JP7511274B2 - 偏光スクランブル用光導波路光学素子 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、光導波路光学素子に関し、より具体的には、偏光スクランブル用に構成された光導波路光学素子に関する。

本発明は、光導波路コンパクトコリメーティング光学デバイス（ＬＣＣＤ）およびこれらのデバイスのうちの１つ以上を含む光学システムに関する。「光導波路」という用語は、光学基体としても知られる任意の透光体、好ましくは光透過性固体を指す。コンパクト光学デバイスの重要な用途の１つは、光学モジュールが反射光学素子および結合器の両方として機能し、二次元画像が無限に撮像されて、観察者の眼に反射される、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の分野である。画像は、正極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、エルコス（ＬＣＯＳ）モジュール、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、マイクロＬＥＤ走査源もしくは同様のデバイスなどの空間光変調器（ＳＬＭ）から直接的に取得され得るか、またはリレーレンズもしくは光ファイババンドルによって間接的に取得され得る。画像は、コリメーティングレンズによって無限に画像化され、それぞれ非シースルーアプリケーションおよびシースルーアプリケーションの結合器として機能する反射表面または部分的反射表面によって観察者の眼に伝達される、要素（画素）のアレイを含む。典型的には、これらの目的のために、従来の自由空間光学モジュールが使用される。この光学モジュールは、本明細書中で光導波路光学素子（「ＬＯＥ」）と称される。

典型的には、ＬＯＥは、観察者の眼の前に配置される。ＬＯＥに入る光線の平行光線は、全内部反射（「ＴＩＲ」）によって平行表面間で反射される。コーティングされたファセットは、観察者の眼に向けて、光線を部分的に反射する。

典型的には、ＬＯＥに入る光は、Ｓ偏光またはＰ偏光のいずれかである。ファセット上のコーティングは、同じ偏光状態を有する光を反射する。関与する偏光状態は１つのみであるため、ＴＩＲ反射は、この偏光状態を維持するであろう。しかしながら、ＬＯＥに入る光が非偏光である用途では、すべてのＴＩＲ反射は位相シフトを引き起こし、これは、光線のうちのいくつかの偏光状態を変化させるであろう。これは、次に、ファセットによって反射される光の量の対応する変化をもたらし得るが、この変化は望ましくない。

一般的な説明
本明細書に開示された主題の一態様によれば、偏光スクランブル用に構成された光導波路光学素子（ＬＯＥ）が提供され、光導波路光学素子（ＬＯＥ）は、第１の屈折率を有する透明基板であって、基板が、ＬＯＥ内の光を、全内部反射（ＴＩＲ）を通して伝播するように構成された一対の平行な外側表面と、複数の相互に平行な部分反射性内側表面とを含み、複数の相互に平行な部分反射性内側表面が、一対の平行な外側表面に非平行であり、かつ光を観察者に結合するように構成されている、基板と、基板の少なくとも１つの外側表面上に１００ｎｍ～１０ミクロンの厚さを有する第１のコーティングであって、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するコーティング材料を含む、第１のコーティングと、第１のコーティング上の基板の少なくとも１つの外側表面上の反射防止（ＡＲ）コーティングと、を含む、光導波路光学素子（ＬＯＥ）が提供される。

いくつかの実施形態では、第１のコーティングが、４００ｎｍ～１３００ｎｍの波長を有する基板についてのＴＩＲカットオフ角を超える角度での入射光のｓ偏光成分およびｐ偏光成分の間の位相シフトを増加させるように構成される。

いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングが、０°～５０°の入射角でＬＯＥに入射する光の反射を低減または排除するように構成される。

いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングが、所定の角度でＬＯＥに入射する光の反射を、０．３％～１０％の反射光まで低減するように構成される。

いくつかの実施形態では、第１のコーティングが、高屈折率誘電材料を含む。

いくつかの実施形態では、第１のコーティングが、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＺｎＳからなる群から選択される材料を含む。

いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングが、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２およびＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１つのコーティング材料の１つ以上の層を含む。

いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングが、１．３５～２．５の範囲の屈折率を有する少なくとも１つの材料の１つ以上の層を含む。

