(57)【要約】  本願明細書及び図面は，表示用の電子デバイスのディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる一般的回折光学方法を提供するためにスプリット射出ひとみ拡大素子を用いる新規な装置及び方法を提示するものである。
2009539129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，前記第１部分と前記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，前記二つの回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置し，前記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に隣接する回折素子と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，前記二つの更なる回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置した回折素子と，
を備えた装置であって，
前記入力光ビームの少なくとも一部が前記二つの回折素子によって回折されて，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内にある前記第１部分と前記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，
前記第１部分及び前記第２部分の各部分において前記回折光ビームの少なくとも一部を，前記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって前記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する，
装置。
【請求項２】
前記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であるか，
前記二つの更なる回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの更なる領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であるか，
のうち少なくとも一つの条件を用いて構成する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって前記二つの回折素子のそれぞれが回折した前記入力光ビームを，前記二つの回折素子の前記それぞれが配置された前記第１部分及び前記第２部分の一部だけに実質的に結合する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記二つの回折素子は非対称溝と，２０度を超える傾斜角度を有する傾斜回折格子と，を有する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して互いに鏡像をなすようにする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記二つの回折素子及び前記二つの更なる回折素子を，一つの表面，すなわち前記スプリット基板の前記第１部分及び前記第２部分の第１表面又は第２表面に配置する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記直線に沿った物理的分離領域内の前記第１部分及び前記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，
前記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，
のうち少なくとも一つに吸収材料を蒸着した請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記二つの回折素子の溝は，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記各部分，すなわち前記スプリット基板の第１部分及び第２部分が中間回折素子を備え，それによって前記第１の回折素子又は前記第２の回折素子において回折された光ビームの前記少なくとも一部を最初に前記中間回折素子に結合し，次に前記中間回折素子おける更なる回折を用いて，前記回折された光ビームの前記少なくとも一部を前記各部分に配置した前記二つの更なる回折素子のうち一つへ結合して，前記各部分によって前記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行う請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記二つの回折素子のそれぞれが間隔ｄの等間隔直線群を有し，前記中間回折素子は式
【数１】
2009539129.tif 000005
で表される間隔ｄ’の更なる等間隔直線群を有しており，ここでαは前記第１部分又は前記第２部分への垂線と，前記第１部分及び前記第２部分が前記所定の角度範囲で回転して双方が前記第１部分及び前記第２部分を含む平面にあるときの該平面への垂線との角とし，ρは前記等間隔直線群と前記更なる等間隔直線群との角とし，λは前記入力光ビームの波長とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記中間回折素子は，奇数の一次回折又は偶数の更なる一次回折を有する請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
光学材料からなるスプリット基板の第１表面又は第２表面に配置した二つの回折素子によって入力光ビームを受光するステップであって，前記スプリット基板は物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，前記第１部分と前記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成し，前記二つの回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置し，前記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に隣接しており，前記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であるステップと，
