JP2024505820A - リターダ素子を有する２次元拡張用導光光学素子を含む光学系 - Google Patents

Abstract

結合入力領域で入射された画像照明を、ユーザの眼で視認するための眼球運動ボックスに向けるための光学系であって、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、前記ＬＯＥは、第１の配向を有する平面状で、相互に平行な第１のセットの部分反射面を含む第１の領域と、第１の配向と非平行な第２の配向を有する平面状で、相互に平行な第２のセットの部分反射面を含む第２の領域と、第１および第２の領域にわたって延在する１つのセットの互いに平行な主要外面、および第１のセットの部分反射面によって偏向された光の偏光を第２のセットの部分反射面の到達する前に回転させるように、第１の領域と第２の領域との間に配備される光学リターダと、を含む。

Description

現在開示されている主題は、光学系に関し、より詳細には、２次元画像拡張のために構成された導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学系に関するものである。

近年、ニアアイディスプレイシステムとして総称されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）や拡張現実（ＡＲ）メガネなどの「スマート」アイウェアの消費者における需要が高まっている。したがって、この急速に発展する技術分野において、より小型および軽量でありながら、比較的大きな視野（ＦＯＶ）を提供し、明るく高品質な画像を生成する光学系へのニーズが高まっている。

既知の光学システムの中には、導波路（本明細書では「ライトガイド」、「ライトガイド光学素子」または「ＬＯＥ」とも呼ばれる）を用いて、１セット以上の部分反射性内面（「ファセット」）が埋め込まれた基板に沿って画像を伝播させることにより入力画像を拡大するものがある。この種の光学系の公知の問題の１つは、非平行なファセットからの部分反射の間の偏光不整合によって、微量の光が失われるということである。

現在開示されている主題の１つの態様によれば、結合入力領域で入射された画像照明を、ユーザの眼で視認するための眼球運動ボックスに向けるための光学系が提供され、前記光学系は、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を含み、ＬＯＥは、第１の配向を有する平面状で、相互に平行な第１のセットの部分反射面を含む第１の領域と、第１の配向に非平行な第２の配向を有する平面状で、相互に平行な第２のセットの部分反射面を含む第２の領域と、相互に平行な主要外面のセットであって、前記主要外面が、第１のセットの部分反射面と第２のセットの部分反射面の両方が、主要外面の間に位置するように、第１と第２の領域にわたって延在する、前記相互に平行な主要外面のセットと、を備え、第２のセットの部分反射面は、前記主要外面における内部反射により前記ＬＯＥ内で第１の領域から第２の領域内へ伝播する画像照明の一部が、前記ＬＯＥから前記眼球運動ボックスに向かって結合出力するように、前記主要外面に対して斜角にあり、および第１のセットの部分反射面は、前記主要外面における内部反射により前記ＬＯＥ内で前記結合入力領域から伝播する画像照明の一部が、第２の領域に向かって偏向されるように、配向され、前記ＬＯＥは、第１のセットの部分反射面によって偏向された光の偏光を、第２のセットの部分反射面に到達する前に回転させるように、第１の領域と第２の領域の間に配備された光学リターダをさらに含む。

いくつかの態様によれば、光学系は、画像照明が１セットの主要外面での内部反射によって１次元に閉じ込められるように、画像照明をＬＯＥの結合入力領域に入射するようにＬＯＥに光学的に結合された小型画像プロジェクタ（ＰＯＤ）を含む。

いくつかの態様によれば、ＰＯＤは、画像照明が２次元の角度視野に対応する角度範囲に及ぶように、無限遠にコリメートされたコリメート画像を生成するように構成される。

いくつかの態様によれば、第１のセットの部分反射面は、ＬＯＥの主要外面に対して直交するように配向される。

いくつかの態様によれば、画像照明と画像照明の共役の両方が、第２の領域に偏向される。

いくつかの態様によれば、第１のセットの部分反射面は、ＬＯＥの主要外面に対して斜めに配向される。

いくつかの態様によれば、画像照明または画像照明の共役のいずれかが、第２の領域に偏向される。

いくつかの態様によれば、第１のセットの部分反射面は、画像照明が第１の次元で拡張を受けるように、第１の領域内で伝播する画像照明の割合を連続的に反射する。

いくつかの態様によれば、第２のセットの部分反射面は、画像照明が第２の次元で拡張を受けるように、第２の領域内で伝播する画像照明の割合を連続的に反射する。

いくつかの態様によれば、第１の領域は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の一方における開口拡大を達成するように構成され、第２の領域は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の他方における開口拡大を達成するように構成される。

いくつかの態様によれば、第１および第２のセットの部分反射面は、所定の角度範囲にわたって内部表面に衝突する光を反射するように構成された誘電体薄膜コーティングでコーティングされた内部表面として実装される。

