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(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】2023-05-15
(54)【発明の名称】二次元拡大型導光光学素子を含む光学システム
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20230508BHJP
G02B 6/00 20060101ALI20230508BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B6/00 301
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022547791
(86)(22)【出願日】2021-04-05
(85)【翻訳文提出日】2022-08-04
(86)【国際出願番号】 IL2021050382
(87)【国際公開番号】W WO2021205439
(87)【国際公開日】2021-10-14
(31)【優先権主張番号】63/005,369
(32)【優先日】2020-04-05
(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】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】ヨチェイ・ダンジガー
(72)【発明者】
【氏名】エラド・シャーリン
【テーマコード（参考）】
2H038
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H038BA06
2H199CA24
2H199CA34
2H199CA47
2H199CA50
2H199CA54
2H199CA67
2H199CA86
(57)【要約】
光学システムは、画像プロジェクタからのコリメート画像を、導光光学素子（ＬＯＥ）内で第１および第２の方向に伝搬させ、その後、対応する部分反射内面の第１および第２のセットによって反射させるために、外部結合光学配置に向ける、少なくとも２つの反射器を有する画像方向転換配置を含む。第１の方向に伝搬するコリメート画像の右側に隣接する視野（ＦＯＶ）の一部は、部分反射内面のセットのうちの１つの平面、または主要外面に平行な平面と交差し、それによってユーザの目に到達しない視野の領域内で、コリメート画像の一部の自己重複が形成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ユーザの目で見るために眼球運動ボックスに画像を向けるための光学システムであって、（ａ）左側から右側まで、および上部から下部までの視野角、ならびに伝搬の方向を示す前記視野に対して中央にある主光線を有するコリメート画像に対応する照明を投影する画像プロジェクタと、
（ｂ）透明な材料から形成され、第１および第２の相互に平行な主要外面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）と、
（ｃ）前記コリメート画像が前記ＬＯＥ内で内部反射によって第１の方向に伝搬するように、前記ＬＯＥ内で前記第１の方向に照明の一部を方向転換するように配備された少なくとも第１の反射体、および前記コリメート画像が前記ＬＯＥ内で内部反射によって第２の方向に伝搬するように、前記ＬＯＥ内で照明の一部を前記第２の方向に方向転換するように配備された少なくとも第２の反射体を備える画像方向転換配置と、
（ｄ）前記ＬＯＥに関連付けられ、前記ＬＯＥ内で伝搬する照明を前記眼球運動ボックスに向かって外方に偏向するように構成された外部結合光学配置と、
（ｅ）前記ＬＯＥ内の部分反射内面の複数のセットであって、前記複数のセットが、前記第１の方向に伝搬する前記照明を前記外部結合光学配置に向かって方向転換するために配備された相互に平行な部分反射内面の第１のセット、および前記第２の方向に伝搬する照明を前記外部結合光学配置に向かって方向転換するために部分反射内面の前記第１のセットに非平行に配備された相互に平行な部分反射内面の第２のセットを含む、部分反射内面の複数のセットと、を備え、
前記第１の方向に方向転換され、前記部分反射内面の第１のセットによって方向転換された前記照明の前記部分が、前記眼球運動ボックスに前記視野の少なくとも左側を提供し、前記第１の方向に伝搬する前記コリメート画像の前記右側に隣接する前記視野の一部が、前記部分反射内面のセットのうちの１つの平面または前記主要外面に平行な平面と交差し、それによって、前記眼球運動ボックスに到達しない前記視野の領域に、前記コリメート画像の一部の自己重複が形成される、光学システム。
【請求項2】
前記第２の方向に方向転換され、かつ前記部分反射内面の第２のセットによって方向転換された前記照明の前記一部が、前記視野の少なくとも右側を前記眼球運動ボックスに提供し、前記第２の方向に伝搬する前記コリメート画像の前記左側に隣接する前記視野の一部が、前記部分反射内面のセットのうちの１つの平面または前記主要外面に平行な平面と交差し、それによって、前記眼球運動ボックスに到達しない前記視野の領域内の前記コリメート画像の一部の自己重複が形成される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項3】
前記画像方向転換配置が、前記第１の反射器および前記第２の反射器を提供する前記ＬＯＥの外部の反射プリズムを備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項4】
第１の反射器が、前記ＬＯＥの内部であり、前記部分反射内面の第１のセットに平行である反射面であり、前記第２の反射器が、前記ＬＯＥの内部であり、前記部分反射内面の第２のセットに平行である反射面である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項5】
