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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】2023-07-05
(54)【発明の名称】複合導光光学素子
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20230628BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20230628BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022560222
(86)(22)【出願日】2021-05-24
(85)【翻訳文提出日】2022-11-14
(86)【国際出願番号】 IL2021050608
(87)【国際公開番号】W WO2021240513
(87)【国際公開日】2021-12-02
(31)【優先権主張番号】63/029,496
(32)【優先日】2020-05-24
(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】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】アイゼンフェルト，ティシオン
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199CA02
2H199CA24
2H199CA47
2H199CA53
2H199CA64
2H199CA66
(57)【要約】
内部結合領域に注入された画像照明を、視認のためにユーザに向けるための光学系は、一対の平行な主要外面（２４）を有する導光光学素子（ＬＯＥ）（１２）を含む。ＬＯＥの第１の領域（１６）は、ＬＯＥ内をＬＯＥの第２の領域（１８）に向かって伝搬する画像照明を方向転換するように配向された部分反射面の第１のセット（１７）を含み、第２の領域（１８）は、画像照明をユーザに向かって外部結合するように配向された部分反射面の第２のセット（１９）を含む。部分反射面の第２のセット（１９）が第２の領域（１８）の表層の一方または両方から除外されるように、部分反射面の第１のセット（１７）は、ＬＯＥの厚さの少なくとも９５％にわたって延在し、一方、部分反射面の第２のセット（１９）は、厚さの９５％未満に及ぶ厚さの小区分内に含まれる。
【選択図】図６Ｂ
【選択図】図６Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部結合領域に注入された画像照明を、視認のためにユーザに向けるための光学系であって、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、前記ＬＯＥが、（ａ）第１の配向を有する平面の相互に平行な部分反射面の第１のセットを含む第１の領域と、
（ｂ）前記第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の第２のセットを含む第２の領域と、
（ｄ）相互に平行な主要外面のセットであって、前記部分反射面の第１のセット、および前記部分反射面の第２のセットの両方が、前記主要外面の間に位置するように、前記主要外面が前記第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と、を備え、
前記第１の領域から前記第２の領域への前記主要外面での内部反射による前記ＬＯＥ内を伝搬する画像照明の一部が、前記ＬＯＥから前記ユーザに向かって外部結合されるように、前記部分反射面の第２のセットが、前記主要外面に対して斜角にあり、前記内部結合領域からの前記主要外面での内部反射による前記ＬＯＥ内を伝搬する画像照明の一部が、前記第２の領域に向かって偏向されるように、前記部分反射面の第１のセットが配向され、
前記ＬＯＥが、前記主要外面間に厚さを有し、前記部分反射面の第１のセットが、前記厚さの少なくとも９５％にわたって延在し、前記部分反射面の第２のセットが、前記第２の領域の少なくとも１つの表層から除外されるように、前記第２の領域内の前記部分反射面の第２のセットが、前記厚さの９５％未満に及ぶ前記厚さの小区分内に含まれる、光学系。
【請求項2】
前記部分反射面の第２のセットが、前記第２の領域内で前記主要外面の両方の表層から除外される、請求項１に記載の光学系。
【請求項3】
前記部分反射面の第２のセットが除外される、前記第２の領域の前記少なくとも１つの表層の総厚さが、前記厚さの６％～３３％である、請求項１に記載の光学系。
