書及びイスラエル国特許出願公開第２３５６４２号明細書に含まれる教示は、全て出願人の名称で、参照により本明細書に取り込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０１／９５０２７号
【特許文献２】国際公開第０３／０８１３２０号
【特許文献３】国際公開第２００５／０２４４８５号
【特許文献４】国際公開第２００５／０２４４９１号
【特許文献５】国際公開第２００５／０２４９６９号
【特許文献６】国際公開第２００５／１２４４２７号
【特許文献７】国際公開第２００６／０１３５６５号
【特許文献８】国際公開第２００６／０８５３０９号
【特許文献９】国際公開第２００６／０８５３１０号
【特許文献１０】国際公開第２００６／０８７７０９号
【特許文献１１】国際公開第２００７／０５４９２８号
【特許文献１２】国際公開第２００７／０９３９８３号
【特許文献１３】国際公開第２００８／０２３３６７号
【特許文献１４】国際公開第２００８／１２９５３９号
【特許文献１５】国際公開第２００８／１４９３３９号
【特許文献１６】国際公開第２０１３／１７５４６５号
【特許文献１７】イスラエル国特許出願公開第２３２１９７号明細書
【特許文献１８】イスラエル国特許出願公開第２３５６４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、他の用途の中でもＨＭＤｓのための、非常に小型な光導光学素子（ＬＯＥ）の開発を促進する。本発明は、比較的大きなＥＭＢ値と一緒に、比較的広いＦＯＶｓを可能にする。結果として生じる光学システムは大きな、高品質画像を提供し、それはまた目の大きな動きを適応させる。本発明によって提供される光学システムは、最先端の実施よりも実質的に小型でありながら特殊な構成を有する光学システムにさえも容易に組み込まれることができるので、特に有利である。
【０００７】
したがって、本発明の広い目的は、先行技術の小型光学表示装置の欠点を軽減すること、並びに、特定の要求に従って、改善された性能を有する他の光学コンポーネント及びシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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ーヤー又は任意の他のモバイル表示装置のような、多数の画像用途において有利に実施され得る。
【０００９】
ＬＯＥの働きの主要な物理的原理は、光波が、ＬＯＥの外表面（external  surfaces）から、全内部反射によって基材の内側に捕捉されることである。しかしながら、外表面の少なくとも一つに他の光学素子を取り付けることが要求される状況が存在する。そのような場合において、一方では、外表面からの光波の反射がこの取り付けによって低下させられることがないこと、並びに、他方では、ＬＯＥの外表面から及びＬＯＥの外表面への光波の、光学配置（optical  arrangement）の外への結合（coupling-out）及び中への結合（coupling-in）が妨げられることがないことを確かにすることが、不可欠である。一つの結果として、一方では、ＬＯＥの内側に結合され、斜めの角度で表面に突き当たる（impinge）全光波を実質的に反射することができ、かつ、他方では、法線入射（normal  incidence）に近接して表面に突き当たる光波を実質的に伝達する（transmit）、角度に敏感な（angular  sensitive）反射光学配置を外表面に追加することが要求される。
【００１０】
先の発明（例えば、国際公開第２００５／０２４４９１号）において、ＬＯＥ  の表面に角度に敏感な薄膜誘電被覆が塗布された反射光学配置が、説明されている。本発明において、一つの代替的な反射光学配置は、極めて低い屈折率を有する誘電透明材料を利用する。
【００１１】
したがって、本発明は、少なくとも二つの外部の主要面及び端を有する光伝達基材（light-transmitting  substrate）、全内部反射によって基材の中に光波を結合させるための光学素子、基材の外に光波を結合させるための、基材内に位置する少なくとも一つの部分反射面、並びに、光伝達基材の屈折率よりも実質的に低い屈折率を有し、基材の主要面のうちの少なくとも一つに光学的に取り付けられており、インターフェイス平面（interface  plane）を規定する、少なくとも一つの透明層（transparent  layer）、を含み、基材の内側に結合された光波は、インターフェイス平面から、基材の主要面と透明層との間で、実質的に全反射される、光学システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明は、より完全に理解され得るように、以下の例示的な図面を参照して、いくつかの好ましい実施形態に関連して記述される。
