(57)【要約】  光を透過する基板で、お互いに平行で端部を持つ少なくとも2つの主要面；ディスプレイ光源；内部反射で基板内部に入射する視野にある光波を結合させるための光学的方法、そして基板の主要面に平行でない少なくとも1つの部分的に反射面を有する光学装置であって、光源がある所与の視野にある光波を放出する；前記光波が平行にされている；光学装置に対して角度分解能が定義されている；前記平行にされた光波のうちの1つに位置する2つの異なる光線間の角度差は前記角度分解能よりも小さいことを特徴とする、光学装置が提供される。
2007505353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
お互いに平行な少なくとも2つの主要面と端部を有する光を透過する基板；
ディスプレイ光源；
内部反射によって視野内にある光波を前記基板内で結合させる光学的手段；及び
前記基板の前記主要面に平行ではない基板内にある少なくとも1つの部分反射面；
を有し、
前記光源はある所与の視野にある光波を放出し、
前記光波は平行に設けられ、
前記光学装置に対して角度分解能が定義され、
前記平行にされた光波のうちの1つに位置する2つの異なる光線間の角度差は前記角度分解能よりも小さく、
前記光学的手段は前記基板内にある平面波を反射し、前記主要面に対してある角度で配置されている面である、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記平面波を反射面の端部と前記基板の前記主要面のうちの1つとの間の境界線上の単一の点は2つの異なる位置から前記基板に入射する前記平行にされた光波のうちの1つからの2つの異なる光線によって照らされていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項３】
光線のうちの1つは前記境界線を直接照らし、第2の光線は前記境界線を照らす前に、最初に前記平面波を反射面によって反射され、続いて前記基板のその他の前記主要面によって反射されるために、前記平面波を反射面は前記主要面とある角度で配置されている、
ことを特徴とする請求項2に記載の光学装置。
【請求項４】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つは内部反射によって閉じ込められている前記平行にされた光波を前記基板外部で結合することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項５】
前記視野内にある平行にされた光波は観察者の目に到達することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項６】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つは不均一コーティングであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項７】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つの反射率は単調変化することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項８】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つの反射率は段階的に変化することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項９】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つの反射率は連続的に変化することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つの反射率は均一な明るさを有する視野を生成することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記部分反射面のうちの少なくとも1つの反射率は所定の明るさを有する視野を生成することを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記ディスプレイ光源は液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記ディスプレイ光源は有機発光ダイオードディスプレイであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記ディスプレイ光源は仮想網膜ディスプレイであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記ディスプレイ光源は液晶ディスプレイであって、所望の像のフーリエ変換は前記液晶ディスプレイ面上で形成されるように操作される液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１６】
シースルー操作を可能にするように前記基板は部分的に透明であることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
【請求項１７】
外部場面から前記基板内部に干渉する光の入射を遮断するため、前記基板上又は内部に不透明な面をさらに有する請求項1に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板導光の光学装置に関し、特に共通の光透過基板が有する複数の反射面を有する装置に関する。この装置は導光板としても知られている。
【０００２】
本発明はたとえば、フラットパネルインジケーター、小型イルミネーション及びスキャナのような多数の非画像化の応用のみならず、たとえば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD's)及びヘッドアップディスプレイ(HUD's)、携帯電話、小型ディスプレイ、3次元ディスプレイ、小型ビームエキスパンダーのような画像化の応用に役立つ実装が可能である。
【背景技術】
【０００３】
