JP2009539128A - 射出ひとみ拡大素子における色分布 - Google Patents

Abstract

本明細書及び図面は，射出ひとみ拡大素子に１又は複数の選択吸収領域を導入することによって，表示用の電子デバイスのディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる射出ひとみ拡大素子系に色分離を提供する新規な装置及び方法を提示するものである。

Description

本発明は概略表示デバイスに関し，より詳細には表示用ディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる射出ひとみ拡大素子において色分離を提供することに関する。

移動体デバイスにおいて網情報及びテキストメッセージを表示するためには，低解像度液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を用いるのが普通であるが，テキスト及び画像からなるリッチな情報内容を閲覧するためには高解像度ディスプレイを用いるのがより好ましい。マイクロディスプレイを用いるシステムは，ミリメートル当たり５０〜１００本の解像度でフルカラー画素を提供することができる。このような高解像度は一般に仮想ディスプレイに適している。仮想ディスプレイは通常，マイクロディスプレイと，画像から射出される光を直視表示パネルと同じ大きさで知覚できるように操作する光学系と，からなる。仮想ディスプレイは単眼であってもよいし，双眼であってもよい。

可視化光学系から目へ射出される光ビームのサイズを射出ひとみと呼ぶ。ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）においては，射出ひとみは通常直径１０ｍｍ未満である。射出ひとみをより拡大することによって，仮想ディスプレイを用いることが格段に容易になる。なぜなら，デバイスを目から離して置くことができるためである。したがってこのようなディスはもはやＮＥＤと見なされないことは明らかである。ヘッドアップディスプレイは，十分大きな射出ひとみを有する仮想ディスプレイの例である。

本発明の第１態様による装置は，第１表面及び第２表面を有する光学材料からなる少なくとも一つの基板と，上記少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した少なくとも一つの回折素子と，上記第１表面又は第２表面に配置した少なくとも一つの更なる回折素子と，上記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光学吸収領域と，を備え，上記入力光学ビームの少なくとも一部を上記回折素子において回折して，実質的に上記第１表面及び第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供し，上記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を，上記少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって上記少なくとも一つの基板から出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを上記少なくとも一つの基板から提供し，上記入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，上記少なくとも一つの光学吸収領域は上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち，Ｍ個の事前選択成分を吸収し，上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち選択した選択成分を伝ぱさせるように構成して，上記出力光ビームが上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分を含むようにし，ここでＫは少なくとも値２の整数とし，Ｍは１からＫ−１の間の整数とする。

更に本発明の第１態様によれば，上記光学デバイスはギャップで区切られた光学材料からなるＮ層の基板を備えてもよく，Ｎは少なくとも値１の整数とし，上記少なくとも一つの基板は上記Ｎ層の基板の一つとし，上記Ｎ層の基板はそれぞれ，上記入力光ビームの上記Ｋ個の波長成分のうち実質的に１成分だけの射出ひとみを拡大するように構成して，上記光デバイスの出力において上記Ｋ個の波長成分のすべてを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにしてもよい。更にＮ＝Ｋであってもよい。

更に本発明の第１態様によれば，ＭはＫ−１に等しくてもよい。

また更に本発明の第１態様によれば，上記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，実質的に上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分だけを実質的に含んでもよい。

更に本発明の第１態様によれば，上記少なくとも一つの光学吸収領域は，ａ）上記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，ｂ）上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，上記少なくとも一つの基板の領域だけ，上記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，ｃ）上記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｄ）上記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた上記樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｅ）上記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，上記少なくとも一つの基板上の，実質的に上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，のうち少なくとも一つを用いて構成してもよい。

また更に本発明の第１態様によれば，装置は更に，更なる第１表面及び更なる第２表面を有する光学材料からなる更なる基板であって，該更なる基板は，上記少なくとも一つの基板との間にギャップを有し上記少なくとも一つの基板と実質的に平行に積層した更なる基板と，上記更なる基板の更なる第１表面又は更なる第２表面に配置され，上記少なくとも一つの基板を通じて上記更なる基板へ伝ぱする入力光ビームの一部を受光するように構成する少なくとも一つの追加回折素子と，上記更なる第１表面又は上記更なる第２表面に配置した少なくとも一つのまた更なる回折素子と，上記更なる基板内又は上記更なる基板上の少なくとも一つの更なる光吸収領域と，を更に備えてもよく，上記入力光ビームの一部の少なくとも更なる一部を上記追加回折素子において回折して，実質的に上記更なる第１表面及び上記更なる第２表面内に少なくとも一つの更なる回折光ビームを提供し，上記少なくとも一つの更なる回折光ビームの少なくとも更なる一部を上記少なくとも一つのまた更なる回折素子における回折によって上記更なる基板から更に出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する更なる光ビームを上記更なる基板から提供し，該更なる出力光ビームは上記出力光ビームと実質的に同一の方向及び位置を有し，上記少なくとも一つの更なる光吸収領域は，上記Ｋ個の波長成分のうちＰ個の事前選択成分を吸収し，上記Ｋ個の波長成分から選択した更なる選択成分を伝ぱさせるように構成して，上記更なる出力光ビームが上記Ｋ個の波長成分のうち上記更なる選択成分を含むようにし，Ｐは１とＫ−１との間の整数としてもよい。更にＰはＫ−１に等しいものとする。

