JP5698297B2 - 基板によって誘導される光学ビーム拡大器 - Google Patents

Description

［発明の技術分野］
本発明は、基板によって誘導される光学デバイス、特に、共通の光透過性の基板に所有される複数の反射面を含むデバイスに関する。

本発明は、例えば、ヘッドマウント及びヘッドアップディスプレイ、小型のディスプレイ、小型のビーム拡大器、並びにフラットパネル照明装置のような多数の用途において実施され得る。

［発明の背景］
小型の光学素子に関する重要な用途の一つは、光学モジュールが結像レンズ及びコンバイナーの両方として役立つヘッドマウントディスプレイにあり、二次元の表示は、無限距離へ結像され、観察者の目の中に反射される。その表示を、陰極線管（ＣＲＴ）若しくは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のいずれかから直接に、又はリレーレンズ若しくは光ファイバーバンドルによって間接的に、得ることができる。典型的には、その表示は、コリメーティングレンズによって無限距離に結像されると共にコンバイナーとして作用する部分反射面によって観察者の目の中へ透過する点の配列で構成される。通常、従来の自由空間光学モジュールは、これらの目的のために使用される。しかしながら不幸にも、システムの所望の視野（ＦＯＶ）を増加させると、光学モジュールは、使用するためにはより重く嵩張ると共に非常に複雑になる。これは、ヘッドマウントの用途における主要な欠点であり、ここでシステムは、できるだけ軽く小型であるべきである。

既存の設計における他の欠点は、これらの設計で、全体的な光学システムが、通常、非常に複雑であると共に製造することが困難であることである。

更に、これらの設計から結果として生じる光学的な視角の目の運動の箱（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）は、通常、非常に小さく、典型的には８ｍｍより小さい。よって、光学システムの性能は、観察者の目に対するバイザーの小さな移動にさえ非常に敏感である。

［発明の開示］
本発明を、比較的高いＦＯＶをもつシステムにさえも、光学モジュールが非常に小型であると共に使用することが容易であるバイザーディスプレイ用の基板によって誘導される光学素子を設計すると共に製造するために、使用してもよい。加えて、光学のシステムの目の運動の箱は、比較的大きく、従ってバイザーの大きな移動に適応することができる。本発明のシステムは、それが非常に小型であると共に専門の構成を有する光学システム中にさえ容易に組み込まれ得るので、特に有利である。

また本発明は、改善されたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の構築をも可能とする。三十年よりも前のこのようなディスプレイの発端以来、その分野で顕著な進歩があった。実際に、ＨＵＤは、非常に庶民的になったので、それらは、現在、全ての現代の戦闘機においてだけでなく、民間の航空機においてもまた、重要な役割を演じ、ＨＵＤシステムは、着陸の動作の間、重要な役割を演ずる。更に最近、運転及び操縦の任務を援助するための自動車におけるＨＵＤの設置に関する多数の提案及び設計があった。

しかし、ＨＵＤの現在の形態は、いくつかの深刻な欠点を有する。コンバイナーから、その全体の表面を照明するために、ある距離に位置させなければならない表示源を使用することの必要性は、ＨＵＤを、使用するには嵩張る、大きい、時々不便で安全でないものにする。

本発明の別の重要な用途は、上記の欠点を克服する小型のＨＵＤを提供することにある。コンバイナーを、基板に取り付けられる小型の表示源で照明することができる。よって、全体的なシステムは、非常に小型であり、このように容易に設置されると共に多種多様な場所及び用途において使用され得る。加えて、表示の色の分散は、比較的小さく、このようにして、光源は、従来の白色光源のもののようにさえ、広いスペクトルを有することができる。加えて、表示領域は、光源によって現実に照明される領域よりもはるかに大きいことがあり得る。

本発明のさらなる用途は、小型のビーム拡大器を提供することである。狭いコリメートされたビームを、 より大きな直径をもつビームへ拡大するためのビーム拡大器は、典型的には、共通の焦点をもつ、共通の軸に沿った二つのレンズの望遠鏡の組み立て品を含む。本発明は、単色及び多色の光の両方で使用することができるビーム拡大器を提供する。

従って、本発明の広い目的は、特定の必要条件に従って、既知のデバイスの欠点を改良すると共に改善した性能を有する光学システムを提供することである。

従って、本発明は、光を透過させる平面の基板、内部反射全体によって前記基板へ光を連結するための光学手段、及び前記基板に所有される複数の部分反射面を含み、前記部分反射面が、互いに対して平行であると共に前記基板の平面に対して平行又は垂直ではないことを特徴とする、光学デバイスを提供する。

図１は、最も単純な形態の先行技術の基板によって誘導される光学デバイスの側面図である。 図２は、本発明に従う基板によって誘導される光学デバイスの側面図である。 図３は、様々な入射角に対する部分反射面の所望の反射の挙動を説明する。 図４は、通時的なコーティング剤に対する反射率曲線を説明する。 図５は、本発明に従う反射面の概略の側面図である。 図６Ａは、部分的反射面の配列の詳細な側面図を説明する図である。 図６Ｂは、部分的反射面の配列の詳細な側面図を説明する図である。 図７は、入射する光の偏光を回転させるために半波長板を利用する、本発明に従うデバイスの側面図である。 図８は、本発明に従うヘッドマウントディスプレイシステムの側面図である。 図９は、三つの異なる視角に対する部分的反射面の配列からの反射率の詳細な側面図を説明する。 図１０は、外部の光景と一緒に、投影された表示の輝度を計算するシミュレーションの結果を説明するグラフである。 図１１は、本発明の別の実施例に従う、基板によって誘導される光学デバイスの側面図である。 図１２は、ＦＯＶの関数として反射された光の効率を説明する図である。 図１３は、本発明に従う、反射面の三つの配列を有する基板によって誘導される光学構成を説明する図である。 図１４は、本発明に従う全体的な基板によって誘導される光学デバイスの三次元投影図を説明する図である。 図１５は、本発明に従う、反射面の三つの配列を有する基板によって誘導される光学デバイスの別の展望図を説明する図である。 図１６は、本発明に従う、小型の、基板によって誘導されるヘッドマウントディスプレイの三次元投影図である。 図１７は、本発明に従って光を拡大するための代替の構成の側面図である。 図１８は、本発明に従うデバイスの別の実施例の側面図である。 図１９は、図１７の実施例の改良の図である。 図２０は、図１７の実施例の改良の図である。 図２１は、本発明のさらなる実施例の図である。 図２２は、眼鏡において利用される本発明のまたさらなる実施例を説明する。 図２３は、眼鏡において利用される本発明のまたさらなる実施例を説明する。 図２４は、自動車携帯電話と共に本デバイスを利用する方法を説明する図である。 図２５は、本発明に従ったＨＵＤシステムを説明する。 図２６は、本発明に従う、より大きなＦＯＶ全体を有するＨＵＤシステムの代替の実施例を説明する図である。 図２７は、本発明に従って、二様の焦点距離を有するレンズを実施するための実施例を説明する。 図２８は、本発明に従うデバイスを使用して、観察者の目に外部の光景の二つの様相を組み合わせる方法を説明する図である。 図２９は、本発明に従う、照明の目的用の小型のＳＧＯＤビーム拡大器を説明する図である。 図３０は、ξ軸に沿った基板の内部における伝播距離の関数として出力波の強度を示す曲線を説明する。 図３１Ａは、本発明に従う、照明の目的用の小型のＳＧＯＤビーム拡大器の構成を説明する図である。 図３１Ｂは、本発明に従う、照明の目的用の小型のＳＧＯＤビーム拡大器の構成を説明する図である。 図３２は、本発明に従う部分反射面の配列を製造するための方法を説明する図である。 図３３は、本発明に従う部分反射面の配列を製造するための別の方法を説明する図である。 図３４は、本発明に従う部分反射面の配列を製造するためのさらなる方法を説明する図である。 図３５は、本発明に従う部分反射面の配列を製造するためのまたさらなる方法を説明する図である。 図３６は、本発明に従って、反射面における非均一なコーティング剤を達成するための方法を説明する図である。

［好適な実施例の詳細な説明］
ここで、本発明を、それがより十分に理解されるように、以下の実例となる図を参照して、ある一定の好適な実施例と関連して記載することにする。

