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】2024-07-03
(45)【発行日】2024-07-11
(54)【発明の名称】ゴースト画像を軽減するための光学デバイス
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240704BHJP
G02B 27/01 20060101ALI20240704BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20240704BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B27/01
H04N5/64 511A
【請求項の数】
29
(21)【出願番号】P 2022553204
(86)(22)【出願日】2021-03-17
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-12
(86)【国際出願番号】 IL2021050294
(87)【国際公開番号】W WO2021191889
(87)【国際公開日】2021-09-30
【審査請求日】2024-02-01
(31)【優先権主張番号】62/993,100
(32)【優先日】2020-03-23
(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】518010049
【氏名又は名称】ルムス エルティーディー．
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】８ Ｐｉｎｃｈａｓ Ｓａｐｉｒ Ｓｔｒｅｅｔ， ７４０３６３１ Ｎｅｓｓ Ｚｉｏｎａ， Ｉｓｒａｅｌ
(74)【代理人】
【識別番号】110003797
【氏名又は名称】弁理士法人清原国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ローネン，イータン
(72)【発明者】
【氏名】フリードマン，エドガー
【審査官】鈴木 俊光
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１０６１０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１０９７３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０６０１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５１４０５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／０４４１９８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０７７６０１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０１ － ２７／０２
Ｈ０４Ｎ ５／６４
Ｈ０４Ｎ １３／３４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学デバイスであって、少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、前記２つの主表面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、
前記２つの主表面間の内部反射によって誘導された前記光を前記光透過基板から観察者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、
光学配置と、を備え、
前記光学配置は、前記２つの主表面のうちの少なくとも一方と関連付けられ、
前記光学配置は、第１の光学素子と、前記光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように、前記第１の光学素子に光学的にカップリングされた第２の光学素子と、を含み、
前記光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で前記光学配置に入射する光線が、前記界面領域で偏向されるように配備されていることを特徴とする、光学デバイス。
【請求項2】
前記第１および第２の光学素子が、各々、前記界面領域の屈折率よりも高い屈折率を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記界面領域が、エアギャップとして形成されている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記界面領域が、低屈折率材料の透明層として形成されている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記第１および第２の光学構成要素が、各々、複数の表面を含み、前記界面領域を画定するように、前記複数の表面のうちの対応する表面を介して、対応して構成され、かつ隣接して配置されている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記第１および第２の光学素子の各々が、第１および第２の互いに平行な表面と、前記第１および第２の互いに平行な表面に対して傾斜している第３の表面と、を有するプリズムであり、前記第１および第２の光学素子が、前記第３の表面で互いに光学的にカップリングされている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記光学配置が、レンズとして形成されている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項8】
前記界面領域が、線形表面プロファイルを有する、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記界面領域が、非線形表面プロファイルを有する、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記界面領域が、一対の平行な面を有する第２の光透過基板と、前記平行な面に対して傾斜した、前記第２の光透過基板内に配備された複数の部分反射面と、を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記部分反射面の各々が、一対の透明層と、前記一対の透明層の間に配備された、低屈折率材料でコーティングされた粗い透明層とを含み、前記一対の透明層の各々が、前記低屈折率材料の屈折率よりも高い屈折率を有する、請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項12】
前記所与の範囲の角度で前記外部シーンから発する前記光線が、内部反射によって前記第１の光学素子内でトラップされるように、前記界面領域で偏向される、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項13】
請求項１に記載の光学デバイスであって、前記第１の光学素子は、第１の表面と、前記第１の表面に直交する又は略直交する、第２の表面とを有し、
前記所与の範囲の角度で前記外部シーンから発する前記光線が、前記第１の光学素子の第１の表面を介して前記光学配置に入り、前記界面領域で反射され、前記第１の光学素子の前記第１の表面で反射され、前記界面領域で前記第１の光学素子の第２の表面に向かって、かつ前記光透過基板から離れて反射される、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項14】
前記第１の光学素子の前記第２の表面が、光収集または散逸構成要素と関連付けられている、請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記所与の範囲の角度の外側の範囲の角度で前記外部シーンから発する光線が、前記第１の光学素子の第１の表面を介して前記光学配置に入り、前記界面領域によって透過され、前記第２の光学素子の第１の表面を介して前記光学配置から出て、前記観察者の前記眼の方へ前記光透過基板を通過する、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項16】
前記光学配置は、前記光学配置がない場合、前記外部シーンから前記所与の範囲の角度で発する前記光線が、前記光透過基板に入り、前記光学カップリングアウト構成によって前記光透過基板から前記観察者の前記眼に向かってカップリングアウトされるようになっている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項17】
前記光透過基板に直交する配向で、かつ前記光透過基板の端部に配備された第２の光学配置をさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項18】
前記光学カップリングアウト構成が、前記光透過基板内に位置する少なくとも１つの部分反射面を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項19】
前記光学カップリングアウト構成が、前記光透過基板を少なくとも部分的に横断する複数の部分反射面を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項20】
コリメートされた画像に対応する光波を前記光透過基板内に導入するように、前記光透過基板の近位端にカップリングされた画像プロジェクタをさらに備え、前記界面領域が、前記近位端の反対側にある前記光透過基板の遠位端付近に位置する前記部分反射面のサブセットにわたる、請求項１９に記載の光学デバイス。
【請求項21】
前記光学カップリングアウト構成が、前記２つの主表面のうちの一方と関連付けられた回折素子を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項22】
コリメートされた画像が、前記光透過基板内の内部反射によって伝播し、かつ前記光学カップリングアウト構成によって前記光透過基板からカップリングアウトされるように、前記コリメートされた画像に対応する光波を前記光透過基板内に導入するように、前記光透過基板にカップリングされた画像プロジェクタをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項23】
前記画像プロジェクタから前記コリメートされた画像を受信し、かつ前記コリメートされた画像を前記光透過基板にカップリングインするために、前記光透過基板および前記画像プロジェクタと関連付けられた光学カップリングイン構成をさらに備える、請求項２２に記載の光学デバイス。
【請求項24】
光学デバイスであって、一対の面を有する光透過基板であって、前記一対の面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、
前記一対の面間の内部反射によって誘導された前記光を前記光透過基板から観察者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、
少なくとも１つの光学素子であって、一対の平行な主表面と、前記一対の平行な主表面に対して傾斜した第３の主表面とを含む複数の表面を有し、前記光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた、少なくとも１つの光学素子と、を備え、
前記少なくとも１つの光学素子の屈折率よりも低い屈折率を有する界面領域が、前記第３の主表面によって少なくとも部分的に画定され、
前記少なくとも１つの光学素子は、外部シーンから発し、前記一対の平行な主表面の主表面のうちの他方に所与の範囲の入射角で入射する光線が前記界面領域において偏向されるように、前記光透過基板の前記一対の面のうちの１つと関連付けられている前記一対の平行な主表面の主表面のうちの１つとともに、配備されていることを特徴とする、光学デバイス。
【請求項25】
前記少なくとも１つの光学素子の前記複数の表面が、第４の表面をさらに含み、前記所与の範囲の角度で前記外部シーンから発する前記光線が、前記一対の平行な主表面の前記主表面のうちの前記他方を介して前記少なくとも１つの光学素子に入り、前記界面領域で反射され、前記一対の平行な主表面の前記主表面のうちの前記他方で反射され、前記界面領域で前記第４の表面に向かって、かつ前記光透過基板から離れて反射される、請求項２４に記載の光学デバイス。