【００１３】
図を詳細に参照すると、示される詳細な事項は、例としてのものであり、本発明の好ましい実施形態の例示的な説明のみのためのものであり、また本発明の原理及び概念的側面の最も有用で容易に理解される記述であると考えられるものを提供するために提示されることが強調される。これに関して、本発明の構造的詳細を、本発明の基本的な理解のために必要であるよりも詳細に示す試みはなされていない。図面に伴われる記述は、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指示としての役割を果たすものである。
【図１】一つの例示的な先行技術のＬＯＥの側面図である。
【図２】表示光源からの入力光波をコリメートするための先行技術の光学装置を示す模式図である。
【図３】本発明による、表示光源からの入力光波をコリメートし、ｎＬＯＥの中に結合（coupling-in）させるためのシステムを示す模式図である。
【図４】本発明による、表示光源からの入力光波をコリメートし、基材の中に結合させるための他の実施形態を示す模式図であり、コリメートモジュール（collimating  module）は基材に取り付けられている。
【図５】本発明による、負のレンズ（negative  lens）が光導光学素子の外表面に取り付けられている、一つの例示的な実施形態を示す。
【図６】本発明による、負のレンズ及び正のレンズ（negative  and  positive  lenses）が光導光学素子の外表面に取り付けられている、一つの例示的な実施形態を示す。
【図７】本発明による、低屈折率接着剤を利用して負のレンズが光導光学素子の外表面に接合されている（cemented）、一つの例示的な実施形態を示す。
【図８】本発明による、低屈折率材料で作製された（fabricated）基材が光導光学素子の外表面に光学的に取り付けられている、一つの例示的な実施形態を示す。
【図９】本発明による、二つの透明層を利用して負のレンズ及び正のレンズが光導光学素子の外表面に接合されている、一つの例示的な実施形態を示す。
【図１０】（ａ）接合されていないＬＯＥ、（ｂ）低率材料基材に接合され、反射防止（anti-reflection）被覆を用いて被覆されたＬＯＥ、及び（ｃ）本発明により低率材料基材に接合され、角度に敏感な反射被覆を用いて被覆されたＬＯＥについての反射率曲線を示すグラフである。
【図１１】中に結合させる素子及び外に結合させる素子が回折光学素子である、本発明の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１２】光学モジュールが手持ち式表示システムに埋め込まれている、本発明の一つの例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明において利用可能な、先行技術の基材２０及び関連する構成要素（本明細書において以下“ＬＯＥ”とも呼ばれる）の断面図を示す。光学的手段、例えば反射面１６は、光源（図示なし）から発せられ、コリメートされた表示光波１８によって照らされる。反射面１６は光源からの入射光を反射し、そのため、光波は、全内部反射によってＬＯＥの平面的な基材２０の内側に捕捉される。基材２０の主要な上面及び下面２６，２８からの数回の反射の後、捕捉された光波は選択的反射面２２のアレイに到達し、選択的反射面２２は、光波を、基材の外に、観察者の瞳孔２５を有する目２４の中に結合させる。ここで、ＬＯＥの入力面は、入力光波が通過してＬＯＥに入る面と見なされることができ、ＬＯＥの入力面は、捕捉された光波が通過してＬＯＥを出る面と見なされることができる。図１に示されるＬＯＥの場合において、入力面及び入力面の両方は、下面２６上である。しかしながら、入力光波及び画像光波が基材２０の反対側の両面に位置し得る他の構成、又は光波が基材の傾斜した端を通ってＬＯＥの中に結合される場合が、想定される。
【００１５】