ここで具体的に図を詳細に参照して、それらの事項を、例によって本発明の好適な実施例の実例となる議論の目的のためにのみ示し、本発明の原理及び概念的な側面の最も有用で容易に理解される記載であると信じられるものを提供するために与えることを強調する。この点では、本発明の基礎的な理解に必要であるよりも詳細に、本発明の構造の詳細を示すための試みは、なされない。図面と共に取り扱う記載は、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具体化されるかに関する当業者に対する説示として役立つことになる。

図１は、ＳＧＯＤの最も単純な形態を説明し、ここで基板２は、表示源４によって照明される。その表示は、コリメーティングレンズ６によってコリメートされる。表示源４からの光は、主要な光線１０が基板の平面に対して平行であるような方式で、第一の反射面８によって基板２の中へ連結される。第二の反射面１２は、基板の外における、及び観察者１４の目の中への、光を連結する。この構成の小型性にもかかわらず、それは、いくつかの深刻な欠点を被り、主要なものは、達成することができるＦＯＶが非常に限定されることである。図１に示すように、基板の内部における最大の許容される軸外の角度は、

であり、ここで、
Ｔは、基板の厚さであり、
ｄ_ｅｙｅは、所望の射出瞳の直径であり、
ｌは、反射面８及び１０の間における距離である。

α_ｍａｘよりも高い角度で、光線は、反射面１０に到着する前に、基板の面から反射されることになる。よって、反射面１０は、所望でない方向で照明されることになり、ゴースト像が生成されることになる。 従って、この構成で最大の達成可能なＦＯＶは、

であり、ここでνは、通常１．５−１．６の範囲に値を有することになる、表面８の屈折率である。

典型的には、目の瞳の直径は、２−６ｍｍである。しかしながら、ディスプレイの移動に適応させるために、より大きな射出瞳の直径が必要である。従って、最小の許容可能な値は、おおよそ８ｍｍである。平均のヘッドに関して、ｌは、４０及び６０ｍｍの間にある。結果として、８°の小さなＦＯＶに対してさえ、所望の基板の厚さは、１２ｍｍ程度のものであるかもしれない。

最近、基板の内部で拡大する望遠鏡、非平行の連結する方向及びそれ以上を利用するような、少数の方法が、上記の問題を克服するために提案されてきた。しかしながら、これらの解決策でさえ、目への単一の面の反射のみを使用することが、類似の限定を生ずる。ＦＯＶは、基板の平面上への反射面１２の射影の直径によって限定される。最大の達成可能なＦＯＶが、この限定によって、

であり、ここで、
α_ｓｕｒは、反射面及び基板の平面に対する法線の間における角度であり、
Ｒ_ｅｙｅは、観察者の目及び基板の間における距離（典型的には、約３０−４０ｍｍ）であることがわかることは容易である。

通常、ｔａｎα_ｓｕｒは、２より大きいことはありえない。よって、８°のＦＯＶに関する上記と同じ仮定に対しては、所望の基板の厚さは、より合理的な限定である、７ｍｍ程度にある。しかしながら、所望のＦＯＶを増加させるとき、基板の厚さは、急速に、より厚くなる。例えば、１５°及び３０°の所望のＦＯＶは、それぞれ、９ｍｍ及び１４ｍｍの基板の厚さを生ずる。

上記の限定を克服するために、本発明は、部分反射面の配列を利用する。図２は、本発明に従う、基板によって誘導される光学デバイスの側面図を説明する。第一の反射面１６は、デバイスの後に位置する（示してない）源から発出するコリメートされた表示１８によって照明される。反射面１６は、内部反射全体によって平面の基板２０の内部で光が捕捉されるように、源からの入射光を反射する。基板の内部における少数の反射後に、捕捉された波は、基板の外で観察者２４の目への光を連結させる、部分反射面２２の平行な配列に到達する。源の中央の波が、基板の面２６に垂直な方向で基板２０の外で連結されると共に、基板２０の内部における回折された波の軸外の角度が、α_ｉｎであると仮定すれば、そのとき反射面及び基板の平面に対する法線の間における角度α_ｓｕｒ２は、

である。

図２において見ることができるように、捕捉された光線は、二つの別個の方向２８、３０から反射面に到着する。この特定の実施例においては、捕捉された光線は、基板の面２６からの偶数の反射の後に、これらの方向２８の一つから反射面に到着し、捕捉された光線及び反射面に対する法線の間における入射角β_ｒｅｆは、

である。

捕捉された光線は、基板の面２６からの奇数の反射の後に、第二の方向３０から反射面に到し、ここで軸外の角度は、α’_ｉｎ＝１８０°−α_ｉｎであり、捕捉された光線及び反射面に対する法線の間における入射角は、

である。

所望でない反射及びゴースト像を防ぐために、反射率が、これらの二つの方向の一つに関して無視できることは重要である。幸運にも、一方の角度が、他方のものよりもかなり小さいとすれば、二つの入射方向の間における所望の識別を達成することができる。この必要条件の一つの解は、β_ｒｅｆ〜０°である場合である。この値を式（５）に挿入することは、α_ｉｎ〜１８０°を生ずる。明らかに、この解は、実際に実現可能でない。第二の解は、β’_ｒｅｆ〜０°である場合であり、

を生ずる。

図３は、部分反射面の所望の反射率の挙動を説明する。β_ｒｅｆ〜６０°の軸外の角度を有する光線３２が、部分反射され、基板３４の外で連結されると同時に、反射面に対して垂直に到着する光線３６は、どんな顕著な反射もなく反射面３４を通じて透過する。

図４は、四つの異なる入射角０°、５２°、６０°、及び８０°に対する、所望の目標を達成するように設計された二色性のコーティング剤の反射率曲線を説明する。垂直な光線の反射率が、関連するスペクトル全体にわたって無視できると同時に、６０°の軸外における光線は、同じスペクトルにわたって２０％のほとんど一定の反射率を得る。明らかに、反射率は、入射光線の傾斜と共に増加する。

第一の反射面の反射率が、表示源から基板の中へできるだけ多くの光を連結するために、できるだけ高くあるべきであることは明らかである。源の中央の波が、基板へ垂直に入射する、即ちα_０＝１８０°であると仮定すれば、そのとき、第一の反射面及び基板の平面に対する法線の間における角度は、

である。この場合におけるα_ｓｕｒ１及びα’_ｓｕｒ１に対する解は、それぞれ、１２０°及び１５０°である。

図５は、（示してない）表示源からの光３８を連結させると共に内部反射全体によって基板２０の内部でそれを捕捉する反射面３６の側面図を与える。ここでプロットするように、基板の面４０における反射面の射影Ｓ_１は、

であり、ここで Ｔは、基板の厚さである。

明らかに、α＝α_ｓｕｒ１の解は、基板の面における連結する領域が、それが他方の解に対してのものであるよりも、三倍大きいので、好適なものである。連結した波は、反射面の領域全体を照明すると仮定すれば、面３６からの反射の後に、それは、基板の面における２Ｓ_１＝２Ｔｔａｎ（α）の領域を照明する。他方では、基板の平面における反射面３６の射影は、Ｓ_２＝Ｔｔａｎ（α_ｓｕｒ２）である。反射面の間における重なり合い又は間隙のいずれかを回避するために、各面の射影は、その付近に隣接する。よって、各連結される光線が一サイクルの間に通過する（即ち、基板の同じ面からの二つの反射の間における）反射面３６の数Ｎは、

である。α_ｓｕｒ２＝３０°及びα_ｓｕｒ１＝１２０°である、この例では、解は、Ｎ＝６であり、即ち、各光線は、一サイクルの間に六つの異なる面を通過する。

上述の実施例に関して、図５は、基板の中への入力波を連結するための方法の例であることに注意することは重要である。しかしながらまた、フォールディングプリズム、ファイバー光バンドル、回折格子、及び他のものを含む（が、限定はされない）、他の光学手段によって基板の中へ入力波を連結することができるかもしれない。

