(57)【要約】  ディスプレイ光を受け取るように、及び、光導波路に沿った案内された伝搬のための角度にディスプレイ光を回折するように構成された第１の回折部を含む光導波路を備えた光学表示を生成するための装置が開示される。導波路の第２の回折部は、光導波路によって第１の回折部に光学的に結合され、第１の回折部から光を受けるように、及び、第１の回折部から光を光導波路からの出力のための角度に回折するように構成される。案内された光が内部で反射する導波路の外面が、１．０（壱）より小さい値の屈折率を有するメタマテリアルで被覆される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的な表示を生成するための装置であって、
光導波路であって、
表示光を受け取るように、及び、前記表示光を、前記光導波路に沿った案内された伝播のための角度に回折するように構成された第１の回折部と、
前記光導波路によって前記第１の回折部に光学的に結合され、前記第１の回折部からの光を受け取るように、及び、前記第１の回折部からの光を、前記光導波路からの出力のための角度に回折するように構成された第２の回折部と、を含む光導波路を備え、
案内された光が内部で反射される前記光導波路の外面が、１．０（壱）に実質的に等しいか、または、１．０（壱）より小さい値の屈折率を有する材料で、外側で被覆される、装置。
【請求項２】
前記第１の回折部と前記第２の回折部の一方、いくつか、または、各々が、前記光導波路の中に、または、前記光導波路の上に形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記屈折率の値は正値である、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光導波路は、前記材料の１つの層または各々の層の最も外側の面上に配置された保護外層を備える、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記材料はメタマテリアルを備える、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記メタマテリアルは、各々が対向する導電性のメッシュの間に挟まれた磁気共鳴器を含む単位セルの空間的に周期的に繰り返す平面アレイを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記メタマテリアルは、各々が導電性のワイヤを含む単位セルの空間的に周期的に繰り返すアレイを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記単位セルは、前記メタマテリアルの前記導電性のワイヤが、ほぼ並行で、間隔を開けられているように配置される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記光導波路は、
第１の色（波長）の表示光の入力と出力とのそれぞれのために適合された個別の入力回折部と出力回折部とを有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項の記載に従った第１のコンポーネントスラブ導波路と、
前記第１の色とは異なる第２の色（波長）の表示光の入力と出力とのそれぞれのために適合された個別の入力回折部と出力回折部とを有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項の記載に従った第２のコンポーネントスラブ導波路と、
を含む多層スラブ導波路を備え、
前記第１のコンポーネントスラブ導波路と前記第２のコンポーネントスラブ導波路は、１．０（壱）に実質的に等しいか、または、１．０（壱）より小さい値の屈折率を有する材料の中間層によって結合される、
請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
表示光を生成するように、及び、前記第１の回折部に前記表示光を向けるように構成された光源を備える、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
第１の回折部と、光導波路によって前記第１の回折部に光学的に結合された第２の回折部とを含む光導波路を備える光導波路ディスプレイを使用し、表示光を表示するための方法であって、
前記第１の回折部において表示光を受け取り、前記第１の回折部を用いて、内部全反射（ＴＩＲ）による前記光導波路に沿った案内された伝播のために、受け取られた前記表示光を前記第２の回折部に回折することと、
前記第２の回折部において、前記第１の回折部からの光を受け取り、前記第１の回折部からの光を、前記光導波路からの出力のための角度に回折することと、を備え、
