特表 2022-506490 コンパクトな偏光ベースのマルチパス光アーキテクチャ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-17

(54)【発明の名称】コンパクトな偏光ベースのマルチパス光アーキテクチャ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20220107BHJP

   G02F 1/1335 20060101ALI20220107BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

G02F1/1335 510

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021523887

(86)(22)【出願日】2019-11-03

(85)【翻訳文提出日】2021-06-10

(86)【国際出願番号】 US2019059571

(87)【国際公開番号】W WO2020093032

(87)【国際公開日】2020-05-07

(31)【優先権主張番号】62/755,345

(32)【優先日】2018-11-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520494530

【氏名又は名称】ゲイリー シャープ イノベーションズ リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】特許業務法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シャープ、ゲイリー

(72)【発明者】

【氏名】マクゲッティガン、アンソニー

【テーマコード（参考）】

2H088

2H291

【Ｆターム（参考）】

2H088EA47

2H088HA17

2H088HA18

2H088HA21

2H088JA05

2H088JA10

2H088JA11

2H088JA17

2H291FA25X

2H291FA25Z

2H291FA28Z

2H291FA29X

2H291FA29Z

2H291FA30X

2H291FA30Z

2H291FA32X

2H291FA32Z

2H291HA06

2H291HA11

2H291HA15

2H291HA20

2H291MA20

2H291PA44

(57)【要約】

デジタル方式で切替可能な光パワー、光路長、または両方を導入することが可能な光学システムである。それは、コンパクトであり、軽量であり、高光効率である再構成可能な広角な光学システムに適用し得る。経路長を増加させるアーキテクチャは、１つまたは複数の光キャビティのさらなる往復を導入するために、偏光スプリッタを利用し得る。拡張／仮想現実システムにおける、合成像の焦点距離の変更は、本明細書において教示される手法が特によく適する適用分野の一例である。受動的な二重キャビティシステムは、偏光ベースのコンパクトな広角レンズにおいて、スループットを増加させ、迷光／ゴーストを減少させるために使用され得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸上光学システムであって、
直線偏光子と、
光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、前記第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、光スイッチと、
１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第１の反射型偏光子であって、前記第１の反射型偏光子が曲率半径Ｒ１を有する形状を有する、第１の反射型偏光子と、
前記直交する直線偏光状態の光を反射させ、前記１つの直線偏光状態の光を透過させる反射型偏光子であって、前記第２の反射型偏光子が曲率半径Ｒ２を備える形状を有する、第２の反射型偏光子と
を備え、
前記直線偏光子、前記光スイッチ、ならびに、前記第１の反射型偏光子および前記第２の反射型偏光子のそれぞれが、同軸に位置決めされる、
軸上光学システム。

【請求項2】

前記第１の反射型偏光子の焦点距離および前記第２の反射型偏光子の焦点距離の両方の範囲内に位置する観察者は、切替可能な倍率で自己像を観測する、請求項１記載の軸上ディスプレイシステム。

【請求項3】

軸外光学システムであって、
直線偏光子と、
第１の光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、前記第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、第１の光スイッチと、
１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第１の反射型偏光子であって、前記第１の反射型偏光子が、曲率半径Ｒ１を備える形状を有する、第１の反射型偏光子と、
前記直交する直線偏光状態の光を反射させ、前記１つの直線偏光状態の光を透過させる第２の反射型偏光子であって、前記第２の反射型偏光子が曲率半径Ｒ２を備える形状を有する、第２の反射型偏光子と、
第２の光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、前記第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、第２の光スイッチと、
１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第３の反射型偏光子であって、前記第３の反射型偏光子が、曲率半径Ｒ３を備える形状を有する、第３の反射型偏光子と、
前記直交する直線偏光状態の光を反射させ、前記１つの直線偏光状態の光を透過させる第４の反射型偏光子であって、前記第４の反射型偏光子が曲率半径Ｒ４を備える形状を有する、第４の反射型偏光子と
を備え、
前記第１の反射型偏光子および前記第２の反射型偏光子は、互いに隣接し、整列した形態で位置決めされ、前記第３の反射型偏光子および前記第４の反射型偏光子は、互いに対して隣接し、整列した形態で位置決めされることで、それらに当たる光の偏光状態に応じて、前記第１の反射型偏光子および前記第２の反射型偏光子のうちの１つが、折り返しの形態で光を反射させ、前記第３の反射型偏光子および前記第４の反射型偏光子のうちの１つが、折り返しの形態で光を反射させ、
前記第１の光スイッチおよび前記第２の光スイッチはそれぞれ、前記システムにより、４つの異なる光パワーのうちの１つを実現することが可能であるように、制御することが可能であり、４つの出力は、Ｒ１＋Ｒ３、Ｒ１＋Ｒ４、Ｒ２＋Ｒ３、およびＲ２＋Ｒ４である、
軸外光学システム。

