(57)【要約】      （修正有）【課題】共通の光透過性基板に支持される複数の反射面を含む基板誘導光学装置を提供する。【解決手段】光透過性基板は少なくとも第１および第２の主要な外面を含む。電子表示源は光波を発する。入力結合光学装置２０は、光波を電子表示源から光透過性基板に結合し、光透過性基板の主要な外面間で入力結合された光波の内部全反射を達成する。光学素子は、光波が電子表示源から光透過性基板へと横断するための光学経路に配置される。光学素子は、横断する光波の光線を発散または収束させる像面湾曲を定義する。レンズは光学経路に配置され、像面湾曲を減少させる。電子表示源は、減少した像面湾曲によって引き起こされる光線の発散または収束を軽減するために、減少した像面湾曲に一致する曲率を有する。【選択図】図１
0003222489.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
光学系であって、該光学系は：
少なくとも第１および第２の主要な外面を含む複数の面を有する光透過性基板と；
光波を発する電子表示源と；
電子表示源から発する光波を光透過性基板に結合して、光透過性基板の主要な外面間で入力結合された光波の内部全反射を達成するための入力結合光学装置と；
光波が電子表示源から光透過性基板へと横断するための光学通路に配置された少なくとも１つの光学素子であって、横断する光波の光線を発散または収束させる光学系の像面湾曲を定義する少なくとも１つの光学素子と；
電子表示源から下流および入力結合光学装置から上流の光学通路に配置された少なくとも１枚のレンズであって、ここで、少なくとも１枚のレンズは、部分的補正像面湾曲を作り出し、光学系の像面湾曲を減少させるために光学系の像面湾曲を部分的に補正し、および電子表示源は、減少した像面湾曲によって引き起こされた横断する光線の発散または収束を軽減するために、光学系の減少した像面湾曲に一致する曲率を有する湾曲した表示源である、少なくとも１枚のレンズと、を含む、光学系。
【請求項２】
少なくとも１枚のレンズは正倍率レンズである、請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
少なくとも１枚のレンズは負倍率レンズである、請求項１に記載の光学系。
【請求項４】
少なくとも１枚のレンズは凹面を含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項５】
電子表示源を刺激して光波を発するために光を照明器から電子表示源へと向け、および電子表示源から発する光波を入力光学装置へと向けるための照明プリズムアセンブリをさらに含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項６】
少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、照明プリズムアセンブリの少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項５に記載の光学系。
【請求項７】
照明プリズムアセンブリは、少なくとも１つのプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、ここで、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部が少なくとも１つのプリズムの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項５に記載の光学系。
【請求項８】
照明プリズムアセンブリを介して電子表示源から発する光波を受け取るための、および受け取った光波をコリメートして、コリメートされた光波を出力結合光学装置へ向けるための光モジュールをさらに含む、請求項５に記載の光学系。
【請求項９】
少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、光モジュールの少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項８に記載の光学系。
【請求項１０】
光モジュールは、１対のプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部が１対のプリズムの少なくとも１つの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項８に記載の光学系。
【請求項１１】
少なくとも１枚のレンズは、照明プリズムアセンブリから下流および光モジュールから上流の光学経路に配置される、請求項８に記載の光学系。
【請求項１２】
少なくとも１つの光モジュールは少なくとも１つの光学素子を含む、請求項８に記載の光学系。
【請求項１３】
電子表示源から発する光波をコリメートし、コリメートされた光波を入力結合光学装置へ向けるための光モジュールをさらに含む、をさらに含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項１４】
少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、光モジュールの少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項１３に記載の光学系。
【請求項１５】
光モジュールが１対のプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部が前記プリズムの少なくとも１つの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる、請求項１３に記載の光学系。
【請求項１６】
光モジュールは少なくとも１つのコリメータレンズをさらに含む、請求項１３に記載の光学系。
【請求項１７】
光モジュールは、光学系の像面湾曲を定義する少なくとも１つの光学素子を含む、請求項１３に記載の光学系。
【請求項１８】
電子表示源はマイクロディスプレイである、請求項１に記載の光学系。
【請求項１９】
電子表示源は有機発光ダイオードディスプレイである、請求項１に記載の光学系。
【請求項２０】
光学系であって、該光学系は：
少なくとも第１および第２の主要な外面を含む複数の面を有する光透過性基板と；
光波を発する電子表示源と；
電子表示源から発する光波を光透過性基板に結合し、光透過性基板の主要な外面間で入力結合された光波の内部全反射を達成するための入力結合光学装置と；