いくつかの態様によれば、リターダは、主要外面に対して実質的に垂直に主要外面の間に延びるように、ＬＯＥ内に配備される。

いくつかの態様によれば、リターダは、主要外面に対して斜角で主要外面の間に延びるように、ＬＯＥ内に配備される。

いくつかの態様によれば、リターダは、主要外面に対して実質的に平行に配向されるように、ＬＯＥ内に配備される。

いくつかの態様によれば、リターダは、主要外面の１つに実質的に隣接して配向される。

本発明を理解し、実際にどのように実施できるかを見るために、実施形態を、非限定的な実施例として、添付の図面を参照して説明するものとする：
図１Ａ－図１Ｄは、先行技術による２次元画像拡大のためのＬＯＥを使用したニアアイディスプレイシステムの実施例を示し、 図１Ａ－図１Ｄは、先行技術による２次元画像拡大のためのＬＯＥを使用したニアアイディスプレイシステムの実施例を示し、 図１Ａ－図１Ｄは、先行技術による２次元画像拡大のためのＬＯＥを使用したニアアイディスプレイシステムの実施例を示し、 図１Ａ－図１Ｄは、先行技術による２次元画像拡大のためのＬＯＥを使用したニアアイディスプレイシステムの実施例を示し、 図２Ａ－図２Ｂは、先行技術による図１Ａ－図１ＢのＬＯＥの拡大図を示し、 図２Ａ－図２Ｂは、先行技術による図１Ａ－図１ＢのＬＯＥの拡大図を示し、 図３は、Ｓ－偏光状態とＰ－偏光状態における、ある入射角の光線の反射率特性を示し、 図４は、開示された主題の一実施形態による、リターダが埋め込まれたＬＯＥを示し、 図５Ａ－図５Ｅは、開示された主題の実施形態による、ＬＯＥを有するリターダ４０の様々な構成を示し、 図６Ａ－図６Ｃは、光学偏光リターダの公知の製造方法を示し、 図６Ａ－図６Ｃは、光学偏光リターダの公知の製造方法を示し、 図６Ａ－図６Ｃは、光学偏光リターダの公知の製造方法を示し、 図７Ａ－図７Ｄは、開示された主題の実施形態による、埋め込みリターダを有するＬＯＥの製造方法の一実施例を示し、 図８Ａ－図８Ｅは、開示された主題の別の実施形態による、埋め込みリターダを有するＬＯＥの製造方法の一実施例を示し、および 図９Ａ－図９Ｂは、埋め込みリターダを有する回折ＬＯＥの一実施例を示す。

以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体例の詳細を説明する。しかしながら、当業者には、現在開示されている主題が、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解されるだろう。他の実施例では、既知の方法、手順、および構成要素は、開示された主題を不明瞭にしないように詳細に記載されていない。

背景として、画像拡大のために導波路を使用するニアアイディスプレイは、典型的には、導波路の平行な外面間の全内部反射（ＴＩＲ）によって画像を伝播させる透明基板からなる導波路に画像を入射するプロジェクタを含むか、それに結合される。導波路内に埋め込まれた部分反射性内面などの光学要素は、１次元導波路の場合は視聴者に向けて、２次元導波路の場合は第２の導波路に向けて画像を方向転換する。後者の場合、第２の導波路がＴＩＲを介して再び第１の導波路と直交する軸に沿って画像を伝播させ、画像を２次元に拡大することができる。第２の導波路に埋め込まれたファセットは、拡大された画像を視聴者に向けて結合出力させる。

本開示は、結合出力方法として主に部分反射面に関するものであるが、図９Ａ－図９Ｂを参照して以下に詳述するように、本明細書に記載した技術は、適切な修正により他の光結合出力要素（例えば回折要素または反射要素と回折要素の組み合わせ等）を採用する導波路にも同様に適用できることに留意されたい。同様に、本開示は、主に２次元画像拡張のために構成された導波路に主に関するものであるが、本明細書に開示の技術はまた、当業者に知られているだろう適切な修正により１次元導波路にも適用することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、ＬＯＥ１２がその中に配備され得る、一般に１０と指定されるニアアイディスプレイの形態の公知のデバイスの実施例示的な実装を概略的に示す。ニアアイディスプレイ１０は、ＬＯＥ１２に画像（本明細書では「画像照明」ともいう）を入射させ、画像光がＬＯＥ１２の一連の互いに平行な平面外面での内部反射によって一次元に閉じ込められるように、ＬＯＥ１２に光学的に結合した小型画像プロジェクタ（または「ＰＯＤ」）１４を使用する。光は、互いに平行であり、かつ画像光の伝播方向に対して斜めに傾斜したファセットの１つのセットに衝突し、各連続ファセットは、基板内に閉じ込められ／内部反射によって誘導されてもいる、ある割合の画像光を偏向方向に偏向させる。この第１のセットのファセットは、図１Ａおよび図１Ｂには個別に示されていないが、領域１６と示されたＬＯＥの第１の領域に位置する。この連続ファセットにおける部分反射は、第１の次元の光学的開口拡大を達成する。

いくつかの実施形態では、前述のファセットのセットは、基板の主要外面に対して直交している。この場合、入射画像と、領域１６内を伝播するときに内部反射を受けるその共役体との両方が、偏向され、偏向方向に伝播する共役画像となる。他の実施形態では、第１のセットのファセットは、ＬＯＥの主要外面に対して斜めに角度がつけられる。後者の場合、入射画像またはその共役体のいずれかが、ＬＯＥ内を伝播する所望の偏向画像を形成し、一方で、他の反射は、例えば、反射が必要とされない画像によって提示される入射角範囲に対してそれらを比較的透明にする角度選択的コーティングをファセットに使用することによって、最小化され得る。