案内された光が内部で反射する前記光導波路の外面が、１．０（壱）に実質的に等しいか、または、１．０（壱）より小さい値の屈折率を有する材料で、外側で被覆される、方法。
【請求項１２】
前記屈折率の値は正値である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記材料はメタマテリアルである、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
添付図面の図２ないし図６を参照して本願明細書における任意の実施形態に実質的に記載されたような装置。
【請求項１５】
添付図面の図２ないし図６を参照して本願明細書における任意の実施形態に実質的に記載されたような方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、限定はされないが、光導波路を利用する光学ディスプレイなどの光学ディスプレイを提供するための方法及び装置に関する。特に、本発明は、画像担持光が、導波路に注入され、続いて、見るために導波路から放たれるディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のディスプレイ装置のための光導波路は、典型的には、内部全反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ： ＴＩＲ）による導波路に沿った伝搬のために導波路に注入された光を保持する導波路の能力によって決定され、その能力に従って制限される視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ： ＦＯＶ）を提示する。光が特定の角度範囲外で導波路に注入されると、光が導波路に沿った伝播のためにＴＩＲによって保持されることができず、導波路に沿って伝搬することなく導波路を出るだけである。
【０００３】
図１Ａは、ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）の対向する面に入射するように、導波路の反対側の面を通して入力する光（３Ａ）を受けるように配置されたブラッググレーティング（２Ａ）が背面に配置された、先行技術の光導波路ディスプレイ（１Ａ）の例を概略的に示す。ブラッググレーティングの構造（例えば、格子定数）は、入力光を、対向する内面（７Ａ、８Ａ）の間のＴＩＲによる導波路の本体に沿った内部の伝搬のための光（６Ａ）に向け直すために、回折次数（通常は１次）に回折される。導波路の入力端のみが示される。許容範囲内にない、内面（７Ａ、８Ａ）に突き当たるときの導波路内の光（６Ａ）の入射の角度は、全てが内部で反射されないように、光導波路（１Ａ）の材料の屈折率が、結果としてＴＩＲになる回折光（６Ａ）の入射の角度を決める。導波路内のＴＩＲのための角度制限は、ブラッググレーティングの構造が調整される、光の特定の（第１の）波長についてである。緑色光などの、その特定の波長の入力光（３Ａ）の全視野（ｔｏｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ： ＴＦＯＶ）における角度制限として、角度制限はそれ自身を提示する。ＴＦＯＶの極限の角度位置が、図１（４Ａ及び５Ａ）に示される。
【０００４】
図１Ｂは、ブラッググレーティングが調整される光の長さよりも長い第２のより長い波長（例えば、赤色光）の光を入力した結果を示す。ブラッググレーディングは、より長い波長の光を、ブラッググレーディングが調整される光を回折する角度とは異なる角度に回折する（図１Ａ）。結果は、極限の角度位置（４Ａ）の１つにおいて、及び、その近くで装置に入る第２の波長の光の内の一部が、結果的に、ブラッググレーティングによって、当該光のＴＩＲを可能としない導波路（１Ａ）内の角度に回折されることである。結果、入力光の一部は、単に、導波路を抜ける（６０Ｂ）。これは、第１の波長の光についての視野と比較して、第２の波長を有する光についての導波路の視野を減少させる。
【０００５】
図１Ｃは、ブラッググレーティングが調整される光の波長よりも短い第３のより短い波長（例えば、青色光）の光を入力した結果を示す。もう一度、ブラッググレーディングは、より短い波長の光を、それが同調される光を回折する角度とは異なる角度に回折する（図１Ａ）。再び、結果は、極限の角度位置（５Ａ）の１つにおいて、及び、その近くで装置に入る第３の波長の光の一部が、結果的に、ブラッググレーディングによって、当該光のＴＩＲを可能としない導波路（１Ａ）内の角度に回折されることである。結果、入力光の一部は、単に、導波路を抜ける（６０Ｃ）。これは、第１の波長の光についての視野と比較して、第３の波長を有する光についての導波路の視野を減少させる。
【０００６】
光の異なる色でのディスプレイ装置の導波路への入力光の全視野のこの色変化は、重要な制限である。
