(57)【要約】【課題】視認のために電子デバイスのディスプレイの射出瞳を拡大すべく光学的基板上の複数個の回折要素を使用する汎用的な回折的光学方法を提供する。【解決手段】この発明は基板（１２）上の視認のためにディスプレイの射出瞳を拡大する基板（１２）上の複数個の回折要素（１４，１８，２２）を使用する汎用的な回折的光学方法を記載しており、光学デバイス内の光学的結合に用いられ、出力光学ビーム内で入力光学ビームの射出瞳を拡大することにより特徴付けられ、光学デバイスは、光学基板（１２）と、光学基板上に配設された内結合（１２）、中間（１８）及び外結合（２２）回折要素とを備え、中間回折要素の周期的ラインは内結合および外結合の回折要素の周期的ラインとそれぞれ角度（ρ）をなし、このシステムは広範囲の回転角（０＜ρ＜７０°）と対応する円錐角をサポートし、幾何学的な正確性を維持する。【選択図】図２
2008546020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と、
前記基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と、
前記第1回折要素と所定関係で前記基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、前記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と、
前記第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは前記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であるという中間回折要素とを備えて成り、
受容された光学ビームの少なくとも一部は前記第1回折要素内で回折されて、回折された光学成分は、実質的に前記第1表面と第2表面との間で前記中間回折要素に提供され、且つ、
前記中間回折要素内の前記回折された光学成分の少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と前記第2表明の間の前記第2回折要素に結合して、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部を前記第2回折要素内での回折により前記基板から出射可能にすることで、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する、
光学デバイス。
【請求項２】
当該光学デバイスは、前記出力光学ビームを提供することにより前記入力光学ビームの射出瞳を拡大するためのものである、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記回折された光学成分は、前記中間回折要素に入射し、且つ、前記第2回折要素に対して前記回折された光成分の少なくとも一部を提供する前に奇数回だけ一次まで回折される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の回折モードのみをサポートし、または、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項５】
２次モードまたは更に高次のモードは前記中間回折要素によりサポートされないという所定条件が維持され、または、
nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、前記条件は
【数１】
2008546020.tif 000013
として表現される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項６】
ρ＜70°である、請求項５記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記中間回折要素に対して透過モードは許容されないという所定条件が維持され、または、
λが前記入力光学ビームの波長として、前記条件はλ/d＞1として表現される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記第1回折要素、前記第2回折要素または前記中間回折要素は、前記第1表面上または前記第2表面上に配設される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項９】
出力光学ビーム中に提供される入力光学ビームの射出瞳を拡大する方法であって、
周期dの周期的ラインを含み、第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板上に配設された第1回折要素に、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容するステップと、
前記入力光学ビームの少なくとも一部を前記第１回折要素内で回折させて回折された光学成分を実質的に前記第１および第２の表面内の中間回折要素に与えるステップと、
前記中間回折要素により前記回折された光学成分をさらに回折するステップと、
前記中間回折要素内の前記さらに回折された光学成分の少なくとも一部を、前記第１及び第２の表面の実質的な間の第２の回折要素に結合して、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部が前記第２の回折要素内の回折により前記基板から出射可能にすることで、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供するステップと、
を備え、
前記第２の回折要素は前記基板上に前記第１の回折要素と関係付けて配置され、周期ｄの周期的ラインをさらに含み、前記周期的ラインと前記さらなる周期的ラインの間の角度は２ρであり、
前記中間回折要素は前記第１及び前記第２の回折要素に隣接して配置され、周期d/2cosρを持つ更なる周期的ラインをさらに含み、ρは前記周期的ラインと前記更なる周期的ラインの間の角度である、 