また更に，上記少なくとも一つの更なる光吸収領域は，ａ）上記更なる基板の容積全体に拡散した吸収色素と，ｂ）上記少なくとも一つの追加回折素子と上記少なくとも一つのまた更なる回折素子との間の，上記更なる基板の領域だけ，上記更なる基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，ｃ）上記少なくとも一つの追加回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｄ）上記少なくとも一つのまた更なる回折素子を作成するために用いた上記樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｅ）上記更なる基板と実質的に同一の屈折率を有し，上記更なる基板上の，上記少なくとも一つの追加回折素子と上記少なくとも一つのまた更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，のうち少なくとも一つを用いて構成してもよい。また更に，上記ギャップは空気ギャップであってよい。また更に，上記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは実質的に上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分だけを含み，上記更なる基板が提供する上記更なる光ビームは実質的に上記Ｋ個の波長成分のうち上記更なる選択成分だけを含み，上記出力光ビームと上記更なる光ビームを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにしてもよい。

また更に，上記少なくとも一つの基板は上記少なくとも一つの基板の表面上又は表面に隣接して配置した追加光吸収層を有するように構成し，上記表面は上記入力光ビームが伝ぱする第２表面として，上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分は実質的に上記追加光吸収層に吸収されるようにしてもよい。

また更に本発明の第１態様によれば，装置は少なくとも一つの中間回折素子を更に備えてもよく，上記少なくとも一つの回折素子において回折した上記入力光ビームの上記少なくとも一部が最初に上記少なくとも一つの中間回折素子に結合され，次に上記少なくとも一つの中間回折素子における更なる回折を用いて上記回折光ビームの上記少なくとも一部を上記少なくとも一つの更なる回折素子に結合するようにし，上記少なくとも一つの更なる回折素子は次に上記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行うようにしてもよい。

本発明の第２態様による方法は，少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面上に配置した少なくとも一つの回折素子によって入力光ビームを受光するステップであって，該入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，Ｋは少なくとも値２の整数とするステップと，上記少なくとも一つの回折素子において，上記入力光ビームの少なくとも一部を回折して実質的に上記第１表面及び上記第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供するステップと，上記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光吸収領域において上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に上記少なくとも一つの光吸収領域における光強度減衰なしに，上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分から選択した選択成分を伝ぱさせるステップであって，Ｍは１とＫ−１の間の整数とするステップと，少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって上記少なくとも一つの基板から上記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを上記少なくとも一つの基板から提供するステップであって，上記出力光ビームは，上記Ｋ個の波長成分のうちの上記選択成分を含むステップと，を有してもよい。

更に本発明の第２態様によれば，上記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分だけを含んでもよい。

更に本発明の第２態様によれば，上記少なくとも一つの光学吸収領域は，ａ）上記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，ｂ）上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，上記少なくとも一つの基板の領域だけ，上記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，ｃ）上記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｄ）上記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた上記樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｅ）上記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，上記少なくとも一つの基板上の，実質的に上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，のうち少なくとも一つを用いて構成してもよい。

本発明の第３態様による電子デバイスは，データ処理ユニットと，上記データ処理ユニットから画像データを受信する上記データ処理ユニットに接続した光学エンジンと，上記画像データを用いて画像を形成する上記光学エンジンに接続した表示デバイスと，射出ひとみ拡大素子であって，第１表面及び第２表面を有する光学材料からなる少なくとも一つの基板と，上記少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した少なくとも一つの回折素子と，上記第１表面又は第２表面に配置した少なくとも一つの更なる回折素子と，上記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光学吸収領域と，を備える射出ひとみ拡大素子と，を備え，上記入力光学ビームの少なくとも一部を上記回折素子において回折して，実質的に上記第１表面及び第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供し，上記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を，上記少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって上記少なくとも一つの基板から出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを上記少なくとも一つの基板から提供し，上記入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，上記少なくとも一つの光学吸収領域は上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に光強度減衰なしに上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち選択した選択成分を伝ぱさせるように構成して，上記出力光ビームが上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分を含むようにし，ここでＫは少なくとも値２の整数とし，Ｍは１からＫ−１の間の整数とする。

更に本発明の第３態様によれば，上記射出ひとみ拡大素子は，ギャップで区切られた光学材料からなるＮ層の基板を備えてもよく，Ｎは少なくとも値１の整数とし，上記少なくとも一つの基板は上記Ｎ層の基板の一つとし，上記Ｎ層の基板はそれぞれ，上記入力光ビームの上記Ｋ個の波長成分のうち実質的に１成分だけの射出ひとみを拡大するように構成して，上記光デバイスの出力において上記Ｋ個の波長成分のすべてを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにしてもよい。更にＮ＝Ｋであってよい。