前記入力光ビームの少なくとも一部を前記二つの回折素子によって回折させて，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内にある前記第１部分と前記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供するステップと，
前記第１部分及び前記第２部分の各部分において前記回折光ビームの少なくとも一部を，二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって前記スプリット基板から出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供するステップと，
を有し，
前記二つの更なる回折素子は前記第１部分又は前記第２部分に配置し，前記二つの更なる回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置するようにした方法。
【請求項１３】
前記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって前記二つの回折素子のそれぞれが回折した前記入力光ビームを，前記二つの回折素子の前記それぞれが配置された前記第１部分及び前記第２部分の一部だけに実質的に結合する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して互いに鏡像をなすようにする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記直線に沿った物理的分離領域内の前記第１部分及び前記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，
前記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，
のうち少なくとも一つに吸収材料を蒸着した請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
データ処理ユニットと，
前記データ処理ユニットに接続され，該データ処理ユニットから画像データを受信する光学エンジンと，
前記光学エンジンに接続され，前記画像データを用いて画像を形成する表示デバイスと，
射出ひとみ拡大素子であって，
第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，前記第１部分と前記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，前記二つの回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置し，前記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に隣接する回折素子と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，前記二つの更なる回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置した回折素子と，
を備え，
前記入力光ビームの少なくとも一部が前記二つの回折素子によって回折されて，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内にある前記第１部分と前記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，
前記第１部分及び前記第２部分の各部分において前記回折光ビームの少なくとも一部を，前記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって前記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する射出ひとみ拡大素子と，
を備える電子デバイス。
【請求項１７】
前記第１部分及び前記第２部分を前記直線の周りを相対的に回転させるように構成した射出ひとみ拡大素子角度調整ブロックを更に備える請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項１８】
前記電子デバイスは，デジタルカメラ，コンピュータゲームデバイス，無線デバイス，可搬デバイス，又は移動体端末とする請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項１９】
前記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であるか，
前記二つの更なる回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの更なる領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であるか，
のうち少なくとも一つの条件を用いて構成する請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項２０】
前記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって前記二つの回折素子のそれぞれが回折した前記入力光ビームを，前記二つの回折素子の前記それぞれが配置された前記第１部分及び前記第２部分の一部だけに実質的に結合する請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項２１】
前記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して互いに鏡像をなすようにする請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項２２】
前記二つの回折素子及び前記二つの更なる回折素子を，一つの表面，すなわち前記スプリット基板の前記第１部分及び前記第２部分の第１表面又は第２表面に配置する請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項２３】
前記直線に沿った物理的分離領域内の前記第１部分及び前記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，
前記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，
のうち少なくとも一つに吸収材料を蒸着した請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項２４】
