(57)【要約】  射出ビームにおける異なる色成分の相対量を入力ビームのそれに近くする射出瞳エクステンダ。射出ビームにおける回折色成分の不均一な量を補償するために、射出瞳エクステンダは付加的回折格子を有する複数の層を含み、低い量を有する色成分に対する回折光の量を増加させる。更に、層間にカラーフィルターが配置されて、高い量を有する回折光成分を減少させる。
2008523434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分を有する光線を透過させる入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層と第二層とを有し、
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折された第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折された第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出される射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出される射出ビームの第二部を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記射出ビームの第一部における第一波長成分の量は、前記射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、前記射出ビームの第二部における第二波長成分の量は、前記射出ビームの第二部における第一波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
透過した光線は更に第三波長成分を含み、前記光学装置は更に第一回折要素と第二回折要素を含む第三層を有し、
透過した光線の少なくとも一部は、第三層の第一回折要素において回折された第三回折部を提供し、
第三回折部の少なくとも一部は、第三層の第二回折要素において更に回折され、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第三部を形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４】
射出ビームの第一部の第一波長成分の量が、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量が、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第一波長成分の量を減少するフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第一波長成分の量と射出ビームの第三部における第一波長成分の量とを減少するフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間に、もう一つのフィルターを配置して、射出ビームの第二部の第二波長成分の量と射出ビームの第三部の第二波長成分の量を減少するもう一つのフィルターを配置したことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
射出ビームの第二部における第一及び第二波長成分の量と射出ビームの第三部における第一及び第二波長成分の量を減少するために、第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間にもう一つのフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項９】
第一及び第二層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、ホログラム光学要素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１０】
第一及び第二層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、機械的或いは化学的に製造された回折光学要素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１１】
第一層、第二層及び第三層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、ホログラム光学要素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１２】
第一層、第二層及び第三層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、機械的或いは化学的に製造された回折光学要素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】
第一波長成分が第一波長範囲を有し、第二波長成分が第一波長成分よりも長い第二の波長範囲を有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１４】
第一波長成分が第一波長範囲を有し、第二波長成分が第一波長範囲よりも長い第二波長範囲を有し、第三波長成分が第二波長範囲よりも広い波長範囲を有することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項１５】
第一波長成分が青色の波長成分を有し、第二波長成分が緑色の波長成分を有し、第三波長成分が赤色の波長成分を有していることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項１６】
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を透過させる入力面部と、射出面部を介して射出ビームを射出可能である光学装置において射出ビームの色の均一性を改善する方法であって、
前記光学装置に少なくとも第一層と第二層を設け、
第一層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
第二層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折されて第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折されて第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第二部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量は、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量は、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多いことを特徴とする方法。
【請求項１７】
更に、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間にフィルターを配置して、射出ビームの第二部における第一波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更に、前記光学装置の第二層に隣接して第三層を設け、
第三層に第一回折要素と第二回折要素を設け、そのようにして
透過した光線の少なくとも一部が第三層の第一回折要素において回折されて、第三回折部を提供し、
