ホーム > 特許ランキング > Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-17
(45)【発行日】2024-05-27
(54)【発明の名称】矩形導波路を有する光学アパーチャ増倍器
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240520BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2023549682
(86)(22)【出願日】2022-02-24
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-08
(86)【国際出願番号】 IL2022050216
(87)【国際公開番号】W WO2022180634
(87)【国際公開日】2022-09-01
【審査請求日】2023-08-16
(31)【優先権主張番号】63/153,433
(32)【優先日】2021-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/297,299
(32)【優先日】2022-01-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】518105275
【氏名又は名称】ルーマス リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ツィオン・アイゼンフェルト
(72)【発明者】
【氏名】ヨチェイ・ダンジガー
(72)【発明者】
【氏名】エイタン・ロネン
(72)【発明者】
【氏名】ロネン・クリキ
(72)【発明者】
【氏名】モルデハイ・ギロ
(72)【発明者】
【氏名】エラド・シャーリン
【審査官】近藤 幸浩
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／２２１０２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０１６９２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５０２７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２０－５００１６６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０２
Ｇ０２Ｂ ２７／０１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学アパーチャ増倍器であって、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、前記平行面のペアが、矩形断面を共に形成し、前記第１の光導波路が、前記平行面のペアにおける４重折り曲げ内部反射によって光を導波し、かつ前記第１の光導波路から外部へ、前記第１の光導波路に光学的に結合されている第２の光導波路中に、光を結合させる外部結合構成に関連付けられるように構成されており、前記第１の面又は前記第２の面が、それぞれ異なる光学特性を有する第１の領域及び第２の領域に細分化されている、第１の光導波路と、
前記第１の導波路中に光を透過させる表面を含む光内部結合構成であって、前記表面が、前記第２の領域に隣接する前記第３の面又は前記第４の面の一部と関連して展開され、その結果、前記表面に関連付けられた縁端部が、コリメートされた入力画像を第１の距離で切り落とし、かつ前記第１の領域と前記第２の領域との間の境界が、前記コリメートされた入力画像を第２の距離で切り落として、４重折り曲げ内部反射によって前記第１の光導波路を通って前進する、切り落とされたコリメートされた画像を生成する、光内部結合構成と、を備える、光学アパーチャ増倍器。
【請求項2】
前記第１の領域と前記第２の領域との間の前記境界が、光学入力軸に沿って見られたときに、前記境界の画像と共に、眼に見える入力光学アパーチャを提示する、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項3】
前記コリメートされた入力画像の一部が、前記縁端部と交差するか、又は前記縁端部によって重複される前記第１の面上の点で反射される、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項4】
前記縁端部が、前記表面の第１の縁端部であり、前記表面が、前記コリメートされた入力画像を光学画像生成器から受け取る光入射表面と共通の縁端部である第２の縁端部を含む、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項5】
前記縁端部が、前記光入射表面に対して平行である、請求項４に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項6】
前記縁端部が、前記光入射表面に対して非平行である、請求項４に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項7】
前記表面が、前記コリメートされた入力画像を光学画像生成器から受け取り、前記縁端部が、前記表面の第１の縁端部であり、前記表面が、前記縁端部によって切り落とされるように、受け取った前記コリメートされた入力画像を前記表面に反射させて戻す反射表面と共通の縁端部である第２の縁端部を含む、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項8】
前記第２の光導波路を更に備えており、前記第２の光導波路が、第３の平行面のペアを有し、かつ前記第３の平行面のペアにおける内部反射によって光を導波するように構成されており、前記第２の光導波路が、前記第２の光導波路から外部へ光を結合させる、前記第３の平行面のペアの間にあり、かつ前記第３の平行面のペアに対して傾斜する、複数の部分反射表面を含む、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項9】
コーティング又は材料が、前記第１の面を前記第１の領域及び前記第２の領域に細分化するように、前記第２の面と関連して展開されている、請求項８に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項10】
第５の面を含み、かつ前記第１の面において前記第１の光導波路に光学的に結合された光学基板を更に備えており、コーティング又は材料が、前記第１の面を前記第１の領域及び前記第２の領域に細分化するように、前記第１の面に関連付けられている、請求項８に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項11】
前記光外部結合構成が、前記第１の光導波路を少なくとも部分的に横断し、かつ前記第１の光導波路の伸長方向に対して斜め方向に傾斜している複数の部分反射表面を含む、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項12】
前記光外部結合構成が、前記第２の面に関連付けられた部分反射表面を含む、請求項１に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項13】
光学アパーチャ増倍器であって、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、前記平行面のペアが、矩形断面を共に形成しており、部分反射表面が、前記第２の面に関連付けられ、かつ前記第２の面に対して平行である、第１の光導波路と、
第３の平行面のペアを含む複数の面を有する第２の光導波路であって、前記第２の光導波路が、前記第２の面と、前記第２の光導波路の前記面のうちの１つとの間の境界面において、前記第１の光導波路に光学的に結合されており、光方向転換配置が、前記第２の光導波路の第１の領域に関連付けられ、かつ光外部結合構成が、前記第２の光導波路の第２の領域に関連付けられている、第２の光導波路と、を備え、
前記光結合、前記部分反射表面、前記光方向転換配置、及び前記光外部結合構成は、画像に対応する光が前記第１の光導波路中に結合されたときに、前記光が、前記第２の光導波路の前記第１の領域中に結合されるように、前記部分反射表面において透過された前記光の強度のある割合で、前記第１の光導波路に沿って４重折り曲げ内部反射によって前進し、前記光導波路の前記第２の領域中に方向転換されるように、前記光方向転換配置によって偏向された前記光の強度のある割合で、前記第３の平行面のペアにおける内部反射によって、前記第２の光導波路の前記第１の領域内で伝播し、前記光外部結合構成によって前記第２の光導波路から外部へ偏向された、前記第２の光導波路の前記第２の領域内で伝播する前記光の強度のある割合で、前記第３の平行面のペアにおける内部反射によって、前記第２の光導波路の前記第２の領域内で伝播するように構成されている、光学アパーチャ増倍器。
【請求項14】
前記光外部結合構成が、前記第３の平行面のペアに対して傾斜する、前記第２の光導波路内に展開された複数の部分反射表面を含む、請求項１３に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項15】
前記光外部結合構成が、前記第３の平行面のペアの前記面のうちの少なくとも１つに関連付けられた回折光学素子を含む、請求項１３に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項16】
前記光方向転換配置が、追加面に対して傾斜する、前記第２の光導波路の前記第１の領域内に展開された複数の部分反射表面を含む、請求項１３に記載の光学アパーチャ増倍器。
【請求項17】
前記光方向転換配置が、前記第２の光導波路の前記面のうちの１つに関連付けられた回折光学素子を含む、請求項１３に記載の光学アパーチャ増倍器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年２月２５日に出願された米国仮特許出願第６３／１５３，４３３号、及び２０２２年１月７日に出願された米国仮特許出願第６３／２９７，２９９号からの優先権を主張し、それらの開示は、参照により、それらの全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年２月２５日に出願された米国仮特許出願第６３／１５３，４３３号、及び２０２２年１月７日に出願された米国仮特許出願第６３／２９７，２９９号からの優先権を主張し、それらの開示は、参照により、それらの全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、光学アパーチャ増倍器、特に、薄いスラブ型光導波路に光学的に結合された矩形光導波路を含む光学アパーチャ増倍器に関する。
【背景技術】
【0003】
二次元の光学アパーチャ拡張（又は増倍）を提供する光学デバイスが、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ（Ｉｓｒａｅｌ）によって、様々な刊行物に記載されている。そのような光学デバイスの１つの特定のセットにおいて、二次元のアパーチャ拡張は、２つの光導波路を介して達成される。第１の光導波路は、矩形断面を形成する平行面の２つのペアを有し、その第１の光導波路の伸長方向に対して傾斜している、部分反射内面の第１のセットを有する。薄いスラブの形態の第２の光導波路は、第１の（矩形）導波路に光学的に結合され、かつ平行な主外面のペア、及びその主外面に対して傾斜する部分反射内面の第２のセットを有する。光結合、及び部分的に反射する内面のセットは、矩形導波路中に結合された画像光が（平行面の２つのペアにおける）４重折り曲げ内部反射によって矩形導波路に沿って前進し、ある割合の画像強度が、第１のセットの内面において反射され、第２の導波路中に結合されるようになる。次いで、その画像光は、第２の導波路の主外面における内部反射によって前進し、ある割合の画像強度が、内面の第２のセットにおいて反射され、第２の導波路から外部へ結合されて、観察者の眼によって見られる。
【発明の概要】
【0004】
本発明の態様は、矩形導波路を有する光学アパーチャ増倍器を提供する。本発明の第１の態様による特定の好ましい実施形態は、光学アパーチャ増倍器を提供し、それらの各々は、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合されている第１の矩形光導波路中に画像光を送達するための光内部結合構成を有する。矩形導波路は、（矩形断面を形成する）平行面の２つのペアを有し、その平行面の２つのペアにおいて４重折り曲げ内部反射によって光を導波し、かつ矩形導波路の内側の、部分反射表面のセットを介して、その導波された光を第２の導波路中に結合させるように構成される。第２の導波路は、平行面のペアを有し、その平行面のペアにおける内部反射によって内部結合された光を導波し、かつ、第２の導波路の内側の、部分反射表面のセットを介して（又は１つ以上の回折素子を介して）、その導波された光を観察者に向かって外向きに結合させるように構成される。特定の実施形態では、光内部結合構成は、境界面の第１の領域とは異なる光学特性を有する、２つの導波路間の境界面の第２の領域に隣接する矩形導波路の前面又は背面の一部に展開される。１つのセットの実施形態では、境界面の第１の領域は、反射コーティングを含み、第２の領域は、コーティングを施していないか、又は低屈折率の材料若しくはコーティングを含むかのいずれかである。別のセットの実施形態では、境界面の第１の領域は、コーティングされず、かつ第２の領域は、低屈折率材料でコーティングされる。
【0005】
本発明の第２の態様による特定の好ましい実施形態は、矩形導波路の内側の、部分反射表面のセットを含まない矩形導波路を提供する。代わりに、矩形導波路から第２の導波路への光の光結合は、第２の導波路との光結合（境界面）を形成する矩形導波路の下面に関連付けられ、かつその下面に対して平行である、部分反射表面によって行われる。特定の好ましい実施形態では、部分反射表面は、１つ以上の誘電体層で矩形導波路の下面をコーティングすることによって形成され、矩形導波路中に結合される光は、そのコーティングされた下面に対してｓ偏光される。矩形導波路の内側の部分反射表面のセットの代わりに、部分反射表面を使用することにより、作製プロセスを簡略化し、光学アパーチャ増倍器の製造コストを削減することができる。
【0006】
本発明の実施形態の教示によれば、光学アパーチャ増倍器が提供される。この光学アパーチャ増倍器は、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、平行面のそれらのペアは、矩形断面を共に形成し、第１の光導波路は、平行面のペアにおける４重折り曲げ内部反射によって光を導波し、かつ第１の光導波路から外部へ、第１の光導波路に光学的に結合されている第２の光導波路中に、光を結合させる外部結合構成に関連付けられるように構成されており、第１の面又は第２の面は、それぞれ異なる光学特性を有する第１の領域及び第２の領域に細分化されている、第１の光導波路と、第１の導波路中に光を透過させる表面を含む光内部結合構成であって、表面は、第２の領域に隣接する第３の面又は第４の面の一部と関連して展開され、その結果、表面に関連付けられた縁端部は、コリメートされた入力画像を第１の距離で切り落とし、かつ第１の領域と第２の領域との間の境界は、コリメートされた入力画像を第２の距離で切り落として、４重折り曲げ内部反射によって第１の光導波路を通って前進する、切り落とされたコリメートされた画像を生成する、光内部結合構成と、を備える。
【0007】
任意選択的に、第１の領域と第２の領域との間の境界は、光学入力軸に沿って見られたときに、境界の画像と共に、眼に見える入力光学アパーチャを提示する。
【0008】
任意選択的に、コリメートされた入力画像の一部は、縁端部と交差するか、又は縁端部によって重複する第１の面上の点で反射される。
【0009】
任意選択的に、縁端部は、表面の第１の縁端部であり、表面は、コリメートされた入力画像を光学画像生成器から受け取る光入射表面と共通の縁端部である第２の縁端部を含む。
【0010】
任意選択的に、縁端部は、光入射表面に対して平行である。
【0011】
任意選択的に、縁端部は、光入射表面に対して非平行である。
【0012】
任意選択的に、表面は、コリメートされた入力画像を光学画像生成器から受け取り、縁端部は、表面の第１の縁端部であり、表面は、縁端部によって切り落とされるように、受け取ったコリメートされた入力画像を表面に反射させて戻す反射表面と共通の縁端部である第２の縁端部を含む。
【0013】
任意選択的に、光学アパーチャ増倍器は、第２の光導波路を更に備えており、第２の光導波路は、第３の平行面のペアを有し、かつ第３の平行面のペアにおける内部反射によって光を導波するように構成されており、第２の光導波路は、第２の光導波路から外部へ光を結合させる、第３の平行面のペアの間にあり、かつ第３の平行面のペアに対して傾斜する、複数の部分反射表面を含む。