光波が電子表示源から光透過性基板へと横断するための光学通路に配置された少なくとも１つの光学素子であって、ここで、少なくとも１つの光学素子は、横断する光波の光線を発散または収束させる光学系の像面湾曲を定義し、および電子表示源は、像面湾曲によって引き起こされた光線の発散または収束を軽減するために、光学系の像面湾曲に一致する曲率を有する湾曲した表示源である、少なくとも１つの光学素子と、を含む、光学系。
【請求項２１】
電子表示源はマイクロディスプレイである、請求項２０に記載の光学系。
【請求項２２】
電子表示源は有機発光ダイオードディスプレイである、請求項２０に記載の光学系。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、共通の光透過性基板に支持される複数の反射面を含む、基板誘導光学装置に関する。
＜関連考案の相互参照＞
本考案は、２０１８年５月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／６７７，００１の優先権を主張し、その開示は、その全体を参照することによって本明細書に組込まれる。
【背景技術】
【０００２】
小型の光学素子の１つの重要な用途は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）であり、光モジュールは光学のコリメーターシステムおよびコンバイナーの両方として機能し、二次元画像ソースが無限に画像化されて観察者の眼に反映される。表示源は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、マイクロＬＥＤディスプレイ、スキャニングソースまたは同様の装置などの空間光変調器（ＳＬＭ）から直接、あるいはリレーレンズまたは光ファイバー束によって間接的に得られる。表示源は、コリメータレンズによって無限に撮像され、それぞれ非透明および透明な用途用のコンバイナーとして作用する反射あるいは部分反射によりビュアーの目に送信された要素（ピクセル）のアレイを含む。典型的には、従来の自由空間光モジュールはこれらの用途のために使用される。しかしながら、該システムの所望の視野（ＦＯＶ）が増加するにつれて、そのような従来の光モジュールはさらに大きく、より重く、よりかさばるようになり、したがって、システムのような中程度の性能の装置にとってさえ非実用的である。これは、すべての種類のディスプレイにとって、および、該システムができるだけ軽くかつ小型であるべき頭部装着用途において特に、主要な欠点である。加えて、ある程度の像面湾曲収差を有するコリメーター系と合わせて使用される表示源の平坦度は、観察者に見られる画像の劣化の一因となり得る。
【０００３】
小型なものにしようとする努力がいくつかの様々な複雑な光学的解決策を生み出した。これらはすべて、一方では、ほとんどの実用的な用途にはまだ十分なほど小型ではなく、他方では、製造可能性に関して主要な欠点を有する。さらに、これらの設計から生じる光視野角のアイモーションボックス（ＥＭＢ）は通常、非常に小さく、典型的に８ｍｍ未満であり、従って、該光学系の性能は、ビュアーの眼に対する光学系の小さな動きにさえ非常に敏感であり、そのようなディスプレイからのテキストを快適に読み取るための十分な瞳孔運動が不可能である。
【考案の概要】
【０００４】
本考案は、基板誘導光学素子および様々な像面湾曲緩和要素を有する光学系に関するものであり、ある実施形態では、像面湾曲の影響を緩和する視野レンズ装置を含み、これはコリメート光学系と組み合わせた平面の電子表示源の使用の結果である。他の実施形態は、光学系の像面湾曲に一致する（または少なくとも部分的に一致する）曲率を有する湾曲した電子表示源を含み、これにより、光学系を介して横断する光線の発散または収束によって引き起こされる像面湾曲の影響を軽減する（または少なくとも部分的に軽減する）。全ての実施形態において、電子表示源は、基板誘導光学素子に入力結合され、その後、基板誘導光学素子から観察者（つまりビュアー）の眼に画像として出力結合される光波を発する。観察者の眼の平面における光学的開口部の大きさが、基板誘導光学素子への入力における光学的開口部よりも大きくなるように、基板誘導光学素子は出力結合される画像の拡大を容易にする。そのような拡大は、代替的に開口の増大（ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれてもよい。
【０００５】
本考案の一実施形態の教示によれば、光学系が提供され、該光学系は：少なくとも第１および第２の主要な外面を含む複数の面を有する光透過性基板と；光波を発する電子表示源と；光透過性基板の主要な外面間で入力結合された光波の内部全反射を達成するため、電子表示源から発する光波を光透過性基板に結合するための入力結合光学装置と；光波が電子表示源から光透過性基板へ横断するための光学通路に配置された少なくとも１つの光学素子であって、横断する光波の光線を発散または収束させる光学系の像面湾曲を定義する少なくとも１つの光学素子と；電子表示源から下流および入力結合光学装置から上流の光学通路に配置された少なくとも１枚のレンズであって、光学系の像面湾曲を減少するために光学系の像面湾曲を部分的に補正し、部分的補正像面湾曲（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ  ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を作り出す、少なくとも１枚のレンズと、を含み、ここで、該電子表示源は、減少した像面湾曲によって引き起こされた横断する光線の発散または収束を軽減するために、光学系の減少した像面湾曲に一致する曲率を有する湾曲した表示源である。
【０００６】
随意に、少なくとも１枚のレンズは正倍率レンズである。
【０００７】
随意に、少なくとも１枚のレンズは負倍率レンズである。
【０００８】
随意に、少なくとも１枚のレンズは凹面を含む。
【０００９】
随意に、光学系は、電子表示源を刺激して光波を発するために光を照明器から電子表示源へと向け、電子表示源から発する光波を入力光学的配置へと向ける照明プリズムアセンブリをさらに含む。
【００１０】
随意に、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、照明プリズムアセンブリの少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００１１】
