JP2000180785A - 光学結像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】折り返し光学結像手段を使用したヘッドマウン
トディスプレイにおいて、画像ソースから直接ユーザの
目に漏れてくる光によるゴーストイメージを低減する。 【解決手段】第１の１／４波長板１０４と第２の１／４
波長板１０２を、それらの作用が互いに逆になるような
配置にする。たとえば、第１の１／４波長板が光信号の
２つの偏光成分間にπ／２の遅れを与えるものとする
と、第２の１／４波長板は、これらの成分の間に−π／
２の遅れを与えるものにする。これによって、設計波長
から僅かにずれた波長を有する場合であっても、π／２
の位相差からの僅かなずれが相殺され、偏光フィルタ１
０６の偏光軸に対するほぼ正確な９０度差を実現でき、
画像ソース１２から直接ユーザの目に漏れてくる光が低
減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレイを目
視するための光学システムに関し、特に、折り返した光
路を利用してディスプレイと目視者の距離を最小にする
光学システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】以下の説明を簡略にするために、ヘッド
マウントコンピュータディスプレイにおいて使用される
ディスプレイについて本発明を説明していくが、以下の
説明から、本発明を他のタイプのディスプレイに適用可
能であることが当業者にとって明らかであろう。ヘッド
マウントコンピュータディスプレイは、コンピュータま
たは他のイメージソースにより作成される像を目視する
ためにユーザが着用する「眼鏡」とみなすことができ
る。片目で見る像が、二次元のピクセルアレイを有する
ディスプレイ画面上に生成される。

【０００３】目視者の顔から伸ばしたディスプレイの部
分を最小にするべく、ディスプレイと目視者の目の距離
を最小にすることが好ましい。大型の懸架ディスプレイ
は、着用するには不快である。さらに、反射材(reflect
or)を基にした光学システムは、かかるシステムがレン
ズを基にするシステムよりはるかに低コストで光学結像
を高品質に提供するため、好ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ディスプレイと目との
距離を短くしたものに、反射光学部品を組み合わせた従
来のシステムは、当該技術において周知である。これら
のシステムは、部分反射光学表面を利用して光路を折り
返し、目視者の目からディスプレイまでの距離を最小に
するよう構成したものが典型である。かかるシステムが
米国特許第５，６４４，４３６号に記載されている。上
記のシステムを動作させるためには、ディスプレイが発
光した直接光を遮蔽しなければならない。従来のシステ
ムでは、典型として、偏光フィルタおよび１／４波長板
を用いることで直接光が目に届かないようにしていた。
残念ながら、１／４波長板は、特定の波長に対して精確
に９０度で光の偏光ベクトルを回転させるにすぎない。
設計波長と異なる波長を有する光は、９０度を僅かに上
回るか、あるいは９０度を僅かに下回って回転する。こ
のため、これらの従来のシステムは、ディスプレイから
直接やってくる光をすべて遮蔽するわけではなく、目視
者には、「ゴースト」イメージが見えていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】広義において本発明は、
反射光学結像素子を基にした改良型折り返し光学システ
ムを提供することを目的とする。

【０００６】さらに、本発明は、結像されているディス
プレイからの光が、光の波長に関わらず直接目視者の目
に届かないようにした光学システムを提供することを目
的とする。

【０００７】本発明のこれらおよび他の目的は、本発明
の以下の詳細な説明および添付図面から当業者にとって
明らかとなろう。

【０００８】本発明は、ディスプレイからの光を結像す
る光学コリメート組立体である。該光学組立体は、第１
および第２の各直線偏光フィルタを含み、その偏光方向
が互いに直角となっている。第１のビームスプリッタ
と、第１の１／４波長板と、第２のビームスプリッタと
を含む折り返し結像装置は、上記の偏光フィルタ間に配
置される。偏光フィルタ間には、第２の１／４波長板も
配置されている。第１の１／４波長板は、その複屈折軸
が第２の１／４波長板の複屈折軸と直交する。本発明の
好ましい実施形態において、１／４波長板は、同一の複
屈折材から構成される。反射材（ビームスプリッタ）の
一方は、反射率がそのビームスプリッタに当たる光の直
線偏光の方向に依存する材料から構成されることが好ま
しい。