【請求項4】
前記主要外面に平行な方向における前記部分反射面の第２のセットの隣接面間の間隔が、少なくとも１ｍｍであり、前記部分反射面の第２のセットが除外される前記第２の領域の前記少なくとも１つの表層の総厚さが、前記厚さの少なくとも１０％である、請求項１に記載の光学系。
【請求項5】
前記部分反射面の第１のセットが、前記厚さの少なくとも９６％にわたって延在する、請求項１に記載の光学系。
【請求項6】
前記部分反射面の第１のセットが、前記厚さの少なくとも９８％にわたって延在する、請求項１に記載の光学系。
【請求項7】
前記部分反射面の第１のセットが、前記厚さの全体にわたって延在する、請求項１に記載の光学系。
【請求項8】
前記部分反射面の第１のセットの前記第１の配向が、前記主要外面に垂直である、請求項１に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学系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）を含む光学系に関するものである。
【背景技術】
【0002】
複合導光光学素子（ＬＯＥ）または「二次元拡張導波管」は、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．（イスラエル）による以前の公開物に記載されている。かかる複合ＬＯＥの例は、例えば、ＰＣＴ公開第ＷＯ２０２０／０４９５４２号に見出すことができる。概して、これらの複合ＬＯＥは、２つの領域を採用し、領域の各々は、主要面での内部反射によってコリメート画像を搬送する光の伝搬を支援するための透明材料の平行面ブロックであり、コリメート画像の一部を徐々に方向転換し、光学開口の拡大を達成する、相互に平行な内部部分反射面または「ファセット」のセットを含む。異なるファセット配向を有する２つのそのような素子を組み合わせることによって、単一の素子内の光学開口の二次元拡大を達成し、それによって画像プロジェクタからの入力画像を拡大し、それを観察者の眼に向かってより大きな領域にわたって出力することが可能である。
【0003】
参照の便宜のために、複合素子内の拡張の第１の段階を担う導光光学素子（ＬＯＥ）領域は、「第１のＬＯＥ」または「ＬＯＥ１」と称され、一方で、一旦偏向された画像を観察者に向かって外部結合することを担うＬＯＥ領域は、本明細書では、「第２のＬＯＥ」または「ＬＯＥ２」と称される。
【発明の概要】
【0004】
本発明は、内部結合領域で注入された画像照明を視認のためにユーザの方に向けるための光学系である。
【0005】
本発明の実施形態の教示によれば、視認のために内部結合領域で注入された画像照明をユーザの方に向けるための光学系が提供され、光学系は、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、ＬＯＥが、（ａ）第１の配向を有する平面の、相互に平行な部分反射面の第１のセットを含む第１の領域と、（ｂ）第１の配向に非平行な第２の配向を有する平面の、相互に平行な部分反射面の第２のセットを含む第２の領域と、（ｃ）相互に平行な主要外面のセットであって、主要外面が、部分反射面の第１のセットと部分反射面の第２のセットの両方が、主要外面の間に位置するように、第１の領域と第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と、を備え、部分反射面の第２のセットは、主要外面における内部反射によりＬＯＥ内で第１の領域から第２の領域内へ伝搬する画像照明の一部が、ＬＯＥからユーザに向かって外部結合するように、主要外面に対して斜角にあり、部分反射面の第１のセットは、主要外面における内部反射によりＬＯＥ内で内部結合領域から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、ＬＯＥは、主要外面間に厚さを有し、部分反射面の第１のセットは、厚さの少なくとも９５％にわたって延在し、部分反射面の第２のセットが第２の領域の少なくとも１つの表層から除外されるように、第２の領域内の部分反射面の第２のセットは、厚さの９５％未満に及ぶ厚さの小区分内に含まれる。
【0006】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第２のセットは、第２の領域内で主要外面の両方の表層から除外される。
【0007】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第２のセットが除外される、第２の領域の少なくとも１つの表層における総厚さは、厚さの６％～３３％である。
