(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想表示装置の射出瞳を拡大する射出瞳拡大器（ＥＰＥ）であって、該射出瞳拡大器（ＥＰＥ）は、導波基板（Ｓ）と、該導波基板（Ｓ）上に設けられた、または該導波基板（Ｓ）に埋め込まれた回折格子素子（ＳＧ）を備える射出瞳拡大器において、
選択した回折次数（−１，  ＋１）の方向に、前記基板（Ｓ）内を導波された少なくとも１つの回折光波（Ｒ-1，Ｒ+1）を形成するように、前記入射光波（Ｗ）からのエネルギを前記基板（Ｓ）の中へ導入するために、該回折格子素子（ＳＧ）が、入射光波（Ｗ）に対して相互作用を行うように構成され、
入射光波（Ｗ）の入射角度（θ）の変動を相互に補償するように、前記基板（Ｓ）内を伝播する前記少なくとも１つの回折光波（Ｒ-1，Ｒ+1）のトータルの回折効率に対して、該回折格子素子（ＳＧ）が、異なる回折特性を有し、遷移点（ＴＰ）に関して反対側に設けられる少なくとも２つの異なる格子領域（ＢＧleft，ＢＧright；  ＭＢＧleft，ＭＢＧright）を備え、
前記格子領域（ＢＧleft，ＢＧright；ＭＢＧleft，ＭＢＧright）のうちの少なくとも一つの領域が、非対称周期プロファイルを持つ、
ことを特徴とする射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項２】
前記格子領域（ＢＧleft，ＢＧright；ＭＢＧleft，ＭＢＧright）のうちの少なくとも一つの領域が、ブレーズ周期のプロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項３】
該回折格子素子（ＳＧ）が、格子周期プロファイルが遷移点（ＴＰ）に関して実質的に互いに鏡像をなす２つの異なる格子領域（ＢＧleft，ＢＧright）を備えることを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項４】
該回折格子素子（ＳＧ）が、格子周期プロファイルが実質的に異なる深度を有する少なくとも２つの異なる格子領域（ＢＧleft，ＢＧright）を備えることを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項５】
前記格子領域（ＢＧleft，ＢＧright；ＭＢＧleft，ＭＢＧright）のうちの少なくとも一つの格子領域の回折効率が、前記遷移点（ＴＰ）から測定した異なる局所距離において変動するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項６】
前記入射光波（Ｗ）が前記回折格子素子（ＳＧ）と最初に相互作用を行う領域内に前記遷移点（ＴＰ）が位置することを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項７】
前記入射光波（Ｗ）の前記回折格子素子（ＳＧ）との最初の相互作用が、実質的に単一の格子領域（ＭＢＧright）内で行われるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項８】
前記格子領域（ＭＢＧleft）のうちの少なくとも１つを、前記基板（Ｓ）内を導波する前記光波を前記基板（Ｓ）の内部で逆方向へ向かって戻す再指向あるいは再循環を行うように構成することを特徴とする請求項７に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項９】
前記回折格子素子（ＳＧ）が、両眼用または単眼用光学系の射出瞳を拡大するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の射出瞳拡大器（ＥＰＥ）。
【請求項１０】
導波基板（Ｓ）と、
像点の第１の位置と、像点の第２の位置を有するイメージャ（ｉｍａｇｅｒ）と、
光を前記第１の位置のポイントから前記基板に第１の入射光波（Ｗ）を形成するように向け、光を前記第２の位置のから前記基板に第２の入射光波（Ｗ）を形成するように向ける入力光学系と、