本発明を理解し、それが実際にどのように実施されることができるかを見るために、非限定的な例として、添付の図面を参照して実施形態を説明する。

従来技術によるＬＯＥの一般化された概略図を図示する。 本明細書に開示された主題の特定の実施形態によるＬＯＥの一般化された概略図を図示する。 偏光スクランブルコーティングを有しないＬＯＥの１つの表面の位相シフト性能の一例を示すグラフを図示する。 ＲＧＢ光の高スペクトルピークを示すグラフを図示する。 白色光の高スペクトルピークを示すグラフを図示する。 基板に施される偏光スクランブルコーティングの分光差動位相シフト性能の一例を示すグラフを図示する。 法線入射でのＡＲコーティングを有しない例示的な偏光スクランブルコーティングの反射特性を示すグラフを図示する。 ＴＩＲにおける光線についてのＬＯＥ表面によって反射される光の反射における差動位相シフトの一例を示すグラフを図示する。 ＴＩＲ領域内の様々な異なる角度についての反射における差動位相シフトの例を示すグラフを図示する。 偏光スクランブルコーティングおよびＡＲコーティングを用いた、法線入射時の反射の一例を示すグラフを図示する。 基板および金属コーティングの間に施された偏光スクランブルコーティングの反射の一例を示すグラフを図示する。 ２つの導波路を有するディスプレイシステムの一実施形態を図示する。 本発明に係るＬＯＥの別の実施形態を図示する。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本明細書に開示された主題は、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。他の例では、本明細書に開示された主題を曖昧にしないように、周知の方法、手順、および構成要素は詳細に説明さ
れていない。

本明細書で使用される場合、「位相シフト」という用語は、Ｓ偏光線およびＰ偏光線の位相の差を指す。

これを念頭に置いて、従来技術によるＬＯＥの一般化された概略図を図示する図１に注目する。ＬＯＥは、一対の平行な外側表面２６、２７、および相互に平行な部分反射性の内側表面（「ファセット」）２２の非平行なセットを有する基板３４を含む。ファセット２２の部分反射特性は、ファセットに施されるコーティングを介して達成される。画像を表す光線１８は、ＬＯＥに結合され、表面２６、２７の間のＴＩＲを介してＬＯＥ内に伝播し、最終的に観察者の眼２４に向かってファセット２２によって反射される。

図２は、本明細書に開示された主題の特定の実施形態によるＬＯＥの一般化された概略図を示す。この場合、ＬＯＥは非偏光を受光して結合することを意図する。従来技術のＬＯＥと同様に、本発明のＬＯＥは、空気よりも高い屈折率（本明細書において「ｎ」と表される）を有する透明基板３４から構成される。基板は、ＬＯＥ内の光を、ＴＩＲを通して伝搬するように構成された一対の平行な外側表面２６、２７を備える。基板３４は、光を観察者に結合するように構成された複数の相互に平行な部分反射性内側表面（「ファセット」）２２をさらに備える。ファセットは、外側表面２６、２７に対して非平行である。例えば、それらは、一対の外側表面に対して傾斜され得る。

ＬＯＥは、表面２６、２７のうちの少なくとも１つに施される偏光スクランブルコーティング４２をさらに含む。コーティング４２は、基板３４の第１の屈折率よりも高い屈折率を有するコーティング材料から構成される。偏光スクランブルコーティング４２は、１００ｎｍを超え最大約１０ミクロンまでの厚さで、外側表面２６、２７、またはそれらの一部のうちの少なくとも１つに施される。いくつかの場合では、偏光スクランブルコーティング４２は、両方の平行な外側表面に施され得る。基板の外側表面に施される偏光スクランブルコーティング４２は、基板に入射して外部コーティング面の内側を反射するＳ偏光線およびＰ偏光光線の間の位相差勾配を増加させる。これは、全内部反射（ＴＩＲ）角を超える入射角のためのものである。位相差勾配は、波長の小さな変化に対する位相シフト差の変化量である。

偏光スクランブルコーティング４２は、ＬＯＥに入射する光の波長の予想される範囲および光が入射するであろう角度の予想される範囲、例えばＢＫ７ガラスについて４２°を超えるＴＩＲ領域の角度に基づいて、所定の設計要件に従って選択され得る。数回の反射の後、ＬＯＥ内で伝播するＳ偏光およびＰ偏光は、互いに対して大きく位相シフトし、本質的に光線の非偏光状態を維持するであろう。本発明によれば、ＬＯＥ内のファセット２２はまた、非偏光用に設計された部分反射性コーティングでコーティングされる。これらのコーティングされたファセットは、設計されたように、非偏光を観察者に向けて反射する。

