JP2017535825A - 超微細構造によって保護されたコンパクトなヘッドマウントディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの主な外表面及びエッジを有する光伝達性の基板（２０）と、内部反射により前記基板（２０）の中へ光波を結ぶ光学素子と、前記基板（２０）内に位置し、前記基板（２０）の外へ光波を結ぶ少なくとも１つの部分反射面と、ベース（１１２）及び該ベース上に構築されているレリーフフォーメーションを規定する超微細構造（１１１）を含む少なくとも１つの透明な空気ギャップ膜と、を含み、前記レリーフフォーメーションが、界面平面（５８）を規定する前記基板（２０）に面して、前記空気ギャップ膜が、前記基板（２０）の主な外表面の１つに取り付けられていることで、前記基板内で結ばれた前記光波は、前記界面平面（５８）で実質的に全反射する、光学システム。

Description

本発明は、基板ガイド型の光学装置に関し、特に、光ガイド素子とも呼ばれる共通の光伝達性の基板によって支持された複数の反射面を含む装置に関する。

コンパクトな光学素子の１つの重要なアプリケーションは、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）にある。ここで、光学モジュールは、結像レンズとコンバイナ（combiner）の両方として機能し、２次元の画像源が無限遠（infinity）で結像され、観察者の眼に反射される。表示源は、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）、走査源又は同様の装置のような空間光変調器（ＳＬＭ）から直接的に取得されるか、リレーレンズ又は光ファイババンドルを用いて間接的に取得されることができる。表示源は、コリメートレンズによって無限遠で結像された素子（ピクセル）のアレイを含み、非シースルー及びシースルーのアプリケーションのコンバイナとして作用する反射又は部分反射面を用いて、観察者の眼に伝達される。典型的には、これらの眼的のために従来の自由空間光学モジュールが使用される。しかし、システムの所望の視野（ＦＯＶ）が広くなるにつれて、そのような従来の光学モジュールはより大きく、より重く、よりかさばるようになり、従って、システムのような適度な性能の装置に対してでさえ、実用的ではない。これは、すべての種類のディスプレイ、特にヘッドマウントのアプリケーションでは、システムは可能な限り軽くてコンパクトでなければならないという、大きな欠点である。

コンパクトさのための試みが、いくつかの異なる複雑な光学的解決策をもたらしているが、いずれも、一方では、まだほとんどの実用的なアプリケーションには依然として十分にコンパクトではなく、他方では、製造可能性の観点からで主要な欠点を有する。さらに、これらの設計から生じる光学的視野角のアイモーションボックス（ＥＭＢ）は、通常、非常に小さく、典型的には８ｍｍ未満である。従って、光学システムの性能は、観察者の眼に対する光学システムの小さな動きに対しても非常に敏感であり、そのようなディスプレイからのテキストの快適な読み取りのために十分に瞳孔運動を許容しない。

全て出願人の名義である、国際公開第０１／９５０２７号、国際公開第０３／０８１３２０号、国際公開第２００５／０２４４８５号、国際公開第２００５／０２４４９１号、国際公開第２００５／０２４９６９号、国際公開第２００５／１２４４２７号、国際公開第２００６／０１３５６５号、国際公開第２００６／０８５３０９号、国際公開第２００６／０８５３１０号、国際公開第２００６／０８７７０９号、国際公開第２００７／０５４９２８号、国際公開第２００７／０９３９８３号、国際公開第２００８／０２３３６７号、国際公開第２００８／１２９５３９号、国際公開第２００８／１４９３３９号、国際公開第２０１３／１７５４６５号及びアイルランド出願公開第２３２１９７号（IL232197）に含まれている教示は、参照により本明細書に援用される。

本発明は、アプリケーションの中でもとりわけ、ＨＭＤのための非常にコンパクトな光ガイド光学素子（ＬＯＥ）の利用を容易にする。本発明により、相対的に大きなＥＭＢ値とともに相対的に広いＦＯＶを可能にする。結果として生じる光学システムは、眼の大きな動きにも対応する、大きい、高品質の画像を提供する。本発明によって提供される光学システムは、最先端技術の実装よりもかなりコンパクトでありながら、特殊な構成を有する光学システムにも容易に組み込むことができるため、特に有利である。

このため、本発明の広義の眼的は、従来技術のコンパクトな光学ディスプレイ装置の欠点を軽減し、特定の要件に従って、改善された性能を有する他の光学コンポーネント及びシステムを提供することである。

本発明は、ポータブルＤＶＤ、携帯電話、モバイルＴＶレシーバ、ビデオゲーム、ポータブルメディアプレーヤ、他の任意のモバイルディスプレイ装置等の多数のイメージングアプリケーションにおいて有利に実装することができる。