【0008】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、主要外面に平行な方向における部分反射面の第２のセットの隣接面間の間隔は少なくとも１ｍｍであり、部分反射面の第２のセットが除外される第２の領域の少なくとも１つの表層の総厚さが、厚さの少なくとも１０％である。
【0009】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第１のセットは、厚さの少なくとも９６％にわたって延在する。
【0010】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第１のセットは、厚さの少なくとも９８％にわたって延在する。
【0011】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第１のセットは、厚さの全体にわたって延在する。
【0012】
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、部分反射面の第１のセットの第１の配向は、主要外面に垂直である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
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1】ＡおよびＢは、それぞれトップダウン構成および側注構成を示す、本発明の教示に従って構築され、動作可能である、導光光学素子（ＬＯＥ）を使用して実装された光学系の概略等角図である。
【図5】Ａ、Ｂ、およびＣは、ＬＯＥの第１の領域内を伝搬し、ＬＯＥの厚さに完全に及ぶ、または両方の主要面から、もしくは１つの主要面のみから離間される内部部分反射面にそれぞれぶつかる光線の光線経路を示す、図３の線Ｖ－Ｖに沿った部分概略断面図である。
【図7】ＬＯＥ部分反射面の空間密度と、ＬＯＥの第２の領域のカバープレートの好ましい最小厚さとの間の関係を例示する概略グラフである。
【図8】ＡおよびＢは、本発明の特定の実施形態による、ＬＯＥのための製造プロセス中の中間作業製品の、それぞれ側面図および等角図である。
【図9A】第１の領域が最初にカバープレートなしで形成され、第２の領域が所望のカバープレートの厚さの一部のみを有するカバープレートで形成されたＬＯＥの全体にわたって薄いカバープレートが適用される、製造プロセスの段階を例示する概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明は、内部結合領域で注入された画像照明を視認のためにユーザの方に向けるための光学系である。
【0015】
本発明の特定の実施形態は、仮想現実ディスプレイ、またはより好ましくは拡大現実ディスプレイであり得る、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で、光学的開口拡大を達成するための導光光学素子（ＬＯＥ）を含む光学系を提供する。
【0016】
本発明の実施形態の教示によるＬＯＥ１２を採用した、全体が１０で示された、ニアアイディスプレイの形態のデバイスの例示的な実装態様を、図１のＡおよび図１のＢに概略的に示す。ニアアイディスプレイ１０は、画像光が、１つの次元において、相互に平行な平面状外面のセットにおける内部反射によって捕捉されるＬＯＥ（互換的に、「導波管」、「基板」、または「スラブ」と称される）１２内に画像を注入するように光学的に結合されたコンパクトな画像プロジェクタ（または「ＰＯＤ」）１４を採用している。光は、互いに平行であり、かつ画像光の伝搬方向に対して斜めに傾斜した（「ファセット」と互換的に称される）部分反射面のセットに衝突し、各連続ファセットは、基板内に捕捉され／内部反射によって誘導されてもいる、ある割合の画像光を偏向方向に偏向させる。この第１のセットのファセットは、図１のＡおよび図１のＢには個別に示されていないが、１６と示された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。
【0017】
本発明の第１のセットの好ましいが非限定的な実施例では、前述のセットのファセットは、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１６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。代替的なセットの好ましいが非限定的な実施例では、第１のセットの部分反射面は、ＬＯＥの主要外面に対して斜めに角度付けられる。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。
