JP2000511306A - 眼鏡及びフェースマスクに対するイメージコンバイニングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学システムは、メインレンズ（３００）により形成された第１のイメージを電子ディスプレイ、スライド又は他のイメージソース（３２０）により提供される第２のイメージと組み合わせる。このイメージコンバイニングシステムは、反射イメージコンバイナー・セットのような前記メインレンズ内の光路にそってユーザーの目へ光線を再び向ける一つ又は一つ以上のインサートを含む。このイメージコンバイニングシステムは、極めてコンパクトのもので、眼鏡又はダイバーのマスクのようなフェースマスクにディスプレイシステムを一体化できる。いくつかの器具又は光学システムがカメラのようなイメージ捕捉に使用のものを含む他のタイプのイメージインテグレーションを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 眼鏡及びフェースマスクに対するイメージコンバイニングシステム 関連出願についての相互参照 この出願は、１９９６年１０月８日に出願の米国仮出願第６０／０２ ７，９９８号の利益を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ １１９(e)に基づいて要求するものであ り、前記出願の記述をここに参考文献として組み入れるものである。 連邦援助の研究又は開発に関する記載 この発明は、契約第ＤＡＫＫ６０−９６−Ｃに基づき合衆国陸軍のソ ルジャー・システムズ・コマンドにより与えられた政府援助によりなされたもの である。政府は、この発明にある権利を所有する。 発明の背景 頭部装着イメージディスプレイ類（例えば、ミニチュアのディスプレ イを組み込んだヘルメット、ゴーグル及び眼鏡類）及び文字と数字とを組み合わ せ、ビデオ又はグラフィックフォームでデータを提供する他のコンパクトディス レイシステムは、エビオニクス、医薬品、娯楽及び着用可能なコンピュータなら びに数多くの他の分野に実施できる。例えば、米国特許５，３４８，４７７、５ ，２８１，９６０、４，８０６，００１及び５，１６２，８２８を参照。頭部装 着のディスプレイシステムの先行技術には、三つの主なタイプのものがある：” シースルー・システムズ”で、これは、ディスプレイされた電子オメージが周囲 のイメージと組み合わされ、ユーザーは、両方のイメージを見ることがで来るも おであり；”シーアラウンド・システムズ”で、これは、ディスプレイされたイ メージが周囲のイメージの一部を閉ざすものであり；そして”完全没入システム ズ”で、これは、周囲のイメージすべてが閉ざされ、この結果ユーザーは、電子 的に作られたイメージしか見ることができないものである。システムズのすべて 三つのタイプのものは、見る人の目にイメージを投射するレンズおよび類似品 を含む種々の手段を使用している。 最も簡単なシステムのものは、シーアラウンドタイプのものを備え、 このタイプにおいては、一つ又はそれ以上のレンズに電子ディスプレイが設けて あり、ユーザーの目の前にぶらさがるようになっている。このデバイスの主な限 界は、該ディスプレイと光学システムとを頭部に対し動かすか、又は、頭部を動 かして、収蔵された視界における周囲の光景をユーザーが眺めることができるよ うにしなければならない。このようなデバイスの第２の限界は、前記デバイスが 頭部（又はヘルメット、ストラップ又は他の頭部に付ける支持具）から下げられ ていて、この結果、装置質量が頭部に対し不快な重量及び／又はトルクを付加し てしまう点である。前記デバイスの第３の限界は、光学システムの射出瞳が正確 に固定できず、このことは、光学システムの射出瞳を十分に大きくして使用時に おいて起きるデバイスの種々の動きに適合するようにしなければならないことを 意味する。 完全没入システムは、シーアラウンドシステムと同様な数多くの限界 を有している。周囲の光景を見るには、頭部装着システムを外さなければならな い。一般的に言って、このシステムは、前記シーアラウンドシステムに類似した ディスプレイとレンズシステムとを備えるか、又は、ディスプレイ、レンズシス テム及び反射スクリーンを備える。これらのシステムは、重く、負担がかかり、 嵩張る。 シースルーシステムズは、最も複雑な光学構造のものになる。一般に 、シースルーシステムズは、ディスプレイ、レンズシステム及び見るスクリーン 又はコンバイナーを備える。シーアラウンドディスプレイの限界のすべては、周 囲の光景を見るのに頭部装着システムを外す点を除き、シースルーディスプレイ にも当てはまる。しかしながら、この利点のためには、光学コンポーネンツをさ らに付加する必要があり、したがって、該システムが重くなる。 上記した頭部装着ディスプレイの三つのタイプ全てにおいては、より コンベンショナルの光学支持具（コンベンショナルの眼鏡フレーム類による更に 簡単な支持具）よりむしろ、大きなバイザーなどをもつゴーグル類、ヘルメット 類、つり下げバンド類、異常に嵩ばったサングラスフレーム類に光学システムズ を取り付ける必要があるという更に別の限界がある。この限界は、そのようなデ バイスにユーザーが慣れ親しむことを要求する。 従来技術のディスプレイの他の限界は、照明を行う必要がある点であ る。例えば、液晶ディスプレイを使用する頭部装着ディスプレイシステムは、該 ディスプレイを照らすランプを必要とする。これらのランプは、電力を消費し、 ユーザーの頭部近くで発熱し、システム全体が大きくなり、重くなる。 従来技術のさらにキイとなる限界は、眼鏡システムの外側における光 路を使用することである。例えば、米国特許５，３４８，４７７においては、ウ エルヒは、イメージリレイとレンズセット及び眼鏡フレームと眼鏡レンズとの外 部に装着されたスクリーンを備えたシステムを記載している。フリースペース光 路、コンバイナー及び類似ものの使用は、コンベンショナルの眼鏡に近づくため のアプローチにおける小形化を極めて困難なものにしている。米国特許５，１６ ２，８２８におけるファーネス他は、ゴーグル又は眼鏡のトップに位置させたデ ィスプレイ及び固定又は調節可能で、透明体の底部に位置するミラーをもつ、ゴ ーグルに見られるような透明なスクリーンに基づくシースルーシステムでこの限 界にアドレスしようとしている。このアプローチは、複雑性を低下させてはいる が、このシステムは、それでも透明体の下又は背後のコンベンショナルではない 露出箇所に位置する少なくとも一つのミラーを必要とする。ペレラ（米国特許４ ，８６７，５５１及び４，７５１，６９１）及びベッティンガー（米国特許４， ８０６，０１１）により開示された眼鏡も眼鏡フレームにつり下げられたミラー を必要とする。機械的につり下げられたミラー類をもつシステムの特定の限界は 、そのような付属物においては、ミラーの光学面が使用中ダメージを受けたり、 壊れたり、又は、偶発的に当たってユーザーの目を損傷したりするおそれが多分 にあることに起因する。さらに、これらのシステムは、特殊の光学付属物を含む から、コンベンショナルな目に着用するものの理想的な形にはならない。 