第１の選択した回折次数（＋１）の方向に、前記基板（Ｓ）内を導波された第１の回折光波（Ｒ-1,right，Ｒ+1, left）を形成するために、及び、第２の選択した回折次数（−１）の方向に、前記基板（Ｓ）内を導波された第２の回折光波（Ｒ-1,right ，Ｒ-1, left）を形成するために、前記第１の入射光波（Ｗ）のエネルギを前記基板（Ｓ）の中へ導入するように構成した回折格子素子（ＳＧ）と、
を備える装置であって、
前記回折格子素子（ＳＧ）が、第１の選択した回折次数（＋１）の方向に、前記基板（Ｓ）内を伝播する第１の回折光波（Ｒ-1,right ，Ｒ+1, left）を形成するために、及び、第２の選択した回折次数（−１）の方向に、前記基板（Ｓ）内を伝播する第２の回折光波（Ｒ-1,right ，Ｒ-1, left）を形成するために、前記第２の入射光波（Ｗ）のエネルギを前記基板（Ｓ）の中へ導入するように構成され、
前記回折格子素子（ＳＧ）が、前記第１の選択した回折次数（＋１）の方向と前記第２の選択した回折次数（−１）の方向との間の光の分布が、前記第１の位置から向けられた光の代わりに前記第２の位置から向けられたときに実質的に同一のままであるように構成されるような、異なる回折特性を有する少なくとも２つの異なる格子領域（ＢＧleft，ＢＧright）を備え、
前記入力光学系が、さらに、前記回折格子素子（ＳＧ）上の前記第２の入射光波（Ｗ）を前記第１の入射光波（Ｗ）に対してシフトするように構成される、装置。
【請求項１１】
前記第１の位置が、前記イメージャの表面の中心に位置し、前記第２の位置が、前記イメージャの端縁の近傍に位置する請求項１０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は添付の請求項１の前文に記載の回折格子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示技術は、新たな携帯用デバイスの開発においてキーとなる重要な要素の１つであり、これらの要素は今日では一般に音声およびデータのアクセスを行うための無線接続を特色とし、さらに、これらの要素には、テキスト、グラフィックおよび様々なタイプのマルチメディアなどを表示する表示装置も含まれる。このような携帯用デバイスの表示装置は、高画質の静止画像の再現能力並びにライブビデオの再現能力も備えることがますます必要となっている。このような携帯用デバイスには、最新型の移動電話や携帯用インターネット機器などが含まれる。
【０００３】
多くの携帯用製品は、物理的にも、コストの点からも表示装置によって特徴づけられる。表示装置を除いて、このようなデバイス内の他のほとんどすべての電子部品ではサイズの小型化が図られているという事実を挙げることができる。大型サイズの直接表示用ディスプレイパネルの代わりにマイクロディスプレイベースのシステムの利用が上記の制限を克服する１つの可能な方法として有望である。マイクロディスプレイベースのシステムとは、一般に、画像ソースが生成した画像を観察するために、画像の拡大を行う必要があるシステムと定義することができる。一般に、このようなマイクロディスプレイベースのシステムは小型の高解像度集積回路ディスプレイチップにより駆動されるが、別の構成も可能である。
【０００４】
マイクロディスプレイは、表示する画像サイズと解像度とを上げ、しかも、画像ソース自体のサイズを物理的に縮小できる見込みを設計者に提供するものである。多くの場合、画像ソースが小さければ小さいほどコストは低くなる。したがって、マイクロディスプレイは、システムのコストを下げるのに有望であるだけでなく、マイクロディスプレイの物理的にさらに小さなサイズによって、嵩張らない軽量の製品と、低消費電力とを意味するものである。すなわち、マイクロディスプレイは同じ電源を用いてより長時間の作動が可能となる。マイクロディスプレイベースのシステムの場合、高い画素密度の達成が可能である。多くの直接表示方式のフラットパネルディスプレイでは、例えば、わずか３〜４ライン／ｍｍでフルカラー画素が生成される。多くのマイクロディスプレイベースのシステムではｍｍ当たり５０〜１００ラインでのフルカラー画素の出力が可能である。
【０００５】
マイクロディスプレイベースのシステムは一般に２つのクラス、すなわち投影表示システムと仮想表示システムとに分けることができる。