【請求項26】
前記第４の表面が、光収集または散逸構成要素と関連付けられている、請求項２５に記載の光学デバイス。
【請求項27】
前記界面領域が、前記第３の主表面に光学的にカップリングされた透明プレートによって部分的にさらに画定される、請求項２４に記載の光学デバイス。
【請求項28】
光学デバイスであって、少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、前記２つの主表面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、
前記２つの主表面間の内部反射によって誘導された前記光を前記光透過基板から観察者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、
前記２つの主表面のうちの少なくとも一方と関連付けられ、かつ前記光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように隣接して位置付けられた一対の光学素子を含む光学配置と、を備え、
前記界面領域が、前記光学素子の屈折率よりも小さい屈折率を有し、前記光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で前記光学配置に入射する光線が、前記界面領域で偏向されるように配備されていることを特徴とする、光学デバイス。
【請求項29】
光学デバイスであって、少なくとも第１および第２の主平面を有する第１の光透過基板であって、前記第１および第２の主平面間の内部反射によって光を誘導するための、第１の光透過基板と、
前記第１および第２の主平面間の内部反射によって誘導された前記光を前記第１の光透過基板から観察者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、
光学配置と、を備え、
前記光学配置は、少なくとも２つの主表面を有する第２の光透過基板であって、前記第２の光透過基板の前記２つの主表面のうちの一方が、前記第１の光透過基板の前記第１または第２の主表面と関連付けられている、第２の光透過基板と、
前記光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように、前記第２の光透過基板の前記２つの主表面に対して傾斜して、前記第２の光透過基板の一部分内に配備された複数の部分反射面と、を含み、
前記光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で前記光学配置に入射する光線が、前記界面領域で偏向または吸収されるように配備されていることを特徴とする、光学デバイス。
【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、２０２０年３月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／９９３，１００号の優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２０年３月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／９９３，１００号の優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、基板誘導型光学デバイスに関する。
【背景技術】
【0003】
近眼ディスプレイ（ＮＥＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光学配置では、観察者の眼が位置するエリア（一般に眼球運動ボックスまたはＥＭＢと称される）をカバーするために大きい開口を必要とする。コンパクトなデバイスを実装するために、観察者の眼に投影される画像は、大きい開口を生成するために増倍される小さい開口を有する小さい光学画像ジェネレータ（プロジェクタ）によって生成される。
【0004】
一次元での開口増倍へのアプローチが、その内部で画像が内部反射によって伝播する透明な材料の平行面のスラブに基づいて開発されている。画像波面の一部は、傾斜して角度が付けられた部分反射器を使用すること、またはスラブの片面に回折光学素子を使用することのいずれかによって、スラブからカップリングアウトされる。そのようなスラブは、本明細書では、光ガイド光学素子（ＬＯＥ）、光透過基板、または光学導波路と称される。そのような開口増倍の原理が、図１に概略的に示されており、図１は、画像を生成し、画像の開口拡大を実行する光学デバイス１０を示す。光学デバイス１０は、透明な材料から形成され、内部反射（好ましくは全内部反射であるが、必須ではない）によって光を誘導するための一対の平行な主外部表面（面）１４、１６を有する光ガイド光学素子１２を有する。画像プロジェクタ１８（矩形として概略的に表される）は、ここでは、ビームにまたがるサンプル光線２０Ａおよび２０Ｂを含む照明ビーム２０によって概略的に表されるように、投影された画像２０を生成する。投影された画像２０は、基板内の内部反射によってトラップされる反射光線２４を生成し、光線２６も生成するように、ここではプリズム２２（互換的に「ウェッジ」もしくは「プリズム」と称される）によって概略的に示される光学カップリングイン構成２２によって、光ガイド光学素子１２にカップリングインされる。ここで、カップリングウェッジ２２は、３つの主表面を含み、そのうちの１つは、ＬＯＥ１２の傾斜した縁面２８の隣に位置する（またはそれと共通である）（縁部２８は、面１４、１６に対して傾斜する角度にある）。
【0005】
カップリングイン画像２０は、面１４、１６からの繰り返される内部反射によって基板１２に沿って伝播し、平行な面１４、１６に対して斜角（αｓｕｒ）で、３０と総称される一連の部分反射面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆによってここでは概略的に示される光学カップリングアウト構成３０に衝突し、画像強度の一部は、表面１４からアイレリーフ（ＥＲ）距離４０でＥＭＢ３８に位置する観察者の眼３６の瞳孔３４に向かって、光線３２Ａおよび３２Ｂとして基板からカップリングアウトされるように、反射される。基板１２の透明性により、観察者は、外部シーン（すなわち、実際のシーン）のビューにオーバーレイされた、カップリングアウトされた画像２０を基板１２の前面側で（すなわち、面１６で）見ることができ、これは、光学デバイス１０が、拡張現実（ＡＲ）システムの一部として配備されるときに特に有用である。
【0006】
ゴースト画像を生じさせる可能性のある、画像２０の望ましくない反射を最小限に抑えるために、部分反射面３０は、好ましくは、第１の範囲の入射角に対して低い反射率を有する一方で、第２の範囲の入射角に対して所望の部分反射率を有するようにコーティングされ、ここで、部分反射面３０の法線に対して小さな傾斜を有する光線（ここでは角度βｒｅｆとして表される）は、カップリングアウトするための反射光線を生成するために分割される一方、（法線に対して）高い傾斜の光線は、ごくわずかな反射で伝達される。
【0007】
投影された画像２０は、コリメートされた画像であり、すなわち、各ピクセルは、観察者から遠く離れたシーンからの光に相当する、対応する角度の平行光線のビームによって表される（コリメートされた画像は、「無限遠にコリメートされる」と称される）。ここでは、画像は、画像内の単一の点、典型的には画像の重心に対応する光線によって単純に表されるが、実際には、この中心ビームの各側への角度の範囲が含まれ、それらの光線は、対応する角度の範囲で基板にカップリングインされ、および同様に、対応する角度でカップリングアウトされ、それにより、観察者の眼３６に異なる方向で到達する画像の部分に対応する視野（ＦＯＶ）を作成する。
【0008】
ゴースト画像を生じさせる可能性のある画像２０の望ましくない反射に加えて、画像プロジェクタ１８からの画像２０が、面１４、１６からの繰り返される内部反射によって基板１２に沿って伝播し、カップリングアウト構成３０によってカップリングアウトされることを可能にする、基板１２およびカップリングアウト構成３０の光学特性が、外部シーン（すなわち、現実世界のシーン）からの望ましくない光を観察者の眼３６に向かって偏向させ、それによって外部シーンのゴースト画像をもたらし得る。
【発明の概要】
【0009】
本発明の態様は、外部シーン内のソースから発する光によって引き起こされるゴースト画像を軽減するための光学デバイスを提供する。
【0010】
本発明の実施形態の教示によれば、光学デバイスが提供される。光学デバイスは、少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、主表面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、２つの主表面間の内部反射によって誘導された光を、光透過基板から視聴者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、光学配置であって、２つの主表面のうちの少なくとも一方と関連付けられ、第１の光学素子と、光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように、第１の光学素子に光学的にカップリングされている第２の光学素子と、を含む、光学配置と、を備え、光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で光学配置に入射する光線が、界面領域で偏向されるように配備されている。
【0011】
任意選択的に、第１および第２の光学素子は、各々、界面領域の屈折率よりも高い屈折率を有する。
【0012】
任意選択的に、界面領域は、エアギャップとして形成される。
【0013】
任意選択的に、界面領域は、低インデックス材料の透明層として形成される。
【0014】
任意選択的に、第１および第２の光学構成要素は、各々、複数の表面を含み、界面領域を画定するように、複数の表面のうちの対応する表面を介して、対応して構成され、かつ隣接して配置される。
【0015】
任意選択的に、第１および第２の光学素子の各々は、第１および第２の互いに平行な表面と、第１および第２の互いに平行な表面に対して傾斜している第３の表面と、を有するプリズムであり、第１および第２の光学素子は、第３の表面で互いに光学的にカップリングされている。
【0016】
任意選択的に、光学配置は、レンズとして形成される。
【0017】
任意選択的に、界面領域は、線形表面プロファイルを有する。
【0018】
任意選択的に、界面領域は、非線形表面プロファイルを有する。
【0019】
任意選択的に、界面領域は、一対の平行な面を有する第２の光透過基板と、平行な面に対して傾斜した、第２の光透過基板内に配備された複数の部分反射面と、を含む。
【0020】
任意選択的に、部分反射面の各々は、一対の透明層と、一対の透明層の間に配備された、低屈折率材料でコーティングされた粗い透明層と、を含み、一対の透明層の各々は、低屈折率材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。
【0021】
任意選択的に、所与の範囲の角度で外部シーンから発する光線は、内部反射によって、第１の光学素子内でトラップされるように、界面領域において偏向される。
【0022】
任意選択的に、所与の範囲の角度で外部シーンから発する光線は、第１の光学素子の第１の表面を介して光学配置に入り、界面領域で反射され、第１の光学素子の第１の表面で反射され、界面領域で第１の光学素子の第２の表面に向かって、かつ光透過基板から離れて反射される。
【0023】
任意選択的に、第１の光学素子の第２の表面は、光収集または散逸構成要素と関連付けられている。
【0024】
任意選択的に、所与の範囲の角度の外側の範囲の角度で外部シーンから発する光線は、第１の光学素子の第１の表面を介して光学配置に入り、界面領域によって透過され、第２の光学素子の第１の表面を介して光学配置から出て、視聴者の眼の方へ光透過基板を通過する。
【0025】
任意選択的に、光学配置は、光学配置がない場合、外部シーンから所与の範囲の角度で発する光線が、光透過基板に入り、光学カップリングアウト構成によって光透過基板から視聴者の眼に向かってカップリングアウトされるようになっている。
【0026】
任意選択的に、光学デバイスは、光透過基板に直交する配向で、かつ光透過基板の端部に配備された第２の光学配置をさらに備える。