小型な光学素子における重要な応用の1つは光学モジュールがイメージングレンズ及びコンバイナ両方の役割を果たすようなHMDにおいてである。ここでは、2次元ディスプレイは無限遠で結像され、観察者の目に反射される。ディスプレイは、たとえばブラウン管(CRT)、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ダイオード
(OLED) アレイのような空間光変調器(SLM)又は、走査源及び同様の装置から直接的に取得可能であり、又は中継レンズ又は光ファイバの束を用いることによって間接的に取得可能である。ディスプレイはコリメートレンズによって無限遠で結像され、非シースルー応用のための反射面又はシースルー応用のため部分反射面の手段によって観察者の目に伝達される要素（画素）のアレイを有する。一般的には、従来の自由空間での光学変調がこれらの目的のためには使用されてきた。システムの視野(FOV)が増加するに従い、そのような従来の光学モジュールは大きく、重くそしてかさばるものになっている。よって、装置がまずまずの特性を示すにもかかわらず実用的でない。すべての種類のディスプレイが抱える主要な問題点だが、特にヘッドマウントディスプレイで重要になってくるのが、できる限り軽くかつ小型にしなくてはならないということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
小型化に取り組んだ結果、いくつかの光学的に困難を抱えた解決法にたどり着いた。1つは依然ほとんど場合における実用に耐えられるほど十分小型化されていないという問題、もう一方では、製造可能性の点での問題である。さらにこれらの設計の結果生じる光学的視野角のアイ・モーション・ボックス(EMB)は大抵の場合非常に狭く、一般的には8mm未満である。従って、光学システムの性能は観察者の目に対する光学システムのわずかな動きにさえ非常に敏感に影響する。そうすると、そのようなディスプレイから文字を読むために十分思うように瞳孔を動かすことも許されなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は他の応用のうち、ヘッドマウントディスプレイ用の非常に小型の導光用光学素子(LOE)の構造の作製及び製造を行う。本発明は比較的大きなEMB値とともに広いFOVを可能にする。その結果として光学システムは目の大きな動きを許容する大きくて高品質の画像を提供することになる。本発明で提供された光学システムが特に有効である理由は、最先端技術での実装よりも実質的により小型で、特化された配置を有する他のシステムにさえすぐに組み込むことが可能だからである。
【０００６】
本発明はまた、改良されたHUDの構築を可能にする。HUDは広範に普及していて、いまや多くの軍事用戦闘機のみならず民生用航空機において重要な役割を担っている。これらの航空機において、HUDシステムは視界の狭い着陸操作での重要な構成要素となっている。さらに、最近HUDシステムが運転手の運転及び操縦義務を支援できるような自動運転の応用での提案及び設計が数多くなされている。それにもかかわらず、最先端技術のHUDはいくつもの重大な難点に苦しんでいる。現在の設計でのHUDはすべてディスプレイ源を必要とし、そのディスプレイ源は、光源がコンバイナ表面全域を照らしているのかを確認するために、コンバイナからの大きな距離の補正をしなくてはならない。結果として、コンバイナ投影HUDシステムはどうしてもかさばった大きいものになる上に、設置するためにかなりの空間を必要とする。それゆえに設置するのに不便となり、場合によっては安全に使用できなくなる。従来のHUDの大きな口径はまた、光学的設計において重大な課題をつきつける。それは、妥協した性能でHUDでのレンダリングを行うか、何が何でも高い性能が求められる場合に高コストのHUDでのレンダリングをするかの選択である。高品質のホログラフィックHUDにおいて色分散は特に重要となる。
【０００７】
本発明の重要な応用は小型HUDでの実装に関する。これは前述の難点を緩和するものである。本発明でのHUDの設計では、コンバイナは小型ディスプレイ源で光り、そのディスプレイ源は基板に取り付けることが可能である。従って、全体としてシステムは非常に小型になり、広い応用範囲に応じて様々な配置での設置がすぐに可能となる。加えて、ディスプレイの色分散は無視でき、従来の白色光源を含む広いスペクトル源で操作可能である。さらに加えて、本発明はコンバイナの活性領域が実際に光源によって照らされている領域よりもさらに広くできるように像を拡張する。
【０００８】
本発明のさらなる応用は、たとえば携帯電話のようなモバイル、ハンドヘルドでの応用において、広いFOVでの小型ディスプレイを提供することである。今日のワイアレスインターネットアクセス市場ではフルビデオ送信には、十分なバンド幅が利用可能である。それを制限する因子はエンドユーザーの装置の範囲内でのディスプレイの画質である。移動可能性の要求はディスプレイの物理的サイズに制約を与え、結果として貧弱な画質で直接画面を表示することとなる。本発明は非常に大きな虚像で物理的に非常に小型のディスプレイを可能にする。これは移動体通信において重要な特徴であり、特にモバイルインターネットにおける実際の実装における主要な制限の1つを解決するものである。それにより、本発明はたとえば携帯電話のような小さいハンドヘルド装置でフルフォーマットインターネットページのデジタルコンテンツの閲覧を可能にする。
【０００９】
従って、本発明の大まかな目的は最先端技術での小型光学ディスプレイ装置の難点の緩和であり、特定の要求に従って改良された性能を有する他の光学構成部品及びシステムの提供である。
【００１０】
従って本発明は光学装置を提供する。この装置は：
お互い平行な少なくとも2つの主要な表面と端部を有する光を透過する基板；
ディスプレイ光源；
内部反射によって前記基板に入射した視野内にある光を結合させるための光学的手段；及び、
前記基板内にあって、基板の前記主要表面に平行ではない少なくとも1つの部分反射面を有し、
前記光源がある所与のFOVにある光波を放出し、
前記光波は平行に設けられており、
前記光学装置の角度分解能が定義されていて、前記平行にされた光波のうちの1つに位置する2つの異なる光線のなす角は前記角度分解能より小さい、
ことを特徴とする。
【実施例】
【００１１】