【０００９】

【発明の実施の形態】典型的な従来の折り返し光学装置
２０のブロック図である図１を参照することで、本発明
がその利点を獲得する態様をより容易に理解し得る。光
学装置２０は、結像素子として球面ビームスプリッタ２
２を用いて、ディスプレイ１２からの光を目視者１４の
目の中に結像する。ディスプレイ１２から目視者１４に
直接進む光は遮蔽されることが理想である。光学装置２
０は、ディスプレイ１２と目視者１４との間に偏光面が
平行な２つの偏光フィルタ２１および２６を配置し、こ
れらの間で通過する光の偏光面を９０度回転させること
によって、ディスプレイ１２から直接進む光が目視者１
４に届かないようにする。光学装置２０は、偏光面が平
行な偏光フィルタ２１および２６と、２枚の１／４波長
板２３および２５と、ビームスプリッタ２４とで構成さ
れる。２枚の１／４波長板２３および２５は、偏光フィ
ルタ２１および２６間に配置される。１／４波長板２３
と２５の間には、ビームスプリッタ２４が配置されてい
る。２枚の１／４波長板２３および２５は、偏光フィル
タ２１から直接やってくる光の偏光を９０度回転させる
ことで該光を偏光フィルタ２６で遮蔽するような１／２
波長板として一元的に作用する。このため、ディスプレ
イ１２から直接進む光は、目視者１４に届くことがなく
なる。

【００１０】光学装置２０を適切に動作させるために
は、球面ビームスプリッタ２２によりコリメートされる
光は、ディスプレイ１２から目視者１４に直接進む光が
受けるような偏光面の９０度回転を受けてはならない。
光学装置２０では、円偏光が反射の際にその偏光方向を
変えるという性質を利用している。ビームスプリッタ２
２によりコリメートされた光は、１／４波長板２３を通
過し、円偏光となって該１／４波長板２３を出る。この
円偏光の回転方向が右方向であるとすると、この光は、
ビームスプリッタ２４において反射するとその円偏光の
回転方向は左方向に変化する。再び１／４波長板２３を
通過すると、光は直線偏光になるが、偏光方向は、偏光
フィルタ２１により加えられた偏光方向に対して９０度
だけ回転する。この光が球面ビームスプリッタ２２によ
り反射される時は、その偏光方向は変わらない。この光
が１／４波長板２３をもう一度通過すると、このときそ
の偏光は左方向の円偏光に変換されている。この円偏光
の回転方向は、右方向であるディスプレイ１２から直接
やってくる円偏光の回転方向と違って左方向なので、１
／４波長板２５は、この光を直線偏光に変換する。しか
しながら、この直線偏光の偏光方向は、ディスプレイ１
２から直接やってくる光の偏光方向により受ける９０度
の回転を受けていない。したがって、この光は、偏光フ
ィルタ２６を通過する。

【００１１】反射せずにディスプレイ１２から直接進む
光は、両方の１／４波長板を通過する。これらの１／４
波長板は、理想的状態であれば１／２波長板として作用
し、光の偏光方向は９０°だけ回転する。１／４波長板
は、複屈折材であって、その厚みは、高速偏光と低速偏
光との間にπ／２の位相遅れをもたせるように選定され
る。光源の偏光軸が波長板の低速および高速軸間で４５
°に合わされると、左方向の円偏光が出現する。その角
度が−４５°の場合、出力は右方向の円偏光となる。以
下の説明を簡略にするために、高速軸の方位を画定する
軸は、いずれも「複屈折軸」と称する。