【0027】
任意選択的に、光学カップリングアウト構成は、光透過基板内に位置する少なくとも１つの部分反射面を含む。
【0028】
任意選択的に、光学カップリングアウト構成は、光透過基板を少なくとも部分的に横断する複数の部分反射面を含む。
【0029】
任意選択的に、光学デバイスは、コリメートされた画像に対応する光波を光透過基板内に導入するように、光透過基板の近位端にカップリングされた画像プロジェクタをさらに備え、界面領域は、近位端の反対側にある光透過基板の遠位端付近に位置する部分反射面のサブセットにわたる。
【0030】
任意選択的に、光学カップリングアウト構成は、２つの主表面のうちの一方と関連付けられた回折素子を含む。
【0031】
任意選択的に、光学デバイスは、コリメートされた画像が、光透過基板内の内部反射によって伝播し、かつ光学カップリングアウト構成によって光透過基板からカップリングアウトされるように、コリメートされた画像に対応する光波を光透過基板内に導入するように、光透過基板にカップリングされた画像プロジェクタをさらに備える。
【0032】
任意選択的に、光学デバイスは、画像プロジェクタからコリメートされた画像を受信し、コリメートされた画像を光透過基板にカップリングインするための、光透過基板および画像プロジェクタと関連付けられた光学カップリングイン構成をさらに備える。
【0033】
本発明の教示の実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、一対の面を有する光透過基板であって、面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、面間の内部反射によって誘導された光を、光透過基板から視聴者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、少なくとも１つの光学素子であって、一対の平行な主表面と、一対の平行な主表面に対して傾斜し、光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられている第３の主表面とを含む複数の表面を有する、少なくとも１つの光学素子と、を備え、少なくとも１つの光学素子の屈折率よりも低い屈折率を有する界面領域が、第３の主表面によって少なくとも部分的に画定され、少なくとも１つの光学素子は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で一対の平行な主表面の主表面のうちの他方に入射する光線が界面領域で偏向されるように、光透過基板の面のうちの１つと関連付けられている一対の平行な主表面の主表面のうちの１つとともに、配備される。
【0034】
任意選択的に、少なくとも１つの光学素子の複数の表面は、第４の表面をさらに含み、所与の範囲の角度で外部シーンから発する光線は、一対の平行な主表面の主表面のうちの他方を介して少なくとも１つの光学素子に入り、界面領域で反射され、一対の平行な主表面の主表面のうちの他方で反射され、界面領域で第４の表面に向かって、かつ光透過基板から離れて反射される。
【0035】
任意選択的に、第４の表面は、光収集または散逸構成要素と関連付けられる。
【0036】
任意選択的に、界面領域は、第３の主表面に光学的にカップリングされた透明プレートによって部分的にさらに画定される。
【0037】
本発明の教示の実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、少なくとも２つの主表面を有する光透過基板であって、主表面間の内部反射によって光を誘導するための、光透過基板と、２つの主表面間の内部反射によって誘導された光を、光透過基板から視聴者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、光学配置であって、２つの主表面のうちの少なくとも一方と関連付けられ、光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように、隣接して位置付けられた一対の光学素子を含む、光学配置と、を備え、界面領域は、光学素子の屈折率よりも小さい屈折率を有し、光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で光学配置に入射する光線が、界面領域で偏向されるように配備される。
【0038】
本発明の教示の実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、少なくとも第１および第２の主表面を有する第１の光透過基板であって、第１および第２の主表面間の内部反射によって光を誘導するための、第１の光透過基板と、第１および第２の主表面間の内部反射によって誘導された光を、第１の光透過基板から視聴者の眼に向かってカップリングアウトするための光学カップリングアウト構成と、光学配置であって、少なくとも２つの主表面を有する第２の光透過基板であって、第２の光透過基板の２つの主表面のうちの一方が、第１の光透過基板の第１または第２の主表面と関連付けられている、第２の光透過基板と、光学カップリングアウト構成の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域を画定するように、第２の光透過基板の２つの主平面に対して傾斜した、第２の光透過基板の一部分内に配備された複数の部分反射面と、を含む、光学配置と、を備え、光学配置は、外部シーンから発し、所与の範囲の入射角で光学配置に入射する光線が、界面領域で偏向または吸収されるように配備される。
【0039】
本文書の文脈内では、「誘導された」という用語は、概して、光透過材料内でトラップされた光が、光透過材料を通して伝播方向に伝播するように、光透過材料の主外部表面での内部反射によって、光透過材料（例えば、基板）内でトラップされる光を指す。伝播光が、所与の角度範囲内にある入射角で光透過材料の主外部表面に入射されるとき、光透過基板内を伝播する光は、内部反射によってトラップされる。トラップされた光の内部反射は、全内部反射の形態であり得、それによって、臨界角度（光透過材料の屈折率および透過性光が配備されている媒体、例えば、空気の屈折率によって部分的に定義される）よりも大きい角度で光透過材料の主外部表面に入射する伝播光は、主外部表面で内部反射を受ける。代替的に、トラップされた光の内部反射は、所与の角度範囲内の主外部表面に入射する光の反射を達成するために、光透過材料の主外部表面に適用される角度選択的な反射コーティングなどのコーティングによって実現され得る。
【0040】
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すべての技術用語および／または科学用語は、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または同等の方法および材料が、本発明の実施形態の実施または試験に使用され得るが、例示的な方法および／または材料が、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。さらに、材料、方法、および例は、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】
【0041】
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、およ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。
【0042】
ここで、図面に注意を向けると、図面では、同様の参照番号または文字は、対応するまたは同様の構成要素を示す。
【図1】近眼ディスプレイで使用するための、部分反射面を採用する従来技術の光ガイド光学素子（ＬＯＥ）の、上記の概略側面図である。
【図4】ゴースト画像を引き起こす光線の角度分布を示す概略側面図である。
【図5】ＬＯＥと、ＬＯＥの前面と関連付けられた光学配置とを含み、ゴースト画像を引き起こす光線を偏向させる界面領域を画定するように、互いに光学的にカップリングされた一対の光学素子を有する、本発明の一実施形態に従って構築された、動作可能な光学デバイスの概略側面図である。
【図12】本発明の別の実施形態による、湾曲した主表面の対を有する、ゴースト画像を引き起こす光線を偏向させる光学配置の概略側面図である。
【図13】本発明の別の実施形態による、湾曲した主表面および平らな主表面の対を有する、ゴースト画像を引き起こす光線を偏向させる光学配置の概略側面図である。
【図16】本発明の別の実施形態による、部分反射面のセットを使用する光透過基板として形成された界面領域を有する、ゴースト画像を引き起こす光線を偏向させる光学配置の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0043】
本発明の実施形態は、外部シーン内のソースから発する光によって引き起こされるゴースト画像を軽減するための光学デバイスを提供する。
【0044】
本発明による光学デバイスの原理および動作は、本明細書に添付された図面を参照してより良く理解され得る。
【0045】
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、ならびに／または図面および／もしくは例に示された構成要素および／または方法の構築の詳細およ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、または様々な方式で実践または実施することができる。
【0046】
はじめに、図２および図３は、外部シーンの一部である、ソース４２からの望ましくない光が、眼３６に向かって偏向されて、外部シーンのゴースト画像をもたらす例示的なシナリオを説明するために注釈が付けられた、図１からの基板１２および部分反射面３０の部分の再現である。ソース４２は、典型的には、例えば、太陽などの自然照明源、および例えば、ランプ、ディスプレイ画面、電球などの人工照明源を含む、外部シーン内に照明を提供し得る任意の光源である。図２では、基板１２は、面１６がソース４２に対して対向関係にある状態で、配備されている。ソース４２から発する光を表すサンプル光線４４は、グレージング角（大きい入射角、またはＡＯＩ）で面１６に当たり、屈折を介して点４６で基板１２に入る。光線４４は、面１４において主平面によって（点４８で）、部分反射面３０のうちの１つ（この例では部分反射面３０ｂ）に向かって部分的に反射され、この部分反射面３０が、光線４４を、基板１２を出て、眼３６に向かって伝播するように、面１４を通して反射して戻す。光線４４のソースが、画像プロジェクタ２０ではなく、むしろ現実世界のものであるという事実に起因して、基板１２内の光線４４の伝播は、（全）内部反射によるものではない。したがって、面１４に垂直かつＦＯＶ内に（光線３２Ａおよび３２Ｂとして）基板１２から出射する図１の画像２０とは対照的に、眼３６に向かって偏向される光線４４の割合は、面１６に対して傾斜した角度で、かつＦＯＶの外側で、基板１２から出射する。
【0047】
図３では、ソース４２は、眼３６と同じ、基板１２側に位置する。ここで、光線４４は、点５０においてグレージング角（大きなＡＯＩ）で面１４に当たり、屈折を介して点５０で基板１２に入る。次いで、光線４４は、部分反射面３０のうちの１つ（この例では、部分反射面３０ｂ）の１つに衝突し、この部分反射面３０が、光線４４を、眼３６に向かって基板１２を出るように、面１４を通して反射して戻す。
【0048】
図２および図３に描写される、ゴースト画像が、ＦＯＶの外側にあり、典型的には、所与の部分反射面から最大１つの反射を経験するシナリオにおける望ましくない光線から生じるゴースト画像は、以下、互換的にゴーストと称される。
【0049】