【０００７】
図１Ｄは、ブラッググレーティング２Ａが調整される第１の波長（例えば、緑色光）の光が、期待される視野（ＦＯＶ）の外側から入射する、図１Ａに示された先行技術の光導波路ディスプレイ（１Ａ）の例を概略的に示す。ブラッググレーティングは、導波路の中で入射するより広い角度に因り、この入射ＦＯＶの光の全てを導波路に注入することができない。これは、入射受容角度の制限の観点から、導波路の全ＦＯＶの範囲を示す。
【０００８】
ディスプレイ装置の導波路内への入力光のこの全視野は、重要な制限である。
【０００９】
本発明は、改善された光学ディスプレイ導波路を提供することを目的とする。
【発明の概要】
【００１０】
最も概括的に、本発明は、導波路の内部全反射の制限によって規定される装置の入力視野内での光導波路に沿った伝搬のために受け取られた光を回折するための入力回折部を有する、表示装置のための導波路光ディスプレイ装置の視野を向上させることである。これは、案内される光が内部的に反射する導波路のそれらの外面を、約１．０（壱）に実質的に等しいか、または、それよりも小さい値の反射係数を有する材料（（例えば、メタマテリアル、または、他の材料）で被覆することによってなされる。
【００１１】
その結果、光が、光導波路に沿った伝播のために入力回折部によって導かれたとき、被覆された導波路表面による光のＴＩＲの臨界内角に減少がある。従って、装置の視野外からの違ったような光は、ＴＩＲによって保持され、その後の出力／表示のために導波路に沿って導かれ／案内されることができる。
【００１２】
第１の態様において、本発明は、光導波路を備える光学表示を生成するための装置であって、表示光を受け取るように、及び、表示光を、ＴＩＲにより光導波路に沿って案内された伝播のための角度に回折するように構成された第１の回折部と、光導波路によって第１の回折部に光学的に結合され、第１の回折部からの回折光を受け取るように、及び、第１の回折部からの回折光を、光導波路からの出力のための角度に回折するように構成された第２の回折部と、を備え、案内された光が内部で反射する導波路の外面が、光波長において実質的に１．０（壱）に等しいかまたはそれより小さい屈折率を有する材料（例えば、メタマテリアル）で外部被覆される。好ましくは、屈折率の値は、屈折率が複素数である場合、屈折率の実数部の値である。好ましくは、屈折率の値は正の値である。材料は、メタマテリアルを備えることができる。メタマテリアルは、対向する導電性（例えば、銀、Ａｇ）またはメッシュの間に挟まれた磁気共振子を各々が含む単位セルの空間的に周期的に繰り返す平面アレイを備えることができる。磁気共振子は、実質的に平行平面の一対の導電性プレート（例えば、銀、Ａｇ）の間に挟まれたアルミナの層を備えることができる。各ワイヤメッシュは、交差する導電性の線またはストリップの格子または網を規定するように形成されることができる。好ましくは、単位セル内の交差する導電性の線またはストリップの交差点（例えば、交差構造を規定する）は、単位セル内の磁気共振子に隣接して設けられる。単位セル内の２つのメッシュのそれぞれ一方の交差点は、共振子の２つの導電性プレートのそれぞれの一方に（例えば、上に、または、上方に）配置されてもよい。交差点は、磁気共振子の中心軸と実質的に一致するか、または、実質的に倣って（in register）もよい。従って、各単位セルの磁気共振子は、対向する導電性メッシュの２つの対向する倣った交差点の間に挟まれ、それに倣って中心が置かれてもよい。
【００１３】
代替的に、メタマテリアルは、導電性ワイヤ（例えば、５０ｎｍ（ナノメートル）を超えない、例えば、約１５ｎｍの半径／幅のナノワイヤ）を各々が含む単位セルの空間的に周期的に繰り返すアレイを備えることができる。単位セルは、メタマテリアルの導電性ワイヤが実質的に平行かつ間隔を空ける（例えば、１００ｎｍと３００ｎｍとの間、例えば、約２００ｎｍ、だけ）ように配置されることができる。
【００１４】
導波路は、第１の色（波長）の表示光の入力及び出力のそれぞれのために適合された／調整された個別の入力及び出力回折部分を有する、上述の第１のコンポーネントスラブ導波路と、第１の色とは異なる第２の色（波長）の表示光の入力及び出力のそれぞれのために適合された／調整された個別の入力及び出力回折部を有する、上述の第２のコンポーネントスラブ導波路を含む多層スラブ導波路構造を備え、第１及び第２のコンポーネントスラブ導波路は、約１．０（壱）に実質的に等しいかまたはそれより小さい屈折率を有する材料（例えば、メタマテリアル、または、他の材料）の中間層によって接合される。
【００１５】
導波路（多層またはその他）は、導波路（例えば、メタマテリアル）を覆う材料の１つまたは各層の最も外側の面上に配置された保護外層（例えば、プラスチック材料）を備えることができる。
【００１６】