また、図２で説明した例において、入力波及び画像波は、基板の同じ側に位置する。しかしながら、入力及び画像の波を、基板の対向する側に位置させることができるかもしれない他の構成は、許容される。さらに、基板の側面の縁の一つを通じて基板の中へ入力波を連結させることができる用途がある場合もある。

図６Ａは、基板の内部で捕捉された光を観察者の目の中へ外に連結させる、部分的反射面の配列の詳細な側面図である。見ることができるように、各サイクルにおいて、結合させた光線は、α’_ｓｕｒ２＝１２０°の方向を有する、四つの反射面４２を通過することによって、光線は、その面に対して垂直に入射し、これらの面からの反射は、無視できる。

加えて、光線は、α_ｓｕｒ２＝６０°の方向を有する二つの反射面４４を通過し、ここで入射角は、６０°であり、光線のエネルギーの一部は、基板の外で連結される。六つの部分反射面２２の一つの配列のみを、観察者の目の中への光を連結するために使用することを仮定すれば、最大のＦＯＶは、

である。

よって、発明者等が上でしたのと同じ仮定に関して、８°のＦＯＶに対する所望の基板の厚さは、４ｍｍ程度である。所望のＦＯＶが１５°及び３０°である場合に関して、５．３ｍｍ及び８．２ｍｍの基板の厚さが、それぞれ達成される。当然、これらは、他の構成に対して上で受け入れられたものよりも合理的な値である。さらに、部分反射面の一つより多い配列を使用することができる。十二個の部分反射面を含む、面２２の二つの配列を使用することによって、１５°及び３０°のＦＯＶに対する所望の基板の厚さは、それぞれ、２．６ｍｍ及び４．１ｍｍ程度にあることがわかることは明らかである。

図６Ｂにおいて説明するように、各々の部分反射面は、異なるエネルギーの光学的な光線によって照明される。各面４６の上側の半分が、それらが基板２０の上側の面４８から反射された後すぐに、光線によって照明されると同時に、各面の下側の半分５０は、一つの部分反射面４６を既に通過してしまったと共に従ってより低いエネルギーを有する光線によって、照明される。結果として、面５０の下側部分から反射される光の輝度は、その上側部分４６から反射される光の輝度よりも小さい。明らかに、この問題は、均一な輝度を有する表示を達成するために、解決されるべきである。本当に、二つの異なるコーティング剤で反射面を覆うことは、それによって上側部分４６の反射率が、偶数でない照明を補償するためには、下側部分５０の反射率よりも低いことになるが、この問題を解決することができるかもしれない。例えば、所望の公称の反射率が２０％であるとすれば、下側部分が、２５％の反射率を有することになると同時に、上側部分は、この反射率を有することになる。しかしながら、ほとんどの場合において、この問題を完全に無視することができる。基板が、あまり厚くないとすれば、各視角に対して、目へ反射された光は、少数の反射面から来る。例えば、ｄ_ｅｙｅ＝４ｍｍ及びＴ＝４ｍｍに対して、ここでｄ_ｅｙｅは、瞳の直径であるが、目は、各視角に対しておおよそ二つの反射面によって照明される。目は、単一の視角から出現する全ての光を統合すると共に網膜における一点に収束させるので、及び、目の応答曲線は、対数的であるので、表示の輝度における小さな変動は、たとえあるとしても、顕著ではないことになることが期待される。

考慮に入れるべきである別の問題点は、光の偏光である。偏光してない又はＰ偏光した光に対するよりも、Ｓ偏光した光に対する反射面を設計すると共に製造することは単純であることは、周知である。幸運にも、小型のディスプレイの源（例えば、ネマチック液晶ディスプレイ）のいくつかは、直線偏光する。しかしながら、入射する光を、反射面に関してＰ偏光させるように、表示源が方向付けられる場合がある。この問題を、半波長板を利用することによって容易に解決することができる。図７に説明するように、表示源４から出現する光は、直線偏光する。半波長板５２を使用することによって、光を、連結する反射面２２に関してＳ偏光させるように、偏光を回転させることは可能である。

さらに重要な問題は、ＦＯＶの関数としての輝度の均一性である。図４に示すように、各反射面の反射率は、視角と共に増加する。幸運にも、目の瞳は、相対的に小さいので、この問題を解決することができる。図８は、提案された構成に基づいたヘッドマウントディスプレイシステムの側面図を与える。特定の視角５６を表す、単一の平面波５４は、部分反射面２２の全体的な配列の一部のみを照明する。このように、各々の部分反射面に対して、公称の視角を定義し、反射率を、この角度に従って設計する。

様々な部分的反射面のコーティング剤の正確で詳細な設計を以下のように行なう。各特定の面に対して、面の中心から明示した目の瞳５８の中心まで（スネルの法則による屈折を考慮に入れて）光線をプロットする。計算した方向は、公称の入射方向として設定され、特別なコーティング剤は、その方向に従って設計される。よって、各視角に対して、関連する面からの平均の反射率は、所望の反射率に非常に近いことになる。

図９は、三つの異なる視角、最も右６０、中央６２、及び最も左６４に対する部分的反射面の配列からの反射率の詳細な側面図を与える。上で説明するように、各面の射影は、反射面の間における重なり合い又は間隙のいずれかを回避するために、その付近に隣接する。しかしながら、これは、中央の視角に対してのみ真実である。最も左の視角の反射の間に重なり合い６８があるのに対して、最も右の視角に対しては、反射の間に間隙６６がある。隣接する面２２の各組みの間に異なる距離を設定することは、この問題を解決することができる。即ち、その距離は、右の部分６０に対してはより小さく、左の部分６４に対してはより大きいことになる。しかしながら、所望のＦＯＶのほとんどに対して、間隙及び重なり合いが、むしろ小さいことになり（図８における視角は、この問題を説明するために大いに誇張される）、反射された強度のかなり小さい（左側での）増加又は（右側での）減少で表現されるので、ほとんどの用途に対して、この解決は、不必要である場合もある。加えて、上述したように、右の面６０に対してより高い反射の反対の傾向がある。従って、これらの二つの現象は、少なくとも部分的に相互に補償することができる。

光量する別の問題点は、比較的広いＦＯＶを有する表示システムに関し、ここで、部分反射面２２の少なくとも二つの配列を使用するべきである。この場合には、第二の配列から反射される波は、第一の配列の反射面を既に通過してしまい、エネルギーの少なくとも一部を、基板の外で連結させてしまう。この問題点は、二つの異なる使用に関して考慮されるべきである。

観察者が、外部の光景を見るべきであり、面の反射率が、あまり高くあるべきではない、パイロット用のヘッドマウントディスプレイのような透視システムにおいて、第二の配列におけるコーティング剤の設計は、第一の配列におけるエネルギーの損失を考慮に入れるべきである。即ち、第二の配列の反射率は、ＦＯＶ全体にわたって均一な輝度を達成するために、より高くあるべきである。反射率の係数は、もはや一定ではないので、この解決策の所望されない成果は、基板を通じて目視される光景の不均一な画像に表現されるかもしれない。幸運にも、この不均一性は、むしろ小さい。図４に見ることができるように、各反射面の反射率は、視角と共に増加する。よって、二つの配列からの視角の間における入射角の偏差が、少なくとも１０°であることが期待されるので、その損失は、むしろ小さいことになる。例えば、７０°の入射角の反射率が２２％であるとすれば、６０°の入射角を有する光線の反射率は、６−７％程度にあるべきであり、全体の損失は、１５％より小さいことになる。基板の透過率の変化は、必要な補正のために、現実には無視できる。例えば、２２％から２５％への反射率における変化は、７８％から７５％への透過率の減少を生ずる。どんな場合でも、外側の光景の均一性が決定的であるシステムに対しては、基板の不均一性を補償するために、及びＦＯＶ全体にわたって均一な輝度の目視を達成するために、特別の不均一なコーティング剤を、基板の外部の面に添加することができるかもしれない。

バーチャルリアリティーディスプレイのような非透視システムにおいては、基板は、不透明であり、システムの透過率は、重要性を有さない。しかしながら、このような場合において、反射率は、前よりもむしろ高い場合もあり、ＦＯＶ全体にわたって均一な輝度を有する表示を達成するために十分なエネルギーが第一の配列を通過することを保証するために、注意をしなければならない。