また更に本発明の第３態様によれば，ＭはＫ−１に等しくてもよい。

更に本発明の第３態様によれば，上記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，実質的に上記Ｋ個の波長成分のうち上記選択成分だけを実質的に含んでもよい。

また更に本発明の第３態様によれば，上記少なくとも一つの光学吸収領域は，ａ）上記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，ｂ）上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，上記少なくとも一つの基板の領域だけ，上記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，ｃ）上記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｄ）上記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた上記樹脂全体に拡散した吸収色素と，ｅ）上記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，上記少なくとも一つの基板上の，実質的に上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，のうち少なくとも一つを用いて構成してもよい。

本発明の第４態様による装置は，少なくとも一つの回折手段であって，少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置した上記少なくとも一つの回折手段によって入力光ビームを受光し，該入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，Ｋは少なくとも値２の整数とし，上記少なくとも一つの回折手段において上記入力光ビームの少なくとも一部を回折して，実質的に上記第１表面及び上記第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供する回折手段と，上記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの吸収手段であって，上記少なくとも一つの吸収手段によって上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に上記少なくとも一つの光吸収領域における光強度減衰なしに，上記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分から選択した選択成分を伝ぱさせ，Ｍは１とＫ−１の間の整数とする吸収手段と，少なくとも一つの更なる回折手段であって，該少なくとも一つの更なる回折手段における回折によって上記少なくとも一つの基板から上記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを上記少なくとも一つの基板から提供し，上記出力光ビームは，上記Ｋ個の波長成分のうちの上記選択成分を含む更なる回折手段と，を備える。

更に本発明の第４態様によれば，上記装置は射出ひとみ拡大素子であってよい。

本発明の本質及び目的がより良く理解できるように，以降図面を用いて詳細に説明する。

射出ひとみ拡大素子に１又は複数の選択吸収領域を導入することによって，表示用ディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いる射出ひとみ拡大素子系において色分離を提供する新規な方法及び装置を提示する。本発明の実施例は広い光スペクトラム範囲を有する光ビームに適用できるが，一番重要なことは光ビームが可視光ビームと呼ばれる光スペクトラムの可視部分へ適用できることである。

本発明の実施例によれば，光デバイス（例えば光デバイスは仮想現実ディスプレイの一部であってもよい）は，ギャップ（ギャップは基板より実質的に小さい屈折率を有する材料，例えば空気ギャップ，であってよい）で区分けされた光学材料からなるＮ層（Ｎは少なくとも値１の整数）の実質的に平行な基板を含み，このような各基板は第１表面及び第２表面を有し，射出ひとみ拡大素子として動作する。各基板は，上記少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置した少なくとも一つの回折素子（例えば回折格子）を含み，この回折素子は入力光ビームを受光するように構成される（すなわち，少なくとも一つの回折要素は入力結合回折格子として動作する）。第１基板の入力結合回折格子を通じて伝ぱした後に，入力光ビームのいくつかの「非選択」波長成分（すなわち入力光ビームの一部）が，Ｎ層基板の第２基板の入力結合回折格子によって受光され，以下同様であることに注意されたい。また双眼系においては，回折素子は左目用及び右目用に互いに隣接する一つ又は二つの入力結合回折格子であってもよく，回折格子は入力光ビームを二つの実質的に反対の方向の二つの実質的に均等な成分に分離するように構成されることに注意されたい。各基板は，第１表面及び第２表面に配置され，出力結合回折格子として動作する少なくとも一つの更なる回折素子（例えば回折格子）を更に備えてもよい。ここでもまた双眼系においては，回折素子は左目用及び右目用に出力結合を行うために基板に対称に置かれた二つの出力結合回折格子であってもよい。

更に本発明の実施例によれば，各基板は基板内又は基板上に配置された少なくとも一つ又は複数の光吸収領域を備えてもよい。したがって入力光ビームの少なくとも一部は回折素子（入力結合回折格子）において回折されて，全内反射によって実質的に第１表面及び第２表面内に少なくとも一つ（双眼系においては二つ）の回折光ビームを提供し，次に上記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部は少なくとも一つの更なる回折素子（出力結合回折格子）における回折によって各基板から更に出力され，それによって以降に説明するとおり波長選択性を用いて１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビーム（又は双眼系においては二つのビーム）を提供する。

本発明の実施例によれば，入力光ビームはＫ個の波長成分（Ｋは少なくとも値２の整数）を含んでもよく，それぞれの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光吸収領域がＫ個の波長成分のうちＭ個の選択成分（Ｍは１とＫ−１の間の整数）を吸収するように構成され，例えば実質的に吸収による光強度減衰なしに，Ｋ個の波長成分のうち選択成分を伝ぱさせるように構成される。そして各基板からの出力光ビームは，Ｋ個の波長成分のうち選択された成分を含む。各基板の回折格子は，（例えば，等間隔直線群（periodic lines）の適切な間隔を選択することによって）回折格子によって選択される波長成分に最適化されることに注意されたい。

このようにしてＮ層基板のそれぞれが入力光ビームの射出ひとみを拡大するように構成され，上記Ｋ個の波長成分すべてを一体化して，上記光デバイスの出力において実質的に同一の方向及び位置を有するようにし，それによって例えば表示用の電子デバイスディスプレイの射出ひとみを拡大するために複数の回折素子を用いるＮ個の射出ひとみ拡大素子を用いて色分離を提供する。