ゴーグルであって，
ウェアラブルハウジングと，
前記ウェアラブルハウジングに取り付けた射出ひとみ拡大素子であって，
第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，前記第１部分と前記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，前記二つの回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置し，前記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に隣接する回折素子と，
前記第１表面及び前記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，前記二つの更なる回折素子のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置した回折素子と，
を備え，
前記入力光ビームの少なくとも一部が前記二つの回折素子によって回折されて，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内にある前記第１部分と前記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，
前記第１部分及び前記第２部分の各部分において前記回折光ビームの少なくとも一部を，前記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって前記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供し，前記二つの出力光ビームのそれぞれが，前記ゴーグルの一部，左又は右だけに供給されるようにする射出ひとみ拡大素子と，
を備えるゴーグル。
【請求項２５】
前記第１部分及び前記第２部分を前記直線の周りを相対的に回転させるように構成した射出ひとみ拡大素子角度調整ブロックを更に備える請求項２４に記載のゴーグル。
【請求項２６】
二つの回折手段であって，
入力光ビームを受光し，前記二つの回折手段は光学材料からなるスプリット基板の第１表面又は第２表面に配置され，前記スプリット基板は物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，前記第１部分と前記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成し，前記二つの回折手段のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置し，前記二つの回折手段は実質的に隣接し，かつ前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に隣接しており，前記二つの回折手段のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，前記第１部分と前記第２部分とを区切る前記直線に対して対称であり，
前記入力光ビームの少なくとも一部を前記二つの回折手段によって回折させて，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内にある前記第１部分と前記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供する，
の二つの回折手段と，
二つの更なる回折手段であって，
前記第１部分及び前記第２部分の各部分において前記回折光ビームの少なくとも一部を，二つの更なる回折手段のそれぞれにおける回折によって前記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する，二つの更なる回折手段において，
前記二つの更なる回折手段は前記第１部分又は前記第２部分に配置し，前記二つの更なる回折手段のうち一つは前記第１部分に配置し，もう一つは前記第２部分に配置するようにした二つの更なる回折手段と，
を備える装置。
【請求項２７】
前記二つの回折手段は二つの入力結合回折格子とし，前記二つの更なる回折手段は二つの出力結合回折格子とする請求項２６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略表示デバイスに関し，より詳細には，表示用ディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる回折光学方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体デバイスにおいて網情報及びテキストメッセージを表示するためには，低解像度液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を用いるのが普通であるが，テキスト及び画像からなるリッチな情報内容を閲覧するためには高解像度ディスプレイを用いるのがより好ましい。マイクロディスプレイを用いるシステムは，ミリメートル当たり５０〜１００本の解像度でフルカラー画素を提供することができる。このような高解像度は一般に仮想ディスプレイに適している。仮想ディスプレイは通常，マイクロディスプレイと，画像から射出される光を直視表示パネルと同じ大きさで知覚できるように操作する光学系と，からなる。仮想ディスプレイは単眼であってもよいし，双眼であってもよい。
【０００３】
可視化光学系から目へ射出される光ビームのサイズを射出ひとみと呼ぶ。ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）においては，射出ひとみは通常直径１０ｍｍ未満である。射出ひとみをより拡大することによって，仮想ディスプレイを用いることが格段に容易になる。なぜなら，ひとみ間距離（ＩＰＤ）調整，すなわち目に対する光学系の正確な位置決めの必要がないためである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１態様による装置は，第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，上記第１表面及び上記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，上記二つの回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接する回折素子と，上記第１表面及び上記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，上記二つの更なる回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置した回折素子と，を備え，上記入力光ビームの少なくとも一部が上記二つの回折素子によって回折されて，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，上記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって上記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する。