【0014】
任意選択的に、コーティング又は材料は、第１の面を第１の領域及び第２の領域に細分化するように、第２の面と関連して展開される。
【0015】
任意選択的に、光学アパーチャ増倍器は、第５の面を含み、かつ第１の面において第１の光導波路に光学的に結合された光学基板を更に備えており、コーティング又は材料は、第１の面を第１の領域及び第２の領域に細分化するように、第１の面に関連付けられる。
【0016】
任意選択的に、光外部結合構成は、第１の光導波路を少なくとも部分的に横断し、かつ第１の光導波路の伸長方向に対して斜め方向に傾斜している複数の部分反射表面を含む。
【0017】
任意選択的に、光外部結合構成は、第２の面に関連付けられた部分反射表面を含む。
【0018】
また、本発明の教示の実施形態によれば、光学アパーチャ増倍器も提供される。この光学アパーチャ増倍器は、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、平行面のそれらのペアは、矩形断面を共に形成し、部分反射表面は、第２の面に関連付けられ、かつ第２の面に対して平行である、第１の光導波路と、画像に対応する偏光を、平行面の第１及び第２のペアの両方に対して傾斜する結合角で、初期伝播方向を有する第１の光導波路中に結合させるための光内部結合構成であって、その偏光は、第２の面に対してｓ偏光されている、光内部結合構成と、第３の平行面のペアを含む複数の面を有する第２の光導波路であって、第２の光導波路は、第２の面と、第２の光導波路の面のうちの１つとの間の境界面において、第１の光導波路に光学的に結合されており、光外部結合構成は、第２の光導波路に関連付けられている、第２の光導波路と、を備え、光結合及び部分反射表面が、画像に対応する光が第１の光導波路中に結合されたときに、光は、第２の光導波路中に結合されるように、部分反射表面において透過された光の強度のある割合で、第１の光導波路に沿って４重折り曲げ内部反射によって前進し、かつ、光外部結合構成によって第２の光導波路から外部へ偏向された、第２の光導波路内で伝播する光の強度のある割合で、第３の平行面のペアにおける内部反射によって、第２の光導波路内で伝播するように構成されている。
【0019】
任意選択的に、第２の面の少なくとも大部分は、部分反射表面を形成するように、かつ部分反射表面がｓ偏光に対して部分的に反射可能であるように、１つ以上の誘電体コーティング層を含む。
【0020】
任意選択的に、その光学アパーチャ増倍器は、第２の光導波路中に結合されるべき光の偏光状態を回転させるための、境界面に配置された波長板を更に備える。
【0021】
任意選択的に、光外部結合構成は、第３の平行面のペアに対して傾斜する第２の光導波路内に展開された複数の部分反射表面を含む。
【0022】
任意選択的に、光外部結合構成は、第３の平行面のペアの面のうちの少なくとも１つに関連付けられた回折光学素子を含む。
【0023】
また、本発明の教示の実施形態によれば、光学アパーチャ増倍器も提供される。この光学アパーチャ増倍器は、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、平行面のそれらペアは、矩形断面を共に形成し、部分反射表面は、第２の面に関連付けられ、かつ第２の面に対して平行である、第１の光導波路と、第３の平行面のペアを含む複数の面を有する第２の光導波路であって、その第２の光導波路は、第２の面と、第２の光導波路の面のうちの１つとの間の境界面において、第１の光導波路に光学的に結合されており、光方向転換配置は、第２の光導波路の第１の領域に関連付けられ、かつ光外部結合構成は、第２の光導波路の第２の領域に関連付けられている、第２の光導波路と、を備え、光結合、部分反射表面、光方向転換配置、及び光外部結合構成は、画像に対応する光が第１の光導波路中に結合されたときに、その光は、第２の光導波路の第１の領域中に結合されるように、部分反射表面において透過された光の強度のある割合で、第１の光導波路に沿って４重折り曲げ内部反射によって前進し、光導波路の第２の領域中に方向転換されるように、光方向転換配置によって偏向された光の強度のある割合で、第３の平行面のペアにおける内部反射によって、第２の光導波路の第１の領域内で伝播し、光外部結合構成によって第２の光導波路から外部へ偏向された、第２の光導波路の第２の領域内で伝播する光の強度のある割合で、第３の平行面のペアにおける内部反射によって、第２の光導波路の第２の領域内で伝播するように構成される。
【0024】
任意選択的に、光外部結合構成は、第３の平行面のペアに対して傾斜する、第２の光導波路内に展開された複数の部分反射表面を含む。
【0025】
任意選択的に、光外部結合構成は、第３の平行面のペアの面のうちの少なくとも１つに関連付けられた回折光学素子を含む。
【0026】
任意選択的に、光方向転換配置は、追加面に対して傾斜する、第２の光導波路の第１の領域内に展開された複数の部分反射表面を含む。
【0027】
任意選択的に、光方向転換配置は、第２の光導波路の面のうちの１つに関連付けられた回折光学素子を含む。
【0028】
また、本発明の教示の実施形態によれば、光学アパーチャ増倍器も提供される。この光学アパーチャ増倍器は、第１の面及び第２の面を含む第１の平行面のペア、並びに第３の面及び第４の面を含む第２の平行面のペアを有する第１の光導波路であって、平行面のそれらのペアは、矩形断面を共に形成し、部分反射表面は、第２の面に関連付けられ、かつ第２の面に対して平行である、第１の光導波路と、第５の面及び第６の面を含む第３の平行面のペアを有する第２の光導波路であって、光外部結合構成は、第２の光導波路に関連付けられており、第１の光導波路は、第２の光導波路に光学的に結合され、かつ第２の面が第５の面に対して斜め方向に傾斜しているように、第２の光導波路に対して傾斜している、第２の光導波路と、を備え、光結合及び部分反射表面は、画像に対応する光が第１の光導波路中に結合されたときに、その光は、第２の光導波路に入射するように部分反射表面において透過された光の強度のある割合で、第１の光導波路に沿って４重折り曲げ内部反射によって前進し、第２の光導波路入射する光の一部は、光外部結合構成によって第２の光導波路から外部へ偏向された第２の光導波路内で伝播する光の強度のある割合で、第３の平行面のペアにおける内部反射によって第２の光導波路内で伝播するように構成される。
【0029】
任意選択的に、その光学アパーチャ増倍器は、第１の光導波路と第２の光導波路との間に光結合を提供する中間ウィンドウを更に備え、その中間ウィンドウは、第２の光導波路に入射する、部分反射表面において透過された光の一部が、第５の面において反射されて中間ウィンドウに向かって戻るように、展開される。
【0030】
本明細書で別段の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び／又は科学用語は、本発明が関係する当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと同様又は同等の方法及び材料が、本発明の実施形態の実施又は試験に使用され得るが、例示的な方法及び／又は材料が、以下に記載されている。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が支配する。更に、材料、方法、及び例は、例示にすぎず、必ずしも限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0031】
本発明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。詳細な、図面への具体的な言及について、示された細目は、例として、及び本発明の実施形態の例示的な考察の目的のためであることを強調しておく。これに関して、図面と併せてなされた説明により、本発明の実施形態がどのように実施され得るかが当業者に明らかになる。
【0032】
ここで、図面に注意を向けると、図面では、同様の参照番号又は文字は、対応する又は同様の構成要素を示す。図面は以下のとおりである。
【0033】
【図1A】本発明の第１の態様の実施形態の教示による、複数の部分反射内面を有する第１の矩形光導波路を有し、複数の部分反射内面を有する第２の薄いスラブ型光導波路と光学的に結合された光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図1B】本発明の第１の態様の実施形態の教示による、複数の部分反射内面を有する第１の矩形光導波路を有し、複数の部分反射内面を有する第２の薄いスラブ型光導波路と光学的に結合された光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図2】本発明の実施形態による、２つの光導波路間の境界面領域の大部分における、入射角（ＡＯＩ）の関数としての反射率のグラフである。
【図3】本発明の実施形態による、光を矩形光導波路中に結合させるために使用することができる光内部結合構成を示す等角図である。
【図8A】本発明の実施形態による、２つの光導波路間の境界面領域内に展開された部分反射表面を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図8B】本発明の実施形態による、２つの光導波路間の境界面領域内に展開された部分反射表面を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図9A】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合され、かつ不活性材料のブロックに更に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に対して平行であり、かつ関連付けられており、並びに第２の光導波路は、複数の部分反射内面を有する。
【図9B】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合され、かつ不活性材料のブロックに更に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に対して平行であり、かつ関連付けられており、並びに第２の光導波路は、複数の部分反射内面を有する。
【図11】本発明の実施形態による、図９Ａの光学アパーチャ増倍器と同様の光学アパーチャ増倍器を示す概略等角図であり、その中で、２つの光導波路間の境界面領域は、その２つの光導波路間を接続して、図３の光内部結合構成の展開に適応する面の、全部ではない大部分に沿って延在する材料又はコーティングを有する。
【図12】本発明の実施形態による、図１１に表された光学アパーチャ増倍器と同様の光学アパーチャ増倍器を示す概略等角図であるが、その中で、矩形光導波路の結合面に関連付けられている部分反射表面は、各領域で異なる反射率を有する複数の非重複領域に分割されている。
【図14】本発明の実施形態による、矩形光導波路から外部に結合された画像のうちの１つのみが第２の光導波路中に結合されるように、矩形光導波路が第２の光導波路に対して傾斜している光学アパーチャ増倍器を示す概略側面図である。
【図15A】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に関連付けられ、かつカバー部材は、矩形光導波路の外面の一部をカバーするように展開されている。
【図15B】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に関連付けられ、かつカバー部材は、矩形光導波路の外面の一部をカバーするように展開されている。
【図18A】本発明の実施形態による、図１５Ａ及び１５Ｂの光学アパーチャ増倍器と同様であるが、カバー部材を備えず、かつ回折内部結合素子及び回折外部結合素子を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図18B】本発明の実施形態による、図１５Ａ及び１５Ｂの光学アパーチャ増倍器と同様であるが、カバー部材を備えず、かつ回折内部結合素子及び回折外部結合素子を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図19A】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に関連付けられ、かつ第２の光導波路は、第１の領域内に光方向転換配置、及び第２の領域内に複数の部分反射内面を有する。
【図19B】本発明の第２の態様の実施形態の教示による、第２の薄いスラブ型光導波路に光学的に結合された第１の矩形光導波路を有する光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び側面図であり、その中で、部分反射表面は、第２の光導波路に光学的に結合されている矩形光導波路の面に関連付けられ、かつ第２の光導波路は、第１の領域内に光方向転換配置、及び第２の領域内に複数の部分反射内面を有する。
【図20A】本発明の実施形態による、図１９Ａ及び１９Ｂに表されるような光学アパーチャ増倍器と同様であり、回折内部結合素子及び回折外部結合素子を有する、光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図20B】本発明の実施形態による、図１９Ａ及び１９Ｂに表されるような光学アパーチャ増倍器と同様であり、回折内部結合素子及び回折外部結合素子を有する、光学アパーチャ増倍器を示す、それぞれ、概略正面図及び概略側面図である。
【図23】本発明の実施形態による、矩形光導波路と薄いスラブ型光導波路との間の種々の結合幾何形状を示す概略等角図である。
【図24A】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【図24B】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【図24C】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【図24D】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【図24E】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【図24F】本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器の作製プロセスで使用される一連の工程を示す概略等角図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
本発明の態様の実施形態は、矩形導波路を有する光学アパーチャ増倍器の形態で光学デバイスを提供する。
【0035】
本発明による光学デバイス及び方法の原理及び動作は、説明に付随する図面を参照してより良く理解され得る。添付の図面は、任意にラベル付けされているが、各図面の間で首尾一貫しているｘｙｚ座標系が提供されている。このｘｙｚ座標系は、本明細書において、各図面の間で共通の参照フレームを提供することによって、開示される実施形態をより十分に説明するために使用される。
【0036】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に述べられた、並びに／又は図面及び／若しくは例に示された構成要素及び／又は方法の構築の詳細及び配置への適用に必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であるか、又は様々な方式で実践又は実施することができる。まず、この文書全体にわたって、例えば、前及び後、上及び下、上部及び下部などの方向について言及される。これらの方向基準は、単に例示的なものであり、表現を容易にするためのみに使用され、各図面に示されるように、任意の配向を参照する。最終的な光学デバイスは、任意の必要な配向で展開され得る。
【0037】
ここで、図面を参照すると、図１Ａ～７Ｂは、本発明の第１の態様の実施形態によって構築され、動作可能な光学アパーチャ増倍器１を示している。一般的な用語において、光学アパーチャ増倍器１（「光学デバイス」とも称される）は、伸長方向（本明細書では、「ｘ軸」に対応するものとして任意に示される）を有する第１の光導波路１０、及びコリメートされた画像に対応する画像光６０（「光ビーム」又は「ビーム」とも称される）を光導波路１０中に結合させる光内部結合構成８０を含む。
【0038】