【請求項4】

観察者によって観測することが可能なディスプレイからの光を制御するための光学システムであって、
円偏光状態を透過させるディスプレイ装置と、
共有される中央部分リフレクタを有する第１のキャビティおよび第２のキャビティを含み、第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子のそれぞれにより、両端部で画定される一対の光キャビティであって、第１の光キャビティおよび第２の光キャビティのそれぞれが、別個の１／４波長位相子を含む、一対の光キャビティと、
出力偏光子と
を備え、
前記システムによって通過される前記観察者に対する前記光は、前記第１のキャビティを透過し、前記第２のキャビティ内を再循環する第１の光成分と、前記第１のキャビティ内を再循環し、前記第２のキャビティを透過する第２の光成分とを含む、
光学システム。

【請求項5】

前記第１の反射型偏光子および前記第２の反射型偏光子の幾何学的形状は、同じである、請求項４記載の光学システム。

【請求項6】

前記第１のキャビティを使用して形成される像および前記第２のキャビティを使用して形成される像は、観察者において重ね合わせられる、請求項４記載の光学システム。

【請求項7】

観察者に対して、表示される像の選択的な量の倍率を提供する光学システムであって、
前記システムに入る光の偏光状態を制御するディスプレイに隣接する第１のデジタル偏光スイッチと、
共有される中央の偏光スプリッタを有する第１のキャビティおよび第２のキャビティを含み、曲率半径Ｒ１を備える第１の反射型偏光子および曲率半径Ｒ２を備える第２の反射型偏光子それぞれにより、両端部で画定される一対の光キャビティであって、第１の光キャビティおよび第２の光キャビティのそれぞれが、別個の１/４波長位相子を含む、一対の光キャビティと、
前記観察者に隣接する第２のデジタル偏光スイッチであって、前記第２のデジタル偏光スイッチが、前記第２のデジタル偏光スイッチに当たる光の偏光状態に基づいて、どの光が前記システムを出るかを制御する、第２のデジタル偏光スイッチと
を備え、
前記システムから前記観察者に通過する光は、前記第１のキャビティを一回、前記第２のキャビティを一回、通過する第１の光成分と、前記第１のキャビティを三回、前記第２のキャビティを一回、通過する第２の光成分と、前記第１のキャビティを一回、前記第２のキャビティを三回、通過する第３の光成分と、前記第１のキャビティを三回、前記第２のキャビティを三回、通過する第４の光成分とを含み、
前記第１のデジタル偏光スイッチおよび前記第２のデジタル偏光スイッチのそれぞれが２つの状態を有し、これによって、２つのスイッチの組み合わせが４つの可能な状態を有し、前記組み合わせの状態のそれぞれ１つが、前記システムから通過する光の第１の成分、第２の成分、第３の成分、および第４の成分のうちの１つに対応し、
光の４つの成分それぞれは、前記表示される像の倍率であり、前記倍率の量は、各光成分が前記第１の反射型偏光子から反射される回数と、各光成分が前記第２の反射型偏光子から反射される回数とによって決定される、
光学システム。

【請求項8】

前記第１のデジタル偏光スイッチは、直線偏光子、光スイッチ、および１／４波長位相子を含む、請求項７記載の光学システム。

【請求項9】

前記第２のデジタル偏光スイッチは、１／４波長位相子、光スイッチ、および直線偏光子を含む、請求項７記載の光学システム。

【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、２０１８年１１月２日付で出願された米国仮出願第６２／７５５，３４５号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体を参照により本明細書に援用する。

【背景技術】

【0002】

偏光は、部分リフレクタおよび偏光スプリッタによって形成される光キャビティのさらなる往復を導入するために使用される（たとえば、米国特許第６，０７５，６５１号明細書）。これらの構造は、コンパクトな広角レンズおよび増加する光路長を導入するために使用され得る。従来技術は、光がキャビティの単一パスまたはキャビティのさらなる往復のいずれかを実行することを可能にするようなレンズに先行する強誘電性液晶スイッチを記載している（たとえば、米国特許第８，７６７，２８４号明細書）。

【発明の概要】

【0003】

本明細書において、軸上光学システムであって、直線偏光子と、光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、光スイッチと、１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第１の反射型偏光子であって、第１の反射型偏光子が曲率半径Ｒ１を有する形状を有する、第１の反射型偏光子と、直交する直線偏光状態の光を反射させ、１つの直線偏光状態の光を透過させる反射型偏光子であって、第２の反射型偏光子が曲率半径Ｒ２を備える形状を有する、第２の反射型偏光子とを備え、直線偏光子、光スイッチ、ならびに、第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子のそれぞれが、同軸に位置決めされる、軸上光学システムが開示される。