【0018】
第１のセットの部分反射面は、画像照明を、全内部反射（ＴＩＲ）によって基板内に捕捉される第１の伝搬方向から、やはりＴＩＲによって基板内に捕捉される第２の伝搬の方向に偏向する。
【0019】
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１８に入り、その中では、外部結合配置（典型的には、部分反射ファセットのさらなるセット）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２０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。
【0020】
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在方向において水平（図１のＡ）または垂直（図１のＢ）に延在するＸ軸、およびそれに垂直に、すなわち図１のＡでは垂直に、図１のＢでは水平に、延在するＹ軸が参照される。
【0021】
非常に大まかに言えば、第１のＬＯＥ、またはＬＯＥ１２の第１の領域１６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ＬＯＥ１２の第２の領域１８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１のＡ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１のＢ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１のＡ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。
【0022】
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。
【0023】
画像プロジェクタ１４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。代替的に、画像プロジェクタは、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走査しながら、ビームの強度が動きと同期して画素単位で変化し、それによって各画素に所望の強度を投影する、典型的には高速走査ミラーを使用して実装される走査構成を含み得る。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、コリメート光学系が設けられる。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。
【0024】
ＬＯＥ１２への画像プロジェクタ１４の光学結合は、ＬＯＥの側縁部および／または主要外面のうちの１つを介して、例えば斜めに角度付けられ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構成を介してなど、任意の好適な光学結合によって達成され得る。結合入力構成の詳細は、発明にとって重要ではなく、ここでは、ＬＯＥの主要外面のうちの１つに適用される非限定的な実施例であるウェッジプリズム１５として概略的に示されている。
【0025】
ニアアイディスプレイ１０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１４を作動させるためのコントローラ２２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２２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。
【0026】
ここで、図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、ニアアイディスプレイの実施態様の光学的特性がより詳細に例示されている。具体的には、第１の配向を有する平面状で、相互に平行な部分反射面の第１のセット１７を含む、本明細書では「ＬＯＥ１」とも称される第１の領域１６と、第１の配向に非平行である第２の配向を有する平面状で、相互に平行な部分反射面の第２のセット１９を含む、本明細書では「ＬＯＥ２］とも称される第２の領域１８とを含む、透明材料から形成された導光光学素子（ＬＯＥ）１２のより詳細な図が示されている。相互に平行な主要外面２４のセットが、第１のセットの部分反射面１７および第２のセットの部分反射面１９の両方が主要外面２４の間に位置するように、第１および第２の領域１６および１８にわたって延在している。