前記部分反射内面の第１のセットおよび前記部分反射内面の第２のセットが、前記ＬＯＥの少なくとも１つの領域内で重複関係にある、請求項１に記載の光学システム。
【請求項6】
前記部分反射内面の第１のセットおよび前記部分反射内面の第２のセットが各々、前記ＬＯＥの前記主要外面に対して斜角である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項7】
前記第１の方向に伝播する前記コリメート画像の前記右側に隣接する前記視野の一部が、前記部分反射内面の第２のセットの平面と交差する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項8】
前記第１の方向に伝播する前記コリメート画像の前記右側に隣接する前記視野の一部が、前記主要外面に平行な前記平面と交差する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項9】
前記外部結合光学配置が、前記第１のセットおよび前記第２のセットの両方に非平行な相互に平行な部分反射内面の第３のセットを備え、前記相互に平行な部分反射内面の第３のセットが、前記ＬＯＥの前記主要外面に対して斜角である、請求項１に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学システムに関するものであり、具体的には、光学的開口拡大を達成するための導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
多くのニアアイ表示システムは、ユーザの眼の前に配置された透明な導光光学素子（ＬＯＥ）または「導波路」を含み、これは、内部反射によってＬＯＥ内で画像を伝達し、次いで、好適な出力結合メカニズムによってユーザの眼に向けて画像を外部結合する。出力結合メカニズムは、埋め込み型部分反射器または「ファセット」に基づいてもよく、または回折素子を使用してもよい。以下の説明は、主にファセットベースの外部結合構成に言及する。
【0003】
画像プロジェクタの光学的開口の二次元拡大を達成するための様々なＬＯＥ構成は、米国特許第１０，５５１，５４４号およびＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０２０／０４９５４２Ａ１号に開示されており、両方とも本出願とともに譲渡されている。これらの例では、部分反射ファセットの第１のセットは、ＬＯＥに注入された画像を第１の方向から第２の方向へ方向転換するように徐々に反射し、一方で開口拡大の第１の寸法を達成し、部分反射ファセットの第２のセットは、方向転換された画像を徐々に外部結合し、一方で開口拡大の第２の寸法を達成する。
【0004】
このような構成を大きな視野で実装する場合、ＬＯＥ内を伝播する画像のすべての光線が、臨界角よりも大きい入射角でＬＯＥの主要面に衝突しなければならないという要件によって、使用可能な角度の範囲が一端で制限される。他端において、ＬＯＥ内の画像の画角がＬＯＥの中心平面と交差する場合、画像の特定の光線は、共役画像の光線として重複し（すなわち、同じ方向になり）、画像のその部分の破損をもたらす。ファセットの平面と交差する画像フィールドの任意の部分が、画像の隣接領域上への反射によって破損されるため、ＬＯＥ内の部分反射面（「ファセット」）の平面によって追加の制限が課される。これらの検討事項は、二次元開口拡大のためのＬＯＥの設計を複雑にし、表示可能な画像の画角に制限を課す。
【発明の概要】
【0005】
本発明は、ユーザの目で見るために画像照明を眼球運動ボックスに向けるための光学システムである。
【0006】
本発明の実施形態の教示によれば、ユーザの目で見るために眼球運動ボックスに画像を向けるための光学システムであって、（ａ）左側から右側まで、および上部から下部までの視野角、および伝搬の方向を示す視野に対して中央にある主光線を有するコリメート画像に対応する照明を投影する画像プロジェクタと、（ｂ）透明な材料から形成され、第１および第２の相互に平行な主要外面を有する導光光学素子（ＬＯＥ）と、（ｃ）コリメート画像がＬＯＥ内で内部反射によって第１の方向に伝搬するように、ＬＯＥ内で第１の方向に照明の一部を方向転換するように配備された少なくとも第１の反射体、およびコリメート画像がＬＯＥ内で内部反射によって第２の方向に伝搬するように、ＬＯＥ内で照明の一部を第２の方向に方向転換するように配備された少なくとも第２の反射体を備える画像方向転換配置と、（ｄ）ＬＯＥに関連付けられ、ＬＯＥ内で伝搬する照明を眼球運動ボックスに向かって外方に偏向するために構成された外部結合光学配置と、（ｅ）ＬＯＥ内の部分反射内面の複数のセットであって、複数のセットが、第１の方向に伝搬する照明を外部結合光学配置に向かって方向転換するために配備された相互に平行な部分反射内面の第１のセット、および第２の方向に伝搬する照明を外部結合光学配置に向かって方向転換するために部分反射内面の第１のセットに非平行に配備された相互に平行な部分反射内面の第２のセットを含む、部分反射内面の複数のセットと、を備え、第１の方向に方向転換され、部分反射内面の第１のセットによって方向転換された照明の部分は、眼球運動ボックスに視野の少なくとも左側を提供し、第１の方向に伝搬するコリメート画像の右側に隣接する視野の一部は、部分反射内面のセットのうちの１つの平面または主要外面に平行な平面と交差し、それによって、眼球運動ボックスに到達しない視野の領域に、コリメート画像の一部の自己重複が形成される、光学システムが提供される。
【0007】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第２の方向に方向転換され、かつ部分反射内面の第２のセットによって方向転換された照明の一部は、視野の少なくとも右側を眼球運動ボックスに提供し、第２の方向に伝搬するコリメート画像の左側に隣接する視野の一部は、部分反射内面のセットのうちの１つの平面または主要外面に平行な平面と交差し、それによって、眼球運動ボックスに到達しない視野の領域内のコリメート画像の一部の自己重複を形成する。