図２に示されるように、表示光源４からのＳ偏光された入力光波２は、通常は光波伝達材料で構成されるコリメートモジュール６の中に、その下面３０を通して結合される。偏光ビームスプリッター３１からの反射に続いて、光波は、コリメートモジュール６の面３２を通して基材の外に結合される。その後に光波は、四分の一波長位相差板３４を通過し、反射光学素子３６、例えば平坦な鏡によって反射され、戻って再び位相差板３４を通過し、面３２を通ってコリメートモジュール６に再び入る。いまＰ偏光された光波は、偏光ビームスプリッター３１を通過し、コリメートモジュール６の面３８を通って光導波路の外に結合される。その後に光波は、第２の四分の一波長位相差板４０を通過し、コンポーネント４２、例えばレンズによって、その反射面４４においてコリメートされ、戻って再び位相差板２０を通過し、面３８を通ってコリメートモジュール６に再び入る。いまＳ偏光された光波は、偏光ビームスプリッター３１から反射し、上面４６を通ってコリメートモジュールを出る。反射面３６及び４４は、金属コーティング又は誘電コーティングのいずれかによって実現されてもよい。
【００１６】
図３は、図２に関連して詳述された構成要素によって構成されているコリメートモジュール６が、光学システムを形成するために、どのようにしてＬＯＥと組み合わせられることができるかを示す。コリメートモジュール６からの出力光波４８は、基材２０に、その下面２６を通って入る。（基材２０に対して）
［外１］
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入射してくる光波は、図２に示されるように、光学素子１６から反射され、基材内に捕捉される。ところで、コリメートモジュール６は、表示光源４、折り返しプリズム５２及び５４、偏光ビームスプリッター３１、位相差板３４及び４０、並びに反射光学素子３６及び４２を含めて、単一の機械的モジュールに統合されてもよく、それは、基材から独立して、かなり緩やかな機械的公差で組み立てられてもよい。加えて、位相差板３４及び４０、並びに反射光学素子３６及び４２は、それぞれ、一緒に接合されて、単一の素子を形成してもよい。
【００１７】
はるかに単純な機械的モジュールを備えた単一の小型素子を形成するために、コリメートモジュール６の全ての様々な構成要素を基材２０に取り付けることが、有利であろう。図４は、コリメートモジュール６の上面４６が、インターフェイス面５８において、ＬＯＥの下面２６に取り付けられている、そのようなモジュールを示す。この構成の主要な課題は、取り付け手順が、（図３に示される）ＬＯＥとコリメートモジュール６との間に先に存在していたエアギャップ５０を解消することである。このエアギャップは、入力光波４８をＬＯＥ２０の内側に捕捉するために不可欠である。図４に示されるように、捕捉された光波４８は、インターフェイス平面５８上の点６２及び６４において反射されるべきである。したがって、反射光学配置は、ＬＯＥの主要面２６において又はコリメートモジュール６の上面４６において、この平面で適用されるべきである。しかしながら、これらの面は例示的な複数の点６６においてＬＯＥを出入りする光波に対して透明（transparent）でもあるべきなので、単純な反射被覆は容易に塗布されることができない。光波は、小さな入射角度（incident  angle）において平面６４を通過し、より高い入射角度において反射するべきである。通常、通過する入射角度は、０°と１５°との間であり、反射する入射角度は３８°と８０°との間である。
【００１８】
上で記述された本発明の複数の実施形態の全てにおいて、ＬＯＥの中に結合される画像は、無限遠にコリメートされる。しかしながら、例えば、近視を患い、遠距離に位置する画像を適切に見ることができない人々のために、伝達される画像はより近い距離に焦点を合わせられるべき、用途が存在する。
【００１９】
図５は、本発明に基づいて、レンズを実装するための方法を示す。無限遠からの画像８０は、反射面１６によって基材２０の中に結合され、その後に部分反射面（partially  reflecting  surfaces）２２のアレイによって視る者の目２４の中に反射される。眼の（ophthalmic）レンズ８２は、画像を都合の良い距離に焦点を合わせ、任意的に、非点収差（astigmatism）を含む視る者の目の他の収差を補正する。平凹レンズ（plano-concave  lens）８２は、基材の表面に、その平坦な面８４において取り付けられてもよい。上で図４に関して説明されたように、全内部反射による基材の内側での画像光線の捕捉を確かにするために、薄いエアギャップがレンズ８２と基材２０との間に保存されなければならない。
【００２０】
加えて、本発明に関する用途の大半において、外部の光景（scene）は無限遠に位置するものと仮定されている。しかしながら、例えば専門的又は医療上の目的のような、外部の光景がより近い距離に位置する用途が存在する。
【００２１】