随意に、照明プリズムアセンブリは、少なくとも１つのプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部が少なくとも１つのプリズムの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００１２】
随意に、光学系は、照明プリズムアセンブリを介して電子表示源から発する光波を受け取るための、および受け取った光波をコリメートして、コリメートされた光波を出力結合光学装置へ向けるための、光モジュールをさらに含む。
【００１３】
随意に、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、光モジュールの少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００１４】
随意に、光モジュールは、１対のプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部がプリズムの少なくとも１つの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００１５】
随意に、少なくとも１枚のレンズは、照明プリズムアセンブリから下流および光モジュールから上流の光学経路に配置される。
【００１６】
随意に、少なくとも１つの光モジュールは少なくとも１つの光学素子を含む。
【００１７】
随意に、光学系は、電子表示源から発する光波をコリメートし、コリメートにされた光波を入力結合光学装置へ向けるための光モジュールをさらに含む。
【００１８】
随意に、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部は、光モジュールの少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００１９】
随意に、光モジュールは、１対のプリズムおよび偏光感受型ビームスプリッタを含み、少なくとも１枚のレンズの少なくとも一部がプリズムの少なくとも１つの面の少なくとも一部に光学的に取り付けられる。
【００２０】
随意に、光モジュールは少なくとも１つのコリメータレンズをさらに含む。
【００２１】
随意に、光モジュールは、光学系の像面湾曲を定義する少なくとも１つの光学素子を含んでいる。
【００２２】
随意に、電子表示源はマイクロディスプレイである。
【００２３】
随意に、電子表示源は有機発光ダイオードディスプレイである。
【００２４】
本考案の教示の実施形態に従って、光学系がさらに提供される。光学系は、少なくとも第１および第２の主要な外面を含む複数の面を有する光透過性基板と；光波を発する電子表示源と；光透過性基板の主要な外面間で入力結合された光波の内部全反射を達成するため、電子表示源から発する光波を光透過性基板に結合するための入力結合光学装置と；光波が電子表示源から光透過性基板へと横断するための光学通路に配置された少なくとも１つの光学素子であって、横断する光波の光線を発散または収束させる光学系の像面湾曲を定義する、少なくとも１つの光学素子と、を含み、該電子表示源は、像面湾曲によって引き起こされた光線の発散または収束を軽減するために、光学系の像面湾曲に一致する曲率を有する湾曲した表示源である、光学系である。
【００２５】
随意に、電子表示源はマイクロディスプレイである。
【００２６】
随意に、電子表示源は有機発光ダイオードディスプレイである。
【００２７】
本開示の光学系は、コリメート光学系、様々なプリズムアセンブリ（例えば、照明およびイメージングアセンブリ）、および上述の基板誘導光学素子ならびに視野レンズ配置を含む、様々な光学構成要素の組み合わせに依拠する。そのような構成要素の組み合わせは、個々の構成要素の特定の設計パラメーターが相互依存し、かつ１つの構成要素または副構成要素の設計仕様が光学系の設計仕様および１つ以上の他の構成要素または副構成要素の特有の特質に従って決定されるため、簡単な組み合わせでない。したがって、本開示の光学系の該構成要素および副構成要素の組み合わせによって相乗作用が生じ、観察者によって見られる画像の質の向上へとつながる。
【００２８】
本明細書に別段の定義がない限り、本明細書中で使用される全ての技術的および／または科学的用語は、本考案が属する技術分野の当業者によって理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似または同等の方法および材料が本考案の実施例の実施または試験に用いることができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載されている。矛盾する場合、定義を含む本特許明細書が統制する。さらに、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、必ずしも限定するように意図されたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本考案のいくつかの実施形態は、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載されている。特定の図面を詳細に参照して、詳細が一例として、本考案の実施形態の例示的説明の目的のために示されるということが強調される。この点では、図面について行われる記述により、本考案の実施形態を実施する方法は当業者に明らかとなる。
【００３０】
ここで、同様の参照番号または文字が、対応するまたは同様の構成要素を示す図面に注目する。図面において：
【図１】本考案の実施形態にかかる例示的な導光光学素子（ＬＯＥ）の側面図である。
【図２】本考案の実施形態にかかる、取り付けられた視野レンズを有するコリメート光モジュール（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌ）および照明プリズムアセンブリ（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｐｒｉｓｍ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）の概略図である。
【図３】本考案の実施形態にかかる、取り付けられた視野レンズを有する照明プリズムアセンブリの概略図である。
【図４】本考案の実施形態にかかるコリメート光モジュールの概略図である。
【図５】対称構造を有するＬＯＥの構成の側面図である。
【図６】本考案の実施形態にかかる、コリメート光学系を介する湾曲した電子表示源からの光線の横断の概略図である。
【考案を実施するための形態】
【００３１】