出力光学ビーム中に提供される入力光学ビームの射出瞳を拡大する方法。
【請求項１０】
前記回折された光学成分は、前記回折された光成分の少なくとも一部が前記第2回折要素に提供される前に、前記中間回折要素に入射し、続いて、奇数回だけ一次まで回折される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記中間回折要素はゼロ次および一次の反射モードのみをサポートし、即ち、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記中間回折要素により２次または更に高次のモードはサポートされないという所定条件が維持され、または、
nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、前記条件は
【数２】
2008546020.tif 000014
として表現される、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
ρ＜70°である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記中間回折要素に対して透過モードはサポートされないという所定条件が維持され、または、
λが前記入力光学ビームの波長として、前記条件はλ/d＞1として表現される、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
前記第1回折要素、前記第2回折要素または前記中間回折要素は、前記第1表面上または前記第2表面上に配設される、請求項９記載の方法。
【請求項１６】
データ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットに対して作用的に接続されて該データ処理ユニットから画像データを受信する光学的エンジンと、
前記光学的エンジンに対して作用的に接続され、前記画像データに基づき画像を形成するディスプレイ・デバイスと、
射出瞳拡大器とを備えた電子デバイスであって、
前記射出瞳拡大器は、
第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と、
前記基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と、
前記第1回折要素と所定関係で前記基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、前記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と、
前記基板上で前記第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは前記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であるという中間回折要素とを備えて成り、
入力光学ビームの少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と第2表面との間の内部において前記中間回折要素に対して回折された光学成分を提供する前記第1回折要素により回折され、且つ、
前記中間回折要素内で前記回折された光学成分の少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と第2表面との間の前記第2回折要素に結合されて、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部が前記第2回折要素内での回折により前記基板から出射可能にすることで、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する、
電子デバイス。
【請求項１７】
前記中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の反射モードのみをサポートし、即ち、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項１８】
前記中間回折要素により２次または更に高次のモードはサポートされないという所定条件が維持され、または、
nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、前記条件は
【数３】
2008546020.tif 000015
として表現される、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項１９】
ρ＜70°である、請求項１８記載の電子デバイス。
【請求項２０】
前記中間回折要素に対して透過モードはサポートされないという所定条件が維持され、または、
λが前記入力光学ビームの波長として、前記条件はλ/d＞1として表現される、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項２１】
当該電子デバイスは、デジタル・カメラ、コンピュータ・ゲーム・デバイス、無線デバイス、携帯デバイスまたは移動端末である、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項２２】
当該電子デバイスは、前記画像データを表す情報を含む信号を受信する通信ユニットを更に備え、