例示的な実施形態では、偏光スクランブルコーティング４２は、３００ｎｍ～１００００ｎｍ、より好ましくは３００ｎｍ～５０００ｎｍ、さらにより好ましくは３００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さで施される。

好ましくは、偏光スクランブルコーティング４２は、ＴｉＯ_２（ｎ

２．２～２．４５）、Ｓｉ_３Ｎ_４、（ｎ

２．０）、ＺｎＳ（ｎ

２．２～２．４）または好適な等価物などの高屈折率誘電材料から構成される。「高屈折率」とは、基板よりも高い、好ましくは少なくとも２の屈折率を意味する。好ましくは、コーティング４２は、基板の外側表面からの反射時に、４００ｎｍ～１３００ｎｍ、より好ましくは４００ｎｍ～７５０ｎｍの間の波長を有する光の位相シフト傾斜を増加させるように構成される。

ＬＯＥは、コーティング４２の上部の基板の少なくとも１つの外側表面に施される反射防止（ＡＲ）コーティング４４をさらに含む。偏光スクランブルコーティング４２の上部に施されるＡＲコーティング４４は、所与の角度でＬＯＥに入射する光の反射を減少または除去し、それにより、これらの光線の高透過率を提供し、ＬＯＥを通して観察者が外界を見ることを可能にする。例示的な実施形態では、ＡＲコーティングは、実質的に「法線」の入射角、例えば０°～５０°の範囲の角度で表面に当たる光線の反射を減少または除去するように構成される。好ましくは、ＡＲコーティングは、ＬＯＥに所定の角度で入射する光の反射を、０．３％～１０％の反射光に低減する。

偏光スクランブルコーティング４２は、法線入射での基板の反射を、可視スペクトル（４３０ｎｍ～６６０ｎｍ）において平均で約５％（ｎ＝１．６の基板の場合）～約１８％増加させることに留意すべきである。したがって、ＡＲコーティング４４は、反射を低減するために、および偏光スクランブルコーティング４２によって誘発される脱偏光特性を維持するためにも必要とされる。これらの要件は、ＡＲコーティング４４の設計複雑性を増加させる。

好ましくは、ＡＲコーティング４４は、１．３５～２．５の範囲の屈折率を有するコーティング材料の層から構成される。好ましくは、コーティングは、１つ以上の高屈折率材料、１つ以上の低屈折率材料、および１つ以上の媒体（すなわち、高屈折率材料および低屈折率材料の間）屈折率材料を含む。例示的な実施形態では、ＡＲコーティング４４は、ＳｉＯ_２（ｎ

１．４５～１．４７）、ＨｆＯ_２（ｎ

２．０～２．１）、ＴｉＯ_２（ｎ

２．２～２．４５）、ＭｇＦ_２（ｎ

１．３５～１．３７）および／またはＡｌ_２Ｏ_３（ｎ

１．６３～１．６８）のうちの１つ以上の層から構成され得る。

図２は、縮尺どおりに描かれておらず、実際には、基板３４の厚さは、典型的には、コーティング４２、４４の厚さよりも数桁大きいことに留意すべきである。

図３は、偏光スクランブルコーティングを有しないＬＯＥの位相シフト性能を示すグラフを図示する。この場合、ＬＯＥは、外側表面に施されたコーティング４２を有しないＳ－ＴＩＭ８ガラス（ｎ

１．５９６）から作製される。示されるように、位相シフトは、可視スペクトル内のすべての波長でほぼ一定である。このことは、以下で説明するように、望ましくない。

典型的には、ＬＯＥに入る光は、ＲＧＢ ＬＥＤまたは白色ＬＥＤのいずれかからのものである。図４ａは、位相シフト勾配増強が好ましく発生するはずである、ＲＧＢ光の高スペクトルピークを示すグラフを図示する。図４ｂは、位相シフト傾斜強化が好ましく発生するはずである、白色光の高スペクトルピークを示すグラフを図示する。

図５は、ＲＧＢ ＬＥＤ光のスペクトルピークを参照して基板に施された偏光スクランブルコーティング４２による位相シフトの一例を示すグラフを図示する。この場合、コーティング４２はＴｉＯ_２から構成され、Ｓ－ＴＩＭ８ガラスで作製された基板３４に施された。図５は、コーティング４２の２つの異なる厚さ、すなわち、それぞれ３００ｎｍおよび１０００ｎｍの結果を示す。図５に示すように、層の厚さが増大するにつれて、可視波長における位相変化の傾きがより大きくなる。最も高い脱偏光および勾配が起こるはずであるスペクトル領域は、破線の四角形で示され、ＲＧＢ ＬＥＤのスペクトルピークに対応する。