【0008】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、画像方向転換配置は、第１の反射器および第２の反射器を提供する、ＬＯＥの外部である反射プリズムを備える。
【0009】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の反射器は、ＬＯＥの内部であり、部分反射内面の第１のセットに平行である反射面であり、第２の反射器は、ＬＯＥの内部であり、部分反射内面の第２のセットに平行である反射面である。
【0010】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射内面の第１のセットおよび部分反射内面の第２のセットは、ＬＯＥの少なくとも１つの領域内で重複関係にある。
【0011】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射内面の第１のセットおよび部分反射内面の第２のセットは各々、ＬＯＥの主要外面に対して斜角である。
【0012】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の方向に伝播するコリメート画像の右側に隣接する視野の一部は、部分反射内面の第２のセットの平面と交差する。
【0013】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、第１の方向に伝播するコリメート画像の右側に隣接する視野の一部は、主要外面に平行な平面と交差する。
【0014】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、外部結合光学配置は、第１のセットおよび第２のセットの両方に非平行な相互に平行な部分反射内面の第３のセットを備え、相互に平行な部分反射内面の第３のセットは、ＬＯＥの主要外面に対して斜角である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
発明を、添付の図面を参照して、実施例としてのみ本明細書に記載する。
【図1A】導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装され、本発明の第１の態様の教示に従って構築され、動作可能であり、それぞれトップダウン構成および側注構成を示す光学システムの概略等角図である。
【図1B】導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装され、本発明の第１の態様の教示に従って構築され、動作可能であり、それぞれトップダウン構成および側注構成を示す光学システムの概略等角図である。
【図2A】ユーザの目によって観察される画像の視野（ＦＯＶ）を例示する概略等角図である。
【図2B】ＦＯＶの左端および右端が眼球運動ボックス（ＥＭＢ）に提供される、ＬＯＥの領域を例示する概略上面図である。
【図3A】視野の右側（図の上部）および左側（図の下部）を提供する代替光路の反射のシーケンスを例示する、角度空間の概略図のシーケンスである。
【図3B(1)】それぞれ、ＬＯＥの右側および左側からの投影像の高品質部分および破損部分の概略上面図であり、投影像の高品質部分のみがＥＭＢに到達する。
【図3B(2)】それぞれ、ＬＯＥの右側および左側からの投影像の高品質部分および破損部分の概略上面図であり、投影像の高品質部分のみがＥＭＢに到達する。
【図6】本発明の実施形態の教示による、ＬＯＥの３つの代替実施態様のためのそれぞれの構成要素および組み立てられた構造全体の概略表現である。
【図7】本発明の実施形態の教示による、ＬＯＥの３つの代替実施態様のためのそれぞれの構成要素および組み立てられた構造全体の概略表現である。
【図8】本発明の実施形態の教示による、ＬＯＥの３つの代替実施態様のためのそれぞれの構成要素および組み立てられた構造全体の概略表現である。
【図9】本発明の実施態様のための部分反射内面（ファセット）に対する反射率の角度依存性を例示し、ＬＯＥ内に伝播する様々な画像の角度範囲も例示するグラフである。
【図13A】ＬＯＥの主要外面に垂直な部分反射内面の第１のセットおよび第２のセットを採用した、本発明のさらなる実施態様の概略角度表現である。
【0016】
好ましい実施形態の説明
本発明は、ユーザの目で見るために画像照明を眼球運動ボックスに向けるための光学システムである。
本発明は、ユーザの目で見るために画像照明を眼球運動ボックスに向けるための光学システムである。
【0017】
本発明による光学システムの原理および動作は、図面および添付の説明を参照することによってより良く理解することができる。
【0018】
前置きとして、本発明の特定の態様は、導光光学素子（ＬＯＥ）を介して、画像照明をユーザの目で見るための眼球運動ボックス（ＥＭＢ）に向けるための光学システムに関する。光学システムは、仮想現実ディスプレイまたはより好ましくは拡張現実ディスプレイであってもよい、ヘッドアップディスプレイ、最も好ましくはニアアイディスプレイの目的のために、光学的開口拡大を提供する。光学システムは、好ましくは、入力光学開口の２段階の拡大を提供し、第１の拡大は、相互に平行な部分反射面（「ファセット」）の２つの別個のセットを使用して達成され、各セットは、目に提示される全体的な視野（ＦＯＶ）の（同一ではないが、好ましくは、重複している）異なる部分を渡す。
【0019】
