(57)【要約】光学ディスプレイシステムにおいて、使用者にソースからイメージを中継する光ガイド基材を有する基材ガイドリレー（１００）に関する。基材ガイドリレーは、入力カプラー（１１０）、中間基材（１２０）、及び出力カプラー（１３０）を備える。実施形態によっては、出力カプラーは、中間基材に接続される別体の基材の形状である。出力カプラーは、中間基材の前又は後に配置され、カプラーからの光を結合する２以上の部分反射面を有する。実施形態によっては、入力カプラーの光軸が非直角に中間基材の光軸に交差するように、入力カプラーが中間基材に接続される。【選択図】図１Ｃ
2010533316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査ビームイメージ源と共に使用するための基材ガイドリレーであって、
複数の光ビームを走査ビームイメージ源から受け取って、前記複数の光ビームのそれぞれから複数の光の複製を作り出す入力カプラーと、
前記入力カプラーに物理的に取り付けられ、前記複数の光の複製を前記入力カプラーから受け取り、当該複数の光の複製を伝送する中間基材と、
前記中間基材に物理的に取り付けられ且つ前記中間基材の外部に位置し、前記中間基材から当該複数の伝送された光の複製を受け取り、前記複数の光の複製を出力する出力カプラーと、を備える基材ガイドリレー。
【請求項２】
前記出力カプラーは、前記出力カプラーから前記複数の光の複製を出力するように構成された２以上の部分反射面を含むことを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項３】
前記部分反射面は、互いに略平行であることを特徴とする請求項２に記載の基材ガイドリレー。
【請求項４】
前記部分反射面は、前記中間基材の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とする請求項２に記載の基材ガイドリレー。
【請求項５】
前記走査ビームイメージ源と前記入力カプラーとの間に位置する光結合装置をさらに備え、
前記光結合装置は、
前記走査ビームイメージ源から受け取った光を平行化するレンズと、
当該平行光を通過させるビームスプリッタと、
前記平行光の偏光状態を変化させる４分の１波長板と、
当該偏光された光を前記ビームスプリッタに向けて反射するＭＥＭＳ操作ミラーと、を含み、前記ビームスプリッタは前記入力カプラーに向けて前記偏光された光を反射することを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項６】
前記走査ビームイメージ源から光を受け取る前記入力カプラーに物理的に取り付けられ、当該受け取った光を前記入力カプラーに向ける１以上の反射部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項７】
前記入力カプラーに物理的に取り付けられ、前記入力カプラーから光ビームを受け取る前記中間基材とは反対側の表面に位置するクロスカプラーをさらに備え、
前記クラスカプラーは、該受け取った光から追加の光ビームを作り出して、前記追加の光ビームと該受け取ったビームとを前記入力カプラーに戻るように出力することを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項８】
前記入力カプラーと前記中間基材とに物理的に取り付けられ、前記入力カプラーと、前記入力カプラーから光ビームを受け取る前記中間基材との間に位置するクロスカプラーをさらに備え、前記クロスカプラーは、該受け取った光から追加の光ビームを作り出して、前記追加の光ビームと該受け取ったビームとを前記中間基材に出力することを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項９】
前記中間基材は、前記中間基材の外表面に対して直角に位置する２以上の部分反射面を含み、前記部分反射面は、一部の入射光ビームを反射し、一部の入射光ビームを伝送するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の基材ガイドリレー。
【請求項１０】
イメージ源からイメージを使用者に中継する光学装置であって、
前記イメージの一部を表すビームを受け取り、前記ビームを中間基材に伝送する入力カプラーであって、当該入力カプラーの光軸が非直角に前記中間基材の光軸に交わるように、前記中間基材に取り付けられる入力カプラーと、
前記中間基材から前記ビームを受け取り、前記使用者に前記ビームを出力する出力カプラーであって、前記中間基材の外部にあって前記中間基材に取り付けられる出力カプラーと、を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項１１】
前記入力カプラーは、前記イメージの一部を表す前記ビームを受け取り、当該受け取ったビームから複数のビームを作り出すことを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記出力カプラーによって受け取った光ビームの数を、前記入力カプラーによって受け取った複数の光ビームよりも多数にする均一化部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１３】
