(57)【要約】  複数のスペクトルを有する光を透過させるための光学装置が開示される。前記装置は、光の各部分が異なる光学器具内を透過されるようにそれぞれがスペクトルの異なるサブスペクトルに対応する複数の部分に光を回折することによって光を分解するように設計されかつ構築された複数の光学器具を含む。【選択図】  図３ａ
2008535032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
色彩光源によって生成された光を透過させるための光学装置であって、前記光は複数の波長のスペクトルを有し、前記装置は複数の光学器具を含み、前記光学器具は、前記光を前記スペクトルの異なるサブスペクトルにそれぞれ対応する複数の部分へと分解し、前記複数の部分の各部分が異なる光学器具内で効率的に透過されるように設計されかつ構築される、光学装置。
【請求項２】
各光学器具は、異なる平面と係合する平面状光学器具である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各光学器具は、少なくとも一つの入力光学素子を有するように形成された光透過性基材を含み、前記少なくとも一つの入力光学素子は、前記光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の中へ回折させ、内部全反射を介して前記光透過性基材内での前記光の伝搬を可能にさせるように設計されかつ構築される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
異なる光透過性基材の入力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
予め定められた視野を特徴とし、前記複数の光学器具の各光学器具も前記予め定められた視野を特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光透過性基材は少なくとも一つの出力光学素子を有するようにさらに形成され、前記少なくとも一つの出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
異なる光透過性基材の出力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ユーザに色彩画像を提供するためのシステムであって、前記画像が複数の波長のスペクトルを有する光によって構成され、前記システムが：
複数の光学器具を含む光学装置であって、前記光学器具は、前記スペクトルの異なるサブスペクトルに対応する光の異なる部分が異なる光学器具内を効率的に伝搬し、前記光学装置から出射してユーザの少なくとも第一の目に入るような態様で、光を分解しかつ再構成するように設計されかつ構築される光学装置；および
前記光学装置に画像を提供するための色彩画像生成装置
を含む、システム。
【請求項９】
各光学器具は、異なる平面と係合する平面状光学器具である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
各光学器具は、少なくとも一つの入力光学素子および少なくとも一つの出力光学素子を有するように形成された光透過性基材を含み、前記少なくとも一つの入力光学素子は、前記光のそれぞれの部分を、前記少なくとも一つの入力光学素子によって回折させ、内部全反射を介して前記光透過性基材内に伝搬させ、そして前記少なくとも一つの出力光学素子によって前記光透過性基材の外へ回折させるように設計されかつ構築される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
異なる光透過性基材の入力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
異なる光透過性基材の出力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
予め定められた視野を特徴とし、前記複数の光学器具の各光学器具も前記予め定められた視野を特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の光学器具は第一光学器具および第二光学器具を含む、請求項３または１０に記載の装置またはシステム。
【請求項１６】
前記複数の光学器具は第一光学器具、第二光学器具および第三光学器具を含む、請求項３または１０に記載の装置またはシステム。
【請求項１７】
複数の波長のスペクトルを有する光を透過させる方法であって、前記光を前記スペクトルの異なるサブスペクトルにそれぞれ対応する複数の部分へと分解し、そして前記光の各部分を異なる光学器具内で透過させることを含む、方法。
【請求項１８】
前記分解することは、前記光の各部分を実質的に排他的な態様で回折することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
各光学器具は、少なくとも一つの入力光学素子を有するように形成された光透過性基材を含み、前記少なくとも一つの入力光学素子は、前記光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の中へ回折させ、内部全反射を介して前記光透過性基材内での前記それぞれの部分の伝搬を可能にする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の部分を再構成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記再構成することは、前記光の各部分をそれぞれの光透過性基体の外へ回折することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
各光透過性基材は少なくとも一つの出力光学素子を有するようにさらに形成され、前記少なくとも一つの出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折し、そして光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記サブスペクトルは第一サブスペクトルおよび第二サブスペクトルを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記サブスペクトルは第一サブスペクトル、第二サブスペクトルおよび第三サブスペクトルを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記分解すること、透過させることおよび再構成することは、前記光を特徴付ける視野が維持されるような態様で行われる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記最小の回折は１０％未満の回折効率によって特徴付けられる、請求項６、１２、または２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２７】
各光学器具の前記少なくとも一つの入力光学素子および前記少なくとも一つの出力光学素子の各々は、光線が前記少なくとも一つの入力光学素子によって前記光学器具の中へ回折され、そして角度維持的態様で前記少なくとも一つの出力光学素子によって前記光学器具の外へ回折されるように設計されかつ構築される、請求項６、１２、または２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２８】
各光学器具の各出力光学素子は、それによって回折される光の予め定められた部分の輝度不均一性を減少させるように設計されかつ構築される、請求項６、１２、または２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２９】
前記出力光学素子は複数の区分を含み、前記複数の区分の各区分は異なる回折効率によって特徴付けられる、請求項２８に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３０】
前記複数の区分の前記回折効率は調和級数を形成する、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３１】
前記区分の数は、前記出力光学素子に沿って伝搬する間のそれぞれのサブスペクトルの光線の反射の特徴的な数に等しい、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３２】
前記少なくとも一つの出力光学素子は第一出力光学素子および第二出力光学素子を含む、請求項６、１２、または２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３３】
前記少なくとも一つの入力光学素子、前記第一出力光学素子および前記第二出力光学素子は、前記光のそれぞれの部分の各光線が前記光学器具内で二つに分岐し、二つの実質的に平行な光線の形で前記光透過性基材を出射するように設計されかつ構築される、請求項３２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３４】
前記少なくとも一つの入力光学素子の各々は独立した線形回折格子である、請求項３、１０、または１７に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３５】
前記少なくとも一つの出力光学素子の各々は独立した線形回折格子である、請求項６、１０，または２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に同一周期を有する、請求項３５に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に平行である、請求項３５に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３８】
前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、１に等しいかまたは１より大きい、請求項３５に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３９】
前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、前記光透過性基材の屈折率より小さい、請求項３５に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４０】
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３または１０に記載の装置またはシステム。
【請求項４１】
前記コリメータは収束レンズを含む、請求項４０に記載の装置またはシステム。
【請求項４２】
前記コリメータは回折光学素子を含む、請求項４０に記載の装置またはシステム。
【請求項４３】
前記内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材に垂直な方向に対し約８０度に等しい、請求項３、１０、または１９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４４】
前記内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材中の予め定められた距離にわたって少なくとも１回の反射が可能となるように選択される、請求項３、１０、または１９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４５】
前記予め定められた距離は約２５ｍｍ〜約８０ｍｍである、請求項４４に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４６】