前記データ処理ユニットは前記通信ユニットに対して作用的に接続されて前記情報を受信する、請求項１６記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的にディスプレイ・デバイスに関し、より詳細には、視認のためにディスプレイの射出瞳を拡大する複数個の回折要素を使用する汎用的な回折的光学方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動デバイスにおいて低解像度の液晶ディスプレイ(LCD)パネルを使用してネットワーク情報およびテキスト・メッセージを表示することは一般的手法であるが、高解像度のディスプレイを使用してテキストおよび画像の豊富な情報コンテンツをブラウズすることは好適である。マイクロディスプレイ(microdisplay)式のシステムは、1mm当たり50〜100ラインでフルカラー・ピクセルを提供し得る。斯かる高解像度は概略的に、仮想ディスプレイに対して適切である。仮想ディスプレイは典型的に、画像を提供するマイクロディスプレイと、該マイクロディスプレイが大寸の直接視認ディスプレイ・パネルとして認識されるように上記画像から出射する光を操作する光学的機構とから成る。仮想ディスプレイは、単眼用または両眼用とされ得る。
【０００３】
作像光学機器から眼球に向けて出射する光線のサイズは、射出瞳と称される。ニアアイ・ディスプレイ(Near-Eye Display)(NED)において、射出瞳は典型的には直径が10mmのオーダーである。更に、射出瞳を拡大すると仮想ディスプレイの使用がかなり容易とされる、と言うのも、そのデバイスは眼球から所定距離に載置され得るからである。故に斯かるディスプレイはもはや、明らかな理由により、NEDとは見做されない。ヘッドアップ・ディスプレイは、十分に大寸の射出瞳を備えた仮想ディスプレイの例である。
【０００４】
Yaakov AmitaiおよびAsher Friesemにより“Hologaphic optical Devices”と称されたPCT特許出願WO99/52002、および、Yaakov AmitaiおよびAsher Friesemにより“Hologaphic optical Devices”と称された米国特許第6,580,529号は、仮想ディスプレイの射出瞳を拡大する方法を開示している。開示された方法は、３個の連続的なホログラフィック光学素子(HOE)を使用して射出瞳を拡大している。特に、図１に示された如く上記各HOEは、平坦な光透過基板6上に配置された回折格子要素である。図示された如く、画像源2からの光は、基板6の一つの側の上に配設された第1HOEすなわちH1に入射する。H1からの光であって基板6に結合された光は、第2HOEすなわちH2に向けて導向され、その際に光の分布が一方向に拡大される。H2はまた拡大された光分布を第3HOEすなわちH3へと方向変換し、その際に光分布は更に別の方向に拡大される。各ホログラフィック要素は、基板6の任意の側上とされ得る。H3はまた、拡大された光分布を、該H3が配設される基板表面から外方へと方向変換する。図１に示された如く上記光学システムは、光線の概略的方向を略々維持するビーム拡大デバイスとして動作する。斯かるデバイスは、射出瞳拡大器(EPE)とも称される。
【０００５】
EPEにおいて、入射ビームに対する出射ビームのエネルギは、隣り合う光学素子間の結合に依存する。画像源のエネルギ出力は限られることから、隣り合う光学素子間の高い結合効率を達成することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、視認用の電子デバイスのディスプレイの射出瞳を拡大すべく光学的基板上の複数個の回折要素を使用する汎用的な回折的光学方法を提供するに在る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様により、光学デバイスは、第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と；基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と；第1回折要素と所定関係で基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、上記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と；第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは上記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であるという中間回折要素とを備えて成り；受容された光学ビームの少なくとも一部は第1回折要素内で回折されて、回折された光学成分は、実質的に第1表面と第2表面との間の中間回折要素に提供され；且つ、中間回折要素内の回折された光学成分の少なくとも一部は、実質的に第1表面と第2表面の間の第2回折要素に結合して、結合され回折された光学成分の少なくとも一部は前記第2回折要素内での回折により前記基板から出射可能にすることで、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する。
【０００８】
本発明の第１の態様によればさらに、当該光学デバイスは、出力光学ビームを提供することにより入力光学ビームの射出瞳を拡大するためのものであってもよい。
【０００９】
さらに、本発明の第１の態様によれば、回折された光学成分は、中間回折要素に入射し、且つ、第2回折要素に対して回折された光成分の少なくとも一部を提供する前に奇数回だけ一次まで回折されるようにしてもよい。
【００１０】
さらに、本発明の第１の態様によれば、中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の回折モードのみをサポートし、または、基板の屈折率は、λが入力光学ビームの波長として、n＞λ/dであるようにしてもよい。
【００１１】
さらに、本発明の第１の態様によれば、２次モードまたは更に高次のモードは中間回折要素によりサポートされないという所定条件が維持され、または、nは基板の屈折率であり、λは入力光学ビームの波長として、条件は
【数１】
2008546020.tif 000003
として表現されてもよい。さらに、ρ＜70°であってもよい。
【００１２】