【００１２】なお、１／４波長板の厚みは、スペクトル
の光成分おけるある特定の波長に対してのみ正確に選定
され得ることに留意されたい。他の波長においては、低
速成分の遅れの程度に僅かな誤差が生じる。この誤差
は、偏光フィルタ間をディスプレイ１２から目視者１４
に直接進む光の偏光に変化をもたらす。偏光フィルタ
は、その間の偏光に正確に９０°の回転がある場合にの
み光を完全に遮蔽するので、ディスプレイ１２を出る僅
かな光が目視者に届くことになる。この結果、目視者に
は、強度がばらついたゴーストイメージがカラーで見え
てしまう。

【００１３】本発明は、従来のシステムが持つゴースト
発生の問題を、第２の１／４波長板の作用が第１の１／
４波長板の作用と逆であるような１／４波長板の配置を
用いることで回避する。たとえば、第１の１／４波長板
が光信号の２つの偏光成分間にπ／２の遅れを与えるも
のとすると、第２の１／４波長板は、これらの成分の間
に−π／２の遅れを与えるものにする。これは、第１の
１／４波長板の複屈折軸を第２の１／４波長板の複屈折
軸に対して９０°だけ回転させるようにしてこれらの１
／４波長板を整列させることで達成される。

【００１４】本発明の好ましい実施形態において、１／
４波長板は同一材料から構成される。設計波長と異なる
波長、すなわち、位相遅れが正確にπ／２である波長の
光を想定する。第１の１／４波長板がπ／２を下回る遅
れを与えると、同様に第２の１／４波長板は、相殺する
同一量の遅れを与える。したがって、２枚の１／４波長
板を通過する光の偏光は、これら波長板によって与えら
れる実際の遅れに関わらず変化しないままとなる。

【００１５】次に図２を参照すると、本発明に係る、デ
ィスプレイ１２からの光をコリメートする折り返し光学
装置１００の断面図が描かれている。本説明の目的のた
め、ディスプレイ１２を出た光は偏光されていないもの
とする。したがって、ディスプレイ１２を出た光は、２
個の直線偏光を有する光源から発するものとして見え、
一方の偏光の発生源を図中「Ｓ」で示し、もう一方の偏
光の発生源を「Ｐ」で示す（ここで、ＰはＳと直交す
る）。偏光Ｐを除去するために第１の偏光フィルタ１０
１が配置され、偏光Ｓを通す。この光を第１の１／４波
長板１０２が右方向の円偏光に変換し、図中これを
「Ｒ」で示す。この光は、球面ビームスプリッタ１０３
および第２の１／４波長板１０４を通過する。波長板１
０４は、右方向の円偏光を変換して、偏光Ｓと同方向の
直線偏光に戻す。この光は、平坦ビームスプリッタ１０
５に当たり、光の一部を反射して球面ビームスプリッタ
１０３方向に戻る。

【００１６】反射せずに透過した光１１１は、偏光Ｓと
同方向の直線偏光を遮蔽するように設けられた偏光フィ
ルタ１０６に当たる。これが、ディスプレイから直接や
ってくる光である。上記のように、波長板１０４は、そ
の作用が波長板１０２の作用と逆になるように配向され
る。したがって、ディスプレイからの光はすべて、光の
波長に関わらず遮蔽される。

【００１７】ビームスプリッタ１０５により反射される
光は、１／４波長板１０４を通って戻り、再び右方向の
円偏光に変換される。この光は、球面ビームスプリッタ
１０３により反射される。反射後、この円偏光は、その
偏光方向が逆になる。このため、球面ビームスプリッタ
１０３を出た光は、左方向の円偏光となり、図中「Ｌ」
で示される。この光は、１／４波長板１０４を通過して
変換され、直線偏光する光に戻る。しかし、偏光方向
は、この場合Ｐである。この光には、不完全な１／４波
長板の複合効果により多少のＳ偏光が加わるが、これ
は、スループットをごく僅かに低下させるだけである。
この光の半分は、ビームスプリッタ１０５を通過し、Ｐ
方向の偏光を有する光を進めるように設定された偏光フ
ィルタ１０６を介して本装置を出る。