第三回折部の少なくとも一部が第三層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を通って出て行く射出ビームの第三部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量が、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部分の第三波長成分の量が、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
更に、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間にフィルターを設けて、射出ビームの第二部における第一波長成分の量と、射出ビームの第三部における第一波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
更に、第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間にもう一つのフィルターを設けて、射出ビームの第二部における第二波長成分の量と、射出ビームの第三部における第二波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づく像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダとを含むディスプレーモジュールであって、
前記射出瞳エクステンダは、
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を導入する入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層とを含み、
導入された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折された第一回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折された第二回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第三層の第一回折要素において回折された第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第二部を形成し、
第三回折部の少なくとも一部は第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第三部を形成することを特徴とするディスプレーモジュール。
【請求項２２】
射出ビームの第一部の第一波長成分の量が射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量が射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項２１に記載のディスプレーモジュール。
【請求項２３】
データ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットに作動可能に連結されて、前記データ処理ユニットからの像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づいて像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダとを含む電子装置であって、
前記射出瞳エクステンダは
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を導入する入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素とをそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層とを含み、
導入された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折された第一回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折された第二回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第三層の第一回折要素において回折された第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第二部を形成し、
第三回折部の少なくとも一部は第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第三部を形成することを特徴とする電子装置。
【請求項２４】
射出ビームの第一部における第一波長成分の量が射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部における第二波長成分の量が射出ビームの第二部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部における第三波長成分の量が射出ビームの第三部における第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部における第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項２３に記載の電子装置。
【請求項２５】
コンピューターゲーム装置を具えた請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２６】
デジタルカメラを具えた請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２７】
更に、像データを示す情報を含む信号を受ける通信ユニットを含み、前記情報を受けるために前記データ処理ユニットが前記通信ユニットに作動可能に連結されていることを特徴とする請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２８】
移動ターミナルを含む請求項２７に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ねディスプレー装置に関し、更に詳しくは目視用ディスプレーの射出瞳を拡大するための一つ以上の回折要素を使用したディスプレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動装置にネットワーク情報及びテキストのメッセージを表示するのに低分解能液晶ディスプレー（LCD）を使用するのは一般的であるが、高分解能ディスプレーを使用してテキストと像の豊富な情報内容を集めることが望ましい。マイクロディスプレーをベースとするシステムは、１mm当たり５０〜１００行のフルカラー画素を提供可能である。このような高分解能は、仮想ディスプレーにほぼ適している。仮想ディスプレーは、代表的にはマイクロディスプレーで構成されて、像と像から発する光を処理してそれが直視型ディスプレーパネルのように大きく知覚されるようにする画像光学装置を提供する。仮想ディスプレーは単眼用或いは双眼用である。
【０００３】
画像光学装置から目に向かう射出される光線のサイズは、射出瞳と称される。接眼ディスプレー（NED）において、射出瞳は１０mm程度の直径であることが多い。射出瞳を更に拡大すると、装置が眼から一定の距離に置かれるので、仮想ディスプレーの使用がかなり容易となる。こうして、かかるディスプレーは自明理由からNEDとしての適格を失う。ヘッドアップディスプレーは、充分に大きい射出瞳を有する仮想ディスプレーの一例である。
【０００４】