典型的な透視システムの期待される性能を説明するために、投影された表示及び外部の光景の両方の輝度を計算する、コンピューターシミュレーションを行ってきた。そのシステムは、以下のパラメーター、Ｔ＝４ｍｍ、α_ｉｎ＝６０°、ＦＯＶ＝３０°、Ｒ_ｅｙｅ＝４０ｍｍ、ν＝１．５を有する。配列の数は、二つであり、公称の反射率は、２２％である。図１０は、要求された公称の値に規格化した、これらの計算の結果を説明する。両方のグラフにおいて、いくつかの小さな揺らぎがあるが、これらの変化は、重要でないことになることが期待される。

代替の設計方法は、第二の反射する角度を有する光線、即ちα’_ｉｎ＝１８０°−α_ｉｎの軸外の角度をもつ光線からの反射を使用することである。式（７）のパラメータを式（４）に挿入することは、

を生ずる。

図１１は、この代替の設計方法の側面図を説明する。第一の反射面２２は、素子の後に位置するコリメートされた表示４、６（図１）によって照明される。反射面は、光を内部反射全体によって基板の内部に捕捉するように、源からの入射光を反射する。基板の内部における少数の反射の後に、捕捉された波は、基板の外で観察者の目の中への光を連結する、部分反射面２２’の平行な配列に到達する。

この構成の主要な欠点は、α_ｉｎの内部の角度を有する光線の所望されない反射率である。明らかに、基板の内部で入射してくる方向εに対してコリメートされる、表示源における点は、基板の内部で方向α_ｉｎ＋ε及びα’_ｉｎ＋εへ反射される。方向α’_ｉｎ＋εをもつ光線が、部分反射面によって出力方向εへ反射されると同時に、方向α_ｉｎ＋εをもつ光線７０は、部分反射面２２’によって所望されない出力方向α_ｉｎ−εへ反射される。次に、光線７２は、ゴースト像を生成するように、所望されない方向−εで反射される。ビームの小さな部分のみを、所望されない方向で反射させるが、その効果は、ＦＯＶを増加させると、より顕著になる。それは、特にＦＯＶの縁で、観察者を妨害し得る。

上述の所望されない反射を回避することはできないが、ゴースト像の問題を、第一の反射面２２の角度を変化させることによって解決することができる。例えば、この角度を、α_ｓｕｒ１＝６３°まで変化させるとすれば、システムの他のパラメーターは、

になる。

よって、システムのＦＯＶが、１６°であると共に基板の屈折率が１．５であるとすれば、基板の内部における画像の最大の軸外の角度は、６０°であり、所望されない反射の方向は、６６°であり、明らかにＦＯＶの外部にある出力の角度は、１８°であることになり、適切な設計では、射出瞳を照明しないことになる。

上記の解決策は、ゴースト像の問題のみを克服する。エネルギーの一部は、まだ、結像の効率及び質を減少させるかもしれない所望されない方向で反射されることになる。しかしながら、この代替の設計方法は、まだいくつかの利点を有する。第一に、各部分的反射面２２’の断面は、それが先の実施例にあるよりもはるかに大きい。よって、与えられたＦＯＶは、少数の面を要求する。第二に、要求される光学コーティング剤は、より単純であるだけでなく、所望の反射を、その面からのフレネル反射で達成することもできる。すなわち、その面を覆う代わりに、薄い空気間隔を、覆われてない面の間に挿入してもよい。この手順は、最適なものではないが、許容可能な結果を、はるかに単純な製造工程で達成することができる。

図１２は、二つのタイプの源、偏光してない光を伴うもの及びＳ偏光した光を伴うものに対して、ＦＯＶの関数としてシステムの光学的な効率を説明する。その効率は、両方の場合において均一ではないが、この問題を、表示源の隣に可変な減衰器を挿入することによって解決することができる。よって、偏光してない光に対して１０％、及びＳ偏光した光に対して１５％の均一な効率を達成することができる。

ＦＯＶ全体にわたって均一な照明を達成するための光学コーティング剤を設計することは容易に可能である。例えば、三つの部分的反射面を使用するとすれば、それらの反射を、ＦＯＶ全体にわたって２０％の均一な効率を生ずることになる、それぞれ２０％、２５％及び３３％の反射率を有するように設計することができる。

このようにはるかに、ξ軸に沿ったＦＯＶのみを議論してきた。直交η軸に沿ったＦＯＶもまた考慮するべきである。η軸に沿ったＦＯＶは、部分反射面の大きさ又は数に依存しないが、むしろ基板に連結した入力波のη軸に沿った横の寸法に依存する。

η軸に沿った最大の達成可能なＦＯＶは、

であり、ここで Ｄ_ηは、基板に連結された入力波のη軸に沿った横の寸法である。

即ち、所望のＦＯＶが、３０°であるとすれば、そのとき、先に使用した同じパラメーターを使用することによって、必要な横の寸法が、４２ｍｍであることが見出される。基板に連結した入力波のξ軸に沿った横の寸法が、Ｓ_１＝Ｔｔａｎ（α_ｉｎ）によって与えられることを先に証明した。Ｔ＝ｍｍの基板の厚さは、Ｓ_１＝６．８ｍｍを生ずる。外観上は、両方の軸に沿った横の寸法の間には６より多い因数がある。たとえ（ビデオ表示におけるような）４：３の縦横比があると共にη軸におけるＦＯＶが２２°であることを仮定するとしても、必要な横の寸法は、約３４ｍｍであり、二つの軸の間に５の因数がまだある。この矛盾は、高い開口数をもつコリメーティングレンズ又は非常に大きな表示源を使用することの必要性を含む、いくつかの問題を生ずる。どんな場合でも、このような寸法では、所望の小型のシステムを達成することは不可能である。

この問題を解決するための代替の方法を図１３に与える。ξ軸に沿った反射面２２の配列のみを使用する代わりに、反射面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの別の配列は、η軸に沿って位置する。これらの反射面は、ξ及びη軸の二等分線に沿った基板２０の平面に対して垂直に位置する。これらの面の反射率は、均一な出力波を達成するように決定される。即ち、三つの反射面を使用するとすれば、そのとき反射率は、第一の面２２ａ、第二の面２２ｂ、及び第三の面２２ｃに対して、それぞれ３３％、５０％、及び１００％であるように設定される。配列の組み立て品２２及び２２ａ−２２ｃに示す配置が単なる例であることに注意することは重要である。光学システム及び所望のパラメーターに従った、両方の軸における光学的な波の横の寸法を増加させるための他の配置もまた許容可能である。

図１４は、全体的な基板によって誘導される光学構成の三次元投影図を与える。回折された波は、最初にη軸に沿って、次にξ軸に沿って拡大する。図２における配置に関して、基板の平面における入力波の射影を、９０°だけ回転させるので、中央の波のη軸に沿った横の寸法Ｓ_ηは、基板へ連結した後は、Ｓ_η＝２Ｓ_１＝２Ｔｔａｎ（α_ｉｎ）によって与えられる。対称的な連結した波を達成するために、連結した波がξ軸において同じ寸法を有することになる構成を選ぶことは好ましい。その場合には、連結の前における入力波のη軸に沿った横の寸法が、Ｓ_１＝Ｔｔａｎ（α_ｉｎ）であるので、二つの寸法間に２の因数があることになる。しかしながら、この因数は、通常、許容可能である。反射面２２ａ−２２ｃからの反射の後に、η軸に沿った横の寸法は、Ｓ_η＝２ＮＴｔａｎ（α_ｉｎ）によって与えられ、ここでＮは、反射面の数である。η軸に沿った最大の達成可能なＦＯＶは、ここでは、

である。

反射配列２２ａ−２２ｃを目に近付けて位置させることができるので、反射面の間における距離ｌが、以前よりも小さいことになることが期待される。ｌ＝３０ｍｍを仮定して、Ｔ＝４ｍｍ、Ｎ＝３、α_ｉｎ＝６０°、Ｒ_ｅｙｅ＝４０ｍｍ、及びν＝１．５のパラメータを選ぶと、結果として生ずるＦＯＶは、