発明の概要 この発明は、イメージソース又はイメージディスプレイ、レンズシス テム及び眼鏡フレーム又はフェースマスクを備える。該ディスプレイは、屈折率 分布型レンズ導管、コヒーレントファイバーオプティックバンドル又はレンズイ メージリレイのようなイメージ導管を用いて眼鏡レンズから離れて前記ディスプ レイが配置され、頭部にかかる前記システムの重量をバランスさせるため、又は 熱源（前記ディスプレイ又はバックライト）を顔面から離れるように場所を変え るため、又は、外見を装う理由又は其の他の理由のために望ましいものであれば 、前記ディスプレイを頭部の背後に位置させることができるようになる。眼鏡レ ンズシステムは、全部が内部で内部反射させる面、部分的にシルバーめっきされ ているミラー、又は誘電コーティングス、又はホログラフィ面又は回析面及び両 眼転導補正のための一つ又は複数の光学面をもって形成されていて、前記ディス プレイからのイメージがユーザーの視界に位置する部分反射面又は全反射面への レンズを介して内部的にユーザーの目へリレイされる。さらに、前記レンズシス テムは、部分的にシルバーめっきされたミラー又は誘電コーティングスで外部の 光線に対し部分的に透明であるから、周囲の情景は、コンベンショナルの眼鏡の ように、比較的損なわれずにユーザーへ提供される。これらの光学要素は、眼鏡 フレーム又は眼鏡レンズ内に埋設でき、光学面（レンズ類又はリフレクター類） を前記システムに付加して前記ディスプレイを拡大させたり、コンベンショナル の眼鏡のようにユーザーの視力を補正したりできるようになっている。従来技術 に優るこのアプローチの主たる利点は、前記光学システムを小さくして、眼鏡レ ンズ内に集積できる形にし、これでコンベンショナルの眼鏡には通常見られない 外部の付属物及び異常に嵩張るフリースペース光学コンポーネンツがなくなる結 果になる。 したがって、この発明は、コンパクトな頭部装着ディスプレイシステ ムの光学機能を提供するシースルー、シーアラウンド又は完全没入光学システム を提供する。このシステムは、眼鏡又はフェースマスク内に一体化されることが できる。このシステムは、また、前記ディスプレイを物理的に動かさずに、完全 没入からシーアラウンド又はシースルーへスイッチングできる。 前記システムは、周囲の光を使って前記ディスプレイを照明し、した がって、従来技術のシステムよりも電力消費が少ない。このシステムは、また、 ユーザーの目の前には、偶発的に衝撃を受けて目を傷つけるような機械的付属物 が位置していない点で有利である。さらに反射面は、一切露出していないので、 光学劣化を受けない。本発明のさらなる実施例においては、イメージを捕捉し、 アイトラッキングできるようになっている。 図面の記述 添付の図面を参酌しながら以下の詳細な記述から発明がより完全に理 解されるものであり、図面において： 図１は、従来技術のシースルー頭部装着ディスプレイシステム； 図２は、従来技術のシーアラウンド頭部装着ディスプレイシステム； 図３は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレンズシステム； 図４は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレンズシステムの 別の実施例； 図５Ａは、コンバイナーを外したイメージコンバイニングシステムの ための眼鏡フレームの一部の正面図； 図５Ｂは、イメージソースから眼鏡フレームヘ光路を設けるマウント の側面図； 図５Ｃは、マウントを外した図５Ａの眼鏡フレームの一部の平面図； 図５Ｄは、マウントとコンバイナーとを外した図５Ａの眼鏡フレーム の側面図； 図５Ｅは、マウントとコンバイナーとを外した図５Ａの眼鏡フレーム の正面図； 図６Ａは、両眼イメージコンバイニングシステムのための眼鏡フレー ムの正面図； 図６Ｂは、両眼イメージコンバイニングシステムのための眼鏡フレー ムの別の実施例の正面図； 図７は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムの別の実施 例； 図８は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別 の実施例； 図９は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別 の実施例； 図１０は、本発明によるイメージコンバイニングレンズシステムとイ メージソース及び光路がマウントされている眼鏡フレームとの図解； 図１１は、本発明によるイメージソースと、そこからの光路とに関連 するイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別の実施例； 図１２は、本発明によるイメージソースと、そこからの光路とに関連 するイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別の実施例； 図１３は、折り曲げられた光路をもつイメージコンバイニングシステ ムのさらに別の実施例； 図１４は、本発明による眼鏡に一体にしたイメージコンバイニングシ ステムの平面図； 図１５は、本発明によるイメージソースからイメージコンバイニング レンズシステムへの光路を取り付けるチューブマウントの図解； 図１６Ａは、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさら に別の実施例； 図１６Ｂは、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさら に別の実施例； 図１７は、本発明によるイメージ獲得及びアイトラッキングとに関連 のイメージコンバイニングシステムのさらに別の実施例； 図１８は、フリースペースにおけるコンバイナーに基づく従来技術の 反射屈折光学ディスプレイ； 図１９Ａは、本発明の反射屈折光学システム； 図１９Ｂは、本発明の反射屈折光学システムの別の実施例； 図２０は、本発明によるマルティプル・コリメーションディスタンス を組み込んだイメージコンバイニングシステム； 図２１は、本発明によるマルティプル・コリメーションディスタンス を組み込んだイメージコンバイニングシステムの別の実施例； 図２２は、本発明による集積されたイメージコンバイニングシステム とコンピュータ回路とをもつフェースマスク構造； 図２３は、本発明によるアイトラッキングのためのスキャニングミラ ーと関連のイメージコンバイニングシステム； 図２４は、アイトラッキングのためのスキャニングミラーとフラット パネルディスプレイと関連のイメージコンバイニングシステム； 図２５Ａは、本発明による増加された視野を有するイメージコンバイ ニングレンズシステムの別の実施例； 図２５Ｂは、光線を二つのパスに分けることを図解する図２５Ａの実 施例； 図２６は、図２５のイメージコンバイニングレンズシステムの平面図 ； 図２７は、本発明による光路と視野が増加したイメージソースとに関 連のイメージコンバイニングレンズシステムの別の実施例； 図２８Ａは、本発明により作られた眼鏡の略図的斜視図； 図２８Ｂは、図２８Ａの眼鏡の一部を切断した平面図；そして 図２９は、本発明による眼鏡の別の実施例の平面図である。 