WO99/52002は仮想ディスプレーの射出瞳を拡大する方法を開示している。開示されている方法は三つの連続するホログラム光学要素（HOE）を用いて射出瞳を拡大している。特に、HOEは、図１に示されているように平坦な光透過性基板６上に配列された回折格子である。図示のように、像源２からの光は、基板６の一側に配置された第一HOE即ちH1上に入射される。基板６に連結されたH1からの光は、第二HOE即ちH2へ向かい、そこで分布光が一方向に拡大される。H2は拡大された分布光を第三HOE即ちH3に向け、そこで分布光は更に別の方向に拡大される。ホログラム要素は基板６のいずれの側に設けられてもよい。H3は、H3が配置されている基板の表面から拡大された分布光を外方に向けることも行う。図１に示されているように、この光学システムは、光線の全体的方向を維持するビーム拡大装置として作動する。この装置は、射出瞳エクステンダ(EPE)とも称される。
【０００５】
図１に示されているようなEPEは色の不均一を生じ、再生された仮想像の品質を低下させる。色の不均一性は、主として、図２に示されているように、異なる色の光線が基板６の異なる経路を走行することに起因している。説明のために、λ1及びλ2（λ1＜λ2）で表された２つの色のみが、従来技術のEPEにおける色の不均一性源を示すのに使用されている。
【０００６】
図２において、二つのHOEのみが使用されているが、色の不均一性源は三つ以上のHOEが用いられている場合にも同じである。典型的には、第一HOE即ちH1は、入射光を基板６に連結し、分布光を基板６の内部で第二HOE即ちH2の方向に誘導する平行な回折フリンジで構成された回折格子を有している。基板は光ガイドとして働き、主として全内部反射（TIR）によってその二つの表面の間に光線を捕捉する。図２に示されるように、回折要素H1とH2は、両方とも基板６の下面に配置されている。このような光学装置では、TIRは上面のみで行われる。なぜならば光の一部は基板の下面から観察者の眼の方向に回折されるからである。
【０００７】
基板６の内側の回折角は次式によって制御される。
sin(θi) - nsin(θm) = mλ/d
ここで、dは回折要素（ここではH1）の格子周期、
λは波長、
nは基板の屈折率、
mは回折順序、
θiは入射角、
θmはm番目の順序における回折角。
【０００８】
式１から判るように、回折角θmは波長λと共に増加する。したがって、回折角θm1は回折角θm2よりも小さい。その結果、二つの連続するTIR同士の間の間隔Lも波長と共に変化する。λ1に対する間隔L1はλ2に対する間隔L2よりも小さい。したがって、格子構造は、出力が一つの波長に対して均等になるように構成されるが、η方向に出て行く光の分布は、すべての波長に対して均一ではない。図２から判るように、短い波長λ1は回折要素H2上に長い波長λ2よりも多く命中する。その結果、短い波長λ1のより多くの光が、回折格子要素H2からH1の近くの領域に洩れてしまう。三原色（赤、緑、青）が使われているディスプレーにおいて、図２のEPEはH2の回折格子構造を出て行く光に不均一な色の分布を生じる。こうして、H1に対して近い方の端には青みがかった色が現れ、遠い方の端には赤みがかった色が現れる。η方向に沿った距離が増加するにつれて、不均一な色の分布が更に顕著になる。
【０００９】
光はH2が位置している下面或いは上面を通して基板６から洩れることに留意しなければならない。上面から出て行く光の分布は下面からの光のそれと類似している。
射出瞳エクステンダにおける光の分布の均一性を改善する方法とシステムを提供することが有利であり、且つ望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、射出ビームにおける異なる色成分の相対量が入力ビームのそれに更に一層一致する射出瞳エクステンダを提供することにある。射出ビームにおける回折された色成分量の不均一性を補償するために、本発明の射出瞳エクステンダは、成分量の少ない色成分のために回折光の量を増加させるように、補助の回折格子を有する複数の層を具えている。
【００１１】
即ち、本発明の第一態様は、
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分を有する光線を透過させる入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層及び第二層とを有し、
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折されて第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折されて第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出力される射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出力される射出ビームの第二部を形成することを特徴とする光学装置を提供する。
【００１２】
本発明によれば、前記射出ビームの第一部における第一波長成分の量は、前記射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、前記射出ビームの第二部における第二波長成分の量は、前記射出ビームの第二部における第一波長成分の量よりも多い。
【００１３】
本発明によれば、透過した光線は更に第三波長成分を含み、前記光学装置は更に第一回折要素と第二回折要素を含む第三層を有し、
透過した光線の少なくとも一部は、第三層の第一回折要素において回折されて第三回折部を提供し、
第三回折部の少なくとも一部は、第三層の第二回折要素において更に回折され、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第三部を形成する。
【００１４】
本発明によれば、射出ビームの第一部の第一波長成分の量が、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量が、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多い。
本発明によれば、光学装置は、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第一波長成分の量を減少するフィルターを更に配置している。
【００１５】
本発明によれば、光学装置は、第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第二波長成分の量と射出ビームの第三部における第二波長成分の量を減少するもう一つのフィルターを更に配置している。
【００１６】
本発明によれば、第一、第２及び第三層における第一、第２及び第三回折要素は、ホログラム光学要素或いは機械的又は化学的に製造された回折要素であってよい。
【００１７】
本発明によれば、第一波長成分は第一波長範囲を有し、第二波長成分は第一波長範囲よりも長い第二波長範囲を有し、第三波長成分は第二波長範囲よりも大きい第三波長範囲を有する。
【００１８】
本発明によれば、第一波長成分は青色の波長成分を有し、第二波長成分は緑色の成分を有し、第三波長成分は赤色の成分を有する。
【００１９】
本発明の第二態様は、光学装置において射出ビームの色の均一性を改善する方法を提供し、前記光学装置は少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を透過させる入力面部と、前記射出ビームを出力可能にする射出面部を有し、前記方法は
前記光学装置に少なくとも第一層と第二層を設け、
第一層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