本発明をより十分に本発明を理解できるように以下の図を参照しながら、ある好ましい実施例と関連させて説明する。
【００１２】
詳細に図を参照するが、示された個々の事項は例示であり、本発明の好ましい実施例の議論を図に基づいて行うという目的のみであって、最も有用と考えられていることの提供及び、本発明の原理及び本発明の概念的特長を十分理解してもらうための説明のために提示されているものである。この点では、まだ本発明の構造的詳細については本発明の基本的理解のために必要なことよりも詳しくは示されていない。図と一緒になっている説明は、当業者に対して実際どのように本発明のいくつかの形式が実装可能であるかということへの指針を与えることになる。
【００１３】
図1は従来の折りたたみ光学配置を図示している。ここでは、基板2はディスプレイ源4によって照らされている。ディスプレイはコリメートレンズ6によって平行にされる。ディスプレイ源4から放出される光は基板2内部で第1の反射面8によって結合される。その方法は、主要な光線10が基板面10に平行になるようにである。第2の反射面12は基板外部の光を観察者の目14で結合する。この配置が小型であるにもかかわらず、この配置は重大な難点に苦しむ。それは、特に本当に限られたFOVしか得られないことである。図1に示した通り、基板内部での最大許容軸外し角は以下で与えられる。
【００１４】
【数１】
2007505353.tif 000003
ここで、Tは基板の厚さ；
deyeは望ましい射出瞳直径、そして、
lは反射面8と12との距離である。
【００１５】
αmaxよりも大きな角度では、光線は反射面12に到達する前に基板表面で反射される。従って、反射面12は望まない方向で照らされ、ゴーストが現れる。
【００１６】
従って、この配置での最大到達FOVは以下で与えられる。
【００１７】
【数２】
2007505353.tif 000004
ここで、νは基板の屈折率である。一般的に、屈折率の値は1.5-1.6の範囲内にある。
【００１８】
一般的に、射出瞳の直径は2-6mmである。ディスプレイの移動又は不整合を許容するため、広い射出瞳直径が必要となる。最小の望ましい値をおよそ8-10mmにとると、目の光軸と先端部の側との距離lは一般的には40-80mmである。その帰結として、8°の小さなFOVの場合でさえ、望ましい基板厚さは12mmのオーダーになるだろう。
【００１９】
上述の問題を克服するための方法は提案されている。これらには、基板内部での拡大望遠鏡の利用及び非平行な結合方向の利用も含まれる。しかしこれらの解決法でさえ、1つの反射面のみ考慮すると、システムの厚さは先ほど同様の値で制限されたままである。FOVは基板面上の反射面12の投影直径で制限される。数学的には、最大到達FOVは、この制限のため以下のように表される：
【００２０】
【数３】
2007505353.tif 000005
ここで、αsurは反射面と基板面の法線とのなす角で、
Reyeは観察者の目と基板との距離である（一般的には30-40mm）。
【００２１】
実際、tan(αsur)を1よりもずっと大きくすることはできない；従って、FOVが8°での先述した同じパラメータについては、ここで要求される厚さは7mmのオーダーである。この値は先の限界から改良されている。それでもなお、望ましいFOVが増加するにつれて、基板の厚さは急激に増加する。たとえば、所望のFOVが15°及び30°では、基板限界厚さはそれぞれ18mm又は25mmとなる。
【００２２】
上述の限界を緩和するため、本発明はLOE内部で作製された選択的反射面のアレイを利用する。図2は本発明に従ったLOEの側面図を示す。第1の反射面16は装置の後方に平行にされたあるディスプレイ光源（図示していない）から放射される入力平面波18で照らされている。ここで、平面波18はLOE内部で結合するために所与のFOV範囲内にある一連の光波のうちの1つである。反射面16は光源からの入射光を反射する。その際、光が内部で全反射することによって平面基板内部で閉じ込められる。基板面で数回反射された後、閉じ込められた光波は基板外の光23を観察者のEMB24で結合させる選択的反射面22のアレイに到達する。ゴーストを防ぐために、出力光波23は平面波でなくてはならない。さもなければ、ディスプレイ源での単一点を表すそれぞれ異なる光線が観察者のEMB24にそれぞれ異なる入射角で到達し、元の像を干渉するゴーストが観察者に現れるだろう。この現象を防ぐために、出力光波23及び、当然のことながら入力光波18は平面波でなくてはならない。つまり、同じ光波上に位置する2つの異なる光線の角度のずれはαres未満でなくてはならない。ここで、αresは光学装置の角度分解能である。大抵、ほとんどの視覚システムにおいて、αresは〜1-2ミリラジアンだが、それぞれの装置ではそれぞれ異なる角度分解能を得ることが可能である。
【００２３】
光源の中心波が基板20の外部で基板表面26の法線の方向に結合され、基板20内部での結合波の軸外し角をαinとすると、反射面と基板面とのなす角αsur2は以下のように表される。
αsur2= αin/2,  (4)
【００２４】
図2から分かるように、閉じ込められた光線は2つの異なる方向28,30から反射面に到達する。この特別な実施例において、閉じ込められた光線は基板表面26から偶数回の反射後に複数ある28の方向のうちの1つから反射面に到達する。ここで、閉じ込められた光線と反射面の法線とのなす入射角βrefは以下のように表される：
βref= αin-αsur2= αin/2,  (5)
【００２５】
閉じ込められた光線は基板表面26から奇数回の反射後に第2の方向30から反射面に到達する。ここで、軸外し角はα'in =180°- αinで、閉じ込められた光線と反射面の法線とのなす入射角βrefは以下のように表される。
β'ref=α'in-αsur2=180°-αin-αsur2=180°-3αin/2,  (6)
【００２６】
望ましくない反射及びゴーストを防ぐため、これら2つの方向のうち1つの反射率は無視できるものでなくてはならない。ある角度がもう1つの角度よりも顕著に小さい場合、2つの入射方向における所望の差異は達成可能である。大きな入射角で非常に小さな反射率を有し、小さな入射角で大きな反射率を有するコーティングを行うことは可能である。この特性は2つの方向のうち1つでの反射率を除去することで望ましくない反射及びゴーストを防ぐために有効に活用することができる。たとえば、βref〜25°に選んだ場合、方程式(5)及び(6)から以下のように計算される。