使用者にイメージを提供する眼鏡装置であって、
２つのレンズと、
前記使用者の眼のほぼ前で前記２つのレンズを保持するフレームと、
前記２つのレンズの少なくとも１つに少なくとも部分的に含まれる基材ガイドリレーと、を備え、
前記基材ガイドリレーは、
走査ビームイメージ源から複数の光ビームを受け取り、前記光ビームのそれぞれの複数の複製を作り出す入力カプラーと、
前記入力カプラーに物理的に取り付けられ、前記入力カプラーから前記複数の複製を受け取り、前記複数の複製を伝送する中間基材と、
前記中間基材に物理的に取り付けられて前記中間基材の外部に位置し、前記中間基材から当該複数の伝送された複製を受け取り、前記複数の複製を出力する出力カプラーと、を含むことを特徴とする眼鏡装置。
【請求項１４】
前記基材ガイドリレーは、前記フレーム内に位置する走査ビームイメージ源から前記複数の光ビームを受け取ることを特徴とする請求項１３に記載の眼鏡装置。
【請求項１５】
前記基材ガイドリレーは、前記使用者に付随する装置内に位置し、前記基材ガイドリレーに接続した走査ビームイメージ源から前記複数の光ビームを受け取ることを特徴とする請求項１３に記載の眼鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＰ）、ラップトップ、モニタ、及び他のシステムのような、頭に取り付けられる（ヘッドマウント）、及び、他のコンパクトなディスプレイシステムは、しばしば、透明な光学素子上にイメージ（画像）を重ね合わせる（オーバーレイ）光学装置に依存する。例えば、システムは、周囲の物体を視るのに加えて、表示されたイメージを使用者が視ることを可能にするように、使用者の眼の前の透明なレンズを通してイメージを表示する。これらのディスプレイシステムのいくつかは、３つの主要な構成：入力カプラー（結合器）、伝送基材（伝送サブストレート）、及び出力カプラーを有する基材ガイドリレーを利用する。光ビーム又は他の電磁波が、入力カプラーを介してリレーに入って、内部全反射または塗布されたコーティングによって、リレー内に閉じ込められる。ビームは基材内で出力カプラーに案内され、そして、ビームは出力カプラーを介してリレーから出る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
様々な技術が、基材ガイドリレーに光を入力するのに用いられうる。いくつかの現行のシステムでは、回折コリメーション（回折視準）（ここではＬＣＤパネルが、光をリレーに挿入するホログラフ素子に光を伝送する）、及び／又は、屈折コリメーション（屈折視準）（ここではレンズが、ＬＣＤが発した光をリレーに挿入する）を用いる。しかしながら、これらのシステムは、視野を拡張するために、又は、射出ピューピル（射出瞳）の拡張するために、サイズの増加を要求する。従って、広い視野が要求されるとき、これらの技術に依存するディスプレイシステムは大きくて重い。
【０００３】
基材ガイドリレーから光を結合するのに様々な技術が使用されうる。いくつかの現行のリレーは、基材から光を結合するように基材に組み込まれたミラーを有する伝送基材を採用する。この基材に依存するリレーが所望のフォームファクター（形状因子）を与えるが、それらは、それぞれ異なった精確な反射特性を備えた多数の反射器を必要とするため、リレー内のイメージ及びリレーを通して見える複数のイメージにおいて非連続性（途切れ）を作り出し、これらはしばしば、基材から光を効率的に結合しない。
【０００４】
現行の基材ガイドリレーの欠点は、光源技術における最近の進歩に対応していないことである。例えば、イメージを形成するのに２軸にわたってビームを走査するように、ＭＥＭＳを利用した走査ミラーを使用するシステムなどの、イメージを形成するための走査ビーム光源と共に使用されるとき、現行の基材ガイドリレーは最適とは言えない。走査ビーム光源は、より狭い入力ビームを作り出し、また、現行のリレーは、乏しい効率性を有すると共に、さらに小さな走査ビームによるイメージのための均一なイメージまたはピューピルを作り出すために十分な複製（複写）を生成することができない。さらなる課題は、現行のリレーで視野またはピューピルを拡張するときに発生し、このリレーを組み立て及び製造することを難しくする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
走査ビーム光源用の現行の基材ガイドリレーを改変することで、これら及び他の課題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】角度がついた入力カプラー及び別体の出力カプラーを有する基材ガイドリレーの平面断面図。
【図１Ｂ】角度がついた入力カプラー及び別体の出力カプラーを有する基材ガイドリレーの背面図。
【図１Ｃ】角度がついた入力カプラー及び別体の出力カプラーを有する基材ガイドリレーの等角図。
【図１Ｄ】図１Ｃのリレー内での光線の存在を示す等角図
【図１Ｅ】眼鏡としての使用に適応した図１Ａの基材ガイドリレーの平面断面図。
【図２Ａ】組合せ体（出力カプラー／中間基材）の平面断面図。