【0004】

第１の反射型偏光子の焦点距離および第２の反射型偏光子の焦点距離の両方の範囲内に位置する観察者は、切替可能な倍率で自己像を観測し得る。

【0005】

また、直線偏光子と、第１の光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、第１の光スイッチと、１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第１の反射型偏光子であって、第１の反射型偏光子が、曲率半径Ｒ１を備える形状を有する、第１の反射型偏光子と、直交する直線偏光状態の光を反射させ、１つの直線偏光状態の光を透過させる第２の反射型偏光子であって、第２の反射型偏光子が曲率半径Ｒ２を備える形状を有する、第２の反射型偏光子と、第２の光スイッチであって、選択的に、第１の光スイッチ状態において、その偏光状態を変換することなく光を通過させるか、または、第２の光スイッチ状態において、第１の直線偏光状態を、第１の直線偏光状態に直交する第２の直線偏光状態に変換するように制御することが可能な、第２の光スイッチと、１つの直線偏光状態の光を反射させ、直交する直線偏光状態の光を透過させる第３の反射型偏光子であって、第３の反射型偏光子が、曲率半径Ｒ３を備える形状を有する、第３の反射型偏光子と、直交する直線偏光状態の光を反射させ、１つの直線偏光状態の光を透過させる第４の反射型偏光子であって、第４の反射型偏光子が曲率半径Ｒ４を備える形状を有する、第４の反射型偏光子とを備える軸外光学システムが開示される。第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子は、互いに隣接し、整列した形態で位置決めされ、第３の反射型偏光子および第４の反射型偏光子は、互いに対して隣接し、整列した形態で位置決めされることで、それらに当たる光の偏光状態に応じて、第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子のうちの１つが、折り返しの形態で光を反射させ、第３の反射型偏光子および第４の反射型偏光子のうちの１つが、折り返しの形態で光を反射させる。第１の光スイッチおよび第２の光スイッチはそれぞれ、システムにより、４つの異なる光パワーのうちの１つを実現することが可能であるように、制御することが可能であり、４つの出力は、Ｒ１＋Ｒ３、Ｒ１＋Ｒ４、Ｒ２＋Ｒ３、およびＲ２＋Ｒ４である。

【0006】

また、観察者によって観測することが可能なディスプレイからの光を制御するための光学システムであって、円偏光状態を透過させるディスプレイ装置と、共有される中央部分リフレクタを有する第１のキャビティおよび第２のキャビティを含み、第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子のそれぞれにより、両端部で画定される一対の光キャビティであって、第１の光キャビティおよび第２の光キャビティのそれぞれが、別個の１／４波長位相子を含む、一対の光キャビティと、出力偏光子とを備える、光学システムが開示される。システムによって通過される観察者に対する光は、第１のキャビティを透過し、第２のキャビティ内を再循環する第１の光成分と、第１のキャビティ内を再循環し、第２のキャビティを透過する第２の光成分とを含む。

【0007】

第１の反射型偏光子および第２の反射型偏光子の幾何学的形状は、同じである。第１のキャビティを使用して形成される像および第２のキャビティを使用して形成される像は、観察者において重ね合わせられる。

【0008】

さらに、観察者に対して、表示される像の選択的な量の倍率を提供する光学システムであって、システムに入る光の偏光状態を制御するディスプレイに隣接する第１のデジタル偏光スイッチと、共有される中央の偏光スプリッタを有する第１のキャビティおよび第２のキャビティを含み、曲率半径Ｒ１を備える第１の反射型偏光子および曲率半径Ｒ２を備える第２の反射型偏光子それぞれにより、両端部で画定される一対の光キャビティであって、第１の光キャビティおよび第２の光キャビティのそれぞれが、別個の１/４波長位相子を含む、一対の光キャビティと、観察者に隣接する第２のデジタル偏光スイッチであって、第２のデジタル偏光スイッチが、第２のデジタル偏光スイッチに当たる光の偏光状態に基づいて、どの光がシステムを出るかを制御する、第２のデジタル偏光スイッチとを備える、光学システムが開示される。システムから観察者に通過する光は、第１のキャビティを一回、第２のキャビティを一回、通過する第１の光成分と、第１のキャビティを三回、第２のキャビティを一回、通過する第２の光成分と、第１のキャビティを一回、第２のキャビティを三回、通過する第３の光成分と、第１のキャビティを三回、第２のキャビティを三回、通過する第４の光成分とを含む。第１のデジタル偏光スイッチおよび第２のデジタル偏光スイッチのそれぞれが２つの状態を有し、これによって、２つのスイッチの組み合わせが４つの可能な状態を有し、組み合わせの状態のそれぞれ１つが、システムから通過する光の第１の成分、第２の成分、第３の成分、および第４の成分のうちの１つに対応する。光の４つの成分それぞれは、表示される像の倍率であり、倍率の量は、各光成分が第１の反射型偏光子から反射される回数と、各光成分が第２の反射型偏光子から反射される回数とによって決定される。

【0009】

第１のデジタル偏光スイッチは、直線偏光子、光スイッチ、および１／４波長位相子を含み得る。第２のデジタル偏光スイッチは、１／４波長位相子、光スイッチ、および直線偏光子を含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】第１の状態における、切替可能な軸上デジタル式反射型光学素子である。