さらに、本発明の第１の態様によれば、中間回折要素に対して透過モードは許容されないという他の所定条件が維持され、または、λが入力光学ビームの波長として、条件はλ/d＞1として表現されるようにしてもよい。
【００１３】
さらに、本発明の第１の態様によれば、第1回折要素、第2回折要素または中間回折要素は、第1表面上または第2表面上に配設されるようにしてもよい。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、出力光学ビーム中に提供される入力光学ビームの射出瞳を拡大する方法は、周期dの周期的ラインを含み、第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板上に配設された第1回折要素に、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容するステップと、入力光学ビームの少なくとも一部を第１回折要素内で回折させて回折された光学成分を実質的に第１および第２の表面内の中間回折要素に与えるステップと、中間回折要素により回折された光学成分をさらに回折するステップと、中間回折要素内のさらに回折された光学成分の少なくとも一部を、第１及び第２の表面の実質的な間の第２の回折要素に結合して、結合され回折された光学成分の少なくとも一部が第２の回折要素内の回折により基板を出射することで、入力光学ビームの波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供するステップと、を備え、第２の回折要素は基板上に第１の回折要素と関係付けて配置され、周期ｄの周期的ラインをさらに含み、上記周期的ラインとさらなる周期的ラインの間の角度は２ρであり、中間回折要素は第１及び第２の回折要素に隣接して配置され、周期d/2cosρを持つ更なる周期的ラインをさらに含み、ρは上記周期的ラインと更なる周期的ラインの間の角度である。
【００１５】
本発明の第２の態様によればさらに、回折された光学成分は、回折された光学成分の少なくとも一部が第2回折要素に提供される前に、中間回折要素に入射し、続いて、奇数回だけ一次まで回折されてもよい。
【００１６】
さらに本発明の第２の態様によれば、中間回折要素はゼロ次および一次の反射モードのみをサポートし、即ち、基板の屈折率は、λが入力光学ビームの波長として、n＞λ/dであってもよい。
【００１７】
さらに本発明の第２の態様によれば、中間回折要素により２次または更に高次のモードはサポートされないという所定条件が維持され、即ち、nは基板の屈折率であり、λは入力光学ビームの波長として、条件は
【数２】
2008546020.tif 000004
として表現されてもよい。さらに、ρ＜70°であってもよい。
【００１８】
さらに本発明の第２の態様によれば、中間回折要素に対して透過モードはサポートされないという所定条件が維持されてもよく、即ち、λが入力光学ビームの波長として、条件はλ/d＞1として表現されてもよい。
【００１９】
さらに本発明の第２の態様によれば、第1回折要素、第2回折要素または中間回折要素は、第1表面上または第2表面上に配設されてもよい。
【００２０】
本発明の第３の態様によれば、データ処理ユニットと、データ処理ユニットに対して作用的に接続されて該データ処理ユニットから画像データを受信する光学的エンジンと、光学的エンジンに対して作用的に接続され、画像データに基づき画像を形成するディスプレイ・デバイスと、射出瞳拡大器とを備えた電子デバイスであって、射出瞳拡大器は、第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と、基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と、第1回折要素と所定関係で基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、上記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と、第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは上記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であるという中間回折要素とを備えて成り、入力光学ビームの少なくとも一部は第1回折要素により回折されて、実質的に第1表面と第2表面との間の中間回折要素に対して回折された光学成分を提供すし、且つ、中間回折要素内で回折された光学成分の少なくとも一部は実質的に第1表面と第2表面との間の第2回折要素に結合されて、結合され回折された光学成分の少なくとも一部が第2回折要素内での回折により基板から出射可能にすることで、入力光学ビームの波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する、電子デバイスが提供される。
【００２１】
さらに本発明の第３の態様によれば、中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の回折モードのみをサポートしてもよく、即ち、基板の屈折率は、λが入力光学ビームの波長として、n＞λ/dであってもよい。
【００２２】
さらに本発明の第３の態様によれば、中間回折要素により２次または更に高次のモードはサポートされないという所定条件が維持されてもよく、即ち、nは基板の屈折率であり、λは入力光学ビームの波長として、条件は
【数３】
2008546020.tif 000005
として表現されてもよい。さらに、ρ＜70°であってもよい。
【００２３】
さらに本発明の第３の態様によれば、中間回折要素に対して透過モードはサポートされないという他の所定条件が維持されてもよく、即ち、λが入力光学ビームの波長として、条件はλ/d＞1として表現されてもよい。
【００２４】
さらに本発明の第３の態様によれば、当該電子デバイスは、デジタル・カメラ、コンピュータ・ゲーム・デバイス、無線デバイス、携帯デバイスまたは移動端末であってもよい。