【０００６】
投影表示システムではスクリーン上に実像を形成する。適切な結像光学系によって、プロジェクタ内に組み込まれたディスプレイチップで生成された画像の拡大と投影とが行われる。
【０００７】
仮想マイクロディスプレイベースのシステムでも結像光学系を用いて画像が拡大されるが、実像の投影画像の代わりに虚像を生成する。虚像は、例えばデジタルビデオカメラの電子ファインダなどをのぞきこむときに見えるものである。虚像は、画像ソースとして機能する小型の表示用集積チップによって生成されるものであるにもかかわらず、大きく見え、また、観察者の目から或る一定の距離のところに浮動しているように見える。言い換えれば、観察者は、あたかも自分が大きな表示モニタの正面から離れた或る一定の距離のところに立っているかのようにソース画像が見える錯覚を覚える。
【０００８】
仮想表示装置は人間の目に近接して保持されるものであるが、単眼式あるいは両眼式のいずれであってもよい。１つのタイプの仮想表示装置として、例えばヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）があり、その場合、結像光学系は人間の目からいくぶん離れて配置される。
【０００９】
他の多くの光学系の場合も同様であるが、仮想表示装置における重要でかつ周知の側面として結像光学系の射出瞳の直径がある。射出瞳の直径と位置とは、仮想表示装置のユーザービリティ全体を大きく規定する実際上相当大きな重要性をもつものである。仮想表示装置を含む視覚装置では、全視野の画像を見るために、観察者の目は光学系の後ろに配置されている射出瞳の中心部に位置する必要がある。言い換えれば、射出瞳は虚像を見ることができる窓のようなものである。
【００１０】
射出瞳の位置と最後の光学素子（視覚装置の接眼レンズなど）との間の距離はアイレリーフと呼ばれる。このアイレリーフは、射出瞳と共に、観察の自由度すなわち観察者の目が光学系に関して位置することができるボリュームを規定するものである。
【００１１】
本発明は、特に、結像光学系の一部として回折格子素子を使用して、画像ソースが生成した小さなサイズの実像から、拡大された虚像の形成を図る上記のような仮想表示システムに関する。上記画像ソースは典型的には表示用集積回路チップであり、本願明細書でイメージャ（imager）と呼ばれているものである。本発明はマイクロディスプレイベースのシステムのみに限定されるものではなく、他の仮想表示システムにおいても利用可能である。本発明は、表示システム以外に、回折格子素子を使用して光学系の射出瞳の拡大を図る他のタイプの光学系においても同じ様に一般に利用することが可能である。
【００１２】
結像系の射出瞳を拡大するための回折格子素子の基本的使用方法は当業ですでに周知である。例えば、国際公開第９９／５２００２号パンフレットには、複数のホログラフィ光学素子（ＨＯＥ）、すなわち回折格子素子が共通の平らな光透過基板上に配設された光素子が開示されている。これらの開示された素子は、実像の画像ソースから無限大の距離に虚像を生成し、この虚像をさらに反射させて観察者の目の中へ入るようにする結像光学系の射出瞳の拡大を図るために使用することができる。国際公開第９９／５２００２号パンフレットに記載のようなビーム拡大用の光学構成が用いられる仮想表示システムの射出瞳の拡大の結果、さらに長いアイレリーフが得られ、この長いアイレリーフによって仮想表示装置はさらに便利なものとなる。さらに大幅に長いアイレリーフによって、観察者の目のすぐ近くからさらに離して表示装置の移動を行うことが可能となる。このことによって、実像の画像を再現する通常の表示パネルの使用方法に似た方法で仮想表示された像の観察が可能となる。
【００１３】
したがって、仮想表示システムにおいて、射出瞳の直径の拡大及びまたアイレリーフの拡大にもさらに利用可能なビーム拡大系に対するかなりの関心が存在することが考えられる。これらのビーム拡大系を以後、射出瞳エクステンダ（ＥＰＥ）と呼ぶことにする。
【００１４】