ＬＯＥの動作の主な物理的原理は、ＬＯＥの外表面からの内部全反射によって光波が基板内部にトラップされることである。しかし、少なくとも１つの外表面に他の光学素子を取り付ける必要がある状況がある。この場合、一方では、外表面からの光波の反射がこの取り付けによって劣化しないこと、他方では、ＬＯＥの光波のカップリングアウト及びカップリングインメカニズムが妨げられないことを確かにすることが不可欠である。結果として、ＬＯＥの内部で結ばれ、斜めの角度で表面に当たる光波の全体を実質的に反射し、垂直に近い入射で表面に当たる光波を実質的に伝達する角度感受性反射機構を外表面に追加することが必要とされる。

先の発明（例えば、国際公開第２００５／０２４４９１号に記載されている）では、反射機構が示されており、ここでは、ＬＯＥの表面に角度感受性薄膜誘電コートを施している。本発明によれば、モスアイ構造を含む空気ギャップ膜を利用する代替の反射機構が提示される。モスアイは普通ではない性質を有する。つまり、表面は反射を排除する自然なナノ構造の膜で覆われている。これにより、蛾（モス）は、捕食者までの位置を与える反射がなくても暗闇の中でよく見ることができる。この構造は、約２００ｎｍの高さのバンプの六角形のパターンから成り、その中心同士は約３００ｎｍ離れている。この種の反射防止膜は、バンプが可視光線の波長よりも小さいために作用するので、光は、空気レンズ界面を効果的に除去することによって反射を減少させる、空気と媒体との間に連続的な屈折率勾配を有するとして表面を「見る」。実用的な反射防止膜は、この効果を利用して人間によって作られ、生物模倣の一形態である。モスアイレプリカは、垂直入射光に対する反射率が、これらの構造に対して事実上完全に排除されることを示している。そのような高密度で不均一な超微細周期構造の他の形状及び寸法による光学モデリング及び実験は、より広い波長範囲（ＵＶからＩＲ）及びより広い光入射角度（０±６０度）における反射を抑制することが可能であることを証明している。

本発明によれば、モスアイ膜又は任意の類似する超微細構造は、反射防止膜として利用されない。代わりに、特別な超微細構造が、必要とされる角度感受性反射機構として利用される。光学素子をＬＯＥの外表面に取り付ける必要があるときは、取り付け後に超微細構造がＬＯＥに面するように光学素子に空気ギャップ膜を接着する。このため、ＬＯＥ内部でのカップリングイン光波が異なる斜角で超微細構造に衝突するとき、周期構造の外側部分のみを「見る（see）」。このため、入ってくる光学的な光波によって「見える」実際の屈折率は、空気の屈折率に近く、全反射機構は保存される。一方、空気ギャップ膜は、外界シーンから入ってくる光波、又はＬＯＥから外へ結ばれる光波に対しては、実質的に透明である。

このため、本発明は、なくとも２つの主な外表面及びエッジを有する光伝達性の基板と、内部反射により前記基板の中へ光波を結ぶ光学素子と、前記基板内に位置し、前記基板の外へ光波を結ぶ少なくとも１つの部分反射面と、ベース及び該ベース上に構築されているレリーフフォーメーションを規定する超微細構造を含む少なくとも１つの透明な空気ギャップ膜と、を含み、前記レリーフフォーメーションが、界面平面を規定する前記基板に面して、前記空気ギャップ膜が、前記基板の主表面の１つに取り付けられていることで、前記基板の内部で結ばれた前記光波は、前記界面平面で実質的に全反射する、光学システムを提供する。

本発明は、より完全に理解されるように、以下の例示的な図面を参照して、特定の好ましい実施形態に関連して記載される。

図面を詳細に具体的に参照すると、示された詳細は、例としてであり、本発明の好ましい実施形態を説明することのみを眼的とし、本発明の原理及び概念的な側面の記載のうち、最も有用で容易に理解されると考えられるものを提供するために提示していることを強調する。この点、本発明の基本的な理解に必要であることを超えてより詳細に本発明の構造的な詳細を示すことは試みていない。図面で採用されている説明は、本発明のいくつかの形態をどのように実際に具現化し得るかついて、当業者への指針として役に立つものである。