であることになる。

これは、先に達成したものよりも良好な結果である。

要求されたビームの拡大の結果として、光学の波の輝度を、Ｎの因数だけ減少縮小させてきた。しかしながら、この効果を、上述したのと同じ方法によって、最小化してもよい。図１５に示すように、第一の反射面２２ａから反射されるはずである、ＦＯＶのより低い部分７６の入射角は、主として最後の反射面２２ｃから反射されるはずである、ＦＯＶのより高い部分７８の反射する角度よりも大きい。その場合においては、先のように、より高い入射角に対してより高い反射率の係数を有する反射コーティング剤を設計することは可能である。ＦＯＶのより高い部分７８のエネルギー損失が、はるかに小さいことがあり得るので、より高い反射率の係数は、第一の反射面２２ａに対して選ばれるかもしれず、輝度の減少は、より小さいかもしれない。要求される設計の正確な詳細は、各特定のシステムの様々なパラメーターに依存する。

単一の光透過性の基板２０の使用のみに限定されることは必ずしも必要ではない。追加の基板を使用することができる。例えば、三つの異なる基板を、各々のコーティング剤は三つの基本的な色の一つに対して設計されるが、三色の表示システムを生成するために組み合わせることができる。その場合には、各基板は、他の二つの色に関して透明である。このようなシステムは、三つの異なる単色の表示源の組み合わせが最終的な画像を生成するために要求される用途に対して、有用であり得る。加えて、いくつかの基板をより複雑なシステムを形成するために互いに組み合わせることができる、多くの他の例がある。

図１６は、本発明に従って構築された、小型の、基板によって誘導されるヘッドマウントディスプレイの構成を説明する。説明する構成は、反射面の三つの配列で構成される。第一の反射面２２は、入力表示源４から出現すると共にレンズ６によって基板２０へコリメートされる光を連結し、ここで光の分布は、一つの方向で拡大する。部分的反射面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの第二の配列は、光線を反射し、そして光の分布は、他の方向で拡大する。第３の配列２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは、基板からの光を外側へ観察者２４の目の中に連結する。

図１７は、η方向でビームを拡大するための代替の方法を説明する。ここで、その拡大は、基板２０の内部よりもむしろ外部で行なわれる。ビームスプリッター８０は、表示源４からの光を二つの部分へ分割する。一つの部分は、基板２０へ直接透過されると同時に、第二の部分は、鏡８２へ反射され、次に基板２０へ再び反射される。ここで元々のものよりも広いビームを構築する、光の両方の部分は、次に、反射面８４によって基板へ連結される。より多数のビームスプリッター及び鏡を、η方向に入射してくるビームを拡大するために、利用することができる。コリメーティングレンズ８１を、表示源４及びビームスプリッター８０の間で導入してもよい。

図１８は、図１７のわずかに変更したバージョンを説明する。Ｓ偏光した光に対して反射面を設計し製造することは、偏光してない又はＰ偏光した光に対することよりも単純であることは周知である。表示源４からの光を、実際にＳ偏させるとすれば、図に示すように、光路へ半波長板８６を挿入することによって適切な方向に反射を行うことは可能である。

基板２０と平行に方向付けられた表示源４の代わりに、図１９及び２０に示すように、それを、ちょうど基板２０に対して垂直に方向付けることもできる。

別の可能な実施例を図２１に示す。表示源４は、基板２０に対して垂直に方向付けられ、フォールディングミラー又は反射プリズム８３を使用することによって、第一のカップリングインミラーへ光を挿入することができる。このフォールディングミラー又は反射プリズム８３は、反射面及び／又は反射プリズムの面で光学的なパワーを有することができ、それがコリメートする動作を行うことを可能にし、よって別のコリメートする素子を使用する必要性を免れる。

この基板によって誘導されるバイザーの表示構成の利点は、以下のようなものである。

１）入力の表示源を基板に対して非常に接近して位置させることができるので、全体的な構成は、非常に小型及び軽量であり得る。

２）他のバイザー表示構成と違って、ここでは、入力表示源が、最終的な接眼レンズに対して位置させることができる場合に関して多くの柔軟性がある。よって、規則的な軸外の構成は、回避され、視野の収差を、比較的容易及び効率的に補償することができる。

３）部分的反射面の反射率の係数は、関連するスペクトルの全体にわたってほとんど一定である。よって、単色だけでなく多色の光源もまた表示源として使用してもよく、このようにカラーのヘッドマウントディスプレイを達成する。

４）入力表示からの各点が、反射配列２２ｄ−２２ｆの大部分から観察者の目へ反射する平面波に変換されるので、目の正確な位置における許容範囲は、著しく緩めることができる。このようにして、観察者は、視野全体を見ることができ、目の運動の箱は、他のバイザー表示構成におけるよりも著しく大きくあり得る。

５）ＳＧＯＤへ連結されたエネルギーの大部分を、再利用し、観察者の目の中へ連結するので、比較的高い輝度の表示を達成することができる。

図２２及び２３は、基板９０が眼鏡の枠９２の内部に取りつけられる、本発明の実施例を説明する。表示源４、コリメーティングレンズ６、及びフォールディングミラー８２は、光学基板９０の縁に対してちょうど隣に、眼鏡のアーム部分９４の内部で組み立てられる。表示源が、小さなＣＲＴ又はＬＣＤのような電子素子である場合に関して、表示源用の駆動エレクトロニクス９３は、アーム９４の裏面部分の内部で組み立てられるかもしれない。電源９６は、リード線９７によってアーム９４へ接続可能である。

基板へ連結された入力波は、通常、コリメートされた平面波であるので、いくつかの新規な技術は、要求された表示源としてその使用に関して利用されるかもしれない。一つの可能な表示は、仮想の網膜の表示（ＶＲＤ）、即ち、平面波が、観察者の網膜に画像を直接生成するために急速に走査されるシステムである。別の可能な表示は、フーリエ変換ホログラフィーの類似の考えに基づくことができるかもしれない。この原理を利用して、ＬＣＤは、要求された画像の、画像それ自体よりもむしろ、フーリエ変換を生成する。ＬＣＤを、小さなレーザーダイオードから出現するコヒーレントな平面波によって照明するとき、所望の図のコリメートされた画像は、ＬＣＤ平面に形成されることになる。この画像を、ＳＧＯＤに対する入力として使用することができるかもしれない。

上述の実施例は、不透明な層を光学素子の前に位置させる、透視システム及び非透視システムの両方で役立ち得る。代替の方法は、観察者が、外部の光景から出現する光の輝度のレベルを制御することができるような方式で、システムの前に可変フィルタを使用することである。この可変フィルタは、フォールディングフィルターのような機械的に制御されたデバイス又は二つの回転する偏光子、電子的に制御されたデバイス、若しくは更に自動デバイスのいずれかであり得るかもしれず、それによってフィルターの透過率を、外部の背景の輝度によって決定する。

ＳＧＯＤをこの実施例で利用することができる正確な方法に関していくつかの代案がある。最も単純な選択肢は、一つの目に対して単一の素子を使用することである。別の選択肢は、同じ画像と共に、各目に対して素子及び表示源を使用することである。この選択肢の別のバージョンは、二つの目の間におけるいくらかの重なり合いと共に、同じ画像の二つの異なる部分を投影することであり、より広いＦＯＶの達成を可能とする。最も複雑な可能性は、立体画像を生成するために、二つの異なる光景を、各目に対して一つ、投影することである。この代案と共に、三次元映画、進歩したバーチャルリアリティー、トレーニングシステムなどを含む、魅力的な実施は可能である。

図２２及び２３の実施例が、ちょうど本発明の単純な実施を説明する例であることを強調することは重要である。システムの核心を構成する、基板によって誘導される光学素子が、非常に小型及び軽量であるので、それを、莫大に様々な配置で設置することができるかもしれない。よって、バイザー、フォールディングディスプレイ、単眼鏡、及びさらに多くのものを含む、他の多くの実施例もまた可能である。