【０００５】
更に本発明の第１態様によれば，上記装置は，ａ）上記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であるか，ｂ）上記二つの更なる回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの更なる領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であるか，のうち少なくとも一つの条件を用いて構成してもよい。
【０００６】
更に本発明の第１態様によれば，上記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって上記二つの回折素子のそれぞれが回折した上記入力光ビームを，上記二つの回折素子の上記それぞれが配置された上記第１部分及び上記第２部分の一部だけに実質的に結合してもよい。
【０００７】
また更に本発明の第１態様によれば，上記二つの回折素子は非対称溝と，２０度を超える傾斜角度を有する傾斜回折格子と，を有してもよい。
【０００８】
更に本発明の第１態様によれば，上記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して互いに鏡像をなすようにしてもよい。
【０００９】
また更に本発明の第１態様によれば，上記二つの回折素子及び上記二つの更なる回折素子を，一つの表面，すなわち上記スプリット基板の上記第１部分及び上記第２部分の第１表面又は第２表面に配置してもよい。
【００１０】
また更に本発明の第１態様によれば，吸収材料を，ａ）上記直線に沿った物理的分離領域内の上記第１部分及び上記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，ｂ）上記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，のうち少なくとも一つに蒸着してもよい。
【００１１】
また更に本発明の第１態様によれば，上記二つの回折素子の溝は，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称としてもよい。
【００１２】
また更に本発明の第１態様によれば，上記各部分，すなわち上記スプリット基板の第１部分及び第２部分が中間回折素子を備え，それによって上記第１の回折素子又は上記第２の回折素子において回折された光ビームの上記少なくとも一部を最初に上記中間回折素子に結合し，次に上記中間回折素子おける更なる回折を用いて，上記回折された光ビームの上記少なくとも一部を上記各部分に配置した上記二つの更なる回折素子のうち一つへ結合して，上記各部分によって上記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行ってもよい。更に上記装置は，上記二つの回折素子のそれぞれが間隔ｄの等間隔直線群（ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｌｉｎｅｓ）を有し，上記中間回折素子は式
【数１】
2009539129.tif 000003
で表される間隔ｄ’の更なる等間隔直線群を有しており，ここでαは上記第１部分又は上記第２部分への垂線と，上記第１部分及び上記第２部分が上記所定の角度範囲で回転して双方が上記第１部分及び上記第２部分を含む平面にあるときの該平面への垂線との角であり，ρは上記等間隔直線群と上記更なる等間隔直線群との角であり，λは上記入力光ビームの波長である。
【００１３】
本発明の第２態様による方法は，光学材料からなるスプリット基板の第１表面又は第２表面に配置した二つの回折素子によって入力光ビームを受光するステップであって，上記スプリット基板は物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成し，上記二つの回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接しており，上記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であるステップと，上記入力光ビームの少なくとも一部を上記二つの回折素子によって回折させて，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供するステップと，上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって上記スプリット基板から出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供するステップと，を有し，上記二つの更なる回折素子は上記第１部分又は上記第２部分に配置し，上記二つの更なる回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置する。
【００１４】
更に本発明の第２態様によれば，上記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって上記二つの回折素子のそれぞれが回折した上記入力光ビームを，上記二つの回折素子の上記それぞれが配置された上記第１部分及び上記第２部分の一部だけに実質的に結合してもよい。
【００１５】
更に本発明の第２態様によれば，上記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して互いに鏡像してもよい。
【００１６】
また更に本発明の第２態様によれば，ａ）上記直線に沿った物理的分離領域内の上記第１部分及び上記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，ｂ）上記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，のうち少なくとも一つに吸収材料を蒸着してもよい。
