(57)【要約】最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光を誘導するための回折光学素子（１０）であって、光は第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で回折光学素子（１０）に衝突する。光透過性基板（１４）に形成された直線格子（１２）を備えた回折光学素子。直線格子（１２）は、λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられる。光透過性基板は、λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光を誘導するための回折光学素子であって、光は第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で回折光学素子に衝突し、前記回折光学素子は光透過性基板に形成された直線格子を備え、
（ａ）前記直線格子が、λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられ、かつ
（ｂ）前記光透過性基板が、λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられて成る、
回折光学素子。
【請求項２】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きい請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して６度より上の絶対値を有する請求項１記載の回折光学素子。
【請求項４】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きく、さらにα−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して５度より上の絶対値を有する請求項１記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記格子ピッチｄが約０．５λＢから約０．９９λＢの間である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記格子ピッチｄは、前記λＢと前記ｄの間の比が約１．５の平均値を持つように選択される請求項１記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記格子ピッチがλＢ／〔ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）〕より小さいかそれに等しく、ここでｎＡは外部媒質の屈折率である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記外部媒質の前記屈折率が実質的に１である請求項７記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記外部媒質が空気である請求項７記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記最小屈折率がλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きい請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記全反射は予め定められた最大回折角αＤＭＡＸによって特徴付けられ、それは前記光透過性基板に直角な方向に対して９０度より小さい請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記全反射は予め定められた最大回折角αＤＭＡＸによって特徴付けられ、それは予め定められた距離ｘ内の少なくとも一つの反射を可能にするように選択される請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１３】
前記予め定められた距離が３０ｍｍないし８０ｍｍである請求項１２記載の回折光学素子。
【請求項１４】
前記最小屈折率が〔λＲ／ｄ＋ｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しい請求項１１記載の回折光学素子。
【請求項１５】
前記最小屈折率が〔λＲ／ｄ＋ｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しい請求項１２記載の回折光学素子。
【請求項１６】
λＢが約４００から約５００ｎｍの間である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１７】
λＲが約６００から約７００ｎｍの間である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１８】
前記ｎＭＩＮが約１．６から約２．０の間である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１９】
前記光透過性基板が約０．５ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さである請求項１記載の回折光学素子。
【請求項２０】
前記光透過性基板はガラスおよび透明ポリマから成るグループから選択される請求項１記載の回折光学素子。
【請求項２１】
前記直線回折格子は反射直線回折格子および透過直線回折格子から成るグループから選択される請求項１記載の回折光学素子。
【請求項２２】
前記直線回折格子はホログラフィ、コンピュータ生成マスク、リソグラフィ、エンボス加工、エッチング、および直接書刻から成るグループから選択された手順によって記録される請求項１記載の回折光学素子。
【請求項２３】
最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光を透過するための光学装置であって、光は第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で光学装置に衝突し、前記光学装置は、光透過性基板に形成された第一回折光学素子と、前記光透過性基板に形成され、かつ前記第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを備え、
（ａ）前記第一および前記第二回折光学素子が、λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、かつ
（ｂ）前記光透過性基板が、λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられて成る、
光学装置。
【請求項２４】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きい請求項２３記載の光学装置。
【請求項２５】
α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して６度より上の絶対値を有する請求項２３記載の光学装置。
【請求項２６】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きく、さらにα−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して５度より上の絶対値を有する請求項２３記載の光学装置。
【請求項２７】
前記格子ピッチｄが約０．５λＢから約０．９９λＢの間である請求項２３記載の光学装置。
【請求項２８】
前記格子ピッチｄは、前記λＢと前記ｄの間の比が約１．５の平均値を持つように選択される請求項２３記載の光学装置。
【請求項２９】
前記格子ピッチがλＢ／〔ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）〕より小さいかそれに等しく、ここでｎＡは外部媒質の屈折率である請求項２３記載の光学装置。
【請求項３０】
前記外部媒質の前記屈折率が実質的に１である請求項２９記載の光学装置。
【請求項３１】
前記外部媒質が空気である請求項２９記載の光学装置。
【請求項３２】
前記最小屈折率がλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きい請求項２３記載の光学装置。
【請求項３３】
前記全反射は予め定められた最大回折角αＤＭＡＸによって特徴付けられ、それは前記光透過性基板に直角な方向に対して９０度より小さい請求項２３記載の光学装置。
【請求項３４】
前記全反射は予め定められた最大回折角αＤＭＡＸによって特徴付けられ、それは予め定められた距離ｘ内の少なくとも一つの反射を可能にするように選択される請求項２３記載の光学装置。
【請求項３５】
前記予め定められた距離が３０ｍｍないし８０ｍｍである請求項３４記載の光学装置。
【請求項３６】
前記予め定められた距離が前記第一回折光学素子の中心と前記第二回折光学素子の中心との間で画定される請求項３４記載の光学装置。
【請求項３７】
前記最小屈折率が〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しい請求項３３記載の光学装置。
【請求項３８】
前記最小屈折率が〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しい請求項３４記載の光学装置。
【請求項３９】
λＢが約４００から約５００ｎｍの間である請求項２３記載の光学装置。
【請求項４０】
λＲが約６００から約７００ｎｍの間である請求項２３記載の光学装置。
