(57)【要約】  機械的本体（１１０）、機械的本体内に埋設される、少なくとも２つの主要な表面と縁部とを有する光透過性基板（２０）、光を全反射によって前記基板に結合するための光学素子（９０）、並びに、基板によって支持される複数の部分的反射表面（２２）を含み、部分的反射表面は互いに平行であり、且つ、基板の縁部のいずれとも平行でない光学系が提供される。系は、画像取込み装置（１１２）、ディスプレイ源（４）、及び、画像処理装置（１１４）も含む。画像取込み装置（１１２）は、画像処理装置（１１４）を介して、ディスプレイ源に接続される。
2008533507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的本体と、
該機械的本体内に埋設される、少なくとも２つの主要な表面と縁部とを有する光透過性の基板と、
光を全反射によって前記基板に結合するための光学的手段と、
前記基板によって支持される複数の部分的反射表面と、
少なくとも１つの画像取込み装置と、
少なくとも１つのディスプレイ源と、
画像処理装置とを含み、
前記部分的反射表面は、互いに平行であり、且つ、前記基板の前記縁部のいずれとも平行でない、
光学系であって、
前記画像取込み装置は、前記画像処理装置を介して、前記ディスプレイ源に接続されることを特徴とする、
光学系。
【請求項２】
前記２つの主要な表面は、平行である、請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記ディスプレイ源は、全反射によって前記光学的手段によって前記基板に結合される画像光波を生成する、請求項１に記載の光学系。
【請求項４】
前記画像取込み装置は、デジタルビデオカメラである、請求項１に記載の光学系。
【請求項５】
前記画像取込み装置は、スターライト増幅器である、請求項１に記載の光学系。
【請求項６】
前記画像取込み装置は、温度カメラである、請求項１に記載の光学系。
【請求項７】
前記温度カメラは、冷却されない検出器を利用する、請求項６に記載の光学系。
【請求項８】
前記画像取込み装置は、ミリ光波検出器である、請求項１に記載の光学系。
【請求項９】
前記画像取込み装置は、光学ズーム能力を有する、請求項１に記載の光学系。
【請求項１０】
前記複数の部分的反射表面は、全反射によって捕捉される光波を前記基板から離れて結合する、請求項１に記載の光学系。
【請求項１１】
前記ディスプレイ光源は、液晶ディスプレイである、請求項１に記載の光学系。
【請求項１２】
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、請求項１に記載の光学系。
【請求項１３】
前記基板は、部分的に透明である、請求項１に記載の光学系。
【請求項１４】
外部シーンからの光波の進入を遮断するために、前記基板の前記表面に取り付けられる不透明層をさらに含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項１５】
外部シーンから前記装置を通過する光波の明るさを制御するために、前記基板の前記表面に取り付けられる可変透過層をさらに含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項１６】
前記可変透過層の透過率は、前記外部シーンの明るさに従って自動的に決定される、請求項１５に記載の光学系。
【請求項１７】
前記画像取込み装置は、前記機械的本体に取り付けられる、請求項１に記載の光学系。
【請求項１８】
前記ディスプレイ源は、前記機械的本体に取り付けられる、請求項１に記載の光学系。
【請求項１９】
前記画像処理装置は、前記機械的本体に取り付けられる、請求項１に記載の光学系。
【請求項２０】
前記機械的本体は、眼鏡フレームである、請求項１に記載の光学系。
【請求項２１】
少なくとも２つの異なる光透過性基板が、前記眼鏡フレームの内部に埋設される、請求項２０に記載の光学系。
【請求項２２】
単一のディスプレイ源が前記眼鏡フレームに取り付けられ、前記ディスプレイ源からの前記画像は前記２つの光透過性基板に分割される、請求項２１に記載の光学系。
【請求項２３】
２つの異なるディスプレイ源が、前記眼鏡フレームに取り付けられる、請求項２１に記載の光学系。
【請求項２４】
２つの同一の画像が、前記２つの異なるディスプレイ源から投射される、請求項２３に記載の光学系。
【請求項２５】
２つの異なる画像が、前記２つの異なるディスプレイ源から投射される、請求項２３に記載の光学系。
【請求項２６】
前記２つの異なるディスプレイ源は、前記同一の画像の２つの異なる部分を投射し、該２つの部分の間に幾らかのオーバーラップを伴う、請求項２５に記載の光学系。
【請求項２７】
実体像を創成するために、前記２つの異なるディスプレイ源は、２つの異なるシーンを投射する、請求項２５に記載の光学系。
【請求項２８】
単一の画像取込み装置が、前記画像処理装置を介して、前記２つの異なるディスプレイ源に接続される、請求項２５に記載の光学系。
【請求項２９】
少なくとも２つの異なる画像取込み装置が、前記画像処理装置を介して、前記２つの異なるディスプレイ源に接続される、請求項２５に記載の光学系。
【請求項３０】
当該光学系は、動的光学ズーム能力を有するデジタルビデオカメラとして機能する、請求項２０に記載の光学系。
【請求項３１】
当該光学系は、暗視ゴグルとして機能する、請求項２０に記載の光学系。
【請求項３２】
当該光学系は、単一光学倍率を有する、請求項３１に記載の光学系。
【請求項３３】
前記装置は、低視力補助として機能する、請求項２０に記載の光学系。
【請求項３４】
前記機械的本体は、手持ち装置である、請求項２０に記載の光学系。
【請求項３５】
当該光学系は、携帯電話の一部である、請求項３４に記載の光学系。
【請求項３６】
当該光学系は、娯楽装置の一部である、請求項３４に記載の光学系。
【請求項３７】
当該光学系は、デジタルビデオカメラとして機能する、請求項３４に記載の光学系。
【請求項３８】
当該光学系は、サーベイランス装置として機能する、請求項３４に記載の光学系。