本考案は、平坦な電子ディスプレイと組み合わされたコリメート光学系の使用によって生じる基板誘導光学素子および像面湾曲の影響の緩和要素を有する光学系に関する。特定の実施形態では、像面湾曲の緩和は、光学系の像面湾曲を補正する視野レンズによってもたらされる。そのような実施形態において、電子表示源は、入力結合光学装置によって基板誘導光学素子に入力結合される光波を発し、その後、該入力結合された光波は、１つ以上の複数の反射面によって基板誘導光学素子から観察者（つまりビュアー）の眼に画像として出力結合される。視野レンズは、電子表示源の下流および入力光学装置から上流の光学系の光学経路に一般的に配置される。特定の非限定的な実施では、視野レンズは、照明プリズムアセンブリから下流およびコリメート光モジュールから上流の光学経路に配置される。
【００３２】
他の実施形態では、光学系の像面湾曲に一致する（または少なくとも部分的に一致する）曲率を有する湾曲した表示源として、表示源を実装することにより像面湾曲の緩和がもたらされ、これによって、像面湾曲の影響によって引き起こされる光学系を介して横断する光線の発散または収束を軽減する（または少なくとも部分的に軽減する）。
【００３３】
本考案に係る光学系の原理及び操作は、説明に添付の図面を参照することでより良く理解され得る。
【００３４】
本考案の１つ以上の実施例を詳細に説明する前に、本考案はその適用時に、以下の記載で明らかにされた、および／または図面および／または例において例証された構成要素および／または方法の構成および配置の詳細に必ずしも制限されないことが理解される。本考案は、他の実施形態で、あるいは様々な方法で実施または実行され得る。初めに、この文書全体にわたって、例えば、上位および下位、上部および下部などの方向について言及する。これらの方向への言及は、それらの考案および実施形態を例証する例示的なものにすぎない。
【００３５】
次に図面を参照すると、図１は本開示の実施形態にかかる光学系の構成要素の断面図を例証する。光学系は平面光透過性基板（１０）および関連する構成要素を含む（以下、導光光学素子または「ＬＯＥ」とも称す）。ＬＯＥは、光線を入力光学面から出力光学面へと誘導する光導波路として機能する。平面基板（１０）は、互いに平行である主要な下部面（１６）および主要な上部面（１８）を含む。入力結合光学装置（２０）は、電子表示源（図１には示されない）からコリメートされた光波（光線（３２）によって表わされる）によって照らされる。特定の実施形態によると、入力結合光学装置（２０）は、基板（１０）の傾斜した縁（２２）およびプリズム（２４）を含む。縁（２２）は基板（１０）の主要な下部面および上部面（１６、１８）に対して斜角に配向され、ここで、α縁は、縁（２２）と基板（１０）の主要な下部面および上部面（１６）、（１８）の法線との間の角度である。プリズム（２４）は、３つの主要な面（２６）、（２８）、および（３０）を有し、面（２６）は基板（１０）の縁（２２）の隣に位置し、面（２８）および（３０）は研摩面である。ある実施形態では、プリズム（２４）の屈折率は基板（１０）の屈折率に類似する一方、他の実施形態では、プリズム（２４）および基板（１０）は様々な屈折率を有する。光線（３２）は、面（２８）を介してプリズム（２４）に入る。面（２８）は、入射光（つまり、光線（３２））の主要な光波に対して垂直に配向されていることが望ましい。その後、光線（３２）は面（２６）を通り抜け、縁（２２）を介して基板（１０）に入り、それによって、光線（３２）は内部全反射によって、ＬＯＥの平面基板（１０）内に捕捉される。基板（１０）の主要な下部面および上部面（１６、１８）の複数回の反射後、捕捉波が出力光学的配置（１２）へと到達し、光波は基板（１０）からビュアーの眼（１４）の瞳孔（１５）へと結合され、ビュアーによって見られる画像を形成する。特定の好ましい実施形態では、出力光学装置は選択的な部分反射面アレイとして実装される。
【００３６】
本明細書において、ＬＯＥの入力面は、入力光波がＬＯＥに入る面としてみなされ、ＬＯＥの出力面は、捕捉波がＬＯＥから出る面とみなされるだろう。図１に例証されるＬＯＥの場合、入力面が傾斜した縁（２２）上にあり、出力面は下部面（１６）上にある。しかしながら、入力波およびイメージ波が基板（１０）の同じ面に位置し得る、他の構成が考えられる。そのような構成において、ＬＯＥの入力面が主要な下部面（１６）上にあり、かつ入力結合反射面が入射光波を反映し、その結果、光が内部全反射によって基板（１０）内に捕捉されるように、基板（１０）の主要な下部面および上部面（１６、１８）に対して斜角に配向される反射面によって、入力結合光学装置（２０）は実現され得る。さらに、入力面が上部面（１８）上にあり、出力面が下部面（１６）上にある、他の構成が考えられる。
【００３７】
収差を減少させた焦点画像をビュアーに提供するために、入力結合光学装置（２０）を照らす光波は平面の光波でなければならず、電子表示源から発する光波の様々な領域からの光線は、できるだけ互いに平行に近くなければならない。コリメート光学系の使用は、ＬＯＥに入る様々な領域からの光線が互いに実質的に平行であることを少なくとも部分的に保証するために役立つ。しかし、電子表示源から発する光波は、画像化される対象が一般的には光学系の光軸に垂直な平坦物である時に生じる得る像面湾曲の影響を受ける可能性があり、かつ電子表示源が平面の表示源（例えばシリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイ）として実装される場合ように、ある程度の像面湾曲収差を有するコリメート光学系を介して画像化される。像面湾曲の影響は、電子表示源の中心から外れた画素に対応する光波について特に感じられる。像面湾曲は、入力結合光学装置（２０）によってＬＯＥに入力結合される光学系を横断する光波の一部を、発散光線または収集光線（つまり平行ではない光線）を有する非平面の光波にする。像面湾曲によって引き起こされた非平面の光波の影響は、画像における離散ジャンプと同様に、ＬＯＥの入力開口の視界の中心から離れた不鮮明画像としてビュアーによって見られる画像に示される。
【００３８】
像面湾曲の影響を緩和するために、視野レンズは電子表示源とＬＯＥとの間の光学経路に配置される。以下の段落は、そのような視野レンズの配置について、具体的には、電子表示源および光学系の別の要素に対する光学経路における視野レンズの位置に関して記載する。理想的には、視野レンズは、電子表示源から出る光波領域より広い範囲に都合よく影響するようにできるだけ電子表示源に接近して（つまり、できるだけ対象面に接近して）位置しなければならない。明白になるように、光学系の照明アセンブリおよびコリメート光学系の光学設計は、電子表示源と視野レンズとの近さを制限することもある。