【００１８】もう一方の光の半分は、再び球面ビームス
プリッタ１０３から反射されるが、この光はＳ偏光とな
って戻ってくるため、ビームスプリッタ１０５における
次の反射を逃れて透過する光があっても、いずれもフィ
ルタ１０６によって遮蔽される。したがって、ビームス
プリッタ１０５を通過せずに反射して戻るＰ偏光のう
ち、球面ビームスプリッタ１０３から２度の反射を受け
た分のみが偏光フィルタ１０６から外へ逃れることがで
きる。ビームスプリッタ１０５からの各反射は、光強度
を半減させる。加えて、球面ビームスプリッタ１０３か
ら反射された光はもはや、観察する目視者へコリメート
されない。したがって、球面ビームスプリッタ１０３か
らの最初の反射の後に逃れなかった光は、強度が１６倍
も減少し、焦点がずれる。この背景は、十分に拡散され
て、強度が減少するので、ディスプレイ１２を見る人を
満足させる。

【００１９】次に図３を参照すると、本発明に係る、折
り返し光学装置の別の一実施形態の断面図が描かれてい
る。以下の説明を簡略にするために、図２に示す要素と
同一の機能を果たす装置２００の要素に、図２において
用いられたものと１００だけ違う数字を付した。光学装
置２００は、２つのビームスプリッタの間に置かれた１
／４波長板の作用を補償するもう一つの１／４波長板の
配置が、図２に示す光学装置１００と異なる。装置１０
０において、補償用１／４波長板１０２は、２つのビー
ムスプリッタの前方に配置されていた。装置２００で
は、補償用１／４波長板である１／４波長板２０２は、
２つのビームスプリッタの後方に配置される。ここで再
び、１／４波長板は、該波長板の低速光学軸が互いに直
交するように配列される。

【００２０】本発明の上述の実施形態では、球面ビーム
スプリッタおよび平坦ビームスプリッタを用いて、その
間に１／４波長板を挟んで配置している。しかしなが
ら、ディスプレイからの光を結像する２個のビームスプ
リッタの構成であれば、いずれの構成も利用し得ること
は、当業者であれば先行の説明から自明であろう。本発
明の好ましい実施形態では、これらの反射材の生成が容
易であることから、平坦および球面ビームスプリッタを
使用している。

【００２１】本発明の上述の実施形態では、ビームスプ
リッタを構成するのに、部分反射表面を用いている。半
鍍銀を用いると、各反射ごとに光の半分が損失される。
これでは、ディスプレイの明るさが実質的に減少してし
まう。この光の損失を、反射率が入射する光の偏光に依
存する部分反射表面を用いることにより、実質的に軽減
することが可能である。本発明の結像装置は、２つの反
射材を該２つの反射材の間に配置した１／４波長板と組
み合わせることによるものである。反射材の一方は円偏
光を反射し、他方の反射材は直線偏光を反射する。たと
えば、光学装置１００において、反射材（ビームスプリ
ッタ）１０５は直線偏光を反射し、反射材（球面ビーム
スプリッタ）１０３は円偏光を反射する。光学装置２０
０において、反射材（平坦ビームスプリッタ）２０５は
円偏光を反射し、反射材（球面ビームスプリッタ）２０
３は直線偏光を反射する。

【００２２】直線偏光する光を反射する反射材が、一方
の直線偏光を反射しかつ他方の直線偏光を透過する材料
から構成されている場合、目視者に達する光の強度は４
倍になる。たとえば、装置１００において、反射材（平
坦ビームスプリッタ）１０５は、一方の直線偏光を反射
して、これと直交する他方の直線偏光を透過するような
材料から構成される。かかる材料は、当該技術において
周知である。かかる材料は、たとえば、３ＭがDUAL BRI
GHTNESS ENHANCEMENT FILM（DBEF）の商標名で販売して
いる。本発明の好ましい実施形態において、反射材（平
坦ビームスプリッタ）１０５は、Ｓ偏光を反射し、かつ
Ｐ偏光を透過するように構成されている。したがって、
反射材１０５に当たる光はすべて、反射材（球面ビーム
スプリッタ）１０３の方向に反射する。反射材１０３に
当たる光の半分は反射して、目視者に戻る。この光は、
反射材１０３により反射した光すべてが反射材１０５に
達したときにＰ偏光されることになるため、すべて目視
者に届く。