β'ref=105°; αin =50°; α'in=130°;αsur2=25°,  (7)
【００２７】
反射面がβ'refでは反射されず、βrefで反射されるように反射面を決定すれば、所望の条件は達成される。図3A及び3Bは選択的反射面の望ましい反射率の振る舞いを図示している。約25°の軸外し角βrefを有する光線32（図3A）は部分的に反射され、基板34の外部で結合される一方で、軸外し角β'refが約75°で反射面（β'ref〜105°と等価）に到達するような光線36（図3B）は問題になるような反射をほとんどせずに反射面34を透過する。
【００２８】
図4及び5は前述の反射率特性を達成するために設計された二色性コーティングの反射率曲線を4つの異なる入射角20°,25°,30°そして75°について図示しており、図4はP偏光そして図5はS偏光についてそれぞれ図示している。大きな角度での反射率が有意なスペクトルの全範囲にわたって無視できる一方で、20°,25°,30°の軸外し角での光線は同じスペクトルにわたって、ほぼ一定の反射率が得られている。P偏光については、26%,29%,32%で、S偏光については、32%,28%,25%である。明らかに、反射率は入射光線の傾きに対してP偏光で減少し、S偏光で増加していている。
【００２９】
図6は波長λ=550nmで同じ二色性コーティングの反射率曲線が入射角に対してどのように変化するのかを両方の偏光について図示している。このグラフには2つの重要な領域がある：反射率が非常に低い65°から80°そして、反射率が入射角の減少に対して単調変化する（P偏光では増加、S偏光では減少）15°から40°の領域である。従って、ある与えられたFOVにおいて、非常に低い反射率が望ましいβ'refの全角度スペクトルは第1の領域にあるだろうし、一方高い反射率が望ましいβrefの全角度スペクトルは第2の領域にあるだろうことを確認することが可能な限り、観察者の目には1種類の基板放射モードの反射のみで、ゴーストの発生しない像を確認することができる。
【００３０】
2つの偏光の振る舞いにはいくつかの違いがある。主要な違いは2つあり、1つは、反射率は非常に小さい大きな角度の領域がS偏光では非常に狭いことであり、もう1つは、全スペクトルバンド幅にわたり、ある角度で一定の反射率を達成するのはS偏光での方がP偏光でよりも非常に難しいということである。従って、LOEを設計するのはP偏光についてののみにするのが好ましい。たとえばLCD又は、他のシステムで、出力の明るさが重要ではなく、S偏光がフィルタ除去可能な偏光したディスプレイ源では、これでも満足の行くものになるだろう。しかし、たとえばCRT又はOLED又は他のシステムで、明るさが重要な偏光していないディスプレイ源では、S偏光が無視できないため、設計過程においてS偏光を考慮しなくてはならない。他の違いは、大きな反射が要求される角度スペクトルβrefでのS偏光の単調な振る舞いがP偏光の振る舞いと反対の傾向になる、つまり、S偏光の反射率が入射光線の傾きに対して増加するということである。βrefの角度スペクトルにおける2つの偏光の矛盾した振る舞いは、各々のシステムの特定の要求に従い、すべての光の所望の反射率を達成するため、システムの光学的設計において利用することが可能だろう。
【００３１】
第1の反射面16（図2）の反射率は、基板上のディスプレイ源からできる限り多くの光を結合させるためにできる限り高くなくてはならない。光源の中心波が基板に垂直入射（つまりα0=180°）すると仮定すると、第1の反射面と基板面とのなす角αsur1は、
αsur1= αin/2; α'sur1=α'in/2,  (8)
と表される。上述の例で、αsur1及びα'sur1はそれぞれ、25°及び65°となる。
【００３２】
図7は反射面16の側面図である。反射面16は基板20内部に埋め込まれ、ディスプレイ源（図示していない）からの光38を結合して、内部全反射で基板20内部に光を閉じ込める。ここでプロットしているように、基板面40上の反射面の投影S1は、
S1=T・tan(α),  (9)
で表される。ここで、Tは基板の厚さである。
【００３３】
上述の例における基板表面上の結合領域がこれまでの解決法での値の4.5倍より大きいので、αの解はα'sur1が好ましい。同様な改良比は他のシステムでも当てはまる。像のギャップ又は縞を防ぐために、閉じ込められた光はLOEの全領域を覆わなくてはならない。このことを確認するため、反射面16の端部と基板20の上側表面との間の境界線41上にある点は、単一光波を出力するために2つの異なる光線で照らされなくてはならない。2つ光線はそれぞれ異なる位置で基板に入射する：1つは直接的に境界線41を照らす光線38aで、もう1つは反射面16によって最初に反射され、境界線を照らす前に基板の下側表面によって反射される別な光線38bである。
【００３４】
結合された光波が面16で反射された後に反射面の全領域を照らしているとすれば、基板表面上の領域2S1=2T・tan(α)を照らしている。一方で、基板面上の反射面22の投影はS2=T・tan(αsur2)である。反射面間の重なり又は、ギャップを避けるため、各々の面の投影はその隣の面に隣り合う。従って、各々の結合した光線が1回のサイクル（つまり、基板の同じ面からの2つの反射の間）で通過する反射面22の数Nは、
【００３５】
【数４】
2007505353.tif 000006
で表される。
【００３６】
この例では、αsur2=25°でαsur1=25°で、解はN=2となる；つまり、各々の光線は1回のサイクルで2つの異なる面を通過する。
【００３７】
図8に関して上で説明した実施例は入力光波を基板内で結合させる方法の一例である。入力光波はしかし、折りたたみプリズム、光ファイバの束、回折格子及び他の解決法を含むがこれらに限定されるわけではない他の光学的方法でも結合可能であろう。
【００３８】