図２２及び２３で説明する実施例を、ディスプレイがヘッドマウント又はヘッドキャリードであるべきである用途に対して明示する。しかしながら、表示を別の場所に位置させるべきである用途がある。このような用途の例は、テレビ電話、インターネット接続、電子メールへのアクセス、及びさらに高品質のテレビ衛生放送の伝達を含む新規な動作を近い将来に行うように期待される携帯電話である。既存の技術で、小さなディスプレイを、電話の内部に埋め込むことができるかもしれないが、しかしながら、現在、このようなディスプレイは、直接目の中へ、不十分な品質の映像データのみ、又は、インターネット若しくは電子メールデータにおける少数の行のいずれかを投影することができる。

図２４は、ユーザーの目の中へ高い品質の画像を直接投影する、本発明に基づく代替の方法を説明する。フォールディングＳＧＯＤ９８は、口金が通常取り付けられるものに類似の様式で、完全に携帯電話１００の本体に取り付けられる。電話に埋め込まれる、小さな表示源１０２は、フォールディングミラー、小さなプリズム、ファイバー光学系のバンドル、又は任意の他の中継のいずれかであり得る、光リレー１０６を通じて透過するビデオ画像１０４をＳＧＯＤ９８へ投影する。この方法において、操作の間、ユーザーは、ＳＧＯＤ９８を展開し、それをその人の目の前に位置させ、都合良く所望の画像を見ることができる。

図２４に記載した実施例は、ヘッドマウントディスプレイ以外の用途を具体化することができることを説明する単に例であることに注意することが重要である。他の可能な自分で運ぶ配置は、腕時計へ埋め込まれた小さなディスプレイ、クレジットカードの大きさ及び重量を有するポケットで運ばれるディスプレイ、並びにさらに多くのものを含む。

上述の実施例は、単眼の光学システムであり、即ち、画像を、単一の目に投影する。しかしながら、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）のような用途があり、ここで、両方の目に画像を投影することが望まれる。最近までに、ＨＵＤシステムは、主として進歩した戦闘及び民間の航空機に使用されてきた。最近、運転のナビゲーションにおいて援助するために自動車の運転手の前にＨＵＤを設置するために、又は暗闇若しくは他の低い視感度の条件の間に人の目に熱映像を投影するために、多数の提案及び設計があった。既存の航空機用のシステムに伴う主要な問題は、それらが非常に高価であり、単一のユニットの価格が、十万ドル程度であることである。明らかに、この価格を、それを乗用車の消費者市場と両立するようにするために、三桁の大きさの因数だけ減少させなければならない。加えて、既存のシステムは、非常に大きく、重く、嵩張り、自動車における設置には複雑であり過ぎる。消費者のＨＵＤに対する候補は、非常に小型の、安価で、既存の乗り物の内部に容易に設置されるべきである。

図２５は、本発明に基づいたＨＵＤシステムを具体化する方法を説明する。表示源４からの光は、レンズ６によって無限距離へコリメートされ、第一の反射面２２によって基板２０へ連結される。第二の反射配列（示してない）における反射の後に、光学的な波は、観察者の目２４へ光を外で連結する、第三の反射配列２２’に当たる。全体的なシステムは、数ミリメートルの厚さを有する大きな郵便はがきの大きさの非常に小型及び軽量であり得る。数立方センチメートルの体積を有する表示源を、電線がシステムへ電力及びデータを伝達することができる基板の角の一つに取り付けることができる。与えられたＨＵＤシステムの設置が、単純な商業用の音響システムの設置ほど複雑ではないことになることが期待される。更に、画像の投影用の外部の表示源に対する必要性がないので、危険な場所に構成要素を設置する必要性は、回避される。

目及びその面の間における距離並びに射出瞳の直径が、それらが単眼のディスプレイ用にあるよりもはるかに大きいので、より多数の反射面２２’及び／又はより厚い基板２０を所望のＦＯＶを達成するために必要であることになることが期待される。与えられたシステムに対してより大きなＦＯＶを有するＨＵＤシステムを成し遂げる代替の方法を図２６で説明する。観察者の目の指定された場所にシステムの射出瞳を定義する代わりに、基板に対してより近い場所でより小さな直径を有する仮想の射出瞳１０８を定義する。見ることができるように、ＦＯＶの左の部分１１２が、右の目によってのみ見られていると同時に、ＦＯＶの右の部分１１０は、左の目によってのみ見られる。ＦＯＶの中央の部分１１４は、両方の目によって見られる。このような解決策は、軍事のＨＵＤシステムで広く認められ、ここで光学システムの瞳をコリメーティングレンズに位置させ、このように、瞬間のＦＯＶ（ＩＦＯＶ）は、ＦＯＶ（ＴＦＯＶ）全体よりも小さい。この種の構成において、各目は、ＴＦＯＶの中心における重なり合いと共に、ＴＦＯＶの異なる部分を見る。両方の目によって見られる全体的なＦＯＶは、各単一の目によって見られるものよりもはるかに大きい。図２６の実施例に関して、仮想の射出瞳の正確な位置及び大きさは、特定のパラメーター及び各特定のシステムに対する所望の性能に従って設定されることになる。

典型的なＨＵＤシステムの射出瞳が、リード線が取り付けられたシステムのものよりはるかに大きいので、図１４を参照して上述したように、所望のＦＯＶを達成するために、図６を参照して上述した構成に対してさえ三つの配列の構成を必要とすることになることが期待される。しかしながら、図２を参照して上述したような二つの配列の構成が十分であるかもしれない、小さな垂直のＦＯＶをもつ又は表示源として垂直なＬＥＤ配列をもつシステムを含む、いくつかの特別な場合であってもよい。

図２５及び２６で説明する実施例を、乗り物用のＨＵＤシステムに加えて、他の用途に実施することができる。これらの実施例における一つの可能な利用は、コンピューター又はテレビジョン用の平坦なディスプレイとしてのものである。このようなディスプレイの主要な独特の特性は、画像をスクリーンの平面に位置させず、無限距離又は類似の都合のよい距離へ焦点を合わせることである。既存のコンピューターディスプレイの主要な欠点の一つは、ユーザーが、健全な目の自然な焦点が無限距離にある一方で、４０及び６０ｃｍの間の非常に近い距離でその目の焦点を合わせる必要があることである。多くの人々は、コンピューターで長い継続時間に作業した後、頭痛を患う。コンピューターで頻繁に作業する多くの他の人々は、近視を進ませる傾向がある。加えて、近視及び遠視の両方を患う何人かの人々は、コンピューターでの作業用の特別な眼鏡を必要とする。本発明に基づいて、平面ディスプレイは、上述した問題に悩むと共にヘッドマウントディスプレイと共に作業することを望まない人々に対する適切な解決策であり得るかもしれない。

本発明のディスプレイにおける別の利点は、既存のフラットパネルディスプレイに比較してさえ、その非常に平坦な形状である。従来のディスプレイと違って、本発明のディスプレイが、限定された、画像全体を見ることができる頭の運動の箱を有することは真実である。しかしながら、このような限定された頭の運動の箱は、単一のユーザーによる都合のよい操作に対して十分である場合もある。

本発明の別の可能な実施例は、その聴衆を見ると共に字句を同時に読むことが想定される話者又はテレビの放送者用の字句投影機としてのその使用である。本発明を利用すると、話者は、その顔の隣りに保持された透明なプレートを使用し、聴衆によって見られることなく、その目へ要求された字句を投影することができるかもしれない。

この実施例のさらに別の可能な実施は、パーソナルディジタルアシスタンス（ＰＤＡ）用のスクリーンとしてのものである。現在使用される、既存の従来のスクリーンの大きさは、約１０ｃｍである。これらの表示を読むことができる最小の距離は、４０ｃｍ程度であるので、得ることが可能なＦＯＶは、約１５°である。よって、これらのディスプレイからの投影された情報は、かなり限定される。投影されたＦＯＶにおける著しい改善は、図２５及び２６に説明する実施例でなすことができる。画像を無限距離までコリメートするので、スクリーンを、観察者の目にはるかに近付けて位置させることができる。加えて、各目が、ＴＦＯＶの異なる部分を、その中心の重なり合いと共に見るので、ＴＦＯＶの別の増加を達成する場合もある。従って、４０°又はそれ以上のＦＯＶをもつディスプレイは、容易に達成可能である。