最も好ましくは、主要外面２４のセットは、第１および第２の領域１６および１８の全体にわたって各々連続する一対の表面であるが、領域１６と領域１８との間の厚さのセットダウンまたは逓増を有する選択肢もまた、本発明の範囲内にある。領域１６および１８は、境界で会合するように直接並置されてもよく、境界は、直線境界もしくは何らかの他の形の境界であり得、または、特定の用途に応じて、様々な追加の光学的もしくは機械的機能を提供するために、それらの領域の間に介在させた１つ以上の追加のＬＯＥ領域が存在してもよい。本発明は任意の特定の製造技術に制限されるものではないが、特定の特に好ましい実装態様では、別個に形成された領域１６および１８がそれらの間に挟まれて複合ＬＯＥ構造を形成する連続外部プレートを採用することによって、特に高品質の主要外面が達成される。この選択肢およびこれらのプレートの厚さに関する検討事項について、以下でさらに説明する。
【0027】
ＬＯＥの光学特性は、画像照明経路を逆行してトレースすることによって理解され得る。第２のセットの部分反射面１９は、主要外面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を第１の領域１６から第２の領域１８内へ伝搬する画像照明の一部が、ＬＯＥから眼球運動ボックス２６に向かって結合出力されるように、主要外面２４に対して斜角にある。第１のセットの部分反射面１７は、主要外面での内部反射によって、ＬＯＥ１２内を結合入力領域（結合プリズム１５）から伝搬する画像照明の一部が第２の領域１８に向かって偏向されるように配向されている。
【0028】
画像プロジェクタ１４からの投影画像の角度広がりの１つの次元は、図２Ａでは、ＬＯＥの右側のＰＯＤ開口部からＬＯＥの左側に向かって広がる円錐の照明によって表されている。ここに示された非限定的な実施例では、ＰＯＤの中心光軸は、Ｘ軸に整列されたＬＯＥ内の伝搬方向を規定し、（ＬＯＥ内の）角度広がりは、およそ±１６°である。（屈折率の変化により、ＦＯＶ角は空気中でより大きくなることに留意されたい。）第１のセットの部分反射面１７は、第１の領域１６に示され、第２のセットの部分反射面１９は、第２の領域１８に示されている。
【0029】
ニアアイディスプレイは、「眼球運動ボックス」（ＥＭＢ）２６（すなわち、眼の瞳孔が投影画像を見るであろうＬＯＥの平面から離れた、典型的には矩形として表される形状）によって指定される、許可された位置範囲内の、ある位置に位置するユーザの眼に、投影画像の全視野を提供するように設計されている。眼球運動ボックスに到達するために、光は、第２のセットの部分反射面１９によって、第２の領域１８からＥＭＢ２６に向かって結合出力されねばならない。全画像視野を提供するために、ＥＭＢ内の各点は、全角範囲の画像をＬＯＥから受け取らねばならない。ＥＭＢから視野を逆追跡することは、関連する照明がＬＯＥからＥＭＢに向かって結合出力されるより大きな長方形２８を示唆する。
【0030】
図２Ａは、投影画像の左下画素に対応する、視野の第１の末端部を示す。ＬＯＥ内に結合されるときのプロジェクタの光学開口に対応する幅のビームは、ＰＯＤから左上向きに伝搬し、一連の部分反射面１７から部分反射されることが示されている。ここに示されているように、サブセットのファセットのみが、ユーザによって目視される画像内の対応する画素を提供するのに有用な反射を生成し、それらのファセットのサブ領域のみが、この画素の観察画像に寄与する。関連領域は、黒の太線によって示されており、ファセット１７から反射され、次いで、ファセット１９によって結合出力されて、ＥＭＢ２６の４つの角に到達する、方向転換された画像内のこの画素に対応する光線が示されている。ここで、および説明全体を通じて、光線の平面内伝搬方向のみを、ここではＬＯＥ内の伝搬中で示すが、光線は、実際には、２つの主要外面から繰り返される内部反射のジグザグ経路をたどり、１つの次元全体の画像視野が、Ｙ次元の画素位置に対応する、主要外面に対する光線の傾斜角度によって符号化されることに留意されたい。１つの追加実施例として、ＥＭＢの左上角に見られるような、画像の左上末端部に対応する、偏向および結合出力された光線が、破線で示されている。
【0031】
【0032】