【請求項４１】
前記ｎＭＩＮが約１．６から約２．０の間である請求項２３記載の光学装置。
【請求項４２】
前記光透過性基板が約０．５ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さである請求項２３記載の光学装置。
【請求項４３】
前記光透過性基板はガラスおよび透明ポリマから成るグループから選択される請求項２３記載の光学装置。
【請求項４４】
前記第一回折光学素子の前記直線回折格子が前記第二回折光学素子の前記直線回折格子に実質的に平行である請求項２３記載の光学装置。
【請求項４５】
前記第一および第二回折光学素子の前記直線回折格子は各々独立に、反射直線回折格子および透過直線回折格子から成るグループから選択される請求項２３記載の光学装置。
【請求項４６】
前記第一および前記第二回折光学素子の前記直線回折格子は各々独立に、前記光透過性基板の第一面および前記光透過性基板の第二面から成るグループから選択された表面に形成される請求項２３記載の光学装置。
【請求項４７】
前記光を発生させるための入力光源をさらに含む請求項２３記載の光学装置。
【請求項４８】
前記入力光源は入力表示源を含み、したがって前記光が画像を構成する請求項４７記載の光学装置。
【請求項４９】
前記入力光源によって発生する前記光を視準するためのコリメータをさらに含む請求項４７記載の光学装置。
【請求項５０】
前記コリメータが収束レンズを含む請求項４９記載の光学装置。
【請求項５１】
前記コリメータが回折光学素子を含む請求項４９記載の光学装置。
【請求項５２】
光学装置の全体的サイズを低減するように配置された、光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子をさらに含む請求項２３記載の光学装置。
【請求項５３】
前記少なくとも一つの光学素子が４５度鏡である請求項５２記載の光学装置。
【請求項５４】
前記直線回折格子はホログラフィ、コンピュータ生成マスク、リソグラフィ、エンボス加工、エッチング、および直接書刻から成るグループから選択された手順によって記録される請求項２３記載の光学装置。
【請求項５５】
最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光であって、第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で回折光学素子に衝突する光を誘導するための回折光学素子を製造する方法において、
（ａ）λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、
（ｂ）λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、
（ｃ）前記ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる光透過性基板に、前記格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子を形成するステップと
を含む方法。
【請求項５６】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きい請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して６度より上の絶対値を有する請求項５５記載の方法。
【請求項５８】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きく、さらにα−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して５度より上の絶対値を有する請求項５５記載の方法。
【請求項５９】
前記格子ピッチｄの決定は、前記ｄが約０．５λＢから約０．９９λＢの間であるように行なわれる請求項５５記載の方法。
【請求項６０】
前記格子ピッチｄの決定は、前記λＢと前記ｄの間の比が約１．５の平均値を持つように行なわれる請求項５５記載の方法。
【請求項６１】
前記格子ピッチｄの決定は、前記ｄがλＢ／〔ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）〕より小さいかそれに等しく、ここでｎＡが外部媒質の屈折率であるように行なわれる請求項５５記載の方法。
【請求項６２】
前記外部媒質の前記屈折率が実質的に１である請求項６１記載の方法。
【請求項６３】
前記外部媒質が空気である請求項６１記載の方法。
【請求項６４】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮがλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きくなるように行なわれる請求項５５記載の方法。
【請求項６５】
最大回折角αＤＭＡＸを選択するステップをさらに含む請求項５５記載の方法。
【請求項６６】
前記全反射が前記最大回折角によって特徴付けられる請求項６５記載の方法。
【請求項６７】
前記αＤＭＡＸが前記光透過性基板に直角な方向に対して９０度より小さい請求項６５記載の方法。
【請求項６８】
前記最大回折角の選択は、予め定められた距離ｘ内の少なくとも一つの反射に対応する角度を算出することによって行なわれる請求項６５記載の方法。
【請求項６９】
前記予め定められた距離が３０ｍｍないし８０ｍｍである請求項６８記載の方法。
【請求項７０】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮが〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しくなるように行なわれる請求項６７記載の方法。
【請求項７１】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮが〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しくなるように行なわれる請求項６８記載の方法。
【請求項７２】
前記λＢが約４００から約５００ｎｍの間である請求項５５記載の方法。
【請求項７３】
前記λＲが約６００から約７００ｎｍの間である請求項５５記載の方法。
【請求項７４】
前記ｎＭＩＮが約１．６から約２．０の間である請求項５５記載の方法。
【請求項７５】
前記光透過性基板が約０．５ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さである請求項５５記載の方法。
【請求項７６】
前記光透過性基板はガラスおよび透明ポリマから成るグループから選択される請求項５５記載の方法。
【請求項７７】
前記直線回折格子は反射直線回折格子および透過直線回折格子から成るグループから選択される請求項５５記載の方法。
【請求項７８】
前記直線回折格子はホログラフィ、コンピュータ生成マスク、リソグラフィ、エンボス加工、エッチング、および直接書刻から成るグループから選択された手順によって記録される請求項５５記載の方法。
【請求項７９】
最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光であって、第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で光学装置に衝突する光を透過するための光学装置を製造する方法において、
（ａ）λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、
（ｂ）λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、
（ｃ）光透過性基板を配置し、そこに第一回折光学素子と、前記第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを形成するステップと
を含み、前記第一および前記第二回折光学素子が前記格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、前記光透過性基板が前記ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる方法。
【請求項８０】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きい請求項７９記載の方法。
【請求項８１】
α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して６度より上の絶対値を有する請求項７９記載の方法。
【請求項８２】
λＲがλＢより少なくとも３０ｎｍ大きく、さらにα−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶが各々独立に、前記光透過性基板に直角な方向に対して５度より上の絶対値を有する請求項７９記載の方法。
【請求項８３】
前記格子ピッチｄの決定は、前記ｄが約０．５λＢから約０．９９λＢの間であるように行なわれる請求項７９記載の方法。
【請求項８４】
前記格子ピッチｄの決定は、前記λＢと前記ｄの間の比が約１．５の平均値を持つように行なわれる請求項７９記載の方法。
【請求項８５】
前記格子ピッチｄの決定は、前記ｄがλＢ／〔ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）〕より小さいかそれに等しく、ここでｎＡは外部媒質の屈折率であるように行なわれる請求項７９記載の方法。
【請求項８６】