典型的ではあるが、限定されない実施形態（図１Ａおよび図１Ｂ）では、光学システムは、ＬＯＥに統合されているファセットの２つのセットに画像照明を提供する単一の画像プロジェクタ（「ＰＯＤ」）を採用する。一般論として、図１Ａおよび図１Ｂは、少なくとも１つの内部結合領域内へ注入された画像照明を、ユーザの目によって見るために眼球運動ボックスへ向けるための光学システムを示す。光学システムは、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）１１２を含み、第１の配向を有する平面の相互に平行な部分反射面（「ファセット」）の第１のセット、および第１の配向に対して非平行な第２の配向を有する平面の相互に平行な部分反射面（「ファセット」）の第２のセットを包含する第１の領域１１６を含む。（ファセットは、図１Ａおよび図１Ｂには見えないが、以下の図面に概略的に例示される。）ＬＯＥはまた、第１の配向および第２の配向の各々に非平行な第３の配向を有する、平面の相互に平行な部分反射面（または「ファセット」、また、「外部結合面」とも称される）の第３のセットを包含する第２の領域１１８を含む。ＬＯＥは、部分反射面の第１、第２、および第３のセットがすべて主要外面の間に位置するように、第１および第２の領域にわたって延在する相互に平行な主要外面のセットによって境界付けられる。
【0020】
部分反射面の第３のセットは、第１の領域から第２の領域への主要外面での内部反射によってＬＯＥ内を伝搬する画像照明の一部が、ＬＯＥからユーザの目で見るための眼球運動ボックスに向かって外部結合されるように、主要外面に対して斜角にある。あるいは、ファセットの第３のセットの代わりに、回折光学素子を第２の領域１１８で使用して、画像照明を眼球運動ボックスに向けて漸進的に外部結合することができる。同様に、内部反射によって第１の領域１１６内を伝搬するように、画像照明をプロジェクタ１１４からＬＯＥ内に結合するために、回折光学素子を使用することができる。
【0021】
部分反射面の第１および第２のセットの各々は、少なくとも１つの内部結合領域からの主要外面での内部反射によってＬＯＥ内を伝搬する画像照明の一部が第２の領域に向かって偏向されるように、配向される。
【0022】
最も好ましくは、ファセットの第１および第２のセットの各々は、視野全体の別個の部分の開口拡大を考慮する。具体的には、部分反射面の第１のセットが、好ましくは、画像の視野の第１の部分を第２の領域に向かって偏向させ、部分反射面の第２のセットは、画像の視野の第２の部分を第２の領域に向かって偏向させ、視野の第１および第２の部分が組み合わさり、ＦＯＶの第１および第２の部分の各々よりも大きい連続的な組み合わされた視野を提供する。ＦＯＶの２つの部分は、好ましくは、ＦＯＶ全体の２つの側面（左右または上下であるが、任意で「左」および「右」と以下に称する）にほぼ対応するが、中心視野が眼球運動ボックスにわたって完全かつ連続的に広がることを確実にするために、中心領域が十分に重なるように、ディスプレイが設計されている観察者の瞳孔の許容可能な位置範囲に対応する。
【0023】
本発明の例示的な実装形態は、ＬＯＥ１１２を採用する、概して１１０と示されるニアアイディスプレイの形態を想定している。コンパクトな画像プロジェクタ（または「ＰＯＤ」）１１４は、画像をＬＯＥ１１２（「導波路」、「基板」、または「スラブ」と、同じ意味で称される）内に注入するように、光学的に結合され、ＬＯＥ１１２内で、画像光は、平面の主要外面での内部反射によって一次元に捕捉される。光は、部分反射面の第１のセットおよび第２のセット（言い換えれば、「ファセット」と称される）に衝突し、ファセットの各セットは、画像光の伝搬方向に対して斜めに傾斜し、連続する各ファセットは、画像光の一部分を偏向方向へ偏向させ、基板内の内部反射によって捕捉／誘導される。これらのファセットの第１および第２のセットは、図１Ａ～図１Ｂには個別に例示されていないが、１１６と示されるＬＯＥの第１の領域に位置する。この連続ファセットにおける部分反射は、第１の次元の光学的開口拡大を達成する。
【0024】
領域１１６に位置する部分反射面の第１および第２のセットは、基板内の全反射（ＴＩＲ）によって捕捉された第１の伝搬方向から、同じく基板内のＴＩＲによって捕捉された第２の伝搬方向に画像照明を偏向させる。この連続ファセットにおける部分反射は、第１の次元の光学的開口拡大を達成する。
【0025】
次いで、偏向された画像照明は、隣接する別個の基板として、または単一の基板の延長部として実装され得る第２の基板領域１１８に入り、その中では、外部結合光学配置（部分反射ファセットまたは回折光学素子のいずれかのさらなるセット）が、眼球運動ボックス（ＥＭＢ）として画定される領域内に位置する観察者の眼に向かって、ある割合の画像照明を次第に外部結合し、それによって、光学的開口拡大の第２の寸法が達成される。デバイス全体は、各眼に対して別々に実装されてもよく、好ましくは、各ＬＯＥ１２がユーザの対応する眼に対向する状態で、ユーザの頭部に対して支持される。ここに示されたような１つの特に好ましい選択肢では、支持構成は、ユーザの耳に対してデバイスを支持するための側部１２０を有する眼鏡フレームとして実装される。ヘッドバンド、サンバイザ、またはヘルメットから吊り下げられたデバイスを含むがそれらに限定されない、他の形態の支持構成も使用され得る。
【0026】
本明細書では、図面および特許請求の範囲において、ＬＯＥの第１の領域の一般的な延伸方向において水平（図１Ａ）または垂直（図１Ｂ）に延伸するＸ軸、およびそれに垂直に、すなわち図１Ａでは垂直に、図１Ｂでは水平に、延伸するＹ軸が参照される。
【0027】
非常に大まかに言えば、ＬＯＥ１１２の第１の領域１１６は、Ｘ方向の開口拡大を達成すると見なされ得、一方で、第２のＬＯＥ、またはＬＯＥ１１２の第２の領域１１８は、Ｙ方向の開口拡大を達成する。視野の異なる部分が伝搬する角方向の広がりの詳細については、以下でより正確に説明する。図１Ａに示されたような配向は、ＬＯＥの主部（第２の領域）に入る画像照明が上縁部から入る「トップダウン」実装態様と見なされ得、図１Ｂに示された配向は、ここではＹ軸と称される軸が水平に展開されている、「側注」実装態様と見なされ得ることに留意されたい。残りの図面では、本発明の特定の実施形態の様々な特徴は、図１Ａと同様の「トップダウン」方向のコンテクストで示される。しかしながら、これらの特徴のすべては、側注実装態様にも等しく適用可能であり、それもまた発明の範囲内にあることが理解されるべきである。特定の場合では、他の中間配向も適用可能であり、明示的に除外される場合を除き、本発明の範囲内に含まれる。プレゼンテーションの簡潔さおよび明確さのために、別個のファセットの第１および第２のセットによって提供される表示画像の２つの側面は、以下で、Ｘ方向の端部に対応して「左」および「右」と称されるが、上述のように、「左」および「右」は、デバイスの最終的な配備配向における水平分離に必ずしも対応しない。
