JP4508655B2 - 光導体光学装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に基板導光型の光学装置に関し、特に共通の光透過基板（光導体）によって保持される複数の反射面を有する光学装置に関する。

本発明は、例えばヘッドマウント・ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、携帯電話ディスプレイ、コンパクト・ディスプレイ、３Ｄディスプレイ、コンパクトビーム拡大器などの各種画像形成装置や、フラットパネル表示、コンパクト照明器、スキャナなどの非画像形成装置においても適用されることが可能である。

コンパクト光学素子の重要な応用例としてヘッドマウント・ディスプレイがある。ここでは光学モジュールが画像形成レンズ及びコンバイナとして機能し、二次元（２Ｄ）表示が無限遠にフォーカスされ、観察者の目に投影される。この表示は陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、走査源などの空間光変調装置（ＳＬＭ）から直接得ることも可能であり、また中継レンズや光ファイバー束などによって間接的に得ることも可能である。さらにこの表示は画像素子（ピクセル）のアレイからなり、これらピクセルはコリメータレンズによって無限遠にコリメートされ、透明又は非透明装置のコンバイナとして機能する反射面又は部分的反射面によって観察者（ビューア）の目に映される。このような場合は典型的には自由空間光学モジュールが適用される。しかしシステムにおける所望の視野（ＦＯＶ）が拡大するにつれて、このような従来の光学モジュールでは中程度の性能を実現するためであってもモジュールの大きさが相当拡大し、重量が増加し、分厚くなるため、非実用的となる。これは様々なディスプレイ装置において問題となるが、特に可能な限り明るくコンパクトなシステムが求められるヘッドマウント・ディスプレイにおいてこれは問題となる。

なお、コンパクト性を追求するという観点から従来においていくつかの複雑な光学手段が開発されてきたものの、これらの光学手段は実用においては十分コンパクトではなく、また製造性に関して各種問題点を抱える。更にこれらの設計によって得られる光学的視角のＥＭＢ（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）は通常非常に小さく、典型的には８ｍｍ未満である。したがってこのような構成の光学システムはビューアの目の小さな動きなどに対して敏感に反応するため、このようなディスプレイからビューアがテキストなどを読む際の瞳の動きなどにも反応してしまい不都合である。

本発明は特にヘッドマウント・ディスプレイなどの装置のためのコンパクトな光導体光学素子（ＬＯＥ）の設計及び製造を簡素化することを目的とする。本発明によると、比較的広いＦＯＶと比較的大きなＥＭＢ値とが実現されうる。これによって得られる光学システムは大きくて高画質な画像を提供でき、また比較的大きな目の動きを許容しうる。本発明によって提供される光学システムは従来のシステムに比べてコンパクトであり且つ特殊講師絵を有する光学システムなどにおいても容易に導入されることが可能である。

また、本発明は改善されたヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）の構築を可能にする。３０年前にこのようなディスプレイが開発されてからこの技術分野は相当進歩し、ＨＵＤは現在では軍用機にとどまらず民間飛行機などにおいても適用され、視界不良の際の着陸動作などにおいて重要な機能を果たす。さらに最近ではＨＵＤを自動車などにおける運転やナビゲーションの補助として適用する構成が提案されている。しかし従来のＨＵＤはいくつかの問題点を有する。まず従来からのＨＵＤにおいては、表示源によってコンバイナ面全体が照射されように表示源がコンバイナから一定距離はなれた場所に配置されることが要される。この結果従来のコンバイナ・プロジェクタＨＵＤシステムは分厚くて大きな構成で、大きな搭載空間を要する。よってこのようなシステムは搭載の観点から不都合であり、更にこのシステムの使用は場合によって危険を伴うことがありうる。また、従来のＨＵＤにおける大きな光学アパーチャも設計上の課題となる。このような大きな光学アパーチャの問題によりＨＵＶの精度を妥協するか、あるいは高精度の動作を実現するためにコストを増加させる必要があった。特に高画質のホログラフィックＨＵＤにおける色分散が課題となる。

したがって本発明の一実施形態は上述の問題点を緩和しうるコンパクトなＨＵＤの実現に関する。本発明によるＨＵＤの構成においては、コンバイナが基板に取り付け可能なコンパクト表示源によって照射される。したがってシステム全体がコンパクトに設計可能であって、様々な装置や構成に容易に導入されることが可能である。また、表示の色分散が少ないため、本発明によるＨＵＤシステムは一般の白色光源を含む広範囲のスペクトル源を用いて動作可能である。更に本発明においては画像が拡大されるため、コンバイナの活性領域は実際に光源によって照射される領域よりも大きくなる。

本発明の更なる重要な実施形態は実際の三次元（３Ｄ）像を大型画面に提供する技術に関する。情報技術の発展に伴い３Ｄディスプレイの需要が高まってきている。市場には実際に様々な３Ｄ技術関連製品が出回っている。しかし市場に出回っているこれらの製品は典型的にはユーザに右目のための画像と左目のための画像を分離するための特殊装置を着用させる。このような視覚補助システムは様々な専用分野における装置への適用が確立されている。しかしこれら専門分野以外の分野においてこのような３Ｄシステムの導入を実現するためには、視覚上快適性及び両眼視の仕組みに近似するように調整された自由視覚システムを開発する必要がある。このような問題に対する従来の対応は様々な問題を抱え、画質及び視覚上快適性の観点から２Ｄ表示より劣っている。しかし本発明によると、視覚補助装置を使用することなく高画質の３Ｄオート立体画像表示を提供することが可能であり、且つ一般の光学装置製造工程によって容易に製造可能な光学装置を提供することが可能である。

また、本発明の更なる実施形態は、携帯電話などの携帯用手持ち機器において広いＦＯＶを有するコンパクトなディスプレイを提供する。現在の無線インターネット・アクセス市場では、完全なビデオの伝送を実現するのに十分な帯域幅が利用可能である。したがってこのような画像伝送技術において限界要素となるのは、ユーザ側の端末内の表示画像の画質である。このような端末の可動性要件がそのディスプレイの物理的サイズを制限し、よって従来において表示される画像は直接表示による低画質の画像となる。したがって本発明は物理的にはコンパクトでありながら大きなバーチャル画像を提供可能な項セを実現しうる。この技術はモバイル通信において適用可能であり、特にモバイルインターネットアクセスにおける問題を解決することができる。したがって本発明の実施形態により、インターネットのフルページのデジタルコンテンツを携帯電話などの小型の手持ち機器で見ることが可能になる。

本発明の広い目的は、従来のコンパクト光学装置の欠点を克服し、規定の要件に応じて精度の改善された各種光学素子やシステムを提供することを目的とする。

したがって本発明は、２以上の主要面及びエッジを有する光透過性基板、全反射によって前記基板に光を結合させる光学手段、及び前記基板に設けられる１以上の部分的反射面から構成される光学装置を提供する。

以下において本発明の理解をいっそう深めるために本発明の好適な実施例を添付図面を参照しながら説明する。

なお、このように添付図面を参照しながら具体的に説明される実施例はあくまでも本発明の一例に過ぎず、本発明の原理や構想を容易に理解するために示される好適な実施形態に過ぎない。また、この観点から以下において説明される構成は本発明の根本的な原理を理解するために提供されるもので、それ以外の詳細事項の説明は省略する。なお、同業者であれば以下に添付図面と共に示される本発明の好適な実施例の説明に基づいて、これら本発明の実施例を実現することが可能であると考えられる。

図１は一般の折りたたみ光学機構を示し、ここでは基板２が表示源４によって照射される。表示はコリメータレンズ６によってコリメートされる。表示源４からの光はこの主要光線１０が基盤２と平行になるように第１反射面８によって基板２に結合される。そして基板２の第２反射面１２は基板２階へこの光を結合してビューア１４の目に映す。このような構成はコンパクトではあるが、様々な問題を抱える。特に影響されうるＦＯＶが非常に限られているという欠点が挙げられる。図１に示されるように、基板内で許容される最大軸外角度は、以下のように表される。

ここでＴは基板の厚さを表し、ｄ_ｅｙｅは所望の射出瞳径を表し、ｌは反射面８と１２との間の距離を表す。

α_ｍａｘよりも高い角度の光線は反射面１２に到達する前に基板から反射される。したがって反射面１２は望まれない方向で照射され、その結果ゴースト画像が発生する。

よってこの構成で得られる最大ＦＯＶは以下のように表される。

ここでｖは基板の屈折率を表す。なお、この屈折率は典型的には１．５〜１．６の範囲内にある。

一般的に目の瞳の径は２〜６ｍｍである。よって表示の移動や配列ミスなどに対応するためにはより大きな射出瞳径が求められる。最低所望値を約８〜１０ｍｍとすると、目の光軸とヘッドの端との間の距離ｌは典型的には４０〜８０ｍｍとなる。よって狭いＦＯＶ８°であってもここでの所望の基板の厚さは約１２ｍｍと分厚くなる。

これに応じてこのような問題を解決するために様々な方法が提案されてきた。このような方法の一例としては、例えば基板内に拡大望遠鏡を適用し、また非平行結合方向を適用するなどの方法がある。このような解決法を適用した場合でも、また例え１つの反射面のみを考慮した場合でも、システムの厚さは同様な制限値によって規制される。ＦＯＶは基板平面上の反射面１２の投影範囲の径によって制限される。この制約のもとでのラジアンにおける最大実現可能ＦＯＶは数学的には以下のように表される。

ここでα_ｓｕｒは反射面と基板平面の法線との間の角度を表し、Ｒ_ｅｙｅはビューアの目と基板との間の距離を表す（これは典型的には３０〜４０ｍｍである）。

実際にはｔａｎα_ｓｕｒは１よりさほど大きい値をとることはできない。したがってＦＯＶ８°を得るために上述のようなパラメータを考慮した場合、基板の所望の厚さは約７ｍｍとなる。これは上記例に比べると改善はされているものの、ＦＯＶが拡大されるにつれて所望の基板の厚さが増加する。例えば所望のＦＯＶがそれぞれ１５°及び３０°である場合、対応する所望の基板の厚さはそれぞれ１８ｍｍ及び２５ｍｍとなる。