一つの可能性のある実施例において，ＮはＫに等しくてもよく，すなわち各基板は一つの波長（色）成分だけを出力してもよい。別の実施例においては，Ｎ層基板のうち任意の基板の光吸収領域は，その基板からの出力光ビームに提供される唯一の選択波長成分を除くすべてのＫ−１個の波長成分を吸収するように構成してもよい。また別の基板は，特定のシステム設計に依存する異なる数の波長成分を吸収するように構成してもよい。

本発明の更なる実施例によれば，２次元射出ひとみ拡大の場合，各基板は少なくとも一つの中間回折素子（双眼の場合は二つの中間回折素子）を備えて，上記少なくとも一つの回折素子において回折された入力光ビームの少なくとも一部が最初に上記少なくとも一つの中間回折素子へ結合され，次に上記少なくとも一つの中間回折素子における更なる回折を用いて，上記回折光ビームの少なくとも一部を上記少なくとも一つの更なる回折素子に結合し，それによって上記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行う。中間回折素子は，当業において既知のとおり，また例えば，T. Levola，"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays"，SID Eurodisplay 05，SID 02ダイジェスト，論文22.1，Edinburg（２００５年）に記載とおり，奇数の一次回折又は偶数の更なる一次回折を有してもよい。

更に本発明の実施例によれば，各基板内又は基板上に配置した上記少なくとも一つの光吸収領域は，次に掲げるうち少なくとも一つの方法又はそれらの組合せを用いて構成してもよい。
ａ）上記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素
ｂ）上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間（すなわち入力結合回折格子と出力結合回折格子との間）の，上記少なくとも一つの基板の領域だけ，上記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素
ｃ）上記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素
ｄ）上記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，上記少なくとも一つの基板上の，実質的に上記少なくとも一つの回折素子と上記少なくとも一つの更なる回折素子との間（すなわち入力結合回折格子と出力結合回折格子との間）の領域に配置した吸収コーティング
その他

本発明の更なる実施例において，各基板はその基板の表面又はそれに隣接して配置した追加光吸収層を有するように構成してもよく，その表面は入力光ビームが基板によって受光された後，伝ぱする基板の第２表面であり，それによってその基板が選択したＫ個の波長成分のうちの選択成分は上記光吸収層において実質的に吸収されて，上記の選択波長成分が次の基板へ入るのを防止する。

本発明の実施例を実現する一つの実践的な例は，ＲＧＢ（赤，緑，青）色再現域（gamut）用の色分離であってよい。この場合，層の第１基板は短波長成分，すなわち青成分を「選択」し，緑及び赤を「吸収」することができる。第２基板は緑成分を「選択」し，青及び赤を「吸収」することができる。そして最後に層の第３基板は長波長成分，すなわち赤成分を「選択」し，緑及び青を「吸収」することができる。本発明の種々の実施例による更なる実現例が，図２から図６に示されている。

図１ａ及び１ｂは仮想現実ディスプレイの概略を示す図であり（図１ａには断面が示されている），入力結合回折格子１２−１及び１２−２等と，双眼の場合の出力結合回折格子１４−１，１４−２，１６−１及び１６−２を有する，図１ｂに断面を示すとおりの積層回折射出ひとみ拡大素子１０−１，１０−２等を備える射出ひとみ拡大素子系１０を有している。簡潔にするため入力光ビームは二つの波長成分２０（λ_１）及び２２（λ_２）を有するものとする。図１ｂに示す方法においては，双方の成分２０及び２２は図１ｂに示すとおり基板１０−１及び１０−２それぞれにおいて対応する出力結合回折格子１４−１，１４−２，１６−１及び１６−２に結合され（対応する光ビーム２０−１ａ，２２−１ａ，２０−２ａ，２２−２ａ，及び不要光ビーム２０−１ｃ，２２−１ｃ，２０−２ｃ，２２−２ｃを参照），出力結合回折格子１４−１及び１６−１は波長成分２０にだけ最適化され，出力結合回折格子１４−２及び１６−２は波長成分２２にだけ最適化されているにもかかわらず，双方の波長成分２０及び２２が基板１０−１及び１０−２それぞれによって出力光ビームに提供される。この色混合は，射出ひとみ拡大素子系１０が提供する画像品質を劣化させる。図１ｂに示す積層回折射出ひとみ拡大素子を有する図１ａの仮想現実ディスプレイの例を，本発明の実施例を適用するために用いてもよい。図２から図６は，本発明の実施例による色混合除去の種々の実現例を示すものである。