【図1B】第２の状態における。切替可能な軸上デジタル式反射型光学素子である。

【図2】４つの状態を切替可能な非垂直デジタル式反射型光学素子である。

【図3】２５％効率の信号路を有する、従来技術の偏光ベースの広角コリメータである。

【図4A】信号路の５０％効率をもたらす、対称性の一対の新規な光キャビティである。

【図4B】阻止される（ゴースト）経路の光路を示す、図４Ａの配置である。

【図5A】単一パスの光路に対応する、第１の出力を示す、一対の二重パスの光キャビティである。

【図5B】第１の光キャビティ（Ｒ１）のさらなる往復に対応する、第２の出力を示す、図５Ａの配置である。

【図5C】第２の光キャビティ（Ｒ２）のさらなる往復に対応する、第３の出力を示す、図５Ａの配置である。

【図5D】第１の光キャビティ（Ｒ１）および第２の光キャビティ（Ｒ２）のさらなる往復に対応する、第４の出力を示す、図５Ａの配置である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

偏光スプリッタまたは反射型偏光子は、ワイヤグリッド型偏光子（ＷＧＰ）、多層型延伸フィルム（たとえば、スリーエム社（３Ｍ）のＤＢＥＦ）、およびコレステリック液晶を含む。これらの偏光スプリッタは、傾斜インタフェースに依存するスプリッタ（たとえば、マクニール（McNeille）型ＰＢＳ）と違って、一偏光を再帰反射することができる。そうした素子の単軸の曲率は、（たとえば、反射における円柱度数を可能にする）応力なしで実現することが可能であり、ワイヤグリッド型偏光子が、（たとえば、反射における球面度数を可能にする）熱成形により、複合曲率を有し得ることが示されている。熱成形された複数のＷＧＰは、（たとえば）凹状、または凸状ミラーとして使用され得る反射型素子を作製するために使用され得る。それらは基本的には、偏光感受性を有するというさらなる特性を有する、任意の所望の反射型素子に形成され得る。特定の直線偏光状態（ＳＯＰ）の光は、ＷＧＰへ導入されると、従来の反射型光学素子からのものとして反射され得る。直交するＳＯＰの光がＷＧＰへ導入されると、全透過され得る。

【0012】

一配置では、一対のＷＧＰ層は、直列に配置され、偏光スイッチは、一対の光学的に反射された別個の出力を生成し得る。偏光スイッチの一状態では、第１のＷＧＰが光を反射し、偏光スイッチの第２の状態では、第２のＷＧＰが光を反射する。偏光スイッチは、直線偏光子、およびそれに続く液晶スイッチであり得る。一例では、一方のＷＧＰが平面型であり、他方が凹状湾曲を有する。観察者は、ＬＣ装置に対する電圧の印加により、従来のミラーとしても、凹状拡大鏡としても、動作させることが可能なミラーを観ることになる。別の例では、交差ＷＧＰのそれぞれは、別個の曲率を有しており、２つの焦点距離間のスイッチングを可能にする。第３の実施形態では、いずれのリフレクタも平面型であり、スイッチングが、経路長の変更を生成するために使用され、これは、（たとえば）非機械的ズームレンズに有用であり得る。

【0013】

別の配置では、切替可能な反射型素子は、非垂直で動作する。ＷＧＰ配置を入力光線に対して（たとえば）４５度で傾斜させることにより、入力光および出力光は、別個の経路に沿って進行し得る。前述と同様に、これは、２つの反射型光学素子間のスイッチングを可能にする。それはさらに、複数段のカスケード接続を可能にする。たとえば、二対の反射型ＷＧＰと組み合わせた一対のデジタル偏光スイッチは、４つの出力焦点距離を生成し得る。

【0014】

別の配置では、複数対の光キャビティを使用するアーキテクチャは、特有の利点を産出し得る。光キャビティは、二重パスで、偏光した入力を、直交する偏光状態（ＳＯＰ）に変換する光学素子を挟むように配置される、非偏光部分リフレクタおよび偏光スプリッタを含み得る。これらのアーキテクチャは、特定の機能的対称性を有し得る一対のキャビティを作製するために、共有の光学素子を使用され得る。一構成では、同じ光パワーを有する一対の（たとえば、凹状の）偏光スプリッタは、共有の中央の平面型部分リフレクタを有する構造の外側素子を形成する。上記アーキテクチャは、理論上の２５％から５０％に、単一キャビティのコンパクトな広角コリメータ（wide-angle collimator：ＷＡＣ）の効率を２倍にし得る。

【0015】

別の構成では、偏光非感受性の部分リフレクタは、共有の中央の偏光スプリッタを有する構造の外側素子を形成する。１つまたは複数の波長非感受性の偏光スイッチと組み合わせると、透過のために選択される複合光路が、電気的に構成され得る。共有の偏光スプリッタに対して対称配置される一対のデジタル偏光スイッチは、コンパクトなユニットで４つの光学状態を生成し得る。

