(57)【要約】  ディスプレイが、投影方向に沿ってコリメートされた画像照明を投影する画像プロジェクタと、２つの主表面を有する光学要素であって、光学要素の内部にあり、平面状で、相互に平行且つ投影方向に対してオーバーラップする部分反射面を含む、光学要素とを有する。コリメートされた画像照明の各光線は、光学要素に入り、部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射され、その結果観察方向に沿って第１の主表面から出射するようにリダイレクトされる。代替的な実装では、部分反射面のうちの１つからの第１の反射は、光学要素の主表面で全内部反射するように、画像照明光線の一部をリダイレクトする。次いで、光線は、部分的反射面の別のものからのさらなる反射によってリダイレクトされて、観察方向に沿って光学要素を出射する。
2021501904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ領域から観察方向に沿って観察者の眼に画像を提供するディスプレイであって、前記ディスプレイは：
（ａ）  投影方向に沿ってコリメートされた画像照明を投影する画像プロジェクタと；
（ｂ）  第１の主表面及び第２の主表面を有する少なくとも部分的に透明な材料から形成された光学要素であって、前記光学要素は複数の部分反射面を含み、前記複数の部分反射面は、前記光学要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり、且つ前記投影方向に対して少なくとも部分的にオーバーラップしている、光学要素と；
を有し、
前記画像プロジェクタは、前記ディスプレイ領域内で前記主表面のうちの１つに入射する前記投影方向を有する前記光学要素に対して配置され、前記コリメートされた画像照明の各光線が前記光学要素に入射し、前記観察方向に沿って前記第１の主表面を出射するためにリダイレクトされるように、前記主表面のうちの１つからの事前の反射なしに前記部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射されるように、配向される、
ディスプレイ。
【請求項２】
前記投影方向は、５０度を超える角度で前記主表面のうちの前記１つに入射する、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
前記画像プロジェクタは、前記主表面のうちの前記１つに到達する前に前記画像照明を修正する色収差補正要素を含む、
請求項２に記載のディスプレイ。
【請求項４】
前記画像プロジェクタは、前記光学要素内に前記部分反射面の伸長方向に平行な主要寸法を持つ細長い有効開口を有する画像を投影するための光学開口拡大装置を有する、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項５】
前記光学開口拡大装置は、複数の部分反射内部表面を含む光ガイド光学要素を有する、
請求項４に記載のディスプレイ。
【請求項６】
前記画像プロジェクタは、出力方向を持つ画像発生器を有し、前記光学開口拡大装置は、透明材料から形成され、複数の部分反射面を含む光学拡大要素を有し、前記複数の部分反射面は、前記光学拡大要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり、且つ前記画像発生器の出力方向に対して少なくとも部分的にオーバーラップしており、前記画像発生器は、前記光学拡大要素に入射する出力方向を持つ前記光学拡大要素に対して配置され、前記コリメートされた画像照明の各光線が前記光学拡大要素に入射し、前記投影方向に沿って前記光学拡大要素を出射するためにリダイレクトされるように前記部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射されるように、配向される、
請求項４に記載のディスプレイ。
【請求項７】
前記光学要素は平面状スラブである、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項８】
前記光学要素は非平面状スラブである、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項９】
前記画像プロジェクタは、前記主表面のうちの前記１つに到達する前に前記画像照明を修正する歪補正要素を含む、
請求項８に記載のディスプレイ。
【請求項１０】
前記光学要素は、屈折力を備えるレンズである、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１１】
前記投影方向が入射する前記主表面のうちの前記１つは、前記画像照明が前記観察方向に沿って出射する前記第１の主表面である、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１２】
前記投影方向が入射する前記主表面のうちの前記１つは、前記第２の主表面である、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１３】