第１のセットのファセットは、画像照明を、全内部反射（ＴＩＲ）によって基板内に閉じ込められる第１の伝播方向から、やはりＴＩＲによって基板内に閉じ込められる第２の伝播方向に偏向する。次いで、偏向された画像照明は、隣接する別個の基板として、または単一の基板の延長部として実装され得る第２の基板領域１８に入り、その中では、結合出力配置（部分反射ファセットのさらなるセットまたは回折光学素子）が、眼球運動ボックスとして画定される領域内に位置する観察者の眼に向かって、ある割合の画像照明を次第に結合出力し、それによって、光学的開口拡大の第２の寸法が達成される。

デバイス１０全体は、各眼に対して別々に実装されてもよく、好ましくは、各ＬＯＥ１２がユーザの対応する眼に対向する状態で、ユーザの頭部に対して支持される。ここに示されたような１つの特に好ましい選択肢では、支持構成は、ユーザの耳に対してデバイスを支持するための側部２０を有する眼鏡フレームとして実装される。ヘッドバンド、サンバイザ、またはヘルメットから吊り下げられたデバイスを含むがそれらに限定されない、他の形態の支持構成も使用され得る。

本明細書では、図面および特許請求の範囲において、ＬＯＥの第１の領域の一般的な延在方向において水平（図１Ａ）または垂直（図１Ｂ）に延在するＸ軸、およびそれに垂直に、すなわち図１Ａでは垂直に、図１Ｂでは水平に、延在するＹ軸が参照される。

非常に大まかに言えば、ＬＯＥ１２の第１の領域１６は、Ｘ方向の開口拡大を達成すると見なされ得、一方で、ＬＯＥ１２の第２の領域１８は、Ｙ方向の開口拡大を達成する。図１Ａに示されたような配向は、ＬＯＥの主部（第２の領域）に入る画像照明が上縁部から入る「トップダウン」実装態様と見なされ得、図１Ｂに示された配向は、ここではＹ軸と称される軸が水平に展開されている、「サイド入射」実装態様と見なされ得ることに留意されたい。残りの図面において、本発明の特定の実施形態の様々な特徴は、トップダウン配向またはサイド入射のいずれかの文脈で図示されるが、それらの特徴のすべてが両方の実施形態に等しく適用可能であることを理解されたい。

本発明のデバイスで使用されるＰＯＤは、好ましくは、コリメート画像、すなわち、各画像画素の光が、画素位置に対応する角度方向で、無限遠にコリメートされた平行ビームである画像を生成するように構成される。したがって、画像照明は、二次元の視野角に対応する角度範囲に及ぶ。

画像プロジェクタ１４は、典型的にはＬＣＯＳチップなどの空間光変調器を照明するために配備された、少なくとも１つの光源を含む。空間光変調器は、画像の各画素の投影強度を変調し、それによって、画像を生成する。代替的に、画像プロジェクタは、（典型的にはマイクロＬＥＤアレイまたはＯＬＥＤアレイを使って実装される）、または走査配置（典型的には高速走査ミラーを使って実装される）ＬＥＤのアレイを含むことができ、プロジェクタの画像平面を横切ってレーザ光源からの照明を走査しながら、ビームの強度が動きと同期して画素単位で変化し、それによって各画素に所望の強度を投影する。どちらの場合も、無限遠にコリメートされる出力投影画像を生成するために、コリメート光学系が設けられる。上記構成要素のいくつかまたはすべては、典型的には、当技術分野で周知であるように、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブまたは他のプリズム構成の表面上に配置される。

ＬＯＥ１２への画像プロジェクタ１４の光学結合は、ＬＯＥの側縁部および／または主要外面のうちの１つを介して、例えば斜めに角度付けられた入力面を有する結合プリズムを介してまたは反射結合構成を介してなど、任意の好適な光学結合によって達成され得る。結合入力構成の詳細は、本発明にとって重要ではなく、ここでは、ＬＯＥの主要外面のうちの１つに適用される非限定的な実施例であるウェッジプリズム１５として概略的に示されている。

ニアアイディスプレイ１０は、典型的には小さな搭載電池（図示せず）または何らかの他の好適な電源からの電力を採用して、典型的には画像プロジェクタ１４を作動させるためのコントローラ２２を含む、様々な追加の構成要素を含むことが理解されるだろう。コントローラ２２は、当技術分野ですべて公知であるように、画像プロジェクタを駆動するための少なくとも１つのプロセッサまたは処理回路などのすべての必要な電子部品を含むことが理解されるだろう。

図１Ｃ－図１Ｄは、３種類の組み込み素子の既存のニアアイディスプレイシステム１０の他の実施例を模式的に示す。図１Ａ－図１Ｂと同様に、プロジェクタ（ＰＯＤ）１４は、ＬＯＥ１２に画像を入射させ、このとき、光はＴＩＲによって、ＬＯＥの２つの平行な主要外面の間にある領域に一次元的に閉じ込められる。画像の光線は、領域１６ａおよび１６ｂにある互いに平行な２つのセットのファセットのうちの１つで反射されるまで、導波路内をある角度配向に伝播する。この２つの相互に平行なファセットは、光線を異なる角度配向に方向転換させ、またＴＩＲによってＬＯＥの２つの平行な主要面の間にある領域に一次元的に閉じ込められる。その後、光線は、ＬＯＥに入射されたときにそれらの元の配向に戻るように、領域１６ａおよび１６ｂのファセットによってそれぞれ２回目に反射される。最後に、光線は、入射された画像がＬＯＥから結合出力され、観察者の目が位置する眼球運動ボックスに向かって伝播されるように、光線を方向転換させる領域１８の相互に平行なファセットの第３のセットによって反射される。