前記外部媒質の前記屈折率が実質的に１である請求項８５記載の方法。
【請求項８７】
前記外部媒質が空気である請求項８５記載の方法素子。
【請求項８８】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮがλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きくなるように行なわれる請求項７９記載の方法。
【請求項８９】
最大回折角αＤＭＡＸを選択するステップをさらに含む請求項７９記載の方法。
【請求項９０】
前記全反射が前記最大回折角によって特徴付けられる請求項８９記載の方法。
【請求項９１】
前記αＤＭＡＸが前記光透過性基板に直角な方向に対して９０度より小さい請求項８９記載の方法。
【請求項９２】
前記最大回折角の選択は、予め定められた距離ｘ内の少なくとも一つの反射に対応する角度を算出することによって行なわれる請求項８９記載の方法。
【請求項９３】
前記予め定められた距離が３０ｍｍないし８０ｍｍである請求項９２記載の方法。
【請求項９４】
前記予め定められた距離が前記第一回折光学素子の中心と前記第二回折光学素子の中心との間で画定される請求項９２記載の方法。
【請求項９５】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮが〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しくなるように行なわれる請求項９０記載の方法。
【請求項９６】
前記最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、前記ｎＭＩＮが〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しくなるように行なわれる請求項９２記載の方法。
【請求項９７】
λＢが約４００から約５００ｎｍの間である請求項７９記載の方法。
【請求項９８】
λＲが約６００から約７００ｎｍの間である請求項７９記載の方法。
【請求項９９】
前記ｎＭＩＮが約１．６から約２．０の間である請求項７９記載の方法。
【請求項１００】
前記光透過性基板が約０．５ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さである請求項７９記載の方法。
【請求項１０１】
前記光透過性基板はガラスおよび透明ポリマから成るグループから選択される請求項７９記載の方法。
【請求項１０２】
前記第一回折光学素子の前記直線回折格子が前記第二回折光学素子の前記直線回折格子に実質的に平行である請求項７９記載の方法。
【請求項１０３】
前記第一および第二回折光学素子の前記直線回折格子は各々独立に、反射直線回折格子および透過直線回折格子から成るグループから選択される請求項７９記載の方法。
【請求項１０４】
前記第一および前記第二回折光学素子の前記直線回折格子は各々独立に、前記光透過性基板の第一面および前記光透過性基板の第二面から成るグループから選択された表面に形成される請求項７９記載の方法。
【請求項１０５】
前記光を発生させるための入力光源を配置するステップをさらに含む請求項７９記載の方法。
【請求項１０６】
前記入力光源は入力表示源を含み、したがって前記光が画像を構成する請求項１０５記載の方法。
【請求項１０７】
前記入力光源によって発生する前記光を視準するためのコリメータを配置するステップをさらに含む請求項１０５記載の方法。
【請求項１０８】
前記コリメータが収束レンズを含む請求項１０７記載の方法。
【請求項１０９】
前記コリメータが回折光学素子を含む請求項１０７記載の方法。
【請求項１１０】
光学装置の全体的サイズを低減するように配置された、光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子を配置するステップをさらに含む請求項７９記載の方法。
【請求項１１１】
前記少なくとも一つの光学素子が４５度鏡である請求項１１０記載の方法。
【請求項１１２】
前記直線回折格子はホログラフィ、コンピュータ生成マスク、リソグラフィ、エンボス加工、エッチング、および直接書刻から成るグループから選択された手順によって記録される請求項７９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学装置に関し、さらに詳しくは、広視野を有しかつ多色画像を提供することができる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置の小型化は昔から電子工学の分野の今も続く目標であった。電子装置はしばしば、使用者が見ることができる何らかの形のディスプレイを備えている。これらの装置のサイズが縮小するにつれて、小サイズの電子装置に適合するコンパクトなディスプレイを製造する必要性が高まる。小寸法を有する以外に、そのようなディスプレイは画像品質を犠牲にしてはならず、かつ低コストで入手可能でなければならない。本質的に、上記の特徴は矛盾しており、何か均衡の取れた解決策を提供しようとする多くの試みがなされてきた。
【０００３】
電子ディスプレイは、サイズがディスプレイ装置の物理的サイズによって決定される実像、またはサイズがディスプレイ装置の寸法を拡張することができる虚像を提供することができる。
【０００４】
実像とは、像の位置に配置された観察面に投影または表示されて人間の目で観察される像と定義される。実像ディスプレイの例として、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、または有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）が挙げられる。一般的に、デスクトップコンピュータシステムおよび職場のコンピューティング装置はＣＲＴディスプレイスクリーンを利用して、ユーザのために画像を表示する。ＣＲＴディスプレイは重く、嵩張り、容易に小型化されない。ラップトップ、ノートブック、または手のひらコンピュータの場合、一般的にフラットパネルディスプレイが使用される。フラットパネルディスプレイは、パッシブマトリクスまたはアクティブマトリクスパネルとして実現されるＬＣＤ技術を使用することができる。パッシブマトリクスＬＣＤパネルは水平および垂直ワイヤのグリッドから成る。グリッドの各交点が単一画素を構成し、ＬＣＤ素子によって制御される。ＬＣＤ素子は光を透過させるかまたは光を遮断するかのいずれかである。アクティブマトリクスパネルはトランジスタを使用して各画素を制御するものであり、より高価である。
【０００５】
ＯＬＥＤフラットパネルディスプレイは、有機高分子材料から作られた発光ダイオードの配列である。既存のＯＬＥＤフラットパネルディスプレイは、パッシブおよびアクティブ両方の構成に基づいている。光の透過または反射を制御するＬＣＤディスプレイとは異なり、ＯＬＥＤディスプレイは光を放出し、その強度はそれに掛けられる電気的バイアスによって制御される。
【０００６】
フラットパネルディスプレイはまた、ＣＲＴディスプレイに比較してコンパクトでありエネルギ効率がよいので、小型の画像表示システムにも使用される。小サイズの実像ディスプレイは実像を提示する表面積が比較的小さく、したがってユーザに充分な情報を提供する能力が限られる。言い換えると、人間の目の限られた解像度のため、小サイズの実像から解明される細部の量は不充分であろう。
【０００７】
実像とは対照的に、虚像は観察面に投影されない像と定義され、光線は像と観察者を結ばない。虚像は光学素子を通してのみ見ることができる。例えば、典型的な虚像は、収束レンズの前に、該レンズとその焦点との間に配置された物体から得ることができる。物体上の個々の点から反射した光線は、レンズを通過するときに発散し、したがって二つの光線が二つの端点を共有することがない。レンズの反対側から観察する観察者は、物体の後ろに位置し、したがって拡大された像を知覚するであろう。レンズの焦点面に位置する物体の虚像は、無限遠に投影されたと言われる。
【０００８】
従来の虚像ディスプレイは多くの短所を持つことが知られている。例えば、そのようなディスプレイは快適に使用するには重過ぎるだけでなく、大き過ぎるので目立ち過ぎ、注意を散漫にし、かつ分別を混乱させるものでさえあることが悩みであった。これらの欠点は、とりわけ、実装構造内に比較的大きい光学系が組み込まれていることだけでなく、サイズ、形状、重量等のような重要な要素を適切に考慮に入れていない物理的設計にも原因がある。
【０００９】
最近、携帯用虚像ディスプレイにホログラフィ光学素子が使用されるようになった。ホログラフィ光学素子は結像レンズおよびコンバイナとして働き、そこで二次元の準単色ディスプレイが無限遠に結像され、観察者の目の中に反射される。全ての型のホログラフィ光学素子に共通の問題はそれらの比較的高い色分散である。これは、光源が純粋な単色でない用途では大きい欠点である。一部のこれらのディスプレイの別の欠点は、像の幾何学的形状とホログラフィ光学素子の幾何学的形状との間のコヒーレンスの欠如であり、それは画像の品質を低下させる画像配列の収差を引き起こす。
【００１０】
一般的に単一のホログラフィ光学素子を扱う新しい設計は、記録のために単純な球面波ではなく非球面波を使用することによって、幾何および色収差を補償する。しかし、それらは色分散の問題を克服していない。さらに、これらの設計では全体的な光学系が通常非常に複雑であり、小型化が難しい。さらに、これらの設計の結果得られる視野が通常非常に小さい。
【００１１】