しかし、ホログラフィ／回折格子素子（ＨＯＥまたはＤＯＥすなわち回折光学素子）の利用に基づくＥＰＥに対する従来技術の解決方法には或る重要な制限が設けられており、この制限のために、再現する虚像の品質が実際には低下する。これらの制限のうちの１つとして、ＤＯＥの回折効率が相当強い角度依存性を示すという事実がある。このため、ＥＰＥへの入射光の入射角度が変化すると、ＥＰＥにおける光の空間分布も変化して、虚像内の非均一な強度／輝度分布を生じることになる。
【００１５】
図１は、非常に単純化した断面図で両眼式タイプのＥＰＥの１つの可能な構成について説明する図である。ＤＯＥ１はイメージャからの光を透明基板Ｓの中へ導き、この透明基板Ｓの中で、光はＤＯＥ１によって左方向および右方向へ向かってさらに回折され、前記基板Ｓに沿って導波されることになる。前述の方向で、光は、全反射（ＴＩＲ）に基づいて基板Ｓの内部を進み、第２の回折素子ＤＯＥ２が観察者の方へ基板から外へ光を導出するまで、この光は進行する。観察者の左眼用および右眼用として別々のＤＯＥ２が配設される。図２は両眼系ＥＰＥ用の別の可能な構成を示す図であり、この構成では、回折素子ＤＯＥ１とＤＯＥ２とは基板Ｓの下面ではなく上面に配設されている。素子の基本的作動を保持しつつ、ＥＰＥを形成する回折素子ＤＯＥ１、ＤＯＥ２を或る別の方法でも基板上に配設できることは当業者には明らかである。
【００１６】
図３は、本発明が主たる解決の対象とする、ＥＰＥにおける基本的問題点を概略的に説明する図である。左右対称で、かつ、本例では正弦波格子の周期プロファイルを持つ従来技術のタイプの格子Ｇ（図１および図２の対応するＤＯＥ１）は、入射角度θを持つ入射光を、Ｒ-1およびＲ+1とそれぞれマークされた左右の第１の回折次数に回折する。ここで、０番目の回折次数の他に、第１の回折次数に対応する左Ｒ-1と右Ｒ+1方向のみへ実質的に回折を行うように、格子Ｇの周期はすでに選択されているものとする。入射角度θが変化すると、基板Ｓに沿って左方向と右方向へ回折される光量の変化が生じる、すなわち光が均一なバランスで方向Ｒ-1とＲ+1との間で分離されないことは当業者には明らかである。
【００１７】
図４は、対称の正弦波周期プロファイルを有し、図３に図示の配置構成に対応する、アルミニウムコーティングを施した格子Ｇの最適化したプロファイル深度で回折効率を計算した角度依存性を示す図である。入射角度θが０から逸れると、Ｒ-1とＲ+1とに対応する回折効率も変化し、それによって光が左方向と右方向との間で非均一に分散されることが図４から明らかである。図３と図４では、時計回りの入射ビームの回転が負の入射角度に対応するように入射角度θの符号が定められている。この時計回りの入射ビームの回転が逆の場合もまた同様である。
【００１８】
図５は、左Ｒ-1方向と右Ｒ+1方向の間で光の分布に影響を与えるためにいわゆるブレーズ格子ＢＧを使用する可能性について概略的に説明する図である。格子の個々の周期のプロファイルが或る一定の方法で非対称となるブレーズ格子については関連技術から公知である。適切な度数の非対称性（ブレーズ角）を持つように格子周期を設計することにより、ブレーズ格子の回折効率に影響を与えることが可能となり、１または２以上の選択した回折次数、すなわち選択した方向へ回折を集中することが可能となる。
【発明の開示】
【００１９】
本発明の主たる目的は、回折格子素子における上述した回折効率の角度依存性を減少させ、または、この依存性を完全に解消する新規な解決方法を提示することである。本発明は、ＥＰＥおよび仮想表示装置などにおけるビームの拡大を行う目的に特に好適である。さらに、本発明のある固有の目的として、高画質を達成するために表示装置の射出瞳の全領域にわたって均一に光を分散できる両眼式並びに単眼式仮想表示システムの構築を可能にすることも挙げられる。
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に基づく回折格子素子は独立請求項１の特徴記載部分に記載の内容を主たる特徴とするものである。本発明のさらにいくつかの好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。
【００２１】