【請求項３９】
当該光学系は、ヘッドアップディスプレイ装置の一部である、請求項１に記載の光学系。
【請求項４０】
前記画像取込み装置と整列される外部センサ装置をさらに含む、請求項３９に記載の光学系。
【請求項４１】
前記外部センサ装置は、ＲＡＤＡＲシステムである、請求項４０に記載の光学系。
【請求項４２】
前記外部センサ装置は、ミサイルの追跡機構である、請求項４０に記載の光学系。
【請求項４３】
前記外部センサ装置は、航行システムである、請求項４０に記載の光学系。
【請求項４４】
当該光学系は、味方敵識別システムとして機能する、請求項３９に記載の光学系。
【請求項４５】
当該光学系は、安全警報システムとして機能する、請求項３９に記載の光学系。
【請求項４６】
当該光学系は、強化視野システムとして機能する、請求項３９に記載の光学系。
【請求項４７】
前記部分的反射表面の少なくとも１つは、薄膜角感受性材料で塗工される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項４８】
前記部分的反射表面の少なくとも１つは、異方性表面である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの異方性表面は、前記表面平面と平行な主軸を有し、前記表面の反射及び透過特性は、前記表面の前記主軸に対する前記入射光波の偏光の向きに実質的に依存することを特徴とする、請求項４８に記載の光学装置。
【請求項５０】
前記異方性表面は、前記主軸と平行な電場ベクトルを備える前記入射光波を反射し、且つ、前記主軸に対して垂直な電場を備える前記入射光波を透過する、請求項４９に記載の光学装置。
【請求項５１】
前記異方性の部分的反射表面は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタである、請求項４８に記載の光学装置。
【請求項５２】
前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、透明基板によって支持される薄い平行な導体の配列を含み、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの主軸は、前記導体の配列と平行であることを特徴とする、請求項５１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、基板案内光学系に関し、具体的には、光導波路光学素子（ＬＯＥ）とも呼ばれる、共通の光透過性基板によって支持される複数の部分的に反射的な表面を含む装置に関する。
【０００２】
本発明は、ヘッドマウント及びヘッドアップディスプレイ、携帯電話、コンパクトディスプレイ、３Ｄディスプレイ、コンパクトビームエキスパンダのような多数の結像用途、並びに、フラットパネル表示器、コンパクト照明器及びスキャナのような非結像用途に利するよう実施され得る。
【背景技術】
【０００３】
コンパクト光学素子のための重要な用途の１つは、二次元ディスプレイが無限遠に結像され且つ観察者の目の内に反射される点で光学モジュールが結像レンズ及び結合器の両方として働くヘッドマウントディスプレイにある。ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）のような空間光変調器（ＳＬＭ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード配列（ＯＬＥＤ）、走査源又は類似装置のいずれかから直接的に、或いは、リレーレンズ又は光学繊維束を用いて間接的に得られることができる。ディスプレイは、コリメーティングレンズによって無限遠に結像され且つそれぞれ非透視及び透視用途のための結合器として作用する反射表面又は部分反射表面を用いて視聴者の目に透過される素子（画素）の配列を含む。典型的には、これらの目的のために従来的な自由空間光学モジュールが使用される。残念ながら、系の所望の視野（ＦＯＶ）が増大するにつれて、そのような従来的な光学モジュールは、より大きく、より重く、より嵩張るようになり、従って、中程度の性能のためにさえ、非実際的である。これは全ての種類のディスプレイのための大きな欠点であるが、特に、系が必然的に可能な限り軽量且つコンパクトでなければならないヘッドマウント用途においては、そうである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンパクトさのための奮闘は、幾つかの異なる複雑な光学的解決に至り、それらの全ては、一方では、殆どの実際的な用途のために依然として十分にコンパクトではなく、他方では、製造性に関して大きな欠点を被っている。その上、これらの設計に起因する光学的視角は、普通、極めて小さく、典型的には、８ｍｍ未満である。故に、光学系の性能は、視聴者の目−運動−ボックスに対する光学系の小さな動作に対してさえ、極めて敏感であり、そのようなディスプレイからのテキストの快適な判読のための十分な瞳運動を許容しない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、とりわけヘッドマウントディスプレイの用途のために、極めてコンパクトなＬＯＥの設計及び製造を容易化する。本発明は、比較的大きな目−運動−ボックス値と共に、比較的広いＦＯＶを可能にする。結果として得られる光学系は、大きな高品質画像をもたらし、それは目の大きな動作にも適合する。本発明によってもたらされる光学系は特に有利である。何故ならば、それは最新技術の実施よりの実質的によりコンパクトでありながら、特殊な構造を有する光学系にさえ容易に組み込まれ得るからである。
【０００６】