前記光透過性基材の厚さは約０．５ｍｍ〜約５ｍｍである、請求項３、１０、または１９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４７】
前記光透過性基材の厚さは、前記スペクトルの最短波長の１０倍より大きい、請求項３、１０、または１９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４８】
前記光透過性基材はガラスおよび透明ポリマーから成る群から選択される、請求項３、１０、または１９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４９】
前記水平視野は少なくとも１６度である、請求項５、１４、または２５に記載の、装置、システム、または方法。
【請求項５０】
前記水平視野は少なくとも２０度である、請求項５、１４、または２５に記載の、装置、システム、または方法。
【請求項５１】
前記水平視野は少なくとも２４度である、請求項５、１４、または２５に記載の、装置、システム、または方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学の分野に関し、特に、色彩光を二つ以上のサブスペクトルへと分解することによって前記光を透過させ、それによって前記光の透過効率を改良するための方法、装置およびシステムに関する。
【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視面に投影または表示されて（観察者が矯正眼鏡を必要としない程度まで）人間の裸眼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）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、またはスクリーン投影ディスプレイが挙げられる。実像は通常少なくとも約２５ｃｍの距離から観察されることができ、この距離は人間の目が対象の上への合焦を行なうことができる最小距離である。遠視でない限り、人間は、それより近い距離で鮮明な像を見ることができない。
【０００５】
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素子を制御する。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。一方、アクティブマトリックスパネルは、高い消光比（暗い画素と明るい画素の間の差）および大きな数のグレーレベルを一般的に提供し、それにより高い品質のディスプレイを提供する。
【０００６】
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射し、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。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、ミニチュア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、虚像は観視面に投影されない像又は観視面から放射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、該レンズとその焦平面との間にまたはその焦平面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放射されまたは反射した光線は、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。レンズの焦平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。ミニチュアディスプレイパネルとレンズを含む虚像ディスプレイシステムは、２５ｃｍよりもずっと小さい距離から、小さいサイズだが高容量のディスプレイを見ることができる。かかるディスプレイシステムは、ずっと大きい距離から見た高容量で大きいサイズの実像ディスプレイシステムと同等の観視能力を提供することができる。
【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、画像の視準光の波面を伝達すると共に、航空機のウィンドスクリーンを通して入ってくる光線を通過させ、パイロットが見ることを可能にするように構成された、回折プレーナ光学系ヘッドアップディスプレイを記載しており、その内容を参照によって本書に援用する。光波面は、第１回折素子を介して航空機のコックピット内に配置された長尺光学素子に入射し、回折されて光学素子内で内部全反射し、かつ視準性を維持しながら第２回折素子によって光学素子からパイロットの目の方向に回折される。しかし、Ｕｐａｔｎｉｅｋｓは、ディスプレイがいかにして広視野を伝達し、あるいは広域の波長に対処する（カラー画像を提供するために）ことができるかを教示していない。特に、Ｕｐａｔｎｉｅｋｓは、厚い容積のホログラムの使用を教示し、これらはそれらの高い回折効率にもかかわらず狭い角度および色応答を有することが知られている。
【００１２】
Ｆｒｉｅｓｅｍらの米国特許第５９６６２２３号および第５６８２２５５号は、Ｕｐａｔｎｉｅｋｓのものと同様のホログラフ光学装置を記載しているが、第１回折光学素子がさらに、ディスプレイ源の各データ点によって放出される波を視準する視準素子としても働き、視野全体の視野収差を補正するという追加的な態様を持ち、その内容を参照によって本書に援用する。記載された視野は±６゜であり、６３２．８ｎｍの中心波長λｃを中心にΔλｃ±２ｎｍの波長シフトに対する低い色感受性についても記載されている。しかし、Ｆｒｉｅｓｅｍらの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、±２ｎｍのスペクトル範囲における低い色感度は、±２０ｎｍまたは±７０ｎｍでは受け入れられない感度になる。
【００１３】
Ｎｉｖらの米国特許第６７５７１０５号は、多色スペクトルのために視野を最適化するための回折光学素子を提供しており、その内容を参照によって本書に援用する。光学素子は、光透過性基材およびその中に形成された線形格子を含む。Ｎｉｖらは、予め定められたスペクトルを有し、かつ予め定められた視野が内部全反射を介して光透過性基材内を伝搬することを特徴とする光ビームをトラップするために、線形格子のピッチおよび光透過性基材の屈折率をいかに選択するかを教示している。Ｎｉｖらはまた、光一般および特に画像をユーザの目内に透過させるために上述の回折光学素子を組み込んだ光学装置をも開示している。
【００１４】
Ｎｉｖらの米国特許出願第１０／８９６８６５号および第１１／０１７９２０号は、光が回折素子を通して光透過性基材中に回折し、基材内で二つの方向に伝搬する双眼装置を開示する。次に光は左回折素子および右回折素子を通して基材からユーザの目内に回折する。この装置は、像のいくつかの部分に基づいて完全な像を推論するために人間の視覚系の周知の生理学的作用機構を利用する。左右の回折素子は、ユーザの各目に異なる非対称視野を提供するが、ユーザは、二つの非対称的な視野より広い双眼の対称視野を知覚する。
【００１５】
光の回折および透過効率が光の波長（色）に依存することは周知である。従来技術の虚像装置は、特定の色に対して最大の回折および透過効率を有するように設計されているが、他の色の低い回折および透過効率を妥協している。したがって、かかる装置で生じる像は、不均一な色輝度による低い品質を欠点として持つ。
【００１６】
したがって、上記限界を持たない、光を透過するための装置、システム、および方法の必要性が広く認識されており、それらを持つことは非常に有利であろう。
【発明の開示】
【００１７】
本発明の一つの側面によれば、色彩光源によって生成された光を透過させるための光学装置であって、前記光は複数の波長のスペクトルを有し、前記装置は複数の光学器具を含み、前記光学器具は、前記光を前記スペクトルの異なるサブスペクトルにそれぞれ対応する複数の部分へと分解し、前記複数の部分の各部分が異なる光学器具内で効率的に透過されるように設計されかつ構築されることを特徴とする光学装置が提供される。
【００１８】
以下に記述される本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によれば、各光学器具は、少なくとも一つの入力光学素子を有するように形成された光透過性基材を含み、前記少なくとも一つの入力光学素子は、前記光のそれぞれの部分を光透過性基材の中へ回折させ、内部全反射を介して光透過性基材内での前記光の伝搬を可能にさせるように設計されかつ構築される。
【００１９】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、異なる光透過性基材の入力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する。
【００２０】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、各光学器具は、装置の全水平視野に等しい同じ水平視野によって特徴付けられる。
【００２１】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光透過性基材は少なくとも一つの出力光学素子を有するようにさらに形成される。前記出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される。
【００２２】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、異なる光透過性基材の出力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する。
【００２３】
本発明の別の側面によれば、ユーザに画像を提供するためのシステムであって、前記画像が複数の波長のスペクトルを有する光によって構成され、前記システムが光学装置および前記光学装置に画像を提供するための画像生成装置を含み、前記光学装置は複数の光学器具を含み、前記光学器具は、前記スペクトルの異なるサブスペクトルに対応する光の異なる部分が異なる光学器具内を効率的に伝搬し、光学装置から出射してユーザの少なくとも第一の目に入るような態様で、光を分解しかつ再構成するように設計されかつ構築されるシステムが提供される。
【００２４】
以下に記述される本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によれば、各光学器具は、異なる平面と係合する平面状光学器具である。
【００２５】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記複数の光学器具は第一光学器具および第二光学器具を含む。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記サブスペクトルは第一サブスペクトルおよび第二サブスペクトルを含む。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記複数の光学器具は第一光学器具、第二光学器具および第三光学器具を含む。
【００２６】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記サブスペクトルは第一サブスペクトル、第二サブスペクトルおよび第三サブスペクトルを含む。
【００２７】
本発明のさらに別の側面によれば、複数の波長のスペクトルを有する光を透過させる方法であって、前記光を前記スペクトルの異なるサブスペクトルにそれぞれ対応する複数の部分へと分解し、そして前記光の各部分を異なる光学器具内で効率的に透過させることを含む方法が提供される。
【００２８】
以下に記述される本発明の好ましい実施態様のさらなる特徴によれば、前記分解することは、前記光の各部分を実質的に排他的な（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ）態様で回折することを含む。