【００２５】
さらに本発明の第３の態様によれば、当該電子デバイスは、画像データを表す情報を含む信号を受信する通信ユニットを更に備えてもよく、データ処理ユニットは通信ユニットに対して作用的に接続されて情報を受信する。
【００２６】
本発明の本質および目的の更に良好な理解のために、図面に関して以下の詳細な説明が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の目的は、視認用の電子デバイスのディスプレイの射出瞳を拡大すべく光学的基板上の複数個の回折要素を使用する汎用的な回折的光学方法を提供するに在る。本発明による概略的な回折的光学方法は光学ビームの広域光学スペクトル・レンジに適用可能であるが、なによりも、光学ビームが光学ビームと称される光学スペクトルの可視的な部分に適用される。
【００２８】
本発明の実施例によれば、この方法は光学デバイスにおける光学的結合のために使用され得ると共に、該方法は、出力光学（例えば、光）ビーム中に提供される入力光学ビーム（例えば、光ビーム）の射出瞳を拡大する段階により特徴付けられ、その場合に光学デバイスは：第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板(すなわち光学的基板)と；基板上に配設された第1(内方結合)回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1(内方結合)回折要素と；第1回折要素と所定関係で基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2(外方結合)回折要素であって、周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2(外方結合)回折要素と；第1および第2回折要素の近傍に配設された中間(拡大用)回折要素とを備える。
【００２９】
更に、受容された光学ビームの少なくとも一部は、第1回折要素により回折されて、(たとえば全体的内面反射を受ける)実質的に第1表面と第2表面との間の中間回折要素に対して回折された光学成分を提供する。更に、中間回折要素内で回折された光学成分の少なくとも一部は実質的に(此処でも、たとえば全体的内面反射を受ける)第1表面と第2表面との間の第2回折要素に結合されて、結合され回折された光学成分の少なくとも一部が第2回折要素における回折により基板から出射可能にすることで、更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する。典型的に第2回折要素は別の出力ビームも生成し、その波動ベクトルは基板表面に関して波動ベクトルk1の鏡像である。この波動ベクトルは、その他の点では波動ベクトルk1と同一的であり且つ実際用途においてそれは意図的に低い値へと減衰されることから、波動ベクトルk1から更に別個に考慮されるべきではない。
【００３０】
本発明の実施例によれば、中間回折格子は、第1回折要素の周期的ラインと当該更なる別の周期的ラインとの間における角度(すなわち回転角度)ρを以て更なる別の周期的ラインを含み、更なる別の周期的ラインの周期d'は次式により表される：
【００３１】
【数４】
2008546020.tif 000006
【００３２】
更に、本発明の実施例によれば、中間回折要素の周期がd/2cosρ(式１)に設定されたとき、更なる波動ベクトルk1は入力光学ビームの波動ベクトルkと厳密に同一方向を有し、すなわち、このシステムは幾何学的に正確である。
【００３３】
本発明の実施例によれば、光学成分は、中間回折要素に入射し、且つ、第2回折要素に対して回折された光学成分の少なくとも一部を提供する前に奇数回だけ一次まで回折される。更に、本発明の実施例によれば、第1回折要素、第2回折要素または中間回折要素は、光学的基板の第1表面上または第2表面上に配設され得る。そして更に、本発明の実施例によれば、第1回折要素、第2回折要素または中間回折要素は、ホログラフィック方法を用いて製造された又は古典的に罫線引きされた(二値、三角形状、正弦波状などの如き異なる溝角度および側面視輪郭を有する)平坦な回折格子とされ得る。
【００３４】
本発明に係る汎用方法は、多様な回転角度ρをサポートするための条件を提供するので、当該システムは幾何学的に正確である(すなわち波動ベクトルkおよびk1が同一方向を有する)。第1回折要素の周期は、光を基板へと結合すべく使用されるゼロ次および一次の透過回折モードのみを該第1回折要素がサポートする如きである。以下においては、中間回折要素がゼロ次および一次の反射モードのみをサポートし且つ他のモードは禁止されるなら、当該システムは広範囲な回転角度0＜ρ＜70°をサポートし得ることが示される。このことは、中間回折要素によれば(少なくとも0〜70°およびそれ以上の)広範囲な円錐入射角がサポートされ得るということを意味する(円錐角は、入射ビームの平面と、周期的ラインに対して直交する平面との間の角度である)。
【００３５】
図２は、本発明に係る汎用２次元(2D)射出瞳拡大器(EPE)10の幾何学形状に対する概略的表示の数ある中の一例を示している。該図は、上述の汎用的な回折的光学方法を例示している。
【００３６】