本発明は、改良されたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の構成も可能にする。そのようなディスプレイの始まりは３０年以上も昔であるので、当該分野には著しい進歩がある。まさに、ＨＵＤは普及し、それらは今や、最も現代的な戦闘機においてのみならず、民間航空機においても大きな役割を演じており、そこでは、ＨＵＤ装置は、低視界着陸操作のための鍵となる要素になっている。その上、最近、自動車用途においてＨＵＤのために数多くの提案及び設計があり、そこでは、それらは運転及び航行任務において操縦者を潜在的に助け得る。それにも拘わらず、最新のＨＵＤは幾つかの著しい欠点を被っている。現在の設計の全てのＨＵＤは、源が結合器全体を照明するのを保証するために、結合器から著しい距離にオフセットされなければならないディスプレイ源を必要とする。結果的に、結合器−投射器ＨＵＤ装置は必然的に嵩張り、大きく、且つ、かなりの装着空間を要求し、それはそれを装着のために不便にし、時には、使用するのが危険にさえする。従来的なＨＵＤの大きな光学開口は、著しい光学的な設計の挑戦も提起し、妥協する性能を備えるＨＵＤにさせるか、或いは、高性能が要求されるところではどこでも高コストを招く。高品質ホログラフィックＨＵＤの色分散が具体的な関心事である。
【０００７】
本発明の重要な用途は、コンパクトなＨＵＤにおけるその実施であり、それは前記欠点を軽減する。本発明のＨＵＤ設計において、結合器は、基板に取り付けられ得るコンパクトなディスプレイ源で照明される。故に、全体的な系は、非常にコンパクトであり、広範な用途のための様々な構成に直ちに装着され得る。加えて、ディスプレイの色分散は無視可能であり、故に、従来的な白色光源を含む広いスペクトル源で動作し得る。加えて、本発明は、結合器の活性地域が光源によって実際に照明される地域よりもずっと大きくあり得るよう画像を拡大する。
【０００８】
本発明のさらなる用途は、携帯電話のような移動性手持ち用途のための広いＦＯＶを備えるコンパクトなディスプレイをもたらすことである。今日の無線インターネットアクセス市場において、フルビデオ送信のために十分な帯域幅が利用可能である。制限的な要因は、相変わらず末端使用者の装置内のディスプレイの品質である。移動性要求は、ディスプレイの物理的サイズを制限し、その結果は、不十分な画像視聴品質を伴う直接ディスプレイである。本発明は、極めて大きな仮想画像を伴う物理的に極めてコンパクトなディスプレイを可能にする。これは、移動体通信における、特に、移動性インターネットアクセスのための鍵となる機能であり、その実際的な実施のための主要な制限の１つを解決する。それによって、本発明は、携帯電話のような小さな手持ち装置内での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視聴を可能にする。
【０００９】
本発明の広い目的は、従って、最新技術のコンパクトな光学ディスプレイ装置の欠点を軽減し、且つ、特別な条件に従った改良された性能を有する他の光学素子及び系を提供することである。
【００１０】
従って、本発明によれば、機械的本体と、機械的本体内に埋設される、少なくとも２つの主要な表面と縁部とを有する光透過性基板と、光を全反射によって基板に結合するための光学的手段と、基板によって支持される複数の部分的反射表面と、少なくとも１つの画像取込み装置と、少なくとも１つのディスプレイ源と、画像処理装置とを含み、部分的反射表面は、互いに平行であり、且つ、基板の縁部のいずれとも平行でない光学系であって、画像取込み装置は、画像処理装置を介してディスプレイ源に接続されることを特徴とする光学系が提供される。
【００１１】
本発明は、より十分に理解され得るよう、以下の例示的な図面を参照して特定の好適実施態様に関連して記載される。
【００１２】
図面を詳細に特に参照するならば、図示される具体性は一例であり、且つ、本発明の好適実施態様の例示的な議論の目的のためだけであり、本発明の原理的並びに着想的な側面の最も有用で容易に理解される記載であると考えられるものを提供するために提示される。この関係で、本発明の構造的な詳細を本発明の根本的な理解のために必要である以上により詳細に示す試みはなされない。図面と共になされる記載は、本発明の幾つかの形態がどのように実際的に具現化されるかについて、当業者への指針としての働きをする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、基板２がディスプレイ源４によって照明される先行技術の折畳み(folding)光学配列を例証している。ディスプレイは、コリメーティングレンズ６によって平行化されている。ディスプレイ源４からの光は、主光線１０が基板平面と平行であるよう、第一反射表面８によって基板２に結合されている。第二反射表面１２が、基板から離れる光を視聴者の目１４に結合する。この構成のコンパクトさにも拘わらず、それは著しい欠点を被る。具体的には、極めて限定的なＦＯＶのみが影響され得る。図１に示されるように、基板内部の最大許容軸外し角は、
【００１４】
【数１】
2008533507.tif 000003
であり、ここで、Ｔは、基板の厚さであり、ｄｅｙｅは、所望の出口瞳直径であり、ｌは、反射表面８及び１２の間の距離である。
【００１５】
αｍａｘよりも高い角度を用いるならば、光線は、反射表面１２に到達する前に基板面から反射される。故に、反射表面１２は望ましくない方向で照明され、ゴースト像が現れる。
【００１６】
従って、この構成を伴う最大の達成可能なＦＯＶは、
【００１７】
【数２】
2008533507.tif 000004
であり、ここで、ｖは、基板の屈折率である。
【００１８】
典型的には、屈折率の値は１．５〜１．６の範囲内にある。
【００１９】
一般的に、目の瞳の直径は、２〜６ｍｍである。ディスプレイの動作又は不整列に適合するために、より大きな出口瞳直径が必要である。ほぼ８〜１０ｍｍにある最小の望ましい値、典型的には４０〜８０ｍｍの間である、目の光学軸と頭の側部との間の距離、ｌを取るならば、８°の小さなＦＯＶのためにさえ、望ましい基板の厚さは、１２ｍｍのオーダである。
【００２０】
上記問題点を克服する方法が提案されている。これらは基板内部での拡大望遠鏡並びに非平行結合方向の利用を含む。しかしながら、これらの解決策を使用してさえも、たとえ１つの反射表面が考慮されるとしても、系の厚さは類似の値によって制限されたままである。ＦＯＶは基板平面上の反射表面１２の投射の直径によって制限される。機械的には、この制限の故に、最大に実現可能なＦＯＶは、