ここで、図２Ａを参照すると、ニアアイディスプレイの実施態様の光学的特性がより詳細に例示されている。具体的には、第１の配向を有する平面状で、相互に平行な第１のセットの部分反射面１７を含む第１の領域１６と、第１の配向に非平行である第２の配向を有する平面状で、相互に平行な第２のセットの部分反射面１９を含む第２の領域１８とを含む、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）１２のより詳細な図が示されている。相互に平行な主要外面２４のセットが、第１のセットの部分反射面１７および第２のセットの部分反射面１９の両方が主要外面２４の間に位置するように、第１および第２の領域１６および１８にわたって延在している。最も好ましくは、主要外面２４のセットは、第１および第２の領域１６および１８の全体にわたって各々連続する一対の表面であるが、領域１６と領域１８との間の厚さのセットダウンまたは逓増を有する選択肢もまた、本発明の範囲内にある。領域１６および１８は、境界で会合するように直接並置されてもよく、境界は、直線境界もしくは何らかの他の形の境界であり得、または、特定の用途に応じて、様々な追加の光学的もしくは機械的機能を提供するために、それらの領域の間に介在させた１つ以上の追加のＬＯＥ領域が存在してもよい。本発明は任意の特定の製造技術に制限されるものではないが、特定の特に好ましい実装態様では、別個に形成された領域１６および１８がそれらの間に挟まれて複合ＬＯＥ構造を形成する連続外部プレートを採用することによって、特に高品質の主要外面が達成される。

ＬＯＥの光学特性は、画像照明経路を逆行してトレースすることによって理解され得る。第２のセットの部分反射面１９は、主要外面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を第１の領域１６から第２の領域１８内へ伝播する画像照明の一部が、ＬＯＥから眼球運動ボックス２６に向かって結合出力されるように、主要外面２４に対して斜角にある。第１のセットの部分反射面１７は、主要外面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を結合入力領域（結合プリズム１５）から伝播する画像照明の一部が第２の領域１８に向かって偏向されるように配向されている。

画像プロジェクタ１４からの投影画像の角度広がりの１つの次元は、図２Ａでは、ＬＯＥの右側のＰＯＤ開口部からＬＯＥの左側に向かって広がる（主要外面２４の平面に投影される）円錐の照明によって表されている。ここに示された非限定的な実施例では、ＰＯＤの中心光軸は、Ｘ軸に整列されたＬＯＥ内の伝播方向を規定し、（ＬＯＥ内の）角度広がりは、およそ±１６°である。（屈折率の変化により、ＦＯＶ角は空気中でより大きくなることに留意されたい。）第１のセットの部分反射面１７は、第１の領域１６に示され、第２のセットの部分反射面１９は、第２の領域１８に示されている。

ニアアイディスプレイは、眼球運動ボックス（ＥＭＢ）２６（すなわち、眼の瞳孔が投影画像を見るであろうＬＯＥの平面から離れた、典型的には長方形として表される形状）によって指定される、許可された位置範囲内の、ある位置に位置するユーザの眼に、投影画像の全ＦＯＶを提供するように設計されている。眼球運動ボックスに到達するために、光は、第２のセットの部分反射面１９によって、第２の領域１８からＥＭＢ２６に向かって結合出力されなければならない。全画像視野を提供するために、ＥＭＢ内の各点は、全角度範囲の画像をＬＯＥから受け取らねばならない。ＥＭＢから視野を逆追跡することは、関連する照明がＬＯＥからＥＭＢに向かって結合出力されるより大きな長方形２８を示唆する。

図２Ａは、投影画像の左下画素に対応する、視野の第１の末端部を示す。ＬＯＥ内に結合されるときのプロジェクタの光学開口に対応する幅のビームは、ＰＯＤから左上向きに伝播し、一連の部分反射面１７から部分反射されることが示されている。ここに示されているように、サブセットのファセットのみが、ユーザによって目視される画像内の対応する画素を提供するのに有用な反射を生成し、それらのファセットのサブ領域のみが、この画素の観察画像に寄与する。関連領域は、黒の太線によって示されており、ファセット１７から反射され、次いで、ファセット１９によって結合出力されて、ＥＭＢ２６の４つの角に到達する、方向転換された画像内のこの画素に対応する光線が示されている。

ここで、および説明全体を通じて、光線の平面内伝播方向のみを、ここではＬＯＥ内の伝播中で、示すが、光線は、実際には、２つの主要外面から繰り返される内部反射のジグザグ経路をたどり、１つの次元全体の画像視野が、Ｙ次元の画素位置に対応する、主要外面に対する光線の傾斜角度によって符号化されることに留意されたい。１つの追加実施例として、ＥＭＢの左上角に見られるような、画像の左上末端部に対応する、偏向および結合出力された光線が、破線で示されている。図２Ｂは、図２ＡのＬＯＥを９０度回転させ、ＬＯＥの視覚化を助けるために、図２Ａから光線と眼球運動ボックスを取り除いた状態を模式的に示している。