前記部分反射面は、偏光選択層として実装される、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１４】
ディスプレイ領域から観察方向に沿って観察者の眼に画像を提供するディスプレイであって、前記ディスプレイは：
（ａ）投影方向に沿ってコリメートされた画像照明を投影する画像プロジェクタと；
（ｂ）第１の主表面及び第２の主表面を有する少なくとも部分的に透明な材料から形成される光学要素であって、前記光学要素は複数の部分反射面を含み、前記複数の部分反射面は、前記光学要素の内部にあり、平面状であり、且つ互いに平行である、光学要素と；
を有し、
前記画像プロジェクタは、前記ディスプレイ領域内で前記主表面のうちの１つに入射する前記投影方向を有する前記光学要素に対して配置され、前記コリメートされた画像照明の各光線が前記光学要素に入射し、前記主表面のうちの１つからの事前の反射なしに前記部分反射面の少なくとも１つによって第１の反射で部分的に反射され、その結果、前記主表面のうちの少なくとも１つで全反射し、前記観察方向に沿って前記第１の主表面を出射するように前記複数の部分反射面のうちの他のものから少なくとも１つのさらなる反射によってリダイレクトされるように、配向される、
ディスプレイ。
【請求項１５】
前記部分反射面の少なくとも１つは、前記画像照明の第１の光線に対する前記第１の反射と、前記画像照明の第２の光線に対する前記さらなる反射の両方に寄与する、
請求項１４に記載のディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイに関し、特に、光学要素（光学素子）内で斜めに配置される部分的な反射面と組み合わせて自由空間画像投影を使用する拡張現実ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
拡張現実ディスプレイは、視覚的な表示（visual  display）及び現実世界（real  world）のビューを同時に観察者（observer）に提供するディスプレイである。拡張現実ディスプレイの例は、固定ウインドウを介して表示が提供されるヘッドアップディスプレイと、典型的にはガラスフレームフォームファクタ又はヘッドマウントバイザのいずれかで、ディスプレイが観察者の頭に対して装着されるニアアイディスプレイとを含む。特に、ニアアイディスプレイに関しては、ディスプレイはコンパクトである必要がある。現実世界の可視性は、乱されず、歪められず、不明瞭でないことが望ましい。
【０００３】
多くのニアアイディスプレイシステムは、現実世界の可視性を可能にしながら仮想画像を眼に投影するために、部分反射部（partial  reflector）が眼の前に斜めの角度で配置されるビームスプリッタアーキテクチャ（beam  splitter  architecture）を利用する。このタイプの構成は、図１に概略的に示されている。ビームスプリッタの斜めの角度に関する幾何学的要件は、典型的には、構造をかさ高くする。
【０００４】
拡張現実ディスプレイの別のアプローチは、画像が全内部反射によって基板内にトラップされ、基板の予め定められた領域から観察者の眼に向かって基板から外に結合される光ガイド光学要素を使用する。このアプローチは、画像が全内部反射によってトラップされるように、画像を光ガイド内に導入するためのカップリングイン配置（coupling-in  arrangement）を必要とする。光ガイド基板は、複数の内部反射を通して画質を維持するために、その光学表面の高精度平行度を必要とする。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、観察者の目に画像を提供するためのディスプレイである。
【０００６】
本発明の実施形態の教示によれば、観察方向（viewing  direction）に沿って観察者の眼に画像を提供するディスプレイが提供され、ディスプレイは：（ａ）投影方向に沿ってコリメートされた（collimated）画像照明を投影する画像プロジェクタと、（ｂ）第１の主表面及び第２の主表面を有する少なくとも部分的に透明な材料から形成された光学要素とを有し、光学要素は、複数の部分反射面（partially  reflective  surfaces）を含み、複数の部分反射面は、光学要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり、且つ投影方向に対して少なくとも部分的にオーバーラップしており、画像プロジェクタは、主表面のうちの１つに入射する投影方向を有する光学要素に対して配置され、コリメートされた画像照明の各光線が光学要素に入射し、観察方向に沿って第１の主表面を出射するためにリダイレクトされる（redirected）ように部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射されるように、配向される（oriented）。
【０００７】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、投影方向は、５０度を超える角度で主表面のうちの１つに入射する。