Ｕｐａｔｎｉｅｋｓの米国特許第４７１１５１２号は、比較的厚い体積ホログラムの使用により、平面光学技術に基づいたヘッドアップディスプレイを開示しており、ここにその内容を参照によって組み込む。画像の視準光波面は、入力回折格子素子を介して航空機のコックピットのパイロットと航空機ウィンドスクリーンとの間に配置されたガラス板に入り、全反射によってガラス板を透過し、別の回折素子によってパイロットの目の方向に外部結合される。
【００１２】
通常の当業熟練者は、厚い体積ホログラムが高い回折効率を達成するが、得られる最大視野のみならず画像の多色帯域幅もかなり狭いことを理解されるであろう。
【００１３】
Ｆｒｉｅｓｅｍらの米国特許第５９６６２２３号は、Ｕｐａｔｎｉｅｋｓのそれと同様であるが、第一の回折光学素子がさらに、表示源の各データ点によって放出される波を視準し、かつ視野全体にわたって視野収差を補正する視準素子として働くという追加的側面を持つ、ホログラフィック光学装置を開示しており、ここにその内容を参照によって組み込む。実際、Ｆｒｉｅｓｅｍらによると、得られる視野は±６°であり、それはＵｐａｔｎｉｅｋｓの装置より優れている。しかし、回折視準素子はスペクトル応答を狭めることが知られており、Ｆｒｉｅｓｅｍらは６３２．８ｎｍの波長を中心に±２ｎｍの波長シフトに対し低い色感受性を観察したが、収差はむしろ±２０ｎｍまたは±７０ｎｍのスペクトル範囲で相当な大きさになる。
【００１４】
したがって、上記の限界を持たず広視野の多色画像を提供することのできる光学装置の必要性が幅広く認識されており、それを持つことは非常に有利である。
【発明の開示】
【００１５】
発明の概要
本発明の一態様では、光透過性基板に形成される直線格子を備えた、多色スペクトルの視野を最適化するための回折光学素子であって、（ａ）直線格子が、回折光学素子に第一視野角α−ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第一部分の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられ、前記第一部分がスペクトルの最短波長λＢを有し、かつ（ｂ）光透過性基板が、回折光学素子に第二視野角α＋ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第二部分の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられ、前記第二部分がスペクトルの最長波長λＲを有して成る、回折光学素子を提供する。
【００１６】
本発明の別の態様では、最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光を誘導するための回折光学素子であって、光は第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で回折光学素子に衝突し、該回折光学素子は光透過性基板に形成された直線格子を備え、（ａ）直線格子が、λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられ、かつ（ｂ）光透過性基板が、λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられて成る、回折格子を提供する。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、多色スペクトル用の広視野を有する光学装置であって、該光学装置は、光透過性基板に形成された第一回折光学素子と、光透過性基板に形成され、第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを備え、（ａ）第一および第二回折光学素子が、回折光学素子に第一視野角α−ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第一部分の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、前記第一部分がスペクトルの最短波長λＢを有し、かつ（ｂ）光透過性基板が、回折光学素子に第二視野角α＋ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第二部分の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられ、前記第二部分がスペクトルの最長波長λＲを有して成る、光学装置を提供する。
【００１８】
本発明のさらに別の態様では、最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光を透過するための光学装置であって、光は第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で光学装置に衝突し、該光学装置は、光透過性基板に形成された第一回折光学素子と、光透過性基板に形成され、かつ第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを備え、（ａ）第一および第二回折光学素子が、λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、かつ（ｂ）光透過性基板が、λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように選択された最小屈折率ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられて成る、光学装置を提供する。
【００１９】
後述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、最小屈折率は、λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きい。
【００２０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学装置は、光を発生するための入力光源をさらに含む。
【００２１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学装置は、入力光源によって発生した光を視準するためのコリメータをさらに含む。
【００２２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学装置は、光学装置の全体的サイズを低減するように配置された、光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子をさらに含む。
【００２３】
本発明の追加の態様では、多色スペクトルの視野を最適化するための回折光学素子を製造する方法において、（ａ）スペクトルの最短波長λＢを有し、第一視野角α−ＦＯＶで回折光学素子に衝突する光の少なくとも第一部分の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、（ｂ）スペクトルの最長波長λＲを有し、第二視野角α＋ＦＯＶで回折光学素子に衝突する光の少なくとも第二部分の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、（ｃ）ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる光透過性基板に、格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子を形成するステップとを含む方法を提供する。
【００２４】
本発明のさらなる追加の態様では、最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光であって、第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で回折光学素子に衝突する光を誘導するための回折光学素子を製造する方法において、（ａ）λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、（ｂ）λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、（ｃ）ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる光透過性基板に、格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子を形成するステップとを含む方法を提供する。
【００２５】
本発明のさらなる追加の態様では、多色スペクトル用の広視野を有する光学装置を製造する方法であって、（ａ）スペクトルの最短波長λＢを有し、第一視野角α−ＦＯＶで回折光学素子に衝突する光の少なくとも第一部分の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、（ｂ）スペクトルの最長波長λＲを有し、第二視野角α＋ＦＯＶで回折光学素子に衝突する光の少なくとも第二部分の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、（ｃ）光透過性基板を配置し、そこに第一回折光学素子と、第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを形成するステップとを含み、第一および第二回折光学素子が格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、光透過性基板がｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられて成る方法を提供する。