【００２９】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記方法は、前記複数の部分を再構成することをさらに含む。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記再構成することは、前記光の各部分をそれぞれの光透過性基体の外へ回折することを含む。
【００３０】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、分解すること、透過させることおよび再構成することは、前記光を特徴付ける水平視野が維持されるような態様で行われる。
【００３１】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記最小の回折は１０％未満の回折効率によって特徴付けられる。
【００３２】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、各光学器具の前記少なくとも一つの入力光学素子および前記少なくとも一つの出力光学素子の各々は、光線が前記少なくとも一つの入力光学素子によって光学器具の中へ回折され、そして角度維持的態様（ａｎｇｌｅ−ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ  ｍａｎｎｅｒ）で前記少なくとも一つの出力光学素子によって光学器具の外へ回折されるように設計されかつ構築される。
【００３３】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、各光学器具の各出力光学素子は、それによって回折される光の予め定められた部分の輝度不均一性を減少させるように設計されかつ構築される。
【００３４】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記出力光学素子は複数の区分を含み、前記複数の区分の各区分は異なる回折効率によって特徴付けられる。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記複数の区分の回折効率は調和級数を形成する。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記区分の数は、前記出力光学素子に沿って伝搬する間のそれぞれのサブスペクトルの光線の反射の特徴的な数に等しい。
【００３５】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの出力光学素子は第一出力光学素子および第二出力光学素子を含む。
【００３６】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの入力光学素子、前記第一出力光学素子および前記第二出力光学素子は、前記光のそれぞれの部分の各光線が光学器具内で二つに分岐し、二つの実質的に平行な光線の形で前記光透過性基材を出射するように設計されかつ構築される。
【００３７】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの入力光学素子は独立した線形回折格子である。
【００３８】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの出力光学素子は独立した線形回折格子である。
【００３９】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に同一周期を有する。
【００４０】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に平行である。
【００４１】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、１に等しいかまたは１より大きい。
【００４２】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、前記光透過性基材の屈折率より小さい。
【００４３】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記装置またはシステムは、前記光を視準するためのコリメータをさらに含む。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記コリメータは収束レンズを含む。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記コリメータは回折光学素子を含む。
【００４４】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材に垂直な方向に対し約８０度に等しい。
【００４５】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材中の予め定められた距離にわたって少なくとも１回の反射が可能となるように選択される。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記予め定められた距離は約２５ｍｍ〜約８０ｍｍである。
【００４６】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光透過性基材の厚さは約０．５ｍｍ〜約５ｍｍである。記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光透過性基材の厚さは、前記スペクトルの最短波長の１０倍より大きい。
【００４７】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記光透過性基材はガラスおよび透明ポリマーから成る群から選択される。
【００４８】
記述された好ましい実施態様のなおさらなる特徴によれば、前記水平視野は少なくとも１６度、より好ましくは少なくとも２０度、さらに好ましくは少なくとも２４度である。
【００４９】
本発明は、色彩光の効率的な透過のための装置、システムおよび方法を提供することによって、現在公知の構成の欠点にうまく対処する。
【００５０】
別途定義されない限り、本明細書中で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味する。本明細書中に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、好適な方法および材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。
【００５１】
図面の説明
本明細書では本発明を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の好ましい実施態様を例示考察することだけを目的としており、本発明の原理や概念の側面の最も有用でかつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示していることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に本発明の構造の詳細は示さないが、図面について行う説明によって本発明のいくつもの形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
【００５２】
図１は、従来技術の色彩画像表示システムの模式図である。
【００５３】
図２は、本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光を透過させるのに好適な方法のフローチャート図である。
【００５４】
図３ａ−ｂは、本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光を透過させるための光学装置の模式図である。
【００５５】
図３ｃは、本発明の様々な例示的実施態様による出力光学素子の模式図である。
【００５６】
図４は、本発明の様々な例示的実施態様による、ユーザに画像を提供するためのシステムの模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
本発明は、色彩光を透過させるために使用することができる装置、システムおよび方法の発明である。特に、本発明は、ユーザの目の中に色彩虚像を効率的に透過させるために使用されることができる。
【００５８】
本発明の少なくとも一つの実施態様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。本発明は他の実施態様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。
【００５９】
光線が光透過性基材内で移動し、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材と接触している開放空気中に出るかのいずれかでありうる。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。
2008535032.tif 000003
ここでｎＳは光透過性基材の屈折率であり、ｎＡは光透過性基材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。光透過性基材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。
【００６０】
一般的な法則として、基材の屈折率は、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、式１は、しばしば臨界角と呼ばれαＣと示される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、式１を満たす屈折角α２はなく、光エネルギは光透過性基材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、内部全反射が生じると言える。光の異なる波長（つまり異なる色の光）は異なる屈折率に対応するので、内部全反射の条件は、光が基材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内部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。
【００６１】
平面光学では、光透過性基材中に光を結合させて光が予め定められた光学距離にわたって光透過性基材内を透過するように、内部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、光透過性基材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線形格子として製造される。線形格子は、光の波長λおよびそれぞれ光線が光透過性基材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。
2008535032.tif 000004
【００６２】
公知の規約に従って、角度を表面の法線から時計回り方向に測定する場合、αＩおよびαＤの符号は正であり、そうでない場合は負である。式２のＲＨＳの双対符合は、反対方向の回折つまり「右側への回折」および「左側への回折」にそれぞれ対応する、二つの可能な回折次数＋１および−１に関連する。
【００６３】
光を操作するために設計されたいかなる光学素子も、光学素子が作動することができる許容された入射角の範囲によって特徴付けられる。この量は「水平視野」として文献では知られている。光透過性基材中に光を結合させて内部全反射のための条件を提供する光学素子（例えば線形格子）にとっては、水平視野は、内部全反射のための条件が満たされることができる入射角の範囲として定義される。「水平視野」は「視野」と略される。