第二層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折されて第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折されて第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第二部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量は、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量は、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量は、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分よりも多い。
【００２０】
本発明によれば、前記方法は、更に、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間にフィルターを配置して、射出ビームの第二部における第一波長成分の量と、射出ビームの第三部における第一波長成分の量を減少させ、
第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間にもう一つのフィルターを配置して、射出ビームの第二部における第二波長成分の量と、射出ビームの第三部における第二波長成分の量を減少させる。
【００２１】
本発明の第三の態様は、
像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づく像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダとを含むディスプレーモジュールを提供するものであって、
前記射出瞳エクステンダは、
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を導入する入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層とを含み、
導入された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折されて、第一回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折されて、第二回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第三層の第一回折要素において回折されて、第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第二部を形成し、
第三回折部の少なくとも一部は第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して出て行く射出ビームの第三部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量は射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量は射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量は射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多い。
【００２２】
本発明の第四の態様は、
データ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットに作動可能に連結されて、前記データ処理ユニットからの像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づいて像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダとを具えた電子装置を提供するものであって、
前記射出瞳エクステンダは
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を導入する入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素とをそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層とを有し、
導入された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折されて、第一回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折されて、第二回折部を提供し、
導入された光線の少なくとも一部は第三層の第一回折要素において回折されて、第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第二部を形成し、
第三回折部の少なくとも一部は第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を透過して出る射出ビームの第三部を形成し、
射出ビームの第一部における第一波長成分の量は射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部における第二波長成分の量は射出ビームの第二部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部における第三波長成分の量は射出ビームの第三部における第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部における第二波長成分の量よりも多い。
【００２３】
本発明によれば、前記電子装置は、携帯電話、個人的デジタル補助器（PDA）、通信器、形態用インターネット機器、携帯用コンピューター、デジタルビデオ及びスチルカメラ、着用可能なコンピューター、コンピューターゲーム装置、特殊化接眼観察製品、その他の携帯用電子装置を含んでいる。しかし、射出瞳エクステンダは、ゲーム機、販売機、ATM、オーブン、電子レンジ等の家庭用器具、その他の非携帯用電子装置にも使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、図３a〜５に関する説明を読むことにより明らかになるであろう。
図２に示された均質な基板６を使用する代わりに、本発明の射出瞳エクステンダ（EPE）１０は、それぞれが回折格子を有する図３a〜３dに示されたような複数層を有する基板６０を使用している。
【００２５】
図３aに示されているように、この基板６０は光学材料による三層１１０，１２０及び１３０を有する。第一層１１０は入力回折格子１１２と出力回折格子１１４を有する。同様に、第二層１２０は入力回折格子１２２と出力回折格子１２４を有し、第三層１３０は出力回折格子１３２と入力回折格子１３４を有する。図３aに示されるように、赤、緑、青の成分（RGB）を有する入射光線７０は、第一層１１０の入力格子１１２を通して基板６０に入る。格子１１２，１２２，１３２で回折された後、光線は広がって第三層１３０の上面を介して射出される。この射出光線は符号８０で示されている。色成分の相対量が入射ビームの色成分の相対量により一致した射出ビームを得るために、各層の回折格子上の格子周期（grating period）は、別々に選択される。この格子周期pは、一部はビーム拡大装置の所望の視野（FOV）に基づいて次のように計算される。
p = λ/(1 + sin(FOV/2))
【００２６】