図５に示されるように、ＬＯＥに入射する光の波長の小さな変化は、位相シフトの大きな変化を生じさせる。これは、システムを照らすＬＥＤ発光のスペクトル範囲と比較される。偏光スクランブルコーティング４２は、狭いスペクトルピークの一部に対して、異なる程度（ＲＧＢ ＬＥＤについては

４８０ｎｍ、

５８０ｎｍおよび

６４０ｎｍで、白色ＬＥＤについては

４４３ｎｍで）の位相シフトを引き起こす。人間の眼は近い波長の光の強度を統合するため、この効果は、非偏光を見ることに匹敵する。反射後の脱偏光は、部分的である。ファセット２２によって反射される前に、光は外側表面によって複数回反射されるため、光線の累積脱偏光は比較的大きい。

図６は、ＡＲコーティング４４を有しない例示的な偏光スクランブルコーティング４２の反射特性を示すグラフを図示する。この場合、コーティング４２は、それぞれ３００ｎｍおよび１０００ｎｍの２つの異なる層厚さで施された。示されるように、コーティング４２は、高反射性（可視波長における１辺当たり、平均約２０％）である傾向があり、ＬＯＥを通じた外界の視界の望ましくない減衰を引き起こす。

図７ａは、本発明のＬＯＥに入射する光の反射における差動位相シフトの一例を示すグラフを図示する。この場合、基板は、厚いＴｉＯ_２層から構成される偏光スクランブルコーティング４２、および偏光スクランブルコーティングの上部のＡＲコーティング４４でコーティングされる。このグラフは、２つの異なる厚さのコーティング４２、すなわち、それぞれ３００ｎｍおよび１０００ｎｍについて、可視波長において、５５度の入射角でＬＯＥに入射する光の反射における差動位相シフトを示す。

図７ｂは、ＴＩＲ領域内の様々な異なる角度について、１０００ｎｍの厚さでコーティング４２が施された、図７ａと同じコーティングを使用した反射における位相シフトを示すグラフを図示する。

図８は、可視スペクトル内の異なる波長で、図７ａのようなコーティング４２（３００ｎｍおよび１０００ｎｍのＴｉＯ２層厚さ）の層およびコーティング４４からなるコーティングの法線入射時の反射を図示する。図８に示されるように、このコーティングは、小角度でＡＲコーティングとして働き、反射が図６と比較して大幅に低減される（可視スペクトルにおける平均約１８％から約４％）ことが明らかである。異なるデザインおよび層材料を用いて、この反射はさらに低減され得る。

コーティング４２の厚さは、両方の外側表面について同一である必要はないことに留意すべきである。むしろ、ＬＯＥの各側面に任意のスペクトル領域についての位相変化の異なる勾配を与えるために、異なる厚さのコーティング４２が異なる表面に施され得るであろう。例えば、片方の側面においてＬＯＥがある波長についての位相変化の小さな傾斜を有するならば、他方の側面のコーティングは位相変化の大きな傾斜にランダムに行き当たり得、ここで、蓄積された位相シフトは大きいであろう。

言うまでもなく、入射光線がファセット２２に対して平行または垂直に偏光されている場合、コーティング４２は光線の位相に影響を及ぼさないであろう。

上述のように、偏光スクランブルコーティング４２は、表面全体の代わりに、一方または両方の外側表面の一部のみに施され得る。

いくつかの場合は、ＬＯＥは、一方の外側表面、またはその一部を金属コーティングでコーティングされることが望ましくあり得る。その場合、基板および金属層の間に偏光スクランブルコーティング４２を追加し得、これは、スペクトル領域上の位相シフト変化を増加させるであろう。

図９は、基板および金属コーティングの間に施される偏光スクランブルコーティング４２の反射の一例を示すグラフを図示する。このグラフは、可視スペクトル内の異なる波長における入射角５５°での光の反射を示す。このグラフは、偏光スクランブルコーティング４２を有しない場合の、ならびに異なる厚さ３００ｎｍおよび１０００ｎｍで層４２を有する場合の、位相シフト傾斜を示す。

いくつかの場合では、ＬＯＥに入る光線は、図面の同じ平面内にない場合があること、すなわち、別の三次元角度でＬＯＥに入ることに留意すべきである。この場合、たとえ光線が偏光されていても、ＴＩＲ平面を参照して偏光されることはないであろう。したがって、反射光線の偏光状態を変化させ、非偏光として扱われ得る。