【００６４】
視野は内包的に表現するか（その場合、その値は最小入射角と最大入射角との間の差に対応する）、または明示的に表現するか（その場合、視野は数学的範囲または集合の形を有する）のいずれかとすることができる。したがって、例えば、最小入射角αから最大入射角βまでに及ぶ視野φは内包的にφ＝β−αと表わされ、かつ非内包的にφ＝［α，β］と表わされる。最小および最大入射角は、任意の組合せで最左および最右入射角、または時計回りおよび反時計回り視野角とも呼ばれる。
【００６５】
Ｎｉｖらへの米国特許第６７５７１０５号は、線形回折格子の視野を計算するための方法を記述しており、その内容を参照によって本書に援用する。手短かに述べると、周期ｄの線形回折格子については、右に回折されることができる最大視野、例えばφ＝［αＩＦＯＶ−，αＩＦＯＶ＋］は以下のようにして計算されることができる：
まず、臨界角αＣは式２において回折角αＤの代わりに使用される：
2008535032.tif 000005
内部全反射のための条件（ｓｉｎαＣ＝ｎＡ／ｎＳ）を代用することにより、以下の式４が得られる：
2008535032.tif 000006
次に、αＤについて許容される最大値は例えばαＤＭａｘ＝８０°と規定され、式４は角αＩＦＯＶ＋について解かれる：
2008535032.tif 000007
同様の計算が左への回折のために当業者によって行われることができる。
【００６６】
上述の背景技術の欄で述べたように、光の回折効率は光の波長に依存する。当業者には理解されるように、回折効果が光を一つの場所から他の場所へ透過させるために使用された場合（例えば内部全反射が起こる好適な条件を提供することによって）、回折効率の波長依存性は光の透過効率にも影響を与える。従って、複数の波長のスペクトルを有する光が回折格子を通して回折される場合、光のある波長は他の波長より低い効率で回折される。
【００６７】
本発明は、光を分解された態様で透過させるための方法、装置およびシステムを成功裏に提供する。
【００６８】
図２〜４に示されるような本発明をより良く理解するため、図１に示されるような従来技術の光学システムの構造および作動に最初に言及する。
【００６９】
図１は、米国特許出願第１０／３６７８９４号に記述される色彩画像表示システム１００の断面図であり、この出願の内容は参照によって本書に援用する。システム１００は三つの透明な板１０１，１０２および１０３を含み、これらは各々、入力回折光学素子（図１中、符号１０４，１０５および１０６によってそれぞれ示される）および出力回折光学素子（図１中、符号１０７，１０８および１０９によってそれぞれ示される）で形成されている。入力回折光学素子は、透明な板に対して垂直の方向にそれらの間で重複がないように間隔を置かれて配置される。システム１００は、入力回折光学素子１０４，１０５および１０６にそれぞれ供給するための三つの単色画像源１１０，１１１および１１２をさらに含む。
【００７０】
従って、システム１００は三つの単色画像表示システムから組立てられ、それらの各々は入力回折光学素子、透明な板、出力回折光学素子および単色画像源を有する。画像源１１２によって生成される赤色画像を構成する赤色光は、素子１０６を通して板１０３に入り、内部全反射によって板１０３を通って伝搬し、素子１０９から出る。画像源１１１によって生成される緑色画像を構成する緑色光は、素子１０５を通して板１０２に入り、板１０２を通って伝搬し、素子１０８から出る。出た直後に、緑色光線は板１０３に衝突し、回折なしにそれを貫通し、素子１０５を通って出る。同様の態様で、画像源１１０によって生成される青色画像を構成する青色光は、素子１０４を通して板１０１に入り、板１０１を通って伝搬し、素子１０７から出る。青色光線は板１０２および１０３をそれらの出力素子を介して貫通する。個々の赤、緑および青画像は別々に生成され、従って出口で組合せられ、目１１９によって色彩画像として見られる。
【００７１】
従って、システム１００は、三つの間隔を置いて配置された単色画像源によって生成された色彩画像をユーザに提供するのに有用である。システム１００では、空間的に分離された単色光ビームが個々の入力素子中に透過させられ、入射光ビームの間に重複はなく、素子１０４と１０５と１０６の間にも重複はない。従って、単一光ビームにおいて複数の波長の幅広いスペクトルを放射する単一色彩画像源は、システム１００によっては好まれない。
【００７２】
本発明を創案している際に、色彩光（例えば単一色彩画像源によって放射される光）は、まず前記光を個々のサブスペクトルへと分解し、次いで異なる光学器具を使用して各サブスペクトルを透過させることによって効率的に透過されることができることが本発明者らによって理解された。
【００７３】
次に、本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光（即ち色彩光）を透過させるのに好適な方法のフローチャート図である図２が参照される。前記方法は、ステップ１０で開始され、ステップ１２に続き、そこで光は複数の部分へと分解され、これらの光の各部分は異なるサブスペクトルに対応する。従って、光の分解は、特定の方向から来る色彩光線がそれぞれが異なるサブスペクトルに属する二つ以上の光線へと分解されるという意味でスペクトル分解と見なされることができる。
【００７４】
従って、画像の効率的な透過を可能とするために光が複数の単色画像源によって生成されなければならない従来技術のシステム１００とは異なり、本発明は、単一の色彩源によって生成された色彩光ビームを透過させることができる。何故なら、本発明は色彩光ビームを複数のサブスペクトルへと成功裏に分解するからである。
【００７５】
サブスペクトルの数は、光線中に存在する個々の波長の数に等しい必要はないということは理解されるべきである（ただし、そのような実施態様は本発明の範囲から除外されない）。
【００７６】
本発明の様々な例示的実施態様では、比較的少数（例えば二つ、三つ、四つ）のサブスペクトルが使用される。二つのサブスペクトルが使用される好ましい実施態様では、一つのサブスペクトルは赤色および近赤色波長を含むことができ、もう一つのサブスペクトルは青色および近青色波長を含むことができる。三つのサブスペクトルが使用される好ましい実施態様では、追加のサブスペクトルは緑色および近緑色波長を含むことができる。本発明の様々な例示的実施態様では、サブスペクトル間にある程度の重複がある。例えば、二つのサブスペクトルの上述の実施態様では、第一のサブスペクトルは、スペクトルの赤色部分に対応する約５４０〜約６５０ｎｍの波長を含むことができ、第二のサブスペクトルは、スペクトルの青色部分に対応する約４６０〜約５７０ｎｍの波長を含むことができる。従って、この例示的実施態様では、二つのサブスペクトルは約３０ｎｍの重複を有する。
【００７７】
本書で使用する場合、用語「約」は±１０％を意味する。
【００７８】
前記方法はステップ１４に続き、そこでは光の各部分が異なる光学器具内を透過させられる。本発明の様々な例示的実施態様では、光の部分を透過させるために使用される光学器具は、異なる、好ましくは平行な平面に係合する平面光学器具である。従って、本発明の方法は異なる平面を通して異なるサブスペクトルを成功裏に透過させる。分解された光を透過させる利点は、光の各部分の透過効率がそのスペクトル範囲に調整されることができ、従って全透過効率を最適化することができるということである。
【００７９】
本発明の好ましい実施態様によれば、前記方法はステップ１６に続き、そこではサブスペクトルは再構成されて元の光ビームのスペクトルを再構築する。以下にさらに詳述されるように、光は画像生成装置によって生成されることができ、その場合、光は画像情報を担持する。これらの実施態様では、前記方法のステップ１２は画像をそれぞれが異なるスペクトル範囲を有する複数の部分画像へと分解し、ステップ１６は、以前に形成された部分画像のスペクトル範囲を再構成することによって元の画像を再構築する。
【００８０】
前記方法はステップ１８で終了する。
【００８１】
上述の方法ステップは図３ａ−ｂに模式的に示される光学装置２０を使用して実行されることができる。装置２０は複数の光学器具２２を含むことが好ましい。前記光学器具は各々の部分が異なるサブスペクトルに対応する複数の部分へと光を分解する。各光学器具は光の一部分を好ましくは異なる平面で透過させる。図３ａ−ｂに示されているのは、２２ａおよび２２ｂと称される二つのかかる光学器具である。図３ａ−ｂ中で二つの光線２４ａおよび２４ｂによって表されている光は装置２０を分解された態様で透過させられる。光線２４ａは器具２２ａを透過させられ、光線２４ｂは器具２２ｂを透過させられる。
【００８２】
分解は好ましくは個々の光学器具中への光の入口で達成される。より具体的には、第一光学器具（例えば光線２２ａ）は、光の第一部分（例えば光線２４ａ）をその中に閉じ込め、光の他の部分（例えば光線２４ｂ）が次の光学器具（例えば器具２２ｂ）に続くことを許可するなどである。本発明の好ましい実施態様によれば、各光学器具は、一つ以上の入力光学素子２８を有するように形成された光透過性基材２６を含む。入力光学素子は、光のそれぞれの部分を光透過性基材中へと実質的に排他的な態様で回折する。
【００８３】
本書で使用する場合、用語「回折」は、透過モードまたは反射モードのいずれかにおける波面の伝搬方向の変化Δθを指す。透過モードでは、「回折」は、光学素子を通過するときの波面の伝搬方向の変化を指し、反射モードでは、「回折」は、光学素子から反射するときの波面の伝搬方向の変化を指す。好ましくは、「回折」は、反射角が入射角に等しい従来の反射の定義とは異なる伝搬方向の変化を意味する。角度の用語法では、Δθは透過モードでは９０°より小さく、反射モードでは９０°より大きい。
【００８４】
本書で使用する場合、「実質的に排他的な態様での回折」は、光の部分Ｘが回折され、光の他のすべての部分が回折されないかまたは部分Ｘの回折効率と比較して抑制された回折効率で部分的に回折されるような状況を意味する。
【００８５】
2008535032.tif 000008
【００８６】
上述の例の例示が図３ａに示されている。両方の光線２４ａおよび２４ｂは器具２２ａの入力光学素子２８ａに衝突する。素子２８ａは光線２４ａ（青色の線）を効率的に回折し、従って光線２４ａは内部全反射を介して基材２６ａ内を伝搬する。光線２４ａの伝搬は、基材２６ａの表面からの光線２４ａの反射を表す青破線として示されている。光線２４ｂ（赤色の線）も基材２６ａに入るが、低い効率での部分的な回折のみを経験する。光線２４ｂの部分的な回折は、基材２６ａの表面からの幅広い角度の反射を表す薄い赤色波線として示されている。光線２４ｂによって担持される光エネルギの大部分は基材２６ａ内に捕捉されず、器具２２ｂの基材２６ｂの方向に続き、図３ａの例示的例では基材２６ｂの入口側に形成されている入力光学素子２８ｂに衝突する。素子２８ｂに衝突すると、光線２４ｂは基材２６ｂ中に効率的に回折し、内部全反射を介してその中を伝搬する。この伝搬は、基材２６ｂの表面からの光線２４ｂの反射を表す赤色破線として示されている。入力素子は、基材２６ｂ内の光線２４ｂの回折角が基材２６ａ内の光線２４ｂの回折角より有意に小さくなるように設計されることが好ましい。本発明の好ましい実施態様によれば、入力素子は、基材２６ｂ内の光線２４ｂの回折角が基材２６ａ内の光線２４ａの回折角とほぼ同じであるように設計される。
【００８７】
本発明の様々な例示的実施態様では、入力光学素子は、それらの間に十分な空間的重複が形成されるように位置される。換言すれば、光透過性基材に対して垂直方向から見ると、入力光学素子は少なくとも部分的に重なり合う。入力光学素子の間の重複は、好ましくは少なくとも５０％であり、より好ましくは７５％であり、一層好ましくは少なくとも９５％（例えば１００％）である。入力光学素子の間の重複は、一つの光学素子によって効率的に回折されない光線が最小の回折または回折なしで次の光学素子に続くことを可能にする。図３ａの例示的実施態様では、素子２８ａと２８ｂの間の重複は、素子２８ａによって効率的に回折されない光線２４ｂが素子２８ｂに衝突することを可能にする。