図１は、例示的な従来技術のＬＯＥの側面図である。 図２は、ディスプレイ光源からの入力光波をコリメートする、従来技術の光学装置を示す概略図である。 図３は、ディスプレイ光源からの入力光波をコリメートして、ＬＯＥの中へ結ぶ従来技術のシステムを示す概略図である。 図４は、ディスプレイ光源からの入力光波をコリメートして、基板の中へ結ぶ従来技術の別のシステムを示す概略図であり、ここでは、コリメートモジュールは、基板に取り付けられている。 図５は、本発明に従う、本発明の例示的な実施形態を示し、ここでは、負レンズが導光光学素子の外表面に取り付けられている。 図６は、本発明に従う、本発明の例示的な実施形態を示し、ここでは、負レンズ及び正レンズが導光光学素子の外表面に取り付けられている。 図７ａは、空気ギャップ膜の例示的な実施形態の２次元概略図を示し、ここでは、明所領域の波長よりも短い小さなピッチで配置された透明誘電材料の超微細周期構造が、平坦な透明基板上に構築されている。 図７ｂは、空気ギャップ膜の例示的な実施形態の３次元概略図を示し、ここでは、明所領域の波長よりも短い小さなピッチで配置された透明誘電材料の超微細周期構造が、平坦な透明基板上に構築されている。 図８ａは、例示的な空気ギャップ膜の側面図を示す。 図８ｂは、例示的な空気ギャップ膜の上側表面図を示す。 図９ａは、ベースに近い内側断面についての例示的な空気ギャップ膜の側面図を示す。 図９ｂは、ベースに近い内側断面についての例示的な空気ギャップ膜の上側表面図を示す。 図１０ａは、空気に近い外側断面についての例示的な空気ギャップ膜の側面図を示す。 図１０ｂは、空気に近い外側断面についての例示的な空気ギャップ膜の上側表面図を示す。 図１１は、斜めの角度で超微細構造の上側に当たる光波の側面図である。 図１２は、本発明に従う、ＬＯＥの外表面に取り付けられている空気ギャップ膜を示し、ここでは、結ばれた光波が、ＬＯＥと膜との間の界面平面に当たる。 図１３ａは、本発明に従う、眼鏡システムの正面図を示す。 図１３ｂは、本発明に従う、眼鏡フレームの内側に組み立てられ、２つの光学レンズの間に埋め込まれているＬＯＥの上側表面図を示す。 図１４ａは、本発明に従う、接着剤なしでフレームの内部にまとめて取り付けられた前側正レンズと後側負レンズとの間に埋め込まれたＬＯＥを含む非モノリシック光学素子を示す。 図１４ｂは、本発明に従う、接着剤なしでフレームの内部にまとめて取り付けられた前側正レンズと後側負レンズとの間に埋め込まれたＬＯＥを含む非モノリシック光学素子を示す。 図１４ｃは、本発明に従う、接着剤なしでフレームの内部にまとめて取り付けられた前側正レンズと後側負レンズとの間に埋め込まれたＬＯＥを含む非モノリシック光学素子を示す。 図１５ａは、本発明に従う、周辺接着技術を利用して、２つの光学レンズの間にＬＯＥを埋め込むための代替方法を示す。 図１５ｂは、本発明に従う、周辺接着技術を利用して、２つの光学レンズの間にＬＯＥを埋め込むための代替方法を示す。 図１５ｃは、本発明に従う、周辺接着技術を利用して、２つの光学レンズの間にＬＯＥを埋め込むための代替方法を示す。 図１６ａは、本発明に従う、２つの光学レンズの間にＬＯＥをモノリシックに埋め込む代替方法を示す。 図１６ｂは、本発明に従う、２つの光学レンズの間にＬＯＥをモノリシックに埋め込む代替方法を示す。 図１６ｃは、本発明に従う、２つの光学レンズの間にＬＯＥをモノリシックに埋め込む代替方法を示す。 図１７ａは、本発明に従う、フレームの内側に組み立てられ、２つの平らな基板の間に埋め込まれているＬＯＥを示す。 図１７ｂは、本発明に従う、フレームの内側に組み立てられ、２つの平らな基板の間に埋め込まれているＬＯＥを示す。 図１７ｃは、本発明に従う、フレームの内側に組み立てられ、２つの平らな基板の間に埋め込まれているＬＯＥを示す。 図１８は、本発明に従う、例示的な実施形態を示し、ここでは、カップリングイン素子及びカップリングアウト素子が回折光学素子である。 図１９は、本発明に従う、例示的な実施形態を示し、ここでは、光学モジュールが携帯型ディスプレイシステムに組み込まれている。

図１は、本発明で利用可能な平面基板２０及び関連するコンポーネント（以下、「ＬＯＥ」とも呼ぶ）を含む、従来技術の光学システムの断面図を示す。光学手段、例えば反射面１６は、光源（図示せず）のディスプレイからコリメートされた光波１８によって照らされる。反射面１６は、光源からの入射光波を反射し、全反射によってＬＯＥの平面基板２０の内部に光波がトラップされる（trapped）ようにする。基板２０の主要な下側表面２６及び上側表面２８のいくつかの反射の後、トラップされた波は、選択的な部分反射面２２のアレイに到達する。部分反射面２２は、基板の外であって、観察者の眼２４の瞳孔２５の中に光を結ぶ。ここで、ＬＯＥの入力面は、入力光波がＬＯＥに入る面とみなされ、ＬＯＥの出力面は、トラップされた波がＬＯＥを出る面とみなされる。図１に示すＬＯＥの場合、入力面及び出力面の両方が下側表面２６上にある。しかし、他の構成、入力波及び像波を基板２０の反対側に位置させることができる、又は基板の傾斜したエッジを通して光をＬＯＥの中へ結ぶ場合が考えられる。

