(57)【要約】ニヤアイディスプレイに特に役立つ光学アパーチャ拡張配置は、導波路（３０、１４０、１４５）を採用し、この導波路は、導波路に沿った画像証明の２つの伝播モードを生成し、かつ導波路からの両モードをカップリングアウトさせるためのＶ字構成（２５と２６）を具備する。様々な実施形態は、その内部で画像証明が４重の内部反射によって伝播する、長方形の導波路を採用する。ある場合には、第２の次元のアパーチャ拡張を達成するために、Ｖ字構成が、部分反射する内面（４５と１５０）の配列と組み合わされる。【選択図】図４
2021504733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸長の方向を有する第１の光導波路を含む、光学デバイスであって、
前記第１の光導波路は、前記伸長する方向に対して平行な平行面の第１および第２の対を有し、平行面の前記第１および第２の対における４重の内部反射によって光を導くための長方形の断面を形成し、内部反射する各光線はそれにより４つの共役伝播方向のセットを定義し、前記第１の光導波路の少なくとも一部は第１および第２のＶ字形成面によって境界付けられ、
前記第１のＶ字形成面は、共役伝播方向の第１のセットから第１の方向へと前記第１の光導波路内を伝播する注入画像の少なくとも一部に対応する光線が、共役伝播方向の第２のセットから第２の方向へと伝播するように、前記第１のＶ字形成面における反射によって偏向されるように構成され、前記第２の方向は前記伸長する方向に対して、前記第１の方向より小さな角度で角度付けられており、
ここで、共役方向の前記第２のセットから少なくとも１つの方向に伝播する画像を、共役方向の前記第１のセットから少なくとも１つの方向に伝播するように偏向させるように、前記第２のＶ字形成面は前記第１のＶ字形成面に対して平行であり、その結果、共役方向の前記第１のセットから少なくとも１つの方向に沿って伝搬する画像を、前記第１の光導波路から出すようにカップリングアウトする、光学デバイス。
【請求項２】
前記第１のＶ字形成面が、前記第１の光導波路の外面である、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記第１のＶ字形成面が、反射コーティングでコーティングされている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記第１のＶ字形成面が、部分反射コーティングでコーティングされている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記第１のＶ字形成面が透明であり、前記第１のＶ字形成面に面する関係の前記平行面の少なくとも一部が反射コーティングでコーティングされている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記第１の光導波路へ導入された注入画像が、前記第１のＶ字形成面における第１の反射により、注入方向から、前記共役方向の第１のセットからの方向へと偏向され、且つ、前記平行面の少なくとも１つからの追加的な反射の後に、前記第１のＶ字形成面からの第２の反射によって、前記共役方向の第１のセットからの方向から、前記共役方向の第２のセットからの方向へとさらに偏向される、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記第１の導波路のカップリングイン領域に隣接または近接するカップリングインプリズムをさらに含み、前記カップリングインプリズムが、前記第１の導波路の対応表面の延長を形成する少なくとも１つの表面を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項８】
２つの主要な平行面を有する導光路をさらに含み、前記第１の導波路が、前記第１の導波路からカップリングアウトされた画像が前記導光路にカップリングインされて、前記２つの主要な平行面における内部反射によって前記導光路内に伝播するように配置され、前記導光路は、前記導光路内を伝播する画像をカップリングアウトし、ユーザーの眼の方へ画像を指向するためのカップリングアウト配置をさらに含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記伸長する方向に対して平行な平行面の第１および第２の対を有し、平行面の前記第１および第２の対における４重の内部反射によって光を導くために長方形の断面を形成する、第２の光導波路をさらに含み、前記第２の光導波路の少なくとも一部は第１および第２のＶ字形成面によって境界付けられ、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は積み重なる関係で配置され、且つ、第１のアパーチャサイズを有する投影画像が前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の各々に部分的にカップリングインされるように、そして、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の前記第２のＶ字形成面がそれぞれカップリングアウト構成の一部のためのものとなるように構成され、前記カップリングアウト構成は前記第１のアパーチャサイズより大きなサイズを有する効果的な出力アパーチャを提供するように配置される、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