【００８８】
素子２８ｂへの衝突により、光線２４ｂは基材２６ｂ中に効率的に回折し、内部全反射を介してその中を伝搬する。この伝搬は、基材２６ｂの表面からの光線２４ｂの反射を表す赤色破線として示されている。
【００８９】
図３ａにおいて入射する光線は光学器具の表面に対して垂直に引かれている（上述の従来技術によればゼロ入射角）。素子２８ａおよび２８ｂが線形回折格子である場合、二つの光線の回折角の間の関係は上述の式２からαＩを０で置換することによって置換されることができる。
2008535032.tif 000009
ここでαＤ，２４ａ，λ２４ａ，αＤ，２４ｂおよびλ２４ｂは、それぞれ光線２４ａおよび２４ｂの回折角および波長である。数値例として、もし基材２６ａの屈折率が１．６６であり、光線２４ａの波長が４７０ｎｍであり、光線２４ｂの波長が６２０ｎｍであり、素子２８ａの格子周期が３８９ｎｍであるなら、素子２８ａへの光線の垂直な入射により、光線２４ａは４６．７°の角度で回折され、光線２４ｂは７３．８°の角度で回折される。
【００９０】
素子２８ａの格子周期および屈折率は、光線２４ｂが全く回折されないようにも選択されることができる。例えば、もし基材の屈折率ｎＳが＝１．５であるなら、光線の垂直な入射は素子２８ａによる光線２４ｂの回折を生じない。
【００９１】
傾斜された光線は、異なる角度で回折するかまたは全く回折しないかもしれない。かかる状況は図３ｂに示される。光線２４ａおよび２４ｂは基材２６ａの表面に対して傾斜され（非ゼロ入射角）、光線２４ａは素子２８ａによって排他的に回折される。基材２６ｂに入射する光線２４ｂの全光学エネルギは、素子２８ｂ（光線２４ｂのスペクトル範囲について特異的に設計されている）によって回折され、基材２６ｂ内を伝搬する。
【００９２】
当業者には理解されるように、入射角が光学器具の視野内でない場合、両光線は光透過性基材中に捕捉されない。
【００９３】
装置２０は幅広水平視野によって特徴付けられることが好ましい。本発明の好ましい実施態様によれば、装置２０の水平視野は、内包的表現で少なくとも１６°（例えば±８°の入射角）であることが好ましく、より好ましくは少なくとも２０°（例えば±１０°の入射角）、さらに好ましくは少なくとも２４°（例えば±１２°の入射角）である。本発明の好ましい実施態様によれば、それぞれのおよび全ての光学器具は装置２０の同じ視野によって特徴付けられる。この実施態様の利点は、全ての色が全視野にわたって透過されることである。
【００９４】
一般的に、全ての光学器具についての共通の視野は、一組の較正パラメータを選択して、較正１１０パラメータの特定の選択に対して全ての光学器具が実質的に同じ回折角を通して光の部分をそれぞれ回折するように光学器具を構築することによって達成されることができる。較正パラメータは、光学器具が較正される入射角、サブスペクトルの各々についての代表的な波長、光透過性基材の屈折率などであることが好ましい。図３ａ−ｂに示される構成について、サブスペクトルの代表的な波長は、器具２２ａについては第一の代表的な波長λ１であり、器具２２ｂについては第二の代表的な波長λ２である。例えば、器具２２ａが青色および近青色波長を透過させるために設計され、器具２２ｂが赤色および近赤色波長を透過させるために設計される場合、λ１は青色光の通常の波長（例えば４７０ｎｍ）であり、λ２は赤色光の通常の波長（例えば６２０ｎｍ）であることができる。
【００９５】
次に、両器具にとっての共通の視野は、器具２２ａに予め定められた入射角αＩで衝突する波長λ１の光線の回折角が、器具２２ｂに同じ入射角αＩで衝突する波長λ２の光線の回折角に等しいことを要求することによって達成されることができる。基材２６ａおよび２６ｂの屈折率は同じであり、較正入射角αＩは図３ａに示されるようにゼロに設定されることが都合が良いが、これは絶対ではない。較正パラメータのかかる選択により、上述の等しい回折角は、周期ｄ１を有する線形回折格子として素子２８ａを構築し、周期ｄ２を有する線形回折格子として素子２８ｂを構築することによって達成されることができる（ただし、ｄ１およびｄ２はｄ１／ｄ２＝λ１／λ２を満たす）。この広い選択は、二つの以上の光学器具に一般化されることができる。例えば、三つの光学器具が使用される場合、入力素子の格子周期はｄ１：ｄ２：ｄ３＝λ１：λ２：λ３を満たすように設定されることができる。
【００９６】
数値例としては、例えば器具２２ａおよび２２ｂによって透過されるサブスペクトルがλ１＝４７０ｎｍおよびλ２＝６２０ｎｍで表されることができると仮定しよう。さらに、器具２２ａおよび２２ｂの両方について±１２°の視野を達成することが望まれていると仮定しよう。かかる視野は、両光透過性基材について等しい屈折率および素子２８ａについてｄ１＝３８９ｎｍのおよび素子２８ｂについてｄ２＝５１３ｎｍの格子周期を使用することによって達成されることができる。かかる条件下では、全視野内の光線は、比較的大きい回折効率でそれぞれの入力光学素子によって回折される。本発明の様々な例示的実施態様では、二つの基材は等しいまたは類似の屈折率を有し、ｎＳ＞（λ／ｄ＋ｎＡｓｉｎαＩＦＯＶ＋）／ｓｉｎαＤＭａｘであるように選択される。基材についての屈折率が高いほど、全視野内の回折角のスパンは低くなり、好ましい構成は、回折角のスパンを最小化するかまたは減少されるために比較的高い屈折率を使用することである。この実施態様は、以下にさらに詳述されるように、器具が出力光学素子も含み出射される光の実質的に均一な輝度を得ることが望まれる場合、特に有用である。
【００９７】
本発明の様々な例示的実施態様では、各光透過性基材は一つ以上の出力光学素子３０を有するようにさらに形成される。図３ａ−ｂに示されているのは二つの出力光学素子（各素子に対して一つずつ）であり：素子３０ａは基材２６ａ中に形成されており、素子３０ｂは基材２６ｂ中に形成されている。素子３０は、装置２０から外へ出る光線を結合させることによって光の個々の部分を再構成する役割を有する。入力光学素子と同様に、各出力光学素子は光のそれぞれの部分をそれぞれの光透過性基材の外へ回折し、光の他の部分を最小の回折でまたは回折なしで通過させる。例えば、光線２４ａは素子３０ａによって基材２６ａの外へ回折され、最小の回折でまたは回折なしで素子３０ｂを通過される。素子３０ｂは光線２４ｂを基材２６ｂの外へ排他的に回折し、二つの光線は元の光線に再構成される。
【００９８】
図３ａ−ｂは、光線２４ａが素子３０ｂによって回折されない例示化された状況を示す。特定の光線が、光学器具の外へ回折されるべき出力光学素子の一つに成功裏に衝突するかどうかは、光の波長、入力光学素子への初期入射角、入力および出力光学素子の寸法およびそれらの間の距離、並びに光学器具の特性に依存する。とにかく、各光学器具は、予め定められた波長および予め定められた入射角の光を予め規定された回折角で最適の効率で回折するように設計されている。数値例としては、器具２２ｂが、５１３ｎｍの波長を有する赤色光を最大効率で回折することよって［−１２°，＋１２°］の水平視野を提供するように設計されている場合、４７０ｎｍの波長を有する青色光は４．８°未満の入射角では同じ器具によって回折されず内部全回折し、４．８°〜１２°の入射角では比較的低い効率で回折される。
【００９９】
光線は、角度維持的態様で光学器具の外へ回折されることが好ましい。より具体的には、特定の光線が透過性基材の一つから回折によって出射されるのは、光線の出射角が、光線が基材に衝突した角度と実質的に等しい場合である。図３ａ−ｂを参照すると、光線２４ａおよび２４ｂは基材２６ａおよび２６ｂ内で多数の反射を経験するが、光線の出射角はそれらの衝突角に実質的に等しく、外部媒体中での光の伝搬方向は維持されている。
【０１００】
本発明の好ましい実施態様によれば、出力光学素子は、それらが回折する光の部分の輝度不均一性を減少させるように設計されかつ構成されている。これは、図３ｃを参照して以下にさらに説明されるように、各々が異なる回折効率によって特徴付けられる複数の区分を含む出力光学素子を使用して達成されることができる。
【０１０１】
図３ｃは、本発明の好ましい実施態様による反射性出力光学素子３０の単純化された例示である。光線は基材２６内を素子３０に到達するまで伝搬し、素子３０は光を基材２６の外に回折する。光線によって担持される光学エネルギの一部分は素子３０によって回折され、基材２６から出る。光線の残りは角度を通して再指向され、それは光線の残りが基材２６の他の側からの内部全反射を経験することを生じる。最初の反射後、光線は再び素子３０に衝突し、そこで光線は基材２６の外へ部分的に回折され、二回目に部分的に再指向される。基材２６の他の側からの部分的回折および内部全反射のこの過程は素子３０に沿って続く。
【０１０２】
図３ｃの例示的実施態様では、光線は素子３０に沿って四回の反射を経験する。出射する光線の輝度均一性を改良するために、各回折は異なる回折効率で生じることが好ましい。従って、本発明の好ましい実施態様によれば、出力光学素子の区分の数は、出力光学素子に沿った反射の数（この例では四つ）に等しい。素子３０の区分はローマ数字Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩおよびＩＶによって示される。
【０１０３】
本発明の様々な例示的実施態様では、出力光学素子の回折効率は調和級数（１／ｋ，ｋ＝１，２，‐‐‐‐‐）を形成する。図３ｃの例では、区分Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩおよびＩＶの回折効率はそれぞれ素子３０の最大回折効率の約２５％、３３％、５０％および１００％である。例示的目的のため、異なる光学エネルギの反射された光線が異なる種類の線を使用して図３ｃに示されている：元の光学エネルギの１００％を担持する光線についてのものである実線、点線（７５％）、破線（５０％）および一点破線（２５％）である。従って、四つの回折のそれぞれは光線の元の光学エネルギの２５％の放出を生じ、素子３０にわたる光の均一な輝度が達成される。
【０１０４】
他方、出力光学素子が設計される波長の範囲以外の波長については、出力光学素子の幅内で異なる数の反射があり、出力光学素子にわたるこれらの波長の不均一な輝度を生じる。当業者には理解されるように、かかる構成は光の再構成を一層効率的にし、従って出力される光ビームの色歪みを減少させる。
【０１０５】
異なるサブスペクトルについて異なる基材および異なる出力光学素子を使用することは、色特異的設計について、各色が他のサブスペクトルから独立して装置２０の外へそして観察者の目の中へ均一に回折されることを可能にする。
【０１０６】
基材内を内部全反射の二つの連続する点の間で光線によって移動された横方向距離である「ホップ長さ」を定義することができる。ホップ長さｈは、回折角αＤおよび基材厚さｔに依存し、以下の式によって定義される：
2008535032.tif 000010
【０１０７】
式６は、異なる基材が同じ屈折率を有さないときに使用されることができ、視野の中央角のホップ長さは一つの基材から他の基材へと異なる。かかる場合、視野の中央角ホップ長さの変動は、基材厚さｔの好適な選択によって削除されるかまたは減少されることができる。
【０１０８】
いかなる数の入力／出力光学素子も使用されることができる。追加的に、入力光学素子の数と出力光学素子の数は異なることができる。何故なら、二つ以上の出力光学素子は光学的に連通することによって同じ入力光学素子を共有することができ、逆もまたそうであるからである。本発明の様々な例示的実施態様では、入力および出力光学素子は線形回折格子であり、前記線形回折格子は同じ周期のものであることが好ましく、平行な配向で光透過性基材上に形成されることが好ましい。