図２は、屈折率nを有する光学的基板(プレート)12であって、該光学的基板12自身上に配設された３個の回折要素、すなわち、ライン周期dを有する第1(内方結合)回折要素(内方結合回折格子)14、式１により与えられたライン周期d'を有する中間(拡大)回折要素(中間回折格子)18、および、ライン周期dを有する第2回折要素(外方結合回折格子)22を有する光学的基板12の平面図を示している。ライン周期dおよびd'は、光学的基板(導波路)12における全体的内面反射のために適切な条件が満足される如く選択される。典型的に、格子14はゼロ次、−１次および＋１次の透過モードおよびゼロ次の反射モードをサポートし、格子18はゼロ次および−１次の反射モードをサポートし、且つ、格子22はゼロ次、−１次および−２次の反射モードおよび−１次の透過モードをサポートする。回転角度ρ26は、内方結合回折格子14に関する中間回折格子18の配向を特徴付ける。内方結合回折格子14に入射する入力光学ビームは、光学的基板12の上記表面に対して直交する軸心と、座標軸30とにより夫々が形成される成分角度(θ0，ψ0)を有する波動ベクトルkにより記述される。貫通伝搬した後で、中間回折格子18に関して光学的基板12の内側の光学ビームは、光学的基板12の上記表面に対して直交する上記軸心と、座標軸32とにより夫々形成される成分角度(θ1，ψ1＋ρ)を有し、この場合、次式が成り立つ：
【００３７】
【数５】
2008546020.tif 000007
【００３８】
式２において、内方結合回折格子14においては＋１次の回折モードが選択される。中間回折格子18の後、光学ビームは、光学的基板12の上記表面に直交する上記軸心と、座標軸34とにより夫々形成される角度(θ2，ψ2)により記述され、これらの角度は次式により支配される：
【００３９】
【数６】
2008546020.tif 000008
【００４０】
中間回折格子18に対する回折モードはm＝−１であるべきことを銘記されたい。ところで外方結合回折格子22は、上記の夫々の角度(入力光学ビームの元の方向)を維持するために、中間回折格子18に関して角度ρ26をだけ回転されるべきである。外方結合回折格子22の後における上記回折モード１の各角度は(θ3，ψ3)であり、且つ、それらは次式により定義される：
【００４１】
【数７】
2008546020.tif 000009
【００４２】
最後に、上記外方結合角度は元の座標に戻されねばならない。故に上記座標は−２ρの量だけ回転されねばならない。故に、波動ベクトルk1の成分である外方結合角度(θout，ψout)は入射角(θ0，ψ0)に等しく、
【００４３】
【数８】
2008546020.tif 000010
【００４４】
であり、且つ、上記システムは幾何学的に正確である(すなわち波動ベクトルkおよびk1は同一方向を有する)。
【００４５】
もしρ＝０なら、中間回折格子18の上記周期はd/2であり、光が到来した方向へと該光を反射する反射器が得られる。これは、上記プレートの端部にて、光を循環させるべく使用され得る。ρ＝45°の場合にはd/√2の周期が与えられ、これは、この汎用2D射出瞳拡大器(EPE)の特殊な場合である。
【００４６】
上記格子周期に対しては、別な要件が在る。中間回折格子18においては、(ゼロ次に加えて)唯一の反射回折モードが在り得ると共に、透過モードは無い。式３からは、光学的基板12の内側にて該光学的基板12の表面に直交する方向における波動ベクトル成分が算出され得る。故に、次式により記述される如く、−１次およびゼロ次のモードに対する条件が得られる：
【００４７】
【数９】
2008546020.tif 000011
【００４８】
式６のこの条件は、回転角度26に関する限り、全ての実施状況において有効である。
回折格子18において透過モードが無いという条件はλ／d＞１であり、それは全ての実施状況において有効である。別の要件は、回折格子18に他の反射モードが存在すべきでないということである。夫々の回折モードの最低のモードすなわち−２次および＋１次のみを考慮すれば十分であることから、次式の条件が得られる：
【００４９】
【数１０】
2008546020.tif 000012
【００５０】
式７により記述されたこの条件は典型的に、０＜ρ＜70°に対して有効である。このことは、中間回折格子18によれば広範囲な円錐入射角(少なくとも0〜70°の間、およびそれ以上)がサポートされ得ることを意味する(上記円錐角はψ1＋ρである)。
【００５１】
中間回折格子18の効率は、TEおよびTM偏光の両方に対して回折効率が殆ど等くなる如く、約60°の回転角度26にて非常に大きな値に到達する。TEおよびTM偏光モードの両方に対して回折効率を改善する手法の更なる考察は、2004年12月13日に出願されて“Method and System for Beam Expansion in a Display Device”と称されたティー・ラヴォラ(T.Lavola)による米国特許出願第11/011,481号に提供される。
【００５２】
射出瞳拡大器(EPE)10は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、発信器、携帯インターネット器具、携帯コンピュータ、デジタル式のビデオおよびスチルカメラ、ウェアラブル・コンピュータ、コンピュータ・ゲーム・デバイス、視認のための対眼球用の特殊製品、および、他の携帯用電子デバイスの如き電子(携帯)デバイス100において使用され得る。図３に示された如く、携帯デバイス100は、(不図示の)外部デバイスとの間で情報を送受信する通信ユニット212を収容するハウジング210を有する。携帯デバイス100はまた、送受信した情報を取り扱う制御処理ユニット214、および、視認のための仮想ディスプレイ・システム230も有する。仮想ディスプレイ・システム230は、マイクロディスプレイもしくは画像源192と、光学的エンジン190とを含む。制御処理ユニット214は光学的エンジン190に対して作用的に接続されることで、画像源192に対して画像データを提供して、その上に画像を表示する。本発明に係るEPE10は、光学的エンジン190に対して光学的に結合され得る。
【００５３】
更に、図３に示された如き画像源192は、シーケンシャル・カラーLCOS(シリコン上液晶)デバイス、OLED(有機発光ダイオード)アレイ、MEMS(超小型電気機械的システム)デバイス、または、透過、反射もしくは発光で動作する他の任意で適切なマイクロディスプレイ・デバイスとされ得る。
【００５４】