図2で示された例においては、入力光波及び像の光波は基板の同じ側にある。入力光波及び像の光波は基板の反対側にあるような他の配置もありうるだろう。また、応用の種類によっては、基板の球面側の1つを透過して基板内で入力光波を結合させることも可能だろう。
【００３９】
図8は選択的反射面のアレイの詳細な側面図である。選択的反射面は光を結合、基板内部に閉じ込めて、基板外部へ出力して観察者の目に進める。図から明らかなように、各サイクルでは、結合された光線は反射面43を角度'αin=130°で通過する。このとき、光線と反射面の法線とのなす角は〜75°である。これらの面からの反射は無視できる。加えて、αin=50°の各サイクルにおいて光線は反射面44で2回通過する。ここで入射角度は25°である。光線のエネルギーの一部は基板外部で結合される。2つの選択的反射面22の1つのアレイが観察者の目の方に向かって結合されるのに使用されると仮定すると、最大FOVは以下のように表される。
【００４０】
【数５】
2007505353.tif 000007
【００４１】
従って、上述の例と同じパラメータについて、FOVが8°のときの限界基板厚さは2.8mmのオーダーとなり；FOVが15°及び30°では、限界基板厚さはそれぞれ3.7mm及び5.6mmになる。これらの値は先述した最先端技術の解決法の限界厚さよりも好ましいものである。しかも、3つ以上の選択的反射面の使用が可能である。たとえば、3つの選択的反射面22について、FOVが15°及び30°での限界基板厚さはそれぞれおよそ2.4mm及び3.9mmとなる。同様に、付加的な反射面は他の利点に対して導入可能で、限界光学厚さをさらに小さくするだろう。
【００４２】
比較的小さなFOVが求められる配置では、単一の部分反射面で十分可能である。たとえば、Reye=25mm,αsur=72°及びT=5mmというようなパラメータを有するシステムでは、17°程度のそれほど大きくないFOVであれば単一の反射面22でさえ達成可能である。光線の一部は所望の方向において外部で結合される前に数回面22を交叉するだろう。BK7又は同様の材料での内部全反射条件を達成するための基板内部での最小伝播角度αin(min)=42°であることから、FOVの中心角の伝播方向αin(cen)=48°である。その結果として、投影された像は面に垂直ではなく、むしろ12°軸から傾いている。しかしそれでもなお、多くの応用については、この傾きは許容できる。
【００４３】
図9で図示されているように、各々の選択的反射面はそれぞれ異なる強度の光線によって照らされる。右側の面46が基板20の下側表面48から反射された後すぐに光線によって照らされるのに対して、左側の面50は部分反射面46をすでに通過した光線によって照らされるため、強度は小さくなる。一様な明るさを達成するため、像の部位間における強度の違いを補正する必要がある。実際に、異なるコーティング材料、ここでは反射面46の反射率は反射面50の反射率よりも小さい、で反射面をコーティングするのはむらのある明るさを補償する。
【００４４】
結果として生成された像における不均一性の別な可能性はそれぞれの光線におけるそれぞれ異なる反射経路によって生じることもありえる。それらの光線はそれぞれ別の選択的反射面に到達する：光線の中には選択的反射面から反射することなく直接的に到達する光線もあるし；1つ以上のそのような反射後に到達する光線もある。この効果は図8に図示されている。光線は点52で第1の選択的反射面22と交叉する。光線の入射角は25°で、光線のエネルギーの一部は基板の外部で結合される。光線は問題になるような反射をせずに入射角75°で点43において同じ選択的反射面と交叉し、入射角25°で点54において再度入射する。ここで光線のエネルギーの別な一部は基板の外部で結合する。対照的に、図10で図示された光線は同じ表面で1度しか反射をされない。多数の多重反射は小さな入射角で起こる。従って、そのような多重交叉から生じる不均一性を補償する方法は、図5で図示された入射角10°から40°までの範囲の反射率のように、入射角の減少とともに反射率が単調増加するようなコーティング材料を提供することである。多重交叉効果におけるそのような差異を十分に補償することは難しい。それにもかかわらず、実際、人間の目は有意な変化だが目立たないようなものを許容する。目が近いディスプレイでは、目は単一の視野角から放出されるすべての光を集め、網膜上の一点それを集光する。目の応答曲線は対数変化するので、ディスプレイの明るさにおける小さな違いはたいした問題ではない。従って、ディスプレイ内の発光均一性のレベルが中程度のものであっても、人の目には高画質の像に写る。要求される中程度の均一性はすでにLOEで達成可能である。
【００４５】
HUDのような目からある程度の距離があるディスプレイについては、しかし、多重交叉効果による不均一性は許容できない。このような場合では、より系統的な方法で不均一性の問題を克服することが要求される。不均一性が生じうるという問題はLOEの活性領域が比較的広く、部分反射される面が小さい場合に特に重要となる。たとえば図10で図示されているように、2つの反射面を有するLOEは大きな領域を有するシステムであっても設計可能である。そのような場合、それぞれ異なるコーティング材料で反射面をコーティングすることは一様ではない発光を十分には補償しない。ここで面46の反射率は面50の反射率よりも小さい（図9参照）。考えられる解決法は部分反射面の各々に不均一な反射コーティング材料の使用、不均一性の補償及び、全FOVにわたる均一な明るさの達成である。最も単純な補正の方法は各々の反射面について閉じ込められた光線の伝播方向に沿って反射率が単調増加するようにすることである。この増加は連続的でも段階的でもよい。たとえば図8で図示されているように、点54での反射率は点52での反射率よりも大きい。しかし、より正確な構築方法が適用可能である。視野角を考慮するとき、結果として生成された像のそれぞれ異なる部分は部分反射される面のそれぞれ異なる部分から出現することに注意する。この効果は図10の提案された実施例に基づいた小型LOEディスプレイシステムの側面図で図示されている。ここで、特定の視野角58を表す単一平面波56は部分反射面22のアレイ全面の一部しか明るくしない。よって、部分反射面上の各点について、法線視野角が定義され、この角度に従って反射率が設計される。