【図２Ｂ】（組合せ体の）接続面で反射率が変化する層を有する出力カプラーと中間基材との組合せ体の平面断面図。
【図２Ｃ】出力カプラーと、反対面に取り付けられた出力カプラーを有する中間基材との組合せ体の平面断面図。
【図２Ｄ】出力カプラーと、反対面に取り付けられた出力カプラーを有する中間基材との組合せ体の側面断面図。
【図２Ｅ】入力カプラーが中間基材に対して４５度の角度で取り付けられた、入力カプラーと中間基材との組合せ体の側面断面図。
【図２Ｆ】入力カプラーが中間基材に対して４５度の角度で取り付けられた、入力カプラーと中間基材との組合せ体の平面断面図。
【図２Ｇ】入力カプラー、中間基材、出力カプラー及びクロスカプラーの組合せ体の側面断面図。
【図２Ｈ】入力カプラー、中間基材、出力カプラー及びクロスカプラーの組合せ体の平面断面図。
【図３Ａ】内部均一化層を有する組合せ体（出力カプラー／中間基材）の平面断面図。
【図３Ｂ】外部均一化層を有する組合せ体（出力カプラー／中間基材）の平面断面図。
【図３Ｃ】別体の均一化部を有する組合せ体（出力カプラー／中間基材）の平面断面図。
【図４Ａ】別体の均一化部及び部分反射層を有する組合せ体（出力カプラー／中間基材）の平面断面図。
【図４Ｂ】２つの均一化層を含む中間基材の平面断面図。
【図５Ａ】角度がついた接合面を有する入力カプラーの平面断面図。
【図５Ｂ】中間基材に隣接した入力カプラーの平面断面図。
【図６Ａ】角度のついた接合面及び外部均一化層を有する入力カプラーの平面断面図。
【図６Ｂ】角度のついた接合面及び内部均一化層を有する入力カプラーの平面断面図。
【図７Ａ】いくつかの実施形態によるリレーの分解図。
【図７Ｂ】いくつかの実施形態によるリレーの分解図。
【図８】基材ガイドリレー内に光を結合するための構成部の平面断面図。
【図９】基材ガイドリレー内に光を結合するのに用いられる反射体の断面図。
【図１０】基材ガイドリレーを内蔵する眼鏡の等角図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
光学ディスプレイシステムにおいてソース（イメージ源）からイメージを使用者（視聴者）に中継（リレー）するために、光ガイド基材を用いる様々な基材ガイドリレーが開示される。基材ガイドリレーは、入力カプラーと、中間基材と、出力カプラーとを備える。実施形態によっては、出力カプラーは、中間基材に接続された別体の基材に形成される。出力カプラーは、中間基材の前部又は後部に配置され、また、光をカプラーに及び／又は光をカプラーから結合するために、２以上の部分反射面を有しよう。実施形態によっては、入力カプラーの光軸が非直角に中間基材の光軸に交差する形で、入力カプラーは中間基材に接続される。実施形態によっては、入力カプラーの光軸が直角に（又はほぼ直角に）中間基材の光学に交差する形で、入力カプラーは中間基材に接続されてもよい。開示される構造を有するリレーは、レーザのような走査ビーム光源から形成されるイメージの広い視野を与えるように最適化される。同様に、開示されている構造を有するリレーは、非走査のビーム光源のような他の光源から形成されるイメージの広い視野を与えるように最適化される。リレーはまた、使用者のピューピルの位置（例えば、形成された視野におけるピューピルの位置）、ピューピルの大きさ、及び、ピューピルの均一性（例えば、全体のピューピルに均一なイメージを与える）に基づいて最適化され、所望のイメージの明度（ブライトネス）、透視（シースルー）均一性、透視（シースルー）明度、及び、製造の容易性を達成するように改変することができる。
【０００８】
ここで開示されるリレー構造は、所望の視野上にイメージを作り出す薄くて軽い装置に組み込まれるコンパクトなフォームファクターを提供する。リレーは、ヘッドアップディスプレイのようなヘッドマウント及び他のコンパクトなディスプレイに組み込まれる。例えば、眼鏡及び他のヘッドマウント光学装置は、ここで記述されるリレーを内蔵する。これらのヘッドマウント装置は、透明または非透明（例えば、カラーまたは淡色）であって、これらはここで記述されるものと同様の利点を実現しうる。モバイル通信機器及び他のコンパクトな装置などの他の装置もまたこのリレーを用いることができる。
【０００９】
様々な例示のリレーがここに記述される。以下では、これらの実施例の完全な理解、及び実施可能にするために細部を説明する。しかしながら、当業者は、本技術が、多くのこれらの細部を省略しても実施可能であることを理解しよう。さらに、関係のある様々な実施例の記載を不必要に不明瞭にすることを避けるために、いくつかの公知の構造又は機能が詳細に開示又は説明されていない。
【００１０】
以下の記載において用いられる専門用語は、たとえ技術の特定の実施例の詳細な記載のために用いられたとしても、最大限に広く解釈されるべく意図されている。特定の用語が以下において強調されることさえあるかもしれないが、限定解釈されることを意図される専門用語については、この詳細な説明の欄においては明確にそのように解釈されるべき定義されている。
【００１１】
（基材ガイドリレー）