更に、電子デバイス100は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、発信器、携帯インターネット器具、携帯コンピュータ、デジタル式のビデオおよびスチルカメラ、ウェアラブル・コンピュータ、コンピュータ・ゲーム・デバイス、視認のための対眼球用の特殊製品、および、他の携帯用電子デバイスの如き携帯デバイスとされ得る。但し、本発明に係る上記射出瞳拡大器は、ゲーム・デバイス、自動販売機、バンドマティック(band-o-matic)、および、オーブン、電子レンジおよび他の電気製品の如き家庭用電気製品、ならびに、他の非携帯式デバイスの如き非携帯式デバイスにおいても使用され得る。
【００５５】
上述の配置構成は本発明の原理の応用を例示しているにすぎないことを理解すべきである。当業者であれば、本発明の有効範囲から逸脱せずに多数の改変および代替的配置構成を案出し得ると共に、添付の各請求項は斯かる改変および配置構成を網羅することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】３個の回折要素を用いる先行技術の射出瞳拡大器を示す概略図である。
【図２】本発明に係る汎用2D射出瞳拡大器の幾何学形状を示す概略図である。
【図３】仮想ディスプレイ・システムを有する電子デバイスを示す概略図である。
【図１】
2008546020.tif 000016
【図２】
2008546020.tif 000017
【図３】
2008546020.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月1日(2008.2.1)
【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】
第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と、
前記基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と、
前記第1回折要素と所定関係で前記基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、前記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と、
前記第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは前記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であり、前記角度ρは４５°とは異なる、という中間回折要素とを備えて成り、
受容された光学ビームの少なくとも一部は前記第1回折要素内で回折されて、回折された光学成分は、実質的に前記第1表面と第2表面との間で前記中間回折要素に提供され、且つ、
前記中間回折要素内の前記回折された光学成分の少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と前記第2表明の間の前記第2回折要素に結合して、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部は前記第2回折要素内での回折により前記基板を出射可能にして、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する、
光学デバイス。
【請求項２】
当該光学デバイスは、前記出力光学ビームを提供することにより前記入力光学ビームの射出瞳を拡大するためのものである、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記回折された光学成分は、前記中間回折要素に入射し、且つ、前記第2回折要素に対して前記回折された光成分の少なくとも一部を提供する前に奇数回だけ一次の回折まで回折される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の回折モードのみをサポートし、または、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項５】
２次モードまたは更に高次の回折モードは前記中間回折要素によりサポートされず、この点は、nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、
【数１】
2008546020.tif 000019
という条件により実行される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項６】
ρ＜70°である、請求項５記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記中間回折要素に対して透過回折モードは許容されないという所定条件が維持され、この点は、λが前記入力光学ビームの波長として、λ/d＞1として表現される条件により実行される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記第1回折要素、前記第2回折要素または前記中間回折要素は、前記第1表面上または前記第2表面上に配設される、請求項１記載の光学デバイス。
【請求項９】
周期dの周期的ラインを含み、第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板上に配設された第1回折要素に、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容するステップと、
前記入力光学ビームの少なくとも一部を前記第１回折要素内で回折させて回折された光学成分を実質的に前記第１および第２の表面の間の中間回折要素に与えるステップと、
前記中間回折要素により前記回折された光学成分をさらに回折するステップと、