【0028】
本発明の好ましいが非限定的な実施例の第１のセットでは、前述のファセットの第１および第２のセットは、基板の主要外面に直交している。この場合、注入画像と、領域１１６内を伝搬するときに内部反射を受けるその共役体との両方が、偏向され、偏向方向に伝搬する共役画像となる。好ましいが非限定的な例の代替セットでは、部分反射面の第１および第２のセットは、ＬＯＥの主要外面に対して斜めに角度付けられている。後者の場合、注入画像またはその共役体のいずれかが、ＬＯＥ内を伝搬する所望の偏向画像を形成し、一方で、他の反射は、例えば、反射が必要とされない画像によって提示される入射角範囲に対してそれらを比較的透明にする角度選択的コーティングをファセットに採用することによって、最小化され得る。
【0029】
本発明のデバイスで採用されるＰＯＤは、好ましくは、コリメート画像、すなわち、各画像画素の光が、画素位置に対応する角方向で、無限遠にコリメートされた平行ビームである画像を生成するように構成される。したがって、画像照明は、二次元の視野角に対応する角範囲に及ぶ。この画角は、図２Ａに概略的に表され、ここでは、ユーザの目は、左側「Ｌ」から右側「Ｒ」、および上縁「Ｔ」から下縁「Ｂ」に延在する視野、この場合は矩形を観察する。代表的な伝搬方向は、主光線「Ｃ」に対応する中心方向とみなされる。
【0030】
画像プロジェクタ１１４は、典型的にはＬＣＯＳチップなどの空間光変調器を照明するために配備された、少なくとも１つの光源を含む。空間光変調器は、画像の各画素の投影強度を変調し、それによって、画像を生成する。あるいは、画像プロジェクタは、レーザ光源からの照明をプロジェクタの画像平面にわたって走査しながら、ビームの強度を画素ごとに運動と同期して変化させ、それによって各ピクセルに対して所望の強度を投影する、典型的には１つ以上の高速走査ミラーを用いて実装される走査配置を含み得る。どちらの場合も、無限遠にコリメートされる出力投影画像を生成するために、コリメート光学システムが設けられる。上記構成要素のいくつかまたはすべては、典型的には、当技術分野で周知であるように、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブまたは他のプリズム構成の表面上に配置される。
【0031】
ＬＯＥ１１２への画像プロジェクタ１１４の光学結合は、例えば、斜角の付いた入力面を有する結合プリズムを介して、または反射結合配置を介して、ＬＯＥの側縁および／または主要外面の１つを介するなどして、任意の好適な光学結合によって達成されてもよい。あるいは、画像を基板内に結合するために、回折光学素子（ＤＯＥ）を使用することができる。内部結合構成の詳細は、以下の特定の実施例で指定される以外は、典型的には本発明にとって重要ではなく、それ以外はここでは概略的にしか示されていない。
【0032】
ニアアイディスプレイ１１０は、典型的には小さな搭載電池（図示せず）または何らかの他の好適な電源からの電力を採用して、典型的には画像プロジェクタ１１４を作動させるためのコントローラ１２２を含む、様々な追加の構成要素を含むことが理解されよう。コントローラ１２２は、当技術分野ですべて周知であるように、画像プロジェクタを駆動するための少なくとも１つのプロセッサまたは処理回路などのすべての必要な電子部品を含むことが理解されよう。
【0033】
ここで図２Ｂの上面図を参照すると、ＥＭＢ４に到達する投影画像の右端は、「Ａ」で示されるＬＯＥ２の領域から生じるが、ＥＭＢ４に到達する投影画像の左端は、ＬＯＥの領域「Ｂ」から生じることに留意されたい。ＥＭＢは、光学システムが画像の全ＦＯＶを提供するために必要な目の位置の範囲を示す。本発明の態様は、この観察を利用して、ＥＭＢ４に到達せず、したがって、ユーザによって観察される画像の品質に影響を与えない、図２Ｃにおいて６とラベル付けされたような領域における投影画像の部分的破損を許容する。
【0034】
したがって、本発明の一態様によれば、プロジェクタ１１４からの画像が、部分反射面の第１および／または第２のセットに向かって方向転換される方法に、特定の意義がある。具体的には、本発明のこの態様によれば、光学システムは、コリメート画像が、ＬＯＥ内の内部反射によって第１の方向で部分反射内面の第１のセットに向かって伝搬するように、ＬＯＥ内で第１の方向に画像照明の一部を方向転換するように配備された少なくとも第１の反射器、およびコリメート画像が、ＬＯＥ内で内部反射によって第２の方向に部分反射内面の第２のセットに向かって伝搬するようにＬＯＥ内で第２の方向に照明の一部を方向転換するように配備された少なくとも第２の反射器を含む画像方向転換配置をさらに備える。第１の方向に伝搬するコリメート画像の右側に隣接する視野の一部は、部分反射内面のセットのうちの１つの平面、または主要外面に平行な平面と交差し、それによってコリメート画像の一部の自己重複が形成される。しかしながら、部分反射面の第１のセットは、画像の左側を眼球運動ボックスに提供するため、この自己重複により、眼球運動ボックスに到達しない視野の領域内の画像が破損する。
【0035】
好ましくは、視野の右側に対して、反対の配置が使用される。具体的には、第２の方向に伝搬するコリメート画像の左側に隣接する視野の一部は、部分反射内面のセットのうちの１つの平面、または主要外面に平行な平面と交差し、それによってコリメート画像の一部の自己重複が形成される。しかしながら、部分反射面の第２のセットは、画像の右側を眼球運動ボックスに提供するため、この自己重複により、眼球運動ボックスに到達しない視野の領域内の画像が破損する。方向転換配置の具体例、および眼球運動ボックスに到達しない画像の特定の領域への対応する影響を以下に提示する。