の各々について、前記第１のＶ字形成面および、前記第１のＶ字形成面に面する関係にある前記平行面の１つの一部が、カップリングイン構成を形成し、光学デバイスがさらに、前記カプリングイン構成間のＶ字形状の隙間を実質的に充填する、充填プリズムをさらに備える、請求項９に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記第２の光導波路の前記第１のＶ字形成面が部分反射するようにコーティングされ、それにより、投影画像の一部をカップリングインし、前記投影画像の一部が前記第１のカップリングイン構成に到達することを可能にする、請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記第１の光導波路の前記第１のＶ字形成面に面する関係にある前記平行面の１つの前記一部が部分反射するようにコーティングされ、それによって前記投影画像の一部をカップリングインし、前記投影画像の一部が前記第２のカップリングイン構成に到達することを可能にする、請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路が、少なくとも３つの光導波路の重なりの一部である、請求項９に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記第２の光導波路からカップリングアウトされた画像が、前記第１の光導波路を通って伝播する、請求項９に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記第１の光導波路の前記第１および第２のＶ字形成面が、平行面の前記第１の対に対して斜角に傾き、且つ、平行面の前記第２の対に対して垂直である、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
前記第１の光導波路の前記第１および第２のＶ字形成面が、平行面の前記第１の対および平行面の前記第２の対の両方に対して斜角に傾いている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項１７】
光学デバイスであって、前記光学デバイスは、
内部反射によって光を導くための平行面の少なくとも第１の対を有する第１の光導波路部分であって、前記第１の光導波路が、前記平行面の対に対して非平行に方向付けられる、複数の相互に平行な部分反射面を含む第１の光導波路と、
第１のＶ字形成面と前記平行面の１つとの間に形成されるＶ字構成であって、前記Ｖ字構成は、前記第１の光導波路部分内を第１の方向に伝播する注入画像の少なくとも一部に対応する光線が、前記第１のＶ字形成面における反射によって、前記第１の光導波路部分の伸長する方向に対して、前記第１の方向より小さな角度で第２の方向へと伝播するように偏向されるように、構成され、前記第１および前記第２の方向の光線は、前記第１の光導波路部分からカップリングアウトするために、前記部分反射面において第１の偏向方向および第２の偏向方向にそれぞれ偏向される、Ｖ字構成と、
内部反射によって光を導くための平行面の第２の対を有する第２の光導波路部分であって、前記第２の光導波路部分は、前記第１の偏向方向と前記第２の偏向方向に伝播する注入画像の一部を受け取るために配置される、第２の光導波路部分とを含み、
前記第２の光導波路部分は、第２のＶ字形成面と平行面の前記第２の対の１つとの間に形成されたカップリングアウトＶ字構成を含み、前記カップリングアウトＶ字構成は、前記Ｖ字形成面からの単反射によって前記第１の偏向方向、および前記Ｖ字形成面から二重反射されることによる前記第２の偏向方向に伝播する、前記画像の少なくとも一部をカップリングアウトさせるために配置される、光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニヤアイディスプレイに関し、また、特に、ニヤアイディスプレイのための光学的アパーチャ拡張配置に関係する。
【背景技術】
【０００２】
特定のニヤアイディスプレイは、観察者の目への表示のために、小さなプロジェクタからより大きなアパーチャへと、アパーチャを拡張するために使用される導波路に基づく。導波路は、導波路から目の方へ光を送るための出力カップリングメカニズムを含む。
【０００３】
アパーチャ拡張は通常、２つの段階に細分化され、２つの次元に沿って連続的に拡張する。目に出力を提供する第２の次元は、Ｌｕｍｕｓ社（イスラエル）から市販されている内部ファセットを組み込む導波路に基づき得る、または、画像のカップリングアウトのための回折光学素子を組込む導波路を採用し得る。
【０００４】
アパーチャ拡張の第１の次元を提供するために、様々な配置が使用され得る。１例が、特許文献１（以下「’２４２公開」）に説明されており、そこでは、カップリングインおよびカップリングアウトは、導波路の終端におけるＶ字構成によって達成され、側面から見ると平行四辺形構造を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＰＣＴ特許公開ＷＯ２０１７／１４１２４２
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、ニヤアイディスプレイにおいて特に有益なアパーチャ拡張を提供する、光学デバイスである。
【０００７】