【００２６】
本発明のさらなる態様では、最短波長λＢより長くかつ最長波長λＲより短い複数の波長によって特徴付けられる色スペクトルを有する光であって、第一視野角α−ＦＯＶより大きくかつ第二視野角α＋ＦＯＶより小さい角度で光学装置に衝突する光を透過するための光学装置を製造する方法において、（ａ）λＢの波長およびα−ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、直線格子のピッチｄを決定するステップと、（ｂ）λＲの波長およびα＋ＦＯＶの衝突角度を有する光の全反射を可能にするように、最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップと、（ｃ）光透過性基板を配置し、そこに第一回折光学素子と、第一回折光学素子から側方に偏位した第二回折光学素子とを形成するステップとを含み、第一および第二回折光学素子が格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子であり、光透過性基板がｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる方法を提供する。
【００２７】
後述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、λＲはλＢより少なくとも３０ｎｍ大きい。
【００２８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、格子ピッチｄは、λＢとｄの間の比が約１．５の平均値を持つように選択される。
【００２９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、直線格子ピッチｄの決定は、λＢとｄの間の比を第一視野角α−ＦＯＶの振動関数に等しく設定することによって行なわれる。
【００３０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、振動関数は約１．５の平均値を有する。
【００３１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、振動関数は１から２の範囲の値を有する。
【００３２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、振動関数はｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）に等しく、ここでｎＡは外部媒質の屈折率である。
【００３３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、格子ピッチはλＢ／ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）より小さいかそれに等しい。
【００３４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、外部媒質の屈折率は実質的に１である。
【００３５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、外部媒質は空気である。
【００３６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、ｎＭＩＮがλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きくなるように行なわれる。
【００３７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、最大回折角αＤＭＡＸを選択するステップをさらに含む。
【００３８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、全反射は最大回折角αＤＭＡＸによって特徴付けられる。
【００３９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、αＤＭＡＸは、光透過性基板に直角な方向に対して９０度より小さい。
【００４０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、最大回折角の選択は、予め定められた距離ｘ内の少なくとも一つの反射に対応する角度を算出することによって行なわれる。
【００４１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、予め定められた距離ｘは３０ｍｍないし８０ｍｍである。
【００４２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、予め定められた距離は第一回折光学素子の中心と第二回折光学素子の中心との間で画定される。
【００４３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、最小屈折率ｎＭＩＮの決定は、ｎＭＩＮが〔λＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）〕／ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）に等しくなるように行なわれる。
【００４４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶは各々独立に、光透過性基板に直角な方向に対して６度より上の絶対値を有する。
【００４５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、λＢは約４００から約５００ｎｍの間である。
【００４６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、λＲは約６００から約７００ｎｍの間である。
【００４７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ｎＭＩＮは約１．６から約２．０の間である。
【００４８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ｄは約０．５λＢから約０．９９λＢの間である。
【００４９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、λＢは青色光に対応し、λＲは赤色光に対応する。
【００５０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、λＢは青色光に対応し、λＲは赤色光に対応し、α−ＦＯＶは約−５度より下であり、α＋ＦＯＶは約５度より上であり、ここで度数は光透過性基板に直角な方向に対するものである。
【００５１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光透過性基板は約０．５ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さである。
【００５２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光透過性基板はガラスおよび透明ポリマから成るグループから選択される。
【００５３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第一および第二回折光学素子の直線回折格子は各々独立に、反射直線回折格子および透過直線回折格子から成るグループから選択される。
【００５４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第一および第二回折光学素子の直線回折格子は各々独立に、光透過性基板の第一面および光透過性基板の第二面から成るグループから選択された表面に形成される。
【００５５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、光を発生させるための入力光源を配置するステップをさらに含む。
【００５６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、入力光源は入力表示源を含み、したがって光は画像を構成する。
【００５７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、入力光源によって発生する光を視準するためのコリメータを配置するステップをさらに含む。
【００５８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、コリメータは収束レンズを含む。
【００５９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、コリメータは回折光学素子を含む。
【００６０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、光学装置の全体的サイズを低減するように配置された、光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子を配置するステップをさらに含む。
【００６１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも一つの光学素子は４５度鏡である。
【００６２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、直線回折格子はホログラフィ、コンピュータ生成マスク、リソグラフィ、エンボス加工、エッチング、および直接書刻（ｄｉｒｅｃｔ  ｗｒｉｔｉｎｇ）から成るグループから選択された手順によって記録される。