本発明の基本的着想は、入射ビームが前記格子と相互作用を行う全領域にわたって、不変に、ほぼ連続して拡がる格子プロファイルを有する連続する回折格子素子や構造を、典型的には相互作用する前記領域の範囲内で、格子プロファイルに遷移のある格子構造と取り替えるという着想である。好適には、両眼システムにおいて、前記相互作用領域のほぼ中心で、すなわち、ほぼ入射ビームの光軸が格子を貫通する位置で、格子プロファイルに前記遷移を生じさせる。以下、本発明に基づく格子素子を“スプリット格子（分割された格子）”と略称することにする。格子プロファイルの遷移が生じるポイント、すなわち格子が“分割される”ポイントを“遷移点”と呼ぶ。
【００２２】
本発明によれば、分割を用いて、好ましくは入射角度の関数として或る一定のビームオフセット値を持つ入力光学系と共にブレーズされた格子を用いて、回折格子の角度依存性の効果的補償または、解消が可能となる。
【００２３】
言い換えれば、本発明に基づく回折格子素子を少なくとも２つの異なる格子領域に分けて、個々の格子領域は異なる回折特性を有するとともに遷移点に関して反対側に設けられ、スプリット格子構造を形成する。前記少なくとも２つの異なる格子領域により生成された回折が、前記基板内を伝播するような少なくとも１つの回折光波のトータルの回折効率に対して入射光波の入射角度の変動を相互に補償する。
【００２４】
本発明の１つの好ましい実施形態によれば、両眼システムでは、上記格子素子は対称に分割されるように構成される。すなわち、上記格子の２つの異なるサイドの格子周期プロファイルが遷移点に関して互いにほぼ鏡像をなすように構成される。さらに、前記サイドの各々の格子プロファイルはブレーズされたタイプのプロファイルであることが好ましい。
【００２５】
単眼システムでは、遷移点はビーム領域のほぼ外側に存在し、後程示すように上記分割は対称にはならない。したがって、スプリット格子素子との入射ビームの第１の相互作用は単一の格子領域の範囲内で実質的に行われるように構成される。単眼システムでは、強度の小さい回折済みのビームＲ-1の再循環がＲ+1ビームの元の方向へ向かって行われる。前記右手側を進むビームの強度が上昇することになり、この強度は入射角度にほぼ依存しなくなる。
【００２６】
本発明を用いて、単眼用ＥＰＥまたは両眼用ＥＰＥの双方において、射出瞳全体にわたって高い、均一な輝度を持つ良好な画質の達成が可能となる。したがって、本発明固有の１つの目的は、画質の低下を生じることなく、従来技術の解決方法よりも大幅に長い射出瞳の直径を備えた仮想表示装置の製造を可能にすることである。射出瞳がより長い直径を持つほど、大幅に長いアイレリーフの達成も可能となる。
【００２７】
本願明細書で以下に示す説明と例示とを通じて、並びに、添付の請求項を通じて、本発明の好ましい実施形態およびこれら実施形態の利点が当業者に対して明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しながら本発明についてさらに詳述する。
【００２９】
以下本願明細書に示す図面は、単に例示を目的として設計されたものにすぎず、したがって、例えば、素子の正しい相対的スケールおよび／または形状で素子の種々の構成要素を示すためのものではないことを理解されたい。明瞭さを旨として、本発明の精神を説明する目的にとって本質的に重要ではない構成要素および細部は図面では省かれている。
【００３０】
関連技術から周知の解決方法を示す図１〜図５についてはすでに上述した。
【００３１】
図６は本発明に基づく好ましい実施形態を概略的に示す図である。非対称の周期プロファイル（この具体例ではブレーズ周期プロファイル）を持つ格子プロファイルは、スプリット格子素子ＳＧを形成するように、左側部ＢＧleftおよび右側部ＢＧrightへ遷移点ＴＰに関して左右対称に分割される。上記格子の左側部ＢＧleftおよび右側部ＢＧrightは、前記遷移点ＴＰに関して互いに鏡像をなす。遷移点ＴＰは、入射ビームの光軸Ａが格子面を貫通するポイントに設けられる。
【００３２】