本発明の実施形態の教示によれば、光学デバイスが提供され、光学デバイスは伸長の方向を有する第１の光導波路を含み、第１の光導波路は、伸長する方向に対して平行な平行面の第１および第２の対を有し、平行面の第１および第２の対における４重の内部反射によって光を導くための長方形の断面を形成し、内部反射する各光線はそれにより４つの共役伝播方向のセットを定義し、第１の光導波路の少なくとも一部は第１および第２のＶ字形成面によって境界付けられ、第１のＶ字形成面は、共役伝播方向の第１のセットから第１の方向へと第１の光導波路内を伝播する注入画像の少なくとも一部に対応する光線が、共役伝播方向の第２のセットから第２の方向へと伝播するように、第１のＶ字形成面における反射によって偏向されるように構成され、第２の方向は伸長する方向に対して、第１の方向より小さな角度で角度付けられており、ここで、共役方向の第２のセットから少なくとも１つの方向に伝播する画像を、共役方向の第１のセットから少なくとも１つの方向に伝播するように偏向させるように、第２のＶ字形成面は第１のＶ字形成面に対して平行であり、その結果、共役方向の第１のセットから少なくとも１つの方向に沿って伝搬する画像を、第１の光導波路から出すようにカップリングアウトする。
【０００８】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１のＶ字形成面は第１の光導波路の外面である。
【０００９】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１のＶ字形成面は反射コーティングでコーティングされている。
【００１０】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１のＶ字形成面は部分反射コーティングでコーティングされている。
【００１１】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１のＶ字形成面は透明であり、第１のＶ字形成面に面する関係の平行面の少なくとも一部は、反射コーティングでコーティングされている。
【００１２】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の光導波路へ導入された注入画像は、第１のＶ字形成面における第１の反射により、注入方向から、共役方向の第１のセットからの方向へと偏向され、且つ、平行面の少なくとも１つからの追加的な反射の後に、第１のＶ字形成面からの第２の反射によって、共役方向の第１のセットからの方向から、共役方向の第２のセットからの方向へと、さらに偏向される。
【００１３】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の導波路のカップリングイン領域に隣接または近接するカップリングインプリズムも提供され、カップリングインプリズムは、 第１の導波路の対応表面の延長を形成する、少なくとも１つの表面を含む。
【００１４】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、２つの主要な平行面を有する導光路も提供され、第１の導波路は、第１の導波路からカップリングアウトされた画像が導光路にカップリングインされて、２つの主要な平行面における内部反射によって導光路内に伝播するように配置され、 導光路は、導光路内を伝播する画像をカップリングアウトし、ユーザーの眼の方へ画像を指向するためのカップリングアウト配置をさらに含む。
【００１５】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、伸長する方向に対して平行な平行面の第１および第２の対を有し、平行面の第１および第２の対における４重の内部反射によって光を導くために長方形の断面を形成する、第２の光導波路も提供され、第２の光導波路の少なくとも一部は第１および第２のＶ字形成面によって境界付けられ、第１および第２の光導波路は積み重なる関係で配置され、且つ、第１のアパーチャサイズを有する投影画像が第１および第２の光導波路の各々に部分的にカップリングインされるように、そして、第１および第２の光導波路の第２のＶ字形成面がそれぞれがカップリングアウト構成の一部のためのものとなるように構成され、カップリングアウト構成は第１のアパーチャサイズより大きなサイズを有する効果的な出力アパーチャを提供するように配置される。
【００１６】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１および第２の光導波路の各々について、第１のＶ字形成面および、第１のＶ字形成面に面する関係にある平行面の１つの一部が、カップリングイン構成を形成し、光学デバイスはさらに、カプリングイン構成間のＶ字形状の隙間を実質的に充填する、充填プリズムをさらに含む。 
【００１７】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第２の光導波路の第１のＶ字形成面は部分反射するようにコーティングされ、それにより、投影画像の一部をカップリングインし、投影画像の一部が第１のカップリングイン構成に到達することを可能にする。
【００１８】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の光導波路の第１のＶ字形成面に面する関係にある平行面の１つの一部は部分反射するようにコーティングされ、それによって投影画像の一部をカップリングインし、投影画像の一部が第２のカップリングイン構成に到達することを可能にする。