図２に示すように、ディスプレイ光源４からのｓ偏光された入力光波２を、その下側表面３０を通してコリメートモジュール６の中へ結ぶ。コリメートモジュール６は、通常、光伝導性材料からなる。偏光ビームスプリッタ３１の反射（reflection-off）に続いて、光をコリメートモジュール６の面３２を通して基板の外へ結ぶ。光は、次いで、１／４波長の遅延板３４を通過し、反射光学素子３６、例えば、平坦ミラーによって反射され、面３２を通ってコリメートモジュール６に再度入る。今や、ｐ偏光された光波を、偏光ビームスプリッタ３１を通過させて、コリメートモジュール６の面３８を通して光ガイドの外へ結ぶ。光波は、次いで、第２の１／４波長遅延板４０を通過し、コンポーネント４２、例えば、レンズによってその反射面４４でコリメートされ、戻って、遅延板４０を通過し、面３８を通って、コリメートモジュール６に再度入る。今度は、ｓ偏光された光波は、偏光ビームスプリッタ３１で反射し、上側表面４６を通ってコリメートモジュールを出る。反射面３６及び４４は、金属又は誘電コートのいずれかによって実現することができる。

図３は、図２に関連して詳述されたコンポーネントによって構成されたコリメートモジュール６が、どのように基板２０と組み合わせられて、光学システムを形成することができるのかを示す。コリメートモジュール６からの出力光波４８は、その下側表面２６を通って基板２０に入る。図２に示すように、基板２０に入る光波は、光学素子１６で反射され、基板内にトラップされる。ここで、ディスプレイ光源４と、折り畳みプリズム５２，５４と、偏光ビームスプリッタ３１と、遅延板３４，４０と、反射光学素子３６，４２とを含むコリメートモジュール６は、正確ではない機械的公差があっても、容易に単一の機械的モジュールに統合されることができ、基板からは独立して組み立てられることができる。さらに、遅延板３４，４０及び反射光学素子３６，４２は、それぞれ、まとまって接合されて単一の素子を形成することができる。

コリメートモジュール６の様々なコンポーネントのすべてを基板２０に取り付けると、単一のコンパクトな素子を形成して、単純化された機械的モジュールとなるため、有利である。図４は、そのようなモジュールを示し、ここでは、コリメートモジュール６の上側表面４６が界面平面５８で基板２０の下側表面２６に取り付けられている。この構成の主な問題点は、その取り付け手順（procedure）により、基板２０とコリメートモジュール６との間の既存の空気ギャップ５０（図３に示されている）をキャンセルしてしまうことである。この空気ギャップは、入力光波４８を基板２０の内部にトラップするために不可欠である。トラップされた光波４８は、界面平面５８のポイント６２及び６４で反射するべきである。したがって、反射機構は、基板２０の主表面２６又はコリメートモジュール６の上側表面４６のいずれかに、この平面を適用すべきである。しかし、これらの表面はまた、例示的なポイント６６において基板２０に出入りする光波に対して透明でなければならないので、単純な反射コートを容易に適用することはできない。光波は、小さな入射角で界面平面５８を通過し、より大きい入射角で反射するべきである。通常、通過入射角は０°と１５°との間であり、反射入射角は４０°と８０°との間である。

本発明の上述の実施形態においては、ＬＯＥの中で結ばれる像は、無限遠にコリメートされる。しかし、例えば、近視を患い、遠距離に位置する像を適切に見ることができない人々に対して、送信される像をより近距離で合焦させるべきアプリケーションがある。図５は、本発明に従い、レンズを使用する光学システムを示す。無限遠からの像８０を、反射面１６によって基板２０の中へ結び、次いで、観察者の眼２４に向けて部分反射面２２のアレイによって反射される。（平凹レンズ）レンズ８２は、像を都合のよい距離に合焦させ、乱視を含む観察者の眼の他の収差を任意に補正する。レンズ８２は、その平坦な表面８４で基板の表面に取り付けることができる。図４に関連して上記に説明されたように、内部全反射によって基板の内部での像光波８０のトラップを確実にするために、レンズと基板との間には、薄い空気ギャップを維持しなければならない。

さらに、本発明に関連するアプリケーションのほとんどでは、外界シーンが無限遠に位置していると想定している。しかし、外界シーンがより近い距離に位置する専門的又は医学的アプリケーションがある。図６は、本発明に基づく二重レンズ構成を実施する光学システムを示す。無限遠からの像光波８０は、反射面１６によって基板２０の中へ結ばれ、次いで、観察者の眼２４に向けて部分反射面２２のアレイによって反射される。近距離シーンからの他の像８６は、レンズ８８によって無限遠にコリメートされ、次いで、観察者の眼２４に向けて基板２０を通過する。レンズ８２は、像８０及び８６（images）を、都合のよい距離、（常にそうであると必ずしもないが）通常は外界シーン像の元の距離で合焦させ、必要に応じて観察者の眼の他の収差を補正する。