ファセット１７および１９は、部分反射性コーティング、好ましくは誘電体薄膜コーティングでコーティングされた内部表面として実装され、所定の角度範囲にわたって表面に衝突する光を部分的に反射するように特に設計され、各角度は所定のフィールドと関連し、角度範囲はそれによって投影画像の全ＦＯＶと関連付けられる。ファセットに衝突する光は、照明源によって決定される比較的広い波長スペクトルにわたる異なる波長の光を含むことに留意されたい。さらに、一般的に言って、入射される画像は偏光していても非偏光していてもよく、それぞれの場合にファセットコーティングはそれに応じて設計されなければならないことに留意されたい。例えば、入射画像が非偏光（すなわち、ｐ偏光とｓ偏光の両方を含む）の場合、ｐ偏光とｓ偏光の両方の光線の反射の影響を考慮したコーティングが設計される必要がある。

定義上、光の偏光状態は、その光線が衝突する面の法線に対して、特定の光線の角度配向（すなわち、フィールドｋ－ベクトル、平面波の配向）に応じて定義される。したがって、偏光入射光線は、ある表面と比較してある偏光状態を有し、異なる表面と比較して別の偏光状態を有してもよい。したがって、多くの面を持つ光学系内を光が伝播するとき、衝突した光線の偏光状態は、入射した光線の方向とその光線が衝突する面の角度配向に従って定義されることが明らかである。図２Ａから明らかなように、光がニアアイディスプレイを伝播するとき、光は平行な外面（ここでは「面」とも呼ばれる）２４、第１のセットのファセットおよび第２のセットのファセットに衝突し、これらの各々は互いに相対して異なる角度配向を有する。したがって、あるフィールドに関連する偏光線は、ＬＯＥ面２４に相対する第１の偏光状態、ファセット１７に相対する第２の偏光状態、ファセット１９に相対する第３の偏光状態を有すると表現することができる。表面に対する光線の偏光状態は、その表面からの光線の反射率に影響を与えるため、理想的には、ファセット１７の部分反射コーティングは、ファセットの各セットで十分に高い反射率を達成するために、ファセット１９の部分反射コーティングとは異なる方法で設計する必要がある。さらに、ある偏光や角度範囲において必要な光学特性を持つ光学コーティングを設計することは、極めて困難であることが多い。例えば、ブリュースター角付近のｐ－偏光に対して高反射率のコーティングを設計することは、可能であるとしても極めて困難である。したがって、第１および第２のセットのファセット１７および１９の間の照明光の偏光不整合は、特定のコーティング要件の実現可能性を制限し、初期の偏光状態について妥協を強いる可能性がある。さらに、ＬＯＥ１２に沿った任意の点における主要外面２４に対する偏光状態がｓ偏光とｐ偏光の組み合わせである場合、偏光はＴＩＲ時に回転し、異なるファセットからの、異なるフィールドに対する光の反射率に著しい差異が生じ、出力画像においてしばしば黒線をもたらす場合がある。

上述のように、既存のＬＯＥの欠点は、入光の偏光がＬＯＥの異なる領域で異なり、異なるセットのファセットに対して、およびＬＯＥの主要外面に対して異なる可能性があることである。このため、入射画像の主要面に対する偏光が「不純」に導いてしまうことがよくある。ＴＩＲはｓ－偏光とｐ－偏光に異なる位相を誘起するため、ＬＯＥ内を光が伝播する際に入射画像の偏光が回転して変化することがある。そのため、ファセットの薄い光学コーティングの設計が著しく複雑になり、出力効率が低下したり、投影される出力画像に局所的または全体的な不均一性が生じたりする可能性がある。

また、前述のように、ある光線が表面に衝突したときの反射率は、その光線の表面に対する偏光状態に応じて変化する。図３は、第１および第２のファセットに対する例示的なコーティング設計の入射角の関数としての反射率を示す。明らかなように、ブリュースター角付近ではｐ－偏光の反射率がゼロになる。このため、通常、ディスプレイを伝播する光は、最大効率とコーティング設計の簡略化のために、ファセット１７および１９に対してｓ－偏光、または少なくとも大部分がｓ－偏光であることが好ましい。

そこで、本発明者らは、２次元拡張用に構成されるＬＯＥを用いたニアアイディスプレイシステムの効率性と簡便性を、第１のセットのファセットと第２のセットのファセットの間で伝播する光の偏光を回転させて、両セットのファセットに対して常にｓ－偏光（または少なくとも大部分がｓ－偏光）とすることにより、改善できることを見出した。なお、「効率」とは、最初にニアアイディスプレイシステムに結合入力されたより多くの投影光が視聴者に向けて反射され、その結果、より明るくおよび／またはより均一な出力画像が得られることを意味する。