【００１９】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１および第２の光導波路は、少なくとも３つの光導波路の積み重ねの一部である。
【００２０】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第２の光導波路からカップリングアウトされた画像は、第１の光導波路を通って伝播する。
【００２１】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の光導波路の第１および第２のＶ字形成面は、平行面の第１の対に対して斜角に傾き、且つ、平行面の第２の対に対して垂直である。
【００２２】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の光導波路の第１および第２のＶ字形成面は、平行面の第１の対および平行面の第２の対の両方に対して、斜角に傾いている。
【００２３】
さらに、本発明の実施形態の教示によれば、光学デバイスが提供され、光学デバイスは、内部反射によって光を導くための平行面の少なくとも第１の対を有する第１の光導波路部分であって、第１の光導波路は、平行面の対に対して非平行に方向付けられる、複数の相互に平行な部分反射面を含む第１の光導波路と、第１のＶ字形成面と平行面の１つとの間に形成されるＶ字構成であって、Ｖ字構成は、第１の光導波路部分内を第１の方向に伝播する注入画像の少なくとも一部に対応する光線が、第１のＶ字形成面における反射によって、第１の光導波路部分の伸長する方向に対して、第１の方向より小さな角度で第２の方向へと伝播するように偏向されるように、構成され、第１および第２の方向の光線は、第１の光導波路部分からカップリングアウトするために、部分反射面において第１の偏向方向および第２の偏向方向にそれぞれ偏向される、Ｖ字構成と、内部反射によって光を導くための平行面の第２の対を有する第２の光導波路部分であって、第２の光導波路部分は、第１の偏向方向と第２の偏向方向に伝播する注入画像の一部を受け取るために配置される、第２の光導波路部分とを含み、第２の光導波路部分は、第２のＶ字形成面と平行面の第２の対の１つとの間に形成されたカップリングアウトＶ字構成を含み、カップリングアウトＶ字構成は、Ｖ字形成面からの単反射によって第１の偏向方向、およびＶ字形成面から二重反射されることによる第２の偏向方向に伝播する、画像の少なくとも一部をカップリングアウトさせるために配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明は、添付の図面を参照して、例示のみによって、本明細書で説明される。
【図１Ａ】本発明の実施形態に従って構築され且つ作動可能であり、導波路を含む、光学デバイスの概略正面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのものに類似する光学デバイスの概略正面図であり、投影画像をカップリングインするための代替構成を示す。
【図１Ｃ】図１Ａの導波路を通る概略断面図であり、画像伝播の２つの異なるモードを示すために２度示されている。
【図２Ａ】第２の導波路と共に図１Ｂの導波路を採用する、光学デバイスの正面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのラインＡに沿って切り取られた断面図である。
【図３Ａ】図１Ａに類似する導波管の積み重ねを採用する光学デバイスの正面図である。
【図３Ｂ】図３ＡのラインＡに沿って切り取られた断面図である。
【図４】図１Ｂに類似する代替カップリングイン構成を示す図３Ａに類似する正面図である。
【図５】ＡおよびＢは、カップリングインプリズムを具備する、本発明の教示に従う導波路を示す概略等角図であり、導波路がそれぞれ、導波路の平行面の両セットに対して、または、導波路の平行面の１つのセットのみに対して、斜角の傾斜を有するＶ字形成面を採用する。
【図６】Ａ−Ｃは、本発明のさらなる態様に従って２つの次元の光学アパーチャ拡張を達成するデバイスの、それぞれ、概略平面図、概略側面図、および概略正面図である。
【図７】ＡおよびＢは、代替カップリングイン形状を採用する図６のＡ−Ｃのデバイスの変形実装の、それぞれ、概略側面図と概略正面図である。
【図８】Ａ−Ｃは、２つのスラブタイプの導波路を使用して実装される図６のＡ−Ｃのものに類似するデバイスの、それぞれ、概略平面図、概略側面図、および概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、ニヤアイディスプレイにおいて特に有益なアパーチャ拡張を提供する、光学デバイスである。
【００２６】
本発明に係る光学デバイスの原理および働きは、図面およびそれに伴う記述を参照することで、一層よく理解され得る。
【００２７】
図面を参照すると、図１Ａ−図５Ｂは光学デバイスの様々な実装を示し、本発明の非限定的な実施形態の第１のサブセットに従って構築され且つ操作可能であり、ニヤアイディスプレイにおいて特に有益であるアパーチャ拡張を提供する。
【００２８】