【００１７】
本発明の第３態様による電子デバイスは，
データ処理ユニットと，
上記データ処理ユニットに接続され，該データ処理ユニットから画像データを受信する光学エンジンと，
上記光学エンジンに接続され，上記画像データを用いて画像を形成する表示デバイスと，
射出ひとみ拡大素子であって，
第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，
上記第１表面及び上記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，上記二つの回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接する回折素子と，
上記第１表面及び上記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，上記二つの更なる回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置した回折素子と，
を備え，
上記入力光ビームの少なくとも一部が上記二つの回折素子によって回折されて，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，
上記スプリット基板の上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，上記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって更に結合して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する射出ひとみ拡大素子と，
を備える。
【００１８】
更に本発明の第３態様によれば，上記電子デバイスは，上記第１部分及び上記第２部分を上記直線の周りを相対的に回転させるように構成した射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）角度調整ブロックを更に備えてもよい。
【００１９】
また更に本発明の第３態様によれば，上記電子デバイスは，デジタルカメラ，コンピュータゲームデバイス，無線デバイス，可搬デバイス，又は移動体端末であってよい。
【００２０】
更に本発明の第３態様によれば，上記電子デバイスは，ａ）上記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であるか，ｂ）上記二つの更なる回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの更なる領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であるか，のうち少なくとも一つの条件を用いて構成してもよい。
【００２１】
また更に本発明の第３態様によれば，上記二つの回折素子は非対称溝を有し，それによって上記二つの回折素子のそれぞれが回折した上記入力光ビームを，上記二つの回折素子の上記それぞれが配置された上記第１部分及び上記第２部分の一部だけに実質的に結合させてもよい。
【００２２】
また更に本発明の第３態様によれば，上記二つの回折素子は非対称とし，該回折素子の溝は，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して互いに鏡像をなすようにしてもよい。
【００２３】
また更に本発明の第３態様によれば，上記二つの回折素子及び上記二つの更なる回折素子を，一つの表面，すなわち上記スプリット基板の上記第１部分及び上記第２部分の第１表面又は第２表面に配置してもよい。
【００２４】
また更に本発明の第３態様によれば，吸収材料を，ａ）上記直線に沿った物理的分離領域内の上記第１部分及び上記第２部分のうち少なくとも一つの端部と，ｂ）上記二つの回折素子を配置した表面と反対のスプリット基板の表面と，のうち少なくとも一つに蒸着してもよい。
【００２５】
本発明の第４態様によるゴーグルは，
ウェアラブルハウジングと，
上記ウェアラブルハウジングに取り付けた射出ひとみ拡大素子であって，
第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板であって，物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成したスプリット基板と，上記第１表面及び上記第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した二つの回折素子であって，上記二つの回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接する回折素子と，上記第１表面及び上記第２表面に配置した二つの更なる回折素子であって，上記二つの更なる回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置した回折素子と，を備え，上記入力光ビームの少なくとも一部が上記二つの回折素子によって回折されて，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供し，上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，上記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける回折によって上記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供し，上記二つの出力光ビームのそれぞれが，上記ゴーグルの一部，左又は右だけに供給されるようにする射出ひとみ拡大素子と，
を備える。
【００２６】
更に本発明の第４態様によれば，上記ゴーグルは，上記第１部分及び上記第２部分を上記直線の周りを相対的に回転させるように構成したＥＰＥ角度調整ブロックを更に備えてもよい。
【００２７】
本発明の第５態様による装置は，二つの回折手段であって，
入力光ビームを受光し，上記二つの回折手段は光学材料からなるスプリット基板の第１表面又は第２表面に配置され，上記スプリット基板は物理的に分離した第１部分及び第２部分を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成し，上記二つの回折手段のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折手段は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接しており，上記二つの回折手段のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であり，