発明の詳細な記述 図１は、レンズとコンバイナー（組み合わせるもの）とに基づく従来 技術のシースルー頭部装着ディスプレイシステムを図解するものである。ディス プレイ１０とバックライト２０とがレンズ５０と共にユーザーの視線の上に装着 されている。ディスプレイ１０からの光線８０は、レンズ５０を通過してコンバ イナー４０で反射されてユーザーの目に向かう。周囲の情景からの光線６０は、 レンズ３０を通り、そして、またコンバイナー４０を通過して前記ディスプレイ からの光線８０と一致する。かくてユーザーは、前記ディスプレイと前記周囲の 情景とからの光線が重なり合ったものからなるイメージを視認する。このシステ ムのレンズは、前記光線に対し適当な両眼転導を与え、前記イメージは、所望の 深さで視認される。一般的には、このシステムの種々のパーツのサイズは、０． ５から２．０インチのオーダーで、大きな出口孔になり、このシステムが嵩張っ てしまうハウジングとフレームとが必要になる。さらに、重量がユーザーの頭部 に望ましくないトルクを生んでしまうような配分になってしまう。 図２は、シーアラウンド技術を含む別の従来技術の頭部装着ディスプ レイのアプローチを図解する。ディスプレイ１０とバックライト２０とがレンズ １１０と共に装着され、光線１００は、適当な両眼転導をもって目に向かう。パ ーツが少なくなっているこのディスプレイシステムは、前記シースルーディスプ レイよりもいくらか軽いが、周囲の光線が入らない。さらに、ハット類やヘッド バンド類に取り付けのシーアラウンド及びシースルーディスプレイ両者は、周り のものに引っ掛かりやすい。 この発明の一つの好ましい実施例は、図３に示されている。イメージ ソース又はディスプレイ３２０とレンズ３３０とが以下”メインレンズ”３００ という第２の”レンズ”又はレンズシステム３００のエッジに装着されている。 メインレンス３００は、さらに詳しくは、眼鏡レンズ（視力矯正光学パワーを有 しているもの又は有していないもの）及び例えば二焦点インサートの態様に作ら れているインサート３０１の構造のものである。かくして、メインレンズ３００ は、眼鏡フレームにおけるシングルレンズ（又は二焦点レンズの場合におけるレ ンズシステム）に置き替わるものとして理解される。メインレンズ３００は、さ らに正確には、埋設されたレンズ群及び他の光学コンポーネンツ及び光学面から なる光学システムと言えるものであるが、ここでは、簡明のためにメインレンズ ３００と言う。また、ここでの用語”レンズ”とは、一般的には、屈折、回析、 反射又は其の他のものいずれかの光学パワーをもつ面（サーフェース）及び／又 は屈折、回析、反射又は其の他のものいずれかの光学パワーをもつ多数の面の複 数のセットものでを言う。 メインレンズ３００におけるインサート３０１は、異なる屈折率ｎ₁ ，ｎ₂で、ｎ₁がｎ₂よりも大きい屈折率をもつ二つのマテリアルズからなり、そ の結果、イメージソース３２０からの光線３０８は、屈折率が高いマテリアルを 通過して前記マテリアルズの間のインターフェース３０２に入射し、全てが内部 反射されて第３のレンズ３４０へ向かう。周囲の光線３０６は、インターフェー ス３０２を通過し、第３のレンズ３４０から屈折され、かくてディスプレイされ るイメージのコントラストを改善する。二つのレンズ３３０，３４０は、組み合 わされた光学パワーが顕微鏡を形成し、ディスプレイからのイメージが所望の倍 率で見れるようにすることができるように選択される。前記二つのマテリアルズ は例えば、融解石英(n₁＝1.458)及びLaSFN₉（n₂＝1.85）からなるものでよく５ ２度よりも大きな入射角の光線がすべて内部反射されることになる。また代替と して、空気又は他の流体が詰まっているギャップを前記マテリアルズの間に設け るか、又は、屈折率が低いマテリアルを空気、他の流体又はヴァキュウムから構 成し、メインレンズ３００に融解石英を使用した場合、トータルの内部反射のク リティカルの角度を４３度にする。インターフェース３１０の角度は、入射角度 がトータルの内部反射のクリティカルの角度を越える条件を満足させ、そいてま た、見るイメージの位置決めの光学条件を満足させるように構成される。また、 ここに示す光学インターフェースは、平面なものであるが、カーブしていて光学 パワーをもつようなものでもよい。 代替実施例は、インサート３０１を使用するもので、これは、前記イ ンターフェースに薄いフィルムの干渉コーティングスを有するマテリアルズから なり、誘電ビームスプリッター及びコンバイナーで通常達成されるように光路を 組み合わせる。このような場合、屈折率n₁，n₂は、同じ(n₁＝n₂)である。いずれ の方法でも働くものである；しかしながら、干渉コーティングスは、シースルー システムズにおいて有用であるが、トータルの内部反射は、シーアラウンドシス テムズにおいては、所望のパスにそって大きな光学スループットを与える。メタ ルコートの面も使用できる。 ディスプレイ３２０は、小型のフラットパネルディスプレイ、陰極線 管又はスキャンニングディスプレイからなり、これは、本出願の譲受人に譲渡さ れた代理人ドケットナンバーＭＯＰ−１Ｏ１Ｊで確認される１９９６年９月１９ 日出願の名称コンパクトディスプレイシステムの米国特許出願第０８／７１６， １０３号に記載されもので、これを参考文献としてここに組み入れる。ディスプ レイ３２０は、特定の応用要件及び適用できる技術に応じてアナログ又はデジタ ルであるＲＦリンクをもつＲＦビデオシグナルズに応答する。 図４は、前記イメージ組み合わせシステムを形成する他の方法を図解 するものである。このシステムにおいては、コンバイナーとして逆に使用される キューブ・ビームスプリッター８０１が先に述べた全反射面に置き替わる。例え ば、エドモンド・サイエンティフィック・パートA45,111のキューブ・ビームス プリッターは、全内部反射面にわたり周囲光線を実際に一切屈折させない利点を 有する；しかしながら、該キューブ・ビームスプリッターは、約５０％の周囲光 線とディスプレイ光線とを目に入れるのみである。しかしながら、ビームスプリ ッター８０１が偏光ビームスプリッターで、ディスプレイ３２０が偏光光線（液 晶ディスプレイ又はレーザースキャンディスプレイからのような）を与えるなる 場合にとっては、前記ディスプレイ放射電子の波長とキューブ８０１におけるコ ーティングスの光学デザインとに応じて７５〜９９％の範囲の反射が得られる。 前記キューブは、また、液晶ディスプレイに対するアナライザーとしても機能し 、これは、一つの偏光を効率よく通し、他のものは通さないからである。 この実施例において、ハウジング８２０は、キューブ８０１に組みつ けられる二枚のガラスまたはプラスチックのプレート８１０を保持する手段にな り、前記プレートと其の他の内部パーツがメインレンズ３００を構成する。イメ ージソースからの光線は、ハウジング８２０における孔８２１（図６を参照）を 介して入射される。周囲の光線は、三つのパスの一つを通る。