装置は、表示光を生成し、それによって導波路への入力のために導波路の第１の回折部に表示光を導くように構成された光源を備えることができる。
【００１７】
回折部の１つ、いくつか、または、各々は、ブラッググレーティングを備えることができる。
【００１８】
１つまたはそれより多く（例えば、各々）の回折部は、表面形状格子（例えば、表面形状ブラッググレーディング）を備えることができる。第１及び第２の回折部は、互いに共役の関係にあってもよい。即ち、第２の回折部が光を回折する次数は、第２の回折部によって受光される前に、第１の回折部が当該光を回折する次数と逆であってもよい。
【００１９】
そのような共役関係の利点は、第１の回折格子領域において起こる回折によって画像担持光に負わされた幾何学的歪みの減少を含む。第２の回折部の好ましい共役関係は、ある程度、第１の切替え可能な回折部によって負わされる歪みを少なくとも部分的に反転させることに役立つ、反対方向の幾何学的歪み負わせる効果を有する。また、色分散も共役の結果として非常に低減され、事実上、効果的に、実質的に打ち消され／除去される。これは、導波路への光入力を生成するためにＬＥＤ光源などの広帯域光源を使用する場合に特に有益である。これは、周知の「格子方程式」から分かる：
【００２０】
【数１】
2019517021.tif 000003
【００２１】
ここで、格子に垂直な方向に対し角度（Θｉｎ）で、周期ｄの格子に入射する波長λの光の回折の角度（Θｏｕｔ）が、出力光の回折の次数を規定する。これは、光の波長λに依存する。広帯域の光源から回折されたビームは、画像担持光において特に望ましくない、構成色（色の虹）への角度分割／分散を備え得る。より長い波長の光は、回折によって、ほとんどが所与の非ゼロ次数に偏向され、波長がより短くなるほどより少なくなる。出力格子に対する入力格子の共役関係がこれに対処する。
【００２２】
第２の態様において、本発明は、第１の回折部と、光導波路によって第１の回折部に光学的に結合された第２の回折部とを含む光導波路を備える光導波路ディスプレイを用いて表示光を表示するための方法を提供することができ、方法は、第１の回折部において表示光を受け取り、内部全反射（ＴＩＲ）による光導波路に沿って案内された伝播のために、受け取られた表示光を第２の回折部に回折することと、第２の回折部において、第１の回折部からの光を受け取り、光導波路からの出力のための角度に回折させることと、を備え、案内された光がそれに対して／それから反射する、導波路の外部表面が、光波長において１．０（壱）に実質的に等しいか、または、それより小さい値の屈折率を有する材料で外部被覆される。最も好ましくは、屈折率の値は、屈折率が複素数である場合、屈折率の実数部の値である。最も好ましくは、屈折率の値は、正の値である。材料は、メタマテリアルを備えることができる。回折部の任意の１つ、いくつか、または、全ては、光学的に透過型であってもよいし、光学的に反射型であってもよい。
【００２３】
以下に、添付の図面を参照して説明する目的で、例示的であるが非限定的な本発明の実施形態の説明がなされる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の波長（例えば、緑色光）の波長の光の入力をもった、スラブ光導波路などの光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第２の波長（例えば、赤色光）の波長の光の入力をもった、スラブ光導波路などの光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第３の波長（例えば、青色光）の波長の光の入力をもった、スラブ光導波路などの光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第１の波長の光だが、導波路の視野（ＦＯＶ）の外から、波長の光の入力をもった、スラブ光導波路などの光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図２】第２の波長（例えば、赤色光）の波長の光の入力をもった、本発明の実施形態に従ったスラブ光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図３】広い視野（ＦＯＶ）からの光の入力をもった、本発明の実施形態に従ったスラブ光導波路の入力端の断面図を概略的に示す。
【図４】図４は、図２または図３に図示された入力端を組み込み、スラブ導波路の出力端を示すスラブ導波路を概略的に示す。
【図５】図５は、図２または図３に図示された入力端を組み込み、４つの回折部を備えるスラブ導波路を概略的に示す。
【図６】図６は、メタマテリアルの単位セルの構造を概略的に示す。
【詳細な説明】
【００２５】
図面において、同様の物は、同様の参照符号を割り当てなれる。