図５及び図６に示すレンズ８２及び８８は、それぞれ、単純な平凹レンズ及び平凸レンズであるが、基板の平面形状を維持するために、細かい段差を有する薄い成形プラスチックプレートからなるフレネルレンズを代わりに使用することもできる。さらに、レンズ８２又は８８を実現する代替方法としては、上述したような固定レンズを使用する代わりに、電子的に制御されたダイナミックレンズを使用することである。ユーザがコリメートされていない像を見ることができるだけでなく、像の焦点を動的に制御することができるというアプリケーションがある。高解像度の空間光変調器（ＳＬＭ）を使用して、ホログラフィック素子を形成できることが分かっている。現在のところ、その眼的のための最も一般的な光源はＬＣＤデバイスであるが、他のダイナミックＳＬＭデバイスも同様に使用することができる。１ｍｍ当たり数百本の高解像度のダイナミックレンズが知られている。この種の電子光学的に制御されたレンズは、図５及び図６に関連して上述した固定レンズの代わりに、本発明における所望の動的素子として使用することができる。したがって、ユーザは、基板によって投影された虚像と外界ビュー（external view）の実像との両方の正確な焦点平面をリアルタイムで、決定し、設定することができる。

図６に示すように、レンズ８２及び８８を基板２０に取り付けると、単一のコンパクトで簡略化された機械的モジュールを形成するため、有利である。明らかに、上述したような主な問題は、取り付け手順により、基板２０の内部に像光波８０をトラップするのに不可欠な、基板２０とレンズ８２，８８との間の既存の空気ギャップをキャンセルしてしまうことである。トラップされた像光波８０は、界面平面８４のポイント９０で反射され、ポイント９２で同じ平面を透過するべきである。したがって、図４に関連して上述したような類似の部分反射機構がこの平面に適用されるべきである。

必要とされる部分反射機構を達成するために、基材の主表面に角度感受性薄膜コートを施すことが可能である。しかし、この実施形態の製造は複雑で高価になる可能性がある。必要とされる部分反射機構を実現するための代替方法は、図７ａ及び図７ｂに示されるように、基板の主表面に透明な空気ギャップ膜１１０を取り付けることである。空気ギャップ膜という用語は、その表面に、明視野領域の波長よりも短いピッチで配置された透明な誘電材料の超微細周期構造１１１、例えば、平坦な透明基板１１２（以下、「ベース１１２」又は「ベース膜１１２」と称する）上に構築された高密度（不均一な）超微細周期構造１１１（以下、「レリーフフォーメーション（relief formation）」と称する）を有するモスアイ膜等の光学装置である。レリーフフォーメーションの高さは、（常にそうであると必ずしもないが）好ましくは１ミクロン未満であるべきである。

図８ａ及び図８ｂに見られるように、空気ギャップ膜１１０の表面に平行な任意の断面１２１は周期的なフォーメーションを有し、ここでは、レリーフフォーメーションの誘電材料１２３の比率（proportional portion）は、膜自体からの関数として徐々に変化する。

図９ａ、図９ｂ、図１０ａ及び図１０ｂに見られるように、ベース膜１１２、すなわち超微細構造１１１の下部に近い内側断面１２４においては、レリーフフォーメーション１２６における誘電材料１２５の比率は最大で実質的に１に近い。一方、外側断面１２７、すなわち、超微細構造１１１の上部の近くでは、レリーフフォーメーション１２９における誘電材料１２８の比率は最小、すなわち、材料１２５の比率よりもかなり低く、実質的にゼロに等しい。

典型的には、光波が周期構造を有する光学素子を通過すると、光の回折が生じ、回折光のゼロオーダの明るさ、すなわち、回折を伴わずに装置を透過する光がかなり低減される。しかし、超微細周期構造のピッチが入射光の波長よりもかなり短い場合、回折は起こらない。代わりに、光波は、この媒体に含まれる材料の平均である屈折率を有する媒体を「見る(see)」ので、効果的な反射防止特性が得られる。

一方、図１１に示すように、光波１３０が、斜めの角度で構造の上側で超微細周期構造１１１に当たると、周期構造の外側部分のみを「見る」のであり、ここでは、透明材料の比率は非常に低い。したがって、入射光波によって「見える」実際の屈折率は、空気１３１の屈折率に近い。