【００４６】
LOEの様々な部分反射面のコーティング材料の設計は以下のようにして実行される：各特定の角度について、指定された瞳孔60の中心部から特定の反射面に向かって光線を描く。その際、スネルの法則による屈折を考慮する。計算された方向を法線入射方向に設定し、特定のコーティング材料はその方向に従って設計される。その際、この特定の視野角に関する重要な反射を考慮する。加えて、反射面の各領域におけるコーティング材料はこの領域が光線に与える影響を最小限にするように設定される。つまり、その光線はこの特定領域から外へ向かって反射されてはいけない。従って、各視野角で、有意な面からの平均反射率は所望の反射率に非常に近い値となる。
【００４７】
図11は第1の反射面46（図9）が有する2つの異なる反射率曲線を図示している。点52及び54（図8）での指定された反射角がそれぞれ35°及び25°であるとし、両方の角度において求められる反射率が30%であるとすると、25°の入射角の光線の第1の部位での反射率はできるだけ小さくされるのが望ましい。従って、図11で図示されているように、点52での反射率は入射角35°及び25°において、それぞれ30%及び〜0%である。一方、点54での反射率は入射角25°及び15°において、それぞれ30%及び〜0%である。当然、この場合についても、コーティング材料の反射率曲線は段階的又は連続的に横軸の関数として変化しうる。
【００４８】
今までは、ξ軸に沿ったFOVのみ議論してきた。直交するη軸についても考慮されるべきである。η軸に沿ったFOVは選択的反射面のサイズ又は数に依存しないが、基板内部で結合される入力波のη軸に沿った横の寸法に依存する。η軸に沿った最大到達FOVは、
【００４９】
【数６】
2007505353.tif 000008
で表される。ここで、Dηは基板内部で結合される入力波のη軸に沿った横の寸法である。
【００５０】
つまり、望ましいFOVが30°の場合、上述と同じパラメータを用いると、限界横寸法は42mmである。基板内部で結合される入力波のξ軸に沿った縦の寸法がS1=T
tan(αin)で与えられることを過去に示した。基板の厚さTが4mmの場合S1=8.6mmとなる。一見するとLOEの横の寸法は縦よりも5倍大きい。アスペクト比4:3（標準的なビデオディスプレイ）の像で、η軸のFOVが22°の場合であっても、求められる横の寸法はおよそ34mmであり、依然として縦よりも4倍大きい。この非対称性は問題である：-高開口数のコリメートレンズ又は非常に大きなディスプレイ源が必要になるからである。如何なる場合でも、そのような大きな値では、所望の小型システム達成は不可能である。
【００５１】
図12は2つのLOE配置を利用して両方の軸に沿ってビームを伸張する別な方法を図示している。入力波は第1の反射面16aによって第1のLOE20a内部で結合され、ξ軸に沿って伝播する。部分反射面22aは第2の反射面16bによってLOE20a外部の光を第2のLOE20b内部で結合する。光はη軸に沿って伝播し、選択的反射面22bによって外部で結合される。図示しているように、本来のビームは両方の軸に沿って伸張されており、全伸張は素子16aと22bとの間の比で決定される。図12で図示された実施例は2つのLOEセットアップの単なる一例である。複雑な光学システムを形成するために2つ以上のLOEを組み合わせるような他の配置もまた可能である。たとえば、各コーティングが3原色の1つのために設計される3つの異なる基板を組み合わせて3色表示系を実現することは可能である。この場合、各基板は他の2色に対しては透明である。そのようなシステムは、最終的な像を生成するのに3つの異なる単色ディスプレイ源を組み合わせる必要があるような応用で有用となるだろう。より複雑なシステムを形成するためにいくつかの基板を組み合わせるような他の例も多数ある。
【００５２】
一般に、LOEはディスプレイ応用のための代替小型光学装置全般にいくつかの重要な利点を与える。それらは以下のようなものである：
1)入力ディスプレイ源を基板に非常に近く位置づけることができる。そのため、光学システム全体は非常に小型かつ軽量となり、他に類を見ないフォームファクタを与える。
2)他の小型ディスプレイ配置とは対照的に、本発明は接眼レンズに対する入力ディスプレイ源の位置の自在性を与える。拡張基板の近くにディスプレイ源を位置づける能力と組み合わせ、この自在性は、他のディスプレイシステムでは一般的である軸外し配置を使用する必要性を緩和する。加えて、LOEの入力開口は出力開口よりもより小さいので、コリメートレンズの開口数は従来の画像化システム程度で要求される値よりもより小さい。その結果として、従来よりも顕著なまでに便利な光学システムの実装が可能となり、たとえば視野及び色収差のような軸外し光学及び高開口数レンズにかかわる多くの難点は比較的容易かつ効率的に補償できる。
3)本発明における選択的反射面の反射係数は本質的に有意なスペクトルの全領域において同じ値である。従って、単色及び多色の光源がディスプレイ源として使用可能である。LOEは波長依存を無視することができ、その結果、高解像度で高画質カラーディスプレイを保証する。
4)入力ディスプレイからの各点が反射アレイの大部分から観察者の目に反射される平面波に変換されるので、目の厳密な位置での許容範囲は大きく緩和できる。従って、観察者は全FOVを見ることができるし、EMBは他の小型ディスプレイ配置よりも非常に大きくすることができる。
5)ディスプレイ源からの強度の大部分が基板内部で結合すること及び、この結合したエネルギーが”リサイクル”されて、観察者の目に向かって基板外部で結合されるので、比較的高い明るさを有するディスプレイが低消費電力のディスプレイ源でも達成できる。
【００５３】
図13は本発明の実施例を図示する。ここでLOE20は眼鏡フレーム58に埋め込まれている。ディスプレイ源4、コリメートレンズ6及び折りたたみレンズ60は眼鏡フレームの腕部62内部に集められていて、LOE20の端部の隣にある。ディスプレイ源が小さなCRT、LCD又はOLEDのような電子素子の場合、ディスプレイ源の駆動電子機器74は腕部72の後部内側に集めることが可能である。電力供給及びデータインターフェース76は導線78又は、ラジオ又は光伝送を含む他の通信手段によって腕部72に接続可能である。その代わりとして、バッテリー及び小型のデータリンク電子機器を眼鏡フレーム内に集積することが可能である。