ＥＭＢのすべての領域に到達する画像のすべての領域（方向または画素）の対応光路を追加的にトレースすることによって、結合入力領域から、ＬＯＥ内を伝搬し、第１のセットの部分反射面のうちの１つによって偏向され、第２のセットの部分反射面のうちの１つによって、眼球運動ボックスに到達する方向に結合出力される、すべての光線経路のエンベロープをマッピングすることが可能であり、このエンベロープは、画像がＥＭＢに到達することに寄与する、画像照明の一部を偏向させるのに必要な各ファセット１７の「結像領域」を画定し、一方で、エンベロープの外にあるファセット１７の残りのものは、必要な画像に寄与しない「非結像領域」であることが明らかであろう。任意選択的に、ファセットの平面内範囲は、撮像領域のみをカバーするように切り取られてもよい。異なる撮像注入の場所および幾何学的形状、不均一なファセット間隔を採用し、または部分反射内面の追加の（例えば、第３の）セットを導入する、このおよび他の変形実施形態は、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．（イスラエル）による以前の公開物、特に前述のＰＣＴ公開第ＷＯ２０２０／０４９５４２、ならびにＰＣＴ公開第ＷＯ２０２０／１５２６８８およびＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＩＬ２０２０／０５１３５４で詳細に論じられており、これらはいずれも、本出願の優先日時点で未公開であり、先行技術とは見なされない。これらの追加の特徴はすべて、本発明の文脈において実装され得るが、簡潔に言えば、それらは本明細書では詳細には扱われない。
【0033】
部分反射面の第２のセット１９が第２の領域１８の少なくとも１つの表層から除外されるように、部分反射面の第１のセット１７がＬＯＥの厚さの少なくとも９５％にわたって延在し、一方、第２の領域１８内の部分反射面の第２のセット１９が厚さの９５％未満にわたる厚さの小区分内に含まれることが、本発明の特定の実施形態の特に好ましい特徴である。ここで、この組み合わせの利点を提示する。
【0034】
用語の問題において、用語「カバープレート」は、本明細書において、概して、ＬＯＥの内部部分反射面のセットが除外されるＬＯＥの主要面の一方または両方に隣接する特定の深さの層の任意の実施態様を指すために使用される。そのような層を形成するための１つのアプローチは、透明材料のシート、すなわち、物理的に別個のカバープレートをＬＯＥ構成要素に取り付けることによる。しかしながら、例えば、部分反射コーティングが活性ＬＯＥ層に対応する領域のみに適用され、ＬＯＥの主要外面に隣接することになる領域が反射コーティングなしで屈折率整合接着剤を用いて接合される、プレートの積層からＬＯＥ構造を生成することによるなど、他の製造技術も可能である。用語「カバープレート」は、製造技術とは無関係に、層がどのように形成されていても、ファセットなしに表層がカバープレートとして機能する機能構造を指すために使用される。
【0035】
図３を参照すると、これは、単一の光線３０、ここではＸ次元における画像のフィールドの中心に対応する主光線の経路が、ＬＯＥ１の一部を横切るときに、部分反射面１７の１つにおいて反射によりＬＯＥ２に向かって方向転換され（光線３０’）、部分反射面１９の１つにおいて反射により方向転換されて、視認者に向かって外部結合する（光線３０”）ことを例示している。図４のＡおよび図４のＢは、ＬＯＥに面プレートを追加しない場合と追加した場合の第２の方向転換／外部結合の幾何学的形状を示し、図５のＡおよび図５のＢは、第１の方向転換の幾何学形状を示す。
【0036】
画像が視認者に向かって外部結合されるＬＯＥ２（領域１８）では、斜めに傾斜したファセットが使用される。ファセットが（例えば、主要外面に対して２５度で）傾斜している場合、光線は、図４のＡに例示されるように、同じファセットから２回反射され得る。これにより、導波管から不均一なビームが出る。より暗い領域は、第２の反射によって生成される。その後、導波管の射出瞳に暗い縞模様が現れる。視認者にとっては、これにより、遠視野画像に暗い縞模様がもたらされることになる。
【0037】
図４のＢは、外面の一方または両方上の導波管にカバープレート３２を追加することによって、この二重反射を回避し、ファセットを導波管の外面から効果的に離間させることができる方法を例示する。このようにして、ファセットで一旦反射した後、光線の透過部分はその上または下にジャンプし、次のファセットに直接伝搬するため、画像の均一性が向上する。
【0038】