【０００８】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、画像プロジェクタは、主表面のうちの１つに到達する前に画像照明を修正する色収差補正要素（chromatic  aberration  compensation  element）を含む。
【０００９】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、プロジェクタは、光学要素内に部分反射面の伸長方向（extensional  direction）に平行な主要寸法を持つ細長い有効開口（elongated  effective  aperture）を有する画像を投影するための光学開口拡大装置（optical  aperture  expansion  arrangement）を有する。
【００１０】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光学開口拡大装置は、複数の部分反射内部表面を含む光ガイド光学要素を有する。
【００１１】
本発明の一実施形態のさらなる特徴によれば、プロジェクタは、出力方向を持つ画像発生器を有し、光学開口拡大装置は、透明材料から形成され、複数の部分反射面を含む光学拡大要素を有し、複数の部分反射面は、光学拡大要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり、且つ画像発生器出力方向に対して少なくとも部分的にオーバーラップしており、画像発生器は、光学拡大要素に入射する出力方向を持つ光学拡大要素に対して配置され、コリメートされた画像照明の各光線が光学拡大要素に入射し、投影方向に沿って光学拡大要素を出射するためにリダイレクトされるように部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射されるように、配向される。
【００１２】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光学要素は平面状スラブ（planar  slab）である。
【００１３】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光学要素は非平面状スラブである。
【００１４】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、画像プロジェクタは、主表面のうちの１つに到達する前に画像照明を修正する歪補正要素を含む。
【００１５】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光学要素は、屈折力（refractive  optical  power）を備えるレンズである。
【００１６】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、投影方向が入射する主表面のうちの１つは、画像照明が観察方向に沿って出射する第１の主表面である。
【００１７】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、投影方向が入射する主表面のうちの１つは、第２の主表面である。
【００１８】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面は、偏光選択層として実装される。
【００１９】
また、本発明の実施形態の教示によれば、観察方向に沿って観察者の眼に画像を提供するディスプレイが提供され、ディスプレイは：（ａ）投影方向に沿ってコリメートされた画像照明を投影する画像プロジェクタと；（ｂ）第１の主表面及び第２の主表面を有する少なくとも部分的に透明な材料から形成される光学要素とを有し、光学要素は、複数の部分反射面を含み、複数の部分反射面は、光学要素の内部にあり、平面状であり、且つ互いに平行であり、画像プロジェクタは、主表面のうちの１つに入射する投影方向を有する光学要素に対して配置され、コリメートされた画像照明の各光線が光学要素に入射し、前記部分反射面の少なくとも１つによって第１の反射で部分的に反射され、その結果、主表面のうちの少なくとも１つで全反射し、観察方向に沿って第１の主表面を出射するように複数の部分反射面のうちの他のものから少なくとも１つのさらなる反射によってリダイレクトされるように、配向される。
【００２０】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の少なくとも１つは、画像照明の第１の光線に対する第１の反射と、画像照明の第２の光線に対するさらなる反射の両方に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明は、添付の図面を参照して、単なる例示として本明細書に記載されている。
【００２２】
【図１】ビームスプリッタジオメトリに基づく従来技術の拡張現実ディスプレイの概略図である。