【0036】
ここで図３Ａ～図３Ｄを参照すると、これらは、本発明の非限定的な実施例による大型ＦＯＶの二次元開口拡大を概略的に示す。図３Ａは、角度空間におけるプロセスを例示し、一方で図３Ｂ（１）～図３Ｄは、実空間における等価プロセスを例示する。
【0037】
図３Ａの表現は、球面座標がデカルト座標で描写される角度空間の二次元直線表現に基づいている。この表現では、様々な歪みが導入され、異なる軸に沿った変位は非可換である（異なる軸を中とする回転の性質と同様）。それにもかかわらず、この形式の図が、説明を簡略化し、システム設計のための有用なツールを提供することが見出されている。円は、導波路の主要外面の臨界角（全内部反射－ＴＩＲの境界）を表す。したがって、円の外側の点は、ＴＩＲによって反射されるビームの角度方向を表し、一方で円の内側の点は、面を通過し、導波路から伝送されるビームを表す。円９は、導波路の前外面および後外面の臨界角度を表す。円の中心間の「距離」は、１８０度である。
【0038】
これらの図面は、連続した反射の後に光学システムを通して進行する画像照明の４つの連続した段階を示す。矩形画像１４を導波路に注入した後の初期状態を段階１０に示す。画像１４が円９の外側にあるため、その光線は、それが導波路の主要面における内部反射によって導波路に沿って伝搬するときに、ＴＩＲによって誘導される（したがって、２つの結合された矩形１４および１４′として提示される）。この画像の伝播は、図３Ｃ、段階１０に示される導波路１６の実空間記述において矢印として提示される。この文書全体を通して、実空間の伝搬方向は、基板の主要面に平行な伝搬方向の面内成分を基準として例示される。矢印は、導波路の前面および後面から反射する内部反射を通した伝搬を表し、概して、画像の主光線の面内成分を示すことが理解されよう。
【0039】
画像が導波路内を伝播すると、それは、それぞれ点線１８Ａおよび１８Ｂとして角度空間に記述されている、方向転換光学配置の第１および第２の反射器に遭遇する。これらのファセットは、角度空間における矩形１５Ａおよび１５Ｂで表されるように、画像の方向を変化させ、それらの各々は、ＬＯＥの主要外面における内部反射によって、それぞれ独自の共役画像１５Ａ′および１５Ｂ′を生成する。実際の空間（図３Ｃ、段階１１）では、方向転換された画像伝播方向は、横方向に伝播する矢印「Ａ」および「Ｂ」として表される。
【0040】
この非限定的な実施例では、第１の反射器は、ＬＯＥの内部であり、部分反射内面の第１のセットに平行である反射面であり、第２の反射器は、ＬＯＥの内部であり、部分反射内面の第２のセットに平行である反射面である。そのような構造がどのように実装され得るかの具体的な実施例は、図６～図８を参照して以下で説明する。
【0041】
ファセット平面１８Ａが、領域２０において画像１５Ａ′のうちの１つと交差することが明らかである。その結果、画像のこの部分がそれ自体に反射され、画像のこのセグメントが使用できなくなる。この使用できないセグメントは、矩形画像内で陰影が付けられる。同様の処理は、ファセット１８Ｂによって方向転換された画像においても行なわれ、画像１５Ｂ′がファセットと交差し、破損領域２０が生じる。部分的に反射するファセットを実装するために採用される多層誘電体コーティングは、多くの場合、大きな入射角において低い反射率を有するように設計されているが、斜入射における反射率は常に高いため、そのようなコーティングによって、ファセットの平面と交差する画像の破損が防止されることはない。
【0042】
偏向された画像は、ファセットの第１および第２のセット内のさらなる反射によって、画像１４および１４′に方向転換される。誘導された画像のすべてが互いに結合されるため、ファセット１８Ａによる使用不可能なセグメントは、ファセット１８Ｂによって生成された使用不可能なセグメントに対して同様に、４つの画像１４、１４′、１５Ａ、および１５Ａ′のすべてに再現される。しかしながら、ＬＯＥの一方の側で伝播する画像１５Ａは、段階１２で見られるように、画像１５Ｂと比較して反対の使用不可能なセグメントを有し、これは、外部結合画像１６Ａおよび１６Ｂを生成するための、外部結合ファセット２２による画像１４′の外部結合を例示している。上面図（図３Ｂ（１）および図３Ｂ（２））は、画像６の使用不可能な部分が眼球運動ボックスの外側にある方向に投影され、したがって、ユーザには見られないが、各サブ画像（ＡおよびＢ）が、そのそれぞれの画像の破損していない部分で眼球運動ボックス４を照明する方法を示す。
【0043】
図３Ｅおよび図３Ｆは、図３Ａに記載される角度プロセスを三次元角度表現で示す。ここで、ファセット１８および２２の平面は、円として例示される。図３Ｅは、図３Ａに示されるのと同じ画像を示し、図３Ｆは、ファセット１８の周囲で互いに折り重なる２０Ａ１および２０Ａ２として使用不可能なセクションの生成を示しており、組み合わされた使用不可能なセクションは２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄとして伝播し、２０Ｅとして外部結合する。
【0044】
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施態様による、（４：３のフォームファクタ（比率）および７０度の対角線を有する画像の非限定的な例において）異なる角度アーキテクチャを例示する。しかしながら、ここで、ファセット角度は、２０Ａおよび２０Ｄにおいて、２回、画像の角度分布と交差する。両方の使用不可能なセクションは重複しており、したがって、最終的な結果は、図３Ａ～図３Ｄを参照して上述したものと同等である。
【0045】