図１Ａは、中間基材１２０に接続された角度のついた入力カプラー１１０、及び、別体の出力カプラー１３０を有する基材ガイドリレー１００の平面断面視を示す。入力カプラー１１０は、レーザ又は他の走査ビーム源、ＬＣＤ，ＬＥＤ，ＤＬＰなどのような光源（図示せず）から光を受け取る。例えば、その光は、角空間にイメージを生成する光源から角度的にエンコード（符号化）されたイメージの形態をとってもよい。入力カプラーは、中間基材１２０に光を伝送する。そして、中間基材１２０は、出力カプラーに入力カプラーから光を伝送可能なスラブガイド又は他の光学基材である。ここで詳述するとおり、入力カプラー１１０は、斜めに中間基材１２０に接触し、また、中間基材に光を伝送する前に、受け取った光を均一化する。中間基材１２０は、入力カプラー１１０から受け取った光を出力カプラー１３０に伝送する。中間基材１２０は、受け取った光をさらに均一化し、受け取った光の追加の光線（複製）をさらに作り出す。出力カプラー１３０は、中間基材から光を受け取り、使用者（図示せず）が表示されたイメージを視ることを可能とする。場合によっては、出力カプラーは、部分反射ミラーのような、組み込みの部分反射部１３２を介して光を外に結合する。出力カプラー１３０に関するさらなる詳細をここで説明する。
【００１２】
図１Ｂは、図１Ａの基材ガイドリレー１００の背面図である。出力カプラー１３０は、中間基材１２０の後面において、中間基材１２０に接続される。中間基材の長手部に交差するように中間基材１２０に接続された入力カプラー１１０が中間基材内に光を導入し、中間基材が続いて光を出力カプラー１３０に伝送し、出力カプラー内で部分反射部１３２を介してリレー１００から光を外へ伝送する。
【００１３】
図１Ｃは、角度のついた入力カプラー及び別体の出力カプラーを有する基材ガイドリレーの等角図である。ＭＥＭＳ走査ミラー、反射板、ＬＣＤ、または、平行光ビームを入力カプラー１１０に伝送可能な他の構成部のような入力部１４０を介して、光が入力カプラー１１０内に入れられる。入力カプラーは、光ビームを中間基材１２０に伝送する。スラブガイドであろう中間基材１２０において、光が出力カプラー１３０を介してリレーから結合される前に、光は任意に均一化される。図１Ｂにおいて、出力カプラーは、使用者に近い方の中間基材の面に位置するが、別図で表されるように、出力カプラーは使用者から離れた中間基材の面に位置してもよい。出力カプラーが使用者から離れている実施形態において、リレーは、異なる角度で配置された反射部１３２、又は、ここで記載された別の形態よりも少ない反射部１３２を含んでもよい。
【００１４】
図１Ｄは、図１Ｃのリレー内の光波の存在、及び、リレー内のホモジナイザの効果作用を表す等角図である。説明の目的で、入力部１４０は、単一の光ビーム１５０をリレー１００の入力カプラー１１０内に入れるように表されている。この実施例では、入力カプラーは光を均一化し、単一の光ビームから追加の（複数の）光ビーム１５２を生成する。例えば、１００，０００以上のビームが、入力カプラーに挿入された単一のビームから生成されうる。光ビームは、中間基材１２０を介して出力カプラー１３０に移動し、出力カプラー１３０から出て使用者に伝送される。入力カプラー１１０、中間基材１２０、または、その両方が、リレー１００内で光を均一化して、リレーに挿入されたビームから追加のビームを生成する。場合によっては、照射の均一性を改善し、イメージの出力明度を増加し、出力視野を拡張し、ピューピルの拡張し、または、その他の目的で、リレーが光を均一化する。
【００１５】
図１Ｅは、眼鏡で使用するのに適した図１Ａの基材ガイドリレーの平面断面図である。例えば１以上のレーザ１４４からのビームのような光ビームは、ＭＥＭＳ走査ミラー１４２を用いて２軸にわたって走査され、入力カプラー１１０に入れられる。光ビームは、例えば眼鏡のフレームに含まれた又は取り付けられた光源から発せられる。ビーム（又は、後に複数のビーム）は、入力カプラー１１０と、中間基材１２０とを通り、出力カプラー１３０から出て行き、出力カプラー１３０に近接して位置する使用者の眼１６０へと移動する。例えば、出力カプラー１３０は、眼鏡のレンズに一体化されるか又は取り付けられる。
【００１６】
走査ビーム光源のために、非常に薄い基材が、入力カプラー１１０、中間基材１２０、及び／又は、出力カプラー１３０に使用できる。例えば、中間基材は、４ｍｍ以下の厚みを有し、出力カプラーは２ｍｍ以下の厚みを有してもよい。基材は、光学グレードの石英ガラス、ガラス、プラスチック、又は、他の適した材料から形成されてもよい。即ち、ここで説明した基材の構成を用いることで、基材ガイドリレーのコンパクトなフォームファクターを実現可能にする。
【００１７】
実施形態によっては、リレー１００は様々な厚み及び様々な材料で製造されてもよい。例えば、リレーの製造を簡単にするために、イメージの均一性を改善するために、リレーの重量もしくはサイズを減らすために、使用者の目により良い保護を与えるために、より高品質のイメージを提供するために、低コストでリレーを製造するために、又は、その他の目的でリレー１００の厚み及び材料は変更されうる。リレー１００の厚み及び／又は材料は、リレー１００に対する、入射、反射、伝送、又は光出力の角度に依存しうる。
【００１８】