この光導波路１０は、光透過材料（光透過基板）から形成され、矩形断面を形成する第１の平行面のペア１２ａ、１２ｂ、及び第２の平行面のペア１４ａ、１４ｂを有する（すなわち、第１の面のペア、及び第２のペアは直交する）。光導波路１０はまた、（平行面であっても又はなくてもよい）面１６ａ、１６ｂの追加のペアも有する。面１６ａ、１６ｂが平行な面である特定の実施形態では、面１６ａ、１６ｂは、第１の面のペア１２ａ、１２ｂ、及び第２の面のペア１４ａ、１４ｂに対して直交する場合がある。本発明の特定の実施形態によれば、光導波路１０は、光導波路１０を少なくとも部分的に横断し、かつ光導波路１０の伸長方向に対して斜め方向に傾斜する（面１２ａ、１２ｂに対して傾斜する）、複数の相互に平行な部分反射内面（「ファセット」とも称される）１８を有する。特定の実施形態では、ファセット１８は、面１２ａ、１２ｂ及び面１４ａ、１４ｂの両方に対して傾斜する。この文書全体にわたって、「面」、「外面」、「外部表面」という用語は、区別なく使用される。明らかになっていくように、そのような面のいくつかは、主面（「主外面」又は「主外部表面」とも称される）である。
【0039】
好ましい実施形態では、光学アパーチャ増倍器１はまた、光導波路１０にも光学的に結合され、第３の平行面のペア２２ａ、２２ｂを有する第２の光導波路２０も含む。ここでも、本発明の特定の実施形態によれば、複数の相互に平行な部分反射内面（「ファセット」）２８は、光導波路２０を少なくとも部分的に横断し、面２２ａ、２２ｂに対して斜め方向に傾斜する。光導波路２０はまた、面２４ａ、２４ａ、２６ａ、２６ｂの２つの追加のペアも有し、それらの各々は、面２２ａ、２２ｂに対して非平行であり、それらの各々は、平行面のペアであっても又はなくてもよい。特定の実施形態では、面２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂの各ペアは、相互に直交する。特定の実施形態では、ファセット２８はまた、面２４ａに対しても斜め方向に傾斜するが、以下で考察されるように、他の実施形態では、ファセット２８は、面２４ａに対して平行である場合がある。
【0040】
光導波路２０はまた、光透過材料（光透過基板１９）からも形成され、（２つの光導波路１０、２０が同じ屈折率を有するように）光導波路１０を形成するために使用される同じ材料から形成されるが、薄いスラブ型導波路を形成することが好ましく、この場合、面２４ａ、２４ｂのペアと、面２６ａ、２６ｂのペアとの間の距離は、面２２ａ、２２ｂとの間の距離よりも、少なくとも桁の大きい大きさである。
【0041】
面１６ａ、２６ａは、面１６ｂ、２６ｂと同じように、平行であることが好ましい。更に、面１４ａ、２２ａは、面１４ｂ、２２ｂと同じように、平行であることが好ましい。
【0042】
光導波路２０は、面１２ｂ、２４ａの間の境界面４０において、光導波路１０に光学的に結合される。言い替えると、光導波路１０、２０の間の光結合は、面１２ｂ、２４ａの間に形成されている境界面４０を画定する。本発明の特定の実施形態の格別な特徴は、光内部結合構成８０が、面１２ｂ（したがって、境界面４０）の特定の領域４６に隣接する導波路２０の前面１４ａ、背面１４ｂの一部と関連して展開されて、光ビーム６０の注入されたアパーチャで光導波路１０を充填することを可能にすることである。光内部結合構成８０を導波路１０、２０に展開する具体例については、特に図３Ａ～３Ｅを参照して、本開示の後続のセクションで詳細に説明されるであろう。
【0043】
光導波路１０、２０の間の光結合、並びに部分反射表面１８、２８及び光内部結合構成８０の展開及び構成は、光内部結合構成８０が第１の平行面のペア１２ａ、１２ｂ、及び第２の平行面のペア１４ａ、１４ｂの両方に対して傾斜する結合角で伝播する初期方向を有する画像光６０を光導波路１０中に結合（注入）させたときに、その画像は、光導波路２０中に結合されるように、部分反射表面１８において反射された画像の強度のある割合で、光導波路１０に沿って４重折り曲げ内部反射（画像６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ）によって前進し、次いで、観察者の眼２によって見られる可視画像６６として、平行面２２ａのうちの１つから外向きに指向されるように、部分反射表面２８において反射された（偏向された）画像の強度のある割合で、光導波路２０内で２重折り曲げ内部反射（画像６４ａ、６４ｂ）を通じて伝播するようになる。眼２は、眼球運動ボックス（ＥＭＢ）３（すなわち、眼２の瞳孔が、投影された画像を見ることになる、光導波路２０の面２２ａの平面から離間された、典型的には矩形として表される形状）によって指定された、許容位置範囲内のある位置に置かれる。
【0044】
光導波路１０は、それが平行面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂの２つのセットの間の反射によって、注入された画像を二次元で導波するという意味で、本明細書では、二次元（２Ｄ）導波路と称され、これに対して、光導波路２０は、注入された画像を平行面２２ａ、２２ｂの１つのペアの間の一次元のみで導波する、一次元（１Ｄ）導波路又は光導波光学素子（ＬＯＥ）と称される。光ビーム６０（図示されていない光学画像生成器によって生成される）は、光内部結合構成８０によって、ある角度で光導波路１０中に注入される。その結果、図１Ｂの側面図に示されるように、その光は、光導波路１０の４つの外面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ全てから内部反射されながら、光導波路１０に沿って伝播する。このプロセスでは、面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂによって内部反射されるときと同じ画像を表す４つの共役ビームベクトル６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが生成される。
【0045】
光導波路１０内の導波光ビーム（例えば、６２ａ及び６２ｂ）の一部は、境界面４０を通って、ファセット１８によって下向きに、そして光導波路２０の入力結合表面（面２４ａ）上に反射される。光導波路２０では、これらのビームは、６４ａ及び６４ｂとして画定される。ビーム６４ａ及び６４ｂは、外面２２ａ、２２ｂによって反射されて共役になり、すなわち、ビーム６４ａは、（図１Ｂに図示してあるように）反射されて６４ｂになり、その逆も又同様である。言い替えると、光導波路２０は、面２２ａ、２２ｂにおける２重折り曲げ内部反射によって画像光６４ａ、６４ｂを導波し、その結果、画像光６４ａ、６４ｂは、光導波路２０に沿って、２重折り曲げ内部反射（画像６４ａ、６４ｂ）によって前進する。光導波路２０内の内部反射は、ファセット１８が光ビームを光導波路２０に注入する急角度に起因して、ＴＩＲによって達成することができるか、又はオプティカルコーティングによって達成することができる。
【0046】
前述したように、光導波路１０の外部の前面１４ａ及び背面１４ｂは、互いに平行である必要があり、この実施態様では、光導波路２０の対応する外面２２ａ、２２ｂに対して平行である必要がある。平行度からの任意の逸脱により、結合された画像６４ａ及び６４ｂは、正確な共役画像ではないことを引き起こし、画像品質が低下することになる。
【0047】
光導波路２０内のファセット２８は、可視画像（「投影画像」と称される）として、光導波路の外側に、そして眼２に向かって、ビーム６４ｂを反射させる。例示された実施形態では、ファセット１８、２８の部分反射率は、ファセット１８、２８上のオプティカルコーティング（選択的反射コーティング）によって決定される。
【0048】
ファセット１８、２８のセットの各々は、それぞれの光導波路に関連付けられ、かつ光導波路から外部へ伝播光を結合させるように機能する、光外部結合構成である。しかしながら、本開示の後続のセクションで考察されるように、光外部結合構成が他の形態をとる他の実施形態が想定される。例えば、特定の実施形態では、内部ファセット１８の代わりに、第１の光導波路１０に関連付けられた光外部結合構成は、導波路１０の下面１２ｂに対して平行である、光導波路１０、２０の間の境界面４０において部分反射表面の形態をとることができる。特定の実施形態では、第２の光導波路２０に関連付けられた光外部結合構成は、面２２ａ、２２ｂの１つ以上の部分上に、１つ以上の回折素子の形態をとることができる。
【0049】
導波路１０及び２０の外面及び内部ファセットによって組み合わされた反射は、第１及び第２の次元の両方において、元の注入されたアパーチャを拡張する。導波路１０は、（図１Ａでは、ｘ次元である）第１の次元でアパーチャを拡張し、導波路２０は、（図１Ａでは、ｙ次元にほぼ沿っているが、例示された実施形態では、より詳細には、ｙ軸からオフセットされているｙ’に沿っている）ファセット１８の平面に対して直交する第２の次元でアパーチャを拡張する。導波路１０のアパーチャ拡張は、導波路を画像で充填し、次いで、導波路の長さに沿って連続的な方法で、ファセット１８を介して導波路から外部へ画像を結合させることによって達成されることが好ましい。
【0050】
本明細書に例示される実施形態のうちの多くでは、面２２ａ、２２ｂは、実際には、光導波路２０が形成されている光透過基板１９の外面２７ａ、２７ｂに光学的に取り付けられているカバープレート３９ａ、３９ｂの外面として実際に形成されていることに留意されたい。ファセット２８は、概して、基板の外面２７ａ、２７ｂの間に延在し、したがって、カバープレート３９ａ、３９ｂの面２２ａ、２２ｂの間に延在しない。カバープレート３９ａ、３９ｂを使用して、二重反射、すなわち、画像６４ａ又は６４ｂが同じファセットから２回反射される状況を回避することができる。具体的には、カバープレート３９ａ、３９ｂは、ファセット２８によって一度反射された後、光の透過部分は、そのファセットの上又は下に伝播し、次のファセットに直接前進することを確実にするのに役立ち、それによって、画像の均一性が強化される。しかしながら、特定の実施形態では、カバープレート３９ａ、３９ｂは、排除され得、基板１９の厚さを調整して、基板１９の外面２７ａ、２７ａ、及び導波路１０の面２２ａ、２２ｂは、同一になる。カバープレートのない薄いスラブ型光導波路２０を有する光学アパーチャ増倍器の例が、図１Ｃに示されている。カバープレート３９ａ、３９ｂを用いて本明細書に説明されている本発明の実施形態の全てはまた、特段明示的に示されない限り、そのようなカバープレートなしで実践することもできる。
【0051】
また、画像が光導波路１０を通って前進するにつれて、照明の強度は、ファセット１８による光の漸進的な外部結合に起因して、徐々に減少することにも留意されたい。より良好な均一性及び光効率を達成するために、特定の好ましい実施形態では、ファセット１８の反射率は、光導波路１０を通る光の伝播方向に沿って増加し、これは、光導波路２０中に結合された光の強度を徐々に増加させる。同じやり方で、特定の実施形態では、ファセット２８の反射率はまた、光導波路２０を通る光の伝播方向に沿って増加して、ファセット２８による、光の漸進的な外部結合によって引き起こされる光強度の減少も相殺することが好ましい。
【0052】
ついでながら、本明細書において、画像が光ビームによって表されるいかなる場合であっても、そのビームは、画像のサンプルビームであり、これは、通常、画像の点又は画素に各々対応する、わずかに異なる角度で複数のビームによって形成されることに留意されたい。特に像の端と称される場合を除いて、図示されているビームは、通常は、像の重心である。
【0053】
特に、図１Ａ及び１Ｂを参照すると、面１２ｂは、それぞれの第１及び第２の光学特性を有する、非重複の第１の領域４５及び第２の領域４６に細分化されている。第１の領域４５は、伸長方向に沿って面１２ｂの、全部ではない大部分を占有し（すなわち、それに沿って延在し）、これに対して、第２の領域４６は、伸長方向に沿って面１２ｂの残りの少数部分を占有している（それに沿って延在している）。領域４５は、伸長方向の面１２ｂの少なくとも７０％であることが好ましいが、伸長方向の延在の特定の量は、本開示の後続のセクションで考察されるように、光学アパーチャ増倍器の光学設計仕様、特に、光内部結合構成８０のサイズ及び展開位置に基づき得る。特定の場合では、伸長方向の延在の量は、少なくとも８０％又は少なくとも９０％とすることができる。
【0054】
第１の光学特性は、内部反射の条件を保持する部分反射特性であり、このため、領域４５内の面１２ｂの一部に入射する面１２ａ、１４ａ、１４ｂのうちの１つから反射された光は、（内部反射によって導波路１０を通る伝播を継続するように）面１２ｂにおいて反射されるだけでなく、領域４６内の面１２ｂの一部に向かってファセット１８によって偏向されるそのような光も、面１２ｂによって導波路２０中に透過される。第１の光学特性とは異なる第２の光学特性は、透過特性であり、このため、光内部結合構成８０からの光は、領域４６に隣接する導波路１０の一部分を通る透過を介して、導波路１０に入射することができる。
【0055】
更に、光導波路１０は、伸長方向に直交し、かつ２つの領域４５、４６の間の境界４７を通過する光導波路１０内の（任意にラベル付けされた座標系では、ｙｚ片面である）矩形断面Ｐによって、第１の導波路領域１１及び第２の導波路領域１３に細分化されている。第１の導波路領域１１の下面は、面１２ｂの第１の領域４５であり（言い替えると、第１の領域４５は、第１の導波路領域１１に対応する）、第２の導波路領域１３の下面は、面１２ｂの第２の領域４６である（言い替えると、第２の領域４６は、導波路１０の「内部結合領域」とも称される第２の導波路領域１３に対応する）。
【0056】
特定の実施形態では、面１２の細分化は、面１２ｂの、全部ではないが大部分に沿って、伸長方向に延在する面１２ｂの大部分と関連して展開されるコーティング又は材料４４によって、少なくとも部分的に実行される。コーティング又は材料４４の延在はまた、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、（任意にラベル付けされた座標系では、ｚ軸に沿っている）横（又は水平）方向に面１２ｂ全体にも沿っていることが好ましい。面１２ｂの第１の領域４５は、材料又はコーティング４４に関連付けられており、面１２ｂの第２の領域４６は、材料又はコーティング４４に関連付けられていない。更に、境界面４０は、面１２ｂ、２４ａの間に形成されているため、コーティング又は材料４４は、境界面４０に配置され、境界面４０を、前述の２つの領域４５、４６に対応する２つの領域に効果的に細分化する。
【0057】
特定の実施形態では、材料又はコーティング４４の延在は、伸長方向の面１２ｂの少なくとも７０％に沿っているが、伸長方向の延在の量は、少なくとも８０％又は少なくとも９０％であってもよい。
【0058】
材料又はコーティング４４は、２つの導波路１０、２０を共に結合する前に、面１２ｂ、２４ａのいずれか又は両方に適用することができ、その結果、材料又はコーティング４４は、面１２ｂの大部分（領域４５）に沿って延在し、かつ、材料又はコーティング４４は、面１２ｂの少数部分４６（例示された実施形態では、面１６ｂ、２６ｂに近接する）には存在しない。
【0059】
一例では、材料又はコーティング４４は、反射コーティングであり、これは、特定の範囲の入射角（ＡＯＩ）のみで入射光を反射させ、その範囲以外の入射角の光を透過させる（好ましくは、図２に示されている反射率に従って）角度選択反射（ＡＳＲ）コーティングなどの選択的反射コーティングとすることができる。コーティング４４の反射率は、面１２ｂに入射する面１２ａ、１４ａ、１４ｂのうちの１つから反射される光が、面１２ｂにおいて反射され、ファセット１８によって面１２ｂに向かって偏向される光が、面１２ｂによって導波路２０中に透過されるようなものである。代替的に、反射コーティングは、面２４ｂに適用することができるか、又は反射コーティングは、面１２ｂ、２４ａの１つ以上の対応する部分に適用することができ、その結果、光導波路１０、２０が共に接合されるか又は光学的に結合されると、結果として得られる反射コーティングは、面１２ｂの大部分に沿って延在する。
【0060】
別の例では、上で考察したように、選択的反射特性を有する部分反射材料の薄膜が、面１２ｂ、２４ａを共に接合する前に、伸長方向に面１２ｂ（又は代替的に、面２４ａ）の大部分に適用することができる。
【0061】
更に別の例では、材料又はコーティング４４は、面１２ｂ、２４ａの間に配置され、かつ伸長方向の面１２ｂ、２４ａの大部分に沿って延在する、別個の部分反射表面の形態による、部分反射材料である。この部分反射表面は、上で考察したように、選択的反射特性を有する反射コーティングでコーティングされる任意の薄いプレート材料から形成することができる。
【0062】