次に、入射ビームを表わす波面が格子素子ＳＧのＢＧleftおよびＢＧrightの双方に当たるため、以下の回折されたビームが生成される。Ｒ-1,leftは、格子の左側部ＢＧleftから左側へ向かう１次回折から生成される。これに対応して、Ｒ+1,leftは格子の同じ左側部ＢＧleftから右側へ向かう１次回折から生成される。本例のケースでは、入射角度θが負の値を有しているため、Ｒ+1,leftの回折はＲ-1,leftの回折に比べて強くなる。同様に、格子の右側部ＢＧrightは回折Ｒ-1,rightを左側に形成し、さらにＲ+1,rightを右側に形成する。ここで、Ｒ+1,rightの回折は、Ｒ-1,rightの回折に比べて弱くなる。格子ＳＧの分割された構造に起因して、左側と右側とへ向かうトータルの回折はほぼ等しくなる。つまり、Ｒ-1,rightと一緒に合計されるＲ-1,leftはＲ+1,rightと一緒に合計されるＲ+1,leftと比べて強度の点ではほぼ等しくなる。言い換えれば、スプリット格子素子ＳＧの異なる側部ＢＧleft、ＢＧrightは、入射光波（Ｗ）の入射角度（θ）の変動を相互に補償するように構成される。
【００３３】
図７は、スプリット格子素子ＳＧへの入射ビームが遷移点ＴＰに関してシフトする際に生じる事態を概略的に示す図である。格子の左側部ＢＧleftと右側部ＢＧrightとにより生成される回折の相対的な量は変化するが、Ｒ-1,rightと一緒に合計されるＲ-1,leftは、Ｒ+1,rightと一緒に合計されるＲ+1,leftと比べて依然強度の点ではほぼ等しい。
【００３４】
図８は、イメージャ（マイクロディスプレイ装置チップなど）から、スプリット格子素子ＳＧへ向かって光を指向させる１つの可能な光学系のセットアップを概略的に示す図である。図８は、イメージャ面の中心に位置する像点からの光を接眼タイプの光学系を通じて格子へ向けて指向させる方法を概略的に示す図である。これに対応して、図９は、像点がイメージャ面の端縁の近くに位置するケースを示す図である。画像面の中心から上記画像面の端縁へ向かって像点が“移動する”と、スプリット格子素子ＳＧの２つの領域ＢＧleft、ＢＧrightに当たるビームの関連領域と共に格子上の光入射の入射角度もまた変化することは当業者には明らかである。しかし、本発明によれば、基板Ｓに沿って左側（Ｒ-1,left＋Ｒ-1,right）および右側（Ｒ+1,left＋Ｒ+1,right）方向へ向かうトータルの回折はほぼ等しく保たれる。
【００３５】
図１０は、イメージャからスプリット格子構造ＢＧleft、ＢＧrightへ向かって光を指向させる代替の光学系のセットアップを例示する図である。非対称の格子周期プロファイルを反転することにより（このケースではブレーズ角を反転することにより）、Ｒ-1とＲ+1の回折効率の比率が反転される。したがって、中心を外れた像点の場合、格子上の入射ビームが中心光軸Ａを“横切る”ことが可能となり、しかも依然として、基板Ｓに沿って左方向および右方向へ向かって良くバランスのとれた回折の生成が可能となる。
【００３６】
図１１は、ブレーズ周期プロファイルを有し、図６に図示の配置構成に基本的に対応する、アルミニウムコーティングを施したスプリット格子素子ＳＧに対するシミュレーションの結果を示す図である。格子の周期プロファイルは下式によって与えられる：
周期＝A* [sin(2πx/d)+0.25sin(4πx/d)+0.05sin(6πx/d)            （１）
但し、Ａ＝格子の最大の高さ（振幅）
Ｘ＝単一の格子周期の範囲内での位置
ｄ＝単一の格子周期の長さ
【００３７】
入射角度θの関数としてのトータルの回折効率ηは下式のように計算される。
η＝(0.5-kθ)R+1 (-θ) + (0.5 + kθ) R-1(θ)                （２）
【００３８】
数式（２）で、ｋは所定の角度でビームがシフトする量を記述する定数である。例えば、最大角θmaxではビーム全体が左側部へシフトし、その場合、ｋは０．５／θmaxの最大値を持つ必要がある。その他の場合、ｋは上記最大値よりも小さな値を持つことになる。ｋ＝０の場合、ビームは格子上で全くシフトされない。
【００３９】
入射角度θ＝０の場合、入力ビームは遷移点ＴＰに関して対称に配置される。すなわちビームの第１の片側半分がＢＧleftに対して入射され、ビームの第２の片側半分はＢＧrightに対して入射する。本発明に基づくスプリット格子構造によって、ビームがイメージャ面の像点の位置に応じてスプリット格子に沿って“シフトする”状況でトータルの回折効率ηが入射角度θとは無関係にほぼ一定のまま保たれることは図８から明らかである。