第１のパス８３０ は、オプショナルの偏光層８０４、ガラス８１０、キューブ８０１、第２のガラ ス８１０を通り、目に達する。第２のパス８３１は、オプショナルの偏光層８０ ４、ガラス８１０、オプショナルの偏光層８０２、第２のガラス８１０を通り、 目に達する。前記オプショナルの偏光層の目的は、目に達する周囲の情景の光レ ベルを調節して、前記ディスプレイと周囲の情景との間の光レベルをバランスさ せるためで、これは、回転ベーゼル８０３にオプショナルの偏光子８０４を取り 付けることで可能になる。 第３のパス８３２は、オプショナルの偏光層８０４、ガラス８１０、 オプショナルの偏光層８０２、キューブ８０１、そして第２のガラス８１０を通 り、目に達する。パス８３２を通る光線は、前記キューブを通る通路の軸がずれ ているため、やや歪んでしまう。この現象をなくすには、前記ビームスプリッタ ーを円錐形に形作り、キューブ８０１に光学的に合致したコンパウンドをボイド ８０６に詰めればよい。 前記キューブ・ビームスプリッタ−８０１は、前記のように偏光にセ ンシティブであるように設計され、方向付けされ、偏光層８０２に整合したとき キューブ８０１と偏光子８０２は、光線８３０、８３２，８３１を等量で吸収す る。正しく整合されていれば、メインレンズ３００を通る偏光光線のネットの透 過は、均一であり、外側の偏光子８０４を回転して前記キューブ又はその他を介 して見る周囲の情景の光レベルを調節する。 図５Ａ〜５Ｅ及び図６Ａは、図４に示したデバイスに対する眼鏡フレ ームのアッセンブリーの詳細のいくつかを示す。三角形のブロック８２２で以下 に述べる前記ディスプレイからの光路を内蔵するパイプ８２３を受ける。ミラー ８２４が前記光路の光線を開口８２１１を介してコンバイナー８０１へ角度９０ 度で反射させる。ブロック８２２は、例えばネジ８２５のような適当な手段でハ ウジング８２０に取り付けられる。二つのハウジング８２０がアッセンブリーさ れて図６Ａに示すような一対の眼鏡にされる。図３を参照すると、位置３０１に あるキューブ８０１、レンズ３４０及びディスプレイ３２０は、ソリッドキャス ティングとしてメインレンズ３００内に形成されており、これを図６Ｂに示すよ うに通常の眼鏡フレーム８３０に取り付けることができる。 図７は、他の実施例を示し、この例では、レンズ３３０，３４０がレ ンズ３６０，３７０それぞれに置き換えられており、これらは、メインレンズ３ ００に接着されているか、又は、例えば射出成形でメインレンズ３００の一部と して成形される。メインレンズ３００は、光学セメント、ポリカーボネート、エ ポキシ、ポリメチルメタクリレート又はガラスのようなリッドのクリアー又は着 色されたマテリアルに光学パーツを埋めこむことで、シングルのソリッドピース として形成できる。このような場合、複数の面に型を設け、メインレンズ３００ の上又は内部の種々の箇所に所望の光学パワー及び／又は反射性を作る。メイン レンズ３００は、また、互いに接合してソリッドユニットにされるか、又は、図 ４から図６に示す態様で取り付けられる複数の鋳造、成形又は機械研削パーツか ら作ることができる。この発明のさらなる実施例は、別体のレンズ３４０と一体 のレンズ３６０又はその逆の使用を含む。さらに、レンズ３３０，３４０又はレ ンズ３６０，３７０又は組み合わせは、光学システムにおける色補正分散作用の ための色消しレンズ又はイメージ収差を減らす他のレンズの組み合わせからなる ものである。認識すべき点は、レンズ３６０は、オプショナルのもので、単純な 拡大光学レンズ構成が必要なシステムにおいては不要である点である。 レンズシステムにおける他の実施例を図８に示す。この構成において は、レンズ３６０とディスプレイ３２０とがメインレンズ３００の背後の位置へ 動かされている。投射イメージをインサート３０１へ向けるために反射面３２５ が第２のインサート３２６の形態で設けられている。反射面３２５は、インサー ト３０１に設けられているタイプのもので、それ自体キューブ８０２からなるも のか、又は、メインレンズ３００に対し内部に装着されたミラー又は図５Ａに示 すように外部に装着されたミラーに置き換えることができる。第２のインサート ３２６が偏光ビームスプリッターにおけるように偏光するものであれば、インサ ート３０１又はインサート３２６は、イメージソース３２０が液晶ディスプレイ である場合に対する分析偏光子（検光子）として作用する。 ディスプレイ３２０が明暗度の強いイメージを表示できるような用途 においては、ディスプレイ規制システムが働かない好ましくない場合にユーザー の目を保護するように前記ミラーを構成する。光学フューズとして機能するミラ ーは（面３２５において）、入射光をある程度吸収するようにして、ユーザーに 害を与えないように保護する。この目的のために、熱伝導が低いマテリアルの一 層又は複数層を前記ミラーの反射層の下に設ける。このような構成で、光ビーム が目の網膜を熱するよりも早くミラーを熱し、これによって目に傷害を与えるよ りもさらに早くミラーを損傷させる。前記ミラーの下側の低い熱伝導の層の一つ は、熱膨張率が高いマテリアルからなり、網膜の損傷スレショールドより低いス レショールド・エネルギーフラックスで前記ミラーにバブル又は他の焦点を結ば ないメカニズムが発生するようにしてある。前記イメージソースは、また、赤外 線（ＩＲ）を放射して、この作用を高めるようになっている。放射赤外線は、前 記システムのどこかにおけるフィルターにより除去し、ユーザーの目に入らない ようにできる。 前記ディスプレイは、前記のようにバックライトされるか、又は、周 囲の光線４０１及び／又は４０２及び／又は４０３により照明される。このよう な構成は、全内部反射インサート３２６、又は、一部又は全部反射ミラー面３２ ５、又は、誘電コーティングをもつ面と共に機能する。光線４０１，４０２，４ ０３のフラクションは、コンバイナー３２５を介してディスプレイへ伝播する。 ついで、これらの光線は、ディスプレイから目に達する光路へ反射される。この 光学システムには、集光レンズ又はコレクティングレンズが設けてあり、光線４ ０１，４０２，４０３を集め、集光する。さらに、利用できる周囲の光が不足の とき、見れるようにするために、メインレンズ３００に対し光学的に取り付けた ランプにより光線４０１，４０２，４０３を供給できる。ディスプレイ３２０が 液晶ディスプレイの場合、インサート３２６は、ディスプレイのための偏光子及 び検光子として機能する偏光ビームスプリッターを備える。この実施例は、さら に、周囲の光景の光レベルを調節するための従来技術で知られている偏光子のク ロスした回転システムを付加することで改善される。この手段において、前記デ ィスプレイと周囲光景光レベルとは、バランスされる。液晶シャッターを使用す ることで、前記調節を電子的に行え、前記イメージの相対輝度を自動的に補償し たり、自動的にバランスさせるためにセンサーを用いることができる。 図９に示すように、メインレンズ３００の前面に第４のレンズ４１０ を付加して前記インサートを覆うようにすることで、記図面における構造を改良 できる。