【００２１】
【数３】
2008533507.tif 000005
として表現され、ここで、αｓｕｒ’は、反射表面と基板平面に対する法線との間の角度であり、Ｒｅｙｅ’は、視聴者の目と基板との間の距離（典型的には、約３０〜４０ｍｍ）である。
【００２２】
実際には、ｔａｎαｓｕｒ’は、１よりもずっと大きくてはならず、故に、８°のＦＯＶのために上記された同一のパラメータのために、ここで、所要の基板の厚さは、７ｍｍのオーダであり、それは前の制限に対する改良である。それにも拘わらず、所望のＦＯＶが増大されるに応じて、基板の厚さも急激に増大する。例えば、１５°及び３０°の所望のＦＯＶのために、基板制限厚さは、それぞれ１８ｍｍ及び２５ｍｍである。
【００２３】
上記制限を軽減するために、本発明は、ＬＯＥ内に製造される選択的反射表面の配列を利用する。図２は、本発明に従ったＬＯＥの断面図を例証している。第一反射表面１６は、装置の背後に配置される光源（図示せず）から放射される平行化されたディスプレイ１８によって照明されている。反射表面１６は、光が全反射によって平坦な基板２０内部に捕捉されるよう、源からの入射光を反射する。基板の表面を離れる幾つかの反射の後に、捕捉された波は、選択的反射表面２２の配列に到達し、それらは基板から離れる光を視聴者の目２４に結合する。ここで、ＬＯＥの入力面は、入力波がＬＯＥに進入する表面として定められ、ＬＯＥの出力面は、捕捉された波がＬＯＥから出る表面として定められる。図２に例証されるＬＯＥの場合には、入力面及び出力面の双方は、下面２６と一致している。しかしながら、入力波及び画像波が基板の反対側に配置され得る他の構成も考えられる。源の中心波が基板面２６に対して垂直な方向に基板２０から離れて結合されると仮定すると、反射表面２２は平坦であり、基板２０内部の結合波の軸外し角はαｉｎ’であり、その場合には、反射表面と基板平面に対する法線との間の角度αｓｕｒ２は、
【００２４】
【数４】
2008533507.tif 000006
である。
【００２５】
図２に見られ得るように、捕捉された光線は、２つの異なる方向２８，３０から反射表面に到達する。この具体的な実施態様において、捕捉された波は、基板面２６及び２７からの偶数の反射の後に、これらの方向の１つ２８から反射表面に到達し、そこでは、捕捉された光線と反射表面に対する法線との間の入射角βｒｅｆは、
【００２６】
【数５】
2008533507.tif 000007
である。
【００２７】
捕捉された光線は、基板面２６及び２７からの奇数の反射の後に、第二方向３０から反射表面に到達し、その場合には、軸外し角は、α’ｉｎ＝１８０°−αｉｎであり、捕捉された波と反射表面に対する法線との間の入射角は
【００２８】
【数６】
2008533507.tif 000008
である。
【００２９】
図２に例証されているように、各反射表面のために、各光線は先ず方向３０から表面に到達し、そこでは、一部の光線は、方向２８から、再び表面上に衝突する。望ましくない反射及びゴースト像を回避するために、反射が第二方向２８を有する表面上に衝突する工船のために無視可能であることが重要である。
【００３０】
この要求に対する２つの解決策が以前に提案された。第一のものは、薄い膜コーティングの角感度を活用することである。もし一方の角度が他方の角度よりも著しく小さいならば、２つの入射方向の間の所望の感度限界(discrimination)が達成され得る。高い入射角で極めて低い反射並びに低い入射角のための高い反射を備えるコーティングを提供することが可能である。２つの方向の１つにおける反射を排除することによって、この特性は望ましくない反射及びゴースト像を阻止するために活用され得る。例えば、等式（５）及び（６）からβｒｅｆ〜２５°を選択するならば、それは、
【００３１】
【数７】
2008533507.tif 000009
と計算され得る。
【００３２】
もしβ’ｒｅｆは反射されないがβｒｅｆは反射される反射表面が決定されるならば、所望の条件が達成される。図３Ａ及び３Ｂは、選択的反射表面の所望の反射挙動を例証している。βｒｅｆ〜２５°の軸外し角を有する光線３２（図３Ａ）は部分的に反射され、基板から離れて結合されるが、β’ｒｅｆ〜７５°の軸外し角で反射表面（それはβ’ｒｅｆ〜１０５°と等しい）に到達する光線３６（図３Ｂ）は、如何なる目立つ反射もなしに、反射表面３４を通じて透過される。
【００３３】
図４は、基板内部に捕捉される光を視聴者の目に結合する且つ分離する選択的反射表面の配列の詳細な断面図である。見られ得るように、各周期において、結合される光線は、α’ｉｎ＝１１３０°である反射表面３８を通過し、それによって、光線と反射表面に対する法線と間の角度は、〜７５°であり、これらの表面からの反射は無視可能である。加えて、各周期において、光線は反射表面３９をαｉｎ＝５０°の方向に二度通過し、その場合には、入射角は２５°であり、光線のエネルギーの一部は基板から分離される。
【００３４】
代替的な解決策は、異方性反射表面、即ち、表面平面と平行な主軸を有する光学表面を利用し、そこでは、表面の反射及び透過特性は、表面の主軸に対する入射光の偏光の向きに強く依存する。２つの入射方向の間の所望の感度限界は、光線が所望の方向で表面に移転された後に、望ましくない方向が表面に交わるという事実を活用することによって達成され得る。
【００３５】
図５は、主軸４２を有する異方性の部分的反射表面４０の実施例を例証している。非偏光波４４が表面上に衝突する。部分的反射表面は、主軸４２と平行な電場ベクトルを備える光の成分４６を反射し、主軸４２に対して垂直な電場ベクトルを備える光の成分４８を透過する。
【００３６】