リレー内への光の閉じ込めは、内部全反射（ＴＩＲ）による。例えば、ＴＩＲは、透視角（約０〜２５度）で光の高い伝送性（約１００％）、及び、より高い入射角度（約４５〜８０度）で光の高い反射性を提供する。リレーはまた同様な光の閉じ込めを達成するようにリレーの外部又は内部に部分反射コーティングを含んでもよい。
【００１９】
（出力カプラー／中間基材）
図２Ａは、中間基材１２０及び出力カプラー１３０の組合せ体の平面断面図である。中間基材１２０は、光を内包して、光を出力カプラー１３０に伝送するように構成されている。例えば、中間基材１２０は、内表面２０３及び外表面２０４を有する前面２０２と、内表面２０７及び外表面２０６を有する後面２０５とを備える。中間基材１２０はまた入力面２２１と末端面２２２とを有する。中間基材１２０の表面２０３，２０７の全て又は一部は、内部全反射を用いて中間基材内に光ビームを閉じ込めるように構成されうる。表面２０３，２０７の全て又は一部は、中間基材１２０から光ビームが抜け出ることが可能に構成されてもよい。例えば、中間基材は、ガイド部２０８を含み、そこでは、内表面２０３，２０７の両方が、表面に当たった全光ビームを反射する。中間基材はまた、接続部２０９を含み、そこでは、前面の内表面２０３が全ての照射光ビームを反射し、後面の内表面２０７が一部または全ての光ビームを出力カプラー１３０に通過させ、そして、出力カプラー１３０に移動せずに前面の内表面２０３に戻る各光ビームを反射する。場合によっては、接続部２０９の後面の内表面２０７は、反射率及び又は透過率に関して、段階的にするか又は変化させてもよい。
【００２０】
図２Ｂは、中間基材１２０と出力カプラー１３０との間の接続面２１０で、反射率が変化する層を有する出力カプラー／中間基材の組合せ体の平面断面視を示す。例えば、中間基材の後面の内表面が、高反射領域２１２（例えば６０％の反射率）と、低反射領域２１４（例えば４０％の反射率）とを有しうる。変化する反射面は、分かれた（非連続的な）領域を有するか、あるいは、領域２１２の高反射率から領域２１４の低反射率へと徐々に変化していくように連続的に変化してもよい。入射光の角度、入射光の偏光状態、入射光の波長、または任意の組合せの関数（相関要素）として反射率が変化しうる。表面の反射率が変化しない場合、出力カプラーを出る光の強度は、中間基材の入力面に近いポイント（場所、点）よりも、中間基材の末端面に近いポイントのほうが小さい。数ある利点の中でも特に、反射率／透過率を変化させることで、中間基材１２０から出力カプラー１３０へ実質的に均一な光ビームの伝送が提供される。
【００２１】
さらに、反射率が変化する表面を形成することで、１つの角度の反射光を別の角度の反射光より多くし、又は、１つの角度の反射光を別の角度でのものより多く伝送させることができる。場合によっては、数ある利点の中でも特に、これは、イメージの末端（遠方）部分が末端（遠方）位置に移動することを可能にし、イメージの近接した部分が近接した位置に移動することを可能にし、明りょう、且つ、より均一なイメージを形成することを可能にする。
【００２２】
出力カプラー１３０は、中間基材１２０の接続部２０９から光ビームを受け取り、受け取ったビームを出力カプラーに近接する使用者に出力するように構成される。例えば、出力カプラーは、リレー１００から外に光ビームを反射する、１以上の部分反射面１３２を含むことができる。使用者に光ビームを提供すると共に、使用者がカプラー１３０を通して視ることができるように、表面１３２は部分反射性である。場合によっては、部分反射面１３２は互いに実質的に平行であってもよい。場合によっては、部分反射面１３２は、出力カプラーを通過する周辺光（定常光）がほぼ均一であるように、ほぼ均一な出力カプラー伝送を作り出すほぼ同様の部分反射コーティングを有してもよい。場合によっては、周辺光ビームが表面１３２のどこにも衝突することなくリレーを通過するように、部分反射面１３２は離間して配置されてもよい。（つまり、リレーの外の物体に反射した光ビームの一部が、中間基材及び出力カプラーを通って、妨げられずに移動するので、リレーを通して見る観察者が表面１３２によって集中力を乱されることがあまりない。）適当な部分反射面の構造についてのさらなる詳細は、米国特許出願第１１／６０３，９６４号の「改善された画質を有する基材ガイドディスプレイ」（２００６年１１月２１日出願）において見つけることができる。その内容を本文に援用する。
【００２３】
図２Ｃ及び２Ｄは、入力カプラー１１０、中間基材１２０及び出力カプラー１３０の組合せ体であって、出力カプラー１３０が、入力カプラー１１０と反対側の中間基材の表面に取り付けられている組合せ体の平面及び側面断面視を示す。本実施例では、中間基材１２０の反射面又は部分反射面１２５に対する入力カプラー１１０の構成（構造）により、中間基材１２０の長手部に対して約４５度の角度で、光１４０は中間基材１２０内に結合する。
【００２４】
図２Ｅ及び２Ｆは、入力カプラー１１０、中間基材１２０及び出力カプラー１３０の組合せ体であって、入力カプラー１１０は中間基材に対して４５度の角度で取り付けられている組合せ体の側面及び平面断面視を示す。実施例によっては、入力カプラー１１０は、中間基材１２０の出力カプラー１３０が取り付けられている面と反対側の表面に取り付けられる。実施例によっては、入力カプラー１１０は中間基材１２０の末端表面１２５に取り付けられる。