図５Ａおよび図５Ｂは、画像１５および１５’（ファセット１８およびその共役体からの偏向画像）が部分的に重なり合っており、それによって使用不可能なセクション２０が生成される状況を例示する。これは、第１（または第２）の方向に伝播するコリメート画像の右（または左）側に隣接する視野の一部が、主要外面に平行な平面と交差する場合に相当する。これにより、画像の一部が折り重なる。先の実施例のように、この使用不可能なセクションは、眼球運動ボックス（図２Ｂ）の外側の領域６のみを照明し、一方で眼球運動ボックス４は、セクションＡおよびＢから、画像の変動していない領域が照らされる。
【0046】
図６、図７、および図８は、導波路の様々な構成および対応する構成要素部分を説明する。寸法は、提示を簡潔にするために概略的に示している。各セクションの実際のサイズは、眼球運動ボックスに到達するために必要な光路によって幾何学的に決定される。
【0047】
図６では、導波路３１は、４つの別個のセクションから形成され、ビーム分割セクション３０は、異なる配向で傾斜したファセットを有する２つの重複セクション３０Ａおよび３０Ｂから作られる。ファセットの配向は、反対方向に、または対称的に傾斜する必要はなく、それに応じて、第１および第２の反射器（１８Ａおよび１８Ｂ）からの方向転換された画像照明は、正確に反対方向である必要はなく、出力画像に対する導波路の傾きまたは２つの画像の異なるトリミングなど、他の検討事項を考慮することができる。
【0048】
画像の均一性を向上させるために、部分反射器（ＰＲ）を、導波路の主要外面の平面に平行な、重複セクション間に導入することができる。
【0049】
ここで、側面セクション３２は、好ましくは、３０Ａに平行なファセットを有し、セクション３４は、ＬＯＥの第２のセクション３６に向かって画像反射を実行するために、３０Ｂに平行なファセットを有する。セクション３６は、図３Ａおよび図３Ｂの段階１３に示されるように、ユーザの眼に向かって光を外部結合するために、延長部として取り付けられる。この実施例では、すべてのセクションが並べて取り付けられており、セクション３０、３２、および３４はともに図１Ａまたは図１Ｂの第１の導波路セクション１１６を構成し、セクション３６は第２の導波路セクション１１８に対応する。
【0050】
図７は、導波路５０が、セクション５４の上に重ねられたセクション５２から組み立てられ、方向転換光学配置と部分反射面の第１および第２のセットのビーム分割動作を達成する第１の導波路セクション１１６を提供する、さらなる任意選択の実施態様を示す。図１Ａまたは図１Ｂの第２の導波路セクション１１８に対応するセクション３６は、画像の外部結合のための延長部として置かれる。ここでも、部分反射器（ＰＲ）が、重複セクション（ここでは、５４の上に向かい合う関係で取り付けられることになる５２の下に示されている）の間のコーティングとして実装され得る。図６と図７のいずれの場合も、導波路の高品質な平面外面を達成しやすくするために、任意選択的に、構成要素を連続するカバーシートのガラスで挟み込むこともできる。
【0051】
図８は、すべてのセクション（６２、６４、および６６）が、導波路６０を組み立てるために、一方を他方の上部に置くことによる、さらなる選択肢を例示する。各セクションは、少なくとも導波管の関連領域内に実装され、任意選択的に、示されるように導波路の全寸法にわたって延在するファセットの１つのセットを含む。部分反射器は、画像の均一性を高めるために、インターフェースの一方または両方において実装され得る。
【0052】
誘電体コーティングを実装して、大角度スペクトルに対して、かつすべての色に対して必要な部分反射特性を提供することは、困難であり得る。原則として、多層誘電体コーティングを設計するための標準的なソフトウェアパッケージは、角度の関数として必要な反射率の変動を備えることができ、対応するコーティング設計を生成する。しかしながら、要件がより具体的になるほど、コーティングはより複雑かつ高価になり、および／または所望の性能に関してより多くの妥協を行う必要があり得る。いずれにしても破損する、またはＥＭＢから見える画像に寄与しない画像の領域に対応する角度は、画像の残りの部分に必要な反射率要件を満たす必要がないため、本発明は、設計のこの側面を促進する。
【0053】
例えば、図９は、図５の実施態様のためのファセット１８の多層誘電体コーティングの典型的な実施態様の角度反射率１８Ａを例示する。ここで、公称画像１４の角度スペクトルを線１４Ｎとして説明し、画像１５の角度スペクトルを１５Ｎとして説明する。画像１５自体の折り重なりは、ここで、１５Ｎの上への１４Ｎの部分的な重複として提示することができ、重複する角度範囲は２０Ｎ（２０を表す）である。範囲２０Ｎは、眼球運動ボックスに到達する高品質画像を含まないので、この領域は、コーティング設計中に無視することができる（すなわち、強制的な制約なしに）。したがって、ファセット１８Ａのコーティングによって要求される反射率および透過率の実際の範囲は、ライン１４Ｆおよび１５Ｆに対応し、実質的に短くなる。これは、好適なコーティングの設計を大いに促進する。
【0054】
この短縮された動的スペクトルのプロセスは、示されるすべての他の構成に適用可能であり、それにより、大型ＦＯＶのファセットコーティングの実現がより実用的になる。
【0055】
ここまで説明した例では、画像プロジェクタ１１４からの画像照明は、画像方向転換配置の第１および第２の反射器に到達する前に、ＬＯＥの第１の領域１１６に結合され、それらの反射器は、部分反射内面の第１および第２のセットと統合される。この場合、内部結合は、傾斜面を有する結合プリズム、内部結合反射器、または回折光学素子など、当技術分野で既知の従来の配置のいずれかによって達成され得る。図１０は、この一群のソリューションの導波路に沿った出力分布を概略的に示す。画像照明の全入力強度は、画像１４として導波路内に下方（例示の任意の向きに）に注入される。光の一部は、１５Ａおよび１５Ｂの横方向に結合される。この光は、光７０として第２の導波路セクションにさらに結合される。注入された光１４の一部は、光７１としてファセットにおいて反射されることなく継続する。この光は、典型的には、比較的高い強度を有し、したがって、投影画像の不均一性を生成する。この不均一性は、セグメント３０、５２、５４、６２、および６４（図６～図８）のファセットのいくつかまたはすべてにおいて高い反射率を実施することによって、軽減することができる。