所要の異方性の部分的反射素子のための候補は、透明な基板によって支持される概ね薄い平行な導体の形態のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ５０であり得る。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ５０の性能を決定する鍵となる要因は、平行グリッド素子の中心間間隔又は周期と入射放射線の波長との間の関係である。グリッド間隔又は周期が波長よりもずっと短いとき、グリッドはグリッド素子と平行に偏光される電磁放射線を反射し且つ直角偏光の放射線を透過する偏光ビームスプリッタ５０として機能する。この場合には、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ５０の主軸は、導体の配列に対して平行として定められる。普通、最良の透過及びコントラストを得るために、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、図５に例証されるように、ｐ偏光を透過し且つｓ偏光を反射するように使用されなければならない。しかしながら、図６に示されるように、ビームスプリッタを直角向きに使用することも可能である。即ち、偏光ビームスプリッタ５０の主軸５２は、入射ビーム４４の伝播方向と平行に向けられる。偏光ビームスプリッタの主軸は今やｓ偏光の電場と平行であるので、偏光ビームスプリッタは、主軸５２と平行な電場ベクトルを備えるｐ偏光の成分５６を反射し、主軸５２に対して垂直な電場ベクトルを備えるｓ偏光の成分５８を透過する。普通、図６に例証される幾何は、図５に記載されたものと比べ低減された効率並びにコントラストを有する。しかしながら、一部の用途のために、この幾何も有用であり得る。
【００３７】
図７は、ＬＯＥの実施例を例証しており、本発明に従った部分的反射表面としてワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを活用している。第一反射表面１６は、装置の背後に配置される光源（図示せず）から放射される非偏光平行化されたディスプレイ１８によって照明される。反射表面１６は、光が全反射によって平坦表面２０内部に捕捉されるよう、源からの入射光を反射する。基板の表面を離れる幾つかの反射の後、捕捉された波は、第一部分的反射表面２２ａに到達し、その主軸は捕捉波１８のｓ偏光成分６０を反射するよう向けられる。ｐ偏光成分６２は透過され、次に、第二反射表面２２ｂによって反射され、その主軸は反射されたｐ偏光波に向けられる。ｓ偏光波６０及びｐ偏光波６２は、双方とも基板から離れて、視聴者の目２４に結合される。本来的に、この構成のために、入力ビームの偏光成分は均衡されなければならない。故に、コリメーティングレンズからの並びに基板２０自体の内部の複屈折効果を防止する配慮がなされなければならない。
【００３８】
図８は、基板内部に捕捉される光を視聴者の目に分離し結合する部分的反射表面２２の詳細な断面図である。見られ得るように、各周期において、結合される光線１８は、反射表面２２を三度通過する。第一入射地点７０で、ｓ偏光成分７２は反射され、基板から離れて結合される。透過されるｐ偏光成分７４は外部表面２７の１つを離れて反射され、次に、再び地点７６及び７８で表面２２ａと交差し、それらの間で、それは再び反対の外部表面から離れて反射される。しかしながら、これらの２つの地点７６及び７８で、入射光はｐ偏光されるのに対し、表面２２ａの向きはｓ偏光を反射し且つｐ偏光を透過するように設定される。故に、望ましくない反射及びゴースト像を防止するために、これらの地点での反射は、図２に関連して、上記に要求されるように、無視可能である。本来的に、この着想は、図７及び８に例証される実施例のためのみならず、視聴者の目に画像を投射するために２つよりも多くの部分的反射表面が利用される、より一般的な場合にも有効であり得る。
【００３９】
一般的に、上記に検討された光導波路光学素子の全ての異なる構成は、ディスプレイ用とのための代替的なコンパクト光学に対する幾つかの重要な利点をもたらし、以下を含む。
【００４０】
１）入力ディスプレイ源は基板に対して極めて近接して配置され得るので、光学系全体は極めてコンパクト且つ軽量であり、比類のないフォームファクタをもたらす。
【００４１】
２）他のコンパクトなディスプレイ構成と対称的に、本発明は、アイピースに対する入力ディスプレイ源の場所に関する柔軟性をもたらす。この柔軟性は、源を拡大する基板に近接して配置する能力と組み合わされて、他のディスプレイ装置に普通な軸外し光学構成を使用する必要を軽減する。加えて、ＬＯＥの入力開口は出力開口の活性地域よりもずっと小さくなければならないので、コリメーティングレンズ６の開口数は同等の従来的な結像系のために必要とされる開口数よりもずっと小さい。結果的に、著しくより便利な光学系が実施され得るし、場収差及び色収差のような、軸外し光学及び高開口数レンズに関連する多くの困難が比較的容易に且つ効率的に補償され得る。
【００４２】
３）本発明における選択的反射表面の反射係数は、関連するスペクトル全体に亘って本質的に同一である。故に、単色光源及び多色光源の双方がディスプレイ源として利用され得る。ＬＯＥは無視可能な波長依存を有し、高解像度を備える高品質カラーディスプレイを保証する。
【００４３】
４）入力ディスプレイからの各地点は、反射配列の大きな部分から視聴者の目に反射される平坦な光波内に移転されるので、目の正確な場所上の許容差は著しく緩和され得る。よって、視聴者はＦＯＶ全体を見ることができ、目−運動−ボックスは他のコンパクトなディスプレイ構成におけるよりも著しく大きくあり得る。
【００４４】
５）ディスプレイ源からの強度の大きな部分は基板に結合されるので、並びに、この結合エネルギーの大きな部分は「再利用」され且つ視聴者の目に結合されるので、低い出力消費を伴うディスプレイを用いてさえ、比較的高い明るさのディスプレイが達成され得る。
【００４５】