しかしながら、カバープレートの使用に関して、ＬＯＥ１における画像均一性を達成するための検討事項が、ＬＯＥ２の検討事項と著しく異なることが分かった。画像照明を導波管内で誘導された一つの方向から別の誘導された方向に方向転換するために使用される部分反射面は、必然的に非常に急峻であり、いくつかの実施形態では、導波管の主要外面に直交しているため、光線は、単一のファセットによって２回反射されることはない。この場合、最適な画像均一性は、基板の厚さの全体に及ぶファセットの使用によって達成されるであろう（図５のＡ）が、表面に届かないファセットは、特定の光線がファセットを完全に飛ばすことが許容され（図５のＢ）、出力画像内に暗い線が生じることがわかっている。領域１６および１８の全体にわたってカバープレートを有する構造を提供する全体的な結果は、図６Ａに概略的に例示されており、画像プロジェクタからの均一に照明された入力開口３４は、ＬＯＥを通って伝搬し、出力内の暗い線３８によって破壊された画像領域３６として眼球運動ボックス（ＥＭＢ）２６に向かって外部結合される。対照的に、図６Ｂの構造は、ＬＯＥ２ １８上にのみカバープレートを採用し、一方ＬＯＥ１ １６のファセットは、デバイスの主要外面に延在する。この場合、画像プロジェクタから均一に注入された画像３４は、好ましくは、視認者によって知覚されるような比較的均一な画像３６をもたらす。
【0039】
ＬＯＥ１領域１６内のカバープレートの存在は、出力画像の品質に悪影響を及ぼすが、ＬＯＥ１領域１６の一方または両方の主要面上のカバープレートの使用を好む実用的な検討事項が存在する場合がある。例えば、外面に延在する任意の接着接合部が存在しないことで、導波管の高品質の平面状外面を達成することを容易にすることができる。カバープレートが十分に薄く、任意の結果として生じる画像の乱れが人の眼に支障がなければ、カバープレートの存在を許容することができる（図６Ｃ）。薄いカバープレートは、出力画像が欠落している箇所に薄い暗い縞模様を生成する。暗い縞模様の空間周波数および幅は、人の眼によって知覚されるような、見え方と画像への影響を決定する。人の眼に対して塗りつぶされていない縞模様の重大度を正しく評価するために、人の眼の瞳孔を、導波管射出瞳の上で畳み込むと、許容されるべきカバープレートの厚さがわかる。暗い縞模様の空間周波数が眼の瞳孔の直径よりも著しく高い場合、変動は本質的に眼によって平均化される。空間周波数がより低い場合、瞳孔のサイズを平均した強度が大きく変化しない程度の十分に細い縞模様であれば、許容できる場合がある。
【0040】
実際には、ＬＯＥ１領域のカバープレートの厚さ範囲は、存在する場合、１～１００ミクロン、最も好ましくは５０ミクロン未満であるべきである。ＬＯＥの厚さの割合として、カバープレートの総厚さは、好ましくは厚さの５％未満、好ましくは厚さの４％以下、最も好ましくは厚さの２％以下である。これは、部分反射面の第１のセットが、厚さの少なくとも９５％、より好ましくは厚さの少なくとも９６％、および最も好ましくは厚さの少なくとも９８％にわたって（及んで）延在することに対応する。図６Ｄに概略的に例示されるように、暗い縞模様の問題は、ＬＯＥ１領域１６の片側のみにカバープレートを使用することによって改善させることができる。
【0041】
カバープレートを採用することの考えられる利点にもかかわらず、本発明の特定の特に好ましい実施態様では、図６Ｂに概略的に例示されているように、部分反射面１７の第１のセットは、ＬＯＥ１ １６の厚さの全体にわたって、すなわち、カバープレートなしで延在する。
【0042】
上で考察したように、領域１８のＬＯＥ２に関して、この領域のカバープレートは、照明の不均一性の低減に寄与し、それによって、視認される画像の品質が向上する。部分反射面の第２のセット１９は、好ましくは、第２の領域内の主要外面の両方の表層から除外され、両方の主要面が「カバープレート」を有することを意味する。部分反射面の第２のセット１９が除外される第２の領域１８の表層の総厚さは、好ましくは、ＬＯＥ２の総厚さの６％～３３％である。
【0043】
ここでも、照明の不均一性が人の眼にどの程度知覚されるかは、強度変化の空間周波数、それらのダイナミックレンジ、およびそれらの幅に依存し、ひいては、これらの変動を改善するのに有効なカバープレートの好ましい厚さが決定される。外部結合ファセット１９の場合、空間周波数は、主要外面に平行な方向の、部分反射面の第２のセット１９の隣接面間の間隔から直接生じる。図７は、本明細書では瞳孔の直径と重なるファセットの数として定義される、様々なファセット密度に対する好ましい最小カバープレートの厚さ（ＬＯＥ２総厚さのパーセンテージとしてのカバープレート厚さの合計）を例示しており、本明細書ではおよそ３ミリメートルとする。高いファセット密度では、強度の変動は本質的に瞳孔領域で平均化され、したがって、視認者によって知覚されにくいため、比較的薄いカバープレートで十分であることがわかる。ファセット間隔が大きくなるにつれて、強度変動の空間周波数が低下し、これらの変動を補償するために、より厚いカバープレートが必要になる。