図２ａ及び２ｂはなかでも，本発明の実施例による，基板１０−１及び１０−２の容積全体の吸収色素（図１ａ）と，図２ｂに示すとおり入力結合回折格子１２−１及び１２−２と，出力結合回折格子１４−１，１４−２，１６−１及び１６−２との間の，基板１０−１及び１０−２の選択領域１０−１ａ，１０−２ａ，１０−１ｂ及び１０−２ｂの厚み全体の吸収色素とを用いる射出ひとみ拡大素子系１０における色分離を示す概略（断面）の例を示す図である。基板１０−１内の吸収色素は，波長成分２２を吸収し，一方波長成分２０には透過するように最適化され，基板１０−２内の吸収色素は波長成分２０を吸収し，一方波長成分２２は透過するように最適される。このようにして基板１０−１及び１０−２はそれぞれ唯一の波長成分を提供する。すなわち波長成分２０を表す光ビーム２０−１ｂ及び２０−２ｂは基板１０−１が提供し，波長成分２２を表す光ビーム２２−１ｂ及び２２−２ｂは基板１０−２が提供する。

図３ａ及び３ｂはなかでも，本発明の実施例による入力結合回折格子１２−１及び１２−２及び／又は出力結合回折格子３４−１，３４−２，３６−１及び３６−２に用いた樹脂全体に拡散した吸収色素を用いる射出ひとみ拡大素子系１０における色分離の概略（断面）の例を示す図である。図３ａにおいて，第１基板１０−１の回折格子３４−１，３６−１内の吸収色素は，波長成分２２を吸収し，一方波長成分２０を透過するように最適化され，第２基板１０−２の回折格子３４−２，３６−２内の吸収色素は，波長成分２０を吸収し，一方波長成分２２を透過するように最適化され，それによって出力結合回折格子３４−１，３４−２，３６−１及び３６−２における吸収によって，不要光ビーム２０−１ｃ，２２−１ｃ，２０−２ｃ，２２−２ｃを除去する。図３ａに示すとおり，入力結合回折格子１２−２が不要光ビーム２０−１ｃ及び２０−２ｃを初期減衰させることに注意されたい。入力結合回折格子１２−２が不要光ビーム２０−１ｃ及び２０−２ｃを十分に減衰させるときは，図３ｂに示すとおり出力結合回折格子１４−２及び１６−２は全く着色する必要がない。これは，第１基板１０−１からの出力結合ビーム２０−１ｂ及び２０−２ｂが回折格子１４−２及び１６−２内の吸収色素によって減衰されないという利点を生む。

図４ａはなかでも，出力結合回折格子３４−１，３４−２，３６−１及び３６−２内の樹脂全体に拡散した吸収色素を用いて，出力結合回折格子３４−１，３４−２，３６−１及び３６−２における吸収によって不要光ビーム２０−１ｃ，２２−１ｃ，２０−２ｃ，２２−２ｃが除去されるようにする射出ひとみ拡大素子系１０における色分離を占める概略（断面）の例を示す図である。更に（任意選択で），入力結合回折格子１２−１を横切る基板１０−１の表面上又は表面に隣接して配置した光吸収層４０は，波長成分２０を吸収して不要光ビーム２０−１ｃ及び２０−２ｃの存在を最小にすることができる。入力結合回折格子１２−２が不要光ビーム２０−１ｃ及び２０−２ｃを十分に減衰させることができるときは，図４ｂに示すとおり出力結合回折格子１４−２及び１６−２は全く着色を必要としない。これは，第１基板１０−１からの出力結合ビーム２０−１ｂ及び２０−２ｂが回折格子１４−２及び１６−２内の吸収色素によって減衰されないという利点を生む。

図５ａはなかでも，第１基板１０−１の出力結合回折格子３４−１及び３６−１内の樹脂全体に拡散した吸収色素を用いて，出力結合回折格子３４−１及び３６−１における吸収によって不要光ビーム２２−１ｃ及び２２−２ｃが除去されるようにする射出ひとみ拡大素子系１０における色分離を示す概略（断面）の例を示す図である。本発明の実施例によれば，第２基板１０−２において，吸収コーティング４２−１及び４２−２は基板１０−２と実質的に同一の屈折率を有し，基板１０−２上の，入力結合回折格子１２−２と出力結合回折格子１４−２及び１６−２との間の領域に配置される。これらの吸収コーティング４２−１及び４２−２は，全内反射の境界として動作する第２基板１０−２において，不要光ビーム２０−１ｃ及び２０−２ｃを実質的に吸収する。図５ｂの例においては，（図５ａに示すとおり）出力結合回折格子内の樹脂全体に拡散した吸収色素を用いる代わりに，本発明の更なる実施例によれば更なる吸収コーティング４４−１及び４４−２が基板１０−１と実質的に同一の屈折率を有し，基板１０−１上の，入力結合回折格子１２−１と出力結合回折格子１４−１及び１６−１との間の領域に配置される。これらの吸収コーティング４４−１及び４４−２は，全内反射の境界としても動作する第１基板１０−１において不要光ビーム２２−１ｃ及び２２−２ｃを実質的に吸収する。