【００３９】
図１を参照しながら、次に、光学系の電子表示源（３４）、照明プリズムアセンブリ（３６）、およびコリメート光モジュール（５２）を示す図２を参照する。コリメート光モジュール（５２）は、電子表示源（３４）とＬＯＥとの間の光学系の光学経路に配置され、以下でより詳細に記載されるように、光波（および代替的な光線）が電子表示源（３４）からＬＯＥへと光学系を横断することを可能にする。コリメート光モジュール（５２）は、平面の電子表示源と組み合わされて使用された時に光学系の像面湾曲の影響の推進力である１つ以上の光学構成要素を含む（例えば、レンズ（６６、７２）、およびプリズム（６２、６８））。したがって、コリメート光モジュール（５２）の１つ以上の光学構成要素は光学系の像面湾曲を定義する光学素子を構成し、結果としてＬＯＥへの入力において光線の平行ではないビームをもたらす。電子表示源（３４）はマイクロディスプレイとして実装されることが好ましく、それはマイクロディスプレイテクノロジーの分野において既知の様々な表示の１つの形態を取り得る。特定の非限定的な実施では、電子表示源（３４）はＬＣＯＳマイクロディスプレイとして実装される。光学系の光学構成要素に対する視野レンズの配置のより良い記載のために、ＬＣＯＳマイクロディスプレイとして実装される本開示の実施形態が電子表示源（３４）の非限定的な文脈内で後に記載される。しかし、電子表示源（３４）は、例えば、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）または他の適切なマイクロディスプレイを含む他の方法で実装されてもよいことに留意されたい。
【００４０】
続けて図２を参照すると、照明プリズムアセンブリ（３６）は照明源（図示せず）からｓ偏光入力光波を受け取り、それは偏光ビームスプリッタ（４４）から電子表示源（３４）へ向けて反射されて電子表示源（３４）画像域を照らす。電子表示源（３４）の画像域におけるｓ偏光入力光波の受信照明に応答して、電子表示源（３４）は、刺激され（つまり、アクティブにされ）、電子表示源（３４）のアクティブピクセルから発するｐ偏光波（３８）の形で、対応する画素出力を生成する。特定のアクティブピクセルから発する光波からの光線は、特定の領域に相当する。ｐ偏光波（３８）は、照明プリズムアセンブリ（３６）のプリズム（４２）の光透過面（４０）を介して、照明プリズムアセンブリ（３６）に入力結合される。ｐ偏光波（３８）は、ｐ偏光を伝送し、ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ（４４）を通り抜ける。偏光ビームスプリッタ（４４）は、プリズム（４２）の傾斜した縁面と第２のプリズム（４８）の傾斜した縁面との間に位置する。光波は、第２のプリズム（４８）の光透過面（４６）を介して照明プリズムアセンブリ（３６）から出力結合され、次に、光波をｓ偏光に変換する半波長板（５０）を通り抜ける。今、ｓ偏光波（３８）は、コリメート光モジュール（５２）に入る前に、照明プリズムアセンブリ（３６）とコリメート光モジュール（５２）との間の光学経路に位置する視野レンズ（８０）を通り抜ける。
【００４１】
視野レンズ（８０）は、光学系の像面湾曲を補正するために補正像面湾曲を作り出す。視野レンズ（８０）が構成される材料の屈折率、およびレンズ面の屈折力を含む視野レンズ（８０）の光学的性質は、補正像面湾曲を作り出すことを可能にする。視野レンズ（８０）の補正像面湾曲は、像面湾曲の影響によって引き起こされた光線の発散または収束を軽減し、光学系の像面湾曲を有効に平らにし、電子表示源（３４）の位置に平坦な対象面を可能にする。視野レンズ（８０）は、視界の中心よりも視界の縁において、さらに光学活性である（つまり、中心から外れた電子表示源（３４）のピクセルに対応する領域に対してより活性である）。したがって、視野レンズ（８０）、電子表示源（３４）の中心付近のピクセルからやって来る光線よりも、電子表示源（３４）の縁にあるピクセルからやって来る光線に対して、さらに矯正機能を適用する。視野レンズ（８０）は、電子表示源（３４）からＬＯＥへの入力光線の収束または発散の方向に応じて、正倍率あるいは負倍率のレンズとして実装されてもよい。
【００４２】
視野レンズ（８０）の光学的性質（例えば、視野レンズ（８０）の屈折率および視野レンズ（８０）面の屈折力）により、像面湾曲の平坦化は、視野レンズ（８０）による同じ領域の光線の屈折によってもたらされる。視野レンズ（８０）に入る同じ領域からの光線は、入力結合光学装置（２０）（つまり、基板（１０）に入力結合される前）への入力において、同じ（つまり共通の）領域からの光線が互いに平行になるように視野レンズ（８０）の光学面によって屈折される。視野レンズ（８０）は図２において単レンズとして表されるが、視野レンズの像面湾曲の平坦化効果は、視野レンズ（８０）を１枚より多いレンズとして（例えば複レンズとして）実装することによって、実現されてもよい。図２における視野レンズ（８０）の非限定的な記載は、視野レンズ（８０）が凹面（８２）および（８４）を含む凹面レンズとして実装される。
【００４３】
視野レンズ（８０）は、照明プリズムアセンブリ（３６）とコリメート光モジュール（５２）との間の光学経路に様々な位置で配置されてもよく、また様々な実施において、照明プリズムアセンブリ（３６）またはコリメート光モジュール（５２）の一部に光学的に取り付けられてもよい。例えば、図２で例証される非限定的な実施において、面（８２）の一部は、例えば光学接着剤によってコリメート光モジュール（５２）のプリズム（６２）の光透過面（５４）に光学的に取り付けられてもよい。面（５４）は、コリメート光モジュール（５２）の入力面として機能する。他の非限定的な実施では、視野レンズ（８０）の面（８４）の一部は、例えば光学接着剤によって、半波長板（５０）または照明プリズムアセンブリ（３６）および半波長板（５０）の間の第２のプリズム（４８）の面（４６）に光学的に取り付けられる。さらなる非限定的な実施では、面（８２）および（８４）が照明プリズムアセンブリ（３６）、半波長板（５０）またはコリメート行光モジュール（５２）のいずれかに光学的に取り付けられるように、視野レンズ（８０）が照明プリズムアセンブリ（３６）とコリメート光モジュール（５２）との間の光学経路に機械的に位置してもよい。機械的な位置決定は、光学系の主要構成要素を有する機械体にも取り付けることができる視野レンズ（８０）の縁面に取り付けられたメカニカルアームによって達成される。