結果として、図１２に示すように、そのような空気ギャップ膜が基板２０の外表面２８に取り付けられると、結ばれた光波１３０は、臨界角よりも大きい角度で基板と膜との間の界面平面１３２に当たり、膜と基板との間に閉じ込められた空気１３１は、境界平面における空気のような屈折率により光学的分離を提供する。したがって、外表面からのカップリングイン光波の内部全反射現象は保存され、光波は基板の内部に含まれることになる。

高さ、ピークトゥーピーク、及び幅等の超微細構造の幾何学的特性は、通常、１０から８００ナノメートルの間であることができる。さらに、超微細構造の正確な形状は必ずしもモスアイの形状である必要はない。ピラミッド、プリズム、円錐、その他の任意の他のナノ構造形状を利用することができる。さらには、超微細構造は、周期構造が通常、製造するのが容易であるが、必ずしも明確に周期的である必要はない。しかし、この超微細構造は、以下の要件、構造は、一方では、取り付けプロセス中に崩壊しないように十分に硬く（solid）あるべきであり、他方では、基板の外側断面における誘電材料の比率が、基板内部の内部全反射現象を維持するために、実質的にゼロに等しくあるべきであることを満たすべきである。さらに、超微細構造の基本素子のサイズは、回折効果を避けるために、あまりにも大きくすべきではない。しかし、超微細構造の厚さを１００ｎｍ未満に小さくすると、望ましくはないが、トラップされた波の空気ギャップ膜の貫通と、内部全反射現象の劣化を許容してしまう可能性がある。その結果、超微細構造の厚さの代表的な必要とされる値は２００から３００ｎｍの間である。

図１３ａは眼鏡システム１４０の正面図を示し、図１３ｂは、２つの光学レンズ１４１，１４２の間に埋め込まれ、眼鏡フレーム１４３の内側に組み立てられた基板２０の上側表面図である。見られるように、光学素子に加えて、フレームは、カメラ１４４、マイクロフォン１４５、イヤホン１４６、ＵＳＢコネクタ、メモリカード、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）等を含む他のアクセサリを含むことができる。

図１４ａ、図１４ｂ及び図１４ｃは、前側正レンズ１５１と後側負レンズ１５２との間に埋め込まれ、接着剤なしでフレーム１５４内にまとめて搭載された非モノリシック光学素子１５０を示す。基板２０とレンズ１５１，１５２との間に空気ギャップ膜１１０（図１４ｃ）が位置する又は接合され、ここでは、超微細構造１１１が、それぞれ、基板２０の外表面２６及び２８に面している。空気ギャップ膜１１０は、光学レンズ１５１及び１５２の平坦な表面上に感圧接着剤（ＰＳＡ）を用いて直接的に接合されるか、エンボス加工、射出成形、鋳造、機械加工、ソフトリソグラフィー又はその他の任意の直接的な製造方法を利用し、レンズの統合部分として、直接的に製造されることができる。埋め込まれた光学素子１５０は、圧力又は接合技術を利用してフレーム１５４の内部に組み立てることができる。

２つの光学レンズの間に基板２０をモノリシックに埋め込む代替方法が、図１５ａ、図１５ｂ及び図１５ｃに示されている。基板２０は、周辺接着技術を利用して光学レンズの間に埋め込まれている。前側レンズ１５１及び後側レンズ１５２は、非光学接着剤又はすべてのコンポーネントをまとめてマウントする任意の他の高粘度接着剤１５６を用いて基板２０の周縁に接合される。接着剤の粘度は、膜１１０と基板２０との間に閉じ込められた空気ポケット１３１に接着剤が漏出するのを防止するために十分に高くするべきである。そのような漏出は、基板の外表面からの光波の内部全反射の維持に必要とされる空気ギャップを取り除いてしまう可能性がある。必要とされる接着剤１５６としては、例えば、ＯＰ−６７−ＬＳ又は任意の室温硬化（room temperature vulcanization：ＲＴＶ）シリコーンであり得る。

２つの光学レンズの間に基板２０をモノリシックに埋め込む他の代替方法が、図１６ａ、図１６ｂ及び図１６ｃに示されている。埋め込まれた素子の製造手順は以下の通りである。超微細構造１１１が基板２０の外表面２６，２８に面した状態で、空気ギャップ膜１１０を配置し、静電気などの取付技術を利用し、素子の必要とされる外形を有する型１６０を準備し、基板２０を型に挿入し、ポリマーを型に鋳込み又は注入し、ＵＶによって又はポリマー温度を変えることによってポリマーを硬化させ、最後に、埋め込まれた素子を型から取り出す。図１５ａから図１５ｃに関連して上記に説明したように、基板２０と空気ギャップ膜１１０との間の空気ポケット１３１への材料の漏出を防止するために、射出成形プロセス中に注入された材料から超微細領域が分離されることも重要である。