【００５４】
上記の実施例はシースルー及び非シースルーの両方でその役割を果たすことができる。後者の場合、不透明層はLOEの前に位置することになる。全LOEを塞ぐ必要はなく、一般的にはディスプレイが見える活性領域のみ阻止すればよい。従って、装置はユーザーの周辺の視界が保持され、すでに見たコンピュータ又はテレビの画面を複製することを確認できる。ここで、そのような周辺の視界は重要な認識的機能を与える。その代わりに、可変フィルタをシステムの前部に設置することができる。そうすることで、観察者が外部の場面から出現する光の明るさのレベルを制御できる。この可変フィルタは折りたたみフィルタ又は、2つの回転偏光子のような機械的に制御するような装置、電子的に制御される装置又は、自動制御された装置でもよい。ここで、フィルタの透過率は外部バックグラウンドの明るさで決まる。要求される可変透過フィルタを達成する方法の1つは、光学的透過率を電気的に制御するためにエレクトロクロミック材料を使用することである。ここで、電気的に制御可能な光学的特性を有する材料は積層構造に組み込まれる。
【００５５】
この実施例でLOEが利用可能となる厳密な方法は他にもある。最も単純なオプションは1つの目に単一の素子を使用することである。他のオプションは同一の像でありながら、各々の目に素子及びディスプレイ源をそれぞれ使用することである。その代わりとして、両方の目の間で多少重なりは生じるが、同一の像を2つの異なる場所に投影することで、FOVを広げることは可能である。さらに別な可能性としては、ステレオ像を作成するために、各々の目の片方に2つの異なる場面を投影することである。この代替的方法で、魅力的な実装が可能となる。これには、3次元動画、進化したバーチャルリアリティ、訓練システム及びその他が含まれる。
【００５６】
図13の実施例は本発明の単純な実装を例として図示したに過ぎない。システムの核となる基板導光の光学素子は非常に小型でかつ軽量であるため、非常に広い配置における設置が可能であろう。従って、まびさし、折りたたみディスプレイ、方眼鏡及び他多数の実装もまた可能である。この実施例は、たとえばヘッドマウント、頭部装着、ヘッドキャリーのようなディスプレイを目の近くにしなくてはならないような応用に指名される。
【００５７】
前述の実施例は単一の接眼レンズ光学システム、つまり像は単一の目の上で投影される。しかし、ヘッドアップディスプレイ(HUD)のような両方の目に像を投影することが望ましい応用も存在する。最近まで、HUDシステムは主として高度な戦闘機及び航空機で使用されてきた。視野の狭い条件下にいるときに運転の操縦の支援又は、温度像を運転手の目に投影するために自動車の運転手の前にHUDを設置する提案及び設計が最近になっていくつもでてきた。現在の宇宙用HUDシステムは非常に高価で、単一ユニットの価格が10万米ドルのオーダーである。加えて、現存システムは非常に大きく、重くかつかさばり、車はもちろんのこと小型飛行機への設置も非常に面倒である。LOEに基づくHUDは非常に小型で、閉じ込められた空間内でもすぐに設置可能な自己完結的HUDを提供できる可能性があるだろう。それはまた、HUDに関する光学システムの構築及び製造を単純化し、それゆえに自動車産業において小型、高価でない民生版を紹介するだけではなく、宇宙用HUDの改良にも潜在的に適している。
【００５８】
図14は本発明に基づくHUDシステムの実現方法を図示している。ディスプレイ源4からの光はレンズ6によって無限遠で平行にされ、第1の反射面16によって基板20内部で結合される。第2の反射アレイ（図示していない）での反射後に、光波は第3の反射面22に衝突する。この反射面は光を基板外部の観察者の目24上で結合させる。システム全体は非常に小型かつ軽量にすることが可能になる。それは数ミリの厚さで大きなポストカード程度のサイズである。数センチ立方のディスプレイ源は基板の側の1つに取り付け可能である。ここで、電気の導線はシステムに電力とデータを伝送することができる。提示されたHUDシステムの設置は単純な商用オーディオシステムの設置ほど複雑ではないだろう。しかも、像投影のために外部のディスプレイ源を必要としないため、安全でない場所で部品を設置する必要がなくなる。
【００５９】
一般的なHUDシステムの射出瞳はヘッドマウントシステムでの射出瞳よりもはるかに大きいので、図12を参照しながら説明された2つのLOE配置が所望のFOVを達成するには必要となることが予想される。しかし、小さな垂直FOVを有するシステム又は、ディスプレイ源としての垂直LEDアレイを有するシステムを含む特別な場合であっても、単一LOE配置で十分その役割を果たすだろう。
【００６０】
図14で図示される実施例は自動車でのHUDシステムに加え、他の応用でも実装可能である。これらの実施例の1つの可能な利用はコンピュータまたはテレビでのフラットディスプレイとしての利用ある。そのようなディスプレイの主な特徴は像がスクリーン面上になく、無限遠又は、同様の便利な距離に焦点があることである。現存のコンピュータディスプレイの主要な難点な点は、健康な目の自然な焦点は無限遠にあるにもかかわらず、ユーザーが40から60cmという非常に近い距離で自分の目に焦点を合わせなくてはならないことである。多くの人たちが長い時間コンピュータの前で働いた後に頭痛で苦しんでいる。頻繁にコンピュータを使って仕事をする他の人たちには近視が進行する傾向にある。加えて、近視と遠視の両方に苦しんでいる人の中にはコンピュータで仕事をするための特殊な眼鏡を必要とする人がいる。本発明に基づくフラットディスプレイは前述の問題で苦しんでいる人やヘッドマウントディスプレイで仕事をしたくない人たちへの適切な解決策となりうる。さらに本発明はスクリーンの物理的サイズを顕著に縮小することを可能にする。LOEによって生成される像が装置よりも大きくても、小さいフレーム上で大きなスクリーンを実装することが可能だろう。このことは、ラップトップ及びパームトップのコンピュータのようなモバイルアプリケーションにおいて特に重要となる。
【００６１】