このような問題を緩和するために本発明は光導体光学素子（ＬＯＥ）な意味形成される選択的（部分的）反射面のアレイを適用する。図２は本発明の一実施形態によるＬＯＥの側面図である。ここでは第１反射面１６が装置の裏に配置される光源（非図示）から発光されるコリメート表示１８によって照射される。この反射面１６は光源からの入射光が平面基板２０内に閉じ込められるようにこの入射の光を全反射によって反射する。基板内の面での数回の反射の後に、閉じ込められた波は選択的（部分的）反射面２２のアレイに到達する。この選択的反射面２２のアレイは光を基板２０外へ結合し、ビューア２４の目に映す。光源からの中心波が基板表面２６の法線方向に沿って基板２０外に結合したとし、基板２０内の結合された波の軸外角度、すなわち、トラップされた光線２８及び基板の平面に対する法線２９の間の角度、がα_ｉｎであるとすると、部分的に反射させる表面２２と基板の法線との間の角度α_ｓｕｒ２は、

：である。
図２に示されるように、閉じ込められた光線は２つの異なる方向２８，３０から反射面に到達する。この例においては、閉じ込められた光線は基板表面２６から奇数回反射した後これらのうちの１つの方向２８から反射面に到達する。ここで閉じ込められた光線と部分的に反射させる表面２２の法線との間の入射角度β_ｒｅｆは、

である。
閉じ込められた光線は基板表面２６から偶数回反射した後第二の方向３０から反射面に到達する。ここで軸外角度、すなわち、トラップされた光線３０及び基板の平面に対する法線３１の間の角度、はα′_ｉｎ＝１８０°−α_ｉｎであると共に、閉じ込められた光線と部分的に反射させる表面２２の法線との間の入射角度は、

である。
望まれない反射や、ゴースト画像の発生を抑制するために、これらの方向のうちの１つについては反射率が極わずかであることが求められる。これら２つの入射方向間の所望の区別は一方の角度を他方の角度よりも著しく小さくすることによって実現されうる。これに応じて従来においてＳ偏光の反射特性を活用する２つの対策が提案されているが、これらの方法は両方とも各種問題を有する。これらの方法のうちの１つ目の主な欠点としては、所望のＦＯＶを得るためには相当の数の反射面が必要となるという点である。２つ目の方法の主な欠点としては、内部角度α_ｉｎを有する光線の反射率が不適切にあるという点である。そこで以下においてＰ偏光の反射特性を活用し、場合によってはＳ偏光の反射特性をも活用し、より傾斜の浅い反射面を適用して装置内に要される反射面の数を削減する別の解決法を説明する。

入射角を関数とするＳ偏光及びＰ偏光の反射特性はそれぞれ異なる。例えば、エアークラウンガラス・インタフェースの場合Ｐ及びＳの両極性ともゼロ入射では４％の反射率を有する。しかしインタフェースに入射されるＳ偏光のフレネル反射率は単調に上昇し、すれすれの入射で１００％に到達する。一方Ｐ偏光のフレネル反射率は一旦ブルースター角で０％に落ち、そこからすれすれの入射で１００％に到達する。したがってＳ偏光について傾斜入射角で高反射率を実現し、垂直入射角度でゼロに近い反射率を実現するコーティングを構成することが可能である。このような特性を利用して、２つの方向のうちの１つの反射をなくし、上述のような不都合な反射やゴースト画像の発生を抑制することが可能である。例えば等式（５）及び（６）から角度β_ｒｅｆ〜２５°を選択すると、以下のような値が得られる。

β′_ｒｅｆ＝１０５°；α_ｉｎ＝１３０°；α′_ｉｎ＝５０°；α_ｓｕｒ２＝６５° （７）
ここでβ′_ｒｅｆは反射されないが、β_ｒｅｆは反射されるような反射面が検出され、これが適用されると、所望の要件が満たされうる。図３Ａ及び図３Ｂは選択的反射面における所望の反射を示す。この図において軸外角度β_ｒｅｆ〜２５°を有する光線３２（図３Ａ）は部分的に反射され、基板３４外に結合される。一方軸外角度β′_ｒｅｆ〜７５°で反射面に到達する（これはβ′_ｒｅｆ〜１０５°に等しい）光線３６（図３Ｂ）は、顕著な反射はなく反射面３４を介して伝送される。

図４は上述の反射特性を得るために形成されたダイクロイック・コーティングの４つの異なる入射角度２０°、２５°、３０°、及び７５°での反射率カーブを示す。なおこれらの反射率は全てＰ偏光についてのものである。この図に示されるように、高角度の光線の反射率はゼロに近いが、軸外角度２０°、２５°、及び３０°の光線はそれぞれ同一スペクトルにおいて常に約２６％、２９％、及び３２％の反射率を実現する。この図から理解されうるように、反射率は入射光線の傾斜率の上昇に伴って低下する。

図５は同一のダイクロイック・コーティングの波長λ＝５５０ｎｍのＰ偏光についての入射角度を関数とする反射率を示す。このグラフは反射率が非常に低い５０°〜８０°の間の領域と、入射角が低下するにつれて反射率が単調に上昇する１５°〜４０°の間の領域との２つの重要な領域を示す。したがって、あるＦＯＶについてβ′_ｒｅｆの角度スペクトル全体（ここでは低い反射率が求められる）が上述の領域のうちの第１領域内に位置づけられ、β_ｒｅｆの角度スペクトル全体（ここではより高い反射率が求められる）が上述の領域のうちの第２領域に位置づけられるように構成することで、１つの基板の反射だけがビューアの目に映り、ゴースト画像の発生が抑止されうる。

なお、上記ではＰ偏光だけが分析されてきた。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）など偏光表示源を適用するシステムや、出力輝度がさほど重要でなくＳ偏光がフィルタされうるシステムについては上記のような構成で十分対応可能である。しかし出力輝度が重要となるＣＲＴやＯＬＥＤなどの非偏光表示源を適用する場合は、Ｓ偏光を無視することはできず、設計工程においてこれを考慮する必要がある。しかしＳ偏光について上述のような特性を実現するコーティングを設計することは、Ｐ偏光についてのものを設計するよりも困難であるものの可能である。すなわちＳ偏光についてもβ′_ｒｅｆの角度スペクトル全体については低い反射率を有し、β_ｒｅｆの角度スペクトル全体については所定のより高い反射率を有するようなコーティングを設計することが可能である。

図６及び図７は上記図４及び図５と関連して説明されているダイクロイック・コーティングと同一のもののＳ偏光についての反射率を示す。これらの図からこれら２つの極性の間にはいくつかの明確な違いがあることが理解されうる。すなわちＳ偏光においては、反射率が非常に低い高入射角の領域がＰ偏光の対応領域に比べて狭い。したがってＳ偏光についてある角度のスペクトル帯域全体において一定の反射率を実現することはＰ偏光の場合より困難である。また、Ｓ偏光における高反射率が求められるβ_ｒｅｆの角度スペクトルでの単調上昇部分はＰ偏光と反対である。すなわちＳ偏光の反射率は入射光線の傾斜角度が上昇するにつれて増加する。このようなβ_ｒｅｆの角度スペクトルでのＳ偏光及びＰ偏光間の相互逆転作用は各システムの特定条件に基づく所望の全体的な光の反射率を実現するために各システムの光学設計において利用されうる。

なお、表示源から基板にできるだけ多くの光を結合させたいことから第１反射面１６（図２）の反射率は可能な限り高いことが望ましい。光源の中央波が法線方向において基板に入射される場合、すなわちα_０＝１８０°の場合、第１反射面と基板の法線との間の可能性のある角度α_ｓｕｒ１及びα’_ｓｕｒ１についての解は、

である。
この例でのα_ｓｕｒ１及びα′_ｓｕｒ１の値はそれぞれ１５５°及び１１５°である。

図８は内部全反射により表示源（非図示）からの光３８を結合し、基板２０内に閉じ込める反射面１６の側面図である。ここで示されるように、基板表面４０上の反射面の投影部Ｓ_１は、
Ｓ_１＝Ｔ・ｔａｎ（α） （９）
と表され、ここでＴは基板の厚さを表すと共に、αは、二つの可能性のある解の一つα_ｓｕｒ１又はα’_ｓｕｒ１である。

この例では基板表面上の結合領域は、α＝α_ｓｕｒ１の解についてのものに比べて４．５倍に拡大されると共によってはるかにより多いエネルギーを単一の中に結合させる素子１６によって基板の中へ結合させることができるため、図８に示されたものであるところの、α＝α′_ｓｕｒ１は、好適なものである。なお、これ以外のシステムにおいても上記同様の改善率が実現されうる。結合された波が反射面の領域全体を照射すると仮定すると、この光は反射面１６から反射した後基板表面上における２Ｓ_１＝２Ｔｔａｎ（α）の領域を照射する。一方基板平面上の反射面２２の射影Ｓ_２は、Ｓ_２＝Ｔ・ｔａｎ（α_ｓｕｒ２）と表される。なお、反射面間の重なり合い又は間隙を回避するために、各反射面の射影は隣のものと隣接するように構成される。したがって各結合光線が１周期（基板の同一の反射面に１度反射してからこれに２度目に反射するまでの間）の間に通過する反射面２２の数Ｎは以下のように計算される。

α_ｓｕｒ２＝６５°でα_ｓｕｒ１＝１１５°であるこの例では、Ｎ＝２である。すなわち各光線は１周期において２つの異なる反射面を通過することとなる。これは概念的な変更であり、各光線が１周期において６つの異なる反射面を通過する構成の従来技術からの重要な進歩であると考えられる。あるＦＯＶ設定において反射面の数を低減できるということは表示面上の反射面の投影部に関連する。すなわち本実施例では角度がより大きく設定されているため、画像の寸法を伸ばすのに要される反射面の数が少なくてすむ。反射面の数を少なくすることで、ＬＯＥの構成が簡素化され、その製造コストが削減されうる。

図８を参照しながら説明される上記の実施例は、入力波を基板に結合させる方法の一例である。しかし入力波はこれ以外の光学手段によって基板に結合されることも可能である。その例としては、折りたたみプリズム、光ファイバー束、回折格子などが挙げられる（しかしこれらに限定されない）。

また、図２に示される実施例においては、入力波と画像波とは基板における同一面に位置づけられるが、その他の構成ももちろん可能であり、入力波と画像波とが基板においてそれぞれ反対の面に位置づけられることも可能である。また、場合によっては入力波を基板の側面においてこの基板と結合させることも可能である。

図９Ａは基板内に閉じ込められた光を外へ結合し、ビューアの目に映すための選択的反射面のアレイの詳細断面図である。ここで示されるように、各周期において結合された光線は角度α′_ｉｎ＝１３０°の反射面４２を通過し、ここにおいてこの光線と反射面の法線との間の角度は７５°であってこれらの選択的反射面４２からの反射は無視できる程度である。また、光線は各周期において角度α_ｉｎ＝５０°の反射面４４を２度通過し、ここで光線の入射角度は２５°であり、この光線のエネルギーの一部は基板外へ結合される。ここでビューアの目に光を結合するために２つの選択的反射面２２からなるアレイを適用すると仮定すると、最大ＦＯＶは以下のように求められる。