図１３ａ〜図１６ｃは、２つの光学レンズの間に埋め込まれた基板を含む光学コンポーネントを形成する異なる方法を示し、基板の外表面に平面素子を取り付けることが必要とされる実施形態である。そのような実施形態の例は、図４に示されている。平らな素子を基板に取り付ける他の理由は、基板を機械的に保護してユーザの眼の安全性を向上させるため、又は平らな素子の外表面にコーティングを施して、フォトクロミック反応、耐引っ掻き性、超疎水性、色合いが付いた（着色）ビュー、偏光、アンチフィンガープリント等の様々な特性を達成することができる。

２つの平らな基板１６２と１６４の間に埋め込まれ、フレーム１６６，１６７の内側に組み立てられた基板２０が、図１７ａ、図１７ｂ及び図１７ｃに示されている。基板２０及び平らな基板の埋め込みプロセスは、機械的取り付け、周辺接合又はモノリシック製造を利用して実現することができる。埋め込みプロセスは、単一の素子のみを基板の外表面の１つに取り付けること、又は平らな基板及び湾曲したレンズのような異なる素子を組み合わせることを含むことができる。

これまで示した全ての実施形態において、基板の外へ光波を結ぶ素子は、基板内に位置する少なくとも１つの平らな部分反射面であり、通常は部分反射誘電コートで被覆され、基板の主表面とは平行ではない。しかし、本発明に従う、特別な反射機構は、他のカップリングアウト技術にも活用することができる。図１８は、基板２０を示し、ここでは、カップリングイン素子１７０（coupling-in element）又はカップリングアウト素子１７２（coupling-out element）は、回折素子である。さらに、このような湾曲した部分反射面等の他のカップリングアウト素子及び他の手段を使用することができます。

図１３から図１７の実施形態は、本発明の簡単な実装を示す単なる例である。システムの中核を構成する基板ガイド型光学素子は非常にコンパクトかつ軽量であるので、非常に広く多様なアレンジメントに設置することができる。バイザー（visor）、折り畳みディスプレイ、単眼鏡及びさらに多くものを含む多くの他の実施形態もまた、可能である。本実施形態は、ディスプレイが眼の近くにあるべきアプリケーションに指定されている。つまり、ヘッドマウントのもの、頭部装着のもの又は頭で運ぶものである。しかし、ディスプレイがそれらとは異なって位置するアプリケーションがある。そのようなアプリケーションの例としては、例えば、スマートフォン、スマートウォッチ等のモバイルアプリケーションの手で運ぶ装置がある。これらのスマートデバイスの主な問題は、必要される小さいサイズ及び体積と所望の高品質の画像との間に矛盾があることである。

図１９は、本発明に基づく代替方法を示し、モバイル装置の小さいサイズとフルフォーマットディスプレイでデジタルコンテンツを見たいという要望との間の現在のところ必要な妥協点を排除する。このアプリケーションは、小さいモバイル装置とユーザの眼に直接、高品質の画像を投影することにより、フルフォーマットディスプレイでデジタルコンテンツを見たいという要望とを達成する、既存の対立する要件を解決する手持ち式のディスプレイ（ＨＨＤ）である。ディスプレイ光源４と、折り畳み及びコリメート光学品１９０と、基板２０とを含む光学モジュールは、スマートデバイス２１０の本体内に統合されており、ここでは、基板２０が電話の既存の保護カバーウィンドウを置き換える。具体的には、光源４及び光学品１９０を含むサポートコンポーネントの体積は、現代のスマートデバイスのための許容可能な体積の内部に収まるように十分に小さい。装置によって送信されたフルスクリーンを見るため、装置の窓は、広いＦＯＶ、大きいアイモーションボックス及び快適なアイレリーフで画像を観察するユーザの眼２４の前方に位置する。画像の異なる部分を表示するために装置を傾けることによって、より大きなアイレリーフでの全ＦＯＶを見ることもできる。さらには、光学モジュールは、シースルーの構成で動作することができるので、装置のデュアル動作が可能である。このように、ディスプレイ光源４が遮断されるとき、基板２０を通して標準的なディスプレイを見ることができる。第２に、大規模なインターネットサーフィン又は高品質のビデオ操作のために指定された仮想モードでは、観察者の眼にディスプレイ光源４が基板２０を通して観察者の眼に必要とされる広いＦＯＶの画像を投影する一方、従来のディスプレイ２１２が遮断される。通常、ほとんどの手で運ぶスマートデバイスにおいては、ユーザは、装置の前側ウィンドウに埋め込まれているタッチスクリーンを用いることによって、スマートデバイスを動作させることができる。図１９に示すように、タッチスクリーン２２０が、基板２０上に位置する空気ギャップ膜１１０の外表面上に直接接合されることによって、スマートデバイスに取り付けることができる。

Claims (33)