【００２６】
図２及び図３は、本発明の好ましい実施形態に従ったディスプレイ装置のためのスラブ導波路の入力端の断面図を概略的に示す。これらの図の各々に示される入力端は、図４に概略的に示される完全品の光導波路装置の一部として示される。
【００２７】
装置は、スラブ導波路の対向する面（８）を介して光導波路に入力される所与の波長の光（例えば、可視光）を回折するために配置され、調整された入力ブラッググレーティング（２）が形成される後ろの面上のスラブ導波路の形態の光導波路を含む。入力ブラッググレーティングの回折面上に突き当たる入力光（４０、５０）が、内部全反射（ＴＩＲ）による導波路に沿った伝播のために一次の回折に回折されるように、入力ブラッググレーティング（２）の回折格子構造は、導波路に沿って案内された伝播のための角度に配列される。第２のブラッググレーティング（１１）が、光導波路（１）によって入力格子に光学的に結合された出力格子を規定する。出力格子は、入力ブラッググレーティングから導かれた表示光（６０）を受け取るように、及び、その受け取られた表示光を、光導波路からの出力のための角度に回折させるように配列される。即ち、出力ブラッググレーティングによって回折された表示光は、そこでＴＩＲが起こらないような角度で導波路の対向する内面（８）に向けられる。従って、当該面に突き当たる回折光の一部は、導波路の当該面を透過して、ユーザにより見ることができる（典型的には直接見られる）表示光（６３）として導波路から出る。案内された光（６１、６２）がそれに対して内部で反射する導波路の外面（７、８）は、１．０（壱）より小さい値の屈折率を有するメタマテリアル（９、１０）で被覆される。
【００２８】
入力光が入力ブラッググレーティングによって（及び、引き続いて、出力ブラッググレーティングによって）回折される角度は、入力光が入力ブラッググレーティング（２）の回折格子面に入射する角度に部分的によって決定される。選択された波長の入力光の、内部全反射（６０）によってスラブ導波路内に捕捉されるために、及び、捕捉されることができるのに適した角度への回折に至る入力角度の範囲が存在する。極限の入力角度のこの範囲は、システムの入力光（３０）の全視野（ＴＦＯＶ）を規定する。スラブ導波路内に捕捉された光（６０；６１、６２）の伝播は、対向する内部のスラブ表面（７、８）の間で、捕捉された光の連続的な内部全反射によってサポートされる。
【００２９】
メタマテリアル（９、１０）は、表示光（４０、５０）がそれを通って導波路に入力され、それから出力される（６３）スラブ導波路の光学面（８）上に形成された被覆として配置される。メタマテリアルは、また、スラブ導波路の反対側の／逆の光学面（７）上に形成された被覆として配置される。選択的に、メタマテリアルは、また、入力ブラッググレーティング及び出力ブラッググレーティングの背面を覆い、これは、導波路のスラブに直接面して（例えば、接触して）いない、被覆されなければ露出され得る、格子の外向きの面である。これは、メタマテリアルが、被覆されなければ露出されるスラブ導波路の面上に形成される場合に、特に、両方ともに格子の性能を低下させ、従って、導波路ディスプレイ全体の性能を低下させる損傷及び／または汚染の影響を特に受けやすい可能性があるブラッググレーディングを保護するための保護被覆として特に有益であり得る。このような露出されたブラッググレーティングの保護は、表面プロファイルブラッググレーティングが利用される場合（例えば、図５参照）に特に有益であるが、他のタイプのブラッググレーティングが使用される場合にも有益である。また、実際に、導波路が、２つのグレーティングの間の導波路の部分に沿ったＴＩＲプロセスによって、入力ブラッググレーティングを出力ブラッググレーティングに光学的に結合することを担う、導波路の対応する内面（７、８）の反射性能を左右するそれらの面によって規定される境界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）であるので、被覆されなければ露出された導波路（１）の平面の保護は有益である。メタマテリアルは、光波長において正であり、１．０（壱）より小さい値を有する屈折率をもったメタマテリアルに吹き込む、いわゆる周期的な「魚網（ｆｉｓｈ−ｎｅｔ）」、または、メッシュ状のナノフォトニック構造を備える。この屈折率の値は、空気の屈折率の値よりも大きくなく、従って、メタマテリアルは、ｎ＝１．０（おおよそ）の場合に、導波路の光学的な性能を損なうことなく、少なくとも、被覆されなければ露出されたガラスの導波路面上に保護被覆を与えることができる、−  即ち、メタマテリアルは少なくとも光学的に空気を模倣する。そして、導波路は、あたかも保護メタマテリアル被覆が何も存在しないがごとく機能し続け、さもなければその性能を低下させたであろうそのガラス面（例えば、表面格子）上の損傷と汚染から保護されることができる。さらに、より低い屈折率の材料（例えば、ｎ＜１．０）を用いることにより、以下でより詳細に説明されるように、導波路の性能も向上させることができる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態において、メタマテリアルの被覆を施す好ましい方法は下記に記載される：