ここで、ゴーストを軽減／低減するために、本発明の実施形態に従って構築され、かつ動作可能である、一般的に１００と指定された光学デバイスの構造および動作の様々な態様を例示する図５～図１９を参照する。光学デバイス１００は、概して、光学デバイス１０の構成要素のすべてを含むが、特定の範囲のＡＯＩで到達する光を偏向させるための光偏向光学配置１０２（以下、「光学配置」と称される）も含む。より具体的には、光学デバイス１００は、透明な材料（ガラスなど）から形成され、表面１４のうちの１つが視聴者／観察者の眼３６に対して対向関係の状態で配備された一対の主外部表面（面）１４、１６を有する光ガイド光学素子１２（ＬＯＥ、光透過基板、または光学導波路とも称される）と、面１４、１６のうちの一方または両方と関連付けられた光学カップリングアウト構成３０（基板１２を少なくとも部分的に横断する部分反射面の配列として概略的に表現される）と、光学カップリングイン構成２２（ここではプリズムによって概略的に示される）を介してＬＯＥ１２にカップリングインされるコリメートされた画像を生成するための画像投影配置（すなわち、画像プロジェクタ）１８と、を含む。光学配置１０２は、面１４、１６のうちの少なくとも一方と関連付けられ、特定の非限定的な実施形態では、概して、好適に高い屈折率（好ましくは、１．５～１．９の範囲）を有する材料から形成され、互いに光学的にカップリングされて、２つの光学素子の屈折率よりも小さい、好適に低い屈折率（好ましくは、１～１．３５の範囲）を有する界面領域を画定する２つの光学素子を含む。
【0050】
光学配置１０２は、外部シーン内のソース（例えば、ソース４２）から発する、所与の範囲のＡＯＩにわたって光学配置１０２（特に、光学配置１０２の光学素子のうちの第１のもの）に入射する光線（光線４４によって表され、以下、互換的に「望ましくない光」と称される）が、界面領域で偏向されるように、配備される。界面領域は、望ましくない光を基板１２および光学カップリングアウト構成３０から偏向させ、それによって、望ましくない光が眼３６に到達するのを防止する。望ましくない光は、一般に、光学配置１０２がない場合にゴーストを生成するであろう、所与の範囲のＡＯＩで光学配置１０２に入射する光線の特定のセットとして定義される。
【0051】
光学配置１０２の構造および動作を詳細に説明する前に、まず、外部シーンからの望ましくない光（光線４４によって表される）はＦＯＶの外側にあるので、望ましくない光がＥＭＢに到達する（すなわち、眼３６に到達する）ために、偏向された／反射された光は、ＬＯＥ１２の縁または端部を出るべきであることに留意されたい。これが、図４に概略的に示されており、図４は、ＬＯＥ１２の遠位端１１またはその近くに位置する部分反射面３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して、眼３６（ＥＭＢ内）に到達する望ましくない光線４３の角度分布を示す。これは、外部シーンのゴースト画像を軽減するために、部分反射面３０のセットのアクティブエリアの縁にある望ましくない光線のみが、光学配置１０２によって偏向される必要があることを意味する。加えて、面１４、１６の右から法線まで測定された、特定のグレージング角を上回る所与の範囲の角度（すなわち、所与の角度分布）で面１４、１６に衝突する光線のみが、光学配置１０２によって偏向される必要がある。本文脈では、ＬＯＥ１２の遠位端１１は、図面の左側にあるように任意に定義されており、ＬＯＥ１２の近位端１３（図面の右側）と反対側にあり、画像プロジェクタ１８および光学カップリングイン構成２２は、ＬＯＥ１２の近位端１３またはその付近に位置する。
【0052】
上記を念頭に置いて、ＬＯＥ１２の前部に位置する外部シーン内の光源によって（すなわち、図２のように、面１６が、光源を有する外部シーンに対して対向関係にあるとき）引き起こされるゴースト画像に対処する／該ゴースト画像を軽減するために、面１６に配備された光学配置１０２を示す図５を参照する。前述のように、特定の実施形態では、光学配置１０２は、一般に、光学カップリングアウト構成３０の少なくとも一部分と関連付けられた界面領域１０８（代替的に「境界表面」または「境界層」と称される）を画定するように、対応して構成され、かつ互いに光学的にカップリングされる、本明細書では第１の光学構成要素１０４および第２の光学構成要素１０６として示される、少なくとも２つの光学構成要素から形成される。好適な実施形態では、界面領域１０８は、アクティブエリアの端部の部分反射面３０、すなわち、ＬＯＥ１２の遠位端１１により近接して位置する最後の数個の部分反射面と関連付けられている。図示の例では、界面領域１０８は、３０ａ、３０ｂ、３０ｃを指定されている最後の３つの部分反射面３０と関連付けられている。
【0053】
図６および図７は、特定の実施形態による、ＬＯＥ、カップリングプリズム、および画像プロジェクタなしの光学配置１０２のより詳細な図を示す。図７は、ＶＩＩを指定されている図６の領域の拡大図を示す。図５～図１０に示される実装例のいくつかなどの特定の非限定的な実装例では、光学構成要素１０４、１０６は、光学配置１０２が、概して矩形の断面（すなわち、紙面内の矩形形状）を形成するように、一対の、対応して構成されたプリズムとして実装される。そのような実装例では、これらのプリズム１０４、１０６は、（必ずしもというわけではないが）好ましくは紙面内の四角形である。ここで、これらのプリズム１０４、１０６の具体的な構造および特性について説明する。
【0054】
第１の光学素子１０４は、一般に、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄを指定されている少なくとも４つの平らな主表面（すなわち、面）を含む複数の表面を含む。表面１０５ａおよび１０５ｂは、好ましくは、互いに平行であり、異なる長さである。例示的な実施形態では、表面１０５ａの長さは、表面１０５ｂの長さ（長さは水平軸に沿って測定される）よりも大きい。表面１０５ｃは、表面１０５ａ、１０５ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面１０５ａ、１０５ｂに対して傾斜している。図７では、斜角αは、表面１０５ａと、表面１０５ｃとの間に形成される角度である。表面１０５ｄは、２つの表面１０５ａ、１０５ｂのそれぞれの第２の端部（第１の端部の反対側）の間に延在し、（必ずしもというわけではないが）好ましくは表面１０５ａ、１０５ｂに直交する。
【0055】
同様に、第２の光学素子１０６は、概して、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄを指定されている少なくとも４つの平らな主表面を含む複数の表面（すなわち、面）を含む。表面１０７ａおよび１０７ｂは、示されるように、互いに平行であり得、異なる長さである。例示的な実施形態では、表面１０７ｂの長さは、表面１０７ａの長さよりも大きい。表面１０７ｃは、表面１０７ａ、１０７ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面１０７ａ、１０７ｂに対して傾斜している。図７に示される実施形態では、同じ斜角αが、表面１０７ｂと、表面１０７ｃとの間に形成されている。表面１０７ｄは、２つの表面１０７ａ、１０７ｂのそれぞれの第２の端部（第１の端部と反対側）の間に延在する。表面１０７ｄは、表面１０７ａ、１０７ｂに直交してもよく、または直交しなくてもよい。図５～図１０に示される実施形態では、表面１０５ａ、１０７ａは、表面１０５ｂ、１０７ｂ、および表面１０５ｃ、１０７ｃと同様に、同一平面上にある。
【0056】
前述のように、光学素子１０４、１０６は、対応して構成される。特に、光学素子１０４、１０６は、機械的または光学的取り付けを介して表面１０５ｃ、１０７ｃを互いに隣接して配置することによって、互いに光学的にカップリングされる。表面１０５ｃ、１０７ｃの隣接配置は、表面１０５ｃ、１０７ｃに位置する界面領域１０８を画定する。明らかであるはずであるように、界面領域１０８は、（光学配置１０２の構成要素の幾何学形状に起因して）表面１０５ａ、１０５ｂ、１０７ａ、１０７ｂに対して傾斜している。図５～図１０に示される実施形態などの特定の非限定的な実施形態では、表面１０５ｃ、１０７ｃの各々は、線形表面プロファイルを有するように平面であり、その結果、界面領域１０８も、線形表面プロファイルを有する（界面領域は、紙面内で線形である）。
【0057】
前述のように、光学素子１０４、１０６は、好適に高い屈折率を有する材料（「高屈折率材料」と称される）から形成され、界面領域１０８は、光学素子１０４、１０６の屈折率よりも低い（すなわち、より小さい）好適に低い屈折率を有する材料（「低屈折率材料」と称される）から形成される。光学素子１０４、１０６を形成するために使用され得る材料の例としては、異なるタイプのガラス（例えば、約１．５２の屈折率としてのＢＫ７）、ポリマーなどが挙げられる。界面領域１０８を形成するために使用され得る材料の例は、以下の段落に提供される。
【0058】
図５に示される実施形態では、光学配置１０２は、面１６と、表面１０５ｂ、１０７ｂとの間の光学カップリングを介して面１６に配備されている。光学配置１０２の幾何学的形状は、界面領域１０８が、ＬＯＥ１２の面１４、１６に対して傾斜するようになっている。好ましくは、光学配置１０２は、面１６が、表面１０５ｂ、１０７に平行であるように、ＬＯＥ１２に光学的にカップリングされている。特定の非限定的な実装例では、光学カップリングは、面１６と、表面１０５ｂ、１０７ｂとの間に配備された光学接着剤の層によって実現される。他の非限定的な実装例では、光学カップリングは、機械的取り付けによって実現され得、それにより、光学配置１０２は、表面１０５ｂ、１０７ｂが面１６に隣接し、エアギャップが、表面１０５ｂ、１０７ｂと、面１６との間に維持された状態で、機械的に位置付けられる。
【0059】
界面領域１０８は、様々な方式で実装され得る。非限定的な実装例の１つのセットでは、界面領域１０８は、約１の屈折率を有するように、エアギャップとして実装される。そのようなエアギャップは、例えば、表面１０５ｂが（例えば、機械的取り付け、光学接着剤などを介して）面１６の第１の部分に隣接した状態で、第１の光学素子１０４を配備すること、および表面１０５ｃ、１０７ｃの間に均一なエアギャップを維持するように、表面１０７ｂが、（例えば、機械的取り付け、光学接着剤などを介して）面１６の第２の部分に隣接した状態で、第２の光学素子１０６を配備することによって、実装され得る。他の非限定的な実装例では、界面領域１０８は、光学接着剤の層、固体誘電体材料の層、薄膜誘電体コーティング、または低インデックス材料の薄い透明プレートなどの透明な低インデックス材料の薄層として実装される。そのような実装例では、光学素子１０４、１０６は、エアギャップの実装例と同様に配備され得、透明な低インデックス材料の薄層は、表面１０５ｃ、１０７ｃにおける光学素子１０４、１０６の間に配備され得る。
【0060】
約１．３の屈折率を有する光学接着剤が市販されている。そのような光学接着剤は、表面１０５ｃ、１０７ｃのいずれか上に堆積され得る。固体誘電体材料も、例えば、開発されたエアロゲル材料のファミリの形態で、市販されている。これらのエアロゲル材料は、１．１～１．２の範囲の屈折率を有し、安定した機械的性質も有する。そのようなエアロゲル材料は、表面１０５ｃ、１０７ｃのいずれかに適用され得る。代替的に、必要な反射特性（すなわち、低いＡＯＩでは透過性で、より大きなＡＯＩでは高反射性）を有する薄膜誘電体コーティングが、表面１０５ｃ、１０７ｃのいずれかに適用され得る。
【0061】
図８は、界面領域１０８が、薄い透明プレート１１４として実装される、本開示の特定の実施形態による非限定的な実装例を示す。そのような実施形態では、透明プレート１１４は、２対の互いに平行な側面（すなわち、表面、面）１０９ａ、１０９ｂ、１１１ａ、１１１ｂを含む。ここで、プレート１１４は、光学素子１０４、１０６の寸法に対応して寸法決めされ、特に、側面１１１ａ、１１１ｂの長さは、側面１０９ａ、１０９ｂ間の距離が、（表面１０５ａ、１０５ｂ間および／または表面１０７ａ、１０７ｂ間で測定された）光学素子１０４、１０６の厚さに対応するように、表面１０５ｃ、１０７ｃの長さに対応する。したがって、側面１０９ａ、１０９ｂは、側面１１１ａ、１１１ｂよりも短く、非矩形の平行四辺形断面を形成し、すなわち、透明なプレート１１４の隣接する側面は、互いに斜角になっている。特に、側面１１１ａ、１０９ｂ間、および側面１１１ｂ、１０９ａ間の角度は、（表面１０５ｃ、１０７ｃの傾斜配備に従って）αである。そのような実装例では、透明プレート１１４の短い側面のうちの一方１０９ａは、表面１０５ａ、１０７ａと同一平面上にある一方、透明プレート１１４の短い側面のうちの他方１０９ｂは、表面１０５ｂ、１０７ｂと同一平面上にある。透明プレート１１４の長い側面のうちの一方１１１ａは、表面１０５ｃに光学的に取り付けられ、表面１０５ｃと実質的に（すなわち、効果的に）一致し、長い側面のうちの他方１１１ｂは、表面１０７ｃに光学的に取り付けられ、表面１０７ｃと実質的に一致する。側面１１１ａ、１１１ｂは、光学接着剤の薄層を介して、それぞれの表面１０５ｃ、１０７ｃに光学的に取り付けられ得る。代替的に、薄い透明プレート１１４は、側面１１１ａ、１１１ｂが、それぞれの表面１０５ｃ、１０７ｃに隣接し、かつそれぞれの表面１０５ｃ、１０７ｃと実質的に一致する状態で、機械的に位置付けられ得る。図８に示されるように、側面１１１ａ、１１１ｂと、それぞれの表面１０５ｃ、１０７ｃとの間のギャップのサイズは、例示の明確化のために誇張されており、実際には、そのようなギャップは、好ましくは実質的には存在しないことに留意されたい。