【０１０９】
入力／出力光学素子は光透過性基材のいかなる面にいかなる組合せでも係合することができる。当業者は、これは透過性及び反射性光学素子のいかなる組合せにも対応することを理解するであろう。図３ａ−ｃの例示化された構成では、全ての入力光学素子は透過性であり全ての出力光学素子は反射性であるが、これは上述の通り必ずしもその通りである必要はない。
【０１１０】
例えば、特定の光学器具が、その光透過性基材の第一の面に形成された一つの入力光学素子および光透過性基材の第二の面に形成された一つの出力光学素子を含むと仮定しよう。さらに、光が基材の第一の面に衝突し、第二の面からユーザの目へまたは隣接する光学器具へ光を回折することが望まれていると仮定しよう。この場合、入力光学素子および出力光学素子は両方とも透過性であり、入力光学素子を通した光の入射および出力光学素子を通した光の出射を確実にする。代わりに、もし入力光学素子が基材の第二の面に形成され出力光学素子が基材の第一の面に形成されるなら、両方の素子は反射性である。
【０１１１】
本発明の様々な例示的実施態様では、各光学器具は二つの出力光学素子を含む。この実施態様は、装置２０が双眼装置として使用される場合特に有用である。この場合（各光学器具の）第一および第二出力光学素子は光をユーザの左目および右目にそれぞれ回折する。かかる構成は図４を参照して以下にさらに詳述される。
【０１１２】
上述の通り、光は画像情報を担持することができる。理想的には、多色画像は、複数の画像要素で測定される波長の関数としてのスペクトルである。しかし、この理想的な入力は、実際のシステムではあまり達成できない。したがって、本発明の実施態様は、他の形の画像情報をも取り扱う。可視スペクトル（色域）のかなりの部分は、赤、緑、および青色光を様々な割合で混合することによって表わすことができるが、強度が異なると異なる彩度レベルになる。ときどき、色域を増大するために、赤、緑、および青に加えて他の色が使用される。他の場合、ヒトの可視スペクトル内の特定の部分スペクトル範囲を表わすために、色光の異なる組合せが使用される。
【０１１３】
異なる形の色画像では、広スペクトル光源が使用され、カラーフィルタの使用によって画像情報が提供される。最も一般的なそのようなシステムは、補完黒色フィルタを含め、シアン、マゼンタ、および黄色のフィルタと共に白色光源を使用する。これらのフィルタの使用により、赤、緑、および青色光源を使用するものと同様のスペクトル範囲または色域の表現をもたらすことができる一方、彩度レベルは、これらのフィルタに異なる光吸収厚さを使用し、よく知られた「グレイレベル」を提供することにより達成される。
【０１１４】
こうして、多色画像は、赤‐緑‐青（ＲＧＢ）またはシアン‐マゼンタ‐黄色‐黒（ＣＭＹＫ）チャネルのような、しかしそれらに限定されない、３つ以上のチャネルによって表示することができる。ＲＧＢチャネルは一般的に、能動表示システム（例えばＣＲＴまたはＯＬＥＤ）または光シャッタシステム（例えばＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（商標）（ＤＬＰ（商標））、またはＬＥＤのようなＲＧＢ光源で照明されるＬＣＤ）に使用される。ＣＭＹＫ画像は一般的に受動表示システム（例えばプリント）に使用される。本発明の範囲内で他の形も考えられる。
【０１１５】
光学器具およびそれらの構成要素の数および種類は、画像を生成させるために使用されるスペクトルチャネルに従って選択されることが好ましい。例えば多色画像は、それによって放出される光の波長間の相対的な割合及び強度の多くの異なる組合せのため、色の連続スペクトルとして目に観視される赤、緑、および青色の有機ダイオードを有するＯＬＥＤアレイによって提供することができる。そのような画像の場合、三つの光透過性基材が各スペクトルチャネルに対して一つずつ使用されることができ、各基材はそれぞれのスペクトルチャネルについて設計された入力／出力光学素子で形成される。ＲＧＢ画像は二つの光透過性基材のみを使用して効率的に透過されることができることも本発明者らによって見出されている。
【０１１６】
これは、スペクトルの緑色部分が、青色および近青色光に対して指定された光学器具によって部分的に回折され、赤色および近赤色に対して指定された光学器具によって部分的に回折されるからである。一般的に、二つの基材の内へのおよび外への回折は、視野にわたる全体的な高い回折効率および輝度均一性が達成されるように補足的である。
【０１１７】
次に図４を参照すると、この図は、本発明の様々な例示的実施態様によるユーザに画像を提供するためのシステムの４０の模式的例示である。システム４０は光学装置（例えば装置２０）および装置２０に画像を提供するための画像生成装置４２を含むことが好ましい。装置２０は、単眼または双眼の態様で画像情報を担持する光を透過させる。
【０１１８】
装置２０が単眼光学装置である実施態様では、装置２０の光学器具２２は単一の出力光学素子を含む（図３ａ−ｂ参照）。装置が双眼光学装置である実施態様では、各光学器具２２は二つの出力光学素子を含み、これらは光をユーザの第一の目５０および第二の目５２へ回折する。この実施態様では、上で詳述した通り、各入力光学素子は、各光線が、二つに分岐し、それぞれの基材内を二つの方向に伝搬し、二つの実質的に平行な光線の形で基材から出射されるように（それぞれのサブスペクトルの）光線を回折する。
【０１１９】
本発明の様々な例示的実施態様では、システム４０は、好ましくは器具４２と装置２０の間に配置されたコリメータ４４を含む。コリメータ４４は、入射光がまだ視準されていない場合、装置２０に当てる前にそれを視準させるように働く。当業界で公知の任意の視準素子、例えば収束レンズ（球面または非球面）、レンズ配列体、回折光学素子等を、コリメータ４４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。
【０１２０】
収束レンズの場合、レンズに垂直にレンズの中心を通過する、典型的な収束レンズを通る光線は、光軸を画定する。レンズを通過する光線束は、この軸を中心に集まり、レンズによって適正に結像することができる。例えば光源がレンズの焦平面に位置する場合、光によって構築される画像は無限遠に投射される。
【０１２１】
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、光軸はよく画定されない。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一方、回折光学素子の利点はそのコンパクト性による。
【０１２２】
画像生成装置４２は、アナログまたはデジタルのいずれかの装置とすることができる。アナログ画像生成装置は一般的に、光源および少なくとも１つの画像担持体を含む。光源の代表例として、ランプ（白熱灯または蛍光灯）、１つ以上のＬＥＤまたはＯＬＥＤ等が挙げられるが、それらに限定されない。画像担持体の代表例として、ミニチュアスライド、反射型または透過型マイクロフィルム、およびホログラムが挙げられるが、それらに限定されない。光源は、画像担持体の前（光をそこから反射させるため）、または画像担持体の背後（光を透過させるため）のいずれかに配置することができる。任意選択的に、かつ好ましくは、装置４２はミニチュアＣＲＴを含む。ミニチュアＣＲＴは当業界で公知であり、例えばカリフォルニア州サンノゼのＫａｉｓｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  Ｃｏｌｌｉｎｓ  ｂｕｓｉｎｅｓｓから市販されている。
【０１２３】
デジタル画像生成装置は一般的に、少なくとも１つのディスプレイを含む。特定のディスプレイを使用するには、追加的に光源を使用する必要があるかもしれない。デジタル画像生成装置に適した光源として、ランプ（白熱灯または蛍光灯）、１つ以上のＬＥＤ（例えば赤、緑、および青色ＬＥＤ）、またはＯＬＥＤ等が挙げられるが、それらに限定されない。適切なディスプレイとして、背面照明される透過型または前面照明される反射型のＬＣＤ、ＯＬＥＤアレイ、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（商標）（ＤＬＰ（商標））ユニット、ミニチュアプラズマディスプレイ等が挙げられるが、それらに限定されない。ＯＬＥＤまたはミニチュアプラズマディスプレイのようなポジティブディスプレイは、照明用の追加光源を使用する必要がないであろう。
【０１２４】
透過型ミニチュアＬＣＤは例えば、マサチューセッツ州トーントンのＫｏｐｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。反射型ＬＣＤは例えば、アリゾナ州テンペのＢｒｉｌｌｉａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。ミニチュアＯＬＥＤアレイは例えば、ニューヨーク州ホープウェルジャンクションのｅＭａｇｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。ＤＬＰ（商標）ユニットは例えば、テキサス州プラノのＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＤＬＰ（商標）  Ｐｒｏｄｕｃｔｓから市販されている。デジタルミニチュアディスプレイの画素分解能は、ＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）以下からＷＱＵＸＧＡ（３８４０×２４００画素）まで多種多様である。
【０１２５】
システム４０は、比較的小さいスクリーンを有する装置の視野を拡大するのに特に有用である。例えば、携帯電話機およびパーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）は、かなり小型のオンボードディスプレイを持つことが知られている。ＰＤＡはまた、カリフォルニア州パロアルトのＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造された商品名ｉＰＡＱ（商標）のようなポケットＰＣとしても知られている。上記の装置は、かなりの量の情報をシングルフレームまたは動画の形で格納したりダウンロードしたりすることができるが、その小さいサイズのディスプレイのため、ユーザに充分な視野を提供することができない。
【０１２６】
システム４０は、データソースインタフェース４３を介して装置４２と通信することのできるデータソース４５を含む。インタフェース４３とデータソース４５との間に、有線通信、無線通信、光通信、またはそれらの任意の組合せをはじめ、それに限定されず、いずれかの種類の通信を確立することができる。インタフェース４３は、データソース４５から画像データ（例えばビデオ、グラフィックス等）のストリームを受け取り、かつ装置４２にデータを入力するように構成することが好ましい。多くの種類のデータソースが考えられる。本発明の好適な実施態様では、データソース４５は、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、およびポータブルコンピュータ（ラップトップ）のような通信装置であるが、それらに限定されない。データソース４５のさらなる例として、テレビジョン装置、携帯テレビジョン装置、衛星受信機、ビデオカセットレコーダ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）プレーヤ、デジタル動画再生装置（例えばＭＰ４プレーヤ）、デジタルカメラ、ビデオグラフィックアレイ（ＶＧＡ）カード、および多くの医療画像診断装置、例えば超音波撮像装置、デジタルＸ線装置（例えばコンピュータ断層撮影用）、および磁気共鳴撮像装置が挙げられるが、それらに限定されない。