【００６３】
本発明は、回折光学素子、該光学素子を組み込んだ光学装置、およびそれを製造しかつ使用する方法を提供することによって、現在公知の構成の短所に首尾よく対処する。光学素子は、先行技術の光学素子を特徴付ける特性を大きく上回る特性を享受する。
【００６４】
図面の簡単な記述
本発明をここで、単なる例として添付の図面に関連して説明する。今、特に図面を詳細に参照するに当たって、図示する細部は、例として、単に本発明の好適な実施形態を分かり易く説明することを目的として、本発明の原理および概念的側面についての最も有用かつ理解し易い説明であると信じられるものを提供するために提示するものであることを強調しておく。これに関し、本発明の構造の詳細を、本発明の基本的理解に必要である以上に詳しく示すつもりはなく、図面に即した説明は、本発明の幾つかの形態をいかに実施することができるかを当業者に明らかにするものである。
図１ａは、本発明に係る光学素子の側面図である。
図１ｂは、本発明に係る光学素子の底面図である。
図２ａは、本発明に係る光学装置の側面図である。
図２ｂは、本発明に係る光学装置の等角図である。
図３は、本発明に係るコリメータおよび／または入力光源をさらに含む光学装置の側面図である。
図４は、本発明に係る光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子をさらに含む光学装置の側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
好適な実施形態の説明
本発明は、多色スペクトルの視野を最適化するために使用することができる回折光学素子である。本発明はさらに、該光学素子を組み込んだ光学装置、およびそれを製造しかつ使用する方法である。特に、本発明は、多色ディスプレイを有する光学装置、例えばセルラ電話、パーソナルデジタルアシスタント、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、航空機コックピットおよび類似物の視野を最適化するために使用することができる。
【００６６】
本発明に係る回折光学素子、光学装置、および方法の原理および動作は、図面および関連説明を参照することにより、いっそうよく理解することができる。
【００６７】
本発明の少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその適用が、以下の説明に記載しあるいは図面に示す構造の詳細および構成要素の配列に限定されないことを理解されたい。本発明は他の実施形態を採ることが可能であり、あるいは様々な方法で実施または実行することができる。また、ここで使用する語法および用語は説明を目的とするものであって、限定とみなすべきではないことを理解されたい。
【００６８】
光線が光透過性基板内で移動し、その内部表面の一つに該表面の法線から測定して角度α１で衝突するときに、それは該表面から反射するか、または表面から屈折して基板と接触している開放空気中に出るかのいずれかとすることができる。光が反射または屈折する条件はスネルの法則によって決定され、それは数学的に次式を通して実現される。
ｎＡｓｉｎα１＝ｎＳｓｉｎα２  （数式１）
ここでｎＳは光透過性基板の屈折率であり、ｎＡは光透過性基板の外部の媒質の屈折率であり（ｎＳ＞ｎＡ）、α２は屈折の場合に光線が外部に屈折する角度である。α１と同様に、α２は表面の法線から測定される。光透過性基板の外部の典型的な媒質は、約１の屈折率を有する空気である。
【００６９】
ここで使用する場合、用語「約」とは±１０％を指す。
【００７０】
一般的な法則として、基板の屈折率は、その表面に衝突する光の特定波長λに依存する。衝突角度α１、屈折率ｎＳおよびｎＡが与えられると、方程式１は、しばしば臨界角と呼ばれるｎＡ／ｎＳの逆正弦より小さいα１に対してのみ、α２の解を得る。したがって、充分に大きいα１（臨界角より上）の場合、方程式１を満たす屈折角α２はなく、光エネルギは光透過性基板内に閉じ込められる。言い換えると、光はあたかも鏡に衝突したかのように、内部表面から反射する。この条件下では、全反射が生じると言える。異なる光の波長（つまり異なる色の光）は異なる屈折率に対応するので、全反射の条件は、光が基板に衝突する角度だけでなく、光の波長にも依存する。言い換えると、一つの波長に対して全反射条件を満たす角度は、異なる波長に対してこの条件を満たさないかもしれない。
【００７１】
平面光学では、光が光透過性基板内を予め定められた光学距離にわたって透過するように、全反射の適切な条件を提供するように設計された様々な光学素子がある。一般的に、そのような光学素子は、光透過性基板の光線の入射点側またはその反対側の一表面上に配置された直線格子として製造される。直線格子は、光の波長λおよびそれぞれ光線が光透過性基板に入射するときおよび内側に回折するときの角度αＩおよびαＤに直接関係する、いわゆる格子周期または格子ピッチｄによって特徴付けられる。該関係は次式によって与えられる。
ｎＳｓｉｎαＤ−ｎＡｓｉｎαＩ＝λ／ｄ      （数式２）
【００７２】
周知の取り決めとして、符号αＩおよびαＤは、角度を表面の法線から時計回り方向に測定した場合は正であり、そうでない場合は負である。
【００７３】
入射角の利用可能な範囲は、文献ではしばしば「視野」と呼ばれる。可視光の波長の広いスペクトルおよび角度と波長の両方に対する全反射の比較的敏感な依存性は、公知の光学素子を単色光および小さい角度に対してのみ適したものにしている。
【００７４】
本発明では、多色スペクトルの視野を最適化するための回折光学素子を提供し、該光学素子をここでは一般的に光学素子１０と呼ぶ。
【００７５】
今、図面を参照すると、図１ａ〜ｂはそれぞれ光学素子１０の側面図および底面図を示す。光学素子１０は、第一表面２２および第二表面２４を有する光透過性基板１４に形成された直線格子１２を含む。直線格子１２は、回折光学素子に第一視野角α−ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第一部分の全反射を可能にするように選択されたピッチｄによって特徴付けられる。上付きの添え字「−」から理解できるように、α−ＦＯＶは光透過性基板１４の表面２２の法線１６から反時計回り方向に測定し、したがって負の値を持つことが好ましい。α−ＦＯＶは図１ａに光線１８と法線１６との間の角度として示される。この符号の取り決めは限定とみなすことはできず、通常の当業熟練者は代替的取り決めを使用して容易に本発明を実施することができることが理解される。
【００７６】
多色スペクトルの場合、光線１８を含めて光学素子１０に到着する光線は、最短波長λＢから最長波長λＲまで多数の波長λを有する。光の第一部分は光線１８の最短波長部分であることが好ましい。
【００７７】
表面２２および２４が実質的に平行である好適な実施形態では、格子ピッチｄは、スペクトルの最短波長および第一視野角α−ＦＯＶによってのみ決定され、他のパラメータ、例えば光透過性基板１４の屈折率またはλＢより長い波長λには依存しない。本発明の好適な実施形態では、格子ピッチｄは、λＢとｄとの間の比がα−ＦＯＶの振動関数となるように選択される。一実施形態では、振動関数は、１から２まで変化する値、および約１．５の平均値を有する。格子ピッチｄの好適な式は、次の方程式によって与えられる。
ｄ＝λＢ／［ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）］      （数式３）
【００７８】
式３によって与えられる格子ピッチｄは最大格子ピッチであることが理解される。したがって、光透過性基板１４内でλＢに等しいかそれより長い波長およびα−ＦＯＶに等しいかそれより大きい（より正である）入射角を有する全ての光線の全反射を達成するために、格子ピッチｄはλＢ／［ｎＡ（１−ｓｉｎα−ＦＯＶ）］に等しいかそれより小さくなければならない。
【００７９】
屈折率ｎＳによって特徴付けられる光透過性基板１４は、回折光学素子に第二視野角α＋ＦＯＶで衝突する光の少なくとも第二部分の全反射を可能にするように選択される。第一視野角とは異なり、α＋ＦＯＶは光透過性基板１４の法線１６から表面に時計回り方向に測定することが好ましい。α＋ＦＯＶは図１ａに光線２０と法線１６との間の角度として示される。光の第二部分は光線２０の最長波長部分であることが好ましい。
【００８０】
光学素子１０は、光透過性基板１４の屈折率ｎＳより小さい屈折率ｎＡによって特徴付けられる媒質から光透過性基板１４に到達する、α−ＦＯＶないしα＋ＦＯＶの視野およびλＢからλＲまでの波長のスペクトルを有する光の全反射を達成することができる。
【００８１】
光透過性基板１４を選択するために、ｎＭＩＮより大きい屈折率を有する全ての基板が光を底に閉じ込めるのに適するように、最小屈折率ｎＭＩＮを定義すると便利である。好ましくは、ｎＭＩＮ（およびしたがって光透過性基板１４の屈折率ｎＳ）はλＲ／ｄ＋ｎＡｓｉｎ（α＋ＦＯＶ）より大きくすべきである。ｎＭＩＮはひとたび光透過性基板１４に入射した後の光の回折角にも依存するかもしれないことを熟練者は理解されるであろう。
【００８２】
再び図１ａを参照すると、光透過性基板１４に入射する各光線は異なる回折角を経験する。本発明の好適な実施形態では、回折光線２０（つまり光透過性基板に入射した後）と法線１６との間に画定されるその最大回折角αＤＭＡＸによってｎＭＩＮを決定すれば充分である。
【００８３】