1. 少なくとも２つの主な外表面及びエッジを有する光伝達性の基板と、
   内部反射により前記基板の中へ光波を結ぶ光学素子と、
   前記基板内に位置し、前記基板の外へ光波を結ぶ少なくとも１つの部分反射面と、
   ベース及び該ベース上に構築されているレリーフフォーメーションを規定する超微細構造を含む少なくとも１つの透明な空気ギャップ膜と、を含み、
   前記レリーフフォーメーションが、界面平面を規定する前記基板に面して、前記空気ギャップ膜が、前記基板の主な外表面の１つに取り付けられていることで、前記基板の内部で結ばれた前記光波は、前記界面平面で実質的に全反射する、光学システム。
2. 前記空気ギャップ膜は、前記レリーフフォーメーションと前記基板との間に空気ポケットを形成する、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記レリーフフォーメーションは、誘電材料を含む、請求項１に記載の光学システム。
4. 前記ベースに平行な断面における前記レリーフフォーメーションの比率は、前記ベースからの前記断面の距離の関数として徐々に変化する、請求項１に記載の光学システム。
5. 前記ベースに近い内側断面における前記レリーフフォーメーションの誘電材料の比率が、最大である請求項３に記載の光学システム。
6. 前記ベースに近い内側断面における前記レリーフフォーメーションの誘電材料の比率が、実質的に１に等しい、請求項３に記載の光学システム。
7. 前記界面平面に近い外側断面における前記レリーフフォーメーションの誘電材料の比率が、最小である、請求項３に記載の光学システム。
8. 前記界面平面に近い外側断面における前記レリーフフォーメーションの誘電材料の比率が、実質的にゼロに等しい、請求項７に記載の光学システム。
9. 前記界面平面に近い外側断面における前記レリーフフォーメーションの屈折率は、空気の屈折率と実質的に等しい、請求項１に記載の光学システム。
10. 前記レリーフフォーメーションは、周期的レリーフフォーメーションである、請求項１に記載の光学システム。
11. 前記レリーフフォーメーションは、モスアイの構成を有する、請求項１に記載の光学システム。
12. 前記レリーフフォーメーションは、プリズム、円錐及びピラミッドのアレイの群から選択されるものである、請求項１に記載の光学システム。
13. 前記レリーフフォーメーションの高さは、１ミクロン未満である、請求項１に記載の光学システム。
14. 前記基板に面している少なくとも１つの平坦な外表面を有する少なくとも１つの光学素子をさらに含み、
    前記ベースは、前記光学素子の外表面及び前記基板に面している前記レリーフフォーメーションに光学的に接合されている、請求項１に記載の光学システム。
15. 前記光学素子は、平坦な透明基板である、請求項１４に記載の光学システム。
16. 前記光学素子は、コリメートモジュールである、請求項１４に記載の光学システム。
17. 前記光学素子は、レンズである、請求項１４に記載の光学システム。
18. 前記レリーフフォーメーションが前記基板の表面に面して、透明の前記基板の主表面の第２に取り付けられた第２空気ギャップ膜をさらに含む、請求項１に記載の光学システム。
19. 各々少なくとも１つの平坦面を有する２つのレンズをさらに含み、
    前記空気ギャップ膜及び前記第２空気ギャップ膜のベースは、前記レンズの平坦面に接合されている、請求項１８に記載の光学システム。
20. 前記基板及び前記光学素子は、眼鏡フレームの内部に組み立てられている、請求項１４に記載の光学システム。
21. 前記基板及び前記光学素子は、接着剤なしで前記眼鏡フレームの内部にまとめて搭載されている、請求項２０に記載の光学システム。
22. 前記基板及び前記光学素子は、周辺接着技術を利用してまとめて埋め込まれている、請求項１４に記載の光学システム。
23. 前記基板及び前記光学素子は、モノリシックにまとめて埋め込まれている、請求項１４に記載の光学システム。
24. 前記基板の外へ光波を結ぶ前記部分反射面は、平坦面である、請求項１に記載の光学システム。
25. 前記基板の外へ光波を結ぶ前記部分反射面は、部分反射誘電コートで被覆されている、請求項２４に記載の光学システム。
26. 前記基板の外へ光波を結ぶ前記部分反射面は、前記基板の主表面に対して非平行である、請求項２４に記載の光学システム。
27. 内部反射により前記基板の中へ光波を結ぶ光学素子は、回折素子である、請求項１に記載の光学システム。
28. 前記基板の外へ光波を結ぶ前記部分反射面は、回折素子である、請求項１に記載の光学システム。
29. 前記基板の外へ光波を結ぶ前記部分反射面は、曲面である、請求項１に記載の光学システム。
30. 前記基板及び前記光学素子は、スマートデバイスの内部に組み立てられている、請求項１４に記載の光学システム。
31. 前記スマートデバイスは、スマートフォンである、請求項３０に記載の光学システム。
32. 前記スマートデバイスは、スマートウォッチである、請求項３０に記載の光学システム。
33. 前記光学素子がタッチスクリーンである、請求項３０に記載の光学システム。

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