一般的に言うと、光学デバイスは、伸長する方向（Ｄ）を有する第１の光導波路（３０）を含む。光導波路（３０）は、伸長する方向（Ｄ）に対して平行な平行面の第１および第２の対（１２ａ、１２ｂおよび１４ａ、１４ｂ）を有し、平行面の第１および第２の対（１２ａ、１２ｂおよび１４ａ、１４ｂ）において４重の内部反射によって光を導くために、長方形の断面を形成する。本文脈における「長方形（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ）」は、特殊なケースとして正方形の断面を含む。この４重の内面反射の結果、内面反射する各光線は４つの共役伝搬方向のセットを定義し、例えば光線（ａ１、ａ２、ａ３およびａ４）として示される。
【００２９】
本発明の１つの態様によれば、光導波路（３０）の少なくとも一部は、第１および第２のＶ字形成面（２１および２２）によって境界付けられ、これらはそれぞれ、平行面の１つ以上の隣接領域と共に、対応するＶ字構成（２５および２６）を形成する。
【００３０】
第１のＶ字形成面（２１）は、好ましくは、第１の光導波路内を共役伝播方向（ａ１−ａ４）の第１のセットから第１の方向（ａ３またはａ４）に伝播する注入画像の少なくとも一部に対応する光線（ａ３、ａ４）が、第１のＶ字形成面（２１）における反射によって偏向され、共役伝播方向（ｃ１−ｃ４）の第２のセットから第２の方向（ｃ１またはｃ２）に伝播するように構成され、第２の方向は、伸長する方向に対して、第１の方向より角度が小さい。換言すると、共役方向（ａ１−ａ４）の第１のセットとして、画像がすでに導波管（３０）にカップリングインされた後は、Ｖ字形成面（２１）におけるさらなる反射は、画像伝播方向を、より浅い入射角度で平行面にぶつかる共役方向（ｃ１−ｃ４）の追加のセットへと偏向する。図１Ａと図１Ｂに示されるように、共役方向（ａ１−ａ４）の第１のセットにおいて伝播する画像は、Ｖ字形成面（２１）からの第１の反射によって、それ自身でカップリングインすることが可能である。したがって、図１の例では、入力投影画像の光線は、平行面の１つ（１２ａ）を通って第１のＶ字構成（２５）に入り、次に、Ｖ字形成面（２１）から一度反射され、（側面（１４ａと１４ｂ）における反射によって相互に入れ替わる）光線（ａ１またはａ２）に対応する１回偏向光線を生成する。これらの光線は、面（１２ａ）で反射し、共役光線（ａ３とａ４）を形成する。実戦の矢印によって表わされるアパーチャの一部については、光線（ａ３とａ４）が到達する次の境界は、Ｖ字形成面の終わりを超えた向こうの面（１２ｂ）である。結果として、注入画像のこの部分は、導波管部分を沿って通る間に、図１Ｃ（左）に示されるように、光線（ａ１−ａ４）の間を入れ替わりながら、４重の内面反射によって伝播する。アパーチャの別の部分については、光線（ａ３とａ４）が再びＶ字形成面（２１）に落ち、さらなる偏向をもたらして光線（ｃ１および／またはｃ２）を生成し、また、図１Ｃ（右）に表されるように、共役光線（ｃ１−ｃ４）の４重の内部反射によって、導波路に沿って伝播する。光線（ｃ１−ｃ４）は、光線（ａ１−ａ４）に比べて、導波管の延長方向（Ｄ）に対してより小さい角度になっているが、この区別は図１Ｃの軸方向の図には見えない。
【００３１】
したがって、本明細書において画像が光ビームまたは光線によって表わされる場合は常に、ビームは画像のサンプルビームであり、通常それは、画像の点または画素にそれぞれ対応する、わずかに異なる角度の複数のビームによって形成されることに注意されたい。画像の端部であると具体的に称されている場合を除き、示されているビームは通常、画像の重心である。さらに、各画素のための照明は、特定の光線位置に限定されず、代わりに、導波路の対応する次元を本質的に「充填する」平行光線の幅の広いビームであることが好ましい。したがって、本明細書に示されるサンプル光線は、通常、画像投影デバイスの出力アパーチャに広がる光線の、より幅の広い連続体の一部である。
【００３２】
面（１２ａ）に対するＶ字形成面（２１）の傾斜角度は、好ましくは、多くの形状上の要件を充足するように選択される。第一に、投影画像注入の意図される方向を考慮に入れ、画像の全視野のために、１回反射光線（ａ１、ａ２）が導波路の平行面において内部反射するように、Ｖ字角度は選択される。さらに、Ｖ字角度は、光線（ｃ１、ｃ２）を生成するために、Ｖ字形成面からの上述の反復反射が起こり得るように十分に浅い角度に選択され、同時に、１回偏向と２回偏向の画像における画像の視野が、確実に、角度空間で重ならないようにする。２重反射の場合にこれらの状態をどのように数値的に評価するかの例は、前述の’２４２公開に見受けられ、且つ、普通の当業者には明らかなように、本発明の４重反射の場合に容易に採用し得る。本発明は２つの伝搬モードに限定されず、特に、比較的小さな角度の視野のみが必要な場合、光線（ｃ１−ｃ４）の１つがＶ字形成面でさらに反射された後に達成される、第３の伝播とその共役をも使用できる可能性がある。
【００３３】
この場合、第２のＶ字形成面（２２）は、第１のＶ字形成面（２１）に対して平行であり、上述のカップリングインに類似する方法で導波路部分内を伝播する画像照明をカップリングアウトする、第２のＶ字構成（２６）を形成する。具体的には、第２のＶ字形成面（２２）は、共役方向（ｃ１−ｃ４）の第２のセットから少なくとも１方向に伝播している画像を、共役方向（ａ１−ａ４）の第１のセットから少なくとも１方向に伝播するように偏向し、さらに、共役方向（ａ１−ａ４）の第１のセットから１つの方向に沿って伝播している画像を、光導波路（３０）から出すようにカップリングアウトする。
【００３４】