図６は、本発明に基づいて、デュアルレンズ構成を実装するための方法を示す。無限遠からの画像８０は、反射面１６によって基材２０の中に結合され、その後に部分反射面２２のアレイによって視る者の目２４の中に反射される。近距離からの他の光景の画像８６は、レンズ８８によって無限遠にコリメートされ、その後に目の中に向かって基材２０を通過する。レンズ８２は、画像８０及び８６を都合の良い距離、通常は外部の光景８６の本来の距離に焦点を合わせ、もし必要であれば、視る者の目の他の収差を補正する。
【００２２】
図５及び図６に示されるレンズ８２及び８８は、それぞれ、単純な平凹レンズ及び平凸レンズである。しかしながら、ＬＯＥの平面的な形状を保つために、代わりにフレネルレンズを利用することが可能であり、そのフレネルレンズは、微細な段差を有する薄い成形プラスチック板で作られてもよい。そのうえに、レンズ８２又は８８を実現するための一つの代替的な方法は、上で記述されたような固定されたレンズとしてではなく、電子的に制御される動的な（dynamic）レンズを活用することである。使用者がコリメートされていない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ことができることが要求される用途が存在する。動的な素子を形成するために高解像度の空間光変調器（ＳＬＭ）が使用され得ることが、示されている。その目的のための最も一般的な供給源はＬＣＤデバイスであるが、他の動的なＳＬＭデバイスも同様に使用されることができる。数百ライン／ｍｍを有する高解像度の動的なレンズが知られている。この種類の電気工学的に（electro-optically）制御されるレンズは、図５及び図６と併せて上で記述された固定されたレンズの代わりに、本発明における望ましい動的な素子として使用されることができる。したがって、操作者は、ＬＯＥによって投影される虚像（virtual  image）及び外部視野の実像（real  image）の両方の正確な焦平面（focal  plane）を、実時間で決定及び設定することができる。本来的に、図５及び図６に示されるレンズは、図５に示されるように、眼鏡フレーム８３の内側に容易に組み込まれることができる。
【００２３】
図６において上で示されたように、はるかに単純な機械的モジュールを備えた単一の小型素子を形成するために、全てのレンズ８２及び８８をＬＯＥに取り付けることが、有利であろう。主要な課題は、前のとおり、取り付け手順が、ＬＯＥとレンズ８２及び８８との間に先に存在していたエアギャップを解消することであり、そのエアギャップは、入力光波８０をＬＯＥの内側に捕捉するために不可欠である。図６に更に示されるように、捕捉された光線（light  ray）８０は、インターフェイス平面８４上の点９０において反射され、点９２においては同じ平面を通って伝達されるべきである。したがって、同様の反射光学配置は、上で図４に関して記述されたように、この平面で適用されるべきである。
【００２４】
要求される反射光学配置を達成するための一つの可能なアプローチは、ＬＯＥの主要面に、ＬＯＥの屈折率よりも実質的に低い屈折率を有する透明層を光学的に取り付ける（optically  attach）ことである。このアプローチを実現するための一つの方法は、低屈折率接着剤を利用して、要求される光学素子にＬＯＥを接合することである。市場で入手可能な、〜１．３の屈折率を有する光学接着剤が存在する。
【００２５】
図７に示されるように、低屈折率１００は、補正レンズ８２をＬＯＥに接合するために利用される。ＬＯＥの内側に捕捉された光線は、今や接着剤１００とＬＯＥとの間のインターフェイス面１０１から完全に全反射される（totally  reflected）。この接合手順は、要求されるエアギャップを単純に置き換えることはできない。例えば、１．５２の屈折率を有する、ＢＫ７で作製されたＬＯＥにおいて、臨界角は４１．８°である。エアギャップを低屈折率接着剤で置き換えることは、臨界角を５８．８°に増大させるであろう。そのような高い臨界角では、非常に限定されたＦＯＶのみが全内部反射によってＬＯＥの中に捕捉され得る。しかしながら、ＬＯＥを作製するために高屈折率材料を利用することによって、達成可能なＦＯＶは、増大されることができる。ＬＯＥを作製するために１．８の屈折率を有する光学材料を利用することは、例えば、臨界角を４６．２°に減少させるであろう。それは、より合理的なＦＯＶを今や可能にすることができる。
【００２６】
ＦＯＶを増大させるための一つの代替的な実施形態は、低屈折率を有する固体誘電材料（solid  dielectric  material）の中間薄層を、ＬＯＥと取り付けられる光学素子との間に挿入することである。非常に低い屈折率（１．１‐１．２の範囲内）、及び安定化された機械的特性を有するエアロゲル材料のファミリーが、開発されている。この目的のための他の可能な代替は、斜め蒸着（glancing  angle  deposition）によって作製された多孔質固体誘電材料である。