【0016】

図１Ａおよび１Ｂは、切替可能なミラーの例を示す。その状況は、液晶（ＬＣ）スイッチの偏光状態に関して、図１Ａおよび１Ｂとは異なる。ランダムに偏光した光は、通常の直視型ＬＣＤにおいて使用されるように、直線偏光子に入射する。偏光子は、反射防止コーティングされるか、またはマット仕上げ（もしくはアンチグレア）を有し得る。これは、ねじれネマティック（twisted-nematic）、アンチパラレルラビングネマティック（anti-parallel rubbed nematic）、垂直配向ネマティック（vertically-aligned (VA) nematic）、平行配向ネマティック（parallel-aligned nematic：πセル）、または面内スイッチ（ＩＰＳネマティック（IPS nematic）もしくは強誘電性液晶（ferroelectric liquid crystal））などの液晶スイッチに対して積層される。ＬＣスイッチは通常、一電圧状態（通常、大半の場合に励起されている（energized）が、ＶＡの場合に励起されていない（unenergized））における垂直入射において等方性を有しているように見え、非励起状態において偏光状態（ＳＯＰ）を最大に操作する。軸外性能を向上させるために補償層を導入されることがある。広角無彩色スイッチ（自己補償スイッチ、たとえば、内容を本明細書において参照により援用する、Sharpによる米国特許出願第６２／５８８,０９５号明細書）は、任意の波長または光線角度に対して、２つの状態間のクロストークを回避するために、特に魅力的である。上記例は、直列であって近接した２つのＷＧＰ層を示す。いずれも熱成形され、層１は曲率Ｒ１を有し、および層２は曲率Ｒ２を有する。

【0017】

偏光していない入力光は、吸収軸に対して直交して、偏光子に当たり、その後に、通過した光は、ＬＣ装置に当たる。例示的なＬＣ装置の場合、偏光は、非励起状態において、直交するＳＯＰに変換され（図１Ａ）、第１のＷＧＰ（Ｒ１）を通過し、第２のＷＧＰ（Ｒ２）から反射する。反射光は戻され、再び、第１のＷＧＰ、ＬＣ装置、および直線偏光子を（すなわち、逆順に）通過する。励起されると（図１Ｂ）、ＬＣ装置は、偏光子から入射したＳＯＰを通過させる。この光は第１のＷＧＰ（Ｒ１）から反射し、前述と同様に、ＬＣ装置および偏光子を逆順に通過する。２つのＷＧＰ層が曲率Ｒ１およびＲ２を有する凹状ミラーを表し、観察者がそれぞれの焦点距離内に存在している場合、それらは、切替可能な倍率で自己像を観ることになる。

【0018】

図２は、複数対のＷＧＰがフォールドミラーとしても使用される軸外配置を示す。上述のようなＬＣ装置（ＬＣ１）が第１の対のＷＧＰの上流に挿入され、および第２のＬＣ装置が第１の組のＷＧＰと第２の組のＷＧＰとの間に挿入される（ＬＣ２）。これらの素子は、前述と同様に、１ビットの切替モードにおいて動作させられる。この例では、第１の組のＷＧＰは任意の曲率Ｒ１およびＲ２を有し、ならびに、第２の組のＷＧＰは任意の曲率Ｒ３およびＲ４を有する。上記対のスイッチは、表１に示される、４つの焦点距離を生成し得る。

【0019】

【表1】

【0020】

切替可能な光学素子は、コンパクトであり、軽量であり、非機械的なスイッチングの恩恵を受け得る、任意の光学システムにおいて、使用され得る潜在性を有する。形成された偏光選択性装置は、種々の形態の光パワー（球状、非球状、円柱状、トロイダルなど）を提供し得る。任意の反射型素子が、局所面法線分布を所定に修正するようにＷＧＰを形成することによって製造され得ると考えられる。

【0021】

さらなる機械的支持体を設けることにより、各ＷＧＰの所望の表面を堅牢に実現することが必要とされ得る。機能的なＷＧＰは、キャリア基板に対して極めて薄くなり得る。同時に、キャリア基板は、それが放出された後に鋳型の形状を保つのに十分には強固でないことがあり得る。一構成では、薄いキャリア基板上のＷＧＰは、自由構成要素として、鋳型からの除去後に十分に保持されないことがある（たとえば）２つの曲率を提供するように形成される。その後、２つの薄いＷＧＰ層が、所望の曲率を有する鋳型キャビティ内に挿入される。次いで、鋳型からの開放後に所望の形状が保たれるように、樹脂がキャビティ内に注入され得る。この樹脂は、非常に低い複屈折性を有するポリマーを有し得る。