したがって上述と同様のパラメータでは、ＦＯＶが８°である場合についての基板の厚さは約２．８ｍｍに制約され、また、ＦＯＶが１５°である場合及び３０°である場合は基板の厚さはそれぞれ約３．７ｍｍ及び約５．６ｍｍに制約される。これらの値は従来技術における基板の厚さ要件よりも好都合である。また、２以上の選択的反射面を適用することも可能である。例えば３つの選択的反射面２２を適用する場合、１５°または３０°のＦＯＶを実現するための基板の厚さはそれぞれ約２．４ｍｍ及び約３．９ｍｍに制約される。このように反射面の数を増やすことにより光学素子の厚さを更に低減することが可能である。

なお、所望のＦＯＶが比較的小さな構成においては、１つの選択的反射面を導入するだけで十分である場合もある。例えばＲ_ｅｙｅ＝２５ｍｍ；α_ｓｕｒ＝７２°；Ｔ＝５ｍｍをパラメータとするシステムにおいては、１つの反射面２２を適用する構成でも１７°のＦＯＶを実現することが可能である。ここでは光線の一部分が何度か反射面２２を通過してから所望の方向へ結合される。なおＢＫ７やこれと同様の材料において全反射を実現する要件を満たすための基板内の最小伝搬角度はα_{ｉｎ（ｍｉｎ）}＝４２°であるため、ＦＯＶの中心角度の伝搬方向はα_{ｉｎ（ｃｅｎ）}＝４８°である。よって投影画像は表示面に対して垂直にはならず、１２°程軸外に傾斜することとなる。しかしこの程度の傾斜は多くの構成に置いては供される範囲内である。

図９Ｂに示されるように、各選択反射面はそれぞれ異なる強度を有する光線によって照射される。というのは、右側の反射面４６は基板２０の底面４８から反射された後の光線によって直接照射されるのに対して、左側の反射面５０は既に選択的反射面４６を通過した光線によって照射されるため、右側に比べ強度の低い光線によって照射されることとなる。したがって輝度が均等である画像を得るためには画像の各所部分間における強度の差に対する補償を行う必要がある。例えば反射面を異なるコーティングで覆うことで、反射面４６の反射率を反射面５０の反射率よりも低くすることで不均等な照射に対する補償を実現することが可能である。

また形成画像の不均等性は各選択的反射面に到達する異なる光線それぞれにおける異なる反射シーケンスによっても生じうる。というのはこれらの光線の一部は他の反射面で反射せずに直接到達し、また他の光線は１又は複数回の反射面で反射してから到達しうる。この作用は図９Ａにおいて示される。ここではある光線が点５２において第１選択的反射面２２と交差する。この光線の入射角度は２５°であり、交差の際この光線のエネルギーの一部は基板外に結合される。次にこの光線は入射角度７５°で点４２において顕著な反射なしに同一の反射面２２と交差し、次に更に点５４において入射角度２５°で反射面と交差し、ここでは光線のエネルギーの一部が更に基板外へ結合される。これに対して図９Ｂに示される光線は同一面から１回反射するにとどまる。なお、入射角度が小さい場合は複数の反射が発生しうる。したがってこのような複数の光線交差によって生じる不均等性を補償する方法として、図５の１０〜４０°の範囲における反射率のように入射角度が低下するにつれて反射率が単調に上昇するコーティングを設計する方法が考えられる。上述のような複数の光線交差から発生する差を完全に補償するのは困難であるものの、人間の目にはこのような輝度の差を察知する能力に限界があるため、ある程度の輝度の差は許容されうる。目接近型ディスプレイなどの場合、目は１つの視角から放出される光を統合して、これを網膜上における１点にフォーカスする。そして目のレスポンス曲線は対数であるため、多少の表示の輝度の差は察知されずにすむ。したがって表示の照射均等性がある程度得られればこれが完全に均等でなくても、人間の目にとっては高画質として見受けられることとなる。このようなある程度の均一性はＬＯＥによって容易に実現することが可能である。

ところがヘッドアップ・ディスプレイなど目から離れた場所に配置されるディスプレイの場合は、このような複数の光線交差による不均等性を許容することはできない。したがってこのような場合はより体系的な方法でこのような不均等性の問題に対処する必要がある。図１０はこのような問題の対処法の一例を示す。この例では、厚さＴ_ａｄｄの透明の薄膜層５５がＬＯＥの底部に接着される。この構成によると、β_ｒｅｆ＝２５°で入射する例示的な光線は（この光線は図９Ａでは第１選択的反射面２２を３つの点で交差する）この反射面を２度だけ交差し、１度だけ点５２で反射される。このようにして二重反射作用が抑制されうる。なお、厚さＴ_ａｄｄの値については、光学システムのＦＯＶ全体において上述のような二重反射作用の発生確率を最低限に抑えられるような値が計算される。例えば、ＦＯＶ＝２４°；α_ｓｕｒ＝６４°；α_ｉｎ＝５２°；ｖ＝１．５１；Ｔ＝４ｍｍのパラメータを有する光学システムにおいては、不都合な二重交差作用を完全に抑制するためには膜厚Ｔ_ａｄｄ＝２．１ｍｍの層を付加する必要がある。したがってＬＯＥ全体の厚さは４ｍｍから６．１ｍｍとなる。しかしコンバイナが比較的大きく、ＬＯＥにおいて機械的強度が要されるＨＵＤシステムにおいてはこのような厚さの増加は必ずしも欠点とはならない。なお、この透明層をＬＯＥの上部又は基板の両側部に取り付けることも可能であり、この場合光学システムの特定条件に忠実に従った構成が実現されうる。このような構成においては膜厚Ｔ_ａｄｄがどんな値をとっても、光線のうちの少なくとも一部は同一の選択的反射面を２度反射することとなる。例えば図１０においては、光線は入射角度２５°で点５２において選択的反射面２２を１度交差し、ここでは光線のエネルギーの一部が基板外へ結合される。そしてこの光線は入射角度７５°で顕著な反射はなくこの反射面２２を交差する。なお、ここでは第１回目の交差だけがＬＯＥによって形成される画像と関係する。

視角を考慮すると、形成される画像における各異なる部分は、選択的反射面における異なる部分に由来する。図１１はこの様子を示す。すなわちこの図は上述のような構成を有するコンパクトＬＯＥディスプレイ・システムの側面図である。ここでは特定の視角を示す１つの平面波５６が選択的反射面２２のアレイ全体の一部だけを照射する。したがって選択的反射面における各点には名目視角が定義され、反射率はこの角度に応じて設定される。

ＬＯＥの各選択的反射面のコーティングの設計は以下のように実行されうる。まず各特定角度について所定の瞳６０の中心から選択的反射面へ光線がプロットされる（スネルの法則による屈折作用を考慮しながら）。ここで計算された方向が名目の入射方向として設定され、コーティングはこの特定視角に関する既知の反射特性を考慮し且つこの方向をも考慮して設計される。したがって各視角について対応反射面からの平均反射率は所望の反射率に非常に近い値となる。また、必要に応じてＬＯＥに膜厚Ｔ_ａｄｄの層を付加することも可能である。

なお、ＬＯＥにおいて相互異なる選択的反射面を適用することによって以下の２つの結果が得られる。まず、パイロットのためのヘッドマウント・ディスプレイなどの透明（シースルー）システムにおいては、ビューアはＬＯＥを介して外部シーンを見られるようにするため、選択的反射面の反射率は比較的高く設定されるべきである。ここで反射率係数は全ての選択的反射面において共通ではないため、基板を介して見られる外部シーンの画像が不均等になる恐れがある。しかしここで生じる不均等性は比較的小さいため、多くの場合は無視することができる。一方このような不均等性が問題となる場合においては、基板の外面に補足的な不均等コーティングを付加することにより基板の不均等性を補正し、ＦＯＶ全体において均等な輝度の表示を実現することが可能である。

これに対してバーチャルリアリティ・ディスプレイなどの不透明システムにおいては、基板が不透明であり、システムの透明性は問題とならない。しかしこの場合上述の構成よりも反射率が高いことが多いため、ＦＯＶ全体において均等な輝度表示を実現するのに十分な強度の光が第１反射面を通過するような措置を取る必要がある。また、光の極性を考慮する必要もある。上述のような選択的反射面のコーティングにおいてはＰ偏光がより適切である。コンパクト表示源には、例えばネマチック液晶ディスプレイなど直線的に偏光させられるものがある。また入射光が反射面に対してＳ偏光させられるように表示源が方向付けられている場合もある。この場合Ｓ偏光に対応するコーティングを設計するか、あるいは半波プレートを用いて表示源の極性を回転させることが可能である。図１２に示される例では、表示源４から放出される光は直線的にＳ偏光させられる。具体的には表示源４の極性は半波プレート６２によって回転され、これにより所望のＰ偏光が結合反射面２２に入射しうる。

なお、典型的な透明システムの動作予測を得るために、コンピュータシミュレーションが実施され、投影表示及び外部シーンのそれぞれの輝度が測定された。この例におけるシステムのパラメータは以下のように設定される：Ｔ＝４．３ｍｍ；Ｔ_ａｄｄ＝０；α_ｉｎ＝５０°；ＦＯＶ＝２４°；Ｒ_ｅｙｅ＝２５ｍｍ；ｖ＝１．５１；表示源はＳ偏光させられる；２つの選択的反射面が設けられる；名目反射率は２２％である。図１３は所望の名目値に正規化されたシミュレーションの結果を示す。これらのグラフには多少の変動がみられるものの、これらの変動は目接近型装置においては察知されない程度のものである。

ここまでの説明では、ξ軸におけるＦＯＶだけが考慮の対象とされてきたが、直交軸ηにおけるＦＯＶをも考慮する必要がある。η軸におけるＦＯＶは選択的反射面の数や大きさに左右されるのではなく、基板に結合される入射波のη軸における横寸法によって左右される。η軸における最大実現可能ＦＯＶは以下のように表される。

ここでＤ_ηは基板内に結合される入射波のη軸に対する横寸法を表す。

すなわち所望のＦＯＶが３０°である場合上述と同様のパラメータを適用すると、この横寸法は４２ｍｍに規制される。なお、前述の説明において基板内に結合される入射波のξ軸における縦寸法は、Ｓ_１＝Ｔ・ｔａｎ（α_ｉｎ）によって求められることを示した。基板の厚さがＴ＝４ｍｍである場合Ｓ_１＝８．６ｍｍとなる。一般的にＬＯＥの横寸法はその縦寸法の５倍になるとされている。画像アスペクト比が４：３（これは一般のビデオディスプレイの画像アスペクト比である）であっても、η軸におけるＦＯＶは２２°である。所望の横寸法は約３４ｍｍであり、これは縦寸法の４倍の寸法となる。このような非対称性は好適なシステムの実現において問題となる。というのはこの場合高値の開口数を有するコリメータレンズ又は大きな表示源が必要となる。いずれにしてもこのような開口数や寸法では所望のコンパクトなシステムを実現することは不可能である。