【図２Ａ】観察者の目に画像を提供するための、本発明の実施形態の教示に従って構成され作動する、ディスプレイの概略側面図である。
【図２Ｂ】種々の光線経路を示す図２Ａのディスプレイからの光学要素の拡大図である。
【図３Ａ】横開口拡大（transverse  aperture  expansion）を達成するための異なるオプションを示す図２Ａのディスプレイの概略正面図である。
【図３Ｂ】横開口拡大を達成するための異なるオプションを示す２Ａのディスプレイの概略正面図である。
【図３Ｃ】横開口拡大を達成するための異なるオプションを示す２Ａのディスプレイの概略正面図である。
【図３Ｄ】横開口拡大を達成するための異なるオプションを示す２Ａのディスプレイの概略正面図である。
【図４】平らなプレートとして実装された光学要素を使用する図２Ａのディスプレイの実装を示す概略等角図である。
【図５】曲率を有するプレートとして実装される光学要素を使用する図２Ａのディスプレイの実装を示す概略的な等角図である。
【図６Ａ】観察者の目に画像を提供するための、本発明の実施形態の教示に従って構成されかつ作動する、ディスプレイの代替的な実施の概略的側面図である。
【図６Ｂ】種々の光線経路を示す図６Ａのディスプレイからの光学要素の拡大図である。
【図７】図６Ａのディスプレイの代替実施形態のための光学要素の拡大図である。
【図８Ａ】上記実施形態のいずれかの光学要素を製造するための技術を示す概略断面図である。
【図８Ｂ】上記実施形態のいずれかの光学要素を製造するための技術を示す概略断面図である。
【図９Ａ】観察者の目に画像を提供するための、本発明の実施形態の教示に従って構築されて動作する、ディスプレイの代替的な実装の概略側面図であり、ディスプレイは、仮想画像と現実世界のビューとの間の偏光管理を使用する。
【図９Ｂ】図９Ａのディスプレイの光学要素内の部分反射面で使用するための、それぞれ２種類の誘電体コーティングのＳ偏光及びＰ偏光光の反射率特性を示すグラフである。
【図９Ｃ】図９Ａのディスプレイの光学要素内の部分反射面で使用するための、それぞれ２種類の誘電体コーティングのＳ偏光及びＰ偏光光の反射率特性を示すグラフである。
【図１０Ａ】非ガイド及びガイドディスプレイ入力の両方を組み合わせた、図６Ａのディスプレイの代替実施形態のための光学要素の拡大側面図である。
【図１０Ｂ】ガイド及び非ガイド画像のそれぞれについて、伝搬路に沿った主光線に関する光線方向の角度空間における表現である。
【図１０Ｃ】ガイド及び非ガイド画像のそれぞれについて、伝搬路に沿った主光線に関する光線方向の角度空間における表現である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、観察者の目に画像を提供するためのディスプレイである。
【００２４】
本発明によるディスプレイの原理及び動作は、図面及び添付の説明を参照することにより、よりよく理解され得る。
【００２５】
次に、図面を参照すると、図２Ａ〜１０Ｃは、観察方向ＶＤに沿って観察者の目に画像を提供するための、本発明の特定の実施形態の教示に従って構築され実施される、ディスプレイの様々な実施形態を示す。一般的に言うと、ディスプレイは、投影方向ＰＤに沿ってコリメートされた画像照明を投影する画像プロジェクタ２０（又は、異なる例による、６０又は９７）と、第１及び第２の主表面を有する少なくとも部分的に透明な材料から形成された光学要素２２（又は、６２、７２、又は１１０）とを含む。光学要素は、光学要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり、照明方向に沿って見たときに少なくとも部分的にオーバーラップしている、複数の部分反射面又は「ファセット」２４（４１、５２、６４、７４又は９０Ａ）を含む。
【００２６】
画像プロジェクタは、主表面のうちの１つに入射する投影方向ＰＤを有する光学要素に対して配置され、コリメートされた画像照明の各光線が光学要素に入射し、観察方向ＶＤに沿って第１の主表面から出射するためにリダイレクトされるように、部分反射面の少なくとも２つによって部分的に反射されるように配向される。
【００２７】
本発明は、図１の従来技術のビームスプリッタアプローチと比較して、重要な設計上のフレキシビリティを提供することはすぐに明らかになるであろう。具体的には、ファセットが、光学要素の主表面に対して斜めの角度で配置されるので、光学要素の表面に対して浅い入射画像投影方向に対して、適切に配向されたファセットを設けることができ、それによって、光学要素がほぼ直立した配向で配置されることができ、よりコンパクトな設計を容易にする。この文脈において、「浅い」角度とは、「高い入射角度」に対応する、表面の平面に比較的近い方向を指し、ここで、入射角は、表面に対する局所的な垂線に対して測定される。本発明のいくつかの特に好ましい実施において、投影方向は、５０度を超える角度、多くの場合６０度を超える角度で、主表面のうちの１つに入射する。特定の特に好ましい実施は、７０度の領域（±５度）における投影方向の入射角を使用する。
【００２８】