【００２５】
図２Ｇ及び２Ｈは、入力カプラー１１０、中間基材１２０、出力カプラー１３０及びクロスカプラー１７０の組合せ体の側面及び平面断面図である。クロスカプラー１７０は、カプラー１７０に入る光から追加の光線を作り出すように構成又は配置される。実施例によっては、クロスカプラー１７０が、入力カプラー１１０と中間基材１２０との間の（接続）面と反対の表面に取り付けられる。実施例によっては、クロスカプラー１７０は、入力カプラー１１０の他の表面に取り付けられてもよい。実施例によっては、クロスカプラー１７０は、入力カプラー１１０と中間基材１２０との間に位置し、又は、中間基材１２０の他の表面に位置してもよい。
【００２６】
クロスカプラー１７０と入力カプラー１１０との間の（接続）面は、部分反射性コーティング１７２を含む。クロスカプラー１７０は、コーティング１７２を通してクロスカプラー１７０を通過する光を異なる方向に向けるのに用いられる、完全な又は部分反射体１７１を含む。実施例によっては、反射体１７１は、入力カプラー１１０へ結合された他の光とは異なる角度で入力カプラー１１０内に光を方向転換させる。クロスカプラー１７０は、図７Ａに表すものと同様の鋸歯形状及びここに説明したもののような異なる形状を呈してもよい。実施形態によっては、反射面（体）１７１及びコーティング１７２は、入射光の角度、入射光の偏光状態、入射光の波長又はこれらの組合せに基づいて、非連続的に又は連続的に変化してもよい。さらに、組合せ体の構成部間の面は、入射、偏光状態、波長又はこれらの組合せの関数として、非連続的又は連続的に変化しうる。
【００２７】
実施形態によっては、出力カプラーの反射面１３２は、ここに記述された利点の一部又は全てを提供するために、コーティングされうる。例えば、反射面１３２の反射率を変化させると、イメージを出力カプラー全体にわたって均一に広げることができる。即ち、変化した反射面１３２は光を所定の位置に動かすのを助長するだろう。
【００２８】
実施形態によっては、様々な層及び構成部が図３Ａ〜３Ｃに示されるとおり、中間基材１２０は均一化構造を含む。図３Ａは、内部均一化層３１０を有する出力カプラー／中間基材の組合せ体の平面断面図を示す。層３１０は、異なる屈折率の基材間の接続面、又は、ビーム分割型接続面であり、あるいは、単一もしくは複数のビームの一部を反射し及び一部を伝送する部分反射層であってもよい。層３１０によって、衝突する単一のビームは複数のビーム（複数の複製）３１２、３１３を形成する。ビーム３１２は影響を受けずに層３１０を通過し、中間基材１２０の内表面２０３に反射する。ビーム３１３は層３１０に反射し、中間基材を通して異なる経路をとる第２のビームを作り出す。従って、この層によって、システムが単一のビームを複数のビームに複製または増加することが可能である。複数のビームは、様々な位置で出力カプラーを通ってリレーから出て、均一化されたピューピル（射出瞳）及び視野を使用者に提供する。
【００２９】
実施形態によっては、均一化層が、中間基材１２０の前面２０２に隣接して配置されうる。図３Ｂは、外部均一化層３２０を有する出力カプラー／中間基材の組合せ体の平面断面図である。均一化層を中間基材１２０の前面２０２上に配置するために、中間基材の前面の内表面２０３は、部分的に入射光ビームを反射し、部分的に入射光ビームを伝送するように改変できる。均一化層の前面の内表面３２２は、全入射光ビームを内部全反射するように構成されて、中間基材内に全ての光を内含するように効果的に働く。このような構造では、中間基材の前面の内表面２０３に衝突する単一の光ビーム３２３が、ビーム３２５を形成するように中間基材に部分反射されて戻り、第２のビーム３２４を形成するように均一化層３２０に部分的に伝送される。さらに、中間基材内で、中間基材１２０と均一化層３２０との間の接続面に衝突する全ての後続のビームが２つのビームを形成する。従って、均一化層によって、システムは単一の入射ビームからさらなる複数のビームを形成することができる。
【００３０】
実施形態によっては、均一化（構成）部は、中間基材１２０の前面２０２に取り付けられた別体の構成部であってもよい。図３Ｃは、別体の均一化部３３０を有する出力カプラー／中間基材の組合せ体の平面断面図である。中間基材の前面の内表面２０３に衝突する単一のビーム３３１は、ビーム３３３を形成するように中間基材に部分反射して戻り、第２のビーム３３２を形成するように別体の均一化部３３０に部分的に伝送される。第２のビームは、第１のビームに対しオフセットした位置で伝播する。さらに、均一化部３３０は、全て相互にオフセットした多くの追加のビームを形成する。図３Ｂに表される外部均一化層３２０と同様に、均一化部３３０と中間基材１２０の前面２０２との間の部分反射面３３５を介して均一化層３３０に光が入る。従って、均一化部３３０によって、システムは単一のビームを複数のビームに均一化することができる。ここで説明したように、複数のビームは、出力カプラーを通してリレーから出て、使用者に飽和状態の視野を与える。
【００３１】