【０１２７】
画像情報に加えて、データソース４５は音声情報を生成することもできる。音声情報はインタフェース４３によって受信し、音声ユニット（図示せず）を用いてユーザに提供することができる。
【０１２８】
本発明の様々な例示的実施態様では、データソース４５は、符号化および／または圧縮された形でデータのストリームを提供する。これらの実施態様では、システム４０はさらに、データのストリームを、装置４２が認識可能なフォーマットに復号および／または圧縮解除するための復号器３３および／または圧縮解除ユニット３５を含む。復号器３３および圧縮解除ユニット３５は、希望に応じて２つの別々のユニットとして、または一体化されたユニットとして供給することができる。
【０１２９】
システム４０は、装置４２の機能を制御するため、および任意選択的に、かつ好ましくは、データソース４５と装置４２との間の情報転送を制御するためのコントローラ３７を含むことが好ましい。コントローラ３７は、明るさ、色相、コントラスト、画素分解能等のような、しかしそれらに限定されない、装置４２の表示特性のいずれかを制御することができる。加えてコントローラ３７はデータソース４５に、その動作を制御するための信号を伝送することができる。さらに詳しくは、コントローラ３７は、データソース４５の動作モードを活性化、非活性化、および選択することができる。例えばデータソース４５がテレビジョン装置であるか、あるいは放送局と連絡している場合、コントローラ３７は表示されるチャネルを選択することができる。データソース４５がＤＶＤまたはＭＰ４プレーヤである場合、コントローラ３７は、データのストリームが読み出されるトラックを選択することができる。音声情報が伝送される場合、コントローラ３７は音声ユニット３１および／またはデータソース４５のボリュームを制御することができる。
【０１３０】
システム４０またはその一部分（例えば、装置２０）を、ヘルメットまたは眼鏡のような、ただしそれらに限定されないウェアラブル装置と一体化して、好ましくは双眼装置２０を手で保持する必要なく、ユーザに画像を観視させることができる。
【０１３１】
装置２０はまた、視覚矯正装置、例えば近視（近眼）を矯正するための例えば１つ以上の矯正レンズと共に使用することもできる。この実施態様では、視覚矯正装置は目と装置２０との間に配置することが好ましい。
【０１３２】
システム４０またはその一部分は、既存のウェアラブル装置に取り付けるよう適応することができる。例えば、装置２０はユーザの眼鏡に取り付けることのできる眼鏡クリップとして製造されることができ、または装置２０は、ヘルメットのスクリーンに取り付けることのできるヘルメットアクセサリとして製造されることができる。
【０１３３】
上述の実施態様のいずれにおいても、システムまたは装置は、データソースまたは画像データを伝送することのできる他の装置へのアドオンとして提供することもできる。さらに、本実施態様はまた、データソース、画像生成装置、双眼装置、および任意にウェアラブル器具を含むキットとして使用することもできる。例えばデータソースが通信器具である場合、本実施態様は通信キットとして使用することができる。
【０１３４】
上記実施態様はいずれも、光学器具２２、さらに具体的には入力／出力光学素子および光透過性基材の賢明な設計によって、適正に実現することができる。
【０１３５】
例えば、上述の通り、入力および出力光学素子は、同一周期を有しかつ平行配向である線形回折格子とすることができる。この実施態様は角度維持される（ａｎｇｌｅ−ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ）ので有利である。特に、線形格子の同一周期および平行性は、基材から出射する光線間の相対配向が、入力光学素子に衝突する前のそれらの相対配向と同様であることを確実にする。装置２０が画像を透過させるための双眼光学装置である実施態様では、角度維持構成は、光線が画像の特定の点から発し、両方の目に二つの相互に平行な光線として到達することを確実にする。したがって、そのような光線は、空間内を同一角度から到達したものとして、両方の目で観視することができる。そのような構成により、光学素子の相対的位置決めおよび／または相対的位置合せが必要な従来の双眼装置とは異なり、目の緊張または観視者への他のいかなる不都合も無く、ビューイングコンバーゼンス（ｖｉｅｗｉｎｇ  ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）が容易に得られることは理解されるであろう。
【０１３６】
本発明の好適な実施態様では、各光学器具において、光のそれぞれの部分の波長λと線形回折格子の周期ｄとの間の比は、１に等しいかまたは１より大きい。
2008535032.tif 000011
【０１３７】
別の実施態様では、比λ／ｄは光透過性基材の屈折率ｎＳより小さい。さらに詳しくは、ｄおよびｎＳは次の不等式に適合するように選択することができる。
2008535032.tif 000012
ここでｐは１より小さい予め定められたパラメータである。
【０１３８】
ｐの値は、ｓｉｎ（αＤＭＡＸ）であることが好ましい。ここで（αＤＭＡＸ）は光のそれぞれの部分の最大回折角である。一般的にαＤＭＡＸには理論的な制約が無いので（その絶対値が９０゜未満であるという要件は別として）、特定の小型化の必要性によって課せられるコスト、アベイラビリティ、または幾何学的制約のような実用的考慮事項に従って選択することができる。
【０１３９】
したがって、本書でさらに「少なくとも１つのホップ」実施態様と呼ぶ一実施態様では、αＤＭＡＸは、約２５ｍｍから約８０ｍｍまで変化する予め定められた距離ｘ内で少なくとも１回反射することができるように選択される。
【０１４０】
例えばｎＳ＝１．５の屈折率および２ｍｍの厚さを持つガラスの光透過性基材の場合、４６５ｎｍの波長を有する光の３４ｍｍの距離ｘ内での１回の内部全反射は、αＤＭＡＸ＝８３．３゜に対応する。
【０１４１】
本書でさらに「フラット」実施態様と呼ぶ別の実施態様では、αＤＭＡＸは、例えば全ての回折角が充分に小さく、例えば８０゜未満になるという要件を課すことによって、光透過性基材内の反射事象の数を低減するように選択される。
【０１４２】
光透過性基材の屈折率が既知であるという産業における状況に特に適用可能な追加の実施態様では（例えば装置２０が特定の光透過性基材を含む所与の装置と同期して動作するように意図される場合）、式７を反転してｐの値を得ることができ、したがってαＤＭＡＸ＝ｓｉｎ−１ｐの値も得ることができる。
【０１４３】
本発明の好適な実施態様では、各サブスペクトルについて、格子周期はサブスペクトルの最短波長に対しては式６に適合するように選択し、サブスペクトルの最長波長に対しては式７に適合するように選択することが好ましい。詳しくは、次の通りである。
2008535032.tif 000013
ここでλＳおよびλＬはそれぞれサブスペクトルの最短および最長波長である。式８から、基材の屈折率はこれらの条件下でｎＳｐ≧λＬ／λＳを満たさなければならないということになることに注目されたい。
【０１４４】
格子周期も和λＳ＋λＬより小さくすることができ、例えば次のようにすることができる。
2008535032.tif 000014
【０１４５】
本発明の好適な実施態様では、各々の光学素子の線形格子は、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、直接描画技術によって、エンボシング、もしくはエッチングによって、または当業界で公知の他の手順によって記録することができる。
【０１４６】
光透過性基材は、可視光の場合にはガラスまたは透明なポリマのような、ただしそれらに限らず、光を透過することのできる任意の材料から製造することができることを理解されたい。いずれの場合も、光透過性基材の材料の屈折率は、空気または光透過性基材と界接する他のどんな物質の屈折率より大きくなければならない。
【０１４７】
本発明の任意の実施態様の好適な技術的詳細は次の通りである。光透過性基材の厚さｔは約０．５ｍｍから約５ｍｍの間であり、より好ましくは約２ｍｍないし約３ｍｍである。本発明の様々な例示的実施態様では、ｔは１０λＬより大きい。光透過性基材の幅／長さは約１０ｍｍないし約１００ｍｍであることが好ましい。入力および出力光学素子の典型的な幅／長さは、米国特許第５９６６２２３号に記載されている覗き込み型ディスプレイ（ｎｅａｒ  ｅｙｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）用途のような様々な光学用途の場合、約５ｍｍから約２０ｍｍまでの範囲である。好適な水平視野は、内包的表現で少なくとも１６度、より好ましくは少なくとも２０度、最も好ましくは少なくとも２４度である。光の好適なスペクトルは少なくとも１００ｎｍに及ぶ。より具体的には、スペクトルの最短波長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に対応し、最長波長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に対応する。
【０１４８】
明確にするため別個の実施態様で説明されている本発明の特定の特徴は単一の実施態様に組み合わせて提供することもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施態様で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで提供することもできる。
【０１４９】
本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更及び変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更及び変形すべてを包含するものである。本願で挙げた刊行物、特許及び特許願はすべて、個々の刊行物、特許及び特許願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用又は確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】従来技術の色彩画像表示システムの模式図である。
【図２】本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光を透過させるのに好適な方法のフローチャート図である。
【図３ａ】本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光を透過させるための光学装置の模式図である。
【図３ｂ−ｃ】図３ｂは、本発明の様々な例示的実施態様による複数の波長のスペクトルを有する光を透過させるための光学装置の模式図であり、図３ｃは、本発明の様々な例示的実施態様による出力光学素子の模式図である。
【図４】本発明の様々な例示的実施態様によるユーザに画像を提供するためのシステムの模式図である。
【図１】
2008535032.tif 000015
【図２】
2008535032.tif 000016
【図３ａ】
2008535032.tif 000017
【図３ｂ−ｃ】
2008535032.tif 000018
【図４】
2008535032.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月31日(2007.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