概ね負のパワーをもつレンズ４１０は、レンズ３７０の正のパワーに対 抗し、周囲のシーンからの光線３０６は、特に拡大されずに見える一方、レンズ ４１０を通過しないディスプレイからの光線は、拡大されて見える。レンズ４１ ０は、ユーザーの特定視力補正要求に応じてポジティブ又はネガティブの光学パ ワーをもつ。他のレンズ面をメインレンズ３００のいずれかの側に付加して、通 常の眼鏡のようにユーザーの視力を補正でき、顕微鏡レンズのレンズ倍率を調節 してユーザーの視力を補正できる。レンズ３７０，４１０を介して更に視力を補 正するために他のレンズを付加できる。又、これらのレンズをメインレンズ３０ ０内に実質的に組み入れることもできる点に注目されたい。 射出成形又はソリッドのメインレンズに組みつけるパーツセットの機械研 削により、ソリッドのメインレンズ３００にレンズを設ける実施例においては、 該レンズの屈折率ｎ及び曲率半径は、ポッテイング、モールディング又は研削さ れた媒体内で、所望のレンズ倍率を得るためにエアー中の値から補正されなけれ ばならない。コンパウンズとレンズマテリアルとの屈折率は、光学ポリマー類又 はガラスに対しては１．４から１．６の範囲の屈折率、他の種々の光学マテリア ルズに対しては１．５から２．０の範囲の屈折率をもつ多数のコンパウンズから 選ばれる。成形コンパウンドは、ガラスに合致する屈折率（ｎ＝1.46）をもつ市 販の多くのコンパウンズから選ばれ、前記レンズ類は、例えば、LaSFN₉（ｎ＝1 ．85）から形成される。また別に、光学倍率は、成形マテリアル内にエアーギャ ップ又はヴァキュウムを存在させるか、又は、適切に設計された曲率半径をもつ 屈折率が低いマテリアルズにより大きくされる。他の試みは、そのようなギャッ プに屈折率が高い、又は、低い液体を詰めることである。さらに別にはメインレ ンズ３００内に回析レンズ要素又はホログラフィレンズ要素を用いることである 。 前記光学システムの重量をバランスさせ、ディスプレイ３２０を見る 人の顔から離れた位置へ動かすために、図１０に示すように、コヒーレント光フ ァイバー束又は屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズイメージ導管又はレンズから形 成されたリレイからなるイメージリレイ５１０によって眼鏡のメインレンズへリ レイされる。一つの実施例においては、イメージリレイ５１０は、眼鏡の側部に そってディスプレイ３２０へ延びている。リレイ５１０は、ディスプレイからの イメージがメインレンズ３００の正しい位置へ供給されるように、所定の曲げが つけられて形成されている。また別に、図１１と図１２の実施例に示すように、 前記メインレンズに補助インサート３２６（図１１）を用いて、所望の角度と所 望の光学パワーでイメージが受け入れられ、該イメージがインサート３０１へリ レイされるようにできる。 図１１は、ディスプレイ３２０からのイメージをファイバーオプティ ックテーパー部５２０を介してレンズ３６０へリレイするイメージ導管５１０を 示す。前記ファイバーオプティックテーパー部の目的は、ディスプレイの寸法を 前記イメージ導管の寸法に合わせるためである。例えば、前記ディスプレイは、 その可視領域寸法が１５．４ｍｍｘ１１．５ｍｍである小型フラットパネルのア クティブマトリックスエレクトロルミネッセント・ディスプレイからなり、イメ ージ導管が６．４ｍｍｘ６．４ｍｍ（できる限り軽量で、小さい断面領域の導管 を使用することが望ましい）であり；前記ファイバーオプティックテーパー部が イメージのサイズを２・４：１の比率で縮小する。注目すべき点は、オメージ導 管リレイ５１０が機械的スリーブ５００内に位置している点である。このスリー ブは、レイレイ５１０と眼鏡レンズ及びフレームシステムとの間の機械的結合に 強度を付与し、また、リレイ５１０の端面５１１とレンズ３６０との間の距離を ユーザーが変えることができるようにして、焦点度合いが調節できるようにして いる。注目すべき点は、前記機械的スリーブは、精度ある位置調節のために、ね じこみ、摩擦ロック又は当業者に知られた他の方法で取り付けられる点である。 図１２は、他の構造を示すもので、イメージリレイにレンズ５３０が 取り付けられ、前記イメージシステムの光学パワーをさらに変更するようになっ ている。さらに、この実施例においては、ファイバーオプティックテーパー部が ハウジング５４０内に装着されたポジテジブ又はネガティブの倍率をもつレンズ ５５０と、イメージ導管に（又は別にハウジング５４０に）装着されたレンズ５ ６０とに置き換えられている。このレンズシステムは、イメージサイズを縮小し 、さらに、前記の態様で機械的スリーブ５７０による焦点調節を可能にする。ハ ウジング５４０には、また、ディスプレイ３２０、レンズ５５０，５６０及びイ メージ導管位置の相対位置を調節する手段を設けることもできる。 前記ディスプレイは、前記ファイバーオプティックテーパー部５２０ 又は図１２に示すレンズ５５０により、又は、これら二つの組み合わせによりＧ ＲＩＮレンズリレイに結合できる。前記レンズシステムの光路は、図１３に示す ように、複数のミラー５５５を含み、この結果、光路を長く維持しながら、光路 を折り曲げてヴォリュウムを減らすことができる。 図１４は、一対の眼鏡に組み込んだ別のレンズシステムの平面図を示 す。この実施例は、イメージを拡大し、これをコンバイナーを介して目へリレイ するために、イメージリレイアッセンブリーとベーシックな二枚レンズ複合顕微 鏡（対物レンズと対眼レンズ）とを各側に含む。このような眼鏡は、両眼立体イ メージをディスプレイすることができる。 前記イメージリレイアッセンブリーは、頭部の後に装着のディスプレ イ３２０を備え、高解像度イメージリレイ５１０は、ＧＲＩＮイメージ面と言う 位置における出口端部５１１近くのエアーイメージを与えるＧＲＩＮレンズイメ ージリレイを備える。このＧＲＩＮイメージ面の正確な位置は、入り口端部５１ ２における焦点面の位置（前記ディスプレイの位置により与えられる）に依存す る。リレイ５１０がコヒーレントのファイバー束を備えている場合、前記イメー ジ面は、端面５１１と一致する。 対物レンズ３６０と対眼レンズ３７０を複合顕微鏡に選択し、位置を 適切に選択することにより、焦点、拡大度合い及びコリメーションディスタンス を調節できる。前記した他の実施例と同様に、レンズ３６０，３７０は、レンズ システムを備える。此のシステムの焦点は、ディスプレイ３２０とテーパー部５ ２０とをＧＲＩＮレンズ入り口端部５１２に対し相対的に動かすことにより、対 物レンズ３６０２をＧＲＩＮレンズイメージ面（出口仁尾ける）に対し相対的に 動かすことにより、及び／又は、対物レンズを対眼レンズ３７０に対し相対的に 動かすことにより調節できる。対物レンズ３６０は、また、広い視野を与える視 野レンズとして使用できる。 この実施例においては、対眼レンズ３７０は、メインレンズ３００内 の位置へ動かすことができる。この位置においては、対眼レンズ３７０は、最早 、周囲の光景からの光線へ光学パワーを作用させない。かくして、レンズ４１０ （図９）は、この実施例では不要である。この実施例においてもまた、眼鏡が頭 部に位置するとき、前記ディスプレイは、頭部の後側に留まる。