【００４４】
視野レンズ（８０）は、面（８２）が凹面ではなく、光学的に平らな（つまり、平坦な）面である平凹レンズとしても実装され得ることに留意されたい。
【００４５】
図２への参照を続けると、視野レンズ（８０）を出るｓ偏光波（３８）は、面（５４）を介してコリメート光モジュール（５２）に入る。プリズム（６２）の傾斜した縁面とコリメート光モジュール（５２）の第２のプリズム（６８）の傾斜した縁面との間に位置する偏光ビームスプリッター（７４）からの反射に続いて、光波はコリメート光モジュール（５２）の上部面（５６）を介してコリメート光モジュール（５２）から出力結合される。その後、光波は４分の１の波長半波長板（６４）を通過し、構成要素（６６）（例えばレンズ）の反射面（６７）によって反射されて４分の１の波長半波長板（６４）を再び通過し、面（５６）を介してコリメート光モジュール（５２）再び入る。次に、ｐ偏光波は偏光ビームスプリッター（７４）を通過し、コリメート光モジュール（５２）の下部面（５８）を介して、コリメート光モジュール（５２）から出力結合される。その後、光波は、第２の４分の１の波長半波長板（７０）を通過し、第２の構成要素（７２）（例えばレンズ）の反射面（７３）によって反射されて第２の４分の１の波長半波長板（７０）を再び通過し、面（５８）を介してコリメート光モジュール（５２）再び入る。今、ｓ偏光波は偏光ビームスプリッター（７４）から反射され、側面（６０）を介してコリメート光モジュール（５２）から出る。光波における、構成要素（６６）および（７２）の組み合わされた効果は、側面（６０）を介してコリメート光モジュール（５２）を出る、コリメートされた光波をもたらす。反射面（６７）および（７３）は、金属コーティングまたは誘電体コーティングのいずれかによって実現することができる。それぞれ別々の領域からの光線が互いに平行になるように、コリメート光モジュール（５２）を出るｓ偏光波はコリメートされ、視野レンズ（８０）によって影響を受ける。コリメート光モジュール（５２）から出力結合される平行な光線は、入力結合光学装置（２０）を介してＬＯＥに入力結合される（図１における光線（３２）として表される）。
【００４６】
図１および２を参照して記載された光学系の実施形態では、視野レンズ（８０）は、電子表示源（３４）の比較的近くに位置する。しかし、電子表示源（３４）と照明プリズムアセンブリ（３６）とが接近することは、光学系の特定の光学設計により、視野レンズ（８０）が電子表示源（３４）に接近して位置することを妨げる。光学系の他の実施形態では、照明プリズムアセンブリおよびコリメート光モジュールは、様々な軸に沿って配向されるように設計され得る。そのような実施形態では、視野レンズが電子表示源に最も近い光学構成要素になるように、視野レンズは電子表示源にさらに接近して位置してもよい。
【００４７】
図１および２への参照を続けながら、次に、本開示実施形態にかかる光学系の様々な構成要素を示す図３−５を参照する。この実施形態では、視野レンズ（８０）は電子表示源（３４）に最も近い光学構成要素である。さらに、図１および２を参照して記載される光学系は１次元における開口拡大のための機能を提供するが、図３−５に例証される光学系は２次元における開口拡大、すなわち、１次元（つまり水平の開口拡大）、その後、第１次元と直交する第２次元（つまり垂直の開口拡大）のための機能を提供する。２次元の開口拡大光学系の光学構成要素は、本開示の続く段落においてさらに詳細に記載される。
【００４８】
図３を参照すると、光学系は電子表示源（３４）および照明プリズムアセンブリ（９０）を含む。図１および２を参照して記載されるものと類似して、照明プリズムアセンブリ（９０）は照明源（図示せず）からｓ偏光波を受け取り、それは偏光ビームスプリッタ（１００）から電子表示源（３４）へ向けて反射されて電子表示源（３４）を照らす。電子表示源（３４）を照らす光波はｓ偏光であり、照らされた電子表示源（３４）のピクセルは、電子表示源（３４）のアクティブピクセルから発するｐ偏光波（３８）の形態で対応する画素出力を生成するためアクティブにされる。その後、ｐ偏光波は視野レンズ（８０）を通過する。
【００４９】
視野レンズ（８０）は、照明プリズムアセンブリ（９０）と電子表示源（３４）の間の光学経路に様々な位置で配置されてもよい。特に、視野レンズ（８０）は、照明プリズムアセンブリ（９０）および電子表示源（３４）の入出力面の間に配置される。入出力面は、電子表示源（３４）から照明プリズムアセンブリ（９０）に出力結合するための照明源からの光波の出力面、および電子表示源（３４）から照明プリズムアセンブリ（９０）に入力結合するための光波の入力面の両方として機能する、照明プリズムアセンブリ（９０）のプリズム（９４）の光透過面（９２）である。
【００５０】
図２に示されるものに類似して、図３で例証される視野レンズ（８０）は、１枚より多いレンズとして（例えば、複レンズとして）実装されてもよい。図３における視野レンズ（８０）の非限定的な実施では、視野レンズ（８０）は凹面レンズであり、面（８２）の一部は、例えば光学接着剤を介して、面（９２）に光学的に取り付けられる。他の非限定的な実施では、視野レンズ（８０）の面（８４）の一部は、例えば光学接着剤を介して、電子表示源（３４）の出力面に光学的に取り付けられてもよい。さらなる非限定的な実施では、面（８２）および（８４）が照明プリズムアセンブリ（９０）または電子表示源（３４）に光学的に取り付けられるように、視野レンズ（８０）が電子表示源（３４）と照明プリズムアセンブリ（９０）との間の光学経路に機械的に位置してもよい。
【００５１】
視野レンズ（８０）を通過した後、ｐ偏光波（３８）は面（９２）を通過し、続いて、偏光ビームスプリッター（１００）を通過する。偏光ビームスプリッタ（１００）は、プリズム（９４）の傾斜した縁面と第２のプリズム（９８）の傾斜した縁面との間に位置する。その後、ｐ偏光波（３８）は、照明プリズムアセンブリ（９０）の第２のプリズム（９８）の光透過面（９６）を通過することによって、照明プリズムアセンブリ（９０）から出力結合される。ｐ偏光波（３８）は、照明プリズムアセンブリ（９０）とは異なる軸に沿って配向されるコリメート光モジュールに入力結合される。異なる軸配向により、コリメート光モジュールに入力結合される照明プリズムアセンブリ（９０）におけるｐ偏光波は、実際には、ｐコリメート光モジュール方向の偏光波である。
【００５２】