上記入力光ビームの少なくとも一部を上記二つの回折手段によって回折させて，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供する，
の二つの回折手段と，
二つの更なる回折手段であって，上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，二つの更なる回折手段のそれぞれにおける回折によって上記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを提供する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する，二つの更なる回折手段において，
上記二つの更なる回折手段は上記第１部分又は上記第２部分に配置し，上記二つの更なる回折手段のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置するようにした二つの更なる回折手段と，
を備える。
【００２８】
更に本発明の第５態様によれば，上記二つの回折手段は二つの入力結合回折格子であってよく，上記二つの更なる回折手段は二つの出力結合回折格子であってよい。
【００２９】
本発明の本質及び目的がより良く理解できるように，以降図面を用いて詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
表示用の電子デバイスのディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる一般的回折光学方法を（平面射出ひとみ拡大素子の代わりに）提供するためにスプリット射出ひとみ拡大素子を用いる新規な装置及び方法を提示する。本発明の実施例は，広い光スペクトル範囲を有する光ビームに適用できるが，一番重要なことは，光ビームが可視光ビームと呼ばれる光スペクトルの可視部分に適用できることである。
【００３１】
本発明の実施例による光デバイス（例えば，この光デバイスは仮想現実ディスプレイの一部である）は，第１表面及び第２表面を有する光学材料からなるスプリット基板を備えてもよく，このスプリット基板は，物理的に分離した第１部分及び第２部分（又は左部分及び右部分）を備え，上記第１部分と上記第２部分とを区切る直線の周りを所定の角度範囲で相対的に回転するように構成される。
【００３２】
更に，二つの回折素子（すなわち入力結合回折格子）を上記第１表面及び上記第２表面に配置し，入力光ビームを受光するように構成してもよく，これら二つの回折素子のうち一つは上記第１部分に配置し，もう一つは上記第２部分に配置し，上記二つの回折素子は実質的に隣接し，かつ上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に隣接し，上記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が，上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であってよい。したがって上記入力光ビームの少なくとも一部が上記二つの回折素子によって回折されて，全内反射によって実質的に上記第１表面及び上記第２表面内にある上記第１部分と上記第２部分とに実質的に均等に分割された二つの回折光ビームを提供する。そしてこの二つの部分は入力光ビームの射出ひとみを１次元又は２次元で独立に拡大し，実質的に同一の二つの出力光ビームを提供することができる。
【００３３】
単純な１次元射出ひとみ拡大の場合は，二つの更なる回折素子（すなわち出力結合回折格子）を上記第１表面及び上記第２表面に配置してもよく（例えばこの二つの更なる回折素子は平行な等間隔直線群であってもよい），上記二つの更なる回折素子のうち一つは上記第１部分に配置され，もう一つは上記第２部分に配置され，上記二つの回折素子のうち一つによってそれぞれ占有される二つの領域が上記第１部分と上記第２部分とを区切る上記直線に対して対称であって，上記スプリット基板の上記第１部分及び上記第２部分の各部分において上記回折光ビームの少なくとも一部を，上記二つの更なる回折素子のそれぞれにおける（当業において既知の）回折によって上記スプリット基板から更に出力して，１次元又は２次元に拡大された射出ひとみを有する実質的に同一の二つの出力光ビームを提供する。上記二つの回折素子及び上記二つの更なる回折素子は，上記スプリット基板の一つの表面に配置してもよいし，別の表面に配置してもよいことに注意されたい。
【００３４】
２次元射出ひとみ拡大の場合は，上記スプリット基板の第１部分及び第２部分それぞれが中間回折素子を備えてもよく，それによって上記第１の回折素子又は上記第２の回折素子において回折された光ビームの上記少なくとも一部を最初に上記中間回折素子に結合し，次に上記中間回折素子おける更なる回折を用いて，上記回折された光ビームの上記少なくとも一部を上記各部分に配置した上記二つの更なる回折素子のうち一つへ結合して，上記第１部分及び第２部分それぞれによって上記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行ってもよい。上記中間回折素子は，当業において既知のとおり，そして例えばT. Levola，"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays"，SID Eurodisplay 05，SID 02ダイジェスト，論文22.1，Edinburg（２００５年）に記載のとおり，奇数の一次回折又は偶数の更なる一次回折を有する。
【００３５】
本発明の実施例によれば，上記二つの回折素子（すなわち入力結合回折格子）は，例えばリトグラフ法又は古典的線引きを用いて製造された平面回折格子など，（種々の角度と，矩形（binary），三角，正弦，などのような断面とを持った溝を有する）種々の回折格子を用いて実現することができる。この二つの回折素子（すなわちその溝）は，第１部分と第２部分とを区切る直線に対して対称であってもよいし，非対称であってもよい。「非対称」という用語は，二つの入力結合回折格子の溝に関して二つの観点を有する。すなわち，ａ）二つの回折格子の等間隔直線群（すなわち溝）が平行でないとき，ｂ）二つの回折格子の溝が異なる傾斜角度を有するとき，である。したがって，上記二つの入力結合回折格子において平行でない非対称の等間隔直線群を有することが可能であり，基板のそれぞれの部分において必要な成分だけを，対応する出力結合回折格子へ振り向けることができる。（非対称の等間隔直線群と組み合わせることができる）別の方法は，スプリット基板の第１部分及び第２部分（すなわち左部分及び右部分）の結合効率を向上させ，「光漏話」を減少させるために，（例えば少なくとも２０度を超え，最適には３５度と５０度の間の傾斜角度を有する）傾斜回折格子を用いることである。換言すれば，（上記二つの回折素子として用いる）非対称回折格子は，二つの回折素子のそれぞれによって回折された入力光ビームが，上記二つの回折素子のそれぞれが配置されている部分に，所望の方向でだけ実質的に結合されるようにすることができる。