【0022】

図３は、観察者２２がＷＡＣレンズを介して電子ディスプレイ（この場合、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ））を観る、従来技術の広角コリメータ（ＷＡＣ）２０を示す。光学要素の挿入損失（たとえば、偏光子およびリフレクタの吸収）は、この解析に含まれていない。ディスプレイの後には、バックプレーン電極から反射される周囲光を吸収するように全体として機能する広帯域１／４波長（ＱＷ）位相子２４および直線偏光子２６が続く。この光は、広帯域ＱＷ位相子２８（ＱＷ２）により、（丸で囲んだＬとして示される）左旋円に変換され、その５０％が部分リフレクタ３０により、キャビティ内に透過される。（たとえば、第１のものと交差する）第２の広帯域ＱＷ位相子３２（ＱＷ３）は、光を入力直線ＳＯＰに変換して戻す。反射型偏光子３４は、（一直線偏光状態の）光すべてをキャビティ内に戻すように方向付けされている。この素子は、平坦であってもよく、または光パワーを付与するように形成されてもよい。ＱＷ３は、直線偏光をＬＨ円光に変換し、その後に（丸で囲んだＲとして示される）右旋円偏光をもたらす、部分リフレクタ３０での利き手の変更を受け、さらに反射時にさらなる５０％の損失を被る。半分は、リフレクタ３０を通過し、半分は、これを通過する。したがって、キャビティのさらなる往復は、光は、直交するＳＯＰに変換され、それは、反射型偏光子３４によって効率的に透過される。この光は、その後に、クリーンアップ偏光子３６を通過し得る。したがって、従来技術のＷＡＣレンズは、２５％の最大効率を有することがあり、（よく見ても）残りの７５％は、システム内の偏光子によって吸収される。この光の一部は、像のコントラストおよび全体品質を劣化させる迷光およびゴーストに寄与し得る。キャビティのさらなる往復は、キャビティを通る再循環と呼ばれ得る。

【0023】

図４Ａは、本明細書において開示するような高効率拡大鏡（またはＷＡＣ）４６を介して、観察者４２が電子ディスプレイ４４を観る、光学システム４０を示す。示される拡大鏡は、共有の中央の部分リフレクタを有する、一対の光キャビティを有する。この例に示される外部光学素子は、同一に形成される凹状反射型偏光子である。この例では、前述のような「ゴーストバスター」（ＧＢ）円偏光子ととともに、像源として示される。ゴーストバスターは、吸収軸が図の平面に対して垂直である偏光子Ｐ１に対して、±π／４で方向付けられる光軸を有する広帯域１／４波長位相子（ＱＷ１）を含む。ＧＢは、ディスプレイから反射する、環境からの任意の後方進行光を消滅させる。なお、ディスプレイは、代替的に、液晶ディスプレイであり得る。

【0024】

説明の目的のため、構成要素は、ゼロ挿入損失を有すると仮定する。反射型偏光子４８（ＷＧＰ１）は、図の平面内で偏光する、ディスプレイからの光をキャビティ１内に透過する。この例での広帯域１／４波長位相子５０（ＱＷ２）は、この偏光を左旋円に変換する。理想的な５０：５０の部分リフレクタ５２は、入射光の半分を透過する（経路１）。その他の５０％（経路２）は、部分リフレクタから反射し、右旋円に変換される。以下の段落は、光学システムの２つの「信号路」を辿る。

【0025】

経路１は、キャビティ２内に、部分リフレクタ５２によって透過される５０％である。この例での１／４波長位相子５４（ＱＷ３）は、ＱＷ２の低速軸に対して垂直である低速軸を有するので、ＱＷ３の第１のパス後に、元の直線ＳＯＰが回復される。反射型偏光子５６は、図の平面内に反射軸を有するので、光は反射され、（この例において）凹状ミラーと関連付けられる光パワーを受け取る。ＱＷ３の第２のパス後、光は、再び左旋円となる。この光の半分（２５％）は、部分リフレクタから右旋円偏光で反射される。ＱＷ３の第３のパスの後、ＳＯＰは、図に対して垂直に偏光する直線である。この光は、キャビティ２を抜け、図の平面内に吸収軸を有する偏光子５８を通過し、経路１の２５％効率を与える。

【0026】

経路２は、（上述のような）部分リフレクタ５２によって最初に反射される５０％である。ＱＷ２の第２のパスは、ＳＯＰを、図に対して垂直に偏光する直線に変換する。この光は、偏光スプリッタ４８から反射し、（この例において）凹状ミラーと関連付けられる光パワーを受け取る。ＱＷ２の第３のパス後、ＳＯＰは、再び右旋円偏光となる。この光の半分（２５％）は、部分リフレクタ５２を通ってキャビティ２内に進む。ここから、経路２の光は、観察者に対する経路１の光を辿る。偏光スプリッタの幾何学的形状がよく一致している場合、観察者は、経路１および経路２の重ね合わせを表す画像光を受け取り、よって、効率は、単一キャビティシステムの効率の２倍となる。

【0027】

２つの信号路に加えて、部分リフレクタは、図４Ｂにおいて描かれる、一対の等振幅ゴーストを生じさせる。経路３の光は、部分リフレクタ５２によって二回透過されるので、それは、キャビティ１およびキャビティ２を二回通過する。そのため、２５％は、元のＳＯＰへ戻され、偏光スプリッタ４８を通過してディスプレイアセンブリ内に進む。この構成では、ディスプレイからの鏡面戻り（specular return）は、ＧＢによって消滅する。この経路は、偏光スプリッタ５６と関連付けられる光パワーを受け取る。