例えば、FOVが２４度でλが４７５nmならば、周期は３９３nmとなる。本発明によれば、格子の対（１３２，１３４）の周期p1は青の色成分の波長即ち４７５nmに基づいて計算される。緑色の成分を更に効率的に回折させるために、格子の対（１２２，１２４）の周期p2は緑色の成分の波長（５２５nm）及びp2 = 435nmに基づいて計算される。同様に、格子対（１１２，１１４）の周期p3はλ3 = 630nm、またはλ3 = 522nmに基づいて計算される。異なる格子における異なる色成分のための回折効率の差によって、各層１１０，１２０及び１３０の各色成分に対する回折光の量はかなり変動する。例えば、第一層１１０においては、青色に対する回折光の量は、緑色に対する量よりも大きく、緑色に対する回折光の量は、赤色に対するものよりも大きい。その結果、減少した入射光線が第一層１１０の上面を出て第二層１２０に入ると、残りの青の成分は比較的顕著ではなくなる。第二層１２０において、緑色の成分に対する回折効率は赤の成分に対するそれよりも大きい。その結果、更に減少した入射光が第二層１２０の上面から出て第三層１３０に入ると、残りの緑色の成分は比較的に顕著ではなくなる。こうして、第三層１３０における回折光は、赤成分が主になる。図３bに示されているように、全三層１１０，１２０，１３０において、赤色に顕著な量の回折光が生じる。緑色における顕著な量の回折光は、第一層１１０と第二層１２０のみに生じる。しかし、第一層１００において、主に回折された色成分は青である。
【００２７】
各層の上面における一回以上の内部全反射と回折格子１３４，１２４，１１４における一回以上の回折プロセスを経た後に、回折光は広範なビーム８０として上面を出る。図３cに示されているように、青色成分が主として第一層１１０から到来し、緑色成分が主として第一層１１０と第二層１２０から到来する。赤色成分は三つの全ての層１１０，１２０，１３０から到来する。
【００２８】
一般的に、射出瞳エクステンダにおいて射出ビームにおける色成分の不均一な分布を補償するには、補助の回折格子を用いて特定の色成分の回折光の量を増加させる。更に、回折溝の深さ或いは高さhが選択されて、各層への光の結合を最適化する。この高さhは、各層の屈折率、波長、周期p、及び回折格子の形状に依存して決められる。
【００２９】
カラーフィルターを射出瞳エクステンダ１０に導入して、射出ビーム８０の色の分布を調節することが可能である。例えば、層１２０と層１１０との間に黄色のフィルター１４０を設けて、回折されない青色成分が第二層１２０に入らないように阻止することが可能である。同様に、赤のフィルター１４２を設けて、回折されない緑色の成分と残りの回折されない青色成分があれば、これが第三層１１０に入らないように阻止することが可能である。これらのフィルター１４２と１４０は、例えばカラーコーティングされてもよい。
【００３０】
本発明によれば、EPE１０は互いに隣接して配列された少なくとも二つの回折要素H1,H2を有し、光の分布がH2によって一方向に広がるようになっている。回折要素H1とH2の配列の例が図４に示されている。回折格子１１２，１１４，１２２，１２４，１３２，１３４を配置して、射出ビームが異なる方向からEPE１０を出るようにすることが可能である。こうして、同じ入力ビーム７０によって、射出ビーム８０或いは射出ビーム９０を得ることができる。
【００３１】
EPE１０は、移動電話、個人デジタル補助装置（PDA）、通信機、携帯用インターネット機器、手持ちコンピューター、デジタルビデオ及びスチルカメラ、携帯コンピューター、コンピューターゲーム装置、特化された眼前目視製品及びその他の携帯用電子装置等の携帯装置１００において使用可能である。図５に示されているように、携帯装置１００は、通信が必要な場合には外部装置（図示されていない）からの及び外部装置への情報を含んだ信号を送受信する通信ユニット２１２を収容したハウジング２１０を有している。この携帯装置１００は受信し且つ送信した情報を取り扱う制御・処理ユニット２１４と、見るための仮想ディスプレーシステム２３０を有している。この仮想ディスプレーシステム２３０は、マイクロディスプレー又は像源１９２と光学エンジン１９０を具える。制御・処理ユニット２１４は、像を表示するために像源１９２に像データを提供するために、光学エンジン１９０に作動可能に連結される。本発明によれば、EPE１０は、例えば元の像を提供するのに使用される光学エンジン１９０に光学的にリンクされる。各回折要素H1とH2はホログラム光学要素（HOE）或いは回折光学要素（DOE）であってよい。名称が示唆するように、ホログラム光学要素は、少なくとも二つの干渉光線が干渉フリンジを作るのに使用されてホログラフ的に製造される。これとは対照的に、回折光学要素は機械的或いは化学的に製造される。EPE１０は二つ以上の回折要素を有してもよい。
【００３２】
本発明の目的は、射出ビーム内の異なる波長に実質的均一の色分布を得ることにある。本発明のEPEの利用は仮想ディスプレーに限定されるものでない。本発明による平面的な波ガイド（基板６０）における選択的な反射制御は、一方向またはそれ以上の方向に光線の拡大が必要であり、且つ異なる波長の光が使用される任意用途に使用可能である。実際、回折要素（H1,H2）は、光を平面的な波ガイドに連結するための光学継手及び光変調装置である。したがって、EPE１０は、図３a〜３ｄに示されているように、平面的な波ガイドと該波ガイドに隣接して或いはその上に配置された、光を連結し且つ操作するための複数の光学継手（又は光変調装置）として見ることができる。
【００３３】
図５に示されているように、像源１９２は、連続カラーLCOS（シリコン上の液晶）装置、OLED(有機光発射ダイオード)列、MEMS（マイクロ電気/機械システム）装置、或いは伝導、反射又は発射作用をする任意の他の適宜マイクロディスプレー装置であってよい。
以上、本発明はその好適実施形態に関して記載されたが、当業者であれば、前述の事項及びその形式及び細部における他の種々な変更、削除、偏向は、本発明の範囲から逸脱することなく可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】三つの回折要素を使用した射出瞳エクステンダを示す概略図である。
【図２】従来の射出瞳エクステンダを示す概略図である。
【図３ａ】本発明の射出瞳エクステンダの一部を示す概略図である。
【図３ｂ】本発明の射出瞳装置の種々の層における入力ビームの回折を示す概略図である。
【図３ｃ】射出ビームの色成分を示す概略図である。
【図３ｄ】本発明の射出瞳エクステンダの別の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の射出瞳エクステンダの異なる図を示す概略図である。
【図５】仮想ディスプレーを有する移動装置を示す概略図である。
【図１】
2008523434.tif 000003
【図２】
2008523434.tif 000004
【図３ａ】
2008523434.tif 000005
【図３ｂ】
2008523434.tif 000006
【図３ｃ】
2008523434.tif 000007
【図３ｄ】
2008523434.tif 000008
【図４】
2008523434.tif 000009
【図５】
2008523434.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月13日(2006.10.13)
【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】
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを含む光線を透過させる入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層及び第二層を含み、