【００４０】
図１２は、単眼用ＥＰＥにおいて、本発明に基づくスプリット格子素子ＳＧを利用できる方法について概略的に説明する図である。図１２では、スプリット格子素子ＳＧとの入射光波（Ｗ）の第１の相互作用が単一の格子領域ＭＢＧright内で実質的に行われるように構成されている。ここで、スプリット格子素子ＳＧは、基板Ｓに沿って右側へ向かう１次回折Ｒ+1,rightの生成に最適化された格子面ＭＢＧrightを右側部に具備する。左側では、基板Ｓに沿って右側へ向かう２次回折Ｒ+2,leftを生成するために格子面ＭＢＧleftが最適化される。前述の構造は、基板Ｓに沿ってＭＢＧrightから左側へ向かう望ましくない“漏出”が生じたＲ-1,right回折の効果的な“再循環”を行うための構造である。すなわち、ブラッグ反射に基づいて、格子面ＭＢＧleftは、Ｒ+2,leftとして右側へ戻すようにＲ-1,rightの回折を行う。この“再循環された”ビームＲ+2,leftがＲ+1,rightに関して完全に平行であることは証明可能である。したがって、Ｒ-1,right反射とＲ+1,right反射との比率、並びに、基板Ｓに沿って右側へ向かって“漏出する”光量を変えながら、右側の格子面ＭＢＧrightへの入射ビームの入射角度θが変化すれば、スプリット格子構造は、所望の方向とは反対方向に進む光の再循環を行うことが可能となる。
【００４１】
図１３ａと図１３ｂとは、図１２に概略的に示した格子面ＭＢＧrightとＭＢＧleftの結合効率／回折効率が前記格子プロファイルの深度にどのように依存しているかを示す図である。格子の周期には４４０ｎｍの値が与えられ、１.７１の屈折率で５４０ｎｍの波長を有する光に対して計算されている。図１３ａから、ブラッグ反射（４６．４°）の場合、左側格子ＭＢＧleftの効率を最適化してほとんど値１となるようにすることが可能であることがわかる。すなわち格子は方向Ｒ+2へ元の方向へ向かってほぼすべての光を反射することになる。図１３ｂは、ほぼ垂直方向に基板Ｓプレートに入るビームの回折に対応する（すなわち図１２のＭＢＧrightに対応する）図である。
【００４２】
本発明の好ましい用途には、１または２以上の方向へビームの拡大を行って、表示装置の射出瞳を拡張する異なるタイプの仮想表示装置が含まれる。このような表示装置では、画像ソースとしては、例えば、シーケンシャルなカラーＬＣＯＳ装置（シリコン上液晶）、ＯＬＥＤ素子（有機発光ダイオード）、ＭＥＭＳ素子（マイクロ電気機械システム、マイクロマシン）あるいは透過、反射または放射で作動する他の任意の適切なマイクロディスプレイ素子を挙げることができる。
【００４３】
仮想表示装置の選択した実施形態と関連して本発明を図示し、上述したが、これらの実施形態は例示にすぎないこと、および、当業者であれば、本発明の精神と範囲内にそのままとどまりながら、本願明細書に具体的に開示された詳細情報以外の技術的な詳細情報を利用して別の実施形態を構築することも可能であることを理解されたい。したがって、本発明の精神から逸脱することなく、例示の格子素子の形態と細部並びに同例示の格子素子の作動の種々の省略と代替および変更を当業者が行うことも可能であることを理解されたい。したがって、本明細書に添付の請求項の範囲によって示されるように本発明を限定することが上記の意図するところである。
【００４４】
例えば、対応する格子面を適切に設けて、例示の実施形態における左側または右側を意味する方向を逆にしてもよい。図１および図２に図示のような基板Ｓの異なるサイド（下側、上側）に上記格子面を設けるようにしてもよい。
【００４５】
特定のアプリケーションや利用する材料に応じて、スプリット格子素子ＳＧの正確な格子プロファイル、格子周期あるいは格子プロファイル深度を選択するようにしてもよい。このスプリット格子素子において、遷移点ＴＰから測定した異なる局所距離における格子領域の深度が異なるようにすることにより、局所的に回折効率が変動する回折格子領域の利用も可能となる。
【００４６】