【0028】

経路４の光は、部分リフレクタ５２により、二度反射され、したがって、二往復の間、キャビティ１内に留まる。経路３の場合と同様に、２５％が、元のＳＯＰへ戻され、偏光スプリッタ４８を通過してディスプレイアセンブリ内に進む。この経路は、偏光スプリッタ４８と関連付けられる光パワーを受け取る。

【0029】

信号光およびゴースト光が、名目上同じ振幅で拡大鏡アセンブリを出るものと仮定すると、信号対ゴーストのコントラストは、２つの要因、すなわち、後方進行光の消滅によるディスプレイアセンブリの効果、およびディスプレイアセンブリによって消滅しない残留前方進行ゴースト光と関連付けられる、さらなる損失によって影響され得る。後者は、図の平面において偏光してキャビティ１に入ることがあり、したがって、観察者への信号路を辿り得る。挿入損失がない状態で、これは、ゴーストが、観察者に到達するために、さらなる５０％損失を最小限に受け取ることを意味する。

【0030】

図５Ａ～５Ｄは、偏光スイッチングに基づく、再構成可能な拡大鏡の例を示す。ここでもまた、拡大鏡は、一対のキャビティを含む。この例では、外部の偏光非感受性の部分リフレクタと、共有の中央の偏光スプリッタとが存在している。部分リフレクタおよび偏光スプリッタはともに、任意の幾何学的形状（または局所面法線分布）を有し得る。偏光スイッチングアセンブリは、拡大鏡アセンブリのいずれの側にも対称に配置される。そのため、入力側のスイッチは、拡大鏡アセンブリを通って信号光が取る経路を決定することが可能であり、出力側のスイッチは、観察者への透過のために、どの信号成分が選択されるかを決定することが可能である。一対の広帯域（たとえば、液晶）デジタル式スイッチを使用して、入力直線ＳＯＰは、不変状態であるままにされるか、または、直交するＳＯＰに切り替えられ、合計で４つの別個の信号路が付与され得る。以下の段落は、観察者への透過のために選択され得る４つの出力信号経路を辿る。

【0031】

この例の光学システム６０は、ディスプレイアセンブリ６４と、一対のデジタル偏光スイッチ６８および７０と、共有の中央の偏光スプリッタ７６を有する一対の二重パスキャビティとを含む。観察者６２は、再構成可能な拡大鏡アセンブリ６６を介して、ディスプレイ６４から画像光を受け取る。キャビティ１は、部分リフレクタ７２および偏光スプリッタ７６によって形成され、キャビティ２は、偏光スプリッタ７６および部分リフレクタ８０によって形成される。観察者への透過のために選択される具体的な信号路は、入力偏光スイッチ６８および出力偏光スイッチ７０の論理状態によって決定され得る。この例では、偏光スイッチは、直線偏光子と、入力を不変状態であるままにするか、または直交する直線ＳＯＰに、すべての関連する波長を切り換えることが可能な広帯域スイッチと、直線ＳＯＰから円ＳＯＰに、すべての関連する波長を変換することが可能な広帯域ＱＷ位相子とを含む。偏光スイッチ素子は、全体として、広帯域円偏光「利き手スイッチ」（ＨＳ）として機能し得る。

【0032】

同じ４つの出力を生成する光学的構成要素の相対的な方位について、多くの配置が存在するので、以下は、そうした配置の一例を示す。入力利き手スイッチ（ＨＳ１）および出力利き手（ＨＳ２）は、ミラー配置で示される。直線偏光スイッチ（ＳＷ１）のゼロ位相差状態では、１／４波長位相子（ＱＷ１）は、直線偏光子１からの光を左旋円に変換する。ＳＷ１の半波長位相差状態では、ＱＷ１は、右旋円偏光を透過する。同様に、直線偏光スイッチＳＷ２のゼロ位相差状態では、１／４波長位相子（ＱＷ４）は、左旋円偏光を、偏光子２の吸収軸に直交する直線偏光に変換する。ＳＷ２の半波長位相差状態では、ＱＷ４は、右旋円偏光を、偏光子２の吸収軸に直交する直線偏光に変換する。

【0033】

図５Ａは、観察者への最も直接的な経路であるか、または「単一パス」経路を示す。この出力は、複数の部分リフレクタのいずれからも反射されないので、反射パワーを受け取らないことがある。したがって、いずれの光パワーも、すべての出力状態に共通し得る、光路内に任意に配置される、（図示しない）屈折素子からのものであることがある。前述と同様に、説明の目的のため、効率は、理想的であるとし、構成要素の挿入損失を無視している。入力利き手スイッチ（ＨＳ１）６８のゼロ位相差状態では、光は、５０％効率で部分リフレクタ７２によって透過される。（図示しない）部分リフレクタ７２によって反射される右旋円の光は、ディスプレイアセンブリへ戻される。この光は、好ましくは、不要なゴースト像を回避するためのいかなる手段によっても消滅させ得る。この例では、１／４波長位相子７４（ＱＷ２）は、符号６８が左旋円を透過すると、図の平面内に偏光する光が透過されるように、ＱＷ１に対して方向付けされる。偏光スプリッタ７６は、図の平面内に偏光する光を透過するように方向付けされる。第３の１／４波長位相子７８（ＱＷ３）は、光軸がＱＷ２の光軸と交差した状態で方向付けされるので、元の左旋円ＳＯＰが回復される。この光の半分（２５％）は、部分リフレクタ８０によって透過される。第２の利き手スイッチ（ＨＳ２）７０のゼロ位相差状態では、左旋円偏光が透過のために選択され、これは、図の平面内に偏光する光に変換されて観察者に与えられる。