着色は既知の技術であることに注意されたい。例えばC.U.Ryserの米国特許６，４６４，７３３号，"Tinting plastic articles"を参照されたい。基板を選択的に着色するために(図２ｂ参照），着色が必要な部分を別々に着色してもよい。その後これらの部分を透明プラスチックで接合してもよい。通常そうであるが完全に同一の材料を用いたときは，着色した部分としない部分とは同一の屈折率を有するであろう。なぜならば着色は通常屈折率を変化させないからである。また放射法を用いて材料内に色中心を生成してスペクトラム吸収を変化させてもよい。更に，当業において既知のとおり，着色したＵＶ（紫外線）硬化樹脂を用いて回折格子を形成してもよい。

図６は，本発明の実施例による射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）系１０を備える電子デバイスの概略の例を示す図である。

射出ひとみ拡大素子（ＥＰＥ）１０は，携帯電話機と，パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）と，コミュニケータと，可搬型インターネット装置と，手持ちコンピュータと，デジタルビデオカメラ及びスチルカメラと，ウエアラブルコンピュータと，コンピュータゲームデバイスと，表示用の特化型接眼（bring-to-the-eye）製品と，ほかの可搬型電子デバイスと，のような電子（可搬型）デバイス１００に用いてもよい。図６に示すとおり，可搬型デバイス１００は外部デバイス（図示していない）との間で情報を送受信する通信ユニット２１２を収容するハウジング２１０を備える。また可搬型デバイス１００は送受信した情報を処理する制御及び処理ユニット２１４と，表示用仮想ディスプレイシステム２３０とを備える。仮想ディスプレイシステム２３０は，マイクロディスプレイすなわち画像ソース１９２と，光学エンジン１９０とを含む。制御及び処理ユニット２１４は光学エンジン１９０と接続されて，画像を表示させるために画像データを画像ソース１９２へ提供する。本発明によるＥＰＥ１０は，光学エンジン１９０と光学的に接続してもよい。

更に図６に示すとおり，画像ソース１９２は順次カラーＬＣＯＳ（シリコン上の液晶）デバイス，ＯＬＥＤ（有機ＬＥＤ）アレイ，ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）デバイス，又は透過，反射又は発光動作するほかの適切なマイクロディスプレイデバイスであってよい。

更に電子デバイス１００は，携帯電話機と，パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）と，コミュニケータと，可搬型インターネット装置と，手持ちコンピュータと，デジタルビデオカメラ及びスチルカメラと，ウエアラブルコンピュータと，コンピュータゲームデバイスと，特別な接眼表示デバイスと，ほかの可搬型電子デバイスと，であってよい。しかし本発明によれば，射出ひとみ拡大素子は，ゲームデバイスと，自動販売機と，仮想バンド（band-o-matic）と，のような非可搬型デバイス，オーブンと，電子オーブンと，ほかの製品のような家電製品，並びにほかの非可搬型デバイスに用いることもできる。

上述の構成は本発明の応用を説明するものに過ぎないことに注意されたい。当業者であれば，本発明の範囲を逸脱することなく多くの修正物及び代替構成物を考案することができるので，本願請求項はそのような修正物及び構成物を包含することを意図している。

射出ひとみ拡大素子系を備える仮想現実ディスプレイ（断面）を概略示す図である。 積層回折射出ひとみ拡大素子を有する射出ひとみ拡大素子系を備える仮想現実ディスプレイ（断面）を概略示す図である。 本発明の実施例による基板の容積全体に吸収色素を用いた射出ひとみ拡大素子系における色分離（断面）を概略示す図である。 本発明の実施例による入力結合回折格子と出力結合回折格子との間の基板の選択領域の厚み全体に吸収色素を用いた射出ひとみ拡大素子系における色分離（断面）を概略示す図である。 本発明の実施例による入力結合回折格子及び出力結合回折格子内の樹脂全体に拡散した吸収色素を用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による入力結合回折格子及び出力結合回折格子内の樹脂全体に拡散した吸収色素を用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による出力結合回折格子内の樹脂全体に拡散した吸収色素と，入力結合回折格子を横切る吸収コーティングと，を用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による出力結合回折格子内の樹脂全体に拡散した吸収色素と，入力結合回折格子を横切る吸収コーティングと，を用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による，基板と実質的に同一の屈折率を有し，基板上の，入力結合回折格子と出力結合回折格子との間の領域に配置した吸収コーティングを用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による，基板と実質的に同一の屈折率を有し，基板上の，入力結合回折格子と出力結合回折格子との間の領域に配置した吸収コーティングを用いる射出ひとみ拡大素子系における色分離の概略（断面）を示す図である。 本発明の実施例による射出ひとみ拡大素子系を備える電子デバイスの概略を示す図である。

Claims (24)