特定の実施形態では、領域４６は、材料又はコーティング４４を、面１２ｂ（又は面２４ａ）の大部分に適用し、面１２ｂ（又は面２４ａ）の残りの少数部分から材料又はコーティング４４を差し控えることのみによって形成され、その結果、第１の領域４５は、「コーティングされた部分」であり、第２の領域４６は、「コーティングされない部分」であり、それによって、コーティングされた部分及びコーティングされない部分は、異なる光学特性を本質的に有する。しかしながら、特定の好ましい実施形態では、材料又はコーティング４４とは異なる光学特性を有する、低屈折率材料又はコーティング（すなわち、光導波路１０、２０を作製するために使用される材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料又はコーティング）が、面１２ｂの少数部分（領域４６）に沿って延在するように、面１２ｂの残りの少数部分に関連付けられる。一例では、低屈折率材料の薄いプレートが使用される。この薄いプレートは、面１２ｂ若しくは２４ａのうちの一方の少数部分上に直接堆積され、次いで薄い接着層で面２４ａ若しくは１２ｂのうちの他方に接着剤で接合され得るか、又は薄い接着剤層を使用して面１２ｂ、２４ａに接着剤で接合され得るかのいずれかである。別の例では、固体誘電体材料の薄いコーティング層である。非常に低い屈折率（１．１～１．２）を有し、並びに機械的性質を安定化する一群のアエロゲル材料が、長年にわたって開発されてきており、領域４６を形成するために特に好適であり得る。別の例では、低屈折率光学接合剤が、少数部分４６において展開され、これを使用して、光導波路１０、２０を共に接合することにも役立つ。
【0063】
特定の実施形態では、領域４６は、単に、低屈折率材料を面１２ｂ（又は面２４ａ）の少数部分に適用し、かつ面１２ｂ（又は面２４ａ）の大部分にはいずれのコーティング又は材料も適用しないことによって形成され、その結果、第１の領域４５は、「コーティングされない部分」であり、第２の領域４６は、「コーティングされた部分」であり、それによって、再び、これらのコーティングされた部分、及びコーティングされない部分が、異なる光学特性を本質的に有する。
【0064】
ファセット１８を使用して、光を導波路１０から外部へ、そして導波路２０中に結合させる実施形態では、材料又はコーティング４４は、必ずしも必要ではない場合があり、それによって、面１２ｂにおける伝播光の反射は、全内部反射によるものである。そのような実施形態では、２つの領域への面１２ｂの細分化は、低屈折率材料を面１２ｂ（又は面２４ａ）の少数部分に適用し、面１２ｂ（又は面２４ａ）の大部分にはいずれのコーティング又は材料も適用しないことによって、実現され得る。導波路１０の下面１２ｂが、伝播光の強度の割合を導波路１０から外部へ（そして、導波路２０中に）結合させるための部分反射板として実装される実施形態では、前述の２つの領域への面１２ｂの細分化は、面１２ｂ（又は面２４ａ）の大部分にコーティング又は材料４４を適用することによって、少なくとも部分的に実現されることが好ましい。そのような実施形態では、コーティング又は材料４４は、以下の後続のセクションで考察されるように、誘電体コーティング及び／又は金属コーティングとして実装されることが好ましい。
【0065】
拡張されたアパーチャにわたって均一な強度を得るために、ビームの注入された初期のアパーチャは、均一である必要があり、導波路を「充填」する必要がある。「充填」という用語は、この文脈では、画像内の各点（画素）に対応する光線が光導波路１０の断面全体にわたって存在することを示すために使用される。概念的には、この性質は、光導波路１０が任意の点で横方向に切断されたと仮定された場合、次いで、ピンホールを有する不透明な板が切断端部にわたって配置されていると仮定された場合、ピンホールは、その断面にわたってあらゆる所に配置され得、完全に投影された画像を得ることになることを意味する。実際、光導波路１０の場合、このことにより、４つの完全な画像６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、及び６２ｄの投影が得られることになり、それらの画像のうちの６２ｂ及び６２ｄが反転される。導波路を入力画像６０で充填することを確実にするために、わずかに過大な入力画像が、導波路１０への入力時のサイズに切り落とされる必要がある。これにより、増倍された隣接するアパーチャは、一方では重複せず、他方では、間隙を有さないことになることが確実になる。画像６０の切り落としは、その画像が導波路１０に注入されたときに、ただし、画像６０が４重折り曲げ内部反射によって導波路１０内に導波される前に、光内部結合構成８０によって実行される。
【0066】
図１Ａ～１Ｃを続けて参照しながら、ここで、図３及び４Ａ～４Ｃについて言及すると、それらは、本発明の実施形態による、光学アパーチャ増倍器１及び光内部結合構成８０の態様を例示している。提示を単純化するために、導波路２０のファセット２８は、図４Ａ及び４Ｃでは示されていないことに留意されたい。まず、図３を見ると、光内部結合構成８０は、概して、面８１、８３、８５、８７、８９を含む複数の表面（面）を有する結合プリズムとして形成されている。面８１及び８３は、共通の縁端部８２において接合され、面８１及び８５は、共通の縁端部８４において接合されている。頂点８６及び８８は、縁端部８４の両端部にあり、それぞれ、面８１、８５、８７の頂点、及び面８１、８５、８９の頂点として形成されている。
【0067】
ここで、図４Ａ～４Ｃを参照すると、光内部結合構成８０は、光内部結合構成８０が第２の領域４６と隣接するように、導波路１０、２０と関連して展開されている。特に、光内部結合構成８０は、第２の領域４６に隣接する面１４ａの一部分と関連して展開されている。より具体的には、その展開は、面８１の第１の部分が、第２の導波路領域１３内にある前面１４ａの一部分に関連付けられているように、かつ、面８１の残りの第２の部分が、導波路２０の面２２ａの一部分に関連付けられているようになっている。例示された実施形態では、頂点８８は、平面Ｐと位置合わせされている（すなわち、平面Ｐが導波路２０の中に延在されていると仮定した場合、頂点８８は、延在された平面Ｐ内に置かれることになる）。
【0068】
面８１は、光内部結合構成８０からの光が導波路１０（又は導波路２０）に入射する（すなわち、その中に透過する）光透過表面（すなわち、光入射表面）であり、したがって、面８１が、面１４ａ、２２ａに対して屈折率調整されて、導波路への入射時に注入される画像光の屈折を防止することが好ましい。特定の実施形態では、屈折率整合光学接合剤を使用して、面８１と導波路１０、２０との間の屈折率整合及び接合を提供することができる。
【0069】
光内部結合構成８０は、所望の視野角以内の全ての光が、境界４７と、境界４７の画像（眼に見える入力光学アパーチャを提示する）との間で通過して、導波路１０に入射し、かつ４重折り曲げ内部反射によって導波路１０を通って前進するように構成及び展開されている。以下で考察されるように、この展開は、導波路１０に入射する、所望の視野角の周縁光線が境界４７に沿ったいくつかの点において入射することを確実にする。
【0070】
図４Ａは、面１４ａ、２２ａの平面内の光内部結合構成８０の足跡、及びコリメートされた画像６０内の点を表すコリメートされたビームのセットを示している。図面では、分かりやすくするために、各ビームセットの１つの光線のみが示されているが、ビームセット内の多くの光線のうちの１つを表している。実線の光線６０Ａは、投影されたフィールドの一方の縁端部でのビームを表し、これに対して、点線光線６０Ｃは、投影されたフィールドの他方の縁端部でのビームを表す（これらの光線６０Ａ、６０Ｃは、「周縁光線」である）。点線の光線６０Ｂは、フィールドの中心でのビーム（すなわち、画像の重心）を表す。
【0071】
例示された構成では、結合プリズムは、縁端部８２、８２が相互に平行であるように、かつ、縁端部８４が、プリズムの光入射表面である面８３の延在方向に対して平行であるように、単純化されている。結合プリズムは、光学収差を低減するために、光入射面８３が中心ビーム（光線６０Ｂ）に対して直角（直交）であるように設計されていることが好ましい。実際には、面８３の配向は、（光学画像生成器の位置、及び空間的な配向に基づく）中心光線６０Ｂの伝播方向に従って設定される。
【0072】
ここで、図４Ａ～４Ｃを参照して説明されるように、光内部結合構成８０の構成及び展開により、光内部結合構成８０が入力画像を切り落とすことが可能になる。例示されているように、光線６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、面８３のそれぞれの点９１ａ、９１ｂ、９１ｃにおいて、面８３を介して光内部結合構成８０に入射し、次いで、面８１を通って光内部結合構成８０を出射し、それぞれの点９３ａ、９３ｂ、９３ｃを介して導波路のうちの一方に入射する。例示された構成では、点９３ａ及び９３ｂは、矩形導波路１０の面１４ａ上の異なるそれぞれの点であり、点９３ｃは、第２の導波路２０の面２２ａ上の点である。言い替えると、光線６０Ａ及び６０Ｂは、面１４ａ上の異なる点を通って導波路１０に入射し、光線６０Ｃは、面２２ａを通って導波路２０に入射する。
【0073】
光線６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃが点９３ａ、９３ｂ、９３ｃにおいて導波路に入射した後、それらの光線は、導波路が（図面内のｙ軸に沿って）垂直方向に均一に照明されるように、縁端部８６によって第１の次元（垂直の次元）で切り落とされる。次いで、光線６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、境界４７において、第１の次元に対して直交する第２の次元で（すなわち、横方向に、図面のｚ軸に沿って）切り落とされ、その結果、全てのビームが横方向次元（ｚ次元）に導波路１０を均一に照明する。特に、光線６０Ａは、（縁端部８４と交差するか、又はその縁端部によって重複される）上面１２ａにおける点９２で反射されて、境界４７上の点に反射される。光線６０Ｂはまた、上面１２ａの（異なる点で）、境界４７上の点に反射され、周縁光線６０Ｃは、導波路２０から面１２ｂを介して境界４７上の点を通って、導波路１０中に透過される。次いで、切り落とされた画像は、４重折り曲げ内部反射によって、導波路１０を通って前進する。
【0074】
概念的には、境界４７は、画像６０が導入され得る光学入力軸に沿って見られたときに、その画像と共に、所望の視野角全体にわたって、眼に見える入力光学アパーチャを光導波路１０に提示する。光内部結合構成８０は、入力画像６０を切り落とし、その結果、その視野内の全ての光が、眼に見える入力光学アパーチャを通って（すなわち、境界４７と、境界４７の画像との間を）通過して、導波路１０に入射し、４重折り曲げ内部反射によって導波路１０を通って前進する。光内部結合構成８０によって切り落とされていない任意の他の光線は、眼に見える入力光学アパーチャを通過せず、したがって、導波路１０に入射しない。
【0075】
光内部結合構成８０の展開及び構成は、表面８１が、（任意にラベル付けされた座標系では、ｘｙ平面である）面２２ａ、２２ｂに対して平行である平面内のファセット２８のいずれの投影とも重複しないようにすることが好ましいことに留意されたい。この非重複の幾何学的形状及び配向は、ファセット２８のうちの１つ以上によって外部結合されている光が、その外部結合された光を光導波路１０中に再度導入する可能性がある、光内部結合構成８０に戻って結合されるという状況を防止するのに役立つ。
【0076】
図５は、本発明の別の実施形態による光内部結合構成８０の構成を示している。ここで、縁端部８６は、縁端部８２及び面８３に対して非平行であり、点９２から反射される反射光の近くに配置されている。更に、頂点８８は、図４Ａ及び４Ｃにあるように、平面Ｐとは位置合わせされていないが、代わりに、境界４７を通って延在し、その結果、ｘｚ平面内の頂点８８の投影は、第１の領域４５中に投影する。
【0077】
図５に例示された構成は、図３～４Ｃに例示された構成を上回る利点を提供しており、とりわけ、面８３が、図３～４Ｃに例示された構成で許容されるものよりも、導波路面１４ａ、２２ａに対してより近くに位置決めされることが可能であることである。これにより、ひいては、画像プロジェクタ（光学画像生成器）が導波路１０に対してより近くに位置決めされることが可能になり、図３～４Ｃに例示された構成で使用される必要があるものよりも小さい画像プロジェクタを使用することが可能になる。図３～４Ｃに例示された構成にあるように、注入された光線は、縁端部８６によって垂直次元で切り落とされ、次いで、境界４７によって横方向次元で切り落とされる。
【0078】
図４Ａ～５に例示された光内部結合構成は、光内部結合構成を下方から照明する空間配向（図４Ｂに最も容易に見られるような「ボトムアップ」構成）で、前面１４ａに画像プロジェクタの配置を収容するように展開されている。しかしながら、光内部結合構成はまた、例えば、図６Ａ及び６Ｂに例示されるように、上方からの照明（「トップダウン」構成）を収容するように展開することもできる。ここで、光内部結合構成は、図４Ａ及び４Ｂで例示されている構成に対して反転した空間配向にある。この展開構成では、面１２ａは、それぞれの第１の光学特性及び第２の光学特性を有する、非重複の第１の領域５５及び第２の領域５６に細分化される。第１の光学特性は、内部反射の条件を保持する反射特性であり、このため、領域５５内の面１２ａの部分に入射する、面１２ｂ、１４ａ、１４ｂのうちの１つから反射された光は、（内部反射によって導波路１０を通る伝播を継続するように）面１２ａにおいて反射される。第１の光学特性とは異なる第２の光学特性は、透過特性であり、このため、光内部結合構成８０からの光は、領域５６に隣接する導波路１０の一部分を通る透過を介して、導波路１０に入射することができる。
【0079】
第１の領域５５は、伸長方向に沿って、面１２ａの全部ではない大部分を占有（すなわち、その大部分に沿って延在）し、これに対して、第２の領域５６は、伸長方向に沿って、面１２ａの残りの少数部分を占有（その小数部分に沿って延在）する。しかしながら、領域５５は、伸長方向に面１２ａの少なくとも７０％であることが好ましく、本開示の後続のセクションで考察されるように、伸長方向の延在の特定の量は、光学アパーチャ増倍器の光学設計仕様、特に、光内部結合構成８０のサイズ及び展開位置に基づき得る。特定の場合では、伸長方向の延在の量は、少なくとも８０％又は少なくとも９０％とすることができる。
【0080】
特定の実施形態では、細分化は、コーティング又は材料４４の方法と同様の方法で、面１２ａと関連して展開されるコーティング又は材料５４によって実行される。具体的には、コーティング又は材料５４は、伸長方向に面１２ａの全部ではない大部分に沿って延在する、面１２ａの大部分と関連して展開されている。コーティング又は材料５４の延在はまた、横（又は水平）方向の面１２ａ全体にも沿っていることが好ましい。コーティング又は材料５４の展開は、面１２ａを、それぞれの第１及び第２の光学特性を有する、非重複の第１の領域５５及び第２の領域５６に細分化し、それによって、面１２ａの第１の領域５５は、材料又はコーティング５４に関連付けられ、かつ面１２ａの第２の領域５６は、材料又はコーティング５４には関連付けられない。
【0081】
以前のように、光導波路１０は、２つの領域５５、５６の間の境界５７を通過する矩形断面Ｐによって、第１の導波路領域１１及び第２の導波路領域１３に細分化されている。第１の導波路領域１１の上面は、面１２ａの第１の領域５５であり（言い替えると、第１の領域５５は、第１の導波路領域１１に対応する）、第２の導波路領域１３の上面は、面１２ａの第２の領域５６である（言い替えると、第２の領域５６は、第２の導波路領域１３に対応する）。
【0082】
コーティング又は材料５４は、様々な方法で実現することができる。一例では、金属コーティングが、面１２ａの大部分に適用される。別の例では、低屈折率材料又はコーティング（アエロゲル材料又は低屈折率光学接合剤など）が、面１２ａの大部分に適用され、面１２ｂの少数部分（領域４６）に沿って延在するように、面１２ｂの残りの少数部分に関連付けられる。他の実施形態では、材料５４は、基板３０が構築されている材料自体であり、これは、面１２ａでの内部反射が保持されるように、導波路１０の屈折率よりも小さい屈折率を有する。
【0083】
図６Ａ及び６Ｂに例示された実施形態では、コーティング又は材料５４は、光導波路１０と、別の光学基板３０との間の境界面５０（光透過材料からも形成された）に配置されている。この光学基板３０は、（平行であり得る）面３２ａ、３２ｂのペア、及び平行面３４ａ、３４ｂのペア（並びに面３６ａ、３６ｂの追加のペアも含み得る）を有し、導波路１０は、面１２ａ、３２ｂの間に形成されている境界面５０（すなわち、導波路１０と基板３０との間の光結合が、面１２ａ、３２ｂの間に形成されている境界面５０を画定する）で基板３０に光学的に結合されている。コーティング又は材料５４は、代替的に、面３２ｂの必要不可欠な大部分に適用することができる。
【0084】
