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公開番号2024103549
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-01
出願番号2024083623,2022530336
出願日2024-05-22,2020-12-06
発明の名称コンパクト画像プロジェクタを備える光学系
出願人ルーマスリミテッド,Lumus Ltd.
代理人アクシス国際弁理士法人
主分類G02B 27/02 20060101AFI20240725BHJP(光学)
要約【課題】ゴースト画像および/または色収差を引き起こす可能性があり、それによって、LOEから結合される画像の品質が低下する場合がある。
【解決手段】光学系は、第1の端部および第2の端部を有する中空機械本体を有する。光学アセンブリは、スタック構成に配設された複数の光学部品を有する。光学部品の各々は、一組の係合構成を有する。スタック構成の隣接する光学部品の各対について、その対内の第1の光学部品の係合構成のうちの少なくともいくつかは、その対内の第2の光学部品の係合構成のうちの少なくともいくつかと係合する。スタック構成の第1の端部における、光学部品の係合構成のいくつかは、そのスタック構成の他の光学部品を中空機械本体内に位置決めするように、中空機械本体の第1の端部において、中空機械本体の対応する係合構成と係合する。放射型ディスプレイデバイスは、中空機械本体の第2の端部において展開される。
【選択図】図15
特許請求の範囲【請求項１】
光学系であって、
第１の端部および第２の端部を含む中空機械本体と、
スタック構成に配設された複数の光学部品を含む光学アセンブリであって、前記光学部品の各々が、一組の係合構成を含み、前記スタック構成の隣接する光学部品の各対について、前記対内の第１の光学部品の前記係合構成のうちの少なくともいくつかが、前記対内の第２の光学部品の前記係合構成のうちの少なくともいくつかと係合するように構成されており、前記スタック構成の第１の端部における、前記光学部品の前記係合構成のうちのいくつかが、前記スタック構成の他の光学部品を前記中空機械本体内に位置決めするように、前記中空機械本体の前記第１の端部において、前記中空機械本体の対応する係合構成と係合するように構成されている、光学アセンブリと、
前記中空機械本体の前記第２の端部において展開された放射型ディスプレイデバイスと、を備える、光学系。
続きを表示（約 770 文字）【請求項２】
前記スタック構成の前記第１の端部における、前記光学部品の前記係合構成が、少なくとも一対の外向きに突出するフランジを含み、前記中空機械本体の前記第１の端部における前記係合構成が、前記突出するフランジを受容するように構成された一対のチャネルを含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記中空機械本体が、内側側壁構成をさらに含み、前記光学部品のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの回転制限構成を含み、前記回転制限構成および前記内側側壁構成が、協働して、１つ以上の回転軸を中心とする前記光学アセンブリの回転量を制限する、請求項１に記載の光学系。
【請求項４】
前記中空機械本体の前記第２の端部が、前記放射型ディスプレイデバイスを受容するための受容部分、および外向きに突出する側壁構成を含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項５】
前記中空機械本体の前記第２の端部の前記外向きに突出する側壁構成において展開されるカバー部材をさらに備える、請求項１に記載の光学系。
【請求項６】
前記中空機械本体が、前記第１の端部から前記第２の端部まで先細りになっている、請求項１に記載の光学系。
【請求項７】
前記光学部品のうちの前記１つが、実質的にウェッジ形状の断面を有する、請求項１に記載の光学系。
【請求項８】
前記複数の光学部品が、一組のレンズを含む、請求項１に記載の光学系。
【請求項９】
前記一組のレンズが、厳密に４つのレンズを含む、請求項８に記載の光学系。
【請求項１０】
前記一組のレンズが、４つよりも少ないレンズを含む、請求項８に記載の光学系。
（【請求項１１】以降は省略されています）
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、２０１９年１２月８日に出願された米国仮特許出願第６２／９４５，１６５号の優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 3,900 文字）【０００２】