【0044】
図７において水平破線で示される有用な参照点として、主要外面に平行な方向で部分反射面の第２のセット１９の隣接面の間の間隔が、少なくとも１ｍｍ（３ミリメートル瞳孔径あたり３つのファセットの密度に対応）であるとき、部分反射面の第２のセットが除外される第２の領域の表層（複数可）の総厚さは、好ましくは総厚さの少なくとも１０％である。
【0045】
本発明にかかる光学系は、当業者には明らかであろうように、本分野で採用される標準的な製造技術に基づく様々なプロセスによって製造され得る。各ＬＯＥ領域は、典型的には、一方または両方の面にコーティングされた薄いプレートのスタック（通常は一方の面にすべてコーティング、または両方の面にコーティングされた交互のプレート）を一緒に接着して形成され、各インターフェースに望ましい部分反射特性を提供する。部分反射特性は、典型的には、当技術分野で周知であるように、角度選択反射率を提供することができる、多層誘電体コーティングによって提供される。次いで、これらのスタックは、正しく配向された内部部分反射面を有するＬＯＥセクション／領域を生成するように、必要な角度でスライスされる。次いで、必要に応じて、適切な厚さのカバープレートを各領域に追加し、ＬＯＥセクションの縁面を研磨し、次いで一緒に接着して、最終的な複合ＬＯＥを形成する。
【0046】
任意選択的に、カバープレートがＬＯＥ１の一方または両方の主要面上に提供される場合、ＬＯＥ１に必要とされるカバープレート厚さを差し引いた所望の最終カバープレート厚さに対応する、部分厚さのカバープレートを有するＬＯＥ２を生成することが有利であり得る。次いで、単一の連続したカバープレートを、複合ＬＯＥの組み立て中に追加することができ、これにより、ＬＯＥ１に所望のカバープレートの総厚さが提供され、ＬＯＥ２のカバープレートの厚さが所望の厚さまで補完される。この選択肢は、図９Ａおよび９Ｂを参照して、以下でさらに説明する。
【0047】
あるいは、場合によっては、ＬＯＥ１に適した第１の厚さの第１の部分と、ＬＯＥ２に適した（より大きい）第２の厚さの第２の部分とを有する段差状カバープレートを製造することが望ましい場合がある。次いで、２つのＬＯＥセクションの組み立てのためのアライメント特徴として、２つの部分間の段差を使用することができる。
【0048】
本発明の複合ＬＯＥの製造のためのさらなる選択肢を、図８のＡおよび図８のＢに概略的に例示する。この場合、ＬＯＥ１を形成するためのプレートのスタックは、複数のＬＯＥに対応する寸法のブロック８０を形成するように切断される。第２のブロック８２は、中間透明プレート８６と一緒含んで接着されたＬＯＥ２の複数の活性層８４（すなわち、部分反射面を含むＬＯＥのセクション）を組み合わせることによって形成される。次に、第１および第２のブロック８０および８２を一緒に接着させて、図８のＡおよび図８のＢに例示されるように、中間作業生成物８１を形成し、これは、スライス平面８８に沿ってスライスし、複数の複合ＬＯＥを生成するように研磨することができ、中間透明プレート８６の厚さの一部は、各複合ＬＯＥの第２のＬＯＥ領域１８のためのカバーシートになる。
【0049】
図８のＡおよび図８のＢの製造技術、ならびにその変形例は、２０２０年５月２４日に出願された米国仮特許出願第６３／０２９，５００号から優先して、本出願と同日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｌｉｇｈｔ－Ｇｕｉｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」と題された同時係属のＰＣＴ出願でさらに詳細に考察される。
【0050】
ここでも、第１のＬＯＥ領域１６上にもカバープレートを有することが所望される場合、図９Ａに示されるように、領域１８のカバープレート３２ａが、領域１６に対して所望される厚さに等しい量だけ所望の厚さよりも小さい、図８のＡおよび図８のＢによる複合ＬＯＥ構造を生成することが有利であり得る。次いで、両方のカバープレートは、構造全体にわたって導波管に接着された均一な厚さのプレート３２ｂを追加することによって、それらの意図された総厚さにすることができ、それによって、図９Ｂに例示されるような最終構造が生成される。
【0051】
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1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【国際調査報告】