図３及び４Ａ～４Ｃに例示された構成内のものと同様に、図６Ａ及び６Ｂに例示された光内部結合構成は、光内部結合構成８０が第２の領域５６に隣接するように、導波路１０、２０と関連付けて展開されている。特に、光内部結合構成８０は、第２の領域５６に隣接する面１４ｂの一部分と関連付けて展開されている。より具体的には、この展開は、面８１の第１の部分が、第２の導波路領域１３内にある前面１４ａの一部分に関連付けられるように、かつ、面８１の残りの第２の部分が、基板３０の面３４ａの一部分に関連付けられるようになっている。また、例示された実施形態では、頂点８８は、平面Ｐと位置合わせされている（すなわち、平面Ｐが導波路２０中に延在するものと仮定した場合、頂点８８は、延在した平面Ｐ内に置かれることになる）。
【0085】
図６Ａ及び６Ｂにおける光線６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃの挙動は、図４Ａ～４Ｃを参照して上述したものと同様であり、わずかな相違を有する。ここで、光線６０Ｃは、面３４ａ上の点９３ｃにおいて、基板３０に入射する。光線６０Ａ、６０Ｂが導波路１０に入射し、光線６０Ｃが（点９３ａ、９３ｂ、９３ｃにおいて）基板に入射した後、それらの光線は、導波路１０が（図面のｙ軸に沿って）垂直方向に均一に照明されるように、縁端部８６によって切り落とされる。次いで、光線６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、境界５７において、（図面のｚ軸に沿って）横方向に切り落とされ、その結果、全てのビームは、横方向次元（ｚ次元）に導波路１０を均一に照明する。特に、光線６０Ａは、（縁端部８４と交差するか、又はその縁端部によって重複される）下面１２ｂの点９２において反射されて、境界５７上の点に反射される。光線６０Ｂもまた、下面１２ｂ（の異なる点）において反射されて、境界５７上の点に反射され、周縁光線６０Ｃは、基板３０から面１２ａを介して境界５７上の点を通って導波路１０中に透過される。
【0086】
図６Ａ及び６Ｂに例示されたトップダウン構成では、研磨面（図６Ｂの点線９５によって示されている）に沿って面８３を研磨することによって、光学画像生成器（画像プロジェクタ）と導波路１０との間の距離を更に短縮することが可能であり得、それによって、投影光学素子のサイズを更に低減することに留意されたい。研磨面９５は、結合プリズム８０の面８３に対しておおむね平行であり、点９３ｃ（すなわち、ビーム６０Ｃが基板３０に入射するところ）をほぼ通過する。その結果、研磨された表面８３は、点９３ｃにおいて、基板３０とほぼ同一平面上にあるか、又は一致するように作製することができる。特定の実施形態では、「研磨」は、好適な研磨装置若しくは工具を使用して結合プリズム８０を研磨することによって、又は好適な研削／切断装置若しくは工具を用いて結合プリズム８０を研削／切断した後に切断表面を研磨することによって実行することができる。
【0087】
明らかであるように、図５に例示された構成の反転された変形例は、図６Ａ及び６Ｂを参照して説明された方法と同様の方法で、面１２ａにおいてコーティング又は材料５４を有する光導波路１０の実施形態に従って、展開することができる。
【0088】
画像光の一部を、プリズムを介して導波路１０中に透過させることに加えて、基板３０はまた、例えば、面８１の部分と、面３４ａの部分との間に（屈折率整合光学接着剤を介した）接合を可能にすることによって、構造上及び／又は接合上の支持を光内部結合構成に提供することもできる。また、基板３０は、ここでは、面１６ａ、２６ａ、及び１６ｂ、２６ｂに一致し、かつ平行である平行面３６ａ、３６ｂを有するものとして表されているが、基板３０は、基板が領域５６に隣接する導波路１０の部分にのみ配置されるように、そのサイズを低減することができることにも留意されたい。そのような低減されたサイズの実施形態では、面３６ａは、光内部結合構成の頂点８８に存在するか、又はその頂点の直前に存在することができる。
【0089】
ここまで説明された光内部結合構成の実施形態は、（前面１４ａと関連して展開された）光学画像生成器から光６０を受け取る光入射面８３を有する結合プリズムとして、非限定的な実施態様に関係してきたが、光内部結合構成が結合反射板として動作する他の実施形態が、本明細書において想定される。そのような実施形態では、面８３は、反射面であり、光内部結合構成８０は、導波路１０、２０（又は導波路１０及び基板３０）と関連付けて展開され、その結果、面８１の一部分は、第２の領域４６／５７に隣接し、特に、面８１の第１の部分は、第２の導波路領域１３内にある背面１４ｂの一部分に関連付けられ、かつ面８１の残りの第２の部分は、導波路２０（又は基板３０の面３４ｂ）の面２２ｂの一部分に関連付けられている。
【0090】
そのような反射可能な実施形態における光内部結合構成の動作原理は、図３及び４Ａ～６Ｂを参照して上述したものとおおむね同様であり、いくつかのわずかな相違を有する。これらの相違をより明確に説明するために、図７Ａ及び７Ｂは、光内部結合構成が反射面８３を用いて構成されている、図４Ｂ及び４Ｃの変形例をそれぞれ例示している。１つの相違は、光線が、面８３の代わりに面８１を通ってプリズムに入射する（すなわち、面８１は、光学画像生成器から、コリメートされた画像を受け取る）ことである。別の相違としては、光線が図４Ａ～６Ｂのプリズムに入射する面８３上の点９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、代わりに、光線が面８１に向かって反射されて、縁端部８４によって切り落とされる面８３上の点であることである。
【0091】
最後に、前面１４ａと関連付けられて画像プロジェクタの展開に適応するために、図７Ａ及び７Ｂの光内部結合構成８０は、背面１４ｂと関連付けられて展開されている。特に、光内部結合構成８０は、第２の領域４６に隣接する面１４ｂの一部分と関連付けて展開されている。背面１４ｂ上の（すなわち、ユーザの眼から離れた）光内部結合構成のこの展開構成は、特定の人間工学的な利点を提供する。しかしながら、これはまた、光学画像生成器から遠く離れた光内部結合構成の配置も必要とし、したがって、これは、図３及び４Ａ～６Ｂに例示された透過性プリズム構成で使用される必要があるものよりも大きい光学画像生成器を使用する必要があり得る。
【0092】
図３～７Ｂに例示された光内部結合構成は、光導波路１０を、光ビーム６０の注入されたアパーチャで充填することを達成することができる、本発明の実施形態による１つのセットの解決策を表している。
【0093】
図８Ａ及び８Ｂは、光学アパーチャ増倍器の別の実施形態を例示しており、この場合、アパーチャ充填が、ファセット１８、２８の間の導波路領域で展開された部分反射表面９４を使用することによって、達成又は支援することができる。部分反射表面９４は、面１４ａ、１４ｂ、２２ａ、２２ｂに対して平行に展開され、また、面１４ａ（又は２２ａ）と１４ｂ（又は２２ｂ）との間の中間面に存在することが好ましい。更に、部分反射表面９４は、ファセット１８、２８のない領域内に存在する。この実施形態では、部分反射表面９４は、実際には、光透過材料（基板）から形成される境界面４０の境界面領域７０内で展開されている。この境界面領域７０は、面７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂの３つのペアを含み、面７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂは、矩形断面を共に形成する平行面のペアである。面７２ａ、７２ｂもまた、平行面であってもよく、この場合、面７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂの３つのペアは、相互に直交し得る。面７４ａ及び７４ｂは、それぞれ、面１２ａ、２４ａ、３２ａ、及び１２ｂ、２４ｂ、３２ｂに対して平行であり、かつ、面７６ａ及び７６ｂは、それぞれ、面１４ａ、２２ａ、３４ａ、及び１４ｂ、２２ｂ、３４ｂに対して平行であることが好ましい。同様に、面７２ａ及び７２ｂは、それぞれ、面１６ａ、２６ａ、３６ａ、及び１６ｂ、２６ｂ、３６ｂに対して平行であることが好ましい。例示された実施形態では、以前に説明された実施形態において面１２ｂ、２４ａのいずれか又は両方に適用された材料又はコーティング４４は、代わりに、面１２ｂ、７４ａのいずれか又は両方に適用されている。更に、選択的反射コーティング７８は、伸長方向に、面２４ａ、７４ｂの全部（又は大部分）に沿って延在するように、面２４ａ、７４ｂのいずれか又は両方に適用することができる。
【0094】
部分反射表面９４の構成は、画像が導波路１０から結合されたときに、外部結合画像の強度のある割合が、第２の導波路２０に入射する前に、部分反射表面９４で反射され、それによって、共役ビームベクトル６４ａ、６４ｂが生成されて、導波路２０内にアパーチャを充填させることを確実にするようになる。
【0095】
導波路アパーチャの充填を確実にするために、導波路の主表面に対して平行に展開された部分反射表面（ビームスプリッタ表面）の追加の考察については、共有されているＰＣＴ特許公開第２０２１／００１８４１Ａ１号に見出すことができる。
【0096】
ここまで説明された実施形態は、導波路１０の内側にある、相互に平行な部分反射表面（ファセット）１８のセットとして実装された光外部結合構成に関連付けられた矩形光導波路（光導波路１０）を使用する光学アパーチャ増倍器に関係するものであった。しかしながら、上述したように、矩形導波路から外部に伝播光を結合させるように機能する他のタイプの外部結合配置が想定され、これらは、矩形導波路の底面に関連付けられ、かつその底面に対して平行であり、並びに２つの導波路１０、２０の間の境界面に配置されている、部分反射表面の形態の光外部結合構成を含む。境界面４０において適用され（かつ面１２ｂ、２４ａの全部又は大部分に沿って延在して）そのような部分反射表面を形成する材料又はコーティングの実施態様の例は、材料又はコーティング４４に関して上で考察されてきた。以下の段落は、本発明の第２の態様の実施形態による光学アパーチャ増倍器について説明しており、この光学アパーチャ増倍器は、傾斜するファセットを全く含まないが、代わりに、矩形導波路の底面に関連付けられ、かつその底面に対して平行である部分反射表面を使用して光外部結合機能を実行する、矩形光導波路を有する。
【0097】
上記を念頭に置きながら、ここで、図９Ａ及び９Ｂを参照すると、これらの図は、本発明の第２の態様の実施形態による光学アパーチャを例示している。例示された実施形態では、面１２ｂは、（境界面４０において）部分反射表面９６に関連付けられている。光導波路１０、２０と、部分反射表面９６の展開及び構成との間の光結合は、画像光６０が、第１の平行面のペア１２ａ、１２ｂ、及び第２の平行面のペア１４ａ、１４ｂの両方に対して傾斜する結合角での伝播の初期方向で光導波路１０中に結合されたときに、光導波路２０中に結合されるように部分反射表面９６において透過される画像（すなわち、例えば、６２ｄ）の強度のある割合で、その画像は、以前に説明されたように、光導波路１０に沿って４重折り曲げ内部反射によって前進し（すなわち、共役の画像６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが生成される）、次いで、可視画像６６として平行面２２ａのうちの１つから外向きに指向されるように、部分反射表面２８において反射された（偏向された）画像の強度のある割合で、２重折り曲げ内部反射（画像６４ａ、６４ｂ）を通って光導波路２０中に伝播する、ようになっている。
【0098】
図９Ａでは、画像６０の２つのサンプル画像光ビーム６０ａ、６０ｂが、光導波路１０に入射するように示されている。このビーム６０ａ、６０ｂは、生成された画像の同じ画素の２つのサンプルビームに対応するＦＯＶの末端の一部を、２つの末端角度で表している。ビーム６０ａ、６０ｂの両方は、以前説明されたように、光導波路２０中に結合されるように部分反射表面９６において透過されるビームの各々からの強度のある割合で、面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂにおいて４重折り曲げ内部反射によって前進する（すなわち、両方のビームが、共役の画像６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄを生成する）。次いで、画像（６４ａ、６４ｂ）は、可視画像６６として平行面２２ａのうちの１つから外向きに指向されるように、部分反射表面２８において反射された（偏向された）画像の強度のある割合で、第２の導波路２０の面２２ａ、２２ｂにおいて２重折り曲げ内部反射によって前進する（この場合、ＥＭＢ３の下部コーナーに到達する注入されたビーム６０ａ、６０ｂに対応する）。
【0099】
光導波路１０に注入される光ビーム６０の角度は、光導波路１０の４つの外面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ全てから反射するように設定されている。光ビームは、浅い（限界見通し）角度で底面１２ｂ（及び／又は部分反射表面９６）から部分的に反射する必要があり、したがって、光導波路１０から光導波路２０中に急角度で部分的に透過する必要がある。言い替えると、ビームの強度のある割合が、面１２ｂ／部分反射表面９６／境界面４０において導波路２０に透過される必要があり、ビームの強度のある割合が、面１２ｂ／部分反射表面９６／境界面４０において反射されて、内部反射によって導波路１０を通って前進し続ける必要がある。この部分的透過／反射の性質は、面１２ｂ、２４ａにおいて展開されて、部分反射表面９６を形成する材料又はコーティング４４によって達成することができる。
【0100】
ついでながら、ビームは、光内部結合構成（図示せず）によって注入され、本実施形態では、側面照明注入を提供する結合配置として実装されている。側面照明を提供する内部結合構成の例については、例えば、図１９Ａ～２１Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、及び２５Ｂを参照して、本開示の後続のセクションで提供されるであろう。この目的のために、境界面４０の全体は、前述の部分反射表面９６を含むことができ、すなわち、材料又はコーティング４４は、伸長方向に面１２ｂの全体に沿って延在することができる。ただし、前述した光内部結合構成８０を介して前面／背面注入を採用する他の実施形態もまた、図１１～１６を参照して本明細書に提示されることに留意されたい。
【0101】
ここで、図９Ａ及び９Ｂに戻ると、面１２ｂは、光（例えば、画像６２ｄ）が面１２ｂ上に衝突するたびに、実質上、部分反射表面であるため、光の強度のある割合が、面１２ｂを通って光導波路２０中に透過され、強度の残りの割合は、面１２ｂにおいて反射され、光導波路１０を通って前進し続ける。したがって、面１２ｂにおける各透過／反射は、伝播する画像の全体的な強度を低下させ、したがって、（画像のアパーチャ拡張を犠牲にすることなく）反射又はその回数を低減して、光効率を改善することが望ましい場合がある。光効率を改善するための１つの方法は、図１０に例示された実施形態で示されており、そこでは、光導波路１０が、光導波路２０に対してある角度で配向されている（すなわち、傾斜している）。特に、面１２ａ、１２ｂは、面２４ｂに対して斜め方向に傾斜している。５°～４５°の範囲の傾斜角が、アパーチャ拡張に悪影響を及ぼさずに光効率を向上させるために、特に好適であることが見出された。例示された実施形態では、光導波路１０の伸長方向は、もはやｘ軸に沿ってではなく、むしろ、面２４ｂに対して面１２ａ、１２ｂの傾斜角だけ、ｘ軸に対して傾斜している方向に沿っている。
【0102】
ここで、図１１を参照すると、本発明の別の実施形態による光学アパーチャ増倍器の等角図が例示されており、図９Ａに示された実施形態と同様であるが、その中で、部分反射表面９６は、面１２ｂの全部ではなく大部分に沿って延在し、図３～５、７Ａ、及び７Ｂの光内部結合構成８０を用いた使用に適応している。特に好ましいが非限定的な実施態様では、部分反射表面９６は、光導波路１０、２０を結合する前に、面１２ｂに適用される選択的反射コーティングとして実装される。ここで、部分反射表面９６は、面１２ｂの大部分４５に沿って（伸長方向に）延在する。面１２ｂの内部結合領域４６（又は「非コーティング部分」）は、面１２ｂの残りの少数部分（側面１６ｂ、２６ｂの近位）に対応する。ここで、画像光６０ａ、６０ｂは、非コーティング部分４６を通って光導波路１０に入射する。平面Ｐ、及び２つの部分４５、４６を分ける臨界境界４７は、この等角図に、より明確に例示されている。
【0103】
図１１を参照して説明される実施形態が、図６Ａ及び６Ｂに例示された「トップダウン」内部結合構成を採用する実施形態が、本明細書に想定されていることに留意されたい。そのように実施形態では、上述したように、コーティング又は材料５４は、面１２ａの大部分に沿って延在するように展開される。