頭部の後にディ スプレイを置くことは、重心が改良され、美容外観に優れることを含み、コンベ ンショナルな前頭部装着のアプローチに比べて、いくつかの主要な利点を有する 。ＧＲＩＮレンズイメージリレイにより目にイメージが与えられ、その後、ミラ ー３２５又はプリズムにより光線が９０度で反射されてメインレンズ３００へ入 る。光線は、対眼レンズ３７０とコンバイナー３０１とを備えるメインレンズ３ ００を斜めに通過する。対眼レンズで前記リレイからのイメージが拡大され、ユ ーザーがフォーカスできる深さにイメージ面が作られる。ついで、光線は、コン バイナーにより目に対し再び９０度に反射され、図１０に示すように、眼鏡の前 面の所望の位置にバーチャルイメージが与えられる。前記リレイからの光線を周 囲の光線と混合することにより、コンバイナーがシースルー操作を許容し、可視 波長範囲にわたり５０％の透過にする誘電層被覆面を備える。また別に、コンバ イナーをリフレクターに置き換えて、ディスプレイされるイメージを１００％反 射するシーアラウンドディスプレイにすることができる。レンズ処方の補正を必 要とするユーザーには、メインレンズ３００の面を曲げて眼鏡を補正することが できる。イメージ捕獲又はアイトラッキング（視標追跡）のような他の特徴を、 このベーシックデザインに追加できる。 この実施例においては、ＧＲＩＮレンズイメージリレイの直径は、３ ｍｍ以下で有り、さらにｍｍ当たり２００ラインペアー（又は、約１２００ライ ン）の透過解像度を与える。例えば、グラディエント・レンズ・コーポレイショ ンのEG-27は、対角線が２．５ｍｍである矩形の８００ｘ６００のイメージをリ レイすることができる直径２．６１ｍｍのロッドであり、これは、VGAイメージ をリレイするのに適している。この高解像度ＧＲＩＮレンズリレイは、ボロスコ ープ用と内視鏡用に開発されたものである。イメージをイメージリレイ５１０を 介して目へ送るために、ファイバーオプティックテーパー部５２０でイメージが 縮小されるから、以下に述べるように、比較的大きなレンジにわたりコリメーシ ョンディスタンスが調節できる小型レンズシステムが使用できる。この実施例は 、レンズ処方レンズに匹敵するものでもあり、メインレンズアッセンブリーの接 着でき、高い周囲（シースルー）視野のものである。ＧＲＩＮレンズと対物レン ズとを図１５に示すように位置が変わり、焦点距離が調節できる単純な機械的入 れ子式チューブマウント６２０に取り付けることができる。ＧＲＩＮレンズ５１ ０は、摩擦で保持されるが対物レンズ３６０が取り付けてあるチューブ６２２内 をスライドできるチューブ６２１内に取り付けられている。チューブ６２２は、 摩擦で保持されるがメインレンズ３００に固定のチューブ６２３内をスライドで きる。前記チューブマウントには、回転して調節できるようにねじを（図５Ｂ） きりこむことができる。類似の機構でＧＲＩＮレンズに対し前記ディスプレイを 動かすことで第２の調節ができる。両調節は、以下に述べるコリメーションディ スタンスを変える効果がある。 図１６Ａは、いくつかの視野レンズ９０１，９０２をメインレンズ３ ００内に設けた他の実施例を示す。このような視野レンズは、光学パワーをこわ けする有益な効果を有し、対眼レンズに高倍率をもたせる必要性を減らす。この 酔うなレンズは、また、視野を広めるのに役立つ。これらのレンズ及び他の光学 パーツは、例えば多数のパーツを射出成形や機械研削で形成され、続いて内面に 金属層又は誘電層をコーティングし、さらに前記パーツをアッセンブリーして光 学面が埋設されたメインレンズ３００を作る。 図１６Ａを参照すると、眼鏡フレームへの組み込みにぴったりのメイ ンレンズ３００を形成するために、メインレンズ３００の厚さ９３４をコンベン ショナルの眼鏡の範囲（２５ｍｍ以下で、好ましくは、１ｍｍから１５ｍｍの範 囲内）に維持することが望ましいことを認識すべきである。メインレンズ３００ の面は、厚さ９３４に等しい寸法をもつ内部光路における開口絞りを形成する。 部分的に反射するイナーフェース３２４も絞りを形成する。レンズの倍率に応じ て、これらの絞りが前記ディスプレイからのイメージの視野を制限する。この発 明は、視野レンズ９０１，９０２を使用して、これらの絞りの制限のいくつかを 克服する。 メインレンズ３００の厚さ９３４による絞りに打ち勝つ第２の方法を 図１６Ｂに示す。インターフェース３２４，３２５が４５度以下の角度４５５， ４５６でセットし、メインレンズ３００の厚さ９３４を薄くする。光路は、メイ ンレンズ３００の内部面からの一つ又はそれ以上の反射を必要とし、それは、前 記したようにトータルの内部反射により生じる。このような場合、埋設されたレ ンズ９０１は、図に示されるように、適切に斜めにされている。 上記オプティカルシステムは、シ／ーアラウンド、シースルー又は完 全没入システムに実施されることが分かる。種々のデバイスを付加して一つのタ イプから他のタイプへ変えたり、システムタイプでの自動チェンジオーバーを行 うようにできる。例えば、レンズ４１０（図１１）を不透明なディスクに変えて シースルーシステムをシーアラウンドシステムにコンバートできる。また別に、 インサート３０１を視野が拡大するようにし、メインレンズ３００の前面に不透 明なカバーを設けて完全没入システムを形成できる。不透明なカバーは、いずれ も液晶シャッターに置き換えることができ、このシャッターは、電子的に調節さ れて周囲の光景の光レベルを減らしたり、これを完全にブロックしたりできる。 周囲の光をコントロールするために、フォトクロミックマテリアルズも利用でき る。 さらにプリズム又はミターを用いてインサート３０１を形成できる。 このようなデバイスは、最早コンバイナーではなく、むしろシーアラウンドシス テムにすべてが必要とされている単純なリフレクターである。これは、他のリフ レクターシステムズに対し優位性をもつもので、これは、メインレンズ３００内 に反射面が設けられ、したがって、他のアプローチよりも安全で、耐久性がある 利点を有しているからである。 前記イメージコンバイナーを形成する別の態様は、複式レンズを用い てメインレンズ３００のベースに対する角度３１０（図３）により最も単純なケ ースにされた面に形成された複式面構造の回析光学要素を形成することである。 回析光学要素の利点は、レンズ３４０に光線を向けながら角度３１０を広くとれ る一方、反射面においては、角度が反射法則により固定されることである。これ によりレンズ３４０を介する視野が広がる一方、メインレンズ３００の厚さを比 較的薄いものにしておくことができる。レンズ３４０と他のレンズは、また、回 析光学要素を備える。不利なことは、カラーシステムに存在する望ましくない波 長依存効果である。しかしながら、上記した完成されたシステムの光学構成に固 有の、カウンターバランスする回析光学要素を前記光路に挿入しやすいようなフ レキシビリティにより、必要に応じ、クロマティックイフェクツに対する補償が できる。 インサート３０１は、面３２４にホログラムを位置させることにより ホログラフィコンバイナーに置き換えられる（図１６Ａ又は図１６Ｂ参照）。