したがって、本書で詳述し、かつ図１ａに示すように、光線２０は、法線１６に対して「最左端」の光線であり、第二視野角α＋ＦＯＶで光透過性基板１４に衝突し、最大回折角αＤＭＡＸで内側に回折する。
【００８４】
本発明の好適な実施形態では、最小屈折率ｎＭＩＮは次式を満たす。
ｎＭＩＮ＝（λＲ／ｄ−ｎＡｓｉｎα＋ＦＯＶ）／ｓｉｎαＭＡＸＤ      （数式４）
【００８５】
ひとたびｎＭＩＮが式４から算出されると、その屈折率ｎＳがｎＭＩＮより大きいという唯一の制約により、適切な光透過性基板を選択することができる。式４の左辺には四つのパラメータがあり、そのうちの三つ（λＲ、ｄ、およびα＋ＦＯＶ）は、光学素子１０がそのために設計される装置、システム、またはいずれかの他の用途の要件によって決定される。詳しくは、λＲは入射光のスペクトルから決定され、α＋ＦＯＶは用途の所望の視野によって決定され、ｄは上述の通りスペクトルおよび所望の視野の両方によって決定される。
【００８６】
ｎＭＩＮを算出するために、αＤＭＡＸを明確に決定する必要がある。それが法線１６から時計回り方向に測定される回折角を表すという要件、すなわちαＤＭＡＸが正でありかつ９０度より小さくなければならないことを除いて、αＤＭＡＸに対する理論的な制限は無いことを理解されたい。産業界では、場合によっては、光透過性基板１４の屈折率がすでに分かっていることが往々にしてある（例えば光学素子１０が特定の光透過性基板を含む所定の装置と同期して動作するように意図されている場合）。このような場合、式４を逆転して可能な最大回折角を得ることができる。
【００８７】
他方、αＤＭＡＸは、製造コストまたは特定の小型化の必要性によって課せられる幾何学的制限のような、実践的考慮事項に従って選択することができる。
【００８８】
したがって、さらに本書で「少なくとも一回ホップする」実施形態と呼ぶ一実施形態では、αＤＭＡＸは、約３０ｍｍから約８０ｍｍまで変化することができる予め定められた距離ｘ内で少なくとも一回反射することができるように選択される。
【００８９】
例えば、光透過性基板１４の厚さが２ｍｍであり、ｘ＝５５ｍｍである場合、距離ｘ内でも一回の全反射は８５．８度に等しいαＤＭＡＸに対応する。さらに本書で「フラットな」実施形態と呼ぶ別の実施形態では、αＤＭＡＸは、すなわち全ての回折角が充分に小さく、例えば８０度を下回るという要件を課すことによって、光透過性基板１４内の反射イベントの回数を低減するように選択される。
【００９０】
依然として図１ａを参照すると、直線格子１２は、光が到達する表面２２に形成され、したがって直線格子１２は透過モードで動作し、直線格子１２を透過した光線は全て最終的に全反射を経験することを確実にする。
【００９１】
本発明の好適な実施形態では、直線格子１２は光透過性基板１４の表面２２とは反対側の第二表面２４にも形成し、それにより反射モードで動作して、直線格子１２から反射される全ての光線の全反射を確実にすることができる。この場合、本書で上述した全ての原理および動作はそのまま維持される。
【００９２】
光学素子１０の使用は、比較的広い波長スペクトルに比較的柔軟な視野を組み入れることを可能にする。光学素子１０は、全反射現象を利用するどんな装置にも埋め込むことができる。
【００９３】
本発明は、本書で装置３０と呼ぶ、多色スペクトル用の広視野を有する光学装置を首尾よく提供する。
【００９４】
今、図２ａ〜ｂを参照すると、装置３０がそれぞれ側面図および等角図で示されている。装置３０は、光透過性基板３４に形成された第一回折光学素子３２を含む。装置３０はさらに、第一回折光学素子３２から側方に偏位し、光透過性基板３４に形成された第二回折光学素子３６を含む。本発明の好適な実施形態では、第一３２および第二３６の両回折光学素子は、光学素子１０の格子と同様に設計された直線格子である。同様に、光透過性基板３４の特性は、光透過性基板１４の特性と同様であることが好ましい。
【００９５】
光学素子１０の場合と同様に、本書に記載する本発明の好適な実施形態のいずれかで使用することができる、第一３２および第二３６光学素子の回折格子は、光透過性基板３４のどちらの表面にも形成することができる。すなわち、両方の光学素子は反射モードおよび透過モードの任意の組合せで動作することができる。
【００９６】
使用中、光学素子３２は、光学素子３２の前に配置された光源によって発生することができる光によって照射される。照射光は、図１ａ〜ｂに関連して上で詳述したように実質的な全反射によって、光が光透過性基板３４内に閉じ込められてその中を光学素子３６の方向に伝搬するような方法で、光学素子３２から回折される。伝搬される光は、光透過性基板３４内で一回またはそれ以上反射（ホップ）した後、光学素子３６に到達し、それは閉じ込められた光を使用者の目に達するように算出された方向に、光透過性基板１８から外に結合する。
【００９７】
本発明の好適な実施形態では、第一３２および第二３６の両方の光学素子の直線格子ピッチｄは実質的に同一であり、両格子は相互に実質的に平行である。そのような構成により、特定の角度αＩで光学素子３２に入射した全ての光線が、光の波長に関係なく、αＩの絶対値に実質的に等しい絶対値を持つ角度αＤで光学素子３６から回折することを、熟練者は理解されるであろう。αＤとαＩとの間の相対符号は、以下の規則に従って、第一３２および第二３６の光学素子の位置および動作モード（透過モードまたは反射モード）から決定される。
【００９８】
第一３２および第二３６の両方の光学素子が光透過性基板３４の同一表面に配置される実施形態では、両方の素子が同一モードで動作する場合、すなわち両方が透過モードで動作するか、あるいは両方が反射モードで動作する場合、αＤ＝−αＩであり、第一３２および第二３６の光学素子が異なるモードで動作する場合、αＤ＝αＩである。他方、第一３２および第二３６の光学素子が光透過性基板３４の異なる表面に配置される実施形態では、角度間の相対符号はネゲートされる。詳しくは、第一３２および第二３６の光学素子が両方とも同一モードで動作する場合、αＤ＝αＩであり、第一３２および第二３６の光学素子が異なるモードで動作する場合、αＤ＝−αＩである。
【００９９】
したがって、光の波長に関係なく、光透過性基板３４に所定の方向に入射した特定の光線は、実質的に平行な方向に、または法線１６に対して実質的に鏡面反射方向のどちらかに光透過性基板３４を出射する。本発明のこの重要な特徴は、鏡面反射するか水平方向に反転する場合を除き、角度色収差および／または分解能の損失を生じることなく、視野全体で表示される画像を維持することを可能にする。
【０１００】
周知の通り、角度色収差および／または分解能の損失はしばしば、入射角に対する出射角の変化によって引き起こされる。
【０１０１】
上述した通り、光透過性基板３４の最小屈折率ｎＭＩＸは、光線が光学素子３２から回折する最大角度αＤＭＡＸにも依存する。αＤＭＡＸの値を選択するときに、様々な実施形態、例えば上で詳述したような「少なくとも一回ホップする」実施形態および「フラットな」実施形態を考慮することができる。しかし、「少なくとも一回ホップする」実施形態の場合、予め定められた距離ｘは光学素子３２の中心と光学素子３６の中心との間に画定することが好ましいことは理解されるであろう。
【０１０２】
今、図３を参照すると、本発明の好適な実施形態に係る装置３０の側面図が示されている。したがって、装置３０はコリメータ３８および／または入力光源４２をさらに含むことができる。コリメータ３８は光透過性基板３４の前に配置される。コリメータ３８は、入力光がまだ視準されていない場合、光透過性基板３４に衝突する前にそれを視準するために働く。当業界で周知の任意の視準素子、例えば収束レンズまたは回折光学素子を、コリメータ３８として使用することができる。視準手順の目的は、結像能力を改善することである。
【０１０３】
収束レンズの場合、レンズに垂直でありその中心を通過する、典型的な収束レンズを通過する光線は、光軸を画定する。レンズを通過する光束はこの軸を中心に集まり、レンズによってよく結像することができる。他の視準手段、例えば回折光学素子もまた、結像機能を提供することができるが、そのような手段の場合、光軸がよく画定されない。収束レンズの利点は光軸を中心とするその対称性によるものであり、他方回折光学素子の利点はそのコンパクトさによるものである。
【０１０４】
コリメータ３８が回折光学素子である実施形態では、それを光透過性基板３４から離して配置するか、そこに担持させるか、あるいはそこに形成することができる。現在の好適な実施形態では、コリメータ３８は、透過回折素子として光透過性基板３４の入射面、または反射回折素子として光透過性基板３４の反対側の面のいずれかに配置することができることを、熟練者は理解されるであろう。
【０１０５】
入力光源４２は光を反射または透過して、光透過性基板３４に衝突させ、それによって光が入力光源４２の画像を構成することができる。入力光源４２は、限定するものではないがフラットパネルディスプレイ、例えばＬＣＤ、他の光学装置によって生成される画像、画像情報を誘導するファイバ束、または有機／無機発光ダイオードのアレイのような、当業界で周知の任意の形をとることができる。
【０１０６】
今、図４を参照すると、光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子４０をさらに含む装置３０の側面図が示されている。光学素子４０は、装置３０の全体的サイズを低減するように配置される。幾つかの光学装置は、光源がそこから特定の距離内に配置されたときに、いっそうよく機能する。光学素子４０を含めることによって、光線の経路が「折り曲げられ」、したがって光学素子４０は入力光源４２を光学素子４０の前に配置することを可能にし、こうして装置３０の断面サイズ全体に対する制御を達成する。本発明の好適な実施形態では、光学素子４０は、４５度鏡または光の方向を変更するための当業界で周知のいずれかの他の光学素子のように、単純にすることができる。