参考文献１：  Ｄｏ−Ｈｏｏｎ Ｋｗｏｎ、Ｄｏｕｇｌａｓ Ｈ． Ｗｅｒｎｅｒ著： 「Ｌｏｗ−ｉｎｄｅｘ ｍｅｔａ−ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ」、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ； Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．１５，２３ Ｊｕｌｙ ２００７，ｐｐ９２６７−９２７２
他の好ましい方法が下記に記載される：
参考文献２：  Ｂ．Ｔ．Ｓｃｗａｒｔｚ、Ｒ Ｐｉｅｓｔｕｎ著：  「Ｔｏｔａｌ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｅｔａ−ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ」、Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ｂ ２０、２００３、ｐｐ２４４８−２４５３
メタマテリアル被覆（９、１０）の低い屈折率の効果は、導波路（１）の内面（７、８）において、回折された表示光（６１、６２）が内部全反射を受けることができる臨界角（ΘＴＩＲ）を減少させることである。
【００３１】
スネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則によれば以下である：
【００３２】
【数２】
2019517021.tif 000004
【００３３】
ここで、ｎｗｇは、導波路の材料の屈折率であり（例えば、ガラス： ｎｗｇ＝１．５（おおよそ）、使用されるガラスに応じる）、ｎ０は、メタマテリアルの屈折率である。従って、ｎ０が小さいほど、ΘＴＩＲが小さくなる。
【００３４】
公称基準波長λ（例えば、緑色光）に対して、入力ブラッググレーティング（２）は、以下の格子方程式に従う：
【００３５】
【数３】
2019517021.tif 000005
【００３６】
ここで、Θｉは、ブラッググレーティングにより導波路の中に臨界角（ΘＴＩＲ）までに光が回折される、ブラッググレーディング上に入力される光の入射の角度である。グレーティングは、ｄｗｇで与えられる格子ピッチを有する。そして、臨界角をスネルの法則に置き換えると次のようになる：
【００３７】
【数４】
2019517021.tif 000006
【００３８】
これを変形すると次のようになる：
【００３９】
【数５】
2019517021.tif 000007
【００４０】
結果、ｎ０がより小さくされることができれば、Θｉがより大きくなることを可能にされ、または、言い換えれば、所与の格子と光の所与の波長に対して、導波路のＦＯＶが増加する。
【００４１】
同様に、この結果は、上の等式の右辺が一定であることを条件として、λの値の減少に呼応してｎ０の値を適切に減らすことにより、光のより短い波長に対して同じ視野（Θｉ）を得ることができることを示す。即ち、下記の差が変わらないようにｎ０を減らすことによって、λが減らされ得る。
【００４２】
【数６】
2019517021.tif 000008
【００４３】
このような低屈折率（ｎｏ）の被覆を、内部でＴＩＲが起こる境界面を規定する面である、導波路の外面に適用する結果として、有利なことに、装置の視野を増すために、及び／または、装置が所与の視野で動作することができる波長の範囲を拡張するために、導波路の入力格子上の入力光の、入力光の入射の角度（Θｉ）を制御することが可能であることが分かった。
【００４４】
これらの効果の両方とも、図１Ａから図１Ｄを参照して上述されたような既存の導波路ディスプレイシステムの課題の少なくともいくつかに対処することを狙ったものである。これは、より広い視野をもったカラー（例えば、マルチカラー、または、フルカラー）の導波路ディスプレイを可能にする。
【００４５】
材料の複素屈折率： ｍ＝ｎ＋ｉｋ と、複素インピーダンス： Ｚ＝Ｘ＋ｉＹとが与えられると、材料の比誘電率： ε＝ε’＋ｉε”と、比透磁率： μ＝μ’＋ｉμ”とは、以下によって定義される。
【００４６】
【数７】
2019517021.tif 000009
【００４７】
及び、
【００４８】
【数８】
2019517021.tif 000010
【００４９】