【0062】
前述のように、界面領域１０８は、光学カップリングアウト構成３０の少なくとも一部分と関連付けられ、図５に示される例示的な配備構成では、最後の３つの部分反射面３０ａ、３０ｂ、３０ｃと関連付けられている。特に、界面領域１０８は、最後の部分反射面３０ａの少なくとも一部にわたり、部分反射面３０ｂ、３０ｃの全体にわたる。この配備は、第１の所与の範囲の入射角で光学配置１０２に入射する光線が、最後の２つの部分反射面３０ａ、３０ｂから反射されて、眼３６に到達するのを防止する。
【0063】
表面１０５ａ、１０５ｂ、１０７ａ、１０７ｂの相対的な長さが、斜角αを決定し、その逆もまた同様であることに留意されたい。界面領域１０８は、部分反射面３０の一部（典型的には、部分反射面３０の最大で半分）にのみと関連付けられる必要があるので、光学素子１０４の長さは、光学素子１０６の長さよりも著しく短く、表面１０５ｂの長さは、表面１０７ａの長さよりも著しく短いことにさらに留意されたい。本文脈では、光学素子１０４、１０６の長さは、それぞれ、表面１０５ａ、１０７ｂの長さによって画定され、表面１０５ａ、１０５ｂ、１０７ａ、１０７ｂの長さは、（表面１０５ｄと、１０７ｄとの間に及ぶ）水平軸に沿って測定される。特定の非限定的な実装例では、表面１０７ｂは、表面１０５ａの長さの約２倍である長さを有し、表面１０７ａは、表面１０５ｂの長さの約５倍である長さを有する。そのような実装例では、表面１０５ａは、表面１０５ｂの長さの約１．５倍である長さを有し、表面１０７ｂは、表面１０７ａの長さの約４倍である長さを有する。２つの光学素子１０４、１０６の表面長さの乗法因子は、例えば、部分反射面の数および所望の斜角αを含む様々な因子に依存し得る。例えば、界面領域１０８と関連付けられるべき部分反射面の数は、選択され得、これが、斜角αを指示し、これが、次に、表面１０５ａ、１０５ｂ、１０７ａ、１０７ｂの対応する長さを指示する。
【0064】
図９は、２つの入射光線、すなわち、光線４４および光線６０の例によって、光学配置１０２の構成要素との光線の相互作用を示す。例示の明確化のために、界面領域１０８の厚さは、図７および図８に示される界面領域厚さと比較して、大幅に低減されている。光線４４は、光学配置１０２がない場合にゴーストを生じるであろう第１の所与の範囲の入射角で光学配置１０２に入射する光線の特定のセット内の光線を表す。光線６０は、第１の所与の範囲の外側の第２の所与の範囲の入射角で光学配置１０２に入射する光線を表す。第２の範囲の入射角の光線は、光学配置１０２がない場合にゴーストをもたらさないであろうため、第２の所与の範囲の光線は、光学配置１０２による影響をほとんど受けないことが好ましい。第２の光学素子１０６は、そのような光線が、光学配置１０２による影響をほとんど受けないことを確実にし、かつこれらの光線が光学素子１０４に到達するＡＯＩと同じ（またはほぼ同じ）ＡＯＩで、これらの光線がＬＯＥ１２に到達することを可能にする。
【0065】
まず、光線６０の横断を見ると、光線６０は、ほぼ０°のＡＯＩ（すなわち、表面１０５ａにほぼ垂直）で、光学配置１０２の光学素子１０４の表面１０５ａに入射する。入射光線６０は、表面１０５ｃを介して光学配置１０２に入り、（光学素子１０４の屈折率と、界面領域１０８の屈折率とによって定義される）臨界角θｃ未満のＡＯＩ（界面領域１０８の法線に対して測定される）で界面領域１０８に衝突し、その結果、光線６０は、界面領域１０８に入る（すなわち、その中に透過される）。光線６０は、第１の光学素子１０４の高屈折率から界面領域１０８の低屈折率への変化に起因して、ある程度の屈折を経験し得る。次いで、光線６０は、界面領域１０８を出て、第２の光学素子１０６に入り、界面領域１０８の低屈折率から第２の光学素子１０６の高屈折率への変化に起因して、ある程度の屈折を受け得る。光学素子１０４、１０６は、好ましくは同じ屈折率を有するため、高インデックスから低インデックスへ、さらに高インデックスへの移行に起因する光線６０の複屈折が、光線６０の伝播方向が、光学配置１０２による影響をほとんど受けないことを確実にする。言い換えれば、入射光線６０は、伝播角度の大きな変化なしに、界面領域１０８を通って伝播し、その結果、光線６０は、光学素子１０４を（表面１０５ｃを介して）出たときとほぼ同じ角度で、光学素子１０６に（表面１０７ｃを介して）に入る。加えて、光学素子１０４、１０６の対応する構成および共通の屈折率により、光線６０は、（光学素子１０４の表面１０５ａを介して）光学配置１０２に入り、ほぼ同じ角度で（光学素子１０６の表面１０７ｂを介して）光学配置１０２を出る。
【0066】
図面には示されていないが、光学配置１０２を出た後、光線６０は、光線６０が表面１０５ａに衝突したのとほぼ同じＡＯＩで、ＬＯＥ１２の面１６に衝突する。この特定の例では、ＡＯＩは、約０°であり、光線６０は、面１６を介してＬＯＥ１２に入り、（反射なしに、または部分反射面３０からの無視できるほど少量の反射を伴って）ＬＯＥ１２を直接通過し、観察者の眼３６によって見られるように、面１４を介してＬＯＥ１２を出る。したがって、光学配置１０２は、外部シーンの観察者の視界を遮らない。
【0067】
光線４４は、グレージング角（θｉｎを指定された、表面１０５ａに対して大きなＡＯＩ）で、光学配置１０２の表面１０５ａに入射する。光線４４の強度の一部分は、光線４５ａとして光学配置１０２にカップリングインされ、透過光線４５ａは、（光学素子１０４の屈折率と、光学配置１０２が配備されている媒体、例えば、空気の屈折率と、を使用して、スネルの法則に従ってθｉｎから計算され得る）θ１の角度で伝播する。透過した光線４５ａは、（界面領域１０８の法線に対して測定された）θ２のＡＯＩで、界面領域１０８に衝突する。角度θ２は、以下の式、θ２＝θ１＋α、を使用して計算され得る（式中、αは、表面１０７ｂと、表面１０７ｃとの間に形成される斜角である。
【0068】
θ２が臨界角度θｃよりも大きい場合、光線４５ａは、反射光線４５ｂとして、界面領域１０８で全内部反射される（すなわち、全内部反射ＴＩＲを受ける）。ＴＩＲ反射光線４５ｂは、表面１０５ａに向かって後方に伝播して戻り、反射光線４５ｃとして界面領域１０８に向かって伝播して戻るように、表面１０５ａで内部反射を受ける。反射光線４５ｃは、表面１０５ｄに向かって反射光線４５ｄとして反射されるように、界面領域１０８から最終反射を受けるまで、光学素子１０４を通って伝播し続ける。反射光線４５ｄは、光学素子１０４の表面１０５ｄと関連付けられた光収集／散逸構成要素１１０に到達し、光収集／散逸構成要素１１０が、光線４５ｄと関連付けられた強度を収集する、および／または散逸させる。光収集／散逸構成要素１１０は、表面１０５ｄに配備され得、例えば、吸収体または拡散体として含む、様々な方式で実装され得る。吸収体および拡散体は、当業者に周知である。吸収体として実装される場合、光収集／散逸構成要素１１０は、例えば、表面１０５ｄに塗布または堆積された、例えば、黒色の光吸収性塗料などの光吸収材料の層として実装され得る。
【0069】
光学配置１０２の設計パラメータ、特に、角度α、および界面領域１０８ならびに光学素子１０４、１０６の屈折率は、入射角の第１の所与の範囲のＡＯＩで光学配置１０２に入射するすべての光線が、内部反射によって光学配置１０２にカップリングインされ、そのような光線がＬＯＥ１２に入ること、および部分反射面３０によって眼３６に向かってＬＯＥ１２からカップリングアウトされること（そのようなカップリングアウトされた光線は、外部シーンのゴースト画像として現れる）を防止するように、光収集／散逸構成要素１１０で収集および／または散逸されることを確実にするであろう臨界角θｃを生成するために選択され得る。
【0070】
前述のように、光学素子１０４、１０６は、好ましくは１．５～１．９の範囲の屈折率η１を有する高インデックス材料から好ましくは形成され、界面領域１０８は、好ましくは１～１．３５の範囲の屈折率η２を有する低インデックス材料から好ましくは形成される。当技術分野で既知のように、臨界角度θｃ＝ｓｉｎ－１（η２／η１）。したがって、上記の例示的な範囲のη１およびη２を使用すると、臨界角度は、約３３．７°（η１＝１．８およびη２＝１の場合）～６０．１°（η１＝１．５およびη２＝１．３の場合）の範囲の値をとり得る。
【0071】
図１０は、図５および図６の光学配置１０２に衝突する、第１の所与の範囲の入射角の光線の光強度分布のヒートマップを示し、光学素子１０４、１０６は、１．５９の屈折率を有する材料から構築され、界面領域１０８は、１．１の屈折率とα＝２．５とを有する。ヒートマップは、表面１０５ａ、１０７ａと関連付けられて配備された、ランバート分布を有する点源からの光を収集するために、表面１０５ｂ、１０７ｂと関連付けられて配備された検出器の強度分布を示す。垂直軸の光の分布は、１８０°のスパンを有し、水平軸に沿った片側で先端を切り取ったような形をしている（界面領域１０８のスパンを表す）。７１°を超えるＡＯＩで光学配置１０２（この場合、光学素子１０６の表面１０７ａ）に入射する光は、内部反射によって光学配置１０２にカップリングインされ、界面領域１０８によって、ＬＯＥ１２から離れて（かつ光収集／散逸構成要素１１０に向かって）偏向される。概して、第１の所与の範囲の入射角で光学配置１０２（すなわち、光学素子１０４の表面１０５ａ）に入射する望ましくない光線の影響を軽減するために、光学配置１０２の光学パラメータ（例えば、α、界面領域１０８の屈折率、光学素子１０４、１０６の屈折率など）が、選択され得る。第１の範囲の入射角は、典型的には５６°～８６°であるが、光学デバイスの特定の構成に応じて変化し得る。例えば、特定の光学構成では、第１の範囲の入射角は、７０°～８６°である一方で、他の構成では、５５°～８６°である。光学配置１０２の光学パラメータはまた、典型的には－９０°～４５°の範囲の、（第１の範囲の外側の）第２の所与の範囲の入射角で光学配置１０２（すなわち、光学素子１０４の表面１０５ａ）に入射する光線が、光学配置１０２による影響をほとんど受けないように、選択され得る（例示的な光線６０で前に考察されたように）。
【0072】
ここで図１１を参照すると、ＬＯＥ１２の後部にある外部シーン内の光源によって（すなわち、図３のように、面１４が、光源を有する外部シーンに対して対向関係にあるときに）引き起こされるゴースト画像に対処する／該ゴースト画像を軽減するために、面１４に配備された光学配置１０２が、示されている。ここで、光学配置１０２の構造は、少数の主要な違いを除いて、図５～図９を参照して前述された構造とほぼ同じである。第１に、かつ最も注目すべきことに、光学配置１０２は、面１６と、表面１０５ｂ、１０７ｂとの間の光学カップリングを介して、面１４に配備されている。第２に、図１１に例示される配備構成は、光学カップリングイン構成２２を収容するように、（ＬＯＥ１２の近位端と、遠位端との間の方向、すなわち水平軸にわたる）長さ寸法に沿って（図５に例示される配備構成と比較して）光学素子１０６の先端切除を必要とし得る。第３に、光学配置１０２は、ＬＯＥ１２の後部の光源から生じるであろうゴーストを軽減するように配備されるため、界面領域は、最後の数個の部分反射面（この例では、部分反射面３０ａ、３０ｂ）の全体にわたり、後続の部分反射面（この例では、部分反射面３０ｃの少なくとも一部にわたり、部分反射面３０ｂ、３０ｃの全体にわたる。この配備は、第１の所与の範囲の入射角で光学配置１０２に入射する光線が、最後の２つの部分反射面３０ａ、３０ｂから反射されて、眼３６に到達するのを防止する。
【0073】
図１１に示される配備構成における光学配置１０２の一般的な動作原理は、図５に示される配備構成における動作原理と同一または類似である。図１１では、所与の範囲のＡＯＩで表面１０５ａに入射する、面１４と関連付けられて、画像プロジェクタ１８の近くに配備された（外部シーン内の）ソースからの光は、光学素子１０４の表面１０５ａを介して光学配置１０２にカップリングインされ、反射光線として表面１０５ａに向かって反射されるように、界面領域１０８で全内部反射によって反射される。次いで、この反射光線は、表面１０５ａにおいて、界面領域１０８に向かって反射されて戻され、界面領域１０８は、反射光線を、表面１０５ｄに向かって反射し、表面１０５ｄは、表面１０５ｄ上に配備され、および／または表面１０５ｄと関連付けられた光収集／散逸構成要素を有する。