【００３６】
更に本発明の実施例によれば二つの傾斜回折格子は非対称であって，傾斜角度は等しいが入力光ビームを生成する系の光軸に対して反対の符号を有する。すなわち溝形状が，第１部分と第２部分を区切る直線に対して互いに鏡像になっている。これによってスプリット基板の二つの部分間の光漏話を最小にすることができる（すなわち画像コントラストを改善できる）。更に，第１部分と第２部分とを区切る直線に沿った物理的分離領域において，第１部分及び／又は第２部分に吸収材料を蒸着してもよい。スプリット基板の反対側（すなわち，配置した入力回折素子を有する表面と反対）の表面に吸収材料を与えることによって，コントラストを更に改善することができる。この吸収材料の幅は，不要な方向に伝ぱする光ビームだけを吸収するように最適化（例えば基板厚みとほぼ同じに）することが望ましい。
【００３７】
図１ａ及び図１ｂは，なかでも仮想現実ディスプレイの概略を示す例であり，図１ｂに示す出力結合回折格子を用いて右目及び左目に二つの実質的に同一の画像を提供する，図１ａに示す回折射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）を備えている。光は出力結合回折格子から出力される。ビームが回折格子に出会うごとの出力結合量は，回折格子特性に依存する。この系は，少なくとも一つの波長及び入射角に対して出力が均一，すなわち図１ｂに示すとおりｒ１＝ｒ２＝…であり，ここでｒ１，ｒ２・・・及びｔ１，ｔ２・・・はそれぞれ，ＥＰＥから反射され，透過される光ビームであり，Ｉ１，Ｉ２は全内反射によってＥＰＥ内にある反射光ビームである。図１ｂに示す出力結合回折格子を備える図１ａの仮想現実ディスプレイの例は，本発明の実施例を提供するために用いてもよい。図２〜６は，本発明の種々の実施例を示す。
【００３８】
図２ａ及び図２ｂは，なかでも本発明の実施例によるスプリット１次元回折射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）１０の概略（断面及び上面を図２ａ及び図２ｂにそれぞれ示す）の例である。ＥＰＥ１０はスプリット基板を備え，スプリット基板は直線１８で物理的に二つの部分に分離された二つの隣接する部分１２ａ及び１２ｂを備える。この二つの部分１２ａ及び１２ｂは，所定の角度範囲で直線１８の周りを相対的に一定の方向１５に回転するように構成されており，この角度範囲は仮想現実ディスプレイの設計に柔軟性を与えるものである（角度αは，隣接部分１２ａ又は１２ｂと，平坦位置で二つの部分１２ａ及び１２ｂを含む平面１３との角であり，隣接部分１２ａ又は１２ｂへの垂線と，水平面１３への垂線との角に等しい）。部分１２ａは入力結合回折格子１４ａ及び出力結合回折格子１６ａを備え，部分１２ｂは入力結合回折格子１４ｂ及び出力結合回折格子１６ｂを備える。隣接回折格子１４ａ及び１４ｂは，同一（すなわち対称）であってもよいし，図３に更に示すとおり非対称であってもよい。入力結合回折格子１４ａ及び１４ｂは，一般に回折手段又はその構造均等物（又は均等構造物）であってよいことに注意されたい。類似して出力結合回折格子１６ａ及び１６ｂは，一般に更なる回折手段又はその構造均等物（又は均等構造物）であってよい。
【００３９】
図３ａは，なかでも本発明の実施例による傾斜非対称入力結合回折格子１４ａ及び１４ｂを用いたスプリット射出ひとみ拡大素子１０の概略を示す一例である（回折格子１４ａ及び１４ｂの回折溝は，入力光ビームを生成する系の光軸と異なる方向を向いている）。更なる実施例によれば，回折格子１４ａ及び１４ｂの端は，二つの部分１２ａ及び１２ｂを更に（光学的に）隔離するために直線１８に沿って吸収材料（例えばコーティング）２０ａ及び２０ｂでコートしてもよい。
【００４０】
光学的コントラストは，（図３ａに示すとおり）直線１８近傍に配置された入力回折格子１４ａ及び１４ｂを備える基板表面と反対のスプリット基板１２ａ及び１２ｂの表面に吸収材料（例えば吸収コーティング）１７ａ及び１７ｂを付加することによって更に改善することができる。吸収領域の幅が，図３ａに示すとおり回折格子１４ａ及び１４ｂの全体幅に比べて十分小さく最適化されているときは，不要光ビームだけが吸収される。この不要ビームは，回折されずに回折格子１４ａ及び１４ｂによって透過された光ビームと，不要な方向に伝ぱした回折ビームとである。吸収材料１７ａ及び１７ｂは，吸収材料２０ａ及び２０ｂに加えて用いてもよいし，その代わりに用いてもよい。
【００４１】
図３ｂは，なかでも本発明の実施例による傾斜非対称入力結合回折格子１４ａ及び１４ｂを用いるスプリット射出ひとみ拡大素子１０の概略の別の例である。この構成は，図３ａに示した拡大素子１０に類似しているが，観察者の側から入射する入力光ビームによって，系をややコンパクトにできるものである。
【００４２】
図４ａ及び４ｂは，なかでも本発明の実施例によるスプリット２次元回折射出ひとみ拡大素子１０ａ及び１０ｂの一部（１２ａ及び１２ｂ）の概略を示す更なる例である。中間回折素子（回折格子）２４又は２６は，T. Levola，"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays"，SID Eurodisplay 05，SID 02ダイジェスト，論文22.1，Edinburg（２００５年）に記載のとおりの（図４ａに示す）奇数の一次回折又は（図４ｂに示す）偶数の更なる一次回折を有する。角度ρは，中間回折格子２４又は２６の等間隔直線群と，入力結合スプリット回折格子１４ａ又は１４ｂとの回転角である。
【００４３】
本発明の更なる実施例によれば，入力結合回折格子１４ａ又は１４ｂの等間隔直線群の間隔ｄと，中間回折格子１６ａ又は１６ｂの更なる等間隔直線群の間隔ｄ’との関係は，次式で表すことができる。
【数２】
2009539129.tif 000004