他の前述の従来技術の「光ガイド」アプローチとは対照的に、本発明は、光学要素の主表面の１つに入射する自由空間（空気を通る）画像投影を用い、入射画像照明の大部分は、光学要素内で全反射するように方向転換されない。これは、光ガイド内を伝搬する画像の画像品質を維持するために不可欠な設計要件及び制限の多くを緩和する。本発明のこれら及び他の利点は、以下の例から明らかになる。
【００２９】
ここでは、画像照明の「投影方向」及び「観察方向」を参照する。本発明は、特に、投影された画像が無限にコリメートされる、各画素の画像情報が光の平行ビームであり、画素の位置に対応する角度で伝搬することを意味する、実装に関する。このような画像は、本質的に、空中の画像の視野（ＦＯＶ）に対応する角度の範囲に広がる（spans）。高い屈折率を有する媒質内では、この角度範囲は圧縮されるが、画像伝搬の残りの特性は本質的に同じままである。表現を簡単にするために、本明細書では、テキスト及び図面において、画像の中心画素に対応する唯一の「方向」を参照し、画像照明の伝搬を説明するための代表的な光線方向として使用する。各実施において、画像は、画像ＦＯＶが画像の異なる画素に対応する二次元の代表的な光線の両側に広がる多くのこのような光線で構成されていることが理解されるべきである。４つの最も外側のコーナー光線（ＦＯＶの最も外側のコーナーにおけるコーナー画素方向）によって表される完全なＦＯＶは、図４及び５の実施形態の等角図に示されている。ここでも、代表的な「投影方向」及び「観察方向」は、ＦＯＶの中心画素の投影方向及び観察方向に対応するが、図面を取り散らかすことを避けるため、図４及び図５にはこれらの方向は示されていない。
【００３０】
次に、図２を参照すると、ここに示す本発明の特定の実施形態によれば、画像プロジェクタ（又は「光プロジェクタ」）２０は、画像を投影方向ＰＤに沿って光学要素（又は「反射プレート」）２２に投影する。反射プレート２２は、内部部分反射平行ファセット（internal  partially  reflecting  parallel  facets）２４を含む。プロジェクタからの光（破線）は、プレート２２（ＰＤ’）の中に屈折し、次いで、観察方向ＶＤに沿って観察者の眼に向かって屈折する前に、方向ＶＤ’にファセット２４によって反射される。
【００３１】
この構成では、観察者の眼に偏向するための適切な角度は、プレートによってではなく、ファセットによって決定される。換言すれば、ＰＤの入射角及び光学要素２２の外面に対するＶＤの反射角は等しくない。従って、プレート角度は、上述の図１の通常のビームスプリッタアプローチよりも急勾配にすることができ、一方、反射角は、眼に向かって最適なままである。さらに、垂直開口は、好ましくは、複数のファセット２４によって部分反射される各光線によって広げられ（multiplied）、それによって、画像プロジェクタ２０の投影開口が、図１の構成を実施するために必要とされるプロジェクタの光学開口よりも小さくなることを可能にする。
【００３２】
図５を参照して以下に例示するように、内部ファセット２４が平行である限り、プレート２２は平坦である必要はない。したがって、プレート２２は、平面状スラブ又は非平面状スラブであり得る。これは、人間工学的及び／又は共形状（conformal  shape）を使用するディスプレイの設計を容易にする。加えて、光学要素は、光学的に中立なプレートである必要はなく、代替的に、屈折力（optical  power）を有するレンズとして実装することができる。これは、拡張現実ディスプレイの処方眼鏡との完全な統合を可能にし、これは、仮想画像（この例では、眼の近くの表面を２回通過する）及び現実世界のビュー（各表面を１回通過する）に対して同じ光学的補正を提供するように設計され得る、又は、例えば、仮想画像に対してより近接した焦点距離が望まれるところの各々に対して異なる屈折力補正を提供するように設計され得る。
【００３３】
図２の構成及び本発明の他の多くの構成では、光は、浅い角度（高入射角）で光学要素内に屈折し、垂直に近くで出る。このような構成は、本質的に色収差を生成する傾向があり、この色収差は、好ましくは、光学要素２２プロジェクタの主表面に到達する前に、画像照明を修正するために配置される色収差補正要素２６を画像プロジェクタに設けることによって少なくとも部分的に補正される。色収差補正要素（又は「色補正装置」）は、例えば、プリズム又は回折要素のいずれかであり得る。残留色収差及び視野歪（field  distortion）は、投影画像自体において電子的に補正されることが好ましい。ある場合には、この補正は、ＲＧＢレーザなどの比較的狭いスペクトル照明を使用することによって容易になり、照明の各色の分散が回避される。色補正のためのこのような配置は、本明細書に示される本発明の全ての実施において最も好ましくは使用されるが、提示を簡単にするために図面からは省略される。
【００３４】