こ のような場合、そして前記回析光学要素に類似して、前記コンバイナーは、前記 ディスプレイから発する一つ又はそれ以上の主たる波長とともに働くように構成 される。回析コンバイナーと共に、前記ホログラフィコンバイナーは、光学パワ ーを付加でき、該コンバイナー面に反射コンバイナーよりも広い角度範囲がとれ るようにする。 前記種々の実施例に記載のレンズは、レンズシステムの種々のパーツ に固有の色収差をなくす色消しレンズを形成するように選択される。また、前記 種々の実施例の特徴を組み合わせることができることが分かる。さらに、図面は 一枚のレンズを示しているが、歪みをなくし、視野の平坦性を改良し、又は、ユ ーザーが見るイメージに対し改良を加えるように構成された多重のレンズを組み 合わせたものにすることができる。 図１７は、レンズシステムの他の応用を示すもので、これは、イメー ジ捕捉及びアイトラッキングに使用される。この実施例においては、ディスプレ イ３２０からの光線３２１は、前記のようにレンズ３６０，３００，３７０を通 り目に達する。目から反射された光線３２２は、光路にそってビームスプリット インターフェース３２５へ戻り、レンズ７２０を通りセンサー７１０へ入る。セ ンサー７１０は、イメージ捕捉に通常使用されているようなＣＣＤ又はＣＭＯＳ センサーアレイ又は別のタイプのイメージディテクターを備える。このように集 められた目のイメージは、ユーザーの目の位置を確かめるのに使用でき、このよ うにしてユーザーの凝視のロケーションが確かめられる。アイトラッキングの使 用は、二つの理由でいくつかのシステムズに有利である。その一つは、アイトラ ッキングにより必要なディスプレイピクセルのトータルの数を減らすことができ 、これは、網膜中心窩のロケーションが知られていれば、その領域に高解像度イ メージを表示するのみでよい。さらに、アイトラッキングを用いて前記ディスレ イの射出瞳を増やすことができる。さらに詳しくは、前記ディスプレイの射出瞳 をユーザーの瞳孔の位置変化の検知に応答して最適なロケーションへ動かすこと ができる。アイトラッキングは、また、特定システムファンクションを含む数多 くの他の用途に有用でもある。 図１７における実施例は、ユーザーの凝視からイメージを集めるよう にもなっている。周囲の情景からの光線３９５は、一部がインターフェース３２ ４により反射されて光線７７５によって表されるパスにそいレンズ７８０とイメ ージディテクター７９０へ向かう。表示されたイメージがセンサーへ投射されな いようにすることが必要でれば、ディスプレイとセンサーとがシーケンシャルに 働く。ディスプレイとディテクターとの数多くの組み合わせをこのシステムと合 体し、眼鏡視力補正、情報のディスプレイ、可視イメージと赤外線イメージを含 めアイトラッキングイメージの収集又は周囲の情景の収集を行う。 眼鏡内にコンピューターディスプレイを形成するために本発明を使用 する例として、目から６７ｃｍ離れて見るコンピュータースクリーンを創作する とする。所望のイメージの高さが２８ｃｍであり、リレイ５１０のアウトプット ５１１において作られるイメージが高さ２．１ｍｍとすると、拡大倍率が１３３ になるレンズ３６０，３７０のセットが必要になる。この拡大は、例えば焦点距 離が１２ｍｍのレンズ３６０と、焦点距離が１８ｍｍのレンズ３７０とによって 得られる。レンズ３６０は、リレイ５１０により作られたイメージから１５．３ ９ｍｍの距離におかれる。レンズ３７０は、レンズ３６０から７２ｍｍ離されて 配置される。これによって、ヴァーチャルイメージ６７が目から６７ｍｍ離れて 作られる。光線は、発散するものである。前記レンズの位置を変えることにより 、該レンズの相対位置に応じて、前記イメージが無限大又はどこかに形成される ことができる。レンズ同士の間が空気であるスペースの場合に、この計算が成り 立つ。例えばメインレンズ３００のソリッドの例において屈折率ｎ＞１のマテリ アルを使用の場合、距離が応分に調節される。 図１８は、フリースペースコンバイナーに基づく従来技術の反射屈折 光学デザインを示すもので、このデザインにおいては、ディスプレイ９０１によ り発生したイメージは、目に向け光を後方へ反射するカーブしたミラー又はコー ティングされた反射要素９００に向け平らな半透過ミラー又は誘電被膜面９２０ により反射される。要素９００がカーブしていれば、それから反射した光の両眼 転導が変わり、これによって、目の前に快適な距離のスペースをおいてヴァーチ ャルイメージが目に入る。この要素９００は、図８におけるレンズ３７０と同じ 光学作用を行う。周囲の情景からの光線９１０のように、要素９００を通過する 光は、その両眼転導になんらの変化無く通過する。かくして、光線９１０により 描かれる情景がディスプレイを見る光学レンズの光学パワーにより両眼転導を損 なうことなく見られることになる。要素９００は、吸収を導入しているため、面 ９００を通過する光線は、減衰してしまう。 本発明の方法を用いる改良されたシステムを図１９Ａに示す。要素９ ００は、サイズを小さくされ、メインレンズ３００に納めてある。コンバイナー ９２０は、ハーフシルバーめっきのミラー又は前記したビームスプリッターキュ ーブからなるか、又は、偏光ビームスプリッターからなる。偏光ビームスプリッ ターの場合については、正しい軸で偏光された光の大部分が要素９００へ反射さ れる。四分の一波長板又は他の偏光ローテーター９３０を２回通過するとき、回 転軸により、光線は、偏光ビームスプリッターを効率的に通過して目に入る。干 渉フィルターの技術で知られている光学コーティングをコンバイナー９２０と要 素９００に用いて、周囲の光線とディスプレイイメージが効率的に通過できるよ うにする。例えば、ディスプレイイメージがレーザーソースからのスペクトル帯 域が狭い三色（レッド、グリーン及びブルー）からなる場合、前記光学コーティ ングは、要素９００の面がこれらの狭い波長レンジに対し反射性を高めるように する一方、該要素を通過する光線９１０は、これらの狭いレンジにおいてのみ妨 げられ、かくて、前記イメージは、色歪みなしに広く見れる。図１９Ｂは、同じ 性質の代替例を示し、光線９１０がミラー９００により妨げられないような向き になっている偏光と要素９００をもつ。 従来技術の頭部装着ディスプレイズは、一つのコリメーションディス タンス（焦点に基づきイメージが知覚される距離）に限られている。ステレオ頭 部装着ディスプレイにおいてはしばしば、この距離は、目の両眼転導から知覚さ れる距離とコンフリクトしてしまう。この発明は、異なるコリメーションディス タンスで多重のイメージをディスプレイさせることで、この問題を解決する。 多重コリメーションディスタンスディスプレイは、二つ又はそれ以上 のディスプレイソースからのイメージを融合して、異なる焦点距離にある背景イ メージと前景イメージとをユーザーに与える。ＧＲＩＮロッドイメージと対物レ ンズとの間の距離をＸとする（図２０）。図２０において、ＧＲＩＮレンズから 三つの別個の距離にあるディスプレイが三つのＸの値及び三つのｙの値で一つが 各ディスプレイに対するものに導く。