【0056】
図１１Ａは、画像方向転換配置の第１および第２の反射器が、画像プロジェクタ（図示せず）からの光を導波路内に結合するための内部結合配置の一部である、代替の光学アーキテクチャを導入している。この場合、画像プロジェクタからの画像１４は、図１１Ａに円１４で表されるように、ＬＯＥの主要面に対して垂直に注入されることが好ましい。画像方向転換配置の実施態様の２つの非限定的な例が、図１１Ｂおよび図１１Ｃに例示されている。
【0057】
図１１Ｂでは、プロジェクタ１１４は、反射プリズム７８上に射出瞳を有する。１１４からの光は、プリズム７８によって２つのビームである、導波路の一方の側に結合された１５Ａ、および他方の側に結合された１５Ｂに分割される。この構成では、図１０のビーム７１のような高強度中心ビームは存在しない。
【0058】
図１１Ｃは、図６の３０Ａおよび３０Ｂと同様であるが、導波路の外側に取り付けられたファセットプレート８０Ａおよび８０Ｂの代替の実施態様を例示する。これら２つのセクションのファセットは、上述したように、光を横方向に伝搬する画像１５Ａおよび１５Ｂに偏向させる。ここでも、高強度中心ビームは生成されない。
【0059】
２つの画像１５Ａおよび１５Ｂは、プリズム７８の面またはプレート８０Ａおよび８０Ｂのファセットによって反射された後、導波路内に注入される。この注入中、それらはまた、好ましくは、内部結合配置の縁部７９によってトリミングされる。このトリミングは、浅いビームに対して最も重要となる。しかしながら、特に、図５Ａおよび図５Ｂに例示されるタイプの光学アーキテクチャの場合、これらの最も浅いビームは、典型的には、いずれにせよ、ＥＭＢに到達する画像の部分に寄与しない領域２０に対応し、そのため、それらは、性能を損なうことなく、内部結合段階でトリミングすることもできる。これにより、画像プロジェクタ１１４の開口部および画像方向転換配置の反射器７８および８０の幅を、画像フィールドのすべてを２方向に伝送するために理論的に必要とされるよりも小さくすることが可能になる。これは、より小さなプロジェクタ１１４およびより集中したエネルギーの使用を可能にする。
【0060】
さらなる選択肢のセットを、図１２Ａ～図１２Ｃに概略的に例示する。この場合、高強度入力画像ビーム１４は、「上方に」、すなわち、外部結合が発生するＬＯＥの第２の領域から離れて偏向される。これはまた、図１０のビーム７１を参照して論じたように、不均一性の形成を回避する。結果として生じる幾何学形状を、図１２Ａに概略的に示す。入力画像を上方に結合するための２つの特定の非限定的な例示的なソリューションを、図１２Ｂおよび図１２Ｃに概略的に例示する。図１２Ｂの場合、内部結合プリズムは、上方に向けられた画像を内部結合するための適切に配向された表面を提供するが、一方で図１２Ｃでは、内部結合プリズムは、プロジェクタ（図示せず）からの画像の類似の内部結合のための反射面を提供する。いずれの場合も、ここでは、画像方向転換配置の第１および第２の反射器が、導波路内の内部反射器として実装される。
【0061】
最後に、図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、本発明の原理は、基板の主要外面に垂直であるファセットの場合にも適用可能であり得る。図１３Ａは、分かりやすくするために、出力画像１６の伝搬方向に沿って見て、投影が有極である垂直ファセット９０Ａ（傾斜ファセット１８に相当）の例を角度空間で例示する。注入画像１５は、垂直ファセット９０Ａによって画像１４上に折り重なる。１４および１５の重複は、ゴースト画像セクション２０を生成する。図１３Ｂは、実空間における同じビームの伝播を示す。ここで、９０Ｂは、ファセット９０Ａに対して等しいが反対の傾斜を有する垂直なファセットである。
【0062】
上記の原則はすべて、「横向き」構成にも適用でき、この場合、画像は、ユーザの目に結合するために、表示面積の横方向外側にあるＰＯＤから注入され、ファセットの第１のセットによって垂直方向に、次に、ファセットの第２のセットによって水平方向に拡散される。上記の構成および変形態様のすべては、側注構成にも適用可能であると理解されるべきである。
【0063】
上記の説明全体を通して、示されているようなＸ軸およびＹ軸が参照されており、ここで、Ｘ軸は水平または垂直のいずれかであり、第１の次元の光学的開口拡大に対応し、Ｙ軸は、第２の次元の拡大に対応する、他方の主軸である。このコンテクストにおいて、ＸおよびＹは、典型的には前述された図１Ａおよび図１Ｂの眼鏡フレームなどの支持構成によって規定される配向で、ユーザの頭部に装着されたときのデバイスの配向に関して、規定することができる。典型的には、そのＸ軸の規定と一致する他の用語には、（ａ）Ｘ軸に平行な方向を規定するために使用することができる、眼球運動ボックスを区切る少なくとも１つの直線、（ｂ）長方形の投影画像の縁部が、典型的には、Ｘ軸およびＹ軸に平行であること、および（ｃ）第１の領域１６と第２の領域１８との間の境界が、典型的には、Ｘ軸に平行に延在すること、が含まれる。
【0064】
上記の説明は、実施例としてのみ役立つことが意図されること、および添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内で、多くの他の実施形態が可能であることが理解されよう。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B(1)】
【図3B(2)】
【図3C-3D】
【図3E】
【図3F】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【国際調査報告】