【0074】
明らかであるはずであるように、図５および図１１に示される配備構成は、ＬＯＥ１２の前側（すなわち、面１６）の外部シーン内の光源の第１のセット、およびＬＯＥ１２の後側（すなわち、面１４）の外部シーン内の光源の第２のセットの影響に対処する／該影響を軽減するために、組み合わせて使用され得る。言い換えれば、第１の光学配置１０２は、（図５のように）面１６と関連付けられて配備され得、第２の光学配置１０２は、（図１１のように）面１４と関連付けられて配備され得る。
【0075】
ここで図１２を参照すると、本開示の別の実施形態による光偏向光学配置２０２が示されている。光学配置１０２と同様に、光学配置２０２は、界面領域２０８を画定するように互いに光学的にカップリングされ（かつ互いに隣接して配置され）ている、対応して構成されている第１および第２の光学構成要素２０４、２０６から形成される。考察されるように、前述の実施形態の光学構成要素１０４、１０６とは異なり、光学構成要素２０４、２０６は、湾曲した主表面を有しており、その結果、光学構成要素２０４、２０６が互いにカップリングされると、光学配置２０２は、２つの連続する湾曲した主表面を有するレンズ状の形状を形成する。
【0076】
図示のように、第１の光学素子２０４は、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄと指定されている少なくとも４つの主表面（すなわち、面）を含む複数の表面を含む。表面２０５ａおよび２０５ｂは、それぞれ、凹状曲面および凸状曲面である。光学素子１０２と同様に、表面２０５ａは、表面２０５ｂよりも長く、表面２０５ｃは、２つの表面２０５ａ、２０５ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面２０５ａ、２０５ｂに対して傾斜している。
【0077】
表面２０５ｄは、２つの表面２０５ａ、２０５ｂのそれぞれの第２の端部（第１の端部の反対側）の間に延在し、（必ずしもというわけではないが）好ましくはＬＯＥ１２の面１４、１６に平行であり、光学配置２０２と、ＬＯＥ１２との間の光学カップリングの一部を提供する。特に、表面２０５ｄは、ＬＯＥ１２の遠位端またはその近くで、光学配置２０２を面１６の一部分に光学的にカップリングする。
【0078】
第２の光学素子２０６は、２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄを指定されている少なくとも４つの主表面を含む複数の表面（すなわち、面）を含む。表面２０７ａおよび２０５ｂは、それぞれ、凸状曲面および凹状曲面である。光学素子１０２と同様に、表面２０７ｂは、表面２０７ａよりも長い（かつ表面２０７ｂの長さは、表面２０５ａの長さよりも大きく、表面２０７ａの長さは、表面２０５ｂの長さよりも大きい）。表面２０７ｃは、２つの表面２０７ａ、２０７ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面２０７ａ、２０７ｂに対して傾斜している。
【0079】
表面２０７ｄは、２つの表面２０７ａ、２０７ｂのそれぞれの第２の端部（第１の端部と反対側）の間に延在し、（必ずしもというわけではないが）好ましくはＬＯＥ１２の面１４、１６に平行であり、最も好ましくは、表面２０５ｄと同一平面上にある。表面２０７ｄは、光学配置２０２と、ＬＯＥ１２との間の光学カップリングの一部を提供する。特に、表面２０７ｄは、ＬＯＥ１２の近位端またはその近くで、光学配置２０２を面１６の一部分に光学的にカップリングする。
【0080】
表面２０５ａ、２０５ｂ、２０７ａ、２０７ｂは、各々、ある程度の曲率を有するため、表面２０５ｃと、表面２０５ａ、２０５ｂとの間の斜角、および表面２０７ｃと、表面２０７ａ、２０７ｂとの間の斜角は、混合角度（ｍｉｘｅｄ ａｎｇｌｅｓ）である。したがって、表面２０５ａ、２０５ｃ間の斜角は、表面２０５ｃと、表面２０５ａ、２０５ｃ間の交点における表面２０５ａの接線との間で測定される。同様に、表面２０５ｂ、２０５ｃ間の斜角は、表面２０５ｃと、表面２０５ｂ、２０５ｃ間の交点における表面２０５ｂの接線との間で測定される。同様に、表面２０７ａ、２０５ｃ間の斜角は、表面２０７ｃと、表面２０７ａ、２０７ｃ間の交点における表面２０７ａの接線との間で測定される。同様に、表面２０７ｂ、２０７ｃ間の斜角は、表面２０７ｃと、表面２０７ｂ、２０７ｃ間の交点における表面２０７ｂの接線との間で測定される。これらの斜角は、上述の光学配置１０２と同様に、界面領域２０８の傾斜配備を画定する。
【0081】
図１２から分かるように、光学素子２０４、２０６の光学カップリング（隣接配置）は、好ましくは、表面２０５ｂおよび２０７ｂが、光学配置２０２の連続した凹状曲面面の一部を形成すること、および表面２０５ａおよび２０５ｂが、光学配置２０２の連続した凸状曲面の一部を形成すること、をもたらす。
【0082】
光収集／散逸構成要素（図９の光収集／散逸構成要素１１０と同様）は、内部反射によって光学素子２０４を通って伝播する望ましくない光を収集するか、または散逸させるように、表面２０５ｄに近接する主表面２０５ａの部分と関連付けられ得る。
【0083】
図１３は、本開示の別の実施形態による、光偏向光学配置３０２を示す。光学配置１０２、２０２と同様に、光学配置３０２は、界面領域３０８を画定するように互いに光学的にカップリングされ（かつ互いに隣接して配置され）ている、対応して構成されている第１および第２の光学構成要素３０４、３０６から形成される。第１の光学素子３０４は、複数の表面を含むが、光学配置１０２、２０２の光学素子とは異なり、光学素子３０４は、主に、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃと指定されている紙面内の３つの主表面（すなわち、面）によって画定される。表面２０５ａと同様に、表面３０５ａは、凸状曲面である。表面３０５ｂは、平らな表面であり、表面３０５ｃは、２つの表面３０５ａ、３０５ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面３０５ａ、３０５ｂに対して傾斜している。表面３０５ａ、３０５ｂは、２つの表面３０５ａ、３０５ｂのそれぞれの第２の端部で接合されている。光収集／散逸構成要素は、内部反射によって光学素子３０４を通って伝播する望ましくない光を収集するか、または散逸させるように、表面３０５ｂに近接する主表面３０５ａの部分と関連付けられ得る。
【0084】
第２の光学素子３０６もまた、主に、３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃと指定されている、紙面内の３つの主表面（すなわち、面）によって画定される。表面２０７ａと同様に、表面３０７ａは、凸状曲面である。表面３０７ｂは、好ましくは表面３０５ｂと同一平面上にある平らな表面である。表面３０７ｃは、２つの表面３０７ａ、３０７ｂのそれぞれの第１の端部の間に延在し、表面３０７ａ、３０７ｂに対して傾斜している。表面３０７ａ、３０７ｂは、２つの表面３０７ａ、３０７ｂのそれぞれの第２の端部で接合されている。
【0085】
図１３から分かるように、光学素子３０４、３０６の光学カップリング（隣接配置）は、好ましくは、光学配置３０２が、一般的な平凸構造を有するように、表面３０５ｂおよび３０７ｂが、光学配置２０２の連続した平らな表面の一部を形成すること、および表面３０５ａおよび３０５ｂが、光学配置２０２の連続した凸状曲面の一部を形成すること、をもたらす。
【0086】
図１３に示される実施形態では、光学配置３０２は、面１６と、表面３０５ｂ、３０７ｂとの間の光学カップリングを介して面１６に配備されている。特定の好ましいが非限定的な実装例では、光学カップリングは、機械的カップリングによって実現され、それにより、光学配置３０２は、（図５～図９を参照して説明された実施形態と同様に）表面３０５ｂ、３０７ｂが面１６に隣接し、エアギャップが、表面３０５ｂ、３０７ｂと、面１６との間に維持された状態で、機械的に位置付けられる。
【0087】
図面には示されていないが、図１２および図１３の光学配置２０２、３０２は、ＬＯＥ１２の後部に位置する外部シーン内の光源によって引き起こされるゴースト画像に対処する／該ゴースト画像を軽減するために、（図１１と同様に）面１４と関連付けられて配備され得る。そのような配備は、図１１の配備構成で説明された光学配置１０２の修正（例えば、光学素子２０６、３０６の先端部切除、および部分反射面と関連する界面領域２０８、３０８の配置）と同様の、光学配置２０２の修正を必要とし得ることに留意されたい。通常、屈折力を有する光学表面が、ＬＯＥ１２と、眼３６との間に導入される場合、光学表面は、平凹表面であることに留意されたい。光学表面が平凹であることは、光学カップリングアウト構成３０を介してＬＯＥ１２からカップリングアウトされた照明（例えば、図１のビーム２０）の、無限遠よりも近い距離での結像を可能にする。
【0088】
これまで説明された実施形態は、線形表面プロファイルを有する界面領域を画定する、隣接して配置され、対応して構成された２つの光学素子を有する光偏向光学配置に関するものであったが、界面領域の表面プロファイルが非線形である他の実施形態も、可能である。図１４および図１５は、そのような非線形の界面領域を有する光学配置の例を示す。
【0089】
まず図１４を参照すると、光学配置１０２に類似するが、非線形表面プロファイルを有する界面領域を有する、本開示の実施形態による光偏向光学配置４０２が示されている。光学配置４０２の類似の構成要素は、光学配置４０２の構成要素のラベルが数字「４」で始まることを除いて、光学配置１０２のものと同様にラベル付けされる。光学配置４０２は、界面領域４０８が非線形表面プロファイル、好ましくは二次元（２Ｄ）もしくは一次元（１Ｄ）の凸状または半凸状の表面プロファイルを有するように、表面４０５ｃ、４０７ｃが、曲面（すなわち、ある程度の曲率を有する）であることを除いて、構造および動作において光学配置１０２とほぼ同一である。そのような実施形態では、表面４０５ｃは、概して凸状または半凸状であり、表面４０７ｃは、概して凹状または半凹状である。光収集／散逸構成要素は、内部反射によって光学素子４０４を通って伝播する望ましくない光を収集するか、または散逸させるように、主表面４０５ｄと関連付けられ得る。
【0090】
図１５は、光学配置３０２に類似する、本開示の別の実施形態による光偏向光学配置５０２を示す。光学配置５０２の類似の構成要素は、光学配置５０２の構成要素のラベルが数字「５」で始まることを除いて、光学配置３０２のものと同様にラベル付けされる。光学配置５０２は、界面領域５０８が非線形表面プロファイル、好ましくは凸状または半凸状の表面プロファイルを有するように、表面５０５ｃ、５０７ｃが、（光学配置４０２と同様の）曲面であることを除いて、構造および動作において光学配置３０２とほぼ同一である。光収集／散逸構成要素は、内部反射によって光学素子５０４を通って伝播する望ましくない光を収集するか、または散逸させるように、表面５０５ｂに近接する主表面５０５ａの部分と関連付けられ得る。
【0091】
光学配置４０２、５０２の構造の結果として、表面４０５ａ、５０５ａに入射する光線は、界面領域４０８、５０８の変化する表面プロファイルに供され、その結果、入射光線のＡＯＩは、位置（すなわち、界面領域における入射点の位置）に応じて変化する。結果として、光学配置４０２、５０２は、界面領域の曲率が（図面におけるＬＯＥ１２の近位端から遠位端への方向に）急激になるにつれて、偏向された光線の角度分布が増加するため、より大きなＦＯＶにわたって光線を偏向し得る。
【0092】
これまで説明された実施形態は、エアギャップまたは透明な低インデックス材料の層（例えば、光学接着剤の層、固体誘電体材料の層、または低インデックス材料の薄い透明プレート）として形成された界面領域に関するものであったが、界面領域が、例えば、基板内に埋め込まれた一連の部分反射器の形態の、より決定的な光学構造を有する他の実施形態も可能である。図１６は、そのような実施形態による、光偏向光学配置６０２の非限定的な実装例を示す。光学配置６０２は、光学配置１０２に類似するが、一連の部分反射面を有する界面領域を含む。光学配置６０２の類似の構成要素は、光学配置６０２の構成要素のラベルが数字「６」で始まることを除いて、光学配置１０２のものと同様にラベル付けされる。