色彩光源によって生成された光を透過させるための光学装置であって、前記光は複数の波長のスペクトルを有し、前記装置は複数の光学器具を含み、前記複数の光学器具の各光学器具は、少なくとも一つの回折入力光学素子を有するように形成された光透過性基材を有し、前記少なくとも一つの回折入力光学素子は、前記光のスペクトル部分を前記光透過性基材の中へ実質的に排他的に回折させ、前記光の前記部分が内部全反射を介して前記光透過性基材内で伝搬するように設計されかつ構築され、前記光の各スペクトル部分は前記スペクトルのサブスペクトルに対応し、前記光の異なるスペクトル部分が異なる光透過性基材中で伝搬する、光学装置。
【請求項２】
前記光透過性基材は少なくとも一つの回折出力光学素子を有するようにさらに形成され、前記少なくとも一つの回折出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの回折出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ユーザに色彩画像を提供するためのシステムであって、前記画像が複数の波長のスペクトルを有する光によって構成され、前記システムが：
複数の光学器具を含む光学装置であって、前記光学器具は、前記スペクトルの異なるサブスペクトルに対応する光の異なる部分が異なる光学器具内を効率的に伝搬し、前記光学装置から出射してユーザの少なくとも第一の目に入るような態様で、光を分解しかつ再構成するように設計されかつ構築される光学装置；および
前記光学装置に画像を提供するための色彩画像生成装置
を含む、システムにおいて、前記複数の光学器具の各光学器具は、少なくとも一つの回折入力光学素子および少なくとも一つの回折出力光学素子を有するように形成された光透過性基材を有し、前記少なくとも一つの回折入力光学素子は、前記光のスペクトル部分を前記光透過性基材の中へ実質的に排他的に回折させ、前記光の前記部分が内部全反射を介して前記光透過性基材内で伝搬するように設計されかつ構築され、前記少なくとも一つの回折出力光学素子は、前記光の前記スペクトル部分を前記光透過性基材の外へ実質的に排他的に回折させるように設計されかつ構築されることを特徴とするシステム。
【請求項４】
各光学器具は、異なる平面と係合する平面状光学器具である、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項５】
前記少なくとも一つの回折入力光学素子は、光のそれぞれのスペクトル部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他のスペクトル部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項６】
異なる光透過性基材の入力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折する一方、光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にするように設計されかつ構築される、請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
異なる光透過性基材の出力光学素子はそれらの間に少なくとも部分的重複を有する、請求項２または３に記載の装置またはシステム。
【請求項９】
予め定められた水平視野を特徴とし、前記複数の光学器具の各光学器具も前記予め定められた水平視野を特徴とする、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項１０】
前記複数の光学器具は第一光学器具および第二光学器具を含む、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項１１】
前記複数の光学器具は第一光学器具、第二光学器具および第三光学器具を含む、請求項１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項１２】
複数の波長のスペクトルを有する光を透過させる方法であって、回折によって前記光を前記スペクトルの異なるサブスペクトルにそれぞれ対応する複数の部分へと分解し、そして前記光の各部分を異なる光透過性基材内で内部全反射を介して透過させることを含む、方法。
【請求項１３】
各光学器具は、少なくとも一つの入力光学素子を有するように形成された光透過性基材を含み、前記少なくとも一つの入力光学素子は、前記光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の中へ回折させ、内部全反射を介して前記光透過性基材内での前記それぞれの部分の伝搬を可能にする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の部分を再構成することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記再構成することは、前記光の各部分をそれぞれの光透過性基体の外へ回折することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
各光透過性基材は少なくとも一つの出力光学素子を有するようにさらに形成され、前記少なくとも一つの出力光学素子は、光のそれぞれの部分を前記光透過性基材の外へ回折し、そして光の他の部分が最小の回折でまたは回折なしで前記少なくとも一つの出力光学素子を通過することを可能にする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記サブスペクトルは第一サブスペクトルおよび第二サブスペクトルを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記サブスペクトルは第一サブスペクトル、第二サブスペクトルおよび第三サブスペクトルを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記分解すること、透過させることおよび再構成することは、前記光を特徴付ける視野が維持されるような態様で行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記最小の回折は１０％未満の回折効率によって特徴付けられる、請求項２、７、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２１】
各光学器具の前記少なくとも一つの入力光学素子および前記少なくとも一つの出力光学素子の各々は、光線が前記少なくとも一つの入力光学素子によって前記光学器具の中へ回折され、そして角度維持的態様で前記少なくとも一つの出力光学素子によって前記光学器具の外へ回折されるように設計されかつ構築される、請求項２、７、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２２】
各光学器具の各出力光学素子は、それによって回折される光の予め定められた部分の輝度不均一性を減少させるように設計されかつ構築される、請求項２、７、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２３】
前記出力光学素子は複数の区分を含み、前記複数の区分の各区分は異なる回折効率によって特徴付けられる、請求項２２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２４】
前記複数の区分の前記回折効率は調和級数を形成する、請求項２３に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２５】
前記区分の数は、前記出力光学素子に沿って伝搬する間のそれぞれのサブスペクトルの光線の反射の特徴的な数に等しい、請求項２３に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの出力光学素子は第一出力光学素子および第二出力光学素子を含む、請求項２、７、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２７】
前記少なくとも一つの入力光学素子、前記第一出力光学素子および前記第二出力光学素子は、前記光のそれぞれの部分の各光線が前記光学器具内で二つに分岐し、二つの実質的に平行な光線の形で前記光透過性基材を出射するように設計されかつ構築される、請求項２６に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２８】
前記少なくとも一つの入力光学素子の各々は独立した線形回折格子である、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項２９】
前記少なくとも一つの出力光学素子の各々は独立した線形回折格子である、請求項２、３，または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に同一周期を有する、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの入力光学素子の前記線形回折格子および前記少なくとも一つの出力光学素子の前記線形回折格子は、実質的に平行である、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３２】
前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、１に等しいかまたは１より大きい、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３３】
前記光のそれぞれの部分の波長と前記線形回折格子を特徴付ける周期との間の比は、前記光透過性基材の屈折率より小さい、請求項２９に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３４】
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１または３に記載の装置またはシステム。
【請求項３５】
前記コリメータは収束レンズを含む、請求項３４に記載の装置またはシステム。
【請求項３６】
前記コリメータは回折光学素子を含む、請求項３４に記載の装置またはシステム。
【請求項３７】
前記内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材に垂直な方向に対し約８０度に等しい、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３８】
前記内部全反射を特徴付ける最大回折角は、前記光透過性基材中の予め定められた距離にわたって少なくとも１回の反射が可能となるように選択される、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項３９】
前記予め定められた距離は約２５ｍｍ〜約８０ｍｍである、請求項３８に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４０】
前記光透過性基材の厚さは約０．５ｍｍ〜約５ｍｍである、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４１】
前記光透過性基材の厚さは、前記スペクトルの最短波長の１０倍より大きい、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４２】
前記光透過性基材はガラスおよび透明ポリマーから成る群から選択される、請求項１、３、または１２に記載の装置、システム、または方法。
【請求項４３】
前記水平視野は少なくとも１６度である、請求項９または１９に記載の、装置、システム、または方法。
【請求項４４】
前記水平視野は少なくとも２０度である、請求項９または１９に記載の、装置、システム、または方法。
【請求項４５】
前記水平視野は少なくとも２４度である、請求項９または１９に記載の、装置、システム、または方法。
【国際調査報告】
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