遷移点ＴＰにわたって移動する場合の格子プロファイルの変化は例示の場合のように急激な変化であってもよいが、より滑らかに変化するように構成してもよい。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態では、ブレーズされた格子プロファイルが用いられているが、別のタイプの格子プロファイルの利用も可能である。したがって、スプリット格子構造ＳＧでは、遷移点ＴＰの一方の側部または両方の側部上の格子プロファイルは、ブレーズされた、正弦波の、高さが変動するタイプや、その他のいずれの適切なタイプのプロファイルとすることも可能である。
【００４８】
基板Ｓの材料は、例えばガラスやプラスチックあるいはその他の適切な光透過材などであってもよい。ほぼ基板面に上記格子構造を設けるようにしてもよいし、あるいは、埋め込み構造としてこの格子構造を基板内に組み込むようにしてもよい。好適には、基板Ｓは平らなものであることが望ましいが、適切な導波特性を提供する別の形の基板を用いることも可能である。基板Ｓの格子あるいは別の領域にアルミニウムコーティングなどの適切なコーティングを施して反射率を高めるようにしてもよい。必要に応じて無反射コーティングの利用も可能である。
【００４９】
本発明の利用形態として、例えば、携帯用インターネット機器、ハンドヘルド型コンピュータ、個人用情報機器（ＰＤＡ）、最新型移動電話およびその他の移動局、デジタルビデオスチルカメラ、ウェアラブルコンピュータ、コンピュータゲーム装置、異なるタイプの情報やプレゼンテーションを表示するための特殊な接眼式（bring-to-the-eye）製品、並びに、高品質の仮想表示装置を含むその他のデバイスを含むことも可能である。
【００５０】
本発明は、仮想表示装置以外の他のアプリケーションで利用することも可能である。原則として、本発明は、１または２以上の方向へのビームの拡大を必要とするいずれのアプリケーションにも適している。したがって、本発明は異なるタイプの光カプラあるいはその他の光変調デバイスにも同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】両眼タイプのＥＰＥの１つの可能な構成を示す概略断面図である。
【図２】両眼タイプのＥＰＥの別の可能な構成を示す概略断面図である。
【図３】格子素子の回折効率の角度依存性に関連する、従来技術のＥＰＥに存在する基本的問題点を示す概略図である。
【図４】対称な正弦波周期プロファイルを有し、図３に図示の配置構成に対応する格子について計算した回折効率を示すグラフである。
【図５】ＥＰＥにおけるブレーズ格子の従来技術のタイプの使用方法の概略説明図である。
【図６】非対称周期プロファイルを持つ、本発明に基づく対称スプリット格子の概略説明図である。
【図７】本発明に基づく対称スプリット格子におけるビームシフトについての概略説明図である。
【図８】入射角度θ＝０とき、イメージャからスプリット格子構造へ向かって光を指向させる１つの可能な光学系のセットアップについての概略説明図である。
【図９】入射角度θ＜＞０の場合におけるイメージャからスプリット格子構造へ向かって光を指向させる１つの可能な光学系のセットアップについての概略説明図である。
【図１０】イメージャからスプリット格子構造へ向かって光を指向させる代替の光学系のセットアップについての概略説明図である。
【図１１】アルミニウムコーティングを施したスプリット格子のトータルの回折効率のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】本発明に基づく、スプリット格子に基づく単眼系ＥＰＥの概略説明図である。
【図１３ａ】波長５４０ｎｍの場合における、４４０ｎｍの周期を持つブレーズ格子の格子プロファイル深度の関数としての結合効率を示し、４６．４°の角度でプレートの内部を進むビームの回折に対応するグラフである。
【図１３ｂ】波長５４０ｎｍの場合における、４４０ｎｍの周期を持つブレーズ格子の格子プロファイル深度の関数としての結合効率を示し、垂直方向に基板プレートに入るビームの回折に対応するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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