第一層における第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間を有し、かつ第二層における第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間と異なる第二回折期間を有し、かつ第一回折要素と第二回折要素は相互に対して実質的平行に配向され、そのようにして
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折されて第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折されて第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第一部を形成し、かつ
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第二部を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記射出ビームの第一部における第一波長成分の量は、前記射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、前記射出ビームの第二部における第二波長成分の量は、前記射出ビームの第二部における第一波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
透過した光線は更に第三波長成分を含み、前記光学装置は更に第一回折要素と第二回折要素を含む第三層を含み、
透過した光線の少なくとも一部は、第三層の第一回折要素において回折されて第三回折部を提供し、
第三回折部の少なくとも一部は、第三層の第二回折要素において更に回折され、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第三部を形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４】
射出ビームの第一部の第一波長成分の量が、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量が、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、そして射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第一波長成分の量を減少するフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間に、射出ビームの第二部における第一波長成分の量と射出ビームの第三部における第一波長成分の量とを減少するフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間に、もう一つのフィルターを配置して、射出ビームの第二部の第二波長成分の量と射出ビームの第三部の第二波長成分の量を減少するもう一つのフィルターを配置したことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
射出ビームの第二部における第一及び第二波長成分の量と射出ビームの第三部における第一及び第二波長成分の量を減少するために、第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間にもう一つのフィルターを更に配置したことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項９】
第一及び第二層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、ホログラム光学要素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１０】
第一及び第二層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、機械的或いは化学的に製造された回折光学要素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１１】
第一層、第二層及び第三層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、ホログラム光学要素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１２】
第一層、第二層及び第三層の第一及び第二回折要素の少なくとも一方が、機械的或いは化学的に製造された回折光学要素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】
第一波長成分が第一波長範囲を有し、第二波長成分が第一波長成分よりも長い第二の波長範囲を有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１４】
第一波長成分が第一波長範囲を有し、第二波長成分が第一波長範囲よりも長い第二波長範囲を有し、第三波長成分が第二波長範囲よりも広い波長範囲を有することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項１５】
第一波長成分が青色の波長成分を有し、第二波長成分が緑色の波長成分を有し、第三波長成分が赤色の波長成分を有していることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項１６】
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを含む光線を透過させる入力面部と、射出ビームの射出を可能にする射出面部を有する光学装置において射出ビームの色の均一性を改善する方法であって、
前記光学装置に少なくとも第一層と第二層を設け、
第一層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
第二層に第一回折要素と第二回折要素を設け、
第一層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間を有し、かつ第二層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間と異なる第二回折期間を有し、かつ第一回折要素と第二回折要素は相互に対して実質的平行に配向され、そのようにして
透過した光線の少なくとも一部は、第一層の第一回折要素において回折されて第一回折部を提供し、
透過した光線の少なくとも一部は、第二層の第一回折要素において回折されて第二回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は、第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は、第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第二部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量は、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、かつ
射出ビームの第二部の第二波長成分の量は、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多いことを特徴とする方法。
【請求項１７】