1. 第１表面及び第２表面を有する光学材料からなる少なくとも一つの基板と，
   前記少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した少なくとも一つの回折素子と，
   前記第１表面又は第２表面に配置した少なくとも一つの更なる回折素子と，
   前記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光学吸収領域と，
   を備える装置であって，
   前記入力光学ビームの少なくとも一部を前記回折素子において回折して，実質的に前記第１表面及び第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供し，
   前記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を，前記少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって前記少なくとも一つの基板から出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを前記少なくとも一つの基板から提供し，
   前記入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，前記少なくとも一つの光学吸収領域は前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち，Ｍ個の事前選択成分を吸収し，前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち選択した選択成分を伝ぱさせるように構成して，前記出力光ビームが前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分を含むようにし，ここでＫは少なくとも値２の整数とし，Ｍは１からＫ−１の間の整数とする装置。
2. 前記光学デバイスは，ギャップで区切られた光学材料からなるＮ層の基板を備え，Ｎは少なくとも値１の整数とし，前記少なくとも一つの基板は前記Ｎ層の基板の一つとし，前記Ｎ層の基板はそれぞれ，前記入力光ビームの前記Ｋ個の波長成分のうち実質的に１成分だけの射出ひとみを拡大するように構成して，前記光デバイスの出力において前記Ｋ個の波長成分のすべてを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにする請求項１に記載の装置。
3. Ｎ＝Ｋとする請求項２に記載の装置。
4. Ｍ＝Ｋ−１とする請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，実質的に前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分だけを実質的に含む請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも一つの光学吸収領域は，
   前記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，前記少なくとも一つの基板の領域だけ，前記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた前記樹脂全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，前記少なくとも一つの基板上の，実質的に前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，
   のうち少なくとも一つを用いて構成する請求項１に記載の装置。
7. 更なる第１表面及び更なる第２表面を有する光学材料からなる更なる基板であって，該更なる基板は，前記少なくとも一つの基板との間にギャップを有し前記少なくとも一つの基板と実質的に平行に積層した更なる基板と，
   前記更なる基板の更なる第１表面又は更なる第２表面に配置され，前記少なくとも一つの基板を通じて前記更なる基板へ伝ぱする入力光ビームの一部を受光するように構成する少なくとも一つの追加回折素子と，
   前記更なる第１表面又は前記更なる第２表面に配置した少なくとも一つのまた更なる回折素子と，
   前記更なる基板内又は前記更なる基板上の少なくとも一つの更なる光吸収領域と，
   を更に備え，
   前記入力光ビームの一部の少なくとも更なる一部を前記追加回折素子において回折して，実質的に前記更なる第１表面及び前記更なる第２表面内に少なくとも一つの更なる回折光ビームを提供し，
   前記少なくとも一つの更なる回折光ビームの少なくとも更なる一部を前記少なくとも一つのまた更なる回折素子における回折によって前記更なる基板から更に出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する更なる光ビームを前記更なる基板から提供し，該更なる出力光ビームは前記出力光ビームと実質的に同一の方向及び位置を有し，
   前記少なくとも一つの更なる光吸収領域は，前記Ｋ個の波長成分のうちＰ個の事前選択成分を吸収し，前記Ｋ個の波長成分から選択した更なる選択成分を伝ぱさせるように構成して，前記更なる出力光ビームが前記Ｋ個の波長成分のうち前記更なる選択成分を含むようにし，Ｐは１とＫ−１との間の整数とする，
   請求項１に記載の装置。
8. Ｐ＝Ｋ−１とする請求項７に記載の装置。
9. 前記少なくとも一つの更なる光吸収領域は，
   前記更なる基板の容積全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの追加回折素子と前記少なくとも一つのまた更なる回折素子との間の，前記更なる基板の領域だけ，前記更なる基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つの追加回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，
   前記少なくとも一つのまた更なる回折素子を作成するために用いた前記樹脂全体に拡散した吸収色素と，
   前記更なる基板と実質的に同一の屈折率を有し，前記更なる基板上の，前記少なくとも一つの追加回折素子と前記少なくとも一つのまた更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，
   のうち少なくとも一つを用いて構成する請求項７に記載の装置。
10. 前記ギャップは空気ギャップとする請求項７に記載の装置。
11. 前記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは実質的に前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分だけを含み，前記更なる基板が提供する前記更なる光ビームは実質的に前記Ｋ個の波長成分のうち前記更なる選択成分だけを含み，前記出力光ビームと前記更なる光ビームを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにする請求項７に記載の装置。
12. 前記少なくとも一つの基板は前記少なくとも一つの基板の表面上又は表面に隣接して配置した追加光吸収層を有するように構成し，前記表面は前記入力光ビームが伝ぱする第２表面とし，前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分は実質的に前記追加光吸収層に吸収されるようにする請求項１に記載の装置。
13. 少なくとも一つの中間回折素子を更に備えて，前記少なくとも一つの回折素子において回折した前記入力光ビームの前記少なくとも一部を最初に前記少なくとも一つの中間回折素子に結合し，次に前記少なくとも一つの中間回折素子における更なる回折を用いて前記回折光ビームの前記少なくとも一部を前記少なくとも一つの更なる回折素子に結合するようにし，前記少なくとも一つの更なる回折素子は次に前記入力光ビームの２次元射出ひとみ拡大を行う請求項１に記載の装置。