上述の本発明の実施例の全てにおいて、ＳＧＯＤによって伝達された画像は、ＣＲＴ又はＬＣＤのような電子の表示源を起源とした。しかしながら、伝達される画像が、例えば、近視及び遠視の両方を患うと共に問題が従来の二焦点又は多焦点の眼鏡によっては常に都合良く解決されるとは限らない人々用の眼鏡において、生の光景の一部であり得る用途がある。代替の解決策は、少数の焦点距離を有する眼科レンズを使用することである。これらのレンズは、観察者の網膜に多数の画像を生成する。次に脳は、最も鮮明な画像に適応する。

図２７は、本発明に基づいて、二重焦点距離を有するレンズを実施するための方法を説明する。無限距離からの光景の画像１１４を、反射面２２によって基板２０へ連結させ、次に部分的反射面２２’の配列によって観察者の目２４へ反射させる。近い距離からの別の光景の画像１１６を、レンズ１１８によって無限距離へコリメートし、次に基板２０通じて目の中へ通過させる。眼科レンズ１２０は、画像１１４及び１１６を都合のよい距離へ集束させ、乱視を含む、観察者の目における他の収差を補正する。外部の光景が、観察者に近いとき、光景１１４をぼかすことになると同時に、光景１１６は、網膜に鮮明な画像を有することになる。よって、脳は、光景１１６の鮮明な画像に自動的に適応することになる。逆に、外部の光景が遠いとき、画像１１４は、最も鮮明であることになり、次に脳は、それに適応することになる。

また本発明を、二つの全く異なる光景を組み合わせるために使用することもできる。前後の光景を同時に見ることを欲するパイロット又はドライバー、競技場の異なる眺めを望むスポーツマン、現実の光景をその絵画と組み合わせることを欲する画家、黒板から字句をコピーする学生、及びさらに多くの者用を含む、このようなデバイスが有用であり得る多数の使用がある。図２８は、本発明に従って、外部の光景における二つの異なる部分を観察者の目へ組み合わせる方法を説明する。傾斜した方向からの光景の画像１２０は、例えば、反射面２２によって基板２０へ連結されたプリズム又は他の任意の光学手段１２２によって折り重ねられ、次に、観察者の目２４へ部分的反射面２２’の配列によって反射され、その目の点で、それは、規則的な光景１２４と組み合わされる。

図２７及び２８に記載される実施例に対して、ＳＧＯＤへ連結される光学的な波１１４及び１２０が無限距離から来ると共にレンズ又は任意の類似の光学素子によって焦点を合わせる必要がないので、連結した波の横の寸法は、重要性を伴わないことを注意することは重要である。よって、図２に記載するように、二つの反射配列のみを有する単純なＳＧＯＤを、三つの配列を有する図１４のより複雑な実施例よりもむしろ、使用することができる。

図２７及び２８に関して記載した実施例は、 単に、本発明の実施可能性を説明する例である。電子誘導ディスプレイからの任意の二つの異なる画像、生の光景を起源とした画像をＳＧＯＤと組み合わせること、（例えば、ビデオカメラを熱撮像デバイスと組み合わせること）、又は任意の他の可能な組み合わせは可能である。

上述の実施例の全てにおいて、ＳＧＯＤは、撮像の目的で光波を伝達するために利用される。しかしながら、本発明を、主として、出力波の光学品質が決定的ではなく重要なパラメーターが強度及び均一な輝度である照明システムを撮像するだけでなく撮像しない用途にも適用することができる。本発明を、例えば、フラットパネルディスプレイ、ほとんどＬＣＤシステムの背面の照明に適用してもよく、画像を構築するために、できるだけ明るく均一な光でプレートを照明することが必要である。他のこのような可能な用途は、部屋の照明又は投光照明に対して平坦で高価でない代用品、指紋スキャナー用の照明装置、及び３−次元ディスプレイホログラム用の読み出し波を含むが、限定はされない。

図２９は、本発明に従って構築された、照明目的用の小型のＳＧＯＤビーム拡大器の構成を説明する。説明する構成は、第一の反射面１２６、反射面の第二の配列１２８及び第三の反射配列１３０で構成される。入力波１３２は、基板２０に通常入射する平面波であると同時に、出力波１３４は、入力波のものよりも著しく大きい直径を有する平面波である。このようなシステムを、比較的大きな領域用の非常に薄い小型の照明するデバイスとして実施することができる。

ＳＧＯＤのビームを拡大する構成の動作は、本発明の他の構成に対して上述したものに類似する。にもかかわらず、撮像する及び撮像しないシステムの間にはいくらかの差がある。第一に、撮像しないシステムのデバイスにおける“ゴースト像”について心配する必要がないので、入力波を、基板の平面に平行に連結することができる。よって、各部分反射する平面を、均一に照明することができる。第二に、撮像しないシステムにおいて、基板の透過率は、重要性を有さず、従って反射率分布のみを考慮されるべきである。

加えて、均一なＦＯＶの設計目標の代わりに、撮像しないシステムに対する設計目標は、出力波の均一な強度を達成することである。そうするために、部分反射配列１３０の反射率は、各反射の間に、捕捉された光学的な波のエネルギーの一部のみを連結するように、ξ軸に沿って徐々に増加する。図３０は、典型的な基板によって誘導されるビーム拡大器に対して、ξ軸に沿った基板の内部における伝播距離の関数として出力波の強度、それらの面の反射率、及び基板に残されたエネルギーの量を説明する。

光は、照明デバイスにおける基板の平面に平行に連結され得るので、それは、基板の縁の一つを通じて連結され得る。加えて、単一の光源の使用に限定されることは必ずしも必要ではない。多くの源を使用してもよい。更に、このようなデバイスにおいて、光波をコリメートすることは、必ずしも必要ではない。また、入力ビームを発散させることを、発散する出力波を生成するために利用することができる。図３１Ａ及び３１Ｂは、照明の目的に対する二つの可能な構成、部分的反射面の二つの配列を有するもの（図３１Ａ）及び一つのこのような配列を有するもの（図３１Ｂ）を説明する。これらの構成において、光源は、小レンズの配列１３８によってコリメートされると共に基板の縁の一つを通じて基板に連結されるＬＥＤ１３６の配列であり、配列１４０によって連結される均一な光の照明を生成する。

図３２は、部分反射面の配列を製造する方法を説明する。第一に、要求された寸法を有するプリズム１４２の一群を製造する。これらのプリズムを、研削及び研磨の従来技術でＢＫ−７のようなケイ酸塩を主材料とした材料から製造することができるか、又は代わりに、それらを、射出成形若しくは鋳造技術を使用して重合体若しくはゾル−ゲル材料で作ることができる。次に、これらのプリズムの適切な面は、要求された光学コーティング剤１４４で覆われる。最後に、プリズムは、所望のＳＧＯＤを生成するために互いに接着される。光学表面の品質が決定的である用途において、外側の面１４６を磨く最終的な段階を、その工程に加えることができる。

図３３は、部分反射面の配列を製造する別の方法を説明する。二つの類似の歯形をした透明な成形品１４８は、射出成形又は鋳造によって製造される。要求されるコーティング剤１５０は、その成形品の一つの適切な面に塗布され、次に、二つの成形品は、要求されたＳＧＯＤ１５２を生成するために、互いに接着される。

図３４は、部分反射面の配列を製造するために、図３３に記載した方法のまた別のバージョンを説明する。その成形品１４８をコーティング剤１５０で覆う代わりに、コーティング剤を、非常に薄く柔軟な重合体のシート１５４に塗布する。シートは、要求されるＳＧＯＤ１５６を生成するために次に互いに接着される成形品１４８の間に挿入される。

図３５は、部分反射面の配列を製造するまた別の方法を説明する。複数の透明な平坦なプレート１５８の面を、要求されたコーティング剤１６０で覆い、次にプレートを、立方体の成形品１６２を生成するために互いに接着する。次に、セグメント１６４は、所望のＳＧＯＤ１６６を生成するために、切断、研削、及び研磨によって立方体の成形品から薄く切られる。