本発明は、画像プロジェクタおよび開口拡張光導波路を有する光学系およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光学配設では、観察者の眼が位置する領域（一般に眼球運動ボックスまたはＥＭＢと称される）をカバーするために大きい開口を必要とする。コンパクトなデバイスを実装するために、観察者の眼に投影される画像は、大きい開口を作り出すために増倍される小さい開口を有する小さい光学画像生成器（プロジェクタ）によって生成される。
【０００４】
１つの寸法での開口増倍へのアプローチは、画像が内部反射によって伝播する透明な材料の、平行に対面したスラブに基づいて開発されている。画像波面の一部は、斜めに角度が付けられた部分反射器を使用することによって、またはスラブの片面に回折光学素子を使用することによって、スラブから結合される。そのようなスラブは、本明細書では、光ガイド光学素子（ＬＯＥ）、光伝送基板、または導波路と称される。そのような開口増倍の原理は、図１に概略的に例示され、この図は、内部反射（好ましくは、全反射）によって光をガイドするための一対の平行な主要な外部表面（面）１２ａ、１２ｂを有する光ガイド光学素子１０を示す。画像プロジェクタ１１（概略的に、長方形として表されている）は、投影画像１４を生成し、ここでは、ビームにまたがるサンプル光線１４ａおよび１４ｂを含む照明ビーム１４によって概略的に表されている。この投影画像１４は、ここでは、プリズム１６（区別なく、「ウェッジ」とも称される）によって概略的に例示されているように、光学内部結合構成１６によって光ガイド光学素子１０に結合され、このため、基板内の内部反射によって閉じ込められる反射光線１８を生成し、また光線２０も生成する。ここで、ウェッジ１６は、３つの主要な表面１７ａ、１７ｂ、および１７ｃを含み、表面１７ｃは、ＬＯＥ１０の斜め縁端部１５のすぐそばに（または、共通して）位置されている（そこでは、縁端部１５は、面１２ａ、１２ｂに対して傾斜角度α
edge
にある）。画像１４は、表面１７ａを通ってウェッジ１６に入り、次いで、表面１７ｃおよび１５を介してＬＯＥ１０に結合される。
【０００５】
内部結合された画像は、ここでは、平行な面１２ａ、１２ｂに対して傾斜角度（α
sur
）で表面２２を部分的に反射する一連のものによって概略的に例示されているように、面１２ａ、１２ｂからの繰り返しの内部反射によって基板１０に沿って伝播し、光学外部結合構成２２に当たり、画像強度の一部が反射されて、表面１２ｂからアイレリーフ（ＥＲ）距離３０にあるＥＭＢ２８に位置する観察者の眼２６の瞳孔２５に向かう光線２４ａおよび２４ｂとして、基板から結合される。ゴースト画像を生じさせる可能性のある望ましくない反射を最小限に抑えるために、部分反射面２２は、好ましくは、第１の範囲の入射角に対して低い反射率を有する一方で、第２の範囲の入射角に対して所望の部分反射率を有するようにコーティングされ、部分的に反射する表面２２の法線に対して小さい傾斜を有する光線（ここでは角度β
ref
として表される）は、外へ結合させるための反射光線を生成するために分割される一方、高い傾斜（法線に対して）の光線は、無視できる反射で伝達される。
【０００６】
投影画像１４は、コリメートされた画像であり、すなわち、この場合、各画素は、観察者から遠く離れた景色からの光に相当する、対応する角度における平行光線のビームによって表される（このコリメートされた画像は、「無限大にコリメートされた画像」と称される）。ここでは、画像は、その画像内の単一の点、通常は画像の重心に対応する光線によって極端に簡略化して表されているが、実際には、この中心ビームの各側面に対するある角度範囲を含み、それらの光線は、対応する角度の範囲で基板に内部結合され、また、同様に対応する角度で外部結合され、それによって、観察者の眼２６に対して異なる方向に到達する画像の部分に対応する視界を作り出す。
【０００７】