【００２３】本発明の上述の実施形態では、平坦および
球面ビームスプリッタをともに用いていた。しかしなが
ら、本発明の教示から逸脱しない限り他のジオメトリを
用いることも可能である。たとえば、両方のビームスプ
リッタを湾曲させてもよく、その湾曲したものは必ずし
も球面である必要はない。

【００２４】上述した説明および添付図面から、当業者
にとって本発明の様々な変形例が明らかとなろう。した
がって、本発明は、添付の特許請求の範囲によりのみ限
定されるものである。

【００２５】〔実施態様〕なお、本発明の実施態様の例
を以下に示す。

【００２６】〔実施態様１〕ディスプレイからの光を結
像する光学結像装置（１００、２００）であって、第１
方向の偏光を透過する第１の直線偏光フィルタ（１０
１、２０１）と、前記第１方向と直交する第２方向の偏
光を透過する第２の直線偏光フィルタ（１０６、２０
６）と、第１のビームスプリッタ（１０５、２０５）お
よび第１の１／４波長板（１０４、２０４）および第２
のビームスプリッタ（１０３、２０３）とを有する折り
返し結像装置と、第２の１／４波長板（１０２、２０
２）とを備え、前記折り返し結像装置および前記第２の
１／４波長板（１０２、２０２）は、前記第１および第
２の各直線偏光フィルタの間に配置され、かつ前記第１
の１／４波長板（１０４、２０４）は、その複屈折軸が
前記第２の１／４波長板（１０２、２０２）の複屈折軸
と直交することを特徴とする光学結像装置。 〔実施態様２〕前記第１および第２のビームスプリッタ
の一方は、反射率が前記ビームスプリッタに当たる光の
直線偏光の方向に依存する材料から構成されることを特
徴とする、実施態様１記載の光学結像装置（１００、２
００）。 〔実施態様３〕前記第１のビームスプリッタ（１０５、
２０５）は、部分反射平坦面を備え、前記第２のビーム
スプリッタ（１０３、２０３）は、部分反射曲面を備え
ることを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記
載の光学結像装置（１００、２００）。 〔実施態様４〕前記曲面は球面であることを特徴とす
る、実施態様３記載の光学結像装置（１００、２０
０）。 〔実施態様５〕前記第１および第２の１／４波長板は、
同一の複屈折材料からなる層を備えることを特徴とす
る、実施態様１乃至実施態様４のいずれか一項に記載の
光学結像装置（１００、２００）。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の折り返し光学結像装置の断面図である。

【図２】本発明に係る折り返し光学結像装置の一実施形
態の断面図である。

【図３】本発明に係る折り返し光学結像装置の代替実施
形態の断面図である。

【符号の説明】

１００：光学結像装置 １０１：第１の直線偏光フィルタ １０２：第２の１／４波長板 １０３：第２のビームスプリッタ １０４：第１の１／４波長板 １０５：第１のビームスプリッタ １０６：第２の直線偏光フィルタ ２００：光学結像装置 ２０１：第１の直線偏光フィルタ ２０２：第２の１／４波長板 ２０３：第２のビームスプリッタ ２０４：第１の１／４波長板 ２０５：第１のビームスプリッタ ２０６：第２の直線偏光フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディスプレイからの光を結像する光学結像
   装置であって、 第１方向の偏光を透過する第１の直線偏光フィルタと、 前記第１方向と直交する第２方向の偏光を透過する第２
   の直線偏光フィルタと、 第１のビームスプリッタおよび第１の１／４波長板およ
   び第２のビームスプリッタとを有する折り返し結像装置
   と、 第２の１／４波長板とを備え、前記折り返し結像装置お
   よび前記第２の１／４波長板は、前記第１および第２の
   各直線偏光フィルタの間に配置され、かつ前記第１の１
   ／４波長板は、その複屈折軸が前記第２の１／４波長板
   の複屈折軸と直交することを特徴とする光学結像装置。