図９は、ＬＯＥ２０が眼鏡フレーム８８に埋設された本発明の実施態様を例証している。ディスプレイ源４、コリメーティングレンズ、及び、折畳み素子９０は、ＬＯＥ２０の隣で、眼鏡フレームのアーム部分９２内部に組み立てられている。ディスプレイ源が、小型ＣＲＴ、ＬＣＤ、又は、ＯＬＥＤのような電子素子である場合には、ディスプレイ源のための駆動電子工学９４は、アーム９２の背部内部に組み立てられ得る。電源及びデータインターフェース９６が、電線９８又は無線又は光透過を含む他の任意の通信手段によってアーム９２に接続され得る。代替的に、電池及び小型データリンク電子工学が、眼鏡フレーム内に一体化され得る。
【００４６】
上記に記載される実施態様は、透視装置及び非透視装置の双方において働き得る。後者の場合には、不透明層がＬＯＥ２０の正面に配置される。ＬＯＥ全体を遮蔽する必要はなく、ディスプレイが可視的である活性地域だけである。このようにして、装置は使用者のための周辺視力を維持し、コンピュータ又はテレビスクリーンの視聴経験を再現し、そのような周辺視力は重要な認識機能に役立つ。代替的に、可変フィルタが、視聴者が外部シーンから放射される光の明るさのレベルを調節し得るよう、装置の正面に配置され得る。この可変フィルタは、折畳みフィルタ又は２つの回転する偏光子のような機械的に制御される装置、或いは、電子的に制御される装置のいずれかであり得るし、或いは、フィルタの透過率を外部背景の明るさによって決定する自動装置でさえあり得る。
【００４７】
図１０は、図９に記載される実施態様の修正版を例証している。眼鏡フレーム内に埋設される構成素子に加えて、選択的な光学ズーム能力を備える或いはそれに固定される小型ビデオカメラ１００が、例えば、フレーム９２の正面領域に装着される。カメラは、外部シーンから画像を取り込み、電子工学装置９４内部に装着され且つ使用者によって実時間に制御され得る画像処理装置１０２にビデオ信号を転送する。次に、処理済み画像信号は画像源４に転送され、画像源はＬＯＥ２０を通じて画像を使用者の目に投射する。
【００４８】
図１０の実施態様は、広範な用途において実施され得る。可能な利用は、遠隔の物体上でクローズアップビューを遂行する能力を必要とする使用者のためである。使用者は、所望の倍率に従ってビデオカメラのズーム位置を設定し得る。次に、取り込まれた画像は、画像処理装置によって処理され、光学系によって投射され得る。画像取込み装置１００は、必ずしも単純なビデオカメラである必要はない。他の用途は、暗視ゴグル装置を実現するために、温度カメラ(thermal  camera)又は小型スターライト増幅器（ＳＬＡ）と組み合わせ得る。外部シーンからの画像は、悪い照明条件においてさえ、或いは、完全な暗さにおいてさえ記録され、処理装置１０２によって、使用者によって容易に見られ得る従来的なビデオ画像に変換され得る。画像取込み装置及び結像系の光軸は、単一倍率と共に、相互に整列され得る。従って、投射画像は、最適な混成画像を生みために、実外部シーンと共に組み合わせられ得る。温度カメラを画像取込み装置として使用しながら、冷却されなない検出器として利用するカメラを使用することも有利である。これは低コストで極めてコンパクトな系を生み得る。
【００４９】
図１０に例証される実施態様の他の潜在的な用途は、老化関連黄斑変性（ＡＭＤ）を煩う人々のための視覚補助である。ＡＭＤは、世界中の何百万人という人々に影響を及ぼす進行性の目の状態である。病気は、最も鮮明な中心視力が起こる目の黄斑を攻撃する。それは完全な失明に帰結しないが、それは、読むこと、ドライブすること、顔を識別すること、テレビを見ること、精細な仕事をすること、階段を安全に進むこと、並びに、普通は当然と見なされる他の日常業務を遂行することのために必要な鮮明な「直進」中心視力を破壊し、視力の中心に薄暗い画像又は黒い穴だけを残す。それは薄暗いコントラスト感性及び色知覚でもあり得る。周辺視力は影響され得ず、「目の片隅」を見ることが可能である。
【００５０】
現在、低い視力を助けるために、幾つかの製品が市場にある。より普及した装置の１つは、患者が可能な限り通常に機能することを可能にするために、患者の周辺視力を活用する眼鏡マウント拡大鏡である。例えば、眼鏡マウント望遠鏡、又は、クローズアップのための眼鏡マウント顕微鏡が、視力を著しく向上し得る。これらの装置は眼鏡フレームから突出し、片目又は両目と共に使用され得るし、それらは望遠鏡のサイズに依存して２〜１０倍の間で拡大し得る。残念ながら、系の所望の倍率が増大すればするほど、これらの装置はより大きくなり、より重くなり、より嵩張るようになり、従って、中程度の性能のためにさえ、非実際的になる。これは全ての種類のディスプレイの大きな欠点であるが、特にヘッドマウント用途についてそうであり、年配の使用者のためにさらに一層そうであり、その場合には、系は必ず可能な限り軽量且つコンパクトでなければならない。他の不利点は、その変わった形状及び大きな寸法に起因する装置の「社会的でない外観」である。加えて、この装置を用いる機能性は、時折、極めて複雑であり得る。例えば、眼鏡マウント顕微鏡を使用するとき、物体は通常よりもずっと目に近接して保持されなければならない。図１０に記載される実施態様は、同一の「自然な外観」を伴って、従来的な眼鏡のようにコンパクト且つ軽量であり得るので、この装置は、ＡＭＤを煩う人々のための効果的な使用者に優しい低視力補助としての使用のための良好な候補であり得る。使用者は、彼の医療状況に従って並びに外部シーンに従って所要の光学倍率を容易に達成するために、光学系のズームを制御し得る。その上、この種類の眼鏡は、人々が改良された距離視力のために所要のズーム動作を切り替え、且つ、一般的な向きのために従来的な眼鏡レンズに戻すことを許容する点で、それらは、このズームが動的且つ連続的であるという追加的な利点を伴って、二重焦点の機能性を反映する。
【００５１】