εとμの値を独立に調整することにより、ｍとＺについての値の組を見つけることができる。これは、メタマテリアルの単位セル内にある構造を実装することによって達成され得る。例えば、メタマテリアルは、図６に概略的に示されるような単位セルを備えることができる。
【００５０】
この単位セルは、銀（Ａｇ）ワイヤメッシュなどの、２つの対向する平行な導電性メッシュ（７１、７２）の間に配置された磁気共振器（７０）を備える。磁気共鳴器は、一対の面平行な導電性（例えば、銀）のプレート（７４）の間に挟まれたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を備えることができる。各メッシュは、単位セル内の交差する導電性の線またはストリップの交差点（例えば、交差構造７５を規定する）が、単位セル内の磁気共鳴器に隣接して配置される、交差した導電性の線またはストリップの格子または網を規定するように形成され得る。単位セル内の２つのメッシュの各々一方の交差点は、共振器の２つの導電性プレートのそれぞれの一方において（例えば、上、または、上方に）配置され得る。交差点は、磁気共鳴器の中心軸と実質的に一致してもよく、または、実質的に倣っていてもよい。従って、各単位セルの磁気共鳴器は、対向する導電性メッシュの２つの対向する倣った状態にある交差点の間に挟まれ、交差点に倣って中心が位置決めされてもよい。
【００５１】
対向する平行な導電性メッシュの間で、磁気共振器によって占められていない領域は、シリカ（ＳｉＯ２）などの誘電材料で充填されてもよい。繰り返す単位セルのこの周期構造は、スラブ導波路ディスプレイの外面（例えば、ガラス７６）上に直接形成されてもよい。単位セル構造が図６に概略的に示されており、メタマテリアルの２つの導電性メッシュのうちの１つが、導波路面（１）と直接接する。
【００５２】
各単位セルの内側の磁気共鳴装置と導電性メッシュの構造は、それぞれ、メタマテリアルのμとεの値に対して主要な影響を与える。例えば、μの値は、磁気共鳴器の高さ及び幅、ならびに、そのアルミナ及び銀の層成分の相対的な厚さによって強く影響される。同様に、導電性メッシュの導電性の線またはストリップの厚さ及び幅は、εの値に強く影響する。選択された光学波長における、または、光波長の範囲上での屈折率（実数部） ｎ≦１．０を提供するために、これらの設計パラメータが選択され得、望まれるように最適化される。最適化の効果的な方法は、参考文献１（上記）に詳細に記載され、または、当業者に容易に利用可能な他の任意の好適な最適化方法に従い、当業者によって容易に理解される。
【００５３】
図６を参照すると、各単位セル内の磁気共鳴器（７０）と導電性メッシュ（７１、７２）の幾何学的／構造的パラメータは、好ましくは、表１にリストされた以下の範囲内になるように制約され得る。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
幾何学的パラメータがこれらの範囲内にはいる場合、０．０≦ｎ≦１．０の屈折率の値（実数部）が最適に可能となる（例えば、構造的な最適化によって）ことが判明した。特に、幾何学的パラメータの組の値は、屈折率の実数部について必要とされる／望まれる値（ｎ）を達成するために、参考文献１（上記）に記載された最適化プロセスを使用して選択されるか、または、当業者に容易に利用可能な任意の他の好適な最適化方法に従って選択されて良い。メタマテリアルの光学的減衰特性を制御するために、屈折率の虚数部（ｋ）も最適化されることができる。
【００５６】
例えば、ゼロに近い屈折率（実数部）の値（ｎ＝０．１５９）を達成するために好適なパラメータは次の通りである：
【００５７】
【表２】
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【００５８】
他方の極限において、１に近い屈折率の値（ｎ＝０．９５９）を達成するための好適なパラメータは次のとおりである：
【００５９】
【表３】
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【００６０】
０．０≦ｎ≦１．０の他の目標値は、参考文献１（上記）に記載された最適化方法に従うか、または、当業者に容易に利用可能な任意の他の好適な最適化方法に従って設計パラメータを光学的に調節することによって達成されることができる。
【００６１】