【００２７】
図８は、ＬＯＥと補正レンズ８２との間に挿入された低率材料（ＬＩＭ）の薄い板１０４を示す。このＬＩＭの板１０４は、ＬＯＥの外表面２６上に直接的に堆積されるか、又は薄い接着剤層１０６を利用してこの表面に接合されるかのいずれであってもよい。異なる表面からの多重反射を避けるために、この場合において、ＬＯＥの屈折率と類似の（similar）屈折率を有する接着剤を利用することが好ましい。ＬＯＥの内側の補足された光線の内部反射は、板１０４の上面１０７からであろう。したがって、多重画像を避けるために、この表面は、ＬＯＥの外表面２６と平行であるべきである。一つの結果として、また画像中の黒い帯を避けるために、接着剤層１０６の厚さは最小化されるべきであり、いずれの場合でも、数ミクロン以下でなければならない。加えて、表面１０７の光学的品質及び平坦度（flatness）は非常に高くあるべきである。要求される角度に敏感な光学配置を達成するために基材の主要面にＬＩＭの板を取り付けることは、ＬＯＥの二つの外表面の一つに対してだけでなく、同様に、他の表面にも適用されてもよい。
【００２８】
図９は、ＬＩＭの第二の薄い板１０８を示す。ＬＩＭの第二の板１０８は、ＬＯＥ２０と正のレンズ８８との間に挿入されており、板の下面１１０は、ＬＯＥの上面２８に光学的に取り付けられている。
【００２９】
上述の両方の実施形態の性能を向上させることができる他の手順は、インターフェイス反射面の臨界角よりも低い角度についてさえも、全ＦＯＶを基材の内側に捕捉する、角度に敏感な反射被覆（ＡＳＲ）を追加することである。基材表面の一つが不透明であってもよく、それ故に従来の反射面で被覆されてもよい非シースルーの用途であっても、視る者の目の隣にある外表面は、少なくとも要求される外部ＦＯＶの角度について、透明であるべきである。したがって、要求される反射被覆は、臨界角よりも低い角度の領域について非常に高い反射率を有するべきであり、また画像のＦＯＶ全体について非常に高い反射率を有するべきである。
【００３０】
図１０は、１．６の屈折率を有する光学材料でＬＯＥが作製された一つの例示的な実施形態及び波長λ＝５５０ｎｍについての、反射率曲線を示す。三つの異なるグラフが示されている：
ａ）  実線は、非接合、すなわち、外部の物質が空気であり、その外表面が共通の反射防止（ＡＲ）被覆を用いて被覆されているＬＯＥの反射率曲線を表す。図示されているように、臨界角は３８．７°であり、その値よりも下では、反射率は急速に低下する。
ｂ）  点線は、１．１の屈折率を有するＬＩＭの基材に接合されており、インターフェイス面は共通のＡＲ被覆を用いて被覆されているＬＯＥの反射率曲線を表示する。ここで、臨界角は４３．４°に増大される。ＬＯＥの中に結合され得る潜在的なＦＯＶは減少するが、それは、依然として合理的であり、臨界角が４１．８°であるＢＫ７で作製された非接合ＬＯＥと類似している。
ｃ）  破線は、１．１の屈折率を有するＬＩＭの基材に接合されたＬＯＥの反射率曲線を表す。しかしながら、インターフェイス面は、ここで、特別なＡＳＲ被覆を用いて被覆されている。４３．４°よりも低い入射角度における、インターフェイス面からのＬＯＥの内側の捕捉された光線の反射の光学配置は、もはや全内部反射ではなく、むしろＡＳＲからの被覆である。３４．７°よりも高い入射角度でインターフェイス面に突き当たる光線の反射率は、９９％よりも高く、光線は、インターフェイス面からほとんど全反射される。一つの結果として、このＬＯＥの内側に捕捉され得る潜在的なＦＯＶは、グラフ（ａ）に示される非接合ＬＯＥのそれよりもかなり高い。
【００３１】
このグラフには、二つの重要な領域が存在する：反射率が非常に高い、３４°と９０°との間、及び、反射率が非常に低い、０°と２９°との間（基材の外側の０°‐４６°に相当する）。それ故に、非常に高い反射が望まれる、捕捉された光波の角度スペクトル全体が第一の領域の内側に位置付けられ、一方で、本質的にゼロ反射が要求される、外部のＦＯＶ（exterior  FOV）の角度スペクトル全体が第二の領域の内側に位置付けられることを確かにすることができる限り、所与のＦＯＶについて、ＦＯＶ全体が、全内部反射によって基材の内側に捕捉されることができ、視る者は全画像を見ることができる。
【００３２】