基板の上面図を図解するものであるところの図１４はこのような問題を解決する手段の一例を示す。ここでは、部分的に反射させる表面２２のアレイをξ軸（ここでは、灰色のエリアは、基板２０の主要な表面における部分的に反射性の表面２２の射影を表記する）に沿って配置するのだけではなく、η軸に沿って反射面２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、及び２２ｄのアレイを更に配置する構成とする。これらの反射面は基板平面に対して法線方向においてξ軸とη軸との２等分線に沿って配置される。なお、これらの反射面の反射率は均等の出力波を実現できるように設定される。例えば４つの反射面が適用される場合、第１反射面２２ａ、第２反射面２２ｂ、第３反射面２２ｃ、及び第４反射面２２ｄの反射率はそれぞれ７５％、３３％、５０％、及び１００％となるべきである。このような構成によって、それぞれが入射光強度の２５％である波面のシーケンスを得ることが可能である。典型的にはこのような反射面のアレイはＳ偏光についても容易に設計されうる。なお、選択的反射面２２ａ〜２２ｄに対してＳ偏光させられる光は選択的反射面２２に対してＰ偏光させられる。したがって画像のη軸における縦方向の拡大がＳ偏光に左右される場合半波プレートを設けて極性を回転させてξ軸における横方向の拡大器に結合させる必要性がなくなる。なお、アレイのアセンブリ２２及び２２ａ〜２２ｄの構成は一実施例に過ぎず、これ以外にも光学システム及び所望のパラメータに基づいて両軸における光波の横寸法を拡大するための構成を適用することも可能であり、以下において他のいくつかの例を示す。

図１５はη軸におけるビーム光を拡大するまた別の方法を示す。この構成によると、Ｓ偏光について反射面２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃの反射率は５０％であり、反射面２２ｄは単純な１００％ミラーに相当する。この構成においては垂直的拡大の横寸法が前述の構成よりも大きくなるが、本実施例による構成は１つの選択的反射コーティングだけを要し、全体的に製造がより簡単である。一般にη軸におけるビーム光を拡大するための正確な方法は各光学システムにおける特定要件などに基づいて選択されうる。

対称的なコリメータレンズ６、例．η及びξ軸に沿って同じ寸法Ｔを有する球面の対称性を備えたレンズ、を適用したとすると、反射面２２ａ〜２２ｄから反射した後の光波のη軸における結合させられた波の横寸法は、Ｓ_η＝ＮＴ・ｔａｎ（α_ｉｎ）によって求められ、ここでＮは反射面の数を表す。そしてここでのη軸における最大実現可能ＦＯＶは以下のようになる。

それにおいて、Ｒ_ｅｙｅは、観察者の目及び基板の間における距離であると共に、α_ｉｎは、図２を参照して上に記載されたような基板の内側におけるトラップされた光線の軸外の角度である。
なお、反射面のアレイ２２ａ〜２２ｄは目に接近した場所に配置されうるため、反射面間の距離ｌは前述の実施例よりも小さくなることが予想される。例えばｌ＝４０ｍｍであるとし、パラメータがＴ＝４ｍｍ；Ｎ＝４；α_ｉｎ＝６５°；Ｒ_ｅｙｅ＝２５ｍｍ；ｖ＝１．５であるとすると、ＦＯＶは以下のようになる。

これは前述の例において得られた値よりも更に好適である。

図１６は、二重ＬＯＥ構成を適用してビーム光を両軸において拡大するまた別の方法を示す。ここではまず入力波が第１反射面１６ａによって第１ＬＯＥ２０ａ内に結合され、そしてη軸に沿って伝搬される。選択的反射面２２ａは光を２０ａ外へ結合し、その後この光は第２反射面１６ｂによって、図２に図解された基板に類似のものであるところの、第２ＬＯＥ２０ｂ内に結合される。そしてこの光は、ξ軸に沿って伝搬され、その後選択的反射面２２ｂによって２０ｂ外へ結合される。ここで示されるようにもとのビーム光は両軸において拡大され、この全体的な拡大は素子１６ａ及び２２ｂそれぞれの横寸法の比によって確定される。なお図１６に示される構成は、二重ＬＯＥ設計の単なる一例に過ぎず、これ以外にも２以上のＬＯＥを組み合わせた複雑な光学システムの構成を適用することももちろん可能である。例えば３つの基本色のそれぞれに対応するように設計されたコーティングを具備する３つの異なる基板を組み合わせて３色ディスプレイ・システムを実現することも可能である。この場合各基板はその対応色以外の色に対しては透過性を有する。このようなシステムは例えば最終画像を形成するために３つの異なる単色表示源の組み合わせを要する構成などにおいて有用である。なお、これ以外にも複数の基板を組み合わせてより複雑なシステムを形成する構成例は多数ある。

また、更に考慮すべき点として、システムの輝度がある。これは好適なコントラスト比及びコンバイナを介して好適な観察を実現するために表示の輝度と外部シーンの輝度とが対応することが望まれる透明システムにおいて特に重要である。なお、システムにおける挿入損失が微小であることをほとんどのシステムにおいて保証することは不可能である。例えば上述の図１４の実施例による４面コンバイナにおいては、要求されるη軸におけるビームの拡大によって光波の輝度は４分の１に低減される。一般にＮ枚の反射面を適用する場合光波の輝度はＮの分数によって低減される。基本的に高輝度表示源を適用することでこのような問題は回避可能であるが、このような対策には実際においては限界がある。というのはこのような高輝度の表示源は非常に高価であるだけでなく、高電流を要するため電力消費量も大きい。更にほとんどのディスプレイにおいては実現可能な輝度に限度がある。例えば小型ディスプレイの表示源として現在最も普及していると思われる伝送ＬＣＤにおいては、ディスプレイの解像度やコントラスト比を劣化させるフレアなどの悪影響を回避するためにバック照明光力に限度が設定されている。したがって表示源からの利用可能な光の使用を最適化するために他の手段が求められる。

ビューアの目に到達する表示の輝度を改善するための１つの方法として、ビューアのＥＭＢ（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）に応じてＬＯＥにおける反射面２２の反射率を制御する方法がある。図１１に示されるように、選択的反射面２２のアレイ全体の各反射面は、それぞれＦＯＶ全体における一部分によってのみ照射される。例えば図１１における右側の面２２ａの反射率はＦＯＶの右側部分に対しては高めの反射性を有するように設定され、ＦＯＶの左側の部分に対しては可能な限り低い反射率に設定されることが可能である。また、左側の面２２ｂはＦＯＶにおける左側部分に対して高い反射率を有するように設定されることが可能である。なお、このような設定方法を２次元拡大システムにおいて適用することも可能である。例えば、図１６においてηが縦軸に相当する仮定すると、反射面２２の反射率は下部の反射面はＦＯＶの下部に対して高い反射率を有し、ＦＯＶの上部に対しては可能な限り低い反射率を有し、上部の反射面はＦＯＶの上部に対して高い反射率を有するように設定されることが可能である。したがってＲを基板内結合面１６ａの面積と基板外結合面２２ｂの面積との比を表すとすると、横拡大による輝度の低減の因数はＲよりも小さくすることが可能である。

システム全体の輝度を改善するまた別の方法として、入力パワーを変化させることなく表示源の輝度を制御する方法がある。図１１に示されるように、反射ミラー１６によって基板２０に結合されるエネルギーの大部分は瞳６０付近に反射される。なお、実現可能輝度を最大限にするためには表示源からの光のほとんどが基板に結合されることが望まれる。

図１７は表示源として伝送ＬＣＤを適用する基板モードディスプレイの一例を示す。光源６４から発される光はレンズ６６によってコリメートされ、ＬＣＤ６８を照射する。ＬＣＤ６８からの画像はコリメートされて、光学素子７０によって基板２０に結合される。図１８はコリメータ／折りたたみ式レンズ７０の光学レイアウトを示す。図１９は基板２０に結合される光のレンズ７０の表面７２における形跡を示す。通常ほとんどの表示源においてはランベルトの法則に基づく光の均等拡散がみられる。すなわち光のエネルギーは２πステラジアンの角度スペクトル全体において均等に分散される。しかし図１８及び図１９に示されるように基板２０内に結合される光はこのような表示源から発される光のごく一部にすぎない。表示面の各点光源からは２０〜３０°の円錐範囲内の光だけが実際に表面７２を照射して基板２０に結合される。したがって表示源から発される光がこの円錐範囲内に集中されると、輝度の上昇が実現されうると考えられる。

このような点光源の照射方向特性を実現する方法として、ＬＣＤのための専用の選択的拡散器を適用する方法がある。一般の拡散器は光を前方向に均等に拡散する。これに対して選択的拡散器は各点光源からの光が所望の角度円錐内に発散されるようにすることができる。この場合ＬＣＤ表面の照射パワーを変更せずに輝度を上昇させることが可能である。２０〜３０°の円錐の場合。各点光源からの光の発散角度は、ランベルト光源のπステラジアンに対して５０以上の因数によって低減され、光の輝度はこの因数分だけ上昇する。したがって最小限の設計及び製造の調整によってシステムの電力消費量を増加させることなくシステムにおける輝度の改善を実現することが可能になる。

また、ＬＣＤへの適用のみならずその他の表示源にも適用されうる別の対策法として表示源のピクセルに対して整列されたマイクロレンズを用いる方法がある。ここではマイクロレンズによって各ピクセルから発される発散ビームが所望の円錐内に発散されるようにその発散角度が狭められる。実際にはこの方法はピクセルの充填比の値が小さい場合のみ効果的である。この方法の改善された例として、各ピクセルが所望の角度範囲内に光を発散するようにピクセルアレイにおける各ピクセルの発散分布機能を設定する方法がある。例えばＯＬＥＤディスプレイにおいては、個々のＬＥＤの発散角度を拡大させて視野を広めるような措置が取られている。しかし本実施例によるＬＯＥディスプレオ装置においては、システムの輝度を最適化するためにこのような発散角度を約２０〜３０°の範囲にとどめておくことが好適である。

上記図１４及び図１５の例を参照に説明されるように、システムの大きさをさほど拡大させることなく縦方向ηにおけるＦＯＶを拡大することが可能である。しかしこのような対策だけでは不十分の場合もある。これには例えば非常に広いＦＯＶを要し、且つ基板内結合用反射面１６と基板外結合用反射面２２との間の距離ｌが制限されている構成などが該当する。図２０は、以下のパラメータを有する非折りたたみ式（開いた）光学システムの上面図を示す。ｌ＝７０ｍｍ；Ｔ＝４ｍｍ；αｉｎ＝６５°；Ｒｅｙｅ＝２４ｍｍ；ｖ＝１．５１；ＥＭＢ＝１０ｍｍ；所望の縦方向ＦＯＶ＝４２°。ここで（図において、基板の平面より下のＲ_ｅｙｅの距離に位置させられたものであるところの）ＥＢＭ７４からの光線をたどると、この光線は面外光学素子２２上のＥＭＢ７４の投影部を通過していて、ここで７６、７８、及び８０それぞれＦＯＶの上位、中間、及び下位の角度の投影部であることがわかる。これはすなわち所望のＦＯＶを得るためには面内結合口径（アパーチャ）８２は６５ｍｍであることが要される。よってアパーチャが大きくなり、その結果基板が薄膜基板に形成されていてもシステム全体の大きさが拡大してしまうこととなる。逆に４０ｍｍのより小さなアパーチャ８４が適用された場合実現可能なＦＯＶ８６は２３°に低下してしま位、これは所望のＦＯＶ４２°の約半分である。

図２１は上記の問題の解決法の一例を示す。ここでは単純な長方形のプレート２０を適用するのではなく、プレートの２つの横端エッジに２対の平行反射面８８ａ、８８ｂ及び９０ａ、９０ｂを設ける構成とする。このような構成によると、ＦＯＶの中央部分は以前と同様に直接アパーチャ８４を介して投影されるが、ＦＯＶの下位部分からの光は反射面８８ａ、８８ｂで反射され、ＦＯＶの上位部分からの光は反射面９０ａ、９０８ｂで反射される。なお、典型的には基板内に閉じ込められる光線と反射面８８，９０との間の角度は全反射を影響するのに十分な大きさの角度であるため、これらの反射面に対しては特に専用の反射コーティングを適用する必要はない。全ての光線は入力アパーチャから直進しているか、あるいは１対の平行面に２度反射してから進んでいるため、各光線のもとの方向性を維持することができ、もとの画像は影響されることはない。

なお、反射面８８ａで反射された各光線がアパーチャ８４にぶつかる前に必ず反射面８８ｂでも反射されるように設定することは非常に重要である。これを保証する対策として２つの光線パスをチェックする方法がある。点９４で反射面８８ａに入射する境界角度９２のマージン光線は反射面８８ｂと反射面９０ａとの交差点の右側において反射面８８ｂにぶつかる必要がある。また、反射面８８ａと反射面９０ｂとの交差点の隣接点において反射面８８ａに入射するマージン光線９６はアパーチャ８４を交差する前に反射面８８ｂにぶつかる必要がある。マージン光線９２及び９６はともそれぞれの要件を満たすため、反射面８８ａに入射されるＦＯＶからの光線は全て反射面８８ｂにもぶつかることが保証されうる。ここで示される例ではＦＯＶが４２°の構成において入力アパーチャ８４の寸法が４０ｍｍに縮小されうる。なお、距離ｌが非常に大きい場合は好適な入力アパーチャを維持しながら所望のＦＯＶを得るために２対以上の反射面対のカスケイドを適用することも可能である。

なお、図２１に示される実施例は本実施形態による方法の適用例の１つを示すだけであって、これ以外にも様々な適用が可能である。所定のＦＯＶを要するシステムにおいてシステムのアパーチャを縮小する、あるいは所定のアパーチャに設定されるシステムにおいて利用可能ＦＯＶを拡大するために平行反射面の対を適用する構成は基板モード光学システムへの適用に限定されることはなく、その他にもヘッドアップディスプレイや、エピスコープ、ペリスコープなどのフリースペースシステムや、その他様々な光学システムに適用されることが可能である。

図２１の例を参照して説明されるように、基板の入力アパーチャの横寸法はη軸に沿って４０ｍｍ、ξ軸に沿って８．５ｍｍである。図２２Ａ及び２２Ｂは図１４及び１５に実施例に係る別の対策法を示す。この方法においては、対称コリメータレンズ６と非対称入力アパーチャとの間の調整を行う。入力アパーチャの横寸法はそれぞれ２つの軸に沿ってＤ及びＤ４であるとする。アパーチャ２Ｄのレンズ６が基板に画像をコリメートする。コリメートされた光の前半はミラー１６ａによって基板内に結合される。２対の平行反射面２２ａ、２２ｂ及び２２ｃ、２２ｄはこの結合された光を外へ分岐し、そしてまたもとの方向に戻るように反射させる。コリメートされた光の後半は基板２０を通過し、プリズム９９によって折り返され基板の方へ戻る。第２ミラー１６ｂは折り返された光を基板２０に結合する。そして入力アパーチャの横寸法は２つの軸に沿ってそれぞれＤ及び４Ｄとなる。

図２２に示される方法を適用することにより以下のような効果が得られる。まずシステムはη軸に沿って対称になり、更に光の強度の損失がなくなる。なお、この方法は単なる一例に過ぎず、対称入射ビームを非対称結合光ビームに変換する方法としてはこれ以外にも様々な方法を適用することが可能である。η軸に沿って画像を拡大するための適切な構成を選定するにはシステムの仕様を慎重に分析する必要がある。

一般に上記において検討された光導体光学素子の各種構成例は、表示装置に適用されウ従来のコンパクト光学素子に比べて以下のような利点を有する。
１）入力表示源は基板と接近した位置に配置されうるため、光学システムの全体構成が非常にコンパクトで軽量に設計されることが可能で、圧倒的に有利なフォームファクタを実現可能である。
２）他のコンパクト・ディスプレイ構成とは異なり、本発明はアイピースに対する入力表示源の配置を自由にする。この自由度及び表示源を拡大基板の近辺に配置できるという特徴により、他のディスプレイ・システムで適用されている軸外光学構成を適用する必要性が低減される。さらにＬＯＥの入力アパーチャは出力アパーチャの活性領域よりも遥かに小さいため、コリメータレンズ６の開口数は一般の画像形成システムのものに比べて小さく設計できる。その結果より好都合な光学システムを実現することが可能になり、軸外光学及び高開口数のレンズに起因する視野や色収差などの各種問題を比較的簡単且つ効率的に補償可能である。
３）本発明における選択的反射面の反射係数は対応するスペクトル全体において本質的に均一である。したがって表示源として単色及び多色光源のいずれを適用することも可能である。またＬＯＥの波長依存性は無視できる程度のものであるため、高画質且つ高解像殿のカラー表示を実現することが可能である。
４）入力表示からの各点は平面波に変換され、反射アレイにおける比較的大きな部分から反射されてビューアの目に映されるため、目における正確な位置に対する公差が著しく緩和されうる。よってビューアは視野（ＦＯＶ）全体を見ることができ、ＥＭＢ（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）は他の一般のコンパクト・ディスプレイに比べて大きく設定することが可能である。
５）表示源からの光エネルギーの大部分が基板内に結合され、この結合された光エネルギーの大部分が再生利用されてビューアの目に結合されるため、電力消費量の低い表示源であっても、比較的高い輝度の表示を実現することが可能である。

図２３は本発明の一実施形態として、ＬＯＥ２０がメガネフレーム１００に組み込まれる構成を示す。ここではＬＯＥ２０のエッジのすぐ隣に配置されるメガネフレームのアーム部１０２内に表示源４、コリメータレンズ６、及び折りたたみレンズ７０が組み込まれる。表示源が小型ＣＲＴ、ＬＣＤ，ＯＬＥＤなどの電子素子である場合は表示源の駆動エレクトロニクス１０４はアーム部１０２の後部に組み込まれることが可能である。また、電源及びデータインタフェース１０６がリード１０８又は無線や光学伝送などを含むその他の通信手段によってアーム１０２に接続されることが可能である。また電池及び小型データリンクエレクトロニクスをメガネフレームに搭載することも可能である。

上記の実施形態は、透明型システム及び不透明型システムのどちらを適用することも可能である。後者の場合、ＬＯＥの前方に不透明層が配置される。なお、ここではＬＯＥ全体を遮断する必要は無く、典型的には表示が映される活性領域を遮断すればよい。このような構成によるとユーザの活性領域以外での外周視界は遮断されずにそのまま維持され、ここではコンピュータまたはテレビ画面での視界が再現され、この外部視界は重要な認知機能として作用しうる。また、システムの前部に可変フィルタを設け、ビューアによって外部シーンから発される光の輝度が制御されうるようにすることも可能である。この可変フィルタは折りたたみフィルタなどの機械的制御デバイス、２つの回転偏光子、電子的制御デバイスや、自動デバイスなどの形を取ることが可能であり、ここではフィルタの透過性が外部背景の輝度によって左右される。

なお、このような実施形態における具体的なＬＯＥの適用法は適宜変更されることが可能である。このうち最も単純な方法としては、１つの目に対して１つの素子を適用する方法がある。また別の方法として、それぞれの目のために光学素子と表示源とを適用する方法がある。また別の方法として、同一画像における２つの異なる部分を投影し、ここで２つの目の間の若干の重複を許容することでより広いＦＯＶを実現する方法もある。また、２つの目それぞれに対して異なるシーンを投影して立体画像を実現することも可能である。このような方法の適用により、３Ｄ映像、アドバンス・バーチャルリアリティ、トレーニングシステムなど様々な実施が可能となる。

なお、図２３の実施形態は本発明の単純な適用例の１つに過ぎない。むしろ本発明の実施形態によるシステムにおける主要部分を構成する基板誘導型光学素子はコンパクトで軽量であるため、実に様々な構成に適用されることが可能である。例えば、本実施形態は上記実施例以外にもバイザー、折りたたみディスオプレイや、単眼鏡などに適用されることが可能である。なお上記実施形態は、ディスプレイが目接近型のものである場合に適する構成であり、例えば光学システムはヘッドマウント・システム。ヘッド着用システム、またはヘッド保持システムなどに適用される。しかしディスプレイが上述のように目に接近した位置に配置されない構成も考えられる。この例としては、携帯電話などの移動通信手持ち式デバイスがある。このようなデバイスは近い未来には、ビデオ電話、インターネット接続、Ｅメールへのアクセス、高画質テレビ衛星放送の伝送など現在の大画面における解像度相当の解像度を要する動作を実行することが予想されている。現在の技術で小型ディスプレイを携帯電話に搭載することは可能であるが、現段階においてこのようなディスプレイの表示能力は限られていて、低画質のビデオデータや、インターネットまたはＥメールデータを数行ずつビューアの目に映すことしかできない。

図２４は本発明の実施形態によるまた別の方法を示し、ここにおいては高画質の画像をユーザの目に直接投影することにより従来技術における携帯式デバイスのコンパクト性と、デジタルコンテンツをフルフォーマット表示でみる要望との駆け引きの問題を解消しうる。個々では表示源６、折りたたみ／コリメータ光学素子７０、及び基板２０を有する光学モジュールが携帯電話１１０の本体に搭載され、この基板２０がこの電話の既存の保護カバーウィンドウの代わりとなる。すなわち表示源６及び光学素子７０を含む支持構成要素の大きさは現代の携帯電話機器内に挿入可能な程度の大きさにとどめられている。このような機器によって伝送されるフルスクリーン表示を見るためにユーザは自らの目２４をこのウィンドウの前に置いて広いＦＯＶ、大きなＥＭＢ，及び快適な射出瞳距離で画像を好適条件下で見られるようにする。また、当該機器を傾斜させて画像の異なる部分を表示することでより大きな射出瞳距離でＦＯＶ全体を見ることができる。更に光学モジュールは透明システムにおいても動作可能であるため、当該機器において二重動作形態を実現することも可能である。すなわち従来からのセルディスプレイ１１２の機能をそのまま維持することも可能である。このような構成によると、表示源６がオフ状態であるときはＬＯＥを介して通常の低解像度表示を見ることができる。そしてＥメールの閲覧、インターネットサーフィン、またはビデオ操作などに対応する第２モードでは通常のディスプレイ１１２がオフにされ、表示源６がＬＯＥを介して所望の広いＦＯＶの画像をビューアの目に投影する。なお、図２４に示される実施例は本実施形態による方法の適用の一例に過ぎず、これは本発明の実施形態をヘッドマウント・ディスプレイ以外の構成に適用可能であることを示す。上記の例以外で本実施形態の適用対象となる手持ち式デバイスの例としては、手のひらサイズコンピュータ、リストウォッチに搭載される小型ディスプレイ、クレジットカード同様の寸法及び重量を有するポケットディスプレイなどがある。

なお、上述の実施例は単一眼の光学システムに相当する。すなわち画像は１つの目に投影される。しかしこれ以外にも例えばヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）など両目に画像を投影することが望まれる構成もある。従来ではＨＵＤシステムは主に高等戦闘機や民間飛行機などへの適用に限定されていた。しかし最近ではこのようなＨＵＤシステムを車の運転手の前に置き、運転のナビゲーション補助をさせ、または視界不良の際にドライバーの目に熱映像を投影することが提案されている。現在の航空宇宙産業のＨＵＤシステムは非常に高価であり、１つのシステムでさえ約数１００から数１０００ドルにまで及ぶ。更にこのような既存のシステムは大きく、重く、かさばって、小型飛行機や車などへの搭載は厄介であるため、不都合であった。しかしＨＵＤをＬＯＥベースにすることにより限られた空間内にも搭載可能であるコンパクトな内蔵型のＨＵＤを実現可能ある。また、このような構成により、ＨＵＤに関連する光学システムの構築及び製造が簡素化されうるため、現在の航空宇宙産業のＨＵＤシステムを改善できるのと同時に自動車産業用のコンパクトで安価な消費者向けのＨＵＤを導入することも考えられる。

図２５は本発明の一実施形態に基づくＨＵＤシステムを実現する方法を示す。ここでは表示源４からの光がレンズ６によって無限遠にコリメートされ、第１反射面１６によって祈願２０に結合される。そして第２反射アレイ（非図示）での反射後、光波は第３反射面２２にぶつかり、これにより光は外へ結合さてビューアの目２４に投影される。このシステムは全体的に非常にコンパクトで軽量に設計されうる。具体的には厚さ数ミリの大きいポストカードのサイズ程度に設計されうる。数平方センチの堆積を有する表示源は基板の一角に取り付けられ、電気ワイヤが電力及びデータをシステムに提供する。なお、本実施例によるＨＵＤシステムの搭載の難度は単純な商用オーディオシステムを搭載する際の難度と同程度であると予想される。また、画像投影のために外部表示源が不要であるため、危険箇所に構成要素を取り付ける必要性が排除される。

ＨＵＤシステムの射出瞳は典型的にはヘッドマウント・システムの射出瞳よりも大きいため、所望のＦＯＶを得るためには図１４〜１６の例のように３アレイ構成を適用することが好適であると予想される。しかし縦ＦＯＶが小さいシステムや、縦ＬＥＤアレイを表示源として適用するシステム、平行反射ミラーの対を利用するシステム（図２１参照）などの特種の構成例においては２アレイ構成で所望のＦＯＶを十分実現可能である場合もある。

なお、図２５に示される実施形態による方法は車両用のＨＵＤシステム以外の他の構成においても適用可能である。この一例として、上記方法をコンピュータやテレビのフラットディスプレイに適用することが考えられる。このようなディスプレイの主な特徴としては、ここで形成される画像はスクリーン平面に位置づけられるのではなく無限遠またはその他の好適な距離にフォーカスされる。既存のコンピュータ・ディスプレイの主な欠点として、ユーザはディスプレイから４０〜６０ｃｍと非常に近い距離で目をフォーカスさせなければならない。これに対して健全な目の自然フォーカスは無限遠の位置である。したがって多くのユーザは長時間コンピュータの操作を行うことから頭痛などに悩まされる。また、コンピュータを頻繁に利用するユーザの多くは近視になる。更に近視及び遠視の両方に悩まされるユーザはコンピュータを操作するのに特殊のメガネを必要とする。本発明の一実施形態によるフラットディスプレイは上述のような問題に悩まされるユーザであってヘッドマウント・ディスプレイを利用することを望まないユーザにとって好適な解決案となり得る。更に本実施形態においてはスクリーン画面の物理的サイズを大幅に削減することが可能である。ＬＯＥによって形成される画像は装置よりも大きいため、より小さなフレームに大きなスクリーン画面を搭載することが可能である。このような技術は特にラップトップコンピュータやパームトップコンピュータなどの移動式機器の分野において重要となる。

なお、大きな表示ＬＯＥを適用することによって発生しうる問題として、輝度の問題がある。コンパクト性の観点からは小型の表示源を適用することが好適である。しかしこの場合光源における活性照射領域に比べてＬＯＥの活性照射領域が著しく拡大するため表示の輝度が低下してしまう。したがって上述の対策を採用した後でも不透明システムにおいては輝度の低下が予想される。このような輝度の低下は、光源の輝度を上昇させるか、あるいは１以上の光源を適用することによって対処可能である。後者の方法ではＬＯＥが表示源のアレイとこれらの対応コリメータレンズによって照射されることが可能である。図２６はこのような方法の一例を示す。ここでは表示源アレイ４の表示源４ａ〜４ｄのそれぞれから同一画像が生成され、ここから対応するコリメータレンズアレイ６のレンズ６ａ〜６ｄによって単一のコリメート画像が形成され、これが反射面１６によってＬＯＥ２０内に結合される。一見このシステムは高価であると思われるが、ここでの構成要素の数の増加及び特殊エレクトロニクスでソース画像を連動させる必要性から生じるシステムのコストの上昇は、マイクロディスプレイ自体の安さ、及びコリメータレンズの開口数を縮小できるという要因によって相殺されうる。またこのような構成では、横方向の拡大器を設ける必要性がないため、一次元の画像拡大ＬＯＥを適用して、表示輝度を上昇させることが可能である。なお、このような構成においては、複数の表示源が必ずしも同一構成である必要はない。以下においてそれぞれ異なる表示源を適用するより複雑なシステムの仕組みを説明する。

また、本発明の実施形態によるＬＯＥディスプレイは従来のフラットパネル・ディスプレイに比べてより平坦な形状を有するという利点を有する。また、本実施形態はより指向的な視角によっても特徴付けられる。というのはＬＯＥディスプレイは従来のフラットパネル・ディスプレイに比べてより限定された角度範囲から見られることが可能である。一人のユーザが単独でシステムを操作する場合はこのような限定されたＥＭＢで十分であり、またこのような構成により場合によってはプライバシーを保護できるという利点もある。

更にＬＯＥベースのスクリーン画面の画像は表示面から離れた背面に位置づけられ、物理的表面には結合されない。したがってこうして形成された画像を見るのは窓を通してこの画像をみるのと同様な体験となる。この構成は特に三次元表示において好適である
情報技術の発展に伴い３Ｄディスプレイの需要が高まっている。現に多くの３Ｄ表示関連機器が既に市場に出回っている。しかし現在の市場で入手可能なシステムでは、ユーザは左目及び右目のそれぞれのために画像を分離するための特殊装置を着用する必要がある。このよう視覚補助システムは多くの専門分野においては確立している技術である。しかしこのような技術を更に幅広い分野に普及させるためには視覚上快適さが向上され、二眼性視覚により近似するように適応された自由視覚システムを実現する必要がある。この問題に対する現在の取り組みの多くはまだ様々な欠点を有し、特に画質や視覚上快適さなどの観点においては一般の２Ｄ表示に比べて著しく劣っている。

図２７Ａ及び２７Ｂはそれぞれ本発明の一実施形態に基づく３Ｄディスプレイの構成例を示す正面図及び平面図である。ここでは１つの表示源を適用する代わりにｎ個の異なる表示源１１４_１〜１１４_ｎからなる表示源アレイ１１４が基板２０の下位部分に配置される。ここで各表示源はそれぞれ異なる視点から得られた同一シーンの画像を投影する。なお、各表示源からの画像は図２６の例と同様な方法で基板内に結合される。ビューアが表示を観察する際、右目２４ａ及び左目２４ｂはそれぞれ表示源１１４ｉ及び１１４ｊから投影される画像を見ることとなる。したがってビューアは左右の目で同一画像を異なる視点から見ることとなる。このような体験は窓を介して実際の３Ｄオブジェクトをみるのに近似する体験である。図２８ａ〜２８ｂに示されるように、ビューアが視界を横方向に移動させた場合、このビューアの目はそれぞれ異なる表示源１１４ｋ及び１１４ｌから投影される画像を見ることとなる。この動作は窓から外部シーンを見る間に頭を横に動かす動作と近似する効果が得られる。また、図２９ａ〜２９ｂに示されるようにビューアが視界を縦方向に移動させた場合、ビューアの目は以前よりも低い位置に配置されていた画面上の点を見る。これらの点は表示源１１４により近い位置に配置されるため、ビューアは異なる表示源１１４ｇ及び１１４ｈから発される画像をみることとなり、これらの表示源はアレイ１１４の中心により近い位置に配置される表示源に相当する。その結果この視覚体験は、ビューアが窓により接近したシーンを見るのと同様のものである。このようにして基板を介して観察されるシーンは３Ｄパノラマ画像として観察され、ここでシーンの下位部分が上位部分よりもビューアに近いように見えるように設定される。

なお図２７〜２９において示される実施例も本実施形態による方法の適用の一例に過ぎず、これ以外にも本実施形態による方法を適用して異なるアパーチャ、視点の数の３Ｄディスプレイを実現するも可能である。

本発明の又別の実施形態としてはテレビのアナウンサや解説者にテキストを投影するためのテレプロンプターへの適用がある。なお、テレプロンプターは透明であるためアナウンサは実際には投影されるテキストを読み上げているにもかかわらず、視聴者からはアナウンサが彼らと目を合わせているように見える。テレプロンプターはＬＯＥを用いて光学アセンブリに取り付けられる小型の光源を具備しうる。このようにして装置の近辺に大きな画面を配置する必要性がなくなる。

また更なる実施形態として、本発明はＰＤＡの画面に適用されることも可能である。現在使用されている一般の画面のサイズは１０ｃｍ未満である。このディスプレイの表示を読むためにこの装置から離れる最小距離は約４０ｃｍであり、実現可能ＦＯＶは１５°以下である。したがってこれらの表示における特にテキストなどの情報コンテンツは制限されている。なお、図２４の実施例を適用することで投影ＦＯＶを拡大することが可能である。ここでは画像は無限遠でフォーカスされて、画面はｂｙ−あの目にもっと接近されることが可能になる。更に各々の目は全体視野（ＴＦＯＶ）におけるそれぞれが中心において重複する異なる部分を見るため、ＴＦＯＶは更に拡大されることが可能である。したがってＦＯＶが４０°以上のディスプレイが実現可能となる。

上述の実施形態においては基板２０によって伝送される画像はＣＲＴやＬＣＤなどの電子表示源から発される。しかし例えば生のシーンを光学システムに結合することが要される場合、伝送される画像は生のシーンの一部に相当することも可能である。

図３０はこのような構成を要するスターライト増幅器（ＳＬＡ）１１６を示す。ここでは外部シーンの画像がコリメータ１１８によってＳＬＡ内にフォーカスされ、合成画像を生成するために画像の電子信号は増幅され、この合成画像はアイピース１２０を介してビューアの目に投影される。ここで示される構成は軍事、準軍事及び民間のアプリケーションのイ置いて比較的確立している構成である。しかしこのような構成はユーザの前方に突出しているため長時間使用されるヘッドマウント・システムなどへの適用には不都合である。また、このような構成は比較的重く、ユーザの近辺にあるオブジェクトと衝突する危険性を秘めている上にユーザの頭や首に負担を掛けることとなる。

したがって図３１はより好適な構成を示す。ここでは装置はユーザの前面に配置されるのではなく、頭の側面に配置される。ここでＳＬＡの重力の中心は頭の主要軸に対して整列される。そしてこの装置の方向は図３０の例と反対方向になる。すなわちコリメータ１１８は後側に配置され、アイピース１２０が前側に配置される。ここで前方の外部シーンの画像はまた別のＬＯＥ２０ｂによってコリメータ１１８に結合される。この実施例では元の装置に２つの光学素子２０ａ及び２０ｂが追加されるが、これらの素子の重量はＳＬＡの重量に対して僅かであって、この実施例の全体的構成は前例の構成に比べてはるかに好都合である。さらにこれらの装置の搭載公差はそれほど厳しくはないため、上記２つの素子をモジュールとして構成し、搭載位置からシフトされ、さらにはユーザによって取り外されるようにすることも可能である。このようにしてＳＬＡは場合に応じてヘッドマウント動作のためにはＬＯＥを搭載して、また一般の銃サイトやその他の狙撃装置においてはＬＯＥモジュールを適用しない再構成されうる。また、ＬＯＥをシフトし、目の位置に調節するなどの操作を可能にすることもできる。

上述の実施形態においては、ＬＯＥは画像形成を実行する際に光波を伝送するために適用される。しかし本発明は画像形成装置に適用されるだけでなく、主に照明システムなどの非画像形成装置にも適用されることが可能である。この場合出力波の光学的質は重要なパラメータにはならず、むしろ光の強度及び輝度の均一性が重要なパラメータとなる。本発明は例えばＬＣＤシステムなどのフラットパネル・ディスプレイのバック照明などに適用されることが可能である。このようなシステムでは画像を形成するためにできるだけ均等な輝度の光でプレートを照明することが求められる。また別の適用例として、例えば平坦で安価な部屋用照明の代用や、フラッドライト、指紋スキャナの照明器、３Ｄディスプレイ・ホログラムの読出波などがある。

本発明の照明装置への適用例のうち、ＬＯＥデバイスを用いることで相当改善されうるものとして反射ＬＣＤがある。図３２は表示源が反射ＬＣＤに相当する基板モードディスプレイの一例を示す。ここでは照明部１２２によって生成される光が偏光子１２４を通過して、レンズ１２６によってコリメートされ、偏光ビームスプリッター１２８によって反射され、ＬＣＤ１３０を照射する。ＬＣＤ１３０から反射される光の極性は１／４波長プレートまたはＬＣＤ材料自体によって９０°回転される。ＬＣＤからの画像はこうしてビームスプリッターを通過してレンズ１３２によってコリメートされ、基板２０上に反射される。ビームスプリッターの構成により、照明システム全体が大きく厄介となり、ヘッドマウント・システムのためには十分コンパクトではない。またビームスプリッター１２８が設けられるため、コリメータレンズ１３２は表次源からさらに遠くに配置され、一方でフィールドレンズは収差を最小限にするためにできるだけ表示源の近くに配置されることが要される。

図３３は照明セットアップの改善例を示す。ここでは光源１２２からの光がまた別のＬＯＥ１３４に結合される。このＬＯＥ１３４はＬＣＤ１３０の表面を照射する。この表面の選択的反射面は偏光に敏感である。図３３の構成は全体的に図３２に示される構成よりもはるかにコンパクトであり、レンズ１３２はよりＬＣＤ表面の近くに配置される。さらにＬＯＥの入力アパーチャはビームスプリッター１２８のアパーチャよりもはるかに小さいため、コリメータレンズ１２６は前例よりも小さく設計可能で、よって大きなｆ数を有する。なお図３２に示される照明システムは一例に過ぎず、これ以外にも反射または透過ＬＣＤを照射するための構成、またはその他にも光学システムの仕様及び所望のパラメータに対応する照明構成も可能である。

なお、さらに考慮すべき重要な点としてＬＯＥの製造過程がある。この構成の特徴の１つに選択的反射面２２のアレイにある。図３４は選択的反射面のアレイを製造する方法の一例を示す。ここでは複数の平坦プレート１３８が所望のコーティング１４０で覆われ、そしてこれらのプレートは相互に付着され、積層スタック１４２を形成する。そしてこのスタックから１セグメント１４４が切り取られ、これが研磨されて所望の反射面のアレイ１４６が形成される。このアレイが他の素子と組み合わされてＬＯＥが形成される。なお、コーティングされるプレート１３８の実際の大きさ及びＬＯＥの所望の大きさによってセグメント１４４は１以上のアレイから構成されることも可能である。図４〜７に示されるように選択的反射面のコーティングは、ＬＯＥの的確な動作を保証するために特定の角度及びスペクトル応答を有すべきである。したがってＬＯＥを最終的に製造する前にコーティングの実際の性能を的確に測定することが重要となる。上述のように、コーティングは２つの測定すべき角度領域を有する。これらはすなわち反射率が非常に低い高入射角度領域（通常６０〜８５°）及び表面の反射率が閉じ込められた波の一部をＬＯＥ外へ結合するために用いられる低入射角度領域（通常１５〜４０°このようなコーティングの試験工程の問題点として、現在の試験装置では高い入射角（通常６０度以上）において２つの透明プレート間のコーティングの反射率（または透過率）を測定するのが困難である。

図３５は高い入射角におけるコーティングされた表面１５０の反射率を測定する方法を示す。まず２つの角度αのプリズム１５２がコーティングされたプレートに付着される。入射ビーム１５４入射角αでコーティングされたプレートにぶつかる。このビームの一部１５６はもとの方向で進み続けここではその強度Ｔ_αが測定される。外面からのフレスネル反射を考慮して測定されるコーティングの角度αでの反射率はＲα＝１−Ｔαとして計算されうる。さらにビームの残りの部分はコーティングされた面から反射され、さらに全反射により下側のプリズムの外面から反射され、角度３αでコーティングされた面にぶつかり、角度αで上側プリズムの外面によって全反射によって再度反射され、そして角度αでコーティングされた面によって反射され、プリズムから外へ結合される。ここで出力ビーム１５８の強度が測定されうる。フレスネル反射を考慮して、この出力ビームの強度は（Ｒ_α）^２＊Ｔ_３αである。したがって前工程から反射率Ｒ_αを知っていることにより、これに応じて角度３αでの反射率を計算することができる。試験装置によっては出射ビームが入射ビームと同軸に位置いていることを要するものがある。図３６はビームを元にビームに移行するための折りたたみプリズム１６０を示す。もとの光線１５４の残留成分は適当なマスクまたは遮断層１６２を用いて遮断されうる。

各プリズムの対は２つの角度（α、３α）での反射率を測定することができる。例えばヘッド角度が２５度である場合２５度及び７５度での反射率が同時に測定されうる。したがってコーティングされたプレートを適正に測定するために要されるプリズムの数は少数ですむ（２〜３）。ここで示される構成は必要に応じて異なる波長及び２つの異なる極性におけるこれら２つの角度の反射率を測定するのに適用されうる。

なお、同業者には自明であるように、本発明は上述の具体的実施例に限定されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなくこれ以外の実施を実現することは可能である。したがって上述の実施例は非限定的な例として提示されるものとみなされ、本発明の範囲はこれらの実施例には限定されず、請求項及びこの均等物によってのみ規定されうる。

従来技術例による一般的な折りたたみ式の光学装置の側面図である。 本発明の一実施例による光導体光学素子の側面図である。 本発明の一実施形態において適用される選択的反射面のある入射角に対する所望の反射特性及び透過特性を示す図である。 本発明の一実施形態において適用される選択的反射面のある入射角に対する所望の反射特性及び透過特性を示す図である。 あるダイクロイック・コーティングの波長を関数とする反射カーブを示す図である。 あるダイクロイック・コーティングの入射角を関数とする反射カーブを示す図である。 あるダイクロイック・コーティングの波長を関数とする反射カーブを示す図である。 あるダイクロイック・コーティングの入射角を関数とする反射カーブを示す図である。 本発明の一実施形態による反射面の概略断面図である。 選択的反射面のアレイの一例を示す詳細断面図である。 選択的反射面のアレイの一例を示す詳細断面図である。 薄い透明層が光導体光学素子の底部に接着された構成における選択的反射面のアレイの一例を示す詳細断面図である。 ３つの異なる視覚についての選択的反射面のアレイの一例からの反射を示す詳細断面図である。 本発明の一実施形態による入射光の極性を回転させるための半波長板を適用する光学装置の断面図である。 投影表示の画像及び外部（透明）シーンのそれぞれにおけるＦＯＶを関数とする輝度のシムレーション計算を示すグラフである。 本発明の一実施形態による４つの部分的反射面のアレイを有する光導体光学素子（ＬＯＥ）の構成を示す図である。 本発明のまた別の実施形態による４つの部分的反射面のアレイを有する光導体光学素子（ＬＯＥ）の構成を示す図である。 二重ＬＯＥ構造を用いてビームを両軸に沿って拡大する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による液晶ディスオプレイ（ＬＣＤ）光源を用いる装置の側面図である。 本発明の一実施形態によるコリマータ及び折りたたみ光学素子の光学レイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態による基板に結合される光のコリマータレンズの表面上における形跡を示す図である。 本発明の一実施形態による光学素子の開いた状態の等価光学レイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態による広い視野を実現するために２対の平行ミラーを適用する光学レイアウトを示す図である。 本発明のまた別の実施形態による光を拡大するための構成の平面図である。 本発明のまた別の実施形態による光を拡大するための構成の側面図である。 本発明の一実施形態を通常のメガネフレームに導入する例を示す図である。 本発明の一実施形態を携帯電話などのモバイル式手持ち装置に導入する方法の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるＨＵＤシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による光導体光学素子が表示源のアレイによって照射される構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるビューアの目に３Ｄ画像を映す画像形成システムの一例を示す図である。 スターズライト増幅器（ＳＬＡ）の一般的な導入例を示す図である。 本発明の一実施形態による改善されたスターズライト増幅器（ＳＬＡ）の導入例を示す図である。 本発明の一実施形態による一般的な照明手段を有する反射性液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）表示源を適用する装置の側面図である。 本発明の一実施形態による光導体を表示源の照明手段として具備する反射性液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）表示源を適用する装置の側面図である。 本発明の一実施形態による選択的反射面のアレイを製造する方法を示す図である。 ２つの異なる角度で被覆プレートの反射性を測定するために２つのプリズムを用いる測定機構を示す図である。 ２つの異なる角度で被覆プレートの反射性を測定するために２つのプリズムを用い、更に第２出力ビームと入射ビームとを整列するために折りたたみプリズムを用いる測定機構を示す図である。

Claims (43)

1. 平行な二つの主要な表面を有すると共に、エッジを有すると共に、前記主要な表面に対する法線方向に延びる軸を定義する、光を透過させる基体、
   前記主要な表面から前記基体の中へと複数の光線を結合させるための光学的な手段、及び、前記複数の光線が、内部全反射によって前記基体内にトラップされること、並びに、
   前記基体内に位置させられた少なくとも一つの部分的に反射させる表面、
   前記表面が、前記基体の前記主要な表面に対して非平行なものであること、及び、内部全反射によってトラップされた前記光の少なくとも一部分が、前記部分的に反射させる表面によって前記基体の外へ反射させられること
   ：を含む、光学的なデバイスにおいて、
   前記基体の内側において同じ軸外の角度を有する内部全反射によってトラップされた且つ前記基体へと結合させられた複数の光線は、前記基体の表面からの異なる回数の反射の後に二つの異なる入射の角度で前記部分的に反射させられた表面と交差すると共に、
   それによって、前記二つの入射の角度の一方からの前記部分的に反射させられた表面からの反射率は、前記二つの入射の角度の他方からの反射率と比べてより小さいものである
   ことを特徴とする、光学的なデバイス。
2. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記基体へと結合させられた複数の光線は、二つの異なる入射の角度で少なくとも二回前記部分的に反射させる表面に交差する、光学的なデバイス。
3. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記基体にトラップされた複数の光線は、二つの異なる領域で前記部分的に反射させる表面に当たると共に、
   前記部分的に反射させる表面は、前記領域の一方についての小さい反射率及び前記領域の他方についてのより大きい反射率を有する、光学的なデバイス。
4. 請求項３に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記部分的に反射させる表面は、より低い入射の角度でより高い反射率及びより高い入射の角度でより低い反射率を有する、光学的なデバイス。
5. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記部分的に反射させる表面は、前記入射の角度の一つについての小さい反射率及び前記入射の角度の第二のものについてのより大きい反射率を有する、光学的なデバイス。
6. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   より小さい反射率を有する前記一方の入射の角度は、前記他方の入射の角度と比べてより大きいものである、光学的なデバイス。
7. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記少なくとも一つの部分的に反射させる表面は、二つの又はより多くの部分的に反射させる表面のアレイであると共に、
   前記部分的に反射させる表面は、相互に対して平行なものであると共に前記基体の前記主要な表面のエッジのいずれに対しても非平行なものであることを特徴とする、光学的なデバイス。
8. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   前記光学的な手段は、前記基体に位置させられた波を反射させる表面である、光学的なデバイス。
9. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
   入力の光の波及び出力の光の波は、前記基体の同じ主要な表面に位置させられる、光学的なデバイス。
10. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    入力の光の波は、前記基体の一方の主要な表面に位置させられると共に前記出力の光の波は、前記基体の別の主要な表面に位置させられる、光学的なデバイス。
11. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記入力の光の波は、それのエッジの一つを通じて前記基体へと結合させられる、光学的なデバイス。
12. 請求項７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記部分的に反射させる表面の各々の反射率は、異なるものである、光学的なデバイス。
13. 請求項７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記部分的に反射させる表面の間における距離は、視野にわたる輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
14. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記部分的に反射させる表面は、Ｐ偏光を部分的に反射するためのコーティングを含む、光学的なデバイス。
15. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記部分的に反射させる表面は、Ｓ偏光を部分的に反射するためのコーティングを含む、光学的なデバイス。
16. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記部分的に反射させる表面は、無偏光を部分的に反射するためのコーティングを含む、光学的なデバイス。
17. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    相互に対して平行なものであると共に前記少なくとも一つの部分的に反射させる表面に対して平行ではないものである少なくとも一つの部分的に反射させる表面に関して相隔てられた関係で、前記基体に位置させられた一つの又はより多くの反射させる又は部分的に反射させる表面の第二のセットをさらに含む、光学的なデバイス。
18. 請求項１７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記反射させる又は部分的に反射させる表面の第二のセットは、内部全反射によって前記基体に結合させられた光の伝搬の方向を変化させる、光学的なデバイス。
19. 請求項１７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記第二の複数の部分的に反射させる表面の反射率は、均一な輝度プロフィールを有する視野を生じさせる、光学的なデバイス。
20. 請求項１７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記第二の複数の部分的に反射させる表面の反射率は、視野にわたる輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
21. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    前記基体によって担持された反射させる表面の少なくとも一つの対をさらに含むと共に、
    前記反射させる表面の対は、相互に対して平行なものであると共に前記基体のエッジの一部分である、光学的なデバイス。
22. 請求項２１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記反射させる表面の少なくとも一つの対は、内部全反射によって前記基体に結合させられた光の伝播の方向を変化させると共にその次にそれの元来の方向に対して逆戻りにそれを反射させる、光学的なデバイス。
23. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    一緒に組み合わせられた少なくとも二つの異なる光を透過させる基体を含む、光学的なデバイス。
24. 請求項２３に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記少なくとも二つの基体に位置させられるものである前記部分的に反射させる表面の反射率は、視野にわたって輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
25. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    表示光源をさらに含む、光学的なデバイス。
26. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記表示光源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である、光学的なデバイス。
27. 請求項２６に記載の光学的なデバイスにおいて、
    拡散体は、前記光源及び前記ＬＣＤの液晶の間に位置させられると共に角度的な選択的な拡散体である、光学的なデバイス。
28. 請求項２６に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記拡散体の角度的な配置は、視野にわたる輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
29. 請求項２５に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記表示光源は、発散の角度を有する、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ）である、光学的なデバイス。
30. 請求項２９に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記ダイオードの発散の角度は、視野にわたって輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
31. 請求項２５に記載の光学的なデバイスであって、
    前記表示光源と整列させられたマイクロレンズのアレイをさらに含む、光学的なデバイス。
32. 請求項３１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記マイクロレンズの焦点距離及び場所は、視野にわたって輝度を制御するように選択される、光学的なデバイス。
33. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記基体は、部分的に透明なものである、光学的なデバイス。
34. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    外部のシーンからの前記基体を横切る光の入りを遮断するように、前記基体の上に又はそれの中に位置させられた不透明な表面をさらに含む、光学的なデバイス。
35. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    外部のシーンからの前記デバイスを通過する光の輝度を制御するために、前記基体を横切る光の入りを減衰させるように、前記基体を参照して位置させられた可変な透過率の表面をさらに含む、光学的なデバイス。
36. 請求項３５に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記可変な透過率の表面の透過率は、前記基体を横切るように方向付けられた光の輝度に従って自動的に制御される、光学的なデバイス。
37. 請求項１に記載の光学的なデバイスであって、
    像を生じさせるための複数の表示光源をさらに含む、光学的なデバイス。
38. 請求項３７に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記複数の表示光源からの像は、相互に異なる、光学的なデバイス。
39. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記デバイスは、前記外部のシーンからの光を前記基体へと結合させる、光学的なデバイス。
40. 請求項２５に記載の光学的なデバイスであって、
    前記表示光源は、前記複数の光線を生じさせるためのスターライト増幅器である、光学的なデバイス。
41. 請求項４０に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記スターライト増幅器は、観察者の頭の後方に位置させられた前記スターライト増幅器の対物系及び観察者の頭の前方における接眼系と共に、観察者の頭の側に配置されるように構成される、光学的なデバイス。
42. 請求項１に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記少なくとも一つの部分的に反射させる表面は、トラップされた光の波を物体上に反射させる、光学的なデバイス。
43. 請求項４２に記載の光学的なデバイスにおいて、
    前記物体は、液晶ディスプレイである、光学的なデバイス。

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