【0034】

図５Ｂは、キャビティ１のさらなる往復を行う信号路を示す。ＨＳ１が半波長位相差状態にあると、右旋円（ＲＨＣ）が透過され、ＱＷ２は、ＳＯＰを、図に垂直に方向付けられる直線に変換する。この光は、偏光スプリッタ７６によって反射され、ＱＷ２ ７４を通る第２のパスの後に、ＲＨＣに変換される。この光の半分（２５％）は、ＬＨＣとして部分リフレクタ７２によって反射され、Ｒ１と関連付けられる光パワーを受け取る。それはまた、キャビティ１の往復と関連付けられる、さらなる光路長を受け取り得る。ＱＷ２を通る第３のパスの後、光は、図の平面内に偏光し、偏光スプリッタ７６によって透過される。これは、ＱＷ３ ７８によってＬＨＣに変換され、この光の半分（１２．５％）は、部分リフレクタ８０によって透過される。前述と同様に、ＨＳ２がゼロ位相差状態では、受光するＬＨＣは、観察者の平面内に偏光する光への変換により、観察者への透過のために選択される。

【0035】

図５Ｃは、キャビティ２の二重パスを行う信号路を示す。ＨＳ１がゼロ位相差状態であると、左旋円（ＬＨＣ）が透過され、ＱＷ２は、ＳＯＰを、図の平面内に方向付けられる直線に変換する。この光は、偏光スプリッタ７６によって透過され、ＱＷ３によってＬＨＣに変換される。この光の半分（２５％）は、ＲＨＣとして部分リフレクタ８０によって反射され、Ｒ２と関連付けられる光パワーを受け取る。ＱＷ３の第２のパスの後、ＳＯＰは、図に垂直に方向付けられる直線となる。この光は、偏光スプリッタ７６によって反射される。ＱＷの第３のパスの後、ＳＯＰは、再びＲＨＣとなり、この光の半分（１２．５％）は、部分リフレクタ８０によって透過される。半波長状態では、スイッチ７０は、図の平面内に偏光する光に変換することにより、観察者に向かうＲＨＣ光を通過させる。

【0036】

図５Ｄは、キャビティ１およびキャビティ２の両方の二重パスを行う信号路を示す。それは、図５Ｂおよび５Ｃの信号路に従うため、詳細な光跡は繰り返さない。この場合、ＨＳ１は、キャビティ１のさらなる往復を付与するために、半波長状態にあり、ＨＳ２は、続けてキャビティ２のさらなる往復を辿るように選択するために、半波長状態にある。それぞれのさらなる往復は、さらなる５０％損失を生じるので、この経路の全体効率は、６．３％となり得る。

【0037】

上述した同じ４つの信号路を生成する、偏光子と、ＱＷ位相子と、偏光スイッチと、偏光スプリッタとの方位について多くの配置が存在する。図５に示される例は、そうした多くの構成の１つに過ぎない。さらに、平面状、凹状、凸状などを含む、偏光スプリッタを含む反射型素子の幾何学的形状は、任意である。単一パス状態において光パワーを偏光させるために、レンズによる屈折力が導入され得る。屈折力は、４つの有用な光パワー状態を生成するために、反射により導入されるものと連携して作用し得る。図５Ａ～５Ｄの配置はまた、４つの別個の光路長を作製するために使用され得る。

【0038】

一構成では、偏光スプリッタは、キャビティ１を横切る光に対しては凹状リフレクタとして見え、キャビティ２を横切る光に対しては、凸状リフレクタとして見えるような複合曲率を有する。曲面偏光スプリッタが３つの出力状態を分離することが可能であるということは、特に興味深い。すなわち、それは、キャビティ１およびキャビティ２に反対符号であるパワーを導入することが可能であり、それは、キャビティ１およびキャビティ２の両方を横切る状態内に実行パワー（net power）を実質的に導入しない場合がある。表２は、そうした構成の例を示す。

【0039】

【表2】

【0040】

図５に示されるような光キャビティの単一パス透過率は、５０％であることがあり、キャビティ１およびキャビティ２の両方でのさらなる往復に対応する状態は、６．３％に過ぎないことがある。一構成によれば、全体スループットは、光学システムの各状態に対する開口絞りと関連付けられ得る損失を考慮に入れることにより、ある程度、バランスがとられ得る。具体的には、最も劣悪な集光を有する最小開口状態を、レンズの最高効率状態（２５％）と一致するように選択し得る。逆に、最も良好な集光を有し得る最大開口状態を、レンズの最低効率状態（６．３％）と一致するように選択し得る。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【国際調査報告】