ＬＯＥが図９及び１０に例証される実施態様を利用し得る正確な方法に関して幾つかの代替がある。最も単純な選択肢は、１つの目のために単一素子を使用することである。他の選択肢は、各目のために１つの素子及び１つのディスプレイ源を使用し、同一の画像を投射することであり、ディスプレイ源のための好適な場所は、こめかみの隣りである。類似の選択肢は、両目のために同一の画像を投射するが、その出力が２つのＬＯＥの間で分割されるよう、２つの眼鏡の間に配置される１つのディスプレイ源のみを使用することである。代替的に、２つの目の間に幾らかのオーバーラップを伴って、同一画像の２つの異なる部分を投射することが可能であり、より広いＦＯＶを可能にする。さらに他の可能性は、実体像を創成するために、各目に１つずつ、２つの異なるシーンを投射することである。この代替策を用いるならば、映像効果が強化された三次元映画、トレーニング装置、及び、その他を含む、魅力的な実施が可能である。眼鏡フレーム内部でＬＯＥを利用するために上記された全ての異なる代替策と共に、画像取込み装置を使用するための幾つかの代替的な方法もある。最も単純な方法は、単一の装置を使用し、系の正確な構成に従って、その画像を２つのディスプレイ源に分割することである。単一のカメラを使用するときでさえ、画像処理装置を用いて、実体増を創成するためにディスプレイ源に移転され得る２つの異なる画像を創成することが可能である。しかしながら、所望の画像を創成するために、少なくとも２つの異なる画像取込み装置が必要とされる用途がある。
【００５２】
図９及び１０の実施態様は、本発明の簡単な実施を例証する単なる実施例である。系の核心を構成するＬＯＥは極めてコンパクト且つ軽量であるので、それは広範な構成中に装着され得る。故に、多くの他の実施態様も可能であり、バイザー、折畳みディスプレイ、単眼鏡、及び、その他の多くを含む。この実施態様は、ディスプレイが、目に近接され、ヘッド取付され、ヘッド装着され、或いは、ヘッド運搬されなければならない用途のために意図されている。しかしながら、ディスプレイが異なって配置される用途もある。そのような用途の１つの実施例は、携帯電話のような移動用途のための手持ち装置である。これらの装置は、近い将来において、大きなスクリーンの解像度を必要とする新しい動作を遂行することが期待されており、ビデオ電話、インターネット接続、電子メールへのアクセスを含み、高品質テレビ衛星放送の送信さえも含む。既存の技術を用いるならば、小さなディスプレイが電話の内部に埋設され得るが、現時点では、そのようなディスプレイは不十分な品質のビデオデータ投射し得るだけであるか、或いは、数ラインのインターネット又はｅメールデータを直接的に目に投射し得る。
【００５３】
図１１は、移動装置の小さなサイズとフルフォーマットディスプレイ上でデジタルコンテンツを視聴する要望との間の現在の必要な妥協を排除する、本発明に基づいた代替的な実施態様を例証している。この用途は手持ちディスプレイ（ＨＤＤ）であり、それは、高品質画像を使用者の目に直接的に投射することによって、小さな移動装置を達成すること並びにフルフォーマットディスプレイ上でデジタルコンテンツを視聴することという以前には対向していた要求を解決する。ディスプレイ源４、コリメーティング及び折畳み素子９０、並びに、基板２０を含む光学モジュールは、携帯電話１１０の本体内に一体化され、基板２０は、電話の既存の保護カバー窓を置換する。具体的には、源４並びにコリメーティング及び折畳み素子９０を含む支持構成素子の容積は、現代的な携帯電話のための受容可能な容積の内部に適合するのに十分なほどに小さい。装置によって転送されるフルスクリーンを視聴するために、使用者は彼の目２４の前に窓を位置付け、高ＦＯＶ、大きな目−運動−ボックス、並びに、快適な射出瞳距離で画像を観察する。画像の異なる部分を表示するために装置を傾斜することによって、ＦＯＶ全体をより大きな射出瞳距離で視聴することも可能である。さらに、光学モジュールは透視構成で動作し得るので、装置の二重動作も可能である、即ち、従来的なセルラー装置１１１を無傷に維持する選択肢がある。このようにして、ディスプレイ源４がオフであるとき、標準的な低解像度ディスプレイは、ＬＯＥ２０を通じて視聴され得る。ｅメール読取り、インターネットサーフィング、又は、ビデオ操作のために意図された第二の仮想モードにおいて、従来的なディスプレイ１１１は停止される同時に、ディスプレイ源４は所要の広いＦＯＶ画像をＬＯＥ２０を通じて視聴者の目に投射する。図１１に記載される実施態様は一例に過ぎず、ヘッドマウントディスプレイ以外の用途も実現され得ることを例証している。他の可能な手持ち構成は、パームコンピュータ、ｉＰｏｄのようなコンパクト娯楽装置、腕時計内に埋設されるディスプレイ、クレジットカードのサイズ及び重量回想を有するポケット運搬ディスプレイ、及び、さらに沢山のものを含む。代替的に、図１１に例証されるようにＨＨＤ内部にＬＯＥを一体化する代わりに、図９及び１０に例証されるように、別個の視聴装置を製造し、それを従来的なＨＨＤに接続することが明らかに可能である。
【００５４】
図９及び１０を参照して上記に記載されるのと類似して、図１２は図１１に記載された実施態様の修正版を例証している。手持ち装置内に埋設された構成素子に加え、選択的な光学ズーム能力を備える小型画像取込み装置１１２が、本体１１０の正面領域に装着されている。カメラは外部シーンから画像を取り込み、ビデオ信号を画像処理装置１１４に送信し、画像処理装置は、手持ちディスプレイの電子ユニット内部に装着され得るし、使用者によって実時間に制御され得る。次に、処理済み画像信号は、画像ディスプレイ源４に送信され、それは画像をＬＯＥ２０を通じて使用者の目に投射する。
【００５５】
図１２に例証される実施態様を利用する多くの用途がある。最も一般的なものは、デジタルビデオ（ＤＶ）カメラ、携帯電話内部に装着されるＤＶカメラ、或いは、ＤＶカメラ自体のいずれかである。殆どの従来的なＤＶカメラのために、使用者が動作中に記録済みシーンを見ることを可能にするディスプレイ装置は、アイピース又は小型ＴＶスクリーンのいずれかである。両方の場合において、投射画像の解像度及び品質は、記録済み画像よりもずっと低い。結果的に、記録済み画像は、多くの場合において、記録プロセス中に意図されたものと同じではない。もし使用者が図１２に例証されるＬＯＥに基づく光学系を利用して投射されるより高い解像度画像を有するならば、より一層良好な結果が達成され得る。他の可能な用途は、高解像度サーベイランス装置である。ここでは、高解像度ズームビデオカメラが遠隔画像を取り込み、それを精細な広い仮想画像として視聴者の目に投射し得る。温度カメラ又は小型ＳＬＡを画像取込み装置１１４として利用することによって、悪い照明条件において、完全な暗さにおいてさえ、高解像度サーベイランス装置を実現することが可能である。