図１０は、光線が１つのＬＯＥから第２のＬＯＥに対して任意の角度で反射される、２つのＬＯＥを有する表示システムを図示する。この反射は位相シフトを導入するので、光線の偏光状態を、ファセットからの反射時に偏光されないように変化させるであろう。ここでも、ＬＯＥ表面に施されるコーティング４２は、ファセットからの反射が光線の偏光状態に依存しないことを保証する。

図１１は、本発明によるＬＯＥの別の実施形態を示す。本実施形態では、ＬＯＥは、光線が導波路の中心に入射し、各反対側の端部に向かって伝播するように設計される。この場合、入射光線は、収束レンズ６を通って移動する。光６４Ｌおよび６４Ｒは、ＬＯＥを通過する。眼への光線は、中心ファセットを介して伝達されるか、または中心ファセットによって反射され、側面に移動し、他のファセットによって眼に向けて反射されるであろう。中心のファセットから側面ファセットへと移動する際に、光線は、表面１および２からのＴＩＲに遭遇する。したがって、次の反射ファセットは非偏光用に設計されるので、表面１および２は、光線を非偏光化するための偏光スクランブルコーティング４２（および任意選択で１つ以上のＡＲコーティング４４の層）でもコーティングされるべきである。ここでも、ＡＲ層の追加は、表面１および２の透過率を増加させるであろう。

本明細書に記載されるＬＯＥの実施形態は、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）、携帯電話、コンパクトディスプレイ、３Ｄディスプレイ、コンパクト光線エキスパンダなどの多数の画像形成用途、ならびにフラットパネルインジケータ、コンパクトイルミネータおよびスキャナなどの非画像形成用途で実施され得ることが理解されるべきである。

本発明は、その適用において、本明細書に含まれる説明に記載されるかまたは図面に図示される詳細に限定されるものではないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態を実施し得、様々な方法で実践および実施され得る。したがって、本明細書で使用される表現および用語は、説明の目的のためのものであり、限定するものとみなされるべきではないことが理解されるべきである。したがって、当業者は、本開示の基礎となる概念が、本明細書に開示された主題のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、およびシステムを設計するための基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。

Claims (7)

1. 偏光解消用に構成された光導波路光学素子（ＬＯＥ）であって、該光導波路光学素子（ＬＯＥ）は、
   第１の屈折率を有する透明基板であって、前記透明基板が、前記ＬＯＥ内の光を、全内部反射（ＴＩＲ）を通して伝播するように構成された一対の平行な外側表面と、複数の相互に平行な部分反射性内側表面と、を含み、前記複数の相互に平行な部分反射性内側表面が、前記一対の平行な外側表面に非平行であり、かつ前記光を観察者に結合するように構成されている、透明基板と、
   前記透明基板の少なくとも１つの外側表面上に１００ｎｍ～１０ミクロンの厚さを有する第１のコーティングであって、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するコーティング材料を含む、第１のコーティングと、
   前記第１のコーティング上の前記透明基板の少なくとも１つの外側表面上の反射防止（ＡＲ）コーティングと、を含み、
   前記第１のコーティングが、４００ｎｍ～１３００ｎｍの波長を有するＴＩＲを超える角度での入射光のｓ偏光成分およびｐ偏光成分の間の位相シフトを増加させるように構成されている、光導波路光学素子（ＬＯＥ）。
2. 前記ＡＲコーティングが、０°～５０°の入射角で前記ＬＯＥに入射する光の反射を低減または除去するように構成されている、請求項１に記載のＬＯＥ。
3. 前記ＡＲコーティングが、所定の角度で前記ＬＯＥに入射する光の反射を０．３％～１０％の反射光まで低減するように構成されている、請求項１に記載のＬＯＥ。
4. 前記第１のコーティングが、高屈折率誘電材料を含む、請求項１に記載のＬＯＥ。
5. 前記第１のコーティングが、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＺｎＳからなる群から選択される材料を含む、請求項４に記載のＬＯＥ。
6. 前記ＡＲコーティングが、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２およびＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１つのコーティング材料の１つ以上の層を含む、請求項１に記載のＬＯＥ。
7. 前記ＡＲコーティングが、１．３５～２．５の範囲の屈折率を有する少なくとも１つの材料の１つ以上の層を含む、請求項１に記載のＬＯＥ。