更に、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間にフィルターを配置して、射出ビームの第二部における第一波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更に、前記光学装置の第二層に隣接して第三層を設け、
第三層に第一回折要素と第二回折要素を設け、そのようにして
透過した光線の少なくとも一部が第三層の第一回折要素において回折されて第三回折部を提供し、
第三回折部の少なくとも一部が第三層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第三部を形成し、
射出ビームの第一部の第一波長成分の量は、射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量は、射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量は、射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
更に、第一層の第一回折要素と第二層の第一回折要素との間にフィルターを設けて、射出ビームの第二部における第一波長成分の量と、射出ビームの第三部における第一波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
更に、第二層の第一回折要素と第三層の第一回折要素との間にもう一つのフィルターを設けて、射出ビームの第二部における第二波長成分の量と、射出ビームの第三部における第二波長成分の量を減少させることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づく像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダを含むディスプレーモジュールであって、
前記射出瞳エクステンダは、
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を透過させる入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層を含み、
第一層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間を有し、かつ第二層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間と異なる第二回折期間を有し、かつ第一回折要素と第二回折要素は相互に対して実質的平行に配向され、そのようにして
透過された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折されて、第一回折部を提供し、
透過された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折されて、第二回折部を提供し、
透過された光線の少なくとも一部は前記第三層の第一回折要素において回折されて、第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第二部を形成し、
第三回折部の少なくとも一部は第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第三部を形成することを特徴とするディスプレーモジュール。
【請求項２２】
射出ビームの第一部の第一波長成分の量が射出ビームの第一部の第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部の第二波長成分の量が射出ビームの第二部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部の第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部の第三波長成分の量が射出ビームの第三部の第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部の第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項２１に記載のディスプレーモジュール。
【請求項２３】
データ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットに作動可能に連結されて、前記データ処理ユニットからの像データを受ける光学エンジンと、
前記光学エンジンに作動可能に連結されて、前記像データに基づいて像を形成するディスプレー装置と、
射出瞳エクステンダを含む電子装置であって、
前記射出瞳エクステンダは
射出面部と、
少なくとも第一波長成分と第二波長成分とを有する光線を透過させる入力面部と、
第一回折要素及び第二回折要素をそれぞれが含む少なくとも第一層、第二層及び第三層を含み、
第一層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間を有し、かつ第二層の第一回折要素と第二回折要素は第一回折期間と異なる第二回折期間を有し、かつ第一回折要素と第二回折要素は相互に対して実質的平行に配向され、そのようにして
透過された光線の少なくとも一部は第一層の第一回折要素において回折されて、第一回折部を提供し、
透過された光線の少なくとも一部は第二層の第一回折要素において回折されて、第二回折部を提供し、
透過された光線の少なくとも一部は第三層の第一回折要素において回折されて、第三回折部を提供し、
第一回折部の少なくとも一部は第一層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第一部を形成し、
第二回折部の少なくとも一部は第二層の第二回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第二部を形成し、
前記第三回折部の少なくとも一部は前記第三層の第三回折要素において更に回折されて、前記射出面部を介して射出する射出ビームの第三部を形成することを特徴とする電子装置。
【請求項２４】
射出ビームの第一部における第一波長成分の量が射出ビームの第一部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第一部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第二部における第二波長成分の量が射出ビームの第二部における第二波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第二部における第三波長成分の量よりも多く、
射出ビームの第三部における第三波長成分の量が射出ビームの第三部における第一波長成分の量よりも多く、且つ射出ビームの第三部における第二波長成分の量よりも多いことを特徴とする請求項２３に記載の電子装置。
【請求項２５】
コンピューターゲーム装置を含む請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２６】
デジタルカメラを含む請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２７】
更に、像データを示す情報を含む信号を受ける通信ユニットを含み、前記情報を受けるために前記データ処理ユニットが前記通信ユニットに作動可能に接続されることを特徴とする請求項２４に記載の電子装置。
【請求項２８】
移動ターミナルを含む請求項２７に記載の電子装置。
【国際調査報告】
2008523434.tif 000011
2008523434.tif 000012
2008523434.tif 000013
2008523434.tif 000014