【０１０７】
反射／透過した光がまだ視準されていない好適な実施形態では、光学素子４０が含まれるか否かによって、入力光源４２と光透過性基板３４（図３）との間、または光学素子４０と光透過性基板３４（図４）との間に、コリメータ３８が配置される。いずれの場合も、コリメータ３８は光の光路上に配置しなければならない。
【０１０８】
本発明はまた、例えば光学素子１０、３２および３６のような、多色スペクトルの視野を最適化するための回折光学素子を製造する方法をも提供する。
【０１０９】
本発明の好適な実施形態では、該方法は、上で詳述した実施形態に従って直線格子ピッチｄおよび最小屈折率ｎＭＩＮを決定するステップを含む。該方法はさらに、ｎＭＩＮより大きい屈折率ｎＳによって特徴付けられる光透過性基板に、格子ピッチｄによって特徴付けられる直線格子を形成し、それによって光透過性基板内の光の全反射を可能にするステップを含む。
【０１１０】
本発明の追加的態様では、上記方法の特定のステップは、例えば装置３０のような光学装置を提供するために二回以上実行することができる。詳しくは、直線格子を形成するステップは、相互に側方に偏位した二つの回折光学素子が光透過性基板に形成されるように、二回実行することが好ましい。
【０１１１】
上述の通り、直線格子は、ｄおよびｎＭＩＮが上で詳しく説明したように一貫した符号の取り決めを使用して決定されることを前提として、光透過性基板のどちらの表面にも各々独立して形成することができる。
【０１１２】
各々の光学素子の直線格子は、ホログラフィ技術によって、コンピュータ生成マスクおよびリソグラフィ技術によって、直接書刻技術によって、エンボス加工もしくはエッチングによって、または当業界で周知のいずれかの他の手順によって記録することができる。
【０１１３】
光透過性基板は、可視光の場合、限定するものではないがガラスまたは透明ポリマのような光を透過させることが可能な、任意の材料から製造することができることを理解すべきである。いずれの場合も、光透過性基板材料の屈折率は、空気または光透過性基板と界接するいずれかの他の材料の屈折率より大きくなければならない。
【０１１４】
本発明のいずれかの実施形態の好適な技術的詳細は次の通りである。光透過性基板の寸法は、厚さが約０．５ｍｍから約５ｍｍの間であり、幅／長さが約１０ｍｍから約１００ｍｍの間である。第一および第二の両光学素子の典型的な幅／長さは、米国特許第５９６６２２３号に記載されたニヤアイディスプレイ（ｎｅａｒ  ｅｙｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）用途のような様々な光学用途に対し、約５ｍｍから約２０ｍｍの範囲である。光の好適なスペクトルは少なくとも３００ｎｍに及び、対称または非対称な視野とすることのできる好適な視野は、少なくとも１０度である。さらに詳しくは、λＢは一般的に約４００から約５００ｎｍの間の典型的波長を有する青色光であり、λＲは一般的に約６００から約７００ｎｍの間の典型的波長を有する赤色光であり、α−ＦＯＶおよびα＋ＦＯＶの両方の絶対値は５度より上である。加えて、格子ピッチｄの典型値は約０．５λＢから約０．９９λＢの間である。
【０１１５】
本発明の追加の目的、利点、および新規の特徴は、限定とする意図のない以下の実施例を精査することにより、通常の当業熟練者には明らかになるであろう。加えて、上述しかつ請求の範囲に記載する、本発明の様々な実施形態および態様の各々にとって、以下の実施例は実験的サポートになる。
【実施例】
【０１１６】
今から以下の実施例について説明するが、それらは上記の説明と併せて、本発明を非限定的に解説するものである。
【０１１７】
実施例１
格子ピッチの決定
すでに述べた通り、格子ピッチｄは要求される視野および光の波長に依存し、かつ基板の屈折率または基板のいずれかの他の寸法的パラメータとは独立しており、式ｄ＝λＢ／（１−ｎＡｓｉｎα−ＦＯＶ）から簡便に決定される。以下では、ｎＡを１とする。
【０１１８】
例えば、スペクトルの最短波長が青色光に対応し、例えばλＢ＝４８０ｎｍであるならば、α−ＦＯＶ＝−８°の第一視野角の場合、格子ピッチはｄ＝４２１ｎｍとすべきであり、より大きいα−ＦＯＶ＝−１４°の第一視野角の場合、格子ピッチはｄ＝３８６ｎｍとすべきである。
【０１１９】
実施例２
最小屈折率の決定
最小屈折率は、上で詳述した通り、式ｎＭＩＮ＝（λＲ／ｄ−ｎＡｓｉｎα−ＦＯＶ）／ｓｉｎαＭＡＸＤから決定することができ、ここで最大回折角は、「フラットな」実施形態および「少なくとも一回ホップする」実施形態のような追加的な考慮事項に従って決定することができる。再び、ｎＡは１とする。
【０１２０】
「フラットな」実施形態
「フラットな」実施形態では、全ての回折角を予め定められた角度より低くする必要がある。本実施例は８０度の最大回折角に対応する。
【０１２１】
したがって、スペクトルが青色光（λＢ＝４８０ｎｍ）から赤色光（λＲ＝６２０ｎｍ）の範囲であるならば、視野角がα±ＦＯＶ＝±１４°の場合、最小屈折率はｎＭＩＮ＝１．８７７である。適切な光透過性基板は、例えばドイツ国ショット・ガラス社から購入したＳＦ６６型ガラスであり、その屈折率はｎＤ＝１．９２３である（ｎＤは、Ｄ波長または５８９．３ｎｍ時の該基板の屈折率である）。
【０１２２】
他方、単色緑光だけを使用するならば（λＧ＝５４０ｎｍ）（緑色）、α−ＦＯＶ＝−１５°およびα＋ＦＯＶ＝２０°の非対称な視野の場合、必要な格子ピッチはｄ＝４２９ｎｍであり、最小屈折率はｎＭＩＮ＝１．６２５である。適切な光透過性基板はプラスチック材、例えば日本国三井物産から購入したハイパーインデックス１．６７であり、その屈折率はｎＤ＝１．６７である。別の適切な光透過性基板は、ドイツ国ショット・ガラス社から購入したＳＦ２型ガラスであり、その屈折率はｎＤ＝１．６４８である。
【０１２３】
「少なくとも一回ホップする」実施形態
「少なくとも一回ホップする」実施形態では、αＤＭＡＸは、予め定められた距離ｘ内で少なくとも一回反射ができるように選択される。本実施例は、装置３０のような光学装置の典型値である、ｘ＝５５ｍｍの予め定められた距離および２ｍｍの光透過性基板の厚さに対応する。そのような幾何学的構成は、αＤＭＡＸ＝８５．８度に対応する。
【０１２４】
したがって、スペクトルが青色光（λＢ＝４８０ｎｍ）から赤色光（λＲ＝６２０ｎｍ）の範囲であるならば、視野角がα±ＦＯＶ＝±１２°の場合、格子ピッチはｄ＝３９７ｎｍであり、最小屈折率はｎＭＩＮ＝１．７７４である。適切な光透過性基板は、例えばドイツ国ショット・ガラス社から購入したＳＦ１１型ガラスであり、その屈折率はｎＤ＝１．７８５である。
【０１２５】
より小さいα±ＦＯＶ＝±８°の視野角で、同じスペクトル範囲の場合、格子ピッチはｄ＝４２１ｎｍであり、最小屈折率はｎＭＩＮ＝１．６１６でなければならない。適切な光透過性基板は、次のプラスチック材料、すなわち（ａ）日本国三井物産から購入した、屈折率が１．６７のハイパーインデックス１．６７、（ｂ）同じく日本国三井物産から購入した、屈折率が１．７４のハイパーインデックス１．７４、および（ｃ）日本国ＨＯＹＡ株式会社から購入した、屈折率が１．７１のテスラリッド１．７１である。代替的に、適切な光透過性基板はすでに上述したＳＦ２ガラスである。
【０１２６】
ずっと大きい視野角α±ＦＯＶ＝±２０°および単色赤色光（λＲ＝６３０ｎｍ）の場合、必要な格子ピッチはｄ＝４６９ｎｍであり、必要な最小屈折率はｎＭＩＮ＝１．６７であり、それは、少なくとも１．６７の屈折率を有する上述した材料のような、多くのプラスチックまたはガラス材によってサポートされる。
【０１２７】
わかりやすいように個別の態様として説明した本発明のいくつかの特徴を１つの態様に組み合わせて提供できることは理解されるだろう。逆に、簡潔に説明するために１つの態様として説明した本発明の様々な特徴を個別に提供するか、一部を適当に組み合わせて提供することもできる。
【０１２８】
以上、本発明をその特定態様に関して説明したが、多くの代替、変更および変形態様が当業者にとって明白であることは明らかである。したがって、特許請求の範囲の精神およびその広い範囲に包含されるそれらの代替、変更および変形態様は、全て本発明に包含されるものとする。本明細書で言及した刊行物、特許および特許出願は全て、具体的かつ個別的な表示の有無にかかわらず、参照により完全な形で本明細書に組み込まれるものとする。また、本願で行う参考文献の引用および記載は、当該参考文献を本発明に対する先行技術として利用できるとの自認ではないと解釈されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】図１ａは、本発明に係る光学素子の側面図であり、図１ｂは、本発明に係る光学素子の底面図である。
【図２】図２ａは、本発明に係る光学装置の側面図であり、図２ｂは、本発明に係る光学装置の等角図である。
【図３】図３は、本発明に係るコリメータおよび／または入力光源をさらに含む光学装置の側面図である。
【図４】図４は、本発明に係る光線の方向を変更するための少なくとも一つの光学素子をさらに含む光学装置の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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