この実施例のさらなる他の可能な実装は個人情報端末(PDA)の画面である。現在使われている現存の画面サイズは10cm未満である。これらのディスプレイを見るときの最小距離は40cmのオーダーだから、取得可能FOVは15°となる；従って、ディスプレイ上の情報の内容は、特に文章に関して、制限される。図10で図示された実施例によって、投影されたFOVは目覚しく改良される。像の焦点は無限遠となり、スクリーンは観察者の目により近くすることが可能となる。加えて、各々の目は全視野(TFOV)のそれぞれ異なった部分を中心の重なったところで見ているので、TFOVのさらなる増加が達成されるだろう。従って、FOVが40°以上でのディスプレイが可能となる。
【００６２】
上述の本発明の実施例の全てにおいて、LOEから伝送された像は無限遠で結像される。しかし、伝送された像の焦点をより近くにしなくてはならない、たとえば近視で苦しんでいる人で長距離の像を的確に見ることのできない人、ところの応用又はユーザーは存在する。図15は本発明に基づいたレンズの実装方法を図示している。無限遠からの像80は反射面16によって基板20内部で結合され、部分反射面22のアレイによって、観察者の目24に向かって反射される。眼鏡レンズ82は像の焦点を都合のよい距離で合わせ、非点収差を含む観察者の目の狂いを任意に補正する。平凹レンズ82は基板表面の平坦な位置に取り付け可能である。しかし、全内部反射によって基板内部に像の光線が閉じ込められることを保証するため、薄い空気ギャップ84はレンズと基板との間に保持されていなくてはならない。
【００６３】
加えて、上述した本発明の実施例すべてにおいて、外部場面が無限遠に位置すると仮定する。しかし、外部の場面を近い距離にする専門家又は医療者のための応用は存在する。図16は本発明に基づいた2つのレンズ配置の実装方法を図示している。無限遠からの像80は基板20内部で反射面22によって結合され、部分反射面22のアレイによって観察者の目24に向かって反射される。より近距離からの別な場面の像86はレンズ88によって無限遠で平行になり、基板20を通過して目に入る。レンズ82は像80及び86の焦点を都合の良い距離、大抵は外部場面86の元の距離、に合わせ、必要に応じて観察者の目の狂いを補正する。
【００６４】
図15及び16で描かれているレンズ82及び88はそれぞれ単純な平凹及び平凸レンズである。しかし、LOEの平面形状を保持するため、代わりにわずかな段差を有する型成型された薄いプラスチックの板で作製可能なフレネルレンズを利用することも可能である。
しかも、前述の固定レンズの代わりにレンズ82又は88を実現する別な方法は、電子制御の動的レンズの利用である。ユーザーがコリメートされていない像を見ることのみならず像の焦点を動的に制御することが可能になることを求められるような応用は存在する。最近、高分解能の空間的光変調器(SLM)がホログラフィック素子の形成に使用可能となっている。現在では、その目的で最も普及している光源はLCD装置だが、他の動的SLM装置も同様に使用可能である。1mm辺り数百の線を有する高分解能動的レンズが知られている。この種類の電気光学的制御のレンズは図15及び16で説明したような固定レンズに代わる本発明における所望の動的素子として使用可能である。従って、操作する人はリアルタイムでLOEによって投影された虚像及び外部描画の実像の両方の正確な焦点面を決定及び設定できる。
【００６５】
本発明が先に図示した実施例の詳細に限定されないこと及び、本発明の技術的思想又は特性から離れることなく他の特定の形式にて本発明が実施可能であることは当業者には明白であろう。従って、本実施例は、図示されたすべての観点、前記の説明よりむしろ添付の請求項によって示唆された本発明の範囲及び本発明の目的の範囲内でかつ、請求項の等価な範囲がそれゆえにそこに含まれるような全ての変更について考慮されるべきである。  
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来技術による折りたたみ光学素子の側面図。
【図２】本発明に従ったLOEにおける実施例の側面図。
【図３】A及びBは本発明で使用されている選択的反射面の2つの入射角範囲における反射及び透過特性の概念図。
【図４】典型的な二色性コーティングにおけるP偏光の波長に対する反射率曲線の変化図。
【図５】典型的な二色性コーティングにおけるS偏光の波長に対する反射率曲線の変化図。
【図６】典型的な二色性コーティングにおける入射角に対する反射率曲線の変化図。
【図７】本発明に従った反射面の概念的な側面図。
【図８】選択的反射面の典型的なアレイの詳細側面図。
【図９】選択的反射面の別なアレイの詳細側面図。
【図１０】3つの視野角における選択的反射面の典型的なアレイからの反射の詳細側面図。
【図１１】他2つの二色性コーティングにおける入射角に対する反射率曲線の変化図。
【図１２】2つのLOE配置を利用して2つの軸に沿ってビームを拡張する方法の図。
【図１３】標準的な眼鏡フレームに組み込まれた本発明の典型的な実施例の図。
【図１４】本発明に従った典型的なHUDシステム図。
【図１５】本発明に従った典型的な実施例で、ここでLOEの表面に負レンズ（凹レンズ）が取り付けられている。
【図１６】本発明に従った典型的な実施例で、ここでLOEの表面に負レンズ（凹レンズ）と正レンズ（凸レンズ）が取り付けられている。
【図１】
2007505353.tif 000009
【図２】
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【図３Ａ】
2007505353.tif 000011
【図３Ｂ】
2007505353.tif 000012
【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】
2007505353.tif 000021
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2007505353.tif 000026
2007505353.tif 000027
2007505353.tif 000028
2007505353.tif 000029
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