【００５６】
上記に記載された実施態様は単眼光学系である、即ち、画像は単一の目に投射される。しかしながら、画像を両眼に投射するのが望ましいヘッドアップ装置（ＨＵＤ）のような用途がある。最近まで、ＨＵＤ系は主として高度な戦闘及び民間航空機において使用されてきた。低視野条件中にドライビング走行を助け或いは自動車の運転者の目に熱画像を投射するために、ＨＵＤを彼の前に装着する数多くの最近の提案及び設計がある。現在の宇宙航空用ＨＵＤ装置は極めて効果であり、単一ユニットの値段は数十万ドルのオーダである。加えて、既存の装置は極めて大きく、重く、嵩張り、しかも、自動車は言うまでもなく、小さな航空機内への装着のためには厄介である。ＬＯＥに基づくＨＵＤは、極めてコンパクトで内蔵式のＨＵＤの実現を潜在的にもたらし、それは閉じ込められた空間内に容易に装着され得る。それはＨＵＤに関連する光学系の構成及び製造も単純化し、よって、航空宇宙ＨＵＤに対する改良、並びに、自動車産業のためのコンパクトで安価な消費者版の導入に適し得る。
【００５７】
図１３は、本発明に基づくＨＵＤ装置を実現する方法を例証している。ディスプレイ源４からの光は、レンズ６によって無限遠に平行化され、第一反射表面１６によって基板２０内に結合される。第二反射配列（図示せず）の後、光学波は第三の組の反射表面２２上に衝突し、それは光を視聴者の目２４に結合する。装置全体は、数ミリメートルの厚さを有する大きなハガキのサイズから成り、極めてコンパクト且つ軽量であり得る。数立方センチメートルの容積を有するディスプレイ源は、基板の隅部の１つに取り付けられ得る。その場合には、電気コードは電力及びデータを装置に伝送し得る。提示されたＨＵＤ装置の装着は簡単な商業用オーディオ装置の装着よりも複雑ではないことが予期される。その上、画像投射のために外部ディスプレイ源は不要なので、危険な場所に構成素子を装着する必要も回避される。
【００５８】
図１０及び１２を参照して上記に記載されたものと類似して、図１４は図１３に記載された実施態様の修正版を例証している。ＨＵＤ装置内に埋設される構成素子に加え、選択的な光学ズーム能力を備えた小型画像取込み装置１１６が、ＨＵＤ装置の本体の正面領域に装着され、画像処理装置（図示せず）を介してディスプレイ源４に接続されている。図１４に例証される実施態様を利用して実施され得る幾つかの用途がある。航空用ＨＵＤ用途において、画像取込み装置は、航空用ＲＡＤＡＲ、空中ミサイルの追跡装置、又は、航行システムのような他の外部センサと整列され得る。ここで、検出される標的は、画像取込み装置によって取り込まれ、画像処理装置を通じてディスプレイ源に転送され、標的の精細画像がパイロットの目に投射され得る。このシステムは、軍事航空機用の強化された味方敵識別（ＦＦＩ）装置として、或いは、民間航空機用の航空交通警報システムとして利用され得る。前と同様に、画像取込み装置は、日光条件のためのデジタルビデオカメラ、温度カメラ、ＳＬＡシステム、又は、低視野条件のためのミリ波検出システムであり得る。
【００５９】
他の可能な用途は、悪い照明条件中の着陸のための強化視野システム（ＥＶＳ）である。ここで、画像取込み装置は、温度カメラ、ミリ波検出装置、滑走路ランプを検出するために近赤外線において動作するビデオカメラ、又は、上記検出器の如何なる組み合わせでもあり得る。滑走路地域の取込み画像はパイロットの目に投射され、着陸手続中に彼を助け得る。
【００６０】
本発明が前記に例証された実施態様の詳細に限定されないこと、並びに、本発明がその本質的な精神又は属性から逸脱することなしに他の特別な形態に具現化され得ることが当業者に明らかであろう。従って、本発明は、全ての側面において例証的であり、制限的ではないと考えられるべきであり、本発明の範囲は、前記の記載によってよりもむしろ添付の請求項によって表示され、従って、請求項の意味及び均等の範囲内に来る全ての変更は、その中に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術の折畳み光学系の一般的形態を示す側面図である。
【図２】例示的なＬＯＥを示す側面図である。
【図３Ａ】２つの範囲の入射角のために本発明において使用される選択的反射表面の所望の反射及び透過特性を示す概略図である。
【図３Ｂ】２つの範囲の入射角のために本発明において使用される選択的反射表面の所望の反射及び透過特性を示す概略図である。
【図４】選択的反射表面の例示的な配列を詳細に示す断面図である。
【図５】ｓ偏光に向けられる異方性反射表面の反射及び透過性能を示す概略図である。
【図６】ｐ偏光に向けられる異方性反射表面の反射及び透過性能を示す概略図である。
【図７】選択的反射表面の例示的な配列を詳細に示す別の断面図である。
【図８】本発明に従った反射表面を概略的に示す断面図である。
【図９】標準的な眼鏡に埋設されたＬＯＥの例示的な実施態様を示す斜視図である。
【図１０】標準的な眼鏡に埋設されたＬＯＥの例示的な実施態様を示す斜視図であり、画像取込み装置が眼鏡フレームに取り付けられている。
【図１１】手持ちディスプレイ装置に埋設されたＬＯＥの例示的な実施態様を示す斜視図である。
【図１２】手持ちディスプレイ装置に埋設されたＬＯＥの例示的な実施態様を示す斜視図であり、画像取込み装置が手持ちディスプレイ装置の機械的本体内に取り付けられている。
【図１３】例示的なＨＵＤ装置を示す概略図である。
【図１４】本発明に従った例示的なＨＵＤ装置を示す概略図であり、画像取込み装置がＨＵＤ装置の機械的本体内に取り付けられている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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