【0093】
図示される非限定的な実装例では、光学配置６０２は、２つの光学素子６０４、６０６であって、それらの間に形成された界面領域６０８を有する、光学素子６０４、６０６を含む。界面領域６０８は、平行な主外部表面６１２ａ、６１２ｂ、６１４ａ、６１４ｂの第１および第２の対を有する光透過基板６１０として形成され、表面６１２ａ、６１２ｂ間に延在し、表面６１２ａ、６１２ｂに対して傾斜した、基板６１０内に配備された一連の部分反射面６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、６３０ｄ、６３０ｅ、６３０ｆ（一括して６３０を指定される）を含む。
【0094】
２つの光学素子６０４および６０６の各々は、それぞれ、６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、および６０７ａ、６０７ｂ、６０７ｃ、６０７ｄを指定されている少なくとも４つの平らな主表面（すなわち、面）を含む複数の表面を含む。表面６０５ａ、６０５ｂは、互いに平行であり、それぞれ、互いに平行な表面６０７ａ、６０７ａと同一平面上にある。特定の非限定的な実装例では、表面６０５ａ、６０５ｂは、表面６０５ｃ、６０５ｄに直交し、表面６０７ａ、６０７ｂは、好ましくは表面６０７ｃ、６０７ｄに直交する。そのような実装例では、界面領域６０８は、表面の第２の対の表面のうちの１つ６１４ａが、表面６０５ｃと光学的にカップリングされ、第２の対の表面のうちの他方６１４ｂが、表面６０７ｃと光学的にカップリングされた状態で、光学素子６０４、６０６の間に配備された矩形のスラブ型基板６１０として形成される。他の非限定的な実装例では、表面６０５ｃ、６０７ｃは、表面６０５ａ、６０５ｂ、６０７ａ、６０７ｂに対して傾斜している。
【0095】
表面６０５ａ、６１２ａ、６０７ａは、表面６０５ｂ、６１２ｂ、６０７ｂによって形成される別の単一の連続表面（６２０ｂを指定されている）に平行である単一の連続表面（６２０ａを指定されている）の一部を形成する。
【0096】
さらに他のより好ましいときもある非限定的な実装例では、光学配置６０２は、一般に、単体の矩形のスラブ型基板であって、平行な表面６２０ａ、６２０ｂを有し、かつ表面６２０ａ、６２０ｂ間に延在し、表面６２０ａ、６２０ｂに対して傾斜した、スラブ型基板内に配備された部分反射面６３０を有する、単体の矩形のスラブ型基板、として形成される。そのような単体実装は、製造複雑性の低減という点で、非単体実装に対する特定の利点を有し得る。
【0097】
実装例にかかわらず、光学配置６０２は、部分反射面６３０が、光学カップリングアウト構成３０と関連付けられるように配備される。好ましいが非限定的な実装例では、部分反射面６３０は、光学カップリングアウト構成３０の全体にわたり、部分反射面のセット３０、６３０の各々において、部分反射器間に１対１の関係が存在する。これが、図１６に示されており、部分反射面６３０のうちの各部分反射面の投影は、部分反射面３０のうちのそれぞれ１つの投影にわたる。例えば、部分反射面６３０ａの投影は、部分反射面３０ａの投影にわたり、投影平面は、表面６２０ａ、６２０ｂ、１４、１６の平面に平行である。
【0098】
（表面６２０ａ、６２０ｂの間で測定される）基板６１０の厚さは、ＬＯＥ１２の厚さ未満であることに留意されたい。したがって、部分反射面３０および６３０が配備される斜角は、異なっている。
【0099】
以下の段落は、部分反射面６３０の好ましい光学的特性を説明した。まず、部分反射面６３０は、好ましくは、高いＡＯＩに対して反射性であり、低いＡＯＩで透過性である（ＡＯＩは、部分反射面６３０の平面の法線を測定される）。この光学特性は、臨界角度θｃよりも大きい角度で界面領域に衝突する光線が、界面領域で反射される、前述の実施形態で考察された界面領域のものと同様である。
【0100】
加えて、光が、部分反射面６３０のうちの１つによる誘導内に反射されて、反射面６３０のうちの別のものによって元の方向に反射されて戻る（この現象は「二重反射」と称される）のを防止するために、部分反射面６３０を散乱表面として実装することが、有利であり得る。二重反射は、図１６に概略的に示されており、代表的な入射光線４４は、屈折光線４５ａとして、表面６２０ａを介して光学配置６０２にカップリングインされる。光線４５ａは、表面のうちの１つ６３０ｅに衝突し、反射光線４５ｂとして反射され、反射光線４５ｂは、表面のうちの隣接する１つ６３０ｄに衝突し、反射光線４５ｃとして反射される。次に、光４５ｃは、光線４５ｄとして、表面６２０ｂを介して光学配置６０２から屈折されて出る。散乱特性を採用することにより、二重反射光も二重散乱されて、元の方向を失うであろう。したがって、部分反射面６３０は、より大きなＡＯＩに対して反射性および散乱／拡散特性を有する。
【0101】
しかしながら、部分反射面６３０はまた、より小さいＡＯＩに対して鏡面的に透明（ｓｐｅｃｕｌａｒｌｙ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）であるべきである。高ＡＯＩでの拡散反射特性と、低ＡＯＩでの鏡面透明性（ｓｐｅｃｕｌａｒ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）とを有する部分反射面を構築することは、非常に粗い拡散ガラス上に低屈折率材料の非常に薄い層を堆積させることによって達成され得る。例えば、約１μｍの厚さを有するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の層を、約１０μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する拡散ガラス上に堆積させて、部分反射面６３０を構築することができる。
【0102】
加えて、光学配置６０２の材料が部分的に吸収性である場合、光学配置６０２をまっすぐ通って伝播する光（光線６０など）は、わずかに吸収される一方で、光線４４（および関連付けられた屈折光線ならびに反射光線４５ａ～４５ｃ）は、吸収材料の内部ではるかに長い距離を伝播し、それにより、光線４４、４５ａ～４５ｄの強度を著しく低減させるであろう。そのような部分的に吸収性の材料の一例が、明るいソースの存在下でより暗くなる（すなわち、より多くを吸収する）フォトクロミック材料である。したがって、例えば、光学デバイスが、特定のＡＯＩで光学配置に衝突する太陽光の存在下で、屋外使用のために配備される場合、ゴースト反射が非常に明るくなる可能性があると、フォトクロミック材料が黒色に遷移して、ゴースト画像を劇的に減少させるであろう。さらに、表面６３０が部分的に吸収性である場合、これらの表面６３０を通って反射される光は、２回吸収される一方、表面６３０を通過する光は、１回だけ吸収されるであろう。光線６０の透過および光線４４、４５ａ～４５ｄの遮断における違いは、幾分限られていることに留意されたい。したがって、これらの光線間のより良好な識別を提供し得る光学構造が、好ましい場合がある。
【0103】
図１７は、そのような好ましいときもある光学構造の一例を示す。ここで、部分反射面（部分反射面６３０を表す）は、低屈折率材料６３４（ＭｇＦ２など）の薄い層でコーティングされた粗い表面６３２（表面粗さを表すことを意図した曲線によって概略的に表される）を、材料６３４の屈折率よりも大きいほぼ同じ高屈折率を有する２つの透明層（光学素子）６３６、６３８の間に挟むことによって構築される。これにより、低ＡＯＩでクリアな鏡面透明性の表面、かつ高ＡＯＩで拡散反射生表面が、もたらされる。
【0104】
透明層６３６、６３８は、互いに光学的にカップリングされ、それにより、材料６３４でコーティングされた表面６３２の形態の界面領域を画定する。部分反射面６３０の各々は、一対の高インデックス光学素子の間に、低インデックスコーティングされた粗い表面を挟むことによって実装されるので、界面領域６０８は、複数の界面領域（すなわち、部分反射面６３０の各１つについて１つの界面領域）を含む。
【0105】
図１８は、光学配置６０２に類似する、本開示の別の実施形態による、ゴースト画像に対処するための光学配置７０２の非限定的な実装例を示す。光学配置７０２の類似の構成要素は、光学配置７０２の構成要素のラベルが数字「７」で始まることを除いて、光学配置６０２のものと同様にラベル付けされる。光学配置６０２と同様に、光学配置７０２は、光透過基板７１０内に配備された、互いに平行な表面７３０のセットを採用する。しかしながら、光学配置６０２と、光学配置７０２との間には、いくつかの重要な違いがある。１つの重要な違いが、表面７３０の基本的な光学原理である。本実施形態では、表面７３０は、吸収性であり、面７３０を通過するすべての光を遮断する。これが、図１８に概略的に示されており、入射光線４４は、屈折光線４５ａとして、表面７２０ａを介して光学配置にカップリングインされる。光線４５ａは、表面７３０のうちの１つに衝突し、その表面によって吸収され、それにより、光線４４がＬＯＥ１２に到達するのを防止する。したがって、光学配置７０２は、厳密には「光偏向」光学配置ではなく、「光吸収」光学配置である。
【0106】
別の重要な違いは、表面７３０が、表面６３０と比較して、より大きな傾斜角で配備され、部分反射面３０に対して反対方向に配備されていることである。大きな傾斜角は、より多くの表面が基板７１０内に詰め込まれることを可能にする。これが、図１８に明確に例示されており、図１８は、表面７３０ａ～７３０ｆを、複数の平行表面７３０のうちの数個の単なる例として示す。部分反射面３０に対する表面７３０の位置、ならびに表面７３０の配備角度は、表面７３０が、ユーザ／視聴者を妨害しないことを確実にする。図示のように、表面７３０は、（ＬＯＥ１２の遠位端またはその近くにある部分反射面３０と関連付けられて）ＬＯＥ１２の左側領域にのみ配置／位置付けされている。通常、７５°～８５°（表面７２０ｂの平面に対して測定される）の範囲内の大きい傾斜角、および部分反射面３０に対して反対の傾斜方向が、表面７３０の配備位置と組み合わされて、法線に近い角度で表面７２０ａに衝突する外部シーン光線（例えば、光線６０）が非常に小さいことを確実にする。したがって、法線に近い角度で表面７２０ａに衝突する外部シーンからの光の大部分は、光学配置７０２をまっすぐ通過するであろう。
【0107】
表面７３０は、図１７を参照して前述したものと同様の構造を使用して実装され得、ここで、材料６３４は、透明層６３６および６３８のものと同様の屈折率を有して吸収性であるべきことを期待する。
【0108】
光学配置の実装例にかかわらず、光学配置は、好ましくは、観察者が、妨害されない外部シーンの視界を有することを確実にするように、ＬＯＥ１２の全幅にわたる（すなわち、ＬＯＥ１２の近位端と、遠位端との間にわたる）ことに留意されたい。
【0109】
本開示の実施形態による光学デバイスは、観察者（視聴者）の耳に掛けるためのサイドアームを備えた眼鏡フレームとして実装されるヘッドマウントメカニカルボディを有する眼鏡フォームファクタで実装されるときに利益を得るように使用され得る。そのような眼鏡フォームファクタの例は、米国特許第８，４３２，６１４号などのいくつかの同一所有者の特許文献に見出され得、それらの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。そのような非限定的な実装例では、画像プロジェクタ１８および光学カップリングイン構成２２は、眼鏡フレームのテンプルの近くに位置する。ヘルメットマウントフォームファクタ、および他のヘッドアップディスプレイフォームファクタならびにニアアイディスプレイフォームファクタなどの他のフォームファクタもまた、明らかに本発明の範囲内にあることに留意されたい。
【0110】
観察者の背後およびこめかみ側から発生する望ましくない光線がＥＭＢに到達するのを防ぐために、眼鏡フレームのサイドアームの１つまたはその付近に、第２の光学配置を配備することが特に有利であり得る。図１９は、そのような配備構成に従って配備された第２の光学配置１０２’を示す。例示の配備構成では、第２の光学配置１０２’は、第１の光学配置１０２と同様であり、第２の光学配置１０２’の類似の構成要素は、第２の光学配置１０２’の構成要素のラベルが、「プライム」（’）を付加されることを除き、第１の光学配置１０２の構成要素と同様にラベル付けされる。
【0111】