図３への参照を続けながら、次に、照明プリズムアセンブリ（９０）の軸配向とは異なる軸配向を有するコリメート光モジュール（１０４）を例示する図４を参照する。コリメート光モジュール（１０４）は、平面の表示源と組み合わされて使用された時に光学系の像面湾曲効果の推進力である１つ以上の光学構成要素（例えば、レンズ（１１２）およびプリズム（１１６、１１８））を含む。したがって、コリメート光モジュール（１０４）の１つ以上の光学構成要素は、光学システムの像面湾曲を定義する光学素子を構成し、その結果、ＬＯＥへの入力において平行ではない光線のビームをもたらす。
【００５３】
コリメート光モジュール（１０４）の第１のプリズム（１１６）の傾斜した縁面とコリメート光モジュール（１０４）の第２のプリズム（１１８）の間に位置する偏光ビームスプリッター（１０６）からの反射に続いて、光波はコリメート光モジュール（１０４）の光透過側面（１０８）を介してコリメート光モジュール（１０４）から出力結合される。その後、光波は４分の１の波長半波長板（１１０）を通過し、反射面（１１３）で構成要素（１１２）（例えばレンズ）によって反射され、４分の１の波長半波長板（１１０）を再び通過し、光透過側面（１０８）を介してコリメート光モジュール（１０４）再び入る。次に、ｐ偏光波は偏光ビームスプリッター（１０６）を通過し、光透過側面（１０８）と反対の光透過側面（１１４）を介してコリメート光モジュール（１０４）から出力結合される。特定の実施形態では、ｐ偏光波は、光波をｓ偏光に変換する半波長板（１２０）を通過する。次に、ｐ偏光波（３８）は対称なＬＯＥに入って、開口拡大を実行する。他の実施形態では、半波長板は存在せず、対称なＬＯＥに入る光波はｐ偏光である。他のさらなる実施形態では、対称なＬＯＥに入る光波の偏光は、コリメート光モジュール（１０４）の軸配向に対する対称的なＬＯＥの軸配向によって決定される。
【００５４】
図３および４への参照を続けながら、次に、対称なＬＯＥの非限定的な実施を示す図５を参照する。非限定的な実施では、対称的なＬＯＥは、図１を参照して記載されたＬＯＥと構造が一般的に類似する２つの同一のＬＯＥからなり、後に明らかになるいくつかの主な違いを有する。対称なＬＯＥの基板は、頂部ＬＯＥに相当する基板（１０Ｔ）の上部および、底部ＬＯＥに相当する基板（１０Ｂ）の下部に細分される。対称なＬＯＥを構成するＬＯＥの各々は、主要な下部面および上部面を含み、すなわち、頂部ＬＯＥは主要な下部面および上部面（１６Ｔ、１８Ｔ）を含み、底部ＬＯＥは主要な下部面および上部面（１６Ｂ、１８Ｂ）を含む。２つのＬＯＥもまた、コリメート光モジュール（１０４）からの光波をそれぞれの頂部および底部（１０Ｔ、１０Ｂ）に結合するそれぞれの入力結合光学装置（２０Ｔ）および（２０Ｂ）を含む。図１で例証されるＬＯＥの記載に反して、頂部および底部（１０Ｔ、１０Ｂ）の縁は、主要な下面および上面（１６Ｔ、１８Ｔ、１６Ｂ、１８Ｂ）に対して垂直であり、入力結合光学装置（２０Ｔ）および（２０Ｂ）は、それぞれの基板部（１０Ｔ、１０Ｂ）内に埋め込まれた部分反射面として実装される。入力結合された光波は、内部全反射によってそれぞれの基板部（１０Ｔ、１０Ｂ）内に補足され、それぞれの選択的な部分反射面（１２Ｔ、１２Ｂ）によって徐々に出力結合される。細分された一部（１０Ｔ、１０Ｂ）は、実際には、別々のＬＯＥとして製造されてもよく、そしてこれらは、２つの基板部（１０Ｔ、１０Ｂ）の接合された面（１２２）を介して取り付けられる。
【００５５】
その後、対称なＬＯＥから出力結合される光波は、図１を参照して記載されるＬＯＥに類似する追加のＬＯＥに入力結合されて、対称なＬＯＥによって実行される開口拡大次元に直交する２次元において開口拡大を受ける。本開示の実施形態の像面湾曲の緩和方法は、考案者の共同所有の米国特許第１０，１３３，０７０および米国特許出願第１５／９７８，１３９に開示されるものなどの他の多次元の開口拡大技術と組み合わされて考えられ、それらの開示は参照によって本明細書に取り込まれる。
【００５６】
ここまで記載されるような光学系は、電子表示源（つまり電子表示源（３４））の一般的な平坦度から生じる像面湾曲の影響を緩和するために１つ以上のレンズとして実装される視野レンズの利用に関係し、他の実施形態は、像面湾曲の影響を緩和するために交替的な技術を利用し、そのような影響の程度を著しく減少させること、あるいは、完全に像面湾曲現象の発生を防ぐことが可能である。そのような一実施形態では、電子表示源（３４）は、例えば、湾曲したＯＬＥＤマイクロディスプレイなどの湾曲した表示源として実装される。湾曲した表示源の曲率は、光学系の像面湾曲に一致する。電子表示源（３４）の一致する曲率は、（湾曲した）電子表示源（３４）が、像面湾曲の影響によって引き起こされる横断する光線（つまり、ＬＯＥに入力結合される光線）の発散または収束を軽減することを可能にする。光学系の像面湾曲は、例えばシミュレーションまたは実験によって決定することができるため、光学系の像面湾曲に一致（または部分的一致）するために必要な湾曲したディスプレイの曲率も決定することができる。湾曲した表示源を利用することによって、画像化される対象（つまり対象面）はもはや平坦ではなく、それゆえ、光学系によって出力された画像を見るときに像面湾曲の影響は除去される。言いかえれば、コリメート光学系、例えば、コリメート光モジュール（５２）または（１０４）からの出射光束（および、同等にＬＯＥへの入射光束）は、平行な光線からなる。
【００５７】
図６は、本開示の実施形態にかかるそのような湾曲した電子表示源（３４）の概略図を例示する。湾曲した電子表示源（３４）は、光波（つまり、光線（３８））を発する画像投影面（３９）を有し、結果として、湾曲した（つまり非平面の）対象面（４１）がもたらされる。図６は、コリメート光学系（例えば、コリメート光モジュール（５２）または（１０４））を介する湾曲した電子表示源（３４）からの光線（３８）の横断をさらに例証し、それは単レンズとして図中に概略的に表される。以上のように、コリメート光学系からの出射光束は平行な光線からなる。
【００５８】