以前に検討された幾つかの光学アーキテクチャは、ウェッジ内部結合構成と組み合わせて、反射型ディスプレイデバイス、または偏光型照明に応答して偏光した光を放出する透過型ディスプレイデバイス（シリコン上の液晶－ＬＣｏＳ、および液晶ディスプレイ－ＬＣＤなど）として実装されたマイクロディスプレイを利用する画像プロジェクタを採用している。これらの光学アーキテクチャは、画像プロジェクタとＬＯＥとの間の角度が一般にウェッジによって決定され、かつＬＯＥを満たすことができるように設計することが可能であるため（図１では、この角度は、表面１２ａ、１２ｂと、表面１７ａの法線との間の角度である）、広い視野（ＦＯＶ）をカバーする画像プロジェクタからの光波でＬＯＥを満たすことできる。しかしながら、反射型ディスプレイデバイス（例えば、ＬＣｏＳ）または透過型ディスプレイデバイス（例えば、ＬＣＤ）を採用する画像プロジェクタは、偏光した画像光波を生成するために、偏光した照明でディスプレイデバイスを照明するための照明部品、および偏光した照明をディスプレイデバイスに向け、かつ偏光した画像照明を出力して（場合によっては、偏光した画像照明を脱偏光化して）ＬＯＥ内に注入するための光学部品を必要とする。それらの照明部品には、例えば、１つ以上のＬＥＤ、レーザダイオード、ビームコンバイナ、光ファイバなどが含まれる。それらの光学部品には、例えば、１つ以上の偏光選択ビームスプリッタ、偏光子、偏光選択ビームスプリッタに結合されたコリメーティング光学部品類が含まれる。これらの照明部品および光学部品は、通常、製造コストが比較的高く、また、より重くてかさばる画像プロジェクタおよび光学系全体をもたらし、これらは、特に光学系が眼鏡フォームファクタで実装される場合、光学系がニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）デバイスまたはヘッドマウンテドディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスの一部として展開される状況では、好ましくない場合がある。さらに、放射型ディスプレイデバイスを利用する画像プロジェクタとともにウェッジ型光学内部結合構成を使用することにより、ゴースト画像および／または色収差を引き起こす可能性があり、それによって、ＬＯＥから結合される画像の品質が低下する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、光ガイド光学素子およびコンパクト画像プロジェクタを有する光学系、ならびにそのコンパクト画像プロジェクタを構築するための方法である。本発明の一態様による特定の好ましい実施形態は、中空機械本体（すなわち、ハウジング）内のスタック内に配設された光学部品とともに放射型ディスプレイデバイスを利用することによって、コンパクトかつ軽量の画像プロジェクタを提供する。光学部品は、好ましくは、特別に設計された成形型を利用すること、および、例えば、鋳造、射出成形技術、または任意の他の関連する成形プロセスを使用することによって、プラスチック、ガラス、またはポリマー材料で製造される。光学部品を製造するために使用される成形型は、スタックの隣接する光学部品間の機械的な連動係合を促進する光学部品の係合構成を画定する。本発明の別の態様による他の実施形態は、光学系によって出力される画像内のゴースト画像を低減する光学内部結合構成を提供する。本発明のさらに別の態様では、画像プロジェクタの部品から生じ得るゴースト画像は、画像プロジェクタの光学部品（および／または光学部品を収容／保持する機械本体）の側壁を修正することによって低減される。本発明のさらに別の態様によるさらなる実施形態は、光ガイド光学素子および／または光学内部結合構成によって引き起こされる色収差の影響を補償する光学部品を含む画像プロジェクタを提供する。
【０００９】
本発明の実施形態の教示によれば、光学系が提供される。この光学系は、第１の端部および第２の端部を含む中空機械本体と、スタック構成に配設された複数の光学部品を含む光学アセンブリであって、その光学部品の各々は、一組の係合構成を含み、そのスタック構成の隣接する光学部品の各対について、その対内の第１の光学部品の係合構成のうちの少なくともいくつかは、その対内の第２の光学部品の係合構成のうちの少なくともいくつかと係合するように構成され、そのスタック構成の第１の端部における、光学部品の係合構成のいくつかは、スタック構成の他の光学部品を中空機械本体内に位置決めするように、中空機械本体の第１の端部において、中空機械本体の対応する係合構成と係合するように構成されている、光学アセンブリと、その中空機械本体の第２の端部において展開された放射型ディスプレイデバイスと、を備える。
【００１０】
任意選択的に、そのスタック構成の第１の端部における、光学部品の係合構成は、少なくとも一対の外向きに突出するフランジを含み、その中空機械本体の第１の端部における係合構成は、突出するフランジを受容するように構成された一対のチャネルを含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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