図４は、図２Ｂに示したものと同様のＬＯＥの一実施例を模式的に示しているが、ここでは、ファセット１７（示された実施例では、外面に直交している）とファセット１９との間の光路に沿って配置され、ファセット１７からの反射後およびファセット１９からの反射前に光の偏光を回転させるように構成されている光学リターダ４０を含む。したがって、ＬＯＥに入力された光がファセット１７に対してｓ－偏光していると仮定すると、ファセット１７からの反射後、光はファセット１９に対して大部分がｐ－偏光していることになる。その後、リターダ４０は、光がファセット１９に対してｓ－偏光（または少なくとも大部分がｓ－偏光）になるように偏光を回転させる。今ファセット１７と１９は両方とも各セットのファセットのそれぞれの表面に対してｓ－偏光を反射するので、コーティングの設計を別途考慮する必要はない。さらに、リターダにより、導波路内部を伝播する光は主要外面に比較してほぼ純偏光であるため、導波路内部を伝播する光がＴＩＲにより偏光が回転することがない。以下でさらに詳述するように、リターダ４０は、半波長板を含むがこれに限定されない様々な方法で実装することができる。

図５Ａ－図５Ｅに示されるように、リターダ４０は、ＬＯＥ内の様々な可能な場所に物理的に配置され、様々な異なる角度で配向され得る。例えば、図５Ａに示すように、リターダは、ＬＯＥの厚さ（図面ではｚ－軸）にわたって、平行な面の間に延び、ＬＯＥの面に対してほぼ垂直に配向させることができる。図５Ｂは、リターダ４０がＬＯＥの面に対して斜めに、かつファセット１９に対して非平行に配向されている別の構成を示している。図５Ｃは、リターダ４０がファセット１９に平行に配向している更なる構成を示している。

図５Ｄは、リターダ４０がＬＯＥの面に平行に配向され、物理的に面の間のある点に位置する、さらに別の構成を示し、これは面の間の中間点であってもよいが、必ずしもそのように限定されるものではない。最後に、図５Ｅは、リターダ４０がディスプレイの面に対して平行に配向され、物理的に面の１つに隣接して位置する、さらに別の構成を示している。

すべての場合において、ファセット１７から反射された光のすべて、または実質的にすべてが、ファセット１９によって反射される前にリターダを通過するように、リターダのサイズ、位置、および／または角度が決定されるべきであることに留意されたい。

さらに、リターダが果たす機能は、これまで光の偏光を回転させるだけと記載してきたが、場合によっては、リターダが追加の機能も果たすことが望ましい場合があることに留意されたい。例えば、図５Ｄに示す構成を参照すると、リターダ４０は、５０％の反射率を有するコーティングを含むことができる。これにより、リターダ４０が追加的に「ミキサー」として機能し、伝播した光線を混合することで、出力画像の強度均一性を向上させることができる。ミキサー素子を埋め込んだニアアイディスプレイは以前、ＰＣＴ公開ＷＯ２０２１００１８４１Ａ１に記載されている。

リターダ４０は、半波長板、またはコーティングされた内面として含むが、これに限定されない様々な方法で実装することができる。好適なコーティングとしては、例えば、誘電体、複屈折、薄膜ポリマー、結晶性リターダ、幾何学的位相格子リターダ等が挙げられる。図５Ｃに示す構成のように、いくつかの実施形態では、リターダは、第２のセットのファセットにおける第１のファセットに適用されるコーティングとして実装することができる。

次に、図６Ａ－図８Ｅを参照しながら，リターダ素子を有するＬＯＥの例示的な製造方法について説明する。

図６Ａ－図６Ｃは、ＬＯＥ内での展開に適した光リターダを製造するための既知の方法を模式的に示されている。図６Ａでは、例えば、石英などの結晶性材料からリターダを製造する。透明基板４１には、複屈折材料から作られる第１の透明結晶板４２が接着されている。基板４１は、好ましくは、ＬＯＥと同じ材料で作られる。その後、複屈折材料が必要な厚さに達成するまで、例えば、両面研磨などで結合構造を薄くする。図６Ｂ－図６Ｃは、誘電体コーティング（均質または非均質）を基板４１上にコーティングする方法（図６Ｂ）、または多結晶薄膜を基板４１に接着する方法（図６Ｃ）のいずれかによって、リターダを製造することができる代替方法を示している。

次に、公知の方法に従って、第２のセットのファセットを組み込んだＬＯＥ領域を形成する。図７Ａは、一連の平坦で透明なコーティングされたプレート３８を積層して接着し、プレートの平坦な表面に対して平行な斜めの面に沿って積層をスライスすることによってＬＯＥ領域１８を形成することを模式的に示す（図７Ａ）。その後、スライスを研磨して複数のＬＯＥ領域１８を形成する（図７Ｂ）。領域１６も同様に形成することができる。

リターダを含む最終的なＬＯＥ構造を形成するために、２つの代替方法が提案されている。図７Ｃ－図７Ｄは、単一のリターダ要素を、片側の単一のＬＯＥ領域１６と反対側の単一のＬＯＥ領域１８（図７Ｃ）に接着して最終ＬＯＥ（図７Ｄ）を形成する第１の方法を示している。