実施形態によっては、基材表面に対して直角に配置された反射体によって均一化が起こってもよい。図４Ａは，別体の均一化部３３０と、中間基材の表面に直角に配置された部分反射部もしくは部分反射層４１０とを有する出力カプラー／中間基材の組合せ体の平面断面図である。光は、部分反射面３３５を介して別体の均一化部３３０に入り、または、均一化部３３０に入る前に層４１０を通過して、互いにオフセットしている多くの追加の入射光ビームを作り出す。
【００３２】
さらに、出力カプラー／中間基材の組合せ体は、様々な異なる光の均一化オフセットパターンを達成するように、２以上の構成部又は層４１０を含んでもよい。図４Ｂは、入力光から多くの追加の光を作り出すのに用いられる２つの均一化層４１０（４１１，４１２）を含む中間基材を示す。例えば、一部の光が基材に入り、第１の部分反射層４１１と、第２の部分反射層４１２に入射し、一部の光が第1の部分反射層４１１を通過し、第2の部分反射層４１２で反射し、当初入った光からオフセットした角度で第１の反射層４１１によって反射して戻り、それから第２反射層４１２を通過して、そして中間基材に入る。従って、互いにオフセットしたビームは、反射層４１０の組合せによって実現できる。
【００３３】
ここで説明した均一化層及び均一化部に加えて、光ビームを均一化可能な他の構成部ももちろん用いることができる。例えば、システムは、異なる屈折率又は部分反射コーティングを層間に有する積層体のような、２以上の均一化層を有してもよい。場合によっては、層又は構成部は、互いに又は中間基材に対してほぼ平行であってもよい。層又は構成部は、ほぼ等しい厚さであっても、異なる厚さであってもよい。場合によっては、層又は構成部は、図に描写されたものとは異なる形状であってもよい。
【００３４】
（入力カプラー）
図５Ａは、角度のついた接続面を有する入力カプラー１１０の平面断面視を示す。入力カプラーは、光学グレードの石英ガラス又は他の等方性材料から形成されてもよい。入力カプラーは、入力カプラーと中間基材との間の接続面の角度が直角でない構成で、中間基材に接続される。しかしながら、場合によっては、使用者の要望に応じて、接続面の角度は直角でもよい。
【００３５】
図５Ｂは、中間基材１２０に近接する入力カプラー１１０の平面断面視を示す。入力カプラー１１０と中間基材との間の接続面の角度Θは、例えば１３５度のような任意の角度であってもよい。入力カプラーの表面５１０は、部分反射性であり、いくらかの光ビームを中間基材に入れ、いくらかの光ビームを入力カプラー１１０に戻して反射する。反射面５１０は、接続面にわたって変化し、光が入力カプラーに入るところに近い一端ではより反射性が高く、他端では反射性が低いものとすることができる。
【００３６】
中間基材１２０の処理と類似した方法において、入力カプラー１１０は、均一化層又は他の構成要素を用いて、単一のビーム（又は複数のビーム）を追加のビームへと均一化しうる。図６Ａは、角度のついた接続面及び外部均一化層６１０を有する入力カプラー１１０の平面断面図である。外部層６１０によって、複数のビーム６２２が、入力カプラー１１０と均一化層６１０との間の接続面６１１で単一のビーム６２０から形成される。図６Ｂは、角度のついた接続面と内部均一化層６３０とを有する入力カプラー１１０の平面断面図である。内部層６３０によって、複数のビーム６２２が単一のビーム６２０から形成される。層６３０は、部分反射層であり、ビームを部分的に中間基材に通過させ、入力カプラーにおいて第２のビームを形成するようにビームを部分反射する。様々な開示例に関してここで説明したように、リレーは種々の形態で形成されてもよい。図７Ａ及び７Ｂは、これらの形態のいくつかを図示している。例えば、図７Ａは、リレー７００の分解図であって、リレー７００は、入力カプラー１１０、中間基材１２０、出力カプラー１３０、及び均一化部もしくは均一化層６１０を含む。図７Ｂは、代替の形態を有するリレー７１０を示し、それはまた、入力カプラー１１０、中間基材１２０及び出力カプラー１３０を含む。当然他の形態のリレー、入力カプラー、中間基材、及び／又は出力カプラーであってもよい。
【００３７】
（基材への光の結合）
図８は、基材ガイドリレーに光を結合するのに用いられる構成部８００の断面視を示す。偏光した光が、１以上の走査ビーム源のようなソース（光源）８１０によって発せられる。レンズ８２０は偏光した光を平行にし、その平行光（コリメート光）は、偏光ビームスプリッタ（ビーム分割器）８３０、４分の１波長板８４０を通過して、ＭＥＭＳ走査ミラー８５０で反射する。ミラー８５０により反射されると、光が４分の１波長板８４０を通過して、光の偏光の回転によって偏光ビームスプリッタ８３０で反射する。反射光は、入力面８６５を介して（入力カプラー１１０のような）入力カプラー８６０に入る。本実施例では、偏光ビームスプリッタ８３０は、入力カプラー８６０の入力面８６５に対して斜めに配置されており、偏光ビームスプリッタ８３０で反射したビームを、入力カプラー８６０の複数の内表面に衝突（照射）させる。ビームスプリッタ８３０と入力面８６５との角度は、中心光ビーム８７０が入力面８６５を略法線（垂直）入射して通過するように設定できる。
【００３８】