既に述べたように、ファセット２４は、投影される画像の部分反射が複数のファセットで生じ、それによって一次元の（ここでは図面に示されるように垂直の）光学開口拡大を達成するように、（屈折）投影方向ＰＤ’対してかなりのオーバーラップを有する。加えて、（暗い線を伴わない）観察される画像の連続性を保証するために、ファセットは、（屈折）観察方向ＶＤ’に、及びＶＤ’方向の周りの角度視野に広がる画像光線に対して、連続した（すなわち、前のものが終了したところから始まる）カバレッジを最小限与えるべきである。
【００３５】
反射される出力画像の均一性を高めるために、ファセット２４は、不均一性の平均化が得られるように、（図に示されているように）観察方向においてもオーバーラップすることが好ましい。言い換えると、異なるファセットからの投影画像の異なる部分の反射が、単一の出力光線に寄与するように重畳される。特定の特に好ましい実装では、投影方向及び観察方向の一方又は両方に対して正確な（整数の）数のオーバーラップするファセットを有するようにファセットを配置することが可能であり、望ましい場合がある。例えば、図２Ｂの例では、点線の破線は、主光線（屈折した投影方向ＰＤ’）がプレートに入射し、正確に４つのファセットから部分反射され、各ファセットの端部が、その４つ下のファセットの始まりに位置合わせされ、すなわち、７５％オーバーラップしていることを示す。屈折した観察方向ＶＤ'は、正確に２つのファセットと交差し、各ファセットの端部は、ＶＤ'方向に対してその２つ下のファセットの始まりに位置合わせされ、すなわち、５０％のオーバーラップを有する。その結果、プレートを横切る主光線によって反射される全エネルギは実質的に一定であり、仮想画像は均一に照明される。
【００３６】
ファセット２４が偏光選択性である場合（多くの用途において、Ｓ偏光が好ましい）、２０から送られる光は、意図された比率でファセットから反射されるように、対応して偏光されるべきである。偏光選択性部分反射表面は、当技術分野で良く知られるように、多層薄膜誘電体コーティングを使用することによって、又はワイヤグリッド偏光子などの構造偏光子層の導入によって生成することができる。１つの偏光の高い透過率（transmission）を持つ偏光選択性部分反射ファセットの使用は、複数のファセットを通る現実世界のビューが過度に減衰されないことを確実にするのに役立つ。
【００３７】
図２Ａ及び図２Ｂを参照してこれまで説明した構造は、図示のように垂直に投影画像の光学開口拡大を達成する。光学要素２２に向かって投影される画像の横開口（lateral  aperture）は、アイボックス全体（entire  eye  box）にわたって必要とされる視野をカバーするのに十分に広くなるべきである。この横方向に拡大された投影画像は、図３Ａ〜３Ｄに概略的に示すように、様々な方法で生成することができる。
【００３８】
光学拡大３Ａは、単一の横開口を形成する広いミラー及び／又はレンズに基づく。これは、開口拡大に対する従来のアプローチであるが、比較的大きな体積を必要とすることがある。横開口増加（transverse  aperture  multiplication）を使用する別のアプローチが、図３Ｂ〜３Ｄに記載されている。
【００３９】
図３Ｂの例では、米国特許第7,643,214号B2にさらに詳細に記載された手法を用いて、光ガイド要素(light  guide  element)が中心から照明され、画像照明を一次元で案内して横開口拡大を達成する。
【００４０】
図３Ｃの例では、国際公開第2015/162611A1号にさらに完全に記載されているアプローチを使用するか、又は本出願の優先日に公開されておらず、先行技術を構成しない国際公開第2018/065975A1号に記載されているように、画像光を二次元で案内するための矩形断面光ガイドを使用することによって、光ガイド要素が側方から照明され、横開口拡大を達成するように画像照明を一次元で案内する。
【００４１】
図３Ｄは、本発明のさらなる態様によるさらなるオプションの実施形態を示し、図２Ａ及び２Ｂの構成と本質的に同様の構成が、回転された向きで使用されて、光学要素２２上に投影するための横開口増加を達成する。したがって、ここで概略的に示された実施において、プロジェクタは、出力方向ＯＤを有する画像発生器３０を含み、光学開口拡大装置は、透明材料から形成され、光学拡大要素の内部にあり、平面状であり、互いに平行であり且つ画像発生器出力方向に対して少なくとも部分的にオーバーラップしている複数の部分反射面３４を含む、光学拡大要素３２として実装される。画像発生器３０は、光学拡大要素に入射する出力方向を備えて光学拡大要素３２に対して配置され、コリメートされた画像照明の各光線が光学拡大要素に入射し、投影方向に沿って光学拡大要素を出射するためにリダイレクトされるように、部分反射面の少なくとも２つによって部分反射されるように配向される。この構成は、画像が第２の（図示のような垂直の）次元の光学開口拡大が生じる光学要素２２に到達する前に、第１の（図示のような水平の）次元の光学開口拡大を達成する。
【００４２】
図３Ｂ〜３Ｄに示されるオプションの各々において、偏光は、光が横方向から垂直方向の開口拡大に移行するとき変化され得る。これは、偏光管理コンポーネント２８（例えば、波長プレート（wave-plate）及び／又は偏光子）を使用して達成することができる。