14. 少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面上に配置した少なくとも一つの回折素子によって入力光ビームを受光するステップであって，該入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，Ｋは少なくとも値２の整数とするステップと，
    前記少なくとも一つの回折素子において，前記入力光ビームの少なくとも一部を回折して実質的に前記第１表面及び前記第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供するステップと，
    前記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光吸収領域において前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に前記少なくとも一つの光吸収領域における光強度減衰なしに，前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分から選択した選択成分を伝ぱさせるステップであって，Ｍは１とＫ−１の間の整数とするステップと，
    少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって前記少なくとも一つの基板から前記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを前記少なくとも一つの基板から提供するステップであって，前記出力光ビームは，前記Ｋ個の波長成分のうちの前記選択成分を含むステップと，
    を有する方法。
15. 前記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分だけを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記少なくとも一つの光学吸収領域は，
    前記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，前記少なくとも一つの基板の領域だけ，前記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた前記樹脂全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，前記少なくとも一つの基板上の，実質的に前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，
    のうち少なくとも一つを用いて構成する請求項１４に記載の方法。
17. データ処理ユニットと，
    前記データ処理ユニットから画像データを受信する前記データ処理ユニットに接続した光学エンジンと，
    前記画像データを用いて画像を形成する前記光学エンジンに接続した表示デバイスと，
    射出ひとみ拡大素子であって，
    第１表面及び第２表面を有する光学材料からなる少なくとも一つの基板と，
    前記少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置され，入力光ビームを受光するように構成した少なくとも一つの回折素子と，
    前記第１表面又は第２表面に配置した少なくとも一つの更なる回折素子と，
    前記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの光学吸収領域と，
    を備える射出ひとみ拡大素子と，
    を備える電子デバイスであって，
    前記入力光学ビームの少なくとも一部を前記回折素子において回折して，実質的に前記第１表面及び第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供し，
    前記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を，前記少なくとも一つの更なる回折素子における回折によって前記少なくとも一つの基板から出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを前記少なくとも一つの基板から提供し，
    前記入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，前記少なくとも一つの光学吸収領域は前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に光強度減衰なしに前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうち選択した選択成分を伝ぱさせるように構成して，前記出力光ビームが前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分を含むようにし，ここでＫは少なくとも値２の整数とし，Ｍは１からＫ−１の間の整数とする電子デバイス。
18. 前記射出ひとみ拡大素子は，ギャップで区切られた光学材料からなるＮ層の基板を備え，Ｎは少なくとも値１の整数とし，前記少なくとも一つの基板は前記Ｎ層の基板の一つとし，前記Ｎ層の基板はそれぞれ，前記入力光ビームの前記Ｋ個の波長成分のうち実質的に１成分だけの射出ひとみを拡大するように構成して，前記光デバイスの出力において前記Ｋ個の波長成分のすべてを一体にして実質的に同一の方向及び位置を有するようにする請求項１７に記載の電子デバイス。
19. Ｎ＝Ｋとする請求項１８に記載の電子デバイス。
20. Ｍ＝Ｋ−１とする請求項１７に記載の電子デバイス。
21. 前記少なくとも一つの基板が提供する出力光ビームは，実質的に前記Ｋ個の波長成分のうち前記選択成分だけを実質的に含む請求項１７に記載の電子デバイス。
22. 前記少なくとも一つの光学吸収領域は，
    前記少なくとも一つの基板の容積全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の，前記少なくとも一つの基板の領域だけ，前記少なくとも一つの基板の厚み全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの回折素子を作成するために用いた樹脂全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの更なる回折素子を作成するために用いた前記樹脂全体に拡散した吸収色素と，
    前記少なくとも一つの基板と実質的に同一の屈折率を有し，前記少なくとも一つの基板上の，実質的に前記少なくとも一つの回折素子と前記少なくとも一つの更なる回折素子との間の領域に配置した吸収コーティングと，
    のうち少なくとも一つを用いて構成する請求項１７に記載の電子デバイス。
23. 少なくとも一つの回折手段であって，
    少なくとも一つの基板の第１表面又は第２表面に配置した前記少なくとも一つの回折手段によって入力光ビームを受光し，該入力光ビームはＫ個の波長成分を含み，Ｋは少なくとも値２の整数とし，
    前記少なくとも一つの回折手段において前記入力光ビームの少なくとも一部を回折して，実質的に前記第１表面及び前記第２表面内に少なくとも一つの回折光ビームを提供する回折手段と，
    前記少なくとも一つの基板内又は基板上に配置した少なくとも一つの吸収手段であって，前記少なくとも一つの吸収手段によって前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分のうちＭ個の事前選択成分を吸収し，実質的に前記少なくとも一つの光吸収領域における光強度減衰なしに，前記少なくとも一つの回折光ビームのＫ個の波長成分から選択した選択成分を伝ぱさせ，Ｍは１とＫ−１の間の整数とする吸収手段と，
    少なくとも一つの更なる回折手段であって，該少なくとも一つの更なる回折手段における回折によって前記少なくとも一つの基板から前記少なくとも一つの回折光ビームの少なくとも一部を出力して，１次元又は２次元の拡大射出ひとみを有する出力光ビームを前記少なくとも一つの基板から提供し，前記出力光ビームは，前記Ｋ個の波長成分のうちの前記選択成分を含む更なる回折手段と，
    を備える装置。
24. 前記装置は射出ひとみ拡大素子とする請求項２３の装置。

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