構成部８００の図示の構造によって、コンパクトなリレー内に光を結合することが可能である。実施例によっては、光源からの光の広がりを最小化するために、又は、カプラーに光を挿入する角度を選択する等のために構成部間の距離が選択される。さらに、様々な構成部を同様の光の結合を達成するために利用できる。例えば（ＰＢＳのような）反射体が入力カプラー８６０内に、例えば入力面８６５の内側表面上などに組み込まれてもよい。例えば、光がカプラーに入ることができるように表面にプリズムを配置することによって、光をＭＥＭＳ走査体（スキャナ）によって走査して、他の（複数の）表面８６７の１つを通って入力カプラー８６０内に結合してもよい。直接結合した光は、前述の組み込まれた反射体に反射されて、入力カプラーを通過する。実施例によっては、広角な結合ができるように、入力面８６５は拡張されてもよい。例えば、表面８６５は、入力カプラー８６０の別の位置での断面より大きくてもよい。表面８６５の拡張の大きさ及び形状は、構成部８００の形態に依存し、又は、構成部間の距離に依存しうる。
【００３９】
図９は、基材ガイドリレー内に光を結合するのに用いる反射体９１０、９２０の断面視を示す。この実施形態では、（部分反射体、全反射体または特定の偏光または波長の反射特性を有する反射体のような）反射体９１０、９２０が、入力カプラー１１０（又は、任意の基材）の外表面に配置されて、空気質の基材境界９３０を含む領域内に光を閉じ込める。反射体９１０，９２０は入力カプラー１１０の１表面、２表面、又は全ての表面に配置されてもよい。反射体（及びこれらの間の領域）は、走査ビーム源から光線を受け取り、光線を入力カプラー１１０に導いて、ビーム源と入力カプラーとの間の光の広がりを防止する。関連する基材ガイドリレーのデザインニーズに応じて、光は開口から入ってもよく、又は、反射体９１０、９２０の１つを通って入ってもよい。例えば、場合によっては、光の入力カプラー１１０への所望の入力角度を達成するために、光は反射体の１つを通って入る方が有利であろう。
【００４０】
実施形態によっては、基材ガイドリレーは、例えば、所定の光学的効果又は所望のファッション的効果のための透明、カラー又は淡色のレンズを有するような眼鏡に用いられてもよい。図１０は、眼鏡１０００の等角視を示す。眼鏡１０００はレンズ１０１０とフレーム１０２０とを含む。フレーム１０２０は、基材ガイドリレー１００を組み込む投影（プロジェクション）システムの一部または全てを含んでもよい。システムは、例えば、フレーム１０２０のテンプル１０３０に組み込まれうる。例えば、テンプル１０３０は、眼鏡１０００の装着者がレンズ１０１０を介してイメージを視ることを可能にする基材ガイドリレー１００を通して光を投射するプロジェクタを含む。イメージ源はまた、フレーム１０２０内にあるか、フレーム１０２０に取り付けられるか、あるいは、眼鏡１０００の装着者に付随する他の構成部に位置してもよい。例えば、眼鏡は、有線もしくは無線で眼鏡の装着者に取り付けられたモバイル装置に接続されてもよい。モバイル装置はイメージ源を有し、そして、装着者にイメージを表示するために、イメージを眼鏡１０００のフレーム１０２０内の基材ガイドリレーに伝送することができる。従って、イメージ源を眼鏡と離すことによって最小限の重量増で、使用者は眼鏡のレンズ上にてイメージを視ることができる。
【００４１】
（結語）
ここで使用された、用語「接続され（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合され（ｃｏｕｐｌｅｄ）」又はそれらの変形は、２以上の要素間における直接的であれ間接的であれ、すべての接続状態や結合状態を意味するものである。システムの実施形態の詳細である上記記載は、これらに限ったものではなく、または、上に開示されたまさにその形態そのままにシステムを限定するものでない。システムの特定の実施形態、実施例は、説明の目的で記述され、様々な等価（均等）な改変がシステムの技術的範囲内で可能であることは、関連する技術分野の当業者であれば理解するであろう。従って、本発明は特許請求の範囲以外では限定されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2010533316.tif 000004
【図１Ｃ】
2010533316.tif 000005
【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
2010533316.tif 000007
【図２Ａ】
2010533316.tif 000008
【図２Ｂ】
2010533316.tif 000009
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2010533316.tif 000011
【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
2010533316.tif 000019
【図４Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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