【００４３】
図４を参照すると、これは、平面垂直開口増加プレート４０が内部平行ファセット４１を有し、垂直に対して２０°の傾斜にある、このようなシステムの例示的な寸法を含む本発明の例示的な実施を説明する。視野は３２°×１８°と定義され、プレートから眼の回転中心４２までの距離は４５ｍｍと定義された。横開口拡大は、内部ファセット４５を有する１Ｄ（一次元）光ガイド４４によって提供され、下方に投影する（projecting）出力開口を生成する。一例におけるこのプロジェクタ構成の寸法は、１５．４５ｍｍ×４０．７３ｍｍであった。この例では、プロジェクタにおける光学拡大装置は、図３Ｃの原理に従って実装される。光ガイド４４は、光学系によって、又は小さい光画像発生器及びそれに関連するコリメート光学系４８によって照明される別の長手方向開口拡大部４６を通して照明され得る。
【００４４】
この実装では、色収差は、逆の色収差を生成するように光ガイド４４を傾斜させることによって補正することができる。従って、例えば、ここに示す実装では、光ガイド４４は、この図に示すように、その長さに沿った軸の周りに時計回り方向に傾いている。
【００４５】
次に、図５を参照すると、これは、プレート５０（平プレート４０と同等）が湾曲し、一方、内部ファセット５２は、依然として平面状且つ平行である、図４と同様の構成を示す。観察される画像はプレート内の内部ファセットから反射されるので、表面の曲率は反射光に非常に小さい影響を与える。従って、この構成は、全て最小歪みで、開口増加とともに、無限遠に合焦された仮想画像の観察方向への反射を可能にする。仮想画像のわずかな残留歪みは、光学要素設計の分野でよく知られている標準的なソフトウェアツールを用いて、コンピュータ実装の数値的方法を用いて各プレート５０の特定の形状のために設計される、典型的には、非点収差レンズ又は自由形状レンズとして実装される補償要素５４によって予め補償することができる。
【００４６】
これまでに示された本発明の実装の全ては、「背面照明」実装を示してきた、すなわち、そこでは、観察方向に沿った投影画像の入射及び反射画像の出射が、観察者の目に面した同じ表面で生じる。しかし、これらの実施形態の全てに対する代替の実施形態は、画像投影が観察者の目から離れた光学要素の側部から生じる「前面照明」実装を採用してもよいことに留意されたい。図６Ａ及び図６Ｂを参照して、このタイプの例示的な実装をここに示す。従って、プロジェクタ６０は、観察者の目からプレート６２とは反対側に配置される。内部ファセット６４は、観察者に向けて仮想画像を反射するように最適化された角度で配置される。屈折力を伴う又は伴わない、光学開口の横方向の拡大及び平面状又は非平面状光学要素に関する前述のオプションの全ては、前面照明ジオメトリを使用して、全て等しく適用可能である。
【００４７】
次に、図７を参照すると、本発明は、ファセットによって伝えられる照明の少なくとも一部が、内部反射によってトラップ又は「ガイド」されることなく、光学要素を通過するような方法で画像照明が光学要素内に導入されるという点で、特定の従来技術の前述の光ガイドアプローチとは区別される。それにもかかわらず、光学要素の主要面（複数可）から１つ又は複数の内部反射をするように、画像照明の一部がプレート内で反射される実装もまた、本発明の範囲内に含まれる。一つのそのような例を図７に示す。この場合、画像照明７０の例示的な光線は、光ガイド７２に入射し、ファセット７４上の点７３に衝突する。ファセットによる反射の後、光は、プレート／光ガイドの主表面に対して浅い角度にあり、従って、光ガイド７２内で全内部反射によって伝搬する。ファセット７４による第２の反射７６は、観察方向ＶＤに沿う線７８に沿って光を観察者に向かって投影する。
【００４８】
従って、この実施形態では、前の例とは異なり、ファセットの１つにおける第１の反射は、画像照明を観察方向に沿って導かない。その代わりに、ファセットのうちの１つからの第１の反射は、プレートの主表面の少なくとも１つにおいて全反射するように、画像照明光線の一部をリダイレクトする。次いで、光線は、観察方向に沿って第１の主表面から出るように、ファセットのうちの他からの少なくとも１つのさらなる反射によってリダイレクトされる。照明は、それがプレートの主表面（複数可）から１つ又は複数の内部反射をするという意味で、ここでは「部分的にガイドされる」と呼ばれる。それにもかかわらず、画像照明はプレート内に沿って比較的短い距離しか通過しないため、光学性能は、プレートの主表面の光学的品質及び平行度の不完全性に対して感度がはるかに低い。「第１の反射」の原因となるファセットは、本質的に「さらなる反射」の原因となるファセットに類似しており、特に好ましい実装では、部分反射面の少なくとも１つは、画像照明の第１の光線の第１の反射及び画像照明の第２の光線のさらなる反射の両方に寄与する。
【００４９】