側面図の図１Ａの構成は、前述の’２４２公開に説明されるものに類似しているようである。しかし、’２４２公開は、反射が１対の平行面でのみ起こる（すなわち２重反射の）導波路に関係し、導波路の他の寸法（図示の通りのページ内）は比較的大きく、光の、導波路の他の端部との交差を回避する。対照的に、本発明のある好ましい実施形態は、長方形の導波路アプローチを採用し、４重の内面反射によって２つの次元における画像証明の導光を提供し、それによって、スラブタイプの導波路アプローチによって使用され得るものに比べて、よりコンパクトな光学素子の使用を可能にする。
【００３５】
Ｖ字形成面（２１と２２）は、本明細書では、１対の平行面（１２ａ、１２ｂ）に対して斜角で、且つ、他方の対の平行面（１４ａ、１４ｂ）に対して垂直に示されているが、長方形の導波路アプローチもまた、平行面の両対に対して斜角に傾いているＶ字形成面の使用を可能にする。１つのそのような例が、図５のＡを参照して、以下に示される。一般に、Ｖ字形状が、第１および第２のＶ字構成に関して類似している限り、カップリングアウト形状は、カップリングイン形状の効果を「取り消す」のに依然として効果的である。
【００３６】
図１Ａの構成では、投影画像の注入の角度およびＶ字自体の角度に応じて、Ｖ字形成面（２１）が、コーティングを必要とせずに十分な内部反射を達成する場合があり得る。しかし、ほとんどの場合には、Ｖ字形成面（２１）に反射コーティングを供することが好ましく、また、さらに下に議論されるある場合には、部分反射コーティングを供することが好ましい。第２のＶ字形成面（２２）には、好ましくは、反射コーティングが供される。本明細書で太線で表される反射コーティングは、当技術分野で知られる金属のコーティングまたは誘電性コーティングを使用して実装され得る。
【００３７】
図１Ｂは、よりコンパクトな全体的製品形態要因を達成するために、ある実装において有利となる、代替的なカップリングイン形状を示す。この場合、第１のＶ字形成面（２１）は光導波路（３０）の透明な外面で、注入画像はその面を通して方向付けられる。第１のＶ字形成面（２１）に面する関係にある面（１２ａ）の少なくとも一部は、（完全なまたは部分的な）反射コーティング（２７）でコーティングされ、それにより、注入画像の全てまたは一部を、光線が図１の構成の第１の反射と同等程度に反射する、Ｖ字形成面（２１）の方へ反射し返す。反射の残りは、図１Ａに関して上述されるものに類似する。
【００３８】
図１Ｂのカップリングイン構成は、導波路（３０）における２重反射のみで画像の視野全体を収容するように、もう一方の次元において大きい導波路を採用し、その他の点では上述の’２４２公開に説明される通りに構成されるものに類似する変形を含む、幅広い用途で有利であると考えられている。 
【００３９】
図２は、導波路（３０）が、２つの主要な平行面（２４ａ、２４ｂ）を有する第２の導波路（または「導光路」）（２０）に画像を送るために使用されている、ニヤアイディスプレイの実装を示し、そこから（光線ｂ１とｂ２として伝搬する）画像が、観察者の目（４７）の方へカップリングアウトされる。本明細書に示す特に好ましいが限定的でない例で、第２の導波路は、画像を目の方へカップリングアウトさせるために、複数の、相互に平行で、斜角に傾く、内部の部分反射面（４５）を採用する。内部の部分反射面（４５）を具備する導光路（２０）は、当技術分野で周知の設計および製造技術を使用して容易に実装でき、同様の要素は、Ｌｕｍｕｓ社（Ｎｅｓｓ Ｚｉｏｎａ、イスラエル）を含む様々な供給元から市販されている。そのため、導光路（２０）の構造それ自体は、本明細書では詳細に説明されない。
【００４０】
本明細書に示されるデバイス設計では、導波路（２０）内に垂直伝播を生成するために、導波路（３０）は、導波路（２０）内の部分反射面（４５）の延長方向に対して傾斜している。ある場合には、２つの導波路間に変更された光学カップリング構成を提供するために、導波路（３０）の伸長する方向に沿った「ロール」軸に対しての傾斜など、２つの導波路間のオフセットについて他の角度を採用することが望ましいこともある。本明細書に採用され得る様々な変形カップリングオプションは、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ  ２０１８／０６５９７５  Ａ１（本出願の優先日後に公開され、先行技術を構成しない）の、特に図１９−２６に説明されており、簡略化のため、本明細書では扱わない。
【００４１】
この例は、図１Ｂを参照する上述のカップリングイン形状を採用する。カップリングインプリズム（１１）が、色収差を最小化するために追加される。Ｖ字形成面（２１）における全内部反射特性を維持するために、空隙、または他の低指数のカップリング材が、カップリングインプリズム（１１）とＶ字形成面（２１）の間に提供される。
【００４２】
ここで図３Ａ−図４を見ると、これらは、より広範囲なアパーチャ拡張を達成するために、２つ以上の導波路の積み重ねがどのように使用され得るかを示す。これらの図では、３つの導波路（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）の積み重ねは、それぞれ、これまでに説明されてきた導波路（３０）に類似し、投影された入力画像が導波路のおのおのに、部分的にカップリングされるように配置される。導波路は、カップリングアウトのＶ字構成が互い違いになるように長さが異なり、最も好ましくは、示されているように、ほぼ平面であるＶ字形成面（２２）を具備し、それによって、導光路（２０）の「幅」次元全体をカバーし、導光路そのものは、上記の図２Ａ−図２Ｂの通り、アパーチャ拡張の第２の次元を提供する。空隙または他の内面反射保存層または多層構造は、導波路の内面反射特性を保存するように、導波路（３０ａ、３０ｂおよび３０ｃ）の間に置かれる。少なくともカップリングアウトの領域においては、導波路間の境界は、カップリングアウトされた光線がインターフェースを通り抜けることを可能にするために、低角度の光線に対して透明でなくてはならない。他の領域では、金属層または他の反射層が導波路間で使用され得る。