Ｘが僅かに調節されると、コリメーション ディスタンスは、大幅に変わる。以下の表は、一つの光学構成に対する対物レン ズからの距離をファンクションとしてのコリメーションディスタンスの計算を示 す。 この表は、計算が行われた特定の光学構成について、イメージと対物 レンズとの間の距離が１８６μｍ変化すると、コリメーションディスタンスが１ ２．７ｃｍから２５４Ｍ（エッセンシャルに無限大）に変わることを示している 。二つ又はそれ以上のディスプレイ９４０を用い、コンバイナーキューブ９４５ を介して結合（ＬＣＤプロジェクターにおいてレッド、グリーン及びブルーのイ メージを結合するとき一般に行われているように）する場合、そして、これらデ ィスプレイをＧＲＩＮイメージリレイからの距離を異にして（図２０に０ｍｍ、 ｔ)及びｕとして図解）設定すると、図２０に示すように、ユーザーは、イメー ジを見るのに異なる面に焦点を合わせなければならない（丁度リアルイメージを 見るときに目が行うように）。距離の相違は、前記キューブと前記ディスプレイ との間に薄いガラスの層を介在させて得ることができる。 重要なことは、作られたイメージが前景、中間及び背景に相当する三 つの分離した同時存在面を有することができることである。これがコリメーショ ンディスタンスの問題とハードウエアからの目の両眼転導の不同を効率よく除去 する。必要なだけ数多くの（又は頭部装着システムにおいて実用に合った数多く の）面を作る光学技術が存在する。 代替アプローチにおいては、ディザーを行うメカニズムが対物レンズ を所望の位置へ動かす。このようなアプローチを毎秒１８０フレームで動くフラ ットパネルディスプレに同期させ、三つの分離したイメージ面を与える。必要な レンズ移行をさきにはたったの１８０μｍと示した点に注目されたい。他のアプ ローチは、図２１の態様におけるスタッキングからなるもので、これは、減法混 色の原色ＬＣＤに使用されているものである。減法混色の原色ディスプレイシス テムにおいては、三つのディスプレイ９５５がスタッキングされ、各ディスプレ イがファイナルのイメージから一つの色を除く。これらディスプレイは、偏光子 ９５６により分離されている。この発明においては、カラーディスプレイを用い て該ディスプレイの間のスペースに応じて、種々のコリメーション深さにある多 重イメージ面を特徴とするイメージが提供できる。 注目すべき点は、減法混色の原色ディスプレイにおいて、面の間のコ リメーションディスタンスのバリエーションは、有害な人為ものとみなす点であ る。しかしながら、この発明においては、コリメーション深さのバリエーション を用いてイメージを改善することができる。さらなる利点は、背景に解像度が低 いディスプレイを用いてシステムコストを下げることができる点である。 ミラー又は導波管を用いてシングルのピクセルをスキャンするスキャ ンアプローチにおいては、いくつかの方法でコリメーションディスタンスを調節 できる。第１のものは、ビームスキャンニングシステムの入り口瞳孔からの距離 を異にするいくつかのピクセルを用いる。このアプローチは、幾本かの光学ファ イバーを用い、それらファイバー各々が定まっている異なった分だけ入り口瞳孔 からずれていて、各ファイバーを異なるコリメーションディスタンスに導くこと によって達成される。ついで表示しようとする複数の光子を所望のコリメーショ ンディスタンスに相当するファイバーを越させる。 第２の方法は、マイクロメカニカルミラーを使用してシングルファイ バーから対物レンズへのパスレングスを調節することである。距離を調節するこ とにより、各ピクセルに対するコリメーションディスタンスが設定できる。外部 の力で変えられる屈折率をもつ媒体に光線を通すことで光学ディスタンスを調節 できる。 前記の議論は、眼鏡形態に光学機構を適用する点に的を絞ったもので あるが、光学機構は、ダイバーのマスク、消防士の顔覆い、宇宙飛行士の宇宙服 マスク、危険物ボディスーツフェースマスクなどなどのようなフルフェースマス クシステムにも適用できるものである。図２２は、光学システム８７０、フェー スマスク構造体８７２及びコンピューター回路８７４をまとめ、フェースマスク システム内に全部がまとめられたコンピューターを形成した例を示す。これによ って、このシステムにおいては、フェースマスクが集められた回路を縁部に装着 のための十分な領域を供給することができる。まとめられた回路類のサイズを小 形にすれば、このようにしてディスプレイと回路類とを眼鏡に取り付けることが できる。図２２に示すように、ディスプレイをレンズの縁部に直接取り付けるこ とができる。ダイビングマスクの場合には、回路とディスプレイとをフェースマ スクの縁部内にポッティングし、防水にすることができる。 図２２は、二つのディスプレイを示し、これによりステレオイメージ が作られる。コンバイナーを通常の視野内に直接配置したり、（図示のように） 通常の視野外に直接配置したりして、ディスプレイを見るためには、光学システ ムが置かれている場所に応じて、ユーザーが見上げたり、見下ろしたり、横を見 たりしなればならないようにすることができる。フェースマスクに適したディス プレイ類は、アクティブ・マトリックス・エレクトロルミネッセント・ディスプ レイ又はアクティブ・マトリックス液晶ディスプレイであり、これらは、市場で 入手できる。 図２３を参照すると、ビームスキャンニングデバイスが設けられてい て、前記したように、レンズの使用と折り曲げにより、光学レンズ類を埋設した 面に極めて小さなイメージ面が作られ、これがユーザーの目に向けられる。この イメージ面は、オプティカルファイバーからの光を小形化された面を構成する複 数のポイントにわたってスキャンニングすることにより形成される。このスキャ ンされたピクセルは、回析制限スポットであるから、イメージ面は、極めて小さ くなる。スキャンされたピクセルは、前記ファイバーに供給されたグレイレベル データ及び／又はカラーデータと同期していて、小形イメージ面における各ポイ ントは、適当な光子ストリームでペイントされ、所望のイメージを前記スクリー ンに作る。ファイバーにより前記スキャナーへ供給された光学データは、コンピ ュータ内で作られ、そのためグラフィック回路が光学ソース（レーザーなどの） セットをドライブして、所望の照度でレッド、グリーンおよびブルーの所望のコ ンビネーションを作るようにしなければならない。 前記ビームスキャナーは、マイクロ−エレクトロメカニカル・シリコ ン・マシニング（ＭＥＭＳ）により形成できる。前記スキャンニングシステムを 形成する最もダイレクトの方法は、図２３に示すように、光子らを所望のポイン トに向けるために使用の水平方向及び垂直方向ミラー９７０，９７１を作ること によるものである。垂直方向及び水平方向スキャンニングミラーは、接近させて 作られ、リレイオプティックスを複雑にしないようにする。垂直方向スキャンニ ングミラー９７１は、コンベンショナルのフレームレートとして６０Ｈｚで振動 することができる。マイクロマシニングされた導波管もまた作られる。 ビームステアリングデバイスをオプティカルファイバーズで作ること ができる。しかしながら、そのようