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公開番号2024041889
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-27
出願番号2024002033,2021542115
出願日2024-01-10,2020-01-27
発明の名称入力開口が小さく、かつ高効率なコンパクトヘッドマウントディスプレイシステム
出願人オーリムオプティクスエルティーディー.
代理人個人,個人
主分類G02B 27/02 20060101AFI20240319BHJP(光学)
要約【課題】応用上の具体的な要求に適合し、かつ改良された性能を有するコンパクトな光学的ディスプレイデバイスを提供する。
【解決手段】光学デバイスは、光透過基板と、入力開口及び出力開口と、アイモーションボックスと、光透過基板の外部に設けられかつ光波を入力開口を介して基板内へカップルインさせる中間素子と、光透過基板の2つの主面の間に設けられかつカップルインした光波を基板の2つの主面で内部全反射するように反射する第1の反射面と、光透過基板の2つの主面の間に設けられかつ第1の反射面に平行で光波を基板からカップルアウトさせる第2の反射面と、出力開口を通って基板からカップルアウトした光波をアイモーションボックスへと方向転換する光学素子を備えている。入力開口は出力開口よりも実質的に小さく、第1及び第2の反射面の有効領域は形状が類似で、カップルインした各光波はアイモーションボックスの全開口をカバーする。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
少なくとも第１の主面と第２の主面と端部とを有する、光学的に透明な基板と、
所定の視野を持ち、入射光波を前記基板にカップルインさせると共に、前記基板の第１の主面で入射した光波を内部全反射させる、カップルイン要素と、
前記光学的に透明な基板の２つの主面の間に位置し、前記基板から光波をカップルアウトさせる少なくとも１個の反射面と、
前記基板の第１の主面の少なくとも一部に光学的に取り付けられた平坦なプレートとを備え、
前記基板の第１の主面に実質的に垂直な向きの平坦な吸収面から成るアレイが、前記基板の内部に埋め込まれ、
前記平坦なプレートは、垂直な入射光波に対して実質的に透明であり、
さらに、前記基板からカップルアウトし、前記平坦なプレートに入射した光波は、前記吸収面により吸収される、光学デバイス。
続きを表示（約 460 文字）【請求項２】
前記カップルイン要素は前記基板の外部に位置する、請求項１の光学デバイス。
【請求項３】
入射光波は、前記基板の第２の主面を経由して前記基板へカップルインする、請求項１の光学デバイス。
【請求項４】
少なくとも２個の平行な主面と端部とを備える平坦な透明要素をさらに備え、前記カップルイン要素は前記透明要素の２個の主面の間に位置する、請求項１の光学デバイス。
【請求項５】
前記透明要素は前記基板の第２の主面に光学的に取り付けられている、請求項４の光学デバイス。
【請求項６】
前記入射光波は、前記カップルイン要素により前記基板にカップルインする前に、前記透明要素の２個の主面で内部反射し、透明要素の内部を伝搬する、請求項４の光学デバイス。
【請求項７】
アイモーションボックスをさらに備え、前記基板にカップルインした光波は、前記少なくとも１個の反射面により、アイモーションボックスへと反射される、請求項１の光学デバイス。

発明の詳細な説明【発明の分野】
【０００１】
この発明は基板を用い光波をガイドする光学デバイスに関し、特に光透過基板に支持された反射面と前記基板に支持された部分反射面のアレイとを有するデバイスに関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【０００２】
この発明は、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、セルラーフォン、コンパクトディスプレイ、3Dディスプレイ等の、種々の画像装置に実装できる。
【発明の背景】
【０００３】
コンパクトな光学素子の重要な応用の1つに、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）がある。HMDでは、光学モジュールを画像形成用のレンズかつ結合器として用い、無限遠に焦点を持つ2次元画像を形成し視者の目に入射させる。画像は空間光モジュレータ（SLM）により直接形成でき、SLMには例えば陰極線管（CRT）、液晶ディスプレイ（LCD）、有機LEDアレイ（OLED）、その他の走査手段などがある。画像を間接的に形成するには、リレイレンズ、光学ファイバーの束などを用いる。画像は画素の集まりからなり、コリメートレンズにより無限遠に焦点が合わされ、反射面あるいは部分反射面を用いて、視者の目に転送される。部分反射面はシースルーユースでの結合器、反射面はノンシースルーユースでの結合器である。通常は、これらの目的にフリースペース光学モジュールを用いる。システムの視野（FOV）を増すと、在来の光学モジュールは大きく、重く、嵩張るようになるので、控えめの性能の装置を作ることも難しい。このことはあらゆるディスプレイの欠点であるが、軽量かつ小型であることが求められるHMDで特に問題になる。
【０００４】
ディスプレイをコンパクトにするためいくつかのソリューションが追求されたが、それらは多くの応用にとって十分にコンパクトではなく、また製造が困難で、高価かつ低性能である。
【０００５】
WO2017/141239,WO2017/141240,WO2017/141242,及びPCT/IL2018/051105に開示された事項は、この明細書でも開示されているものとする。
【発明の概要】
【０００６】
この発明は、種々の応用に対し、特にHMDに対し、コンパクトな基板を使用できるようにする。この発明では、広いFOVと大きなアイモーションボックス（EMB）を同時に提供する。得られる光学システムは大きな高質の画像を提供し、視野も広い。この発明の光学システムは、最新の機器よりもコンパクトで、かつ実装上の制限がある機器にも容易に実装できる点で、優れている。
【０００７】
この発明の基本的な目的は、応用上の具体的な要求に適合し、かつ改良された性能を有するコンパクトな光学的ディスプレイデバイスを提供することにある。
【０００８】
この発明の光学的デバイスは、少なくとも２つの平行な主面と、２つの互いに対向するエッジとを有する、第１の光透過基板と、入力開口と、光透過基板の主面の一方に隣接して配置されている出力開口と、開口を有するアイモーションボックスと、光透過基板の外部に配置され、少なくとも２つの面を持ち、入力開口からの視野内の光波を基板にカップルインさせる、第１の中間素子と、光透過基板の２つの主面の間に位置し、有効領域を備え、基板の２つの主面で内部全反射するように、カップルインした光波を反射する、第１の平坦な反射面と、第１の平坦な反射面に平行で、光透過基板の２つの主面の間に位置し、有効領域を備え、光波を基板からカップルアウトさせる、第２の平坦な反射面と、光透過基板の外部に配置され、少なくとも２つの面を持ち、基板から出力開口を通ってカップルアウトした光波をアイモーションボックスへと方向転換する、方向転換光学素子とを備え、入力開口は出力開口よりも実質的に小さく、第１の平坦な反射面の有効領域は第２の平坦な反射面の有効領域と形状が類似で、カップルされた各光波がアイモーションボックスの全開口をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
この発明を、より充分に理解できるよう、以下の模式的な図を参照し、幾つかの好ましい実施例との関連において説明する。
図には詳細を示すが、このような詳細は例を示すもので、かつこの発明の好ましい実施例を模式的に示すためのみのもので、この発明の概念と原理を最も実用的にかつ容易に理解し得るように示すものである。この点に関し、この発明を根本的に理解するのに必要な範囲を越えて、発明の構造的な詳細を示す取り組みは行わない。図を参照しての説明は、当業者に対し、この発明の幾つかの形態をどのように実用化するかを示す。
【００１０】
図1は従来例での光透過基板の例を示す側面図である。
図2は従来例での光透過基板の他の例を示す側面図である。
図3は2つの入射角の範囲に対する、従来例での光透過基板の例に用いる、選択反射面の好ましい反射及び透過特性を示す。
図4は誘電コートの例に対する、入射角の関数としての反射曲線を示す。
図5は従来例の光透過基板の模式的断面図で、カップルイン素子とカップルアウト素子は回折光学素子である。
図6A，6B，6Cは、従来例の透過基板の断面図で、透過基板はカップルイン面とカップルアウト面を備え、さらに部分反射方向転換素子を備えている。
図7は、カップルアウト面の有効領域を模式的に示し、視点の角度とシステムのEMBに従って示す。
図8A，8B，8C，8Dは、カップルイン表面の有効領域を模式的に示し、視点の角度とシステムのEMBに従って示す。
図9A，9B，9C，9Dは、基板により光波をガイドする実施例の模式的断面図で、この実施例は、この発明に従って、1個のカップルアウト素子と、中間プリズム、及び出力開口よりも小さい入力開口を備えている。
図10は、界面での入射光波に対する、この発明での反射を、3つの異なる波長に対し、入射角の関数として示す。
図11は、2つの異なる波長での入射面への入射角と、この発明での界面での臨界角を波長の関数として示す。
図12A，12B，12Cは、この発明での、3つの異なる波長に対する界面での入射光の反射を入射角の関数として示し、かつ2つの光波への入射角を示す。
図13A，13B，13C，13Dは、他の、基板により光波をガイドするこの発明の実施例の模式的断面図で、実施例は1個のカップルイン素子と、中間プリズム、出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図14A，14B，14C，14Dは、基板により光波をガイドする、この発明の他の実施例の模式的断面図で、実施例は1個のカップルイン素子と、中間プリズム、及び出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図15は、カップルイン面での異なる3つの波長に対する、この発明での入射光波の反射を、入射角の関数として示す。
図16は、2つの異なる光波に対するカップルイン面への入射角と、この発明でのカップルイン面での臨界角を波長の関数として示す。
図17A，17B，17Cは、この発明での、3つの異なる波長に対するカップンリングイン面での入射光の反射を入射角の関数として示し、かつ2つの光波への入射角を示す。
図18A，18B，18C，18Dは、基板により光波をガイドする、この発明の実施例の模式的断面図で、実施例は1個のカップルアウト素子と、2個の中間プリズムと、出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図19A，19B，19C，19Dは、基板により光波をガイドする、この発明の他の実施例の模式的断面図で、実施例は1個のカップルアウト素子と、2個の中間プリズムと、出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図20A，20B，20C，20Dは、基板により光波をガイドする、この発明のさらに他の実施例の模式的断面図で、実施例は1個のカップルアウト素子と、2個の中間プリズムと、出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図21は、この発明の、基板により光波をガイドする実施例の模式的断面図で、実施例はカップルイン面の傾斜角が異なる2個の隣接する基板を備えている。
図22A，22B，22C，22Dは、この発明での、2つの隣接する基板を備え、かつ基板により光波をガイドする実施例での、カップルインされた単一光波を模式的に示す断面図である。
図23A，23B，23C，23Dは、この発明での、2つの隣接する基板を備え、かつ基板により光波をガイドする他の実施例での、カップルインされた光波を模式的に示す断面図である。
図24A，24B，24C，24Dは、2つの隣接する基板を備え、かつ基板により光波をガイドする、さらに他のこの発明の実施例での、カップルインされた光波を模式的に示す断面図である。
図25は、基板により光波をガイドする、この発明の実施例の内部での3つの異なる光波を示し、実施例は2個の隣接する基板と、1個の中間プリズムと、出力開口よりも実質的に狭い入力開口を備えている。
図26A，26Bは、基板により光波をガイドする実施例の模式的断面図で、不要な光波はシステムのEMBに達する。
図27は、この発明での基板により光波をガイドする実施例の模式的断面図で、実施例は、外部面からの内部全反射を減らすための、吸収面のアレイを備えている。
図28A，28B，28C，28D，28E、28Fは、この発明での吸収面のアレイを備えるプレートの製造方法を示す。
図29A，29Bは、この発明の、基板により光波をガイドする実施例の模式的断面図で、実施例では不要な迷光は薄いプレートの内部で吸収される。
図30は、この発明での、2枚の基板から成る構成を用い、2個の軸に沿って出力開口を拡張する方法を示す図である。
図31A，31Bは、基板により光波をガイドする他の実施例の模式的断面図で、実施例では偏光及び無偏光の表示源に対するコリメート素子として反射レンズを用いる。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
（【００１１】以降は省略されています）

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