特に、図７の実施形態では、ファセットは、（屈折）投影方向に対して必ずしもオーバーラップせず、第１の反射光線及び／又はプレートの主表面からのそれらの反射に対するファセットの有効なオーバーラップによって、開口拡大が部分的に達成される。屈折した投影方向に対するファセットによる連続的なカバレッジが、典型的には、好ましい。全ての実施形態において、屈折した観察方向に対するファセットによる連続的なカバレッジは、仮想画像内の暗線を回避するために非常に望ましい。
【００５０】
本発明の種々の特に好ましい実施形態によれば、光学要素内の内部反射によって、最小限の光のガイドが必要とされる又は光のガイドは必要とされない。従って、本発明は、導入され得る幾つかの歪み及び複屈折にもかかわらず、プラスチックなどの媒質を用いた実装に適している。本明細書では、図８Ａ及び８Ｂを参照して、プラスチックを使用して必要なファセットを組み込んだ光学要素を製造するための様々な非限定的アプローチを説明する。
【００５１】
図８Ａでは、部品８０は成形プラスチックで作られ、適当な反射材コーティング（reflector  coatings）８１でコーティングされている。また、相補部品（complementary  part）８２が、同じ屈折率を有するプラスチックで作られ、２つは一緒に取り付けられる。
【００５２】
図８Ｂは、部品８０及び反射材コーティング８１が上述のように作られ、次に、その中で部品８０と一体構造を形成するように、相補部品８４が直接成形される型８６内に配置される代替方法を示している。
【００５３】
前述したように、本発明の種々の実装の部分反射面は、偏光選択層として実装することができる。図９Ａ〜９Ｃは、偏光管理を利用する特定の実装をより詳細に示している。
【００５４】
ファセットコーティングは、部分反射を提供する誘電体又は金属コーティングに基づくことができる。多くの場合、このコーティングは、固有の偏光依存性を有する。現実世界からの光はファセットコーティングによって反射されないが、プロジェクタからの光の一部は観察者の眼に反射されることが好ましい。図９Ａでは、この選択的反射は、Ｐ偏光を透過し、Ｓを反射する偏光選択性コーティングを使用することによって達成される。偏光子８８がプレート２２の前に配置されている。プロジェクタは、観察者に向けてファセットによって反射されるＳ偏光を送り、偏光子は、外界からＰ偏光のみを透過する。
【００５５】
図９Ｂ及び図９Ｃは、屈折率１．６を有するプレートのファセットに使用され得る２つのタイプの誘電体コーティングの反射率特性を示す。５０°に近い入射角では、Ｐの透過率とＳの反射との間に最高の分離がある。したがって、この範囲の、例えば４５〜５５°の範囲の角度は、ファセット（に対する垂線）と観察方向との間の傾きに対して良好な角度である。
【００５６】
より大きな角度範囲に対してファセットの特性をより有利にする他のコーティングを使用することができる。追加のオプションは、ワイヤグリッドフィルム（例えば、米国ユタ州のMoxtek社から市販されている）又は複屈折誘電体コーティング（例えば、米国ミネソタ州の3M社から市販されている）の使用を含む。
【００５７】
プロジェクタからプレートへのＰ偏光の透過率は、プレートの表面への入射角をブルースター角に近づけるように設計することによって改善することができる。例えば、ｎ＝１．８に対して、この角度は約６１度である。
【００５８】
最後に図１０Ａ及び１０Ｂを参照すると、非ガイド（unguided）画像照明の投影を使用する本発明は、ガイド画像プロジェクタと組み合わせて実施することができることが留意されるべきである。
【００５９】
図１０Ａは、ファセット９０Ａを有する光ガイドを示す。ガイド画像プロジェクタ９２は、９６Ａとして反射し、９８Ａとして光ガイドから外に結合される画像光９４Ａを注入する。同じ光線のベクトルは、サフィックスＢを備えた同じ数を有して図１０Ｂに示されている。
【００６０】
本発明の一態様によれば、投影方向ＰＤに沿って非ガイド画像照明をライトガイド上に投影する第２のプロジェクタ９７がシステムに含まれている。光１００は、光ガイド内に屈折し１０２Ａ、ファセット９０Ａから１１４Ａとして反射する。１１６Ａとして外面から反射の後、光線は、１１８Ａとしてのファセット９０Ａからもう一度反射する。光線１１８Ａは、９４Ａと同等（平行）であり、従って、１２０Ａとして反射し、観察方向ＶＤに１２２Ａ（９８Ａと同等）として光ガイドから外に結合される。この反射プロセスのベクトルは、同じ数字であるがサフィックスＢを有して図１０Ｃに角度空間で示されている。
【００６１】
上述の説明は、例としてのみ役立つことを意図するものであり、多くの他の実施形態が、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲内で可能であることが理解されるであろう。
【図１】
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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３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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