【0104】
以前に考察したように、光導波路１０の光外部結合構成が傾斜するファセット１８のセットとして実装されている実施形態では、光導波路２０中に結合される光の強度を徐々に増加させるために、ファセット１８の反射率が光導波路１０を通る光の伝播方向に沿って減少するように、ファセット１８を設計することが好ましい場合がある。同じ意味で、部分反射表面９６の反射率が光導波路１０を通る光の伝播方向に沿って減少する（かつ等価的に透過率を増加させる）ように、部分反射表面９６を設計することが好ましい場合がある。図１２は、そのような光学アパーチャ増倍器の実施形態を例示しており、そこでは、反射率の減少は、光導波路１０を通る光の伝播方向に沿って（伸長方向であり、すなわち、任意にラベル付けされたｘｙｚ座標系のｘ軸に沿って）、部分反射表面９６を複数の領域（好ましくは、離散的で、非重複の領域）９７ａ、９７ｂ、９７ｃ、９７ｄ、９７ｅ、９７ｆに分割することによって達成され、この場合、領域９７ａ、９７ｂ、９７ｃ、９７ｄ、９７ｅ、９７ｆの反射率は、光導波路１０を通る光の伝播方向に沿って減少する。ただし、例示された実施形態では、６つの離散的な領域９７ａ、９７ｂ、９７ｃ、９７ｄ、９７ｅ、９７ｆは、例示を目的に示されており、任意の好適な数の領域を使用することができることを理解されたい。反射率の変動は、面１２ｂにおいて（又は、場合によってはあまり好ましくない特定の実施態様では、面２４ａにおいて）適用される好適な反射コーティングによって提供することができる。
【0105】
均一なビームが（矩形導波路１０から）光導波路２０中に結合されることを確実にするために、部分反射表面９６を形成する反射コーティングは、好ましくは、反射率が面１２ｂの長さにわたって（したがって、境界面４０に横切って）導波路１０の伸長方向に変化するように設計される必要がある。ここで、反射率とは、電磁スペクトルの可視光領域の少なくとも大部分にわたって平均化された非偏光の反射を指し、この場合、「大部分」とは、少なくとも４３０～６６０ナノメートル（ｎｍ）の波長範囲をカバーすることが好ましいが、最大７５０ｎｍまでの波長も含み得る。反射コーティングは、色に依存しない反射及び透過特性を有する必要があり、このため、入射光ビームは、部分反射表面９６における反射に起因する、いかなる色の変化の影響も受けない。
【0106】
特定の実施形態では、反射コーティングは、面１２ｂの長さにわたる（すなわち、境界面４０を横切る）反射率変動が、好ましくは、３５°～５５°の範囲のＡＯＩにおいて、（可能な限り吸収の低い）５０％～８０％であるように設計されている多層コーティングである。非限定的な実施態様の１つのセットでは、多層コーティングは、金属（例えば、銀）層及び１つ以上の誘電体コーティング層から形成され、この場合、反射率の変動は、金属層決定の厚さによって決定される。非限定的な実施態様の別のセットでは、多層コーティングは、金属（例えば、銀）層及び１つ以上の誘電体コーティング層で形成され、この場合、反射率の変動は、金属層及び誘電体コーティング層の各々の厚さを所定の因子によって調整することによって決定される。更に別の非限定的な実施態様のセットでは、多層コーティングは、金属層の全くない複数の誘電体コーティング層で形成される。誘電体のみの多層コーティングを使用する場合、隣接する層の間の境界の厚さは、好ましくは、可能な限り小さく保たれる必要があり、これは、マスキング法を使用して達成することができる。本開示の後続のセクションで考察されるように、特に好ましい実施形態は、偏光注入方式の一部として、誘電体のみの多層コーティングを採用する。
【0107】
１５～３５ｎｍの範囲の厚さの銀層を有する多層コーティングを使用することは、典型的には、約４％～８％の範囲の銀層における光吸収をもたらすことになることに留意されたい。多層コーティングに使用される層の数は、２～７層と比較的少なくてもよく、反射率及び透過率が電磁スペクトルの可視光領域で比較的「平坦」であり得、結果として、色に依存しない光の反射及び透過をもたらすという利点を提供する。また、金属層のない（すなわち、誘電体材料層のみの）多層コーティングを使用することにより、典型的には、約５％未満の低い吸収を提供することができることにも留意されたい。誘電体のみの多層コーティングにおいて、（層の厚さを変化させることによって）所望の反射率を達成するために必要とされる層の数によっては、通常、コーティングの平坦性は保たれず、このことは、結果として、色に依存する反射及び透過をもたらし得る。
【0108】
図１３は、４つの例示的なＡＯＩ（３５°、４２°、４９°、及び５５°）において、６つの領域９７ａ、９７ｂ、９７ｃ、９７ｄ、９７ｅ、９７ｆにわたる例示的な多層コーティングの反射率のグラフを示している。より高いＡＯＩ、例えば５５°で、部分反射表面９６に入射する光は、より低いＡＯＩで部分反射表面９６に入射する光よりも早く光導波路１０を出射する。したがって、領域９７ａは、より低いＡＯＩについては、高い反射率（低い透過率）で設計され、より高いＡＯＩ（例えば、５５°）については、より低い反射率（より高い透過率）で設計される。より高いＡＯＩの透過は、領域９７ｂ及び９７ｃにおいて徐々に減少し、より高いＡＯＩの光は、領域９７ｄ、９７ｅ、及び９７ｆにおいて、実質的に透過されない（すなわち、実質的に完全に反射される）ようになる。次の最も高いＡＯＩ（例えば、４９°）での光の透過は、透過が最も高い領域９７ｂで開始し、次いで、領域９７ｃ及び９７ｄにおいて徐々に減少し、そのようなＡＯＩでの光は、領域９７ｅ及び９７ｆにおいて、実質的に透過されない（すなわち、実質的に完全に反射される）ようになる。次の最も高いＡＯＩでの、又は最も低いＡＯＩから２番目のＡＯＩ（例えば、４２°）での光の透過は、透過が最も高い領域９７ｃで開始し、次いで、領域９７ｄ及び９７ｅにおいて徐々に減少し、そのようなＡＯＩでの光は、領域９７ｆにおいて実質的に透過されない（すなわち、実質的に完全に反射される）ようになる。最も低いＡＯＩ（例えば、３５°）における光の透過は、透過が最も高い領域９７ｄでのみ開始し、次いで、領域９７ｅ及び９７ｆにおいて徐々に減少し、そこでは、透過は、領域９７ｆにおいて最も低いが、依然として非ゼロである。
【0109】
他の実施形態では、部分反射表面９６は、誘電体コーティングを用いて面１２ｂをコーティングすることによって形成される。誘電体コーティングは、第１の偏光方向に偏光されている入射光（例えば、ｐ偏光）の反射率が低く、第１の偏光方向に対して直交する第２の偏光方向に偏光されている入射光（例えば、ｓ偏光）の反射率が高い。第２の偏光方向の初期偏光を伴う光導波路１０中に結合される光（例えば、ｓ偏光）が４重折り曲げ内部反射によって光導波路を通って前進するときに、４重折り曲げ内部反射は、部分反射表面９６に対して伝播光の偏光方向を保持し、その結果、ｓ偏光は、部分反射表面９６において導波路１０中に透過される。特定の偏光方式に基づくコーティングの設計については、本開示の後続のセクションで説明される、本発明の第２の態様による実施形態の第２のセット（図１５Ａ～２２）の文脈内で、後に詳細に考察されるであろう。
【0110】
一般に、画像が光導波路２０のアパーチャを充填するために、画像及びその共役の両方（すなわち、画像６４ａ及び６４ｂの両方）が、導波路２０内に存在しなければならないことに留意されたい。下部導波路２０のアパーチャ充填を達成するための１つの方法は、画像及びその共役（すなわち、４つの共役ビームベクトル６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ）の両方を、導波路１０を通って伝播させ、並びに画像及びその共役（例えば、６２ａ及び６２ｂの両方）の両方を下部導波路２０中に結合させることによってである。しかしながら、面１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂの角度の配向が、面１２ａ、１２ｂが非平行であり、かつ／又は面１４ａ、１４ｂが非平行であり、かつ／又は面１２ａ、１２ｂのうちの一方若しくは両方が面１４ａ、１４ｂのうちの一方若しくは両方に対して垂直ではないようになる場合、画像及び共役画像は、非垂直面からの反射時に反対方向に角度的にシフトされる。非垂直面からのいくつかの反射の後、角度シフトは、累積する。したがって、平行度又は垂直度の偏差につながるわずかな製造誤差でさえ、画像と共役画像との間に顕著な角度差をもたらす可能性があり、これは、ゴースト画像を生じさせ、かつ／又は光学解像度を低下させる可能性がある。その結果、平行度及び垂直度に対する製造許容誤差は、極端に厳しい。
【0111】
図１４は、導波路１０から外部結合された画像（画像及びその共役の両方ではない）のうちの１つのみが、導波路２０内に結合されて導波路２０内に包含及び導波されるように、光導波路２０に対して光導波路１０を傾斜させることによって、アパーチャ充填のための厳しい製造許容誤差を改善する実施形態を例示している。図１４に例示された非限定的な実施態様では、導波路２０に対して導波路１０の必要な傾斜角は、第２の導波路結合表面（面２４ａ）の角度αと一致し、この表面は、面２２ａに対してαだけ傾斜している。言い替えると、導波路１０は、面１２ｂが面２２ａに対して（角度αだけ）斜め方向に傾くように、傾斜している。この傾斜は、導波路１０から一方の画像（例えて言えば、６２ａ）を結合させ、かつ導波路１０から他の画像を結合させないように選択され、そして、内部結合された画像の光線が面２２ａにおいて反射され、次いで面２２ｂにおいて反射され、それによって、共役画像のペア６４ａ、６４ｂを生成し、下部導波路２０のアパーチャを充填するように選択される。好ましい実施形態では、面９８ａ、９８ｂを有する光透過型光学素子として形成された中間ウィンドウ９８が、導波路１０、２０の間に展開されて、導波路１０、２０の間の光結合を提供し、ゴースト画像（面２４ａにおいて望ましくない反射をもたらす）を防止する。この中間ウィンドウ９８は、導波路２０の入力アパーチャを上回って投影するように展開される。例示された実施形態では、この展開は、面９８ａが面１２ｂに対して平行であり、かつ面１２ｂの全体を超えて延在し、並びに面９８ｂが面２４ａに対して平行であり、かつ好ましくは、また、面１２ｂの全体も超えて延在する（並びに面２４ａの全体にわたって、その全体の近くに、又はその全体を超えて、延在する）ようになる。特定の実施形態では、中間ウィンドウ９８は、屈折層とすることができる。導波路１０から外部結合された画像光の一部は、中間ウィンドウ９８を通過して導波路２０中に結合され、これに対して、導波路１０から外部結合された画像光の一部は、中間ウィンドウ９８を通過するが、導波路２０中には結合されない。特に、中間ウィンドウ９８を通過して導波路２０に入射し、面２２ａにおいて反射し、次いで面２２ｂにおいて反射するビーム（実線矢印）は、導波路２０中に結合されて、面２２ａ、２２ｂにおける（全）内部反射によって導波路２０を通って導波される。しかしながら、中間ウィンドウ９８を通過して導波路２０に入射するが、面２２ａにおいて中間ウィンドウ９８に向かって反射するビーム（点線矢印）は、導波路２０中には結合されない。代わりに、中間ウィンドウ９８に向かって反射されるこれらのビームは、傾斜する（傾いた）表面２４ａ及び面９８ｂを介して中間ウィンドウ９８に再入射し、好ましくは、中間ウィンドウ９８の縁端部又は側面を通って外部結合される。特定の実施形態では、光吸収体（図示せず）が、透明なウィンドウ９８の外部結合縁端部／表面に配置されて、外光を吸収することができる。特定の実施形態では、この光吸収体は、光吸収材料を用いて中間ウィンドウ９８の外部結合縁端部／表面をコーティングすることによって実現することができる。中間ウィンドウ９８は、面９８ａ、９８ｂが面１２ｂ、２４ａに対して平行であり、かつ導波路２０の入力アパーチャを上回って投影する限り、任意の好適な幾何学的形状を有することができる。例えば、別の実施態様では、中間ウィンドウ９８は、中間くさびの形態をとることができ、これはまた、導波路２０に対して必要な傾斜角で導波路１０を取り付けるために使用することもできる。
【0112】
同様の効果は、（図８Ａ及び８Ｂに例示されたもの、並びにＰＣＴ特許公開第２０２１／００１８４１Ａ１号に記載されたものと同様に）２つの導波路１０、２０の間の境界面に、面２２ａ、２２ｂに対して平行である少なくとも１つの部分反射表面を導入することによって生成することができる。画像のうちの一方のみが導波路２０中に導入されるこの内部結合の方法を採用することは、著しく高い光学効率を伴う、より小型の内部結合アパーチャを必要とする。アパーチャサイズの相対的な低減、及び効率の相対的な改善は、ＦＯＶと共にスケーリングし、典型的には、斜めに沿って約５０°～６０°のＦＯＶの場合、約２倍に到達することができる。
【0113】
図１Ａ～１４を続けて参照しながら、ここで、本発明の第２の態様の実施形態による光学アパーチャを例示する図１５Ａ及び１５Ｂについて記述する。図１５Ａ及び１５Ｂに例示された実施形態における光学アパーチャ増倍器は、図９Ａ～１４を参照して以前に説明された光学アパーチャ増倍器と同様であり、いくつかの注目すべき相違を有する。
【0114】
まず、図１５Ａ及び１５Ｂの光学アパーチャ増倍器は、側面照明を介してコリメートされた画像６０を光導波路１０中に導入する結合プリズム１００を用いて動作するように構成されている。上述した光内部結合構成８０と同様に、この結合プリズム１００は、入力画像を入口で切り落として導波路１０に入るように構成されている。結合プリズム１００は、図１５Ａには、単におおまかに例示されているが、画像注入及び切り落としを提供する様々な形態をとることができる。そのような結合プリズムの構造及び動作の詳細は、共有された米国特許第１０，１３３，０７０号を含む、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ（Ｉｓｒａｅｌ）による様々な刊行物に見出すことができ、その特許文献は、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
【0115】
別の注目すべき相違は、本実施形態の光学アパーチャ増倍器が、上面１２ａに配置された保護層３７を有することであり、その保護層は、光導波路１０の上面に機械的な保護を提供することができることである。例えば、保護層３７は、画像品質の劣化につながる、望ましくない方向への反射を導入する可能性がある傷又は摩耗に対して、導波路１０の上面（面１２ａ）を保護することができる。更に、面１２ａ及び部分反射表面９６の反射性は、外部背景から眼への望ましくない反射を引き起こす可能性がある。したがって、反射を低減するために、不透明なカバー部材３８（図１５Ｂ）が、導波路１０の面１４ａ、１４ｂ、及び保護層３７をカバーするように展開されることが好ましい。例示されているように、カバー３８は、上下逆さの、Ｕ字形を有し、保護層３７（したがって、面１２ａ）をカバーする上部３８ｃ、及び面１４ａ、１４ｂをそれぞれカバーする脚部３８ａ、３８ｂのペアを含む。脚部３８ａ、３８ｂの端部におけるカバー３８の部分はまた、第２の導波路２０の面２２ａ、２２ｂの上部もカバーすることができる。反射コーティング又は低屈折率材料層などの材料４１は、脚部３８ａ、３８ｂの部分と、導波路１０、２０の接触部分との間に適用することができる。材料４１はまた、脚部３８ａ、３８ｂの部分と、保護層３７の側面接触部分との間に適用することもできる。特定の実施形態では、低屈折率材料４１は、低屈折率光学接合剤であり、これはまた、導波路へのカバー３８の接着接合を実現するために使用することもできる。
【0116】