【００４３】
図３Ｂに見られるように、上部の導波路（３０ｂと３０ｃ）のＶ字形成面（２２）からのカップリングアウトは、カップリングアウトされた画像照明（光線ｂ１および／またはｂ２）を、下部の導波路を通って指向させ、そこでは、正面と背面（１４ａと１４ｂ）が導光路（２０）の前後方向の延長として機能する。図３Ａの断面図では、光線（ｂ１−ｂ２とｃ１−ｃ４）は、表示の明瞭さを目的として、上部の導波路から省略されているが、それらはそこに存在している。
【００４４】
図３Ｂのデバイスのカップリングイン構成は、Ｖ字形成面（２１）からの部分反射に基づく。特に、導波路（３０ｃと３０ｂ）のＶ字形成面（２１）は、部分反射するようにコーティングされ、その結果、示されているように、投影画像が入力されると、画像証明の一部が導波路（３０ｃ）へ偏向およびカップリングされ、一部は導波路（３０ｂ）へ送られおよびカップリングされ、また一部は両者を通って送られ導波路（３０ａ）へカップリングされる。導波路（３０ａ）のＶ字形成面（２１）は、最大限の（つまりほぼ１００％の）反射体となり得る。画像証明の伝送部分におけるひずみを最小化するために、充填プリズム（３１）は、カップリングイン構成間のＶ字型の隙間を実質的に充填するように配置されるのが好ましい。充填プリズム（３１）は、導波路への延長として統合されてもよく、また、示されるように、空隙によって導波路から下へ分離されてもよい。場合によっては、例えばカップリングイン形状を補助し色収差を最小化するために、カップリングインプリズム（３２）が提供され得る。
【００４５】
図４は、図３Ｂに類似するデバイスアーキテクチャを示すが、図１Ｂの原理に基づくカップリングイン配置を採用する。この場合、複数の導波路への部分的なカップリングが、面（１２ａ）の一部に塗布される部分反射コ―ティングによって達成され、また、画像は、Ｖ字形成面（２１）の側面から導入される。最上部の導波路（３０ｃ）は、表面（１２ａ）の主要部分に、完全反射コーティングを採用し得る。この場合も、充填Ｖ字部（３１）が提供されるが、本明細書では面（２１）のＴＩＲ特性を維持するために、Ｖ字形成面（２１）から空隙によって間隔を空けて示され、反射光線をトラップしながら注入画像照明の低損失透過を提供する。カップリングインプリズム（１１）が提供される。
【００４６】
これまでに図示された発明の実装が、（光線ａ１−ａ４のモードへの）導波路への画像証明のカップリングインのために、第１のＶ字形成面（２１）からの第１の反射を採用している一方で、これは必要な特徴では無く、代替のカップリングイン配置が好まれる場合もある。例として、図５のＡおよびＢは、カップリングインプリズム（４０）が第１の導波路（３０）のカップリングイン領域に隣接または近接する、カップリングイン配置を示し、その結果、この配置は、光線（ａ１−ａ４）のうちの１つに対応する画像注入方向に沿って、画像の直接注入を可能にするように正しく方向付けられた傾斜入力面（４２）を提供し、残りの３つの共役光線が導波路表面から内部反射によって生成される。それらの共役光線のうちの１つは、第２のモードの光線（ｃ１−ｃ４）のうちの１つを生成するために、Ｖ字形成面（２１）から反射し、その他の３つの共役光線が、導波路内の内部反射によって再び生成される。
【００４７】
カップリングインプリズム（４０）は、好ましくは少なくとも１つの表面を含み、また好ましくは、第１の導波路の対応する面の平面的な延長部である２つの面（４４と４６）を含み、これらは、示されるような面（１２ｂと１４ｂ）であるかもしれず、また、場合によってはＶ字形成面（２１）を含み得る。これらの延長面は、導波路を画像証明で「充填する」ことを補助する。この実装では、光線（ａ１−ａ４）に対応する伝播の第１のモードは、導波路へ（それらの画像の１つの注入によって）直接注入され、同時に、光線（ｃ１−ｃ４）に対応する第２のモードが、Ｖ字形成面（２１）におけるそれらの画像のうちの１つの反射によって形成され、その後に内部反射による共役画像を生成する。
【００４８】
図５のＡとＢの実装は、図５のＡが、Ｖ字形成面（２１と２２）が、平行面（１２ａ、１２ｂ）の第１の対と平行面（１４ａ、１４ｂ）の第２の対の双方に対して斜角に傾いており、一方で、図５のＢは、Ｖ字形成面（２１と２２）が、平行面（１２ａ、１２ｂ）の第１の対に対して斜角に傾いており、且つ、平行面（１４ａ、１４ｂ）の第２の対に対して垂直であるということを除き、基本的に類似している。
【００４９】
ここで図６のＡ−図８のＣを見ると、これらは本発明の第２の態様を示し、それによると、画像証明は第１および第２のＶ字構成の間で偏向されるので、第１および第２のＶ字形成面は平行面では無い。本明細書に示される場合には、偏向は第１の導波路部分内の一連の部分反射傾斜内面で発生し、それがアパーチャ拡張の第１の次元を達成し、画像照明を第２の導波路部分の方へ向け直す。
【００５０】