第２の光学配置１０２’は、ＬＯＥ１２に直交する（および光学配置１０２に直交する）配向で、かつ表面１０５ｂ’、１０７ｂ’が眼３６と対向関係にある状態で、ＬＯＥ１２の近位端（すなわち、画像プロジェクタ１８および光学カップリングイン構成２２の近く）に配備される。光学配置１０２’と、ＬＯＥ１２との間の直交配向は、一般に、光学配置１０２’およびＬＯＥ１２の伸長方向の直交性を指す。例示の実施形態では、ＬＯＥ１２（および第１の光学配置１０２）は、水平軸に任意に対応する伸長方向を有し、第２の光学配置１０２’は、垂直軸に対応する伸長方向を有する。
【0112】
第２の光学配置１０２’は、ＬＯＥ１２に直交するサイドアームのうちの１つまたはその付近に配備されるので、光学素子１０４’の幾何学形状は、光学素子１０４の幾何学形状とは異なり得ることに留意されたい。特に、（図中の垂直軸に沿って測定される）光学素子１０４’、１０６’の長さは、光学素子１０４、１０６の長さと比較して、先端切除され得る。さらに、（図中の垂直軸に沿って測定される）表面１０５ａ’、１０５ｂ’の長さは、好ましくは、表面１０５ａ、１０５ｂの対応する長さよりもかなり短い。特定の実施形態では、光学素子１０４’は、紙面内で３面プリズムを形成するように、３つの主表面によって画定される（すなわち、表面１０５ｂ’は、０の有効長を有する）。さらに、表面１０５ａ’、１０５ｃ’間の斜角の測定値は、表面１０５ａ、１０５ｃ間の斜角の測定値と異なる場合がある。
【0113】
図１９の２つの直交配向の光学配置は、図５を参照して説明された光学配置として実装されるように示されているが、２つの直交配向の光学配置は、前述の光学配置のいずれかに従って実装され得ることに留意されたい。さらに、２つの直交配向の光学配置は、必ずしも同じ実装例のものである必要はない。例えば、第１の光学配置は、図１２を参照して説明された光学配置として実装され得、第２の光学配置は、図５を参照して説明された光学配置として実装され得る。
【0114】
眼鏡フォームファクタまたは他のヘッドアップディスプレイフォームファクタおよびニアアイディスプレイのフォームファクタでの光学デバイスの実装例の文脈では、湾曲した主表面を有する光学素子から形成される光学配置（光学配置２０２、３０２、５０２など）は、視覚障害を有する観察者に利点を提供し得る。例えば、光学配置２０２、３０２、５０２は、レンズとして形成されるか、またはレンズの一部として形成され得、それにより、表面２０５ａ、２０７ａ、３０５ａ、３０７ａ、５０５ａ、５０７ａは、光学配置がない場合に比較的小さいＡＯＩ（例えば、０°～３４°の範囲のＡＯＩ）で面１６に衝突するであろう外部シーンから発する光に補正屈折力を適用し得、それにより、外部シーンの観察者の視界を改善する。例示の非限定的な実装例では、光学配置２０２、３０２、５０２は、（図１２および図１３のように）外部シーンと、ＬＯＥ１２との間に配備されたとき、０．５Ｄの屈折力を有し、（図１１のように）ＬＯＥ１２と、眼との間に配備された場合、－０．５Ｄの屈折力を有することに留意されたい。
【0115】
本開示の実施形態による光学デバイスは、部分反射面３０のセットとして実装される光学カップリングアウト構成３０の文脈でこれまで説明されてきたが、セット部分反射面３０は、光学カップリングアウト構成の１つの非限定的な実装例の単なる例示であり、他の光学カップリング構成を使用して、画像光をＬＯＥ１２からカップリングアウトすることができる。光学カップリングアウト構成は、ＬＯＥ１２内ですでに伝播している画像入射光の一部を、内部反射によって、画像入射光の偏向された部分がＬＯＥ１２を出るような角度に偏向させる任意の光学カップリング配置であり得る。そのような好適な光学カップリング配置の他の例には、これらに限定されないが、面１４、１６のいずれかに配置された１つ以上の回折光学素子およびビームスプリッタ配置が含まれる。そのような光学カップリング配置はまた、外部シーンからの入射光が、特定の範囲のグレージング角で外面１４、１６に衝突する場合、ゴーストを誘発し得る。したがって、上述の本開示の実施形態による光偏向または吸収光学配置は、そのような回折またはビーム分割光学カップリング配置を利用する光透過基板と組み合わせて使用されるとき、ゴースト画像を軽減するのにも好適である。
【0116】
本明細書で考察されるゴースト軽減技術は、これまで平行面のスラブ型光学導波路の文脈で説明されてきたが、本明細書に記載の実施形態による光偏向または吸収光学配置は、他の光学導波路アーキテクチャと組み合わせて使用され得ることにさらに留意されたい。背景セクションで考察されたように、一次元での開口増加へのアプローチが、その内部で画像が内部反射によって伝播する透明な材料の平行平面のスラブに基づいて開発されている。また、様々な光学導波路構成を使用して、二次元での開口増加が開発されていることに留意されたい。一例の構成では、二次元の開口拡大は、第１および第２の光学導波路によって実現される。第１の光学導波路は、矩形断面を形成する平行な主外部表面の２つの対を有する。相互に平行な部分反射面の第１のセットは、第１の光学導波路を光学導波路の伸長方向に対して傾斜して横断する。第１の光学導波路に光学的にカップリングされた第２の光学導波路は、スラブ型導波路を形成する一対の平行な主外部表面を有する。相互に平行な部分反射面の第２のセットは、第２の光学導波路を第２の光学導波路の主外部表面に対して傾斜して横断する。さらに、部分反射面の第１のセットを含む平面は、好ましくは、部分反射面の第２のセットを含む平面に対して傾斜している。２つの光学導波路間の光学カップリング、および部分反射面の２つのセットの配備および構成は、画像が、第１の光学導波路の平行な主要な外部表面の両方の対に対して傾斜するカップリング角度で伝播の初期方向で第１の光学導波路にカップリングされるとき、画像が、第１の光学導波路からカップリングアウトされ、第２の光学導波路にカップリングインされるように、部分反射面の第１のセットで反射された画像のある割合の強度で、第１の光学導波路に沿って（すなわち、二次元で）４倍の内部反射によって前進し、次いで、部分反射面の第２のセットで反射された画像のある割合の強度で、観察者の眼によって見られる可視画像として、第２の光学導波路からカップリングアウトされるように、第２の光学導波路内で（すなわち、一次元で）２倍の内部反射を通って伝播するようなものである。そのような二次元開口乗算器のさらなる詳細は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１０，５６４，４１７号を含む、様々な特許文献に見出すことができる。
【0117】
本開示の実施形態による光偏向または吸収光学配置は、光学導波路の主表面のうちの１つの前方に位置する外部シーン内の光源によって引き起こされるゴースト画像に対処する／該ゴースト画像を軽減するために、光学導波路の主表面のうちの１つと関連付けられて配備され得る。
【0118】
別の例の構成では、二次元の開口拡大は、第１および第２のスラブ型光学導波路によって実現される。第１の光学導波路は、スラブ型導波路を形成する平行な主外部表面の２つの対を有する。互いに平行な内部の部分反射面の第１のセットは、平行な主外部表面の２つの対に対して斜角で、第１の光学導波路を横断する。第２の光学導波路はまた、平行な主外部表面の２つの対を有する。互いに平行な内部の部分反射面の第２のセットは、第２の光学導波路の平行な主外部表面の２つの対に対して斜角で、第２の光学導波路を横断する。さらに、部分反射面の第１のセットを含む平面は、部分反射面の第２のセットを含む平面に対して傾斜するかまたは垂直である。２つの光学導波路間の光学カップリング、および２つの部分反射面の配備および構成は、画像が第１の光学導波路にカップリングインされるときに、画像が、第１の光学導波路からカップリングアウトされ、第２の光学導波路にカップリングインされるように、部分反射面の第１のセットで反射された画像のある割合の強度で、第１の誘導された方向で外部表面の対のうちの１つの外部表面間の第１の光学導波路内の２倍の内部反射を通って伝播し、次いで、観察者の眼によって見られる可視画像として、第２の光学導波路からカップリングアウトされるように、部分反射面の第２のセットで反射された画像のある割合の強度で、第２の誘導された方向（第１の誘導された方向に対して傾斜する）で、第２の光学導波路の外部表面の対のうちの１つの外部表面間の第２の光学導波路内の２倍の内部反射を通って伝播するようなものである。そのような二次元開口乗算器のさらなる詳細は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１０，５５１，５４４号を含む、様々な特許文献に見出すことができる。
【0119】
本開示の実施形態による光偏向または吸収光学配置は、光学導波路の主表面のうちの１つの前方に位置する外部シーン内の光源によって引き起こされるゴースト画像に対処する／該ゴースト画像を軽減するために、光学導波路の主表面のうちの１つと関連付けられて配備され得る。
【0120】
図面には示されていないが、本明細書に記載の様々な光学デバイスの画像プロジェクタ１８は、一般に、画像光を生成するための液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などのマイクロディスプレイと、画像を無限遠にコリメートするための対応するコリメーティング光学系と、を含む。マイクロディスプレイが反射型ディスプレイまたは透過型ディスプレイに実装されるとき、照明構成要素（１つ以上のＬＥＤなど）および照明光学系（ビームスプリッタなど）もまた、光照明構成要素からのマイクロディスプレイに導き、画像光をコリメーティング光学系に導くように、画像プロジェクタ１８に含まれる。
【0121】
本明細書に記載の様々な光学デバイスのカップリングプリズム２２は、光学カップリングイン構成の１つの非限定的な実装例の単なる例示であり、他の光学カップリング構成を使用して、画像プロジェクタ２０からの画像光をＬＯＥ１２にカップリングインすることができることにさらに留意されたい。光学カップリングイン構成は、画像光の一部を、ＬＯＥ１２内の内部反射によって誘導されるように、適切な角度でＬＯＥ１２内に偏向する任意の光学カップリング配置であり得る。そのような好適な光学カップリング配置の他の例としては、以下に限定されないが、カップリングインリフレクタの形態の反射面、および回折光学素子が挙げられる。
【0122】
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および趣旨から逸脱しない多くの修正および変形が、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または技術的な改善を最も良く説明するために、また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。
【0123】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「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。
【0124】
「例示的」という言葉は、本明細書では、「例、実例、また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または有利であると解釈されるべきではなく、および／また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。
【0125】
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、または任意の好適な部分的な組み合わせで、また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。
【0126】
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すべ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。
【0127】
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、およ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および広い範囲内に収まるすべてのこのような代替、修正、および変形を包含することが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