前記中間回折要素内の前記さらに回折された光学成分の少なくとも一部を、前記第１及び第２の表面の実質的な間の第２の回折要素に結合して、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部が前記第２の回折要素内の回折により前記基板から出射可能にして、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供し、入力光学ビームの射出瞳を拡大するステップと、
を備え、
前記第２の回折要素は前記基板上に前記第１の回折要素と関係付けて配置され、周期ｄの周期的ラインをさらに含み、前記周期的ラインと前記さらなる周期的ラインの間の角度は２ρであり、
前記中間回折要素は前記第１及び前記第２の回折要素に隣接して配置され、周期d/2cosρを持つ更なる周期的ラインをさらに含み、ρは前記周期的ラインと前記更なる周期的ラインの間の角度であり、前記角度ρは４５°とは異なる、 
方法。
【請求項１０】
前記回折された光学成分は、前記回折された光成分の少なくとも一部が前記第2回折要素に提供される前に、前記中間回折要素に入射し、続いて、奇数回だけ一次の回折まで回折される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記中間回折要素はゼロ次および一次の反射回折モードのみをサポートするように構成され、即ち、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記中間回折要素は、２次または更に高次の回折モードをサポートしないように構成され、この点は、nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、
【数２】
2008546020.tif 000020
として表現される条件により実行される、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
ρ＜70°である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記中間回折要素は透過回折モードをサポートしないように構成され、この点は、λが前記入力光学ビームの波長として、λ/d＞1という条件により実行される、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
前記第1回折要素、前記第2回折要素または前記中間回折要素は、前記第1表面上または前記第2表面上に配設される、請求項９記載の方法。
【請求項１６】
データ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットに対して作用的に接続されて該データ処理ユニットから画像データを受信する光学的エンジンと、
前記光学的エンジンに対して作用的に接続され、前記画像データに基づき画像を形成するディスプレイ・デバイスと、
射出瞳拡大器とを備えた電子デバイスであって、
前記射出瞳拡大器は、
第1表面と、反対側の第2表面とを有する光学材料製の基板と、
前記基板上に配設された第1回折要素であって、波動ベクトルkにより定義される入力光学ビームを受容すると共に周期dの周期的ラインを含む第1回折要素と、
前記第1回折要素と所定関係で前記基板上に配設されると共に周期dの更なる周期的ラインを含む第2回折要素であって、前記周期的ラインと該更なる周期的ラインとの間の角度は２ρであるという第2回折要素と、
前記基板上で前記第1および第2回折要素の近傍に配設されると共に周期d/2cosρの更なる別の周期的ラインを含む中間回折要素であって、ρは前記周期的ラインと該更なる別の周期的ラインとの間の角度であり、前記角度ρは４５°ではない、という中間回折要素とを備えて成り、
入力光学ビームの少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と第2表面との間の前記中間回折要素に対して回折された光学成分を提供する前記第1回折要素により回折され、且つ、
前記中間回折要素内で前記回折された光学成分の少なくとも一部は、実質的に前記第1表面と第2表面との間の前記第2回折要素に結合されて、前記結合され回折された光学成分の少なくとも一部が前記第2回折要素内での回折により前記基板から出射可能にして、前記入力光学ビームの前記波動ベクトルkと厳密に同一の方向を有する更なる波動ベクトルk1により定義される出力光学ビームを提供する、
電子デバイス。
【請求項１７】
前記中間回折要素は反射的なゼロ次および一次の反射回折モードのみをサポートするように構成され、即ち、前記基板の屈折率は、λが前記入力光学ビームの波長として、n＞λ/dである、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項１８】
前記中間回折要素は、２次または更に高次の回折モードをサポートしないように構成され、この点は、nは前記基板の屈折率であり、λは前記入力光学ビームの波長として、
【数３】
2008546020.tif 000021
として表現される条件により実行される、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項１９】
ρ＜70°である、請求項１８記載の電子デバイス。
【請求項２０】
前記中間回折要素は、透過回折モードをサポートしないように構成され、この点は、  λが前記入力光学ビームの波長として、λ/d＞1として表現される条件により実行される、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項２１】
当該電子デバイスは、デジタル・カメラ、コンピュータ・ゲーム・デバイス、無線デバイス、携帯デバイスまたは移動端末である、請求項１６記載の電子デバイス。
【請求項２２】
当該電子デバイスは、前記画像データを表す情報を含む信号を受信する通信ユニットを更に備え、
前記データ処理ユニットは前記通信ユニットに対して作用的に接続されて前記情報を受信する、請求項１６記載の電子デバイス。
【国際調査報告】
2008546020.tif 000022
2008546020.tif 000023