そのような実装の３つの非限定的な例が、ここに説明される。各々の場合において、内面反射によって光を導くための平行面の少なくとも１つの対を有する、第１の光導波路部分（１４０）を含む、光学デバイスが示される。光導波路部分（１４０）は、平行面の対に対して非平行に方向付けられた、一連の相互に平行な部分反射面（１５０）を含む。光導波路部分（１４０）はまた、第１のＶ字形成面（１２５）と平行面の１つとの間に形成される、Ｖ字構成を含む。Ｖ字構成は、前の実施形態でＶ字形成面（２１）に関して説明されるように、画像照明のカップリングインを提供し、導波路内の画像の伝搬のための２つの異なるモード（または角度の範囲）を生成するように構成される。この場合、カップリングアウトのＶ字部へ直接伝播する代わりに、画像の２つの伝播モードに対応する光線は、第１の光導波路部分からカップリングアウトするために、部分反射面（１５０）で対応する偏向方向に偏向される。
【００５１】
第２の光導波路部分（１４５）は、内面反射によって光を導くための１対の平行面を有し、面（１５０）から偏向される画像伝播の２つのモードに対応する方向に伝播する注入画像の一部を受信するために配置される。第２の光導波路部分（１４５）は、第２のＶ字形成面（１２２）と平行面の１つとの間に形成される、カップリングアウトＶ字構成を含む。このカップリングアウトＶ字構成は、上述のＶ字形成面（２２）に完全に類似するやり方で、画像伝播の２つのモードをカップリングアウトする。拡張現実ディスプレイの一部として使用される場合、Ｖ字形成面（１２２）は部分反射コーティングで実装されることが好ましく、また、Ｖ字構成を通して現実世界の歪み無い景色を提供するために、補完的なＶ字プリズム（図示されていない）を追加し得る。
【００５２】
図６のＡ−Ｃおよび図７のＡ−Ｃの場合、第１の光導波路部分（１４０）は、導波路（３０）に関して上述される通り、内部において画像証明が４重の内部反射によって伝播する、長方形の導波路である。図６のＡ−Ｃで、カップリングインＶ字構成が図６Ａの平面図において最も良く見え、一方で、カップリングアウトＶ字構成は図６Ｂの側面図で最も良く見える。上述の図１Ｂに類似する、Ｖ字形成面（１２５）を通るカップリングインを使用する代替の実装もまた、使用され得る。本明細書で、部分反射面（１５０）の向きは、最も好ましくは、図８のＣに見られるように、導波路（１４０）の上面および底面に対して傾斜しており、正面および背面に対して垂直である。
【００５３】
図７のＡおよびＢの実施形態は、図６のＡ−Ｃのそれに構造的且つ機能的に類似するが、カップリングインＶ字部については異なる向きを採用し、そのことにより、製品設計のコンパクトさと人間工学に、さらなる柔軟性を提供し得る。導波路内における画像の伝搬中に発生する４重反射を考慮すると、場合によっては、眼に対してカップリングアウトするための共役画像の、望ましい向きを選択することも可能である。カップリングアウトされた画像が反転画像である場合、カップリングアウトされた画像が正しく方向付けられるように、生成画像を反転することによって、電子的に補正され得る。一般的な場合、部分反射面（１５０）は、導波路の平行な外面の両対に対して傾斜している。
【００５４】
最後に図８のＡ−Ｃを見ると、これらは、図６のＡ−Ｃの実施形態に類似する実施形態を示すが、ここでは、第１の導波路部分（１４０）は、画像証明を１対の平行面の間の１つの次元だけに導く、スラブタイプの導波路である。他方の次元（図８のＢとＣに見られる上下）においては、導波路部分（１４０）内に投影される画像は、その光景の画角に従って広がり、導波路部分の端部に到達することは無いはずである。従って、導波路部分（１４０）は一般に、以前の実装に比べて、非誘導の次元においていくらか大きくなる必要がある。導波路部分（１４０と１４５）の間で、内面反射が必要とされない（または望まれない）ので、これらの要素は、任意の空隙あるいは他の光学要素の介在を受けることなく、単一の導波路スラブに、任意に統合または光学的に結合され得る。他のすべての点で、図８のＡ−Ｃの実施形態の構造および働きは、上述の図６のＡ−Ｃのそれに類似する。
【００５５】
上の実施形態のすべてにおいて、説明されるデバイスは、追加的な構成要素と組み合わせて使用され、完成品を形成する。したがって、例えば、光線がカップリングイン画像照明に関連する図面に示されている場合は常に、そのような光線は通常、照明源、ＬＣｏＳチップなどの空間光変調器、および、コリメート光学系を含む、小型画像プロジェクタまたは「ＰＯＤ」によって提供され 、それらは通常すべて、ビームスプリッタープリズムブロック構造の表面に統合される。そのような画像プロジェクタは、それ自身よく知られ、市販されており、本明細書では詳細に説明されない。
【００５６】
同様に、ニヤアイディスプレイの場合には、最終製品は通常支持構造と統合され、それは着用者の耳および鼻によって支持される眼鏡フレームタイプの構造、または、ヘッドバンドやヘルメットなどのヘッドマウント構造を含み得る。そのような構造はすべてよく知られており、本発明書で説明する必要は無い。
【００５７】
上記の説明は例としての役割を果たすことのみを意図しており、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内において、他の多くの実施形態が可能であることが理解されよう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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