別の相違は、第２の光導波路２０に関するものであり、この導波路は、例示された実施形態では、より一般的な四辺形断面を形成する面２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂを有する。面２４ａ及び２６ａは、互いに直交し、それぞれ、面１２ｂ及び１６ａに対して平行であり、面２４ａは、２つの導波路１０、２０の間の境界面を（面１２ｂと共に）画定することが好ましい。面２４ｂ及び２６ｂは、互いに直交することができるか、又は、傾斜する角度ではあるが依然として９０°に近い角度にあり、かつそれぞれの面２６ａ及び２４ａと鈍角及び鋭角をそれぞれ形成することができる。光学アパーチャ増倍器は、出力画像６６の配向（ファセット２８によって外部結合されている）に対して斜めである配向を有し、これは、光学アパーチャ増倍器の小型でかつ審美的に快適な設計を提供することができ、光導波路１０が、眼の上方又は下方のいずれかに展開された導波路１０の遠位端（導波路１０の近位端の反対側）と共に、眼に対して斜めに配向されている様々な展開構成を容易にすることができる。本文書の文脈では、導波路１０の近位端は、画像６０が導波路１０中に注入（結合）される端部である。図１６Ａ及び１６Ｂは、左眼２Ｌ及び右眼２Ｒのための例示的な眼上展開構成を示しており、そこでは、各々の眼２Ｌ、２Ｒが、独自の光学アパーチャ増倍器１ＬＡ、１ＲＡを有している。図１７Ａ及び１７Ｂは、左眼２Ｌ及び右眼２Ｒのための例示的な眼下展開構成を示しており、そこでは、各々の眼２Ｌ、２Ｒが、独自の光学アパーチャ増倍器１ＬＢ、１ＲＢを有している。光学アパーチャ増倍器１ＲＡ、１ＬＡ、１ＲＢ、１ＬＢの各々は、図１５Ａ及び１５Ｂに例示された光学アパーチャ増倍器に従って構築され、かつ動作可能であり、外部結合画像（例えば、図１５Ｂの画像６６）を関連した眼に提供する。更に、図１６Ｂの右眼上光学アパーチャ増倍器１ＲＡは、図１５Ａに例示された光学アパーチャ増倍器であり、図１６Ａの左眼上光学アパーチャ増倍器１ＬＡは、ｙ軸を中心に光学アパーチャ増倍器１ＲＡをミラーリングすることによって達成することができることに留意されたい。図１７Ａ及び１７Ｂの左及び右の眼下光学アパーチャ増倍器（１ＬＢ、１ＲＢ）は、同様に、３つの軸のうちの１つ以上を中心に光学アパーチャ増倍器１ＲＡ及び１ＬＡを適切にミラーリングすることによって達成することができる。図１７Ａ及び１７Ｂの眼下展開構成では、導波路１０の遠位端は、眼下に位置決めされ、これに対して、導波路１０の中間部分及び近位端は、眼の高さ又は眼の高さを上回って位置決めされていることに留意されたい。しかしながら、特定の非限定的な実施態様では、導波路１０、２０のいずれか又は両方の幾何学的形状は、矩形導波路１０の全体がユーザの眼の下に展開されるように修正することができる。
【0117】
図１８Ａ及び１８Ｂは、回折素子が、光を光導波路１０中にかつ光導波路２０から外部へ結合させるために使用されていることを除いて、図１５Ａ及び１５Ｂに例示された実施形態と同様の実施形態を示している。特に、光内部結合構成１１０が、面１４ｂのうちの１つと関連して展開された回折素子（例えば、回折格子）の形態で使用されて、画像６０を光導波路１０中に結合している。内部結合回折素子は、面１４ｂと関連して展開されているものとして示されて、光学アパーチャ増倍器の背面に光学画像生成器の好ましい展開を収容している。
【0118】
外部結合回折光学素子２９、例えば、回折格子は、面２２ａの一方と関連して展開され、光６４ａ、６４ｂを光導波路２０から眼２に向かって結合する。その回折素子は、面２２ａに関連付けられているものとして示されているが、この回折素子はまた、面２２ｂとも関連して展開され得る。更に、単一の回折素子２９が図１８Ａ及び１８Ｂに示されているが、複数の回折素子を使用することができ、その各々は、面２２ａ又は面２２ｂのそれぞれの部分（又は面２２ａ、２２ｂのそれぞれの非重複部分）に関連付けられる。
【0119】
光導波路１０の光外部結合構成が、例えば、図１Ａ及び１Ｂを参照して説明された実施形態のように、傾斜するファセット１８のセットとして実装されている実施形態では、光導波路２０のファセット２８は、面２４ａに対して傾斜する角度の有無で（すなわち、面２４ａに対して斜めに、又は面２４ａに対して平行に、また、面２６ａに対して垂直に）展開され、依然として完全なＦＯＶ画像を外部結合することができることに留意されたい。これは、共役画像のペア（例えば、画像６２ａ及び６２ｂ）がファセット１８によって光導波路２０中に偏向されるという事実に部分的に起因する。しかしながら、光導波路１０の光外部結合構成が、（例えば、図９Ａ～１２及び図１４のように）面１２ｂに関連付けられ、かつその面に対して平行である部分反射表面９６として実装されている実施形態では、下方前進ビームベクトル（例えば、画像６２ｄ）のみが、光導波路２０中に結合される。したがって、画像ＦＯＶのうちのできるだけ多くを維持するために、ファセット２８は、面２４ａ（又は２４ａ）に対して傾斜する角度を有する必要がある。特定の場合では、ファセット２８の傾斜角は、光学アパーチャ増倍器のサイズ及びフォームファクタの増加をもたらす場合があり、したがって、光学アパーチャ増倍器のサイズを低減するために、部分反射表面９６として実装される外部結合構成に関連付けられた光導波路１０と組み合わせて、薄いスラブ型導波路内に展開された、傾斜角のないファセット２８を使用することが望ましい場合がある。
【0120】
図１９Ａ及び１９Ｂは、（傾斜するファセットの代わりに）部分反射表面９６を備える矩形導波路１０を有する光学アパーチャの実施形態を例示しており、この導波路は、傾斜角を有さないファセット２８を有する第２の光導波路２０に光学的に結合されている。前述した光内部結合構成１００はまた、ここでも例示されており、画像６０を光導波路１０中に結合させる。
【0121】
例示された実施形態では、光導波路２０は、平行面２２ａ、２２ｂのペア、及び平行面のペアとして例示されている、面２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂの２つの追加のペアを有する薄いスラブ型導波路である。光方向転換配置１２０は、光導波路２０の第１の領域１２１に関連付けられ、光導波路２０に結合された光をファセット２８に向かって方向転換（偏向）するように機能し、そのファセットは、光導波路２０の第２の領域１２２内に配置されている。
【0122】
第１の領域１２１は、面２６ａ、２６ｂの間の光導波路２０の全長にわたることが好ましく、光導波路２０の上部、典型的には、光導波路２０の上部１０％～２５％を占有し、これは、面２４ａから面２４ｂに向かう方向（本明細書では、「ｙ」方向に対応するものとして任意に示される）に測定される。第２の領域１２２はまた、面２６ａ、２６ｂの間の光導波路２０の全長にもまたがっていることが好ましい。これらの２つの領域１２１、１２２は、非重複領域であってもよく、このため、第２の領域１２２は、第１の領域１２１によって占有されていない、光導波路２０の下部を占有する。ただし、特定の実施形態では、２つの領域１２１、１２２は、（「ｙ」方向に沿って）部分的に重複してもよい。
【0123】
好ましい実施形態では、光方向転換配置１２０は、面２６ａ、２６ｂの間に光導波路２０の長さの大部分又は全部にまたがる。特定の実施形態では、光方向転換配置１２０は、面２６ａ、２６ｂの間で（すなわち、任意にラベル付けされたｘｙｚ座標系のｘ軸に沿って）光導波路２０の長さを少なくとも部分的に横断し、かつ、面１２ｂ、２４ａに対して斜め方向に（好ましくは、急角度、かつ鋭角で）傾斜している、相互に平行な部分反射表面（ファセット）のセットとして実装される。他の実施形態では、光方向転換配置は、光導波路２０の面２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂのうちの１つ以上に関連付けられた１つ以上の回折素子として実装することができる。
【0124】
光方向転換配置１２０がファセット１２０のセットとして実装されている実施形態では、ファセット１２０は、（面２２ａ、２２ｂに対して斜め方向に傾斜する）ファセット２８の配向に対して非平行である第１の配向を有する。例示された実施形態では、ファセット１２０、２８の２つのセットは、非重複であるが、ファセット２８のうちの１つ以上が、面２２ａ、２２ｂの平面（図面では、ｘｙ平面である）上に投影してファセット１２０と重複する他の実施形態が可能である。
【0125】
光方向転換配置１２０及びファセット２８の構成は、部分反射表面９６が、光導波路１０を通って伝播する画像を４重折り曲げ内部反射（画像６２ａ、６２、６２ｃ、６２ｄ）によって光導波路２０中に結合させたときに、画像が光導波路２０の第２の領域１２２中に第２の導波方向に方向転換されるように、光方向転換配置１２０において反射された（偏向された）強度のある割合で、内部結合画像は、面２２ａ、２２ｂにおける内部反射（画像６３ａ、６３ｂ）によって、光導波路２０の第１の領域１２１内を第１の導波方向に伝播し、次いで、画像が、観察者の眼２によって分かる可視画像６６として、平行面２２ａのうちの一方から外向きに指向されるように、部分反射表面２８において反射された（偏向された）強度のある割合で、内部結合画像は、面２２ａ、２２ｂにおける内部反射（画像６４ａ、６４ｂ）によって光導波路２０の第２の領域１２２内を伝播するようになる。第１の導波方向は、導波路１０の伸長方向に対しておおむね斜めである（すなわち、面１２ｂ、２４ａに対して斜めである）。第２の導波方向は、第１の導波方向とは異なり、導波路１０（及び面１２ｂ、２４ａ）の伸長方向に対して垂直であるか、又はほぼ垂直であることが好ましく、面２６ａ、２６ｂに対して平行であるか、又はほぼ平行であることが好ましい。
【0126】
図２０Ａ及び２０Ｂは、図１８Ａ及び１８Ｂを参照して説明されたものと同様に、回折素子が光を光導波路１０中に、そして光導波路２０から外部へ結合させるために使用されることを除いて、図１９Ａ及び１９Ｂに例示された実施形態と同様の実施形態を示している。特に、光内部結合構成１１０は、面１４ｂのうちの１つにおいて展開された回折素子（例えば、回折格子）の形態で、画像６０を光導波路１０中に結合するために使用される。内部結合回折素子は、面１４ｂと関連して展開されているものとして示されて、光学アパーチャ増倍器の背面に光学画像生成器の好ましい展開を収容している。
【0127】
外部結合回折光学素子２９、例えば、回折格子は、第２の領域１２２内にある面２２ａのうちの１つの一部分と関連して展開され、光６４ａ、６４ｂを光導波路２０から、そして眼２に向かって結合させる。回折素子は、面２２ａに関連付けられているものとして示されているが、回折素子はまた、第２の領域１２２内にある面２２ｂの一部分と関連して展開され得る。更に、単一の回折素子２９が、図２０Ａ及び２０Ｂに示されているが、複数の回折素子を使用することができ、その各々は、第２の領域１２２内にある面２２ａ又は面２２ｂのそれぞれの部分（又は面２２ａ、２２ｂのそれぞれの非重複部分）に関連付けられている。
【0128】
開示された実施形態の全てにおいて、光ビーム６０は、光学画像生成器によって生成されるコリメートされた画像からの光に対応する。添付図面には示されていないが、光学画像生成器（「画像プロジェクタ」とも称される）は、一般に、少なくとも１つの光源、典型的には、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）チップなどの空間光変調器を照明するために展開される偏光源を含む。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、高速スキャンニングミラーを使用して実装されるスキャンニング配置を含むことができ、その高速スキャンニングミラーは、ビームの強度がスキャンニング運動と同期して画素単位で変化しながら、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スキャンニングし、それによって、各画素に所望の強度を投影する。いずれにしても、コリメート光学素子を提供して、無限にコリメートされる出力投影画像（すなわち、画像光６０）を生成する。画像プロジェクタの上記の部品のいくつか又は全てが、典型的には、当技術分野では周知であるように、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）立方体、又は他のプリズム配置の表面上に配置される。したがって、画像プロジェクタによって生成されたコリメートされた光６０は、典型的には、偏光されていてもよく、光導波路１０への注入時に、導波路１０の面のうちの１つに対して初期偏光を有してもよい。光学画像生成器については、例えば、米国特許第８，６４３，９４８号、米国特許出願公開第２０１９／０３９１４０８号、及び米国特許出願公開第２０２１／００７２５５３号を含む、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ（Ｉｓｒａｅｌ）による様々な刊行物に記載されている。
【0129】
光が、導波路１０内に展開される傾斜するファセットではなく、面１２ｂに関連付けられた部分反射表面（例えば、表面９６）によって、光導波路２０中に結合される、特定の実施形態において光学アパーチャ増倍器によって採用される偏光方式は、特に妥当であり、かつ、注入された光が画像品質の劣化なしに２Ｄ及び１Ｄの両方の導波路を通って伝播することを確実にするように設計される必要がある。
【0130】
部分反射表面９６が、金属層を有する多層コーティングを使用して形成される実施形態では、導波路１０中に注入される画像光６０の偏光に関して、ある程度の柔軟性がある。特に、部分反射表面９６によって外部結合されるための動作入射角の範囲では、金属コーティングは、一般に、ｐ偏光に対しては好適な部分反射率（したがって、部分透過率）を提供し、ｓ偏光に対しては高い反射率を提供する。したがって、部分反射表面９６（金属層を使用して形成された場合）は、導波路１０から光を伝播するｐ偏光成分を効率的に結合し、導波路１０内のｓ偏光成分を保持することができる。したがって、任意の好適な偏光方式を使用して、導波路１０中に注入されるべき光ビーム６０を生成することができる。
【0131】
一例では、光ビーム６０は、面１２ｂ（すなわち、表面９６）に対して非偏光であり（したがって、ｓ偏光成分及びｐ偏光成分を有する）、その結果、ｐ偏光成分の強度のある割合が、部分反射表面９６によって導波路１０から透過され、ｓ偏光成分が、表面９６によって反射される。特定の非限定的な実施形態では、光学画像生成器は、光源の特定の構成を採用することによって、光ビーム６０を非偏光ビームとして出力する。特に、光学画像生成器は、互いに直交するように偏光されたレーザ光源を組み合わせて、非偏光画像ビームを生成することができる。別の実施形態では、光学画像生成器は、偏光された画像ビームを出力するが、デポラライザが、光学画像生成器と、導波路１０の入力アパーチャとの間の光路内に、例えば、光内部結合構成の前か、又は光内部結合構成の出力側のいずれかに展開される。デポラライザ展開構成の例が、米国特許第１０，１３３，０７０号に詳細に記載されている。
【0132】
別の例では、光ビーム６０は、例えば、光学画像生成器の出力側（若しくは光内部結合構成への入力側）に、又は代替的に光内部結合構成の出力側に、直線偏光フィルタ及び４分の１波長板を展開することによって、面１２ｂに対して円偏光にすることができる。
【0133】
更に別の例では、光ビーム６０は、面１２ｂに対してｐ偏光にすることができる。これは、ｐ偏光の光を出力する光学画像生成器のいずれかを採用することによって達成することができる。しかしながら、典型的な構成では、光学画像生成器は、ｓ偏光の光を出力するため、波長板が、光学画像生成器の出力側（若しくは光内部結合構成への入力側）に、又は代替的に光内部結合構成の出力側に展開されて、出力光の偏光をｓ偏光からｐ偏光に回転させることができる。
【0134】
部分反射表面９６が１つ以上の誘電体コーティング層を使用して形成される実施形態では、合理的な光効率を達成するために、面１２ｂ（部分反射表面９６）に対する注入されたビーム６０の偏光方向の管理が重要である。そのような実施形態では、光学画像生成器は、面１２ｂに対してｓ偏光される偏光された画像照明を生成するように構成される。米国特許第８，６４３，９４８号に記載されている光学画像生成器は、ｓ偏光された画像光を生成する光学画像生成器の一例である。
【0135】
特定の実施形態では、ファセット２８の反射率に対応して、ファセット２８が１Ｄ導波路から伝播光を十分に反射することを確実にするために、（半波長板などの）波長板を、２つの導波路１０及び２０の間の境界面に展開することができる。図１５Ａ及び１５Ｂを再度参照すると、光導波路２０中に結合されるべき光の偏光状態を回転させるための波長板１３０が、導波路１０、２０の間の境界面に、かつ部分反射表面９６と関連して、任意選択的に展開されている。特に、波長板１３０は、部分反射表面９６と、導波路２０の上面２４ａとの間の境界面４０に配置されている。波長板１３０は、部分反射表面９６が誘電体コーティングを使用して形成される（かつ注入されたビーム６０が面１２ｂに対してｓ偏光される）実施形態と組み合わせて使用されるときに、特に価値がある。そのような実施形態では、表面９６によって導波路１０から結合された照明は、表面９６／面１２ｂに対してｓ偏光される。しかしながら、ファセット２８は、典型的には、面１２ｂに直交する面２２ａ、２２ｂに対してｓ偏光される光の反射率を設計したオプティカルコーティングを使用して形成される。したがって、導波路１０から外部結合される光の偏光方向は、面２２ａ、２２ｂに対してｐ偏光される。波長板１３０を導波路１０、２０の間に展開することによって、波長板１３０は、面２２ａ、２２ｂに対してｓ偏光されるように外部結合された光の偏光方向を回転させ、これは、ファセット２８によって外部結合された光の効率を増加させる。
【0136】
明らかであるように、波長板１３０は、図１８Ａ～２０Ｂに例示された実施形態では、部分反射表面９６と、導波路２０の上面２４ａとの間の同様な場所に展開することができる。