第２の方法は、図８Ａ－図８Ｂに示すように、複数のＬＯＥ領域１８を積層して接着し（図８Ａ）、積層体１８’の厚さにまたがるリターダ要素を積層体の端部に接着する（図８Ｂ－図８Ｃ）というものである。次に、図８Ｄ－図８Ｅに示すように、形成されたがスライスされていない複数のＬＯＥ領域１６（すなわち、ＬＯＥ領域１６の製造の中間段階で製造されるもの）を表す材料のブロック１６’をリターダ要素の反対側に接着し、組み合わせたブロックを複数のＬＯＥ（図８Ｅ）にスライスし、それぞれが２つのセットのファセットの間に埋め込まれたリターダを含む。

上記の代替方法のそれぞれにおいて、最終的なＬＯＥは、面間の正確な平行度のために、両面の成形および研磨が必要となる場合がある。いくつかの実施形態では、当該技術分野で知られているように、透明なカバープレートが面に接着されることがある。

本発明は、これまで、主に部分的に反射する内部表面に基づくＬＯＥの文脈で本明細書に記載されてきたが、本発明の原理はまた、光開口の拡大および／または導波路から観察者に向かう画像照明の結合出力の寸法の一方または両方を達成するために回折光学素子（ＤＯＥ）を使用する導光光学素子においても有利に実装できることも理解されるだろう。

非限定的な実施例として、図９Ａ－図９Ｂは、回折導波路を用いて実装された、結合入力領域で入射された画像照明を、ユーザの眼で視認するために眼球運動ボックスに向けるための光学システムの実施形態の実施例を示している。光学系は、透明材料から形成され、第１のＤＯＥ２７を含む第１の領域、第２のＤＯＥ２９を含む第２の領域、および１つのセットの互いに平行な主要外面２４を含むＬＯＥ１２を含む。主要外面は、第１のＤＯＥ２７および第２のＤＯＥ２９の両方が主要外面２４の間に位置するように、第１および第２の領域にわたって延在する。図９Ａに示す実施例では、画像照明は、第１の領域の一端に入射し、１つ以上のＤＯＥ２７によって第２の領域に偏向されるまで、第１の領域の長さに沿って一方向に伝播するところを伝播する。図９Ｂの実施例では、画像照明は第１の領域の中央部に入射し、２つ以上のＤＯＥ２７ａ、２７ｂによって第２の領域に偏向されるまで反対方向に伝播される。いずれの場合も、画像照明は、１つ以上のＤＯＥ２９によって、第２の領域から眼球運動ボックス（示さず）へ結合出力される。

図９Ａ－図９Ｂに示されるように、ＬＯＥは、第２のＤＯＥ２９に到達する前に第１のＤＯＥ（すなわち、図９Ａの場合のＤＯＥ２７、および図９Ｂの場合のＤＯＥ２７ａ、２７ｂ）により偏向された光の偏光を回転させるように第１の領域と第２の領域との間に配備される光リターダ４０をさらに含む。

いくつかの実施形態において、第１および第２のＤＯＥの各々は、実際には、ＤＯＥの組として実装され得ることに留意されたい。その場合、「第１のＤＯＥ」は、第１の組のＤＯＥを含むと理解されるべきであり、「第２のＤＯＥ」は、第２の組のＤＯＥを含むと理解されるべきである。

ＤＯＥの非限定的な実施例としては、例えば、表面グレーティングおよび／または体積グレーティング（例えば、ホログラフィックグレーティング）を含む。いくつかの実施形態（示さず）において、ＬＯＥは、第１および第２の領域のうちの１つにおけるＤＯＥと、第１および第２の領域のうちの他の１つにおけるファセットとを含み得る。例えば、第１の領域はＤＯＥを含み得る一方で、第２の領域はファセットを含むか、あるいは、第１の領域はファセットを含み得る一方で、第２の領域はＤＯＥを含む。回折型ＬＯＥは、まず、上述の公知の方法のいずれかを用いて埋め込みリターダなしの導波路を製造し、次に、導波路にホログラフィックグレーティング構造を「書き込む」ことによって作製できることを理解されるべきである。

ファセットを有するＬＯＥの文脈で図４を参照して上述した埋め込みリターダは、当業者に知られているように、必要に応じて適切な修正を加えて、領域１６または１８に「部分」ファセットを有するＬＯＥ（例えば、ＷＯ２０２０／０４９５４２Ａ１にさらに詳細に記載されているように）などの他の形態のＬＯＥにも使用できることが理解されるべきである。

本発明は、その用途において、本明細書に含まれる説明に記載された、または図面に示された詳細に限定されないことが理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実践かつ実施できる。したがって、本明細書で用いられている表現法及び用語法は、説明のためのものであり、限定するものであると見なされるべきではないことを理解されるものとする。このように、当業者は、本開示が基づいている着想が、現在開示されている主題のいくつかの目的を遂行するための他の構造、方法、およびシステムを設計するための基礎として容易に利用され得ることを理解するだろう。

Claims (16)