ＬＩＭ基材がＬＯＥの上面に接合される場合、ＡＳＲ被覆は、上で説明されたようにＬＯＥに隣接して位置付けられるＬＩＭ板の外表面１０７（図９）に塗布されてもよい。しかしながら、もしＬＩＭ層がＬＯＥ上に直接的に堆積されるならば、要求されるＡＳＲ被覆を塗布するための唯一の方法は、ＬＯＥの外表面２６上である。ＬＯＥの作製過程は光学素子の接合を通常伴うので、また要求されるＡＳＲ被覆は、ＬＯＥ本体が完成した後にのみ基材表面に塗布されるので、接合された領域を損傷し得る従来の熱間被覆手順（hot-coating  procedures）を利用することは可能でない。新規な薄膜技術、例えばイオンアシスト被覆法もまた、冷間加工のために使用されて、部品を加熱する必要がなくすことができ、それは、ＬＯＥ等の接合された部品が安全に被覆されることを可能にする。
【００３３】
これまで説明された全ての実施形態において、光波を基材の外に結合するための素子は、その基材内に位置する少なくとも一つの平坦な部分反射面であり、それは、通常は部分反射誘電被覆を用いて被覆され、その基材の主要面に対して平行でない。しかしながら、本発明による特別な反射光学配置はまた、他の外に結合させる技術のために活用され得る。
【００３４】
図１１は、中に結合させる素子１０２又は外に結合させる素子１０４が回折素子であり、薄いＬＩＭ基材が基材の上面２８に光学的に接合されている、基材２０を示す。加えて、湾曲した部分反射面等の他の外に結合させる素子、及び他の手段が、使用されてもよい。
【００３５】
図５‐図９の素子は、眼鏡フレームの内側での本発明の単純な実装を示す例に過ぎない。システムのコアを構成する基材導波光学素子は非常に小型且つ軽量であるため、それは、膨大な多様さの配置（arrangements）に導入され得る。バイザー、折り畳み式ディスプレイ、単眼鏡及び他の多くのものを含む、多くの他の実施形態もまた可能である。この実施形態は、ディスプレイが目の隣にあるべき；ヘッドマウント式、頭部着用式又は頭部持ち運び式の用途に指定されている。しかしながら、ディスプレイの位置が異なる用途が存在する。そのような用途の一例は、例えば、スマートフォン又はスマートウォッチのようなモバイル用途のため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要な課題は、要求される小さなサイズ及び容積と望まれる高品質画像との間の矛盾である。
【００３６】
図１２は、モバイルデバイスの小さなサイズと、フルフォーマットのディスプレイ上でデジタルコンテンツを視る欲求との間の妥協の必要性なくす、本発明に基づく一つの代替的な実施形態を示す。この用途は、使用者の目の中に直接的に高品質画像を投影すること（projecting）によって、小さなモバイルデバイスの達成及びフルフォーマットのディスプレイ上でデジタルコンテンツを視る欲求の、先の対立する複数の要求を解決する、ハンドヘルドディスプレイ（ＨＨＤ）である。表示源４、折り返し及びコリメート光学系１０８並びに基材２０を含む光学モジュールは、スマートデバイス１１０の本体の中に統合され、基材２０は、電話機の既存の保護カバー窓に置き換わる。具体的には、光源４及び光学系１０８を含む支持部品の容積は、現在のスマートデバイスのための許容可能なサイズの内側に収まるために十分に小さい。デバイスによって伝達される全画面を視るために、デバイスの窓は、高いＦＯＶ、大きなアイ‐モーションボックス及び快適なアイレリーフ（eye-relief）で画像を観察する、使用者の目２４の前に配置される。画像の異なる部分を表示するために、デバイスを傾けることによって、より大きなアイレリーフでＦＯＶ全体を視ることも可能である。さらに、その光学モジュールはシースルー構成で動作することができるため、デバイスのデュアル動作が可能である、すなわち、従来のディスプレイ１１２を、損なわずに（intact）維持する選択肢が存在する。このようにして、表示源４が停止された（shut  off）ときに、標準ディスプレイは、基材２０を通して視られることができる。大量のインターネットサーフィン又は高品質のビデオ動作のために指定される、第二の、仮想モードにおいて、従来のディスプレイ１１２は停止され、一方で表示源４は、基材２０を通して、要求される広いＦＯＶ画像を視る者の目の中に投影する。通常、手持ち式スマートデバイスの大半において、使用者は、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することによってスマートデバイスを操作することができる。図１２に示されるように、タッチスクリーン１１４は、基材２０上に位置するＬＩＭ層１２０の外表面上にそれを直接的に接合することによって、スマートデバイスに取り付けられてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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