図３は、入力視野（３Ａ）から捉えられることができる制限された全視野（ＴＦＯＶ）と、図１Ｄを参照して上述された配置に従ってスラブ導波路（１Ａ）内でＴＩＲにより捉えられることができるよりも広い入力視野との間の比較を概略的に図示する。また、図２を参照して上述された本発明の好ましい実施形態によって捉えられる拡張された入力ＴＦＯＶ（３１）が示される。本発明の実施形態によって捉えられるＴＦＯＶ（６０）は、図１Ｄの配置のＴＦＯＶ（６Ｂ）に対して拡張され、図１Ｄの配置によって達成されるＴＦＯＶ（６Ｂ）に、図１Ｄの配置によるＴＩＲの対象ではないが、図３の実施形態によるＴＩＲの対象であるＴＦＯＶの追加で捉えられた部分（６０Ｂ）を足したものに実質的に等しい。この追加のＴＦＯＶ捕捉は、上述したように、メタマテリアル被覆（９、１０）を使用した結果であり、出力格子（１１）により導波路ディスプレイのユーザに提示されるより広い全視野（６３）に帰結する。
【００６２】
図５は、多層スラブ導波路構造（１２）の形態の本発明のさらなる実施形態を示す。多層の光学ディスプレイ導波路構造が、多色表示機能を提供するために望まれ得る。例えば、第１のコンポーネントスラブ導波路（１３）は、第１の色（波長）の表示光の入力／出力のために適合され／調整されたブラッググレーディング（１５、１８）を担い、第２のコンポーネントスラブ導波路（１４）は、第１の色とは異なる第２の色（波長）の表示光の入力／出力に適合され／調整されたブラッググレーディング（１６、１７）を担う。もちろん、追加の層（例えば、図示されない第３の層）が、必要に応じて追加の第３の色（波長）での使用のために調整されたブラッグ入力／出力グレーティングを収容するために、このような多層構造に加えられる。
【００６３】
この構造は、２つのスラブの平行に積層された導波路構造における２つのスラブ導波路（１３、１４）の各々の外面にメタマテリアル被覆（２１、２２、２３）を適用することによって達成される保護効果を示す。この被覆は、コンポーネントスラブ導波路（１３、１４）が、両方とも、それらの間に挟まれたメタマテリアルの同じ中間層（２２）によって保護され、共に結合されるような多層の導波路構造を可能にする。この層／充填材（２２）は、汚染物質が、装置（１２）の対向するコンポーネントスラブ導波路（１３、１４）の間の空間に入ることを防止する。それは、また、ＴＩＲにより表示光を案内する役割を果たす各コンポーネント導波路の全ての対向する内面が、メタマテリアルの外部被覆を帯びるように、メタマテリアルの中間層によって被覆されるそれぞれの導波路の面に対向する各コンポーネントスラブ導波路の面上に配置された追加のメタマテリアルの面被覆と結合された場合、上述の理由で、両方の導波路の性能を向上する。
【００６４】
コンポーネントスラブ導波路のブラッググレーティングが、スラブ導波路（１５、１６）への光の入力のために、及び、スラブ導波路（１７、１８）からの光の出力のために使用される、表面プロファイル回折格子構造である場合、メタマテリアル被覆の保護効果は、図５の例に示されるように、当該ブラッググレーティングを覆うように拡張されている場合、特に有用である。例えばプラスチックの外部保護層（１９、２０）は、それらの下のメタマテリアルの被覆のＴＩＲ増強効果を妨害することなく、メタマテリアルの２つの最も外側の層（２１、２３）のそれぞれ一方の外面上に与えられることができる。外側保護層は、装置／アセンブリを頑丈にするように選択されることができ、それらの衝撃吸収特性、及び／または、それらの剛性と撓みに対する耐性、及び／または、所望に応じて、それらの耐擦傷性特性のために選択されることができる。
【００６５】
選択的に、本発明の任意の実施形態（図４、または、図５、または、他の実装形態）によれば、メタマテリアルは、単に、導波路のＴＩＲ性能を助けるために使用されてもよく、ＴＩＲにより表示光を案内する役割を果たす導波路の対向する内面の全てが、メタマテリアルの外部被覆を帯びるように、導波路の適切な面上に配置されてもよい。結果として、メタマテリアルは、表示光が、例えば、ブラッググレーティング構造によってなど、導波路に入力され、または、導波路から出力されることが意図される、導波路の表面部分からは省略されてもよい。従って、代替的な構成では、回折のためにブラッググレーティングに入力される光、または、回折によってブラッググレーティングより出力される光がメタマテリアルを透過することが必要とされないよう、メタマテリアル被覆は、入力または出力ブラッググレーティングの作用部分上に伸びたり、覆ったり、隠したりしないように配置されてもよい。これは、メタマテリアルによる光の減衰／吸収に因って起こり得る光の損失を回避する。所望される入力／出力ブラッググレーティング上に倣って、窓がメタマテリアル被覆（１０）に形成されてもよい。
【００６６】
上述された実施形態は説明のためのものであり、当業者には容易に明らかであるような、実施形態への変更、変形、及び、全ての等価物が、例えば、特許請求の範囲によって定義されるような、本発明の範囲の中に包含される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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