1. 結合入力領域に入射された画像照明を、ユーザの眼で視認するための眼球運動ボックスに向けるための光学系であって、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、前記ＬＯＥは、
   第１の配向を有する平面状で、相互に平行な第１のセットの部分反射面を含む第１の領域と、
   第１の配向と非平行な第２の配向を有する平面状で、相互に平行な第２のセットの部分反射面を含む第２の領域と、
   相互に平行な主要外面のセットであって、前記第１のセットの部分反射面および前記第２のセットの部分反射面の両方が、空隙を介在させることなく前記主要外面の間に位置するように、前記主要外面が前記第１および前記第２の領域にわたって延在する、相互に平行な主要外面のセットと、を備え、
   前記第１の領域から前記第２の領域への前記主要外面での内部反射による前記ＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部が、前記ＬＯＥから前記眼球運動ボックスに向かって結合出力されるように、前記第２のセットの部分反射面が、前記主要外面に対して斜角にあり、
   前記第１のセットの部分反射面は、前記主要外面での内部反射によって、前記ＬＯＥ内を前記結合入力領域から伝播する画像照明の一部が前記第２の領域に向かって偏向されるように配向され、
   前記ＬＯＥは、前記第１のセットの部分反射面によって偏向された光の偏光を、前記第２のセットの部分反射面に到達する前に回転させるように、前記第１の領域と前記第２の領域との間に配備される光学リターダをさらに含む、光学系。
2. 前記画像照明が前記１つのセットの主要外面での内部反射によって１次元に閉じ込められるように、前記画像照明を前記ＬＯＥの前記結合入力領域に入射するように、前記ＬＯＥに光学的に結合された小型画像プロジェクタ（ＰＯＤ）をさらに含む、請求項１に記載の光学系。
3. 前記ＰＯＤは、前記画像照明が２次元の角度視野に対応する角度範囲に及ぶように、無限遠にコリメートされたコリメート画像を生成するように構成される、請求項２に記載の光学系。
4. 前記第１のセットの部分反射面は、前記ＬＯＥの主要外面に対して直交するように配向される、請求項１に記載の光学系。
5. 前記画像照明と前記画像照明の共役の両方が、前記第２の領域に偏向される、請求項４に記載の光学系。
6. 前記第１のセットの部分反射面は、前記ＬＯＥの主要外面に対して斜めに配向される、請求項１に記載の光学系。
7. 前記画像照明または前記画像照明の共役のいずれかが、前記第２の領域に偏向される、請求項６に記載の光学系。
8. 前記第１のセットの部分反射面は、前記画像照明が第１の次元で拡張を受けるように、前記第１の領域内で伝播する前記画像照明の割合を連続的に反射する、請求項１に記載の光学系。
9. 前記第２のセットの部分反射面は、前記画像照明が第２の次元で拡張を受けるように、前記第２の領域内で伝播する前記画像照明の割合を連続的に反射する、請求項１に記載の光学系。
10. 前記第１の領域は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の一方における開口拡大を実現するように構成され、前記第２の領域は、前記Ｘ軸方向または前記Ｙ軸方向の他方における開口拡大を実現するように構成される、請求項１に記載の光学系。
11. 前記第１および第２のセットの部分反射面は、所定の角度範囲にわたって内部表面に衝突する光を反射するように構成された誘電体薄膜コーティングでコーティングされた内部表面として実装される、請求項１に記載の光学系。
12. 前記リターダは、前記主要外面に対して実質的に垂直に前記主要外面の間に延びるように、前記ＬＯＥ内に配備される、請求項１に記載の光学系。
13. 前記リターダは、前記主要外面に対して斜角で前記主要外面の間に延びるように、前記ＬＯＥ内に配備される、請求項１に記載の光学系。
14. 前記リターダは、前記主要外面に対して実質的に平行に配向されるように、前記ＬＯＥ内に配備される、請求項１に記載の光学系。
15. 前記リターダは、前記主要外面の１つに実質的に隣接して配向される、請求項１４に記載の光学系。
16. 結合入力領域に入射された画像照明を、ユーザの眼で視認するための眼球運動ボックスに向けるための光学系であって、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、前記ＬＯＥは、
    第１の配向を有する平面状で、相互に平行な第１のセットの部分反射面を含む第１の領域と、
    前記第１の配向と非平行な第２の配向を有する平面状で、相互に平行な第２のセットの部分反射面を含む第２の領域と、
    相互に平行な主要外面のセットであって、前記第１のセットの部分反射面および前記第２のセットの部分反射面の両方が、空隙を介在させることなく前記主要外面の間に位置するように、前記主要外面が前記第１および前記第２の領域にわたって延在する、相互に平行な主要外面のセットと、を備え、
    前記第１の領域から前記第２の領域への前記主要外面での内部反射による前記ＬＯＥ内を伝播する画像照明の一部が、前記ＬＯＥから前記眼球運動ボックスに向かって結合出力されるように、前記第２のセットの部分反射面が、前記主要外面に対して斜角にあり、
    前記第１のセットの部分反射面は、前記主要外面での内部反射によって、前記ＬＯＥ内を結合入力領域から伝搬する画像照明の一部が前記第２の領域に向かって偏向されるように配向され、前記偏向は、前記ＬＯＥの前記結合入力領域と前記第２の領域との間で発生する前記画像照明の伝播方向の面内素子の唯一の方向転換であり、
    前記ＬＯＥは、前記第１のセットの部分反射面によって偏向された光の偏光を、前記第２のセットの部分反射面に到達する前に回転させるように、前記第１の領域と前記第２の領域との間に配備される光学リターダをさらに含む、光学系。

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