出力光の均一性が決定的ではない場合がある。それらの場合において、反射面を覆う代わりに、それらの間に空気間隔を残すことは可能であり、それらの面からのフレネル反射によって光が連結されることを可能にする。このような場合において、しかしながら、出力強度の均一性の問題があるかもしれないが、この問題を、対向する方向から照射された二つのプレートを使用することによって解決することができる。別の可能な解決策は、反射性のコーティング剤で対向する縁及び外側の面を覆うことである。

上述したように、反射面に不均一なコーティング剤を有することが重要である用途がある。図３６は、このような要求を達成する方法を説明する。部分反射面の二つの異なる配列は、上述した方法のどれによっても、又は任意の他の方法によっても製造され、下側の配列１６８における反射率は、それが上側の配列１７０にあるよりも高い。次に、二つの配列は、要求されるＳＧＯＤ１７２を生成するために、互いに接着される。本発明が、先の説明した実施例の詳細に限定されず、本発明が、それの主旨又は本質的な特質から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化してもよいことは、当業者に明白であると思われる。従って、本実施例を、全ての点で説明であって制限されないと考慮することができ、本発明の範囲は、先の記載によるよりもむしろ添付した請求項によって示され、従って、請求項の同等性の意味及び範囲内で出てくる全ての変化は、それに包含されることが意図される。

［付記］
付記（１）：
光を透過させる基板、
内部反射全体によって前記基板へ光を連結させる光学手段、及び
前記基板に所有される複数の部分反射面を含み、
前記部分反射面は、互いに平行であり、前記基板の任意の縁に対して平行ではないことを特徴とする光学デバイス。

付記（２）：
前記光学手段は、前記基板に所有される、波を反射する面である、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３）：
前記複数の部分反射面は、前記基板の外で、内部反射全体によって捕捉された光を連結させる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（４）：
読み出し波から画像波を生成する手段をさらに含み、
前記読み出し波及び前記画像波は、前記基板の同じ側に位置する、付記（２）に記載の光学デバイス。

付記（５）：
読み出し波から画像波を生成する手段をさらに含み、
前記読み出し波は、前記基板の一つの側に位置し、前記画像波は、前記基板の別の側に位置する、付記（２）に記載の光学デバイス。

付記（６）：
読み出し波から画像波を生成する手段をさらに含み、
前記読み出し波は、前記基板へその縁の一つを通じて連結される、付記（２）に記載の光学デバイス。

付記（７）：
前記複数の部分反射面の反射率は、均一な輝度を有する視野を達成するように決定される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（８）：
前記複数の部分反射面の反射率は、予め決められた輝度を有する視野を達成するように決定される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（９）：
前記部分反射面の各々の反射率は、予め決められた輝度を有する視野を達成するように局所的に変動する、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１０）：
前記部分反射面の間における距離は、予め決められた輝度を有する視野を達成するように決定される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１１）：
前記基板に所有される第二の複数の部分反射面をさらに含み、
前記第二の複数の部分反射面は、互いに平行であり、前記基板の任意の縁に対して平行でなく、前記第一の複数の部分反射面に対して平行でない、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１２）：
前記第二の複数の部分反射面は、内部反射全体によって前記基板で連結される前記光の伝播の方向を変化させる、付記（１１）に記載の光学デバイス。

付記（１３）：
前記第二の複数の部分反射面の反射率は、均一な輝度を有する視野を達成するように決定される、付記（１１）に記載の光学デバイス。

付記（１４）：
前記第二の複数の部分反射面の反射率は、予め決められた輝度を有する視野を達成するように決定される、付記（１１）に記載の光学デバイス。

付記（１５）：
前記基板は、部分的に透明であり、その透視の動作を可能にする、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１６）：
外部の光景からの光の入口を遮断する、前記基板の前記面に付けられる不透明な層をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１７）：
外部の光景から前記デバイスを通過する光の輝度を制御する、前記基板の前記面に付けられる変動可能な透過率の層をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（１８）：
前記変動可能な透過率の層の透過率は、前記外部の光景の前記輝度に従って自動的に決定される、付記（１７）に記載の光学デバイス。

付記（１９）：
前記複数の部分反射面は、観察者の一つの目に到達するように計算された方向へ捕捉された波を反射させる、付記（２）に記載の光学デバイス。

付記（２０）：
前記複数の部分反射面は、観察者の両方の目に到達するように計算された方向へ捕捉された波を反射する、付記（２）に記載の光学デバイス。

付記（２１）：
前記観察者の目の各々は、全体の視野の一部のみを見ると共に、両方の目は、前記視野全体を一緒に見る、付記（２０）に記載の光学デバイス。

付記（２２）：
前記デバイスは、同じ画像の二つの異なる焦点合わせを組み合わせる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（２３）：
前記デバイスは、外部の光景の二つの異なる様相を組み合わせる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（２４）：
前記二つの複数の部分反射面は、前記基板から出現する光ビームの横の寸法が、前記基板に入る光ビームのものよりも大きいような方法で、前記基板に埋め込まれる、付記（１１）に記載の光学デバイス。

付記（２５）：
前記二つの複数の部分反射面の反射率は、均一な強度を有する出力波を達成するように設定される、付記（２４）に記載の光学デバイス。

付記（２６）：
前記二つの複数の部分反射面の反射率は、予め決められた強度を有する出力波を達成するように設定される、付記（２４）に記載の光学デバイス。

付記（２７）：
仮想の網膜の表示光源をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（２８）：
液晶表示（ＬＣＤ）光源をさらに含み、
前記ＬＣＤ光源は、所望の画像のフーリエ変換が前記ＬＣＤのプレートで生成されるような方法で、動作する、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（２９）：
光源を構成する発光ダイオードの配列をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３０）：
前記光源は、前記基板へその縁を通じて連結される、付記（２９）に記載の光学デバイス。

付記（３１）：
前記基板は、複数のプリズムで構成される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３２）：
前記基板は、射出成形技術によって生成する複数の透明な成形品で構成される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３３）：
前記基板は、複数の平行な透明なプレートで構成される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３４）：
前記部分反射面は、光学コーティング剤で覆われた柔軟な透明なシート部分で構成される、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３５）：
前記部分反射面の間に空気間隔をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３６）：
前記基板の縁又は面の一部は、反射面を生成する光学コーティング剤で覆われる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３７）：
前記デバイスの光路に挿入される少なくとも一つの半波長板をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３８）：
前記複数の部分反射面の反射率は、フレネル反射によってもたらされる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（３９）：
前記光を透過させる基板の外部に位置する少なくとも二つの反射面の配列をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（４０）：
光学システムを形成するように互いに組み合わせられるいくつかの異なる基板をさらに含む、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（４１）：
前記デバイスは、眼鏡の枠の内部に埋め込まれる、付記（１）に記載の光学デバイス。

付記（４２）：
前記デバイスは、携帯電話の内部に埋め込まれる、付記（１）に記載の光学デバイス。

Claims (4)

1. 光学的なデバイスであって、
   少なくとも二つの主要な表面及びエッジを有する光を透過させる基体、
   上記の二つの主要な表面が上記の基体の内側において内部全反射によって光線を捕捉すること、
   上記の基板の内側において相互に対して平行に位置させられた及び相互に間隔を空けられた並びに上記の主要な表面の間に配された複数の部分的に反射する表面、並びに、
   内部全反射によって上記の基体の中へと光線を連結させるための光学的な手段
   を具備すると共に、
   同じ軸外の角度を有する捕捉された光線は、前記基体の内側において伝播すると共に二つの違う方向から前記反射する表面に到着すると共に、
   上記の二つの違う方向の一方における前記光線の一部分は、前記反射する表面から反射させられると共に前記基体から放出されると共に、
   上記の二つの違う方向の他方における前記光線は、いずれの実質的な反射も無しに前記反射する表面を通じて透過する、
   光学的なデバイス。
2. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   上記の方向の他方の入射角は、一方の方向の入射角と比べてより小さいものである、
   光学的なデバイス。
3. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   上記の部分的に反射する表面の反射率は、上記の二つの方向の他方について無視できるものであると共に上記の二つの方向の一方について顕著なものである、
   光学的なデバイス。
4. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記基体の内側における表面から反射させられた伝播させられた捕捉された光線は、偶数の回数の反射の後に又は奇数の回数の反射の後に前記部分的に反射する表面に到着する、
   光学的なデバイス。

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