【0137】
以下の段落は、図２１及び２２を参照して、部分反射表面９６を形成するために使用することができる誘電体コーティングの設計態様のいくつかについて説明する。まず、コーティングは、導波路２０の遠端部で伝播するビームの最大パワー（強度）を達成し、同時に、導波路２０の近端部で反射されるビームに対して同じパワー（強度）を達成するように、最適に設計される必要がある。導波路２０の「遠端部」は、おおむね、面２４ｂに近い面２６ａの領域であり、導波路２０の「近端部」は、おおむね、面２６ｂに近い面２４ｂの領域である。図２１では、導波路２０の遠端部で伝播するビームは、実線矢印として示され、光内部結合構成１００への入力側において、第１の導波路１０を通って光線６０Ｆまで遡ることができる。導波路２０の近端部で伝播するビームは、点線矢印として示され、光内部結合構成１００への入力側において、光線６０Ｎまで遡ることができる。
【0138】
一例として、遠端部におけるビームが所望の角度で導波路２０を出射するようにコーティングによって提供される反射率がＲによって示され、導波路１０内の反射の数がＮによって示され、２つの反射間の透過率がＴによって示される場合、導波路２０の遠端側で注入されたビーム６０Ｆに対応するビームのパワー出力は、次式で表すことができる。
Ｐ＝（１－Ｒ）（Ｒ＊Ｔ）N。
Ｐ＝（１－Ｒ）（Ｒ＊Ｔ）N。
【0139】
明らかであるように、パワーＰは、多変数関数であり、例えば、Ｔ及びＮを固定し、次いでＰを最大化して、Ｐを最大化するＲの値を識別することによる方法を含む、様々な方法で最大化することができる。例えば、Ｔ＝０．９８、かつＮ＝８である場合、Ｐは、Ｒが約０．８８のときに、ほぼ０．０３６７の最大値Ｐmaxを達成する。一般に、導波路１０の入口における６０Ｎに対応する光のコーティングの反射率は、１－Ｐmaxである必要があり、Ｐmax＝０．０３６７である今の例では、ほぼ０．９６３３（９６．３３％）の反射率をもたらす。
【0140】
図２２は、ｓ偏光及びｐ偏光の反射率の、ＡＯＩを関数とするグラフを例示している。グラフから分かるように、Ｐmax＝０．０３６７である本例を続けると、ｓ偏光は、（ブルースター角の近くで急激に降下するｐ偏光の反射率とは対照的に）ほぼ９６．３３％の所望の反射率を達成している。したがって、Ｐmax＝０．０３６７である特定の例の場合、面１２ｂに対してｓ偏光されているビームを注入することは、最適かつ均一な照明を達成するであろう。このような偏光方式では、ｓ偏光ビーム６０Ｆに対する部分反射表面９６の反射率は、ほぼ８８％であり、ｓ偏光ビーム６０Ｎに対する部分反射表面９６の反射率は、ほぼ９６．３３％であろう。
【0141】
第２の態様による実施形態は、これまで、導波路１０、２０が面１２ｂ、２４ａにおいて光学的に結合されているという文脈の中で説明されてきたが、光結合が面１２ｂと、平行面２２ａ、２２ｂのうちの一方の一部との間にあるように、光導波路１０が展開される他の実施形態が可能である。そのような実施形態では、面２２ａ（又は２２ｂ）は、導波路２０への入力結合表面として機能する。そのような実施形態の単純化された等角図が、図２３に例示されており、その図は、面１２ｂ、２２ａにおいて共に結合された導波路１０、２０を示している。中間屈折層９９が、面１２ｂ、２２ａの間に展開されており、それらの面を通って、導波路１０から外部結合されている画像は、面２２ａを通って導波路２０中に結合される前に通過する。導波路１０中に導入されるビームは、屈折層９９との境界面によって反射される必要があり、導波路１０を通る内部反射によって伝播する光ビームは、面２２ａを介して屈折層９９を通って導波路２０中に（ファセット１８か、又は部分反射表面９６のいずれかによって）外部結合される必要がある。屈折層の更なる詳細については、米国特許第１０，１３３，０７０号の中に見出すことができる。
【0142】
以下の段落は、本発明の実施形態による光学アパーチャ増倍器、特に、図９Ａ～１２を参照して説明された光学アパーチャ増倍器のいくつかを作製するための様々な方法について説明する。
【0143】
図２４Ａに示すように、複数のＬＯＥ（すなわち、第２の光導波路）２０が得られる。各ＬＯＥ２０は、例えば、図１Ａ及び１Ｂを参照して上述したようなものであり、主平行面２２ａ、２２ｂのペア（カバープレート３９ａ、３９ｂ上に形成することができる）、及び面２２ａ、２２ｂに対して傾斜する複数の相互に平行な部分反射内面（ファセット）を有する。ただし、特定の実施形態では、各ＬＯＥ２０は、例えば、図１Ｃに例示されているように、カバープレートなしで形成されてもよいことに留意されたい。各ＬＯＥ２０はまた、面２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂの別の２つのペア（それらの各々は、平行面のペアであっても又はなくてもよい）、及び面２２ａ、２２ｂに対して傾斜する複数の部分反射内面（ファセット）も含む。明確にするために、ＬＯＥの内部ファセットは、図２４Ａ～２４Ｆには図示されていないが、ＬＯＥ内の内部ファセットの展開は、本明細書に添付する他の図面から十分に理解することができる。
【0144】
各ＬＯＥ２０の作製のための好適な技法は、一般に既知であり、例えば、図１８～２３を参照してそこに説明されているように、共有された先の米国特許第８，４３２，６１４号の中に見出すことができる。
【0145】
複数のＬＯＥ２０は、位置合わせされ、次いで積層体に構成されて、隣接するＬＯＥのカバープレート３９ａ、３９ｂが共に結合されるように、共に接合される。図２４Ｂは、位置合わせされたＬＯＥ２０の、得られた接合された積層体２００を示しており、その積層体は、面２２２ａ、２２２ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、２２６ａ、２２６ｂの３つのペアを有する。面２２２ａ、２２２ｂは、平行面のペアであり、他の２つの面のペアは、平行面のペアであっても又はなくてもよい。特定の実施形態では、接合された積層体２００の面の３つのペアは、相互に直交する（垂直である）。ＬＯＥ２０の位置合わせは、全てのＬＯＥ２０の面２２ａ、２２ｂが相互に平行（ｘｙ平面に対して平行）であるようにする。積層体の一方の端部におけるＬＯＥの面２２ａは、実際には、面２２２ａを形成し、積層体の他方の端部におけるＬＯＥの面２２は、面２２２ｂを形成する。面２２４ａ、２２４ｂ及び２２６ａ、２２６ｂのペアの各々が平行面のペアである実施形態では、ＬＯＥ２０の位置合わせは、ＬＯＥ２０の面２４ａが同一平面上にあり（かつｘｚ平面に対して平行であり）、ＬＯＥ２０の面２４ｂは、位置合わせされたＬＯＥ２０の面２４ａ及び２４ｂが、接合された積層体２００の面２２４ａ及び２２４ｂ（ｘｚ平面に対して平行である）をそれぞれ形成するように、同一平面上にあり（かつｘｚ平面に対して平行であり）、位置合わせされたＬＯＥ２０の面２６ａ及び２６ｂが、接合された積層体２００の面２２６ａ及び２２６ｂ（ｙｚ平面に対して平行である）をそれぞれ形成するように、ＬＯＥ２０の面２６ａは、同一平面上にあり（かつｙｚ平面に対して平行であり）、並びにＬＯＥ２０の面２６ｂは、同一平面上にある（かつｙｚ平面に対して平行である）、ように更になっている。面２２２ａ、２２２ｂ、及び２２４ａ、２２４ｂのペアの各々が平行面のペアである実施形態では、面２２２ａ、２２２ｂ、及び２２４ａ、２２４ｂのペアの各々は、ＬＯＥ２０の各々の面２２ａ、２２ｂに対して直交する（垂直である）（したがって、積層体２００の面２２２ａ、２２２ｂに対して直交する）。
【0146】
図２４Ｃに例示されているように、面３１２ａ、３１２ｂ、３１４ａ、３１４ｂ、３１６ａ、３１６ｂの３つのペアを有する、コーティングされた透明な厚いプレート３００が得られる。面３１２ａ、３１２ｂ、及び３１４ａ、３１４ｂのペアの各々は、平行面のペアであり、平行面３１２ａ、３１２ｂ、３１４ａ、３１４ｂの２つのペアは、矩形断面（ｙｚ平面内）を共に形成する。面３１６ａ、３１６ｂのペアは、平行面のペアであっても又はなくてもよい。特定の実施形態では、下面３１２ｂは、選択的反射コーティング（例えば、誘電体層の有無にかかわらず、金属コーティング）を用いてコーティングされ、その結果、コーティングされた面３１２ｂは、部分反射表面になる。他の実施形態では、選択的反射コーティングを用いてコーティングされた薄いプレートが、面３１２ｂと位置合わせされて接合される。更に他の実施形態では、部分反射材料の薄膜が、面３１２ｂに取り付けられる。そのような全ての実施形態では、コーティング又は材料は、面３１２ｂ上に展開され、その結果、コーティング又は材料は、（「ｚ」方向に）面３１２ｂの全幅に沿って延在する。特定の実施形態では、コーティング又は材料が、面３１２ｂ上に展開され、その結果、コーティング又は材料は、面３１２ｂの全長に沿って（「ｘ」方向に）延在する。そのような実施形態は、最終的な導波路構造が（図１５Ａの結合プリズム１００などの）側面照明を提供する光内部結合構成を用いて使用される必要がある場合に、特に好適である。他の実施形態では、コーティング又は材料は、面３１２ｂ上に展開され、その結果、コーティング又は材料は、面３１２ｂの、大部分ではあるが全部ではない、長さに沿って延在する。そのような実施形態は、最終的な導波路構造が前面／背面照明を提供する「ボトムアップ」光内部結合構成（図３～５、７Ａ、及び７Ｂの光内部結合構成など）を用いて使用される必要がある場合に、特に好適である。
【0147】
他の実施形態では、金属コーティングを適用して、面３１２ａの全幅に沿って（「ｚ」方向に）延在し、面３１２ａの、大部分ではあるが（全部ではない）長さに沿って（「ｘ」方向に）延在する。そのような実施形態は、最終的な導波路構造が「トップダウン」光内部結合構成（図６Ａ及び６Ｂの光内部結合構成など）を用いて使用される必要がある場合に、特に好適である。
【0148】
図２４Ｄでは、コーティングされた透明なプレート３００は、位置合わせされたＬＯＥ２０の接合された積層体２００と位置合わせされる。
【0149】
図面内で使用される任意にラベル付けされたｘｙｚ座標系を参照すると、（透明なプレート３００及び接合された積層体２００の各々が平行面の３つのペアを有する実施形態では）コーティングされた透明なプレート３００と、接合された積層体２００との位置合わせは、以下のように最もよく理解することができる。面３１２ａ、３１２ｂ、２２４ａ、２２４ｂの各々は、ｘｚ平面に対して平行であり、面２１４ａ、２２２ａの各々は、ｘｙ平面に対して平行であって、かつ好ましくは、同一平面上にあり、面３１４ｂ、２２２ｂの各々は、ｘｙ平面に対して平行であって、かつ好ましくは、同一平面上にあり、面３１６ａ、２２６ａの各々は、ｙｚ平面に対して平行であって、かつ好ましくは同一平面上にあり、面３１６ｂ、２２６ｂの各々は、ｙｚ平面に対して平行であって、かつ好ましくは同一平面上にある。
【0150】
接合された積層体２００は、コーティングされた透明なプレート３００に光学的に結合され、それによって、図２４Ｅに例示されるように、コーティングされた透明なプレート３００と、前の段落で説明された接合された積層体２００との位置合わせを維持しながら、光学ブロック２８０を形成する。接合された積層体２００は、コーティングされた透明なプレート３００に光学的に結合されて、面３１２ｂと２２４ａとの間に境界面２４０を形成する（すなわち、面３１２ｂ、２２４ａが互いに対面する関係になるように）。境界面２４０は、上で考察したように、面３１２ｂに適用されるか、ないし関連付けられるコーティング又は材料を含む。代替的に、材料又はコーティングは、接合された積層体２００を、コーティングされた透明なプレート３００に光学的に結合する前に、面３１２ｂの代わりに面２２４ａに適用することができる。
【0151】
任意選択的に、面３１２ａは、上面３１２ａ及び下面３１２ｂが同じ入射角で伝播光を反射することを確実にするために、金属コーティングなどの反射コーティングを用いてコーティングされてもよい。コーティングは、コーティングされた透明なプレート３００を、接合された積層体２００に光学的に結合する前又は後に、面３１２ａに適用することができる。
【0152】
図２４Ｅに示すように、光学ブロック２８０は、少なくとも２つの平行な切断面（図２４Ｅの点線２４５によって示されている）に沿って切断されて、光学ブロック２８０から少なくとも１つの光学アパーチャ増倍器を切り出す（単一の光学アパーチャ増倍器が、図２４Ｆに示されているが、複数のそのような光学アパーチャ増倍器を、光学ブロック２８０から切り出すことができる）。
【0153】
切断面２４５は、接合された積層体２００の連続したＬＯＥ２０の平行面２２ａ、２２ｂに対して平行であり、かつコーティングされた透明なプレート３００の面３１４ａ、３１４ｂに対して平行である。したがって、切断面２４５は、透明なプレート３００の面３１２ａ、３１２ｂに対して直交する。
【0154】
切り出された各光学アパーチャ増倍器は、境界面４０においてＬＯＥ２０（１Ｄ光導波路）に光学的に結合された矩形光導波路１０（２Ｄ光導波路）を有し、かつ導波路１０の結合表面（図９Ａ～１２の面１２ｂ）に関連付けられている境界面４０に部分反射表面を有する。ＬＯＥ２０の各々がカバープレート３９ａ、３９ｂのペアを含む実施形態では、切断面２４５の各々は、連続する（すなわち、隣接する）カバープレート３９ａ、３９ｂの間を通過することが好ましい。ＬＯＥ２０が（図１Ｃのように）いずれのカバープレートも含まない実施形態では、切断面２４５の各々は、連続するＬＯＥ基板１９の隣接する主外部表面（面）の間の接合領域に配置されることが好ましい。
【0155】
上記の作製方法では、当業者によって理解される必要があるように、本明細書に記載された様々な光学構造体の切断又は切り出しは、任意の好適な切断装置／デバイス／工具によって実行することができる。特定の実施形態では、これらの切断／切り出し工程の時点で生産される光学構造体の表面／面のうちのいくつか又は全てを研磨することができる。本明細書に記載された様々な光学構造体の面及び表面の研磨は、当業者によって理解される必要があるように、任意の好適な研磨装置／デバイス／工具によって実行することができる。
【0156】
本開示の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることも、開示される実施形態に限定されることも意図されていない。記載された実施形態の範囲及び趣旨から逸脱しない多くの修正及び変形が、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実用的な応用又は技術的な改善を最良に説明するために、又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択された。
【0157】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、複数の参照を含む。
【0158】
「例示的」という言葉は、本明細書では、「例、実例、又は例示として役立つ」ことを意味するために使用される。「例示的」として記載される任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではなく、及び／又は他の実施形態からの特徴の組み込みを除外するものではない。
【0159】
明確にするために、別個の実施形態の文脈で記載される本発明の特定の特徴はまた、単一の実施形態で組み合わせて提供され得ることが理解される。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で記載される本発明の様々な特徴はまた、別個に、又は任意の好適な部分的な組み合わせで、又は本発明の他の任意の記載された実施形態で好適であるとして提供され得る。様々な実施形態の文脈で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場合を除いて、それらの実施形態の本質的な特徴とみなされるべきではない。
【0160】
添付の特許請求の範囲が多重の依存関係なしに起草されている点において、これは、このような複数の依存関係を許可しない法域の正式な要件に対応するためにのみ行われている。特許請求の範囲を多重依存にすることによって暗示されるであろう特徴の全ての可能な組み合わせが明示的に想定されており、本発明の一部とみなされるべきであることに留意されたい。
【0161】
本発明は、その特定の実施形態と併せて記載されてきたが、多くの代替、修正、及び変形が当業者には明らかになるであろうことは明白である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨及び広い範囲内に収まる全てのこのような代替、修正、及び変形を包含することが意図されている。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24A】
【図24B】
【図24C】
【図24D】
【図24E】
【図24F】