ここでαは，図２ａに示す隣接部分１２ａ又は１２ｂと平面１３との角であり，ρは図４ａ及び４ｂに示す入力結合回折格子１４ａ又は１４ｂの等間隔直線群と，中間回折格子１６ａ又は１６ｂの更なる等間隔直線群との角であり，λは入力光ビームの波長である。
【００４４】
図５は，なかでも本発明の実施例によるウエアラブルハウジング１１ａを備えるゴーグル１１のスプリット回折射出ひとみ拡大素子１０，１０ａ又は１０ｂの概略の更なる例である。射出ひとみ拡大素子１０，１０ａ又は１０ｂはウエアラブルハウジング１１ａに取り付けられており，スプリットＥＰＥ１０，１０ａ又は１０ｂの分離された部分（第１部分及び第２部分）は本発明の実施例によって所定の角度範囲で回転することができる。ウエアラブルハウジング１１ａは，サングラスフレーム，又は眼鏡フレーム，又はその類似物のような眼鏡ハウジングであってよい。図５はまたＥＰＥ角度調整ブロック３０を示しており，角度調整ブロックはフレーム１１の一部であってもよいし，所定の角度範囲でスプリットＥＰＥ１０，１０ａ又は１０ｂのスリット部を回転させる調整信号３０ａを提供するために用いてもよい。
【００４５】
図６は，本発明に実施例による射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）１０，１０ａ又は１０ｂを備える電子デバイスの概略の例である。
【００４６】
射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）１０，１０ａ又は１０ｂは，携帯電話機と，パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）と，コミュニケータと，可搬型インターネット装置と，手持ちコンピュータと，デジタルビデオカメラ及びスチルカメラと，ウエアラブルコンピュータと，コンピュータゲームデバイスと，特別な接眼（bring-to-the-eye）表示デバイスと，ほかの可搬型電子デバイスと，のような電子（可搬型）デバイス１００において用いてもよい。図６に示すとおり，可搬型デバイス１００は，外部デバイス（図示していない）との間で情報を送受信する通信ユニット２１２を収容するハウジング２１０を備える。また可搬型デバイス１００は，送受信情報を処理する制御及び処理ユニット２１４と，表示用仮想ディスプレイシステム２３０も備える。仮想ディスプレイシステム２３０は，マイクロディスプレイ又は画像ソース１９２と，光学エンジン１９０と，を含む。制御及び処理ユニット２１４は光学エンジン１９０に接続して，画像データを画像ソース１９２に提供してその上に画像を表示させる。本発明によるＥＰＥ１０，１０ａ又は１０ｂは，光学エンジン１９０に光学的に接続してもよい。
【００４７】
更に図６に示すとおり画像ソース１９２は，順次カラーＬＣＯＳ（シリコン上の液晶）デバイス，ＯＬＥＤ（有機ＬＥＤ）アレイ，ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）デバイス，又は透過，反射又は発光動作するほかの適切なマイクロディスプレイデバイスであってよい。
【００４８】
更に電子デバイス１００は，携帯電話機と，パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）と，コミュニケータと，可搬型インターネット装置と，手持ちコンピュータと，デジタルビデオカメラ及びスチルカメラと，ウエアラブルコンピュータと，コンピュータゲームデバイスと，特別な接眼表示デバイスと，ほかの可搬型電子デバイスと，であってよい。しかし本発明によれば，射出ひとみ拡大素子は，ゲームデバイスと，自動販売機と，仮想バンド（band-o-matic）と，のような非可搬型デバイス，オーブンと，電子オーブンと，ほかの製品のような家電製品，並びにほかの非可搬型デバイスに用いることもできる。
【００４９】
ここで列挙した本発明の種々の実施例は，特定の応用に対して個別に，組み合わせて，又は選択的に組み合わせて用いることができることに注意されたい。
【００５０】
上述の構成は本発明の応用を説明するものに過ぎないことに注意されたい。当業者であれば，本発明の範囲を逸脱することなく多くの修正物及び代替構成物を考案することができるので，本願請求項はそのような修正物及び構成物を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】回折射出ひとみ拡大素子を用いる仮想現実ディスプレイの概略を示す図である。
【図１ｂ】回折射出ひとみ拡大素子の出力結合回折格子の概略を示す図である。
【図２ａ】本発明の実施例によるスプリット１次元回折射出ひとみ拡大素子の断面を概略示す図である。
【図２ｂ】本発明の実施例によるスプリット１次元回折射出ひとみ拡大素子の上面を概略示す図である。
【図３ａ】本発明の実施例による射出ひとみ拡大素子を用いるスプリット入力結合回折格子を概略示す図である。
【図３ｂ】本発明の実施例による射出ひとみ拡大素子を用いるスプリット入力結合回折格子を概略示す図である。
【図４ａ】本発明の実施例によるスプリット２次元回折射出ひとみ拡大素子の（二つのうち）一つの部分の概略を示す図であって，中間回折素子（回折格子）が奇数の一次回折を有する図である。
【図４ｂ】本発明の実施例によるスプリット２次元回折射出ひとみ拡大素子の（二つのうち）一つの部分の概略を示す図であって，中間回折素子（回折格子）が偶数の一次回折を有する図である。
【図５】本発明の実施例による「サングラス様の」フレームに取り付けた平面回折射出ひとみ拡大素子を概略示す図である。
【図６】本発明の実施例による平面回折射出ひとみ拡大素子を用いる電子デバイスを概略示す図である。
【図１ａ】
2009539129.tif 000006
【図１ｂ】
2009539129.tif 000007
【図２ａ】
2009539129.tif 000008
【図２ｂ】
2009539129.tif 000009
【図３ａ】
2009539129.tif 000010
【図３ｂ】
2009539129.tif 000011
【図４ａ】
2009539129.tif 000012
【図４ｂ】
2009539129.tif 000013
【図５】
2009539129.tif 000014
【図６】
2009539129.tif 000015
【国際調査報告】
2009539129.tif 000016
2009539129.tif 000017
2009539129.tif 000018
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