他の実施形態では、湾曲した表示源のみに依拠する場合、像面湾曲の影響が完全に除去されないように、電子表示源（３４）は、光学系の像面湾曲に部分的に一致する曲率を有する湾曲した表示源として実装される。言いかえれば、電子表示源（３４）に部分的に一致する曲率は、（湾曲した）電子表示源（３４）が像面湾曲効果によって引き起こされた横断する光線の発散または収束を部分的に軽減することを可能にする。そのような実施形態では、上述された実施形態の視野レンズと同様に配置された視野レンズは、湾曲した像面湾曲の影響を緩和するために電子表示源（３４）と組み合わせて使用される。そのような実施形態は、視野レンズ（８０）の所要電力を減らすために有利に用いられ、部分的に一致した湾曲した表示源が矯正機能の量を減らす（つまり、少なくなる）につれて、収束する光線あるいは発散する光線を屈折させるために視野レンズ（８０）を用いる必要がある。そのような実施形態において、縮小した矯正機能を有する視野レンズ（８０）は、部分的に光線の発散または収束を軽減することによって、部分的に光学系の像面湾曲を補正する部分的補正像面湾曲を作り出す。部分的補正像面湾曲を作り出すことによって、視野レンズ（８０）は、光学系の像面湾曲の影響を軽減し、それは、光学系が視野レンズ（８０）を含んでいなければ存在するであろう像面湾曲の影響に対して減少される（しかし、依然として存在する）。湾曲した電子表示源（３４）の曲率が光学系の減少した像面湾曲に一致させられて、減少した像面湾曲によって引き起こされた横断する光線の発散または収束を軽減し、それによって、視野レンズ（８０）によって完全には緩和されない像面湾曲の残る影響を緩和する。
【００５９】
本開示の実施形態にかかる光学系は、画像がビュアーの片方の眼に投影される単眼光学系の一部として使用され得る。あるいは、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途およびステレオビジョンシステムにおいてなど、ビュアー両方の眼に画像を投影することが望ましい場合もある。そのような代替形態では、ＬＯＥを有する２つの光学系が用いられ、各光学系が、ビュアーの異なる眼に画像を投影するために配置された視野レンズおよび／または湾曲した表示源、照明プリズムアセンブリ、コリメート光モジュールを有する。例えば、２つの光学系を使用するＨＵＤは、運転ナビゲーションにおける援助を提供するため、または視界不良状況のドライバーの眼に熱画像を投影するために、自動車ドライバーの前に、例えば車両のダッシュボードに統合されて、設置され得る。そのような実施形態では、サーマルカメラが現実世界の場面の熱映像を捕らえるために配置されてもよい。その後、熱映像に対応する光波のＬＯＥへの入力結合を可能とするために、熱映像が電子表示源に提供されてもよい。
【００６０】
上記の実施例で特定の偏波経路が扱われている例については、偏光は交換可能であることに留意されたい。言いかえれば、偏光ビームスプリッタの方向を変更する場合、各ｐ偏光への言及をｓ偏光に置き換えることができ、その逆も同様である。したがって、上述の例において、照明プリズムアセンブリ（３６）およびコリメート光モジュール（５２）、ならびに照明プリズムアセンブリ（９０）およびコリメート光モジュール（１０４）における特定のビームスプリッタの特定的用法は、限定するようには意図されず、本開示の実施形態にかかる光学系の作用をより良く説明するために例示を目的として提供される。
【００６１】
本開示の実施形態の光学系はＬＯＥとして実装される光導波路の文脈内で記載されているが、本開示光学系は、光波を光波透過性基板に入力結合および／または光波透過性基板から出力結合するための回折の技術に依拠する導波路を含む、他のタイプの光導波路技術に適用可能であり得る。例えば、選択的な部分反射面アレイとして出力結合光学装置（１２）を実装する代わりに、出力結合光学装置（１２）は、基板（１０）の主要な下部面（１６）の一部に沿って延びる１つ以上の回折素子として実装することができる。さらなる例として、プリズム（２４）と共に傾斜した縁（２２）として、または斜角に配向された反射面として入力結合光学装置（２０）を実装する代わりに、入力結合光学装置は、平面基板（１０）の主要な下部面（１６）または主要な上部面（１８）のいずれかの一部に沿って延びる回折素子として実装することができる。
【００６２】
本開示の様々な実施形態の記載は例示の目的のために提示されてきたが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定することを意図するものではない。多数の修正および変更が、記載された実施形態の範囲および精神から逸脱することなく当業者に明らかとなるだろう。本明細書においてが使用される用語は、実施形態の原則、市場において発見される技術についての実用化または技術的改良を最もよく説明するために、あるいは当業者が本明細書に開示される実施形態を理解することを可能にするために選ばれた。
【００６３】
本明細書で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に指示しない限り、複数の引用を含む。
【００６４】
「典型的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という単語は、本明細書中で、「実施例、例または例示として役立つ」ことを意味する。「典型的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」と記載される任意の実施形態は、他の実施形態よりも好ましいか、または有利であるものとしては必ずしも解釈されず、および／または、他の実施形態からの特徴の組み込みを必ずしも除外しない。
【００６５】
明確性のために別個の実施形態の内容に記載される本考案の特定の特徴は、単一の実施形態における組み合わせで提供されてもよいことが理解されるべきである。逆に、簡略化のために単一の実施形態の文脈において記載されている本考案の様々な特徴は、別々にもしくは任意の適切な部分的組み合わせ（ｓｕｂｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）で、または本考案の他の実施形態において適切に提供されてもよい。様々な実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作しないということではない限り、それらの実施形態の不可欠な特徴として考慮されない。
【００６６】
本考案は、その特定の実施形態に関連して記載されるが、多くの代替案、変更および変形が当業者に明らかであることが明白である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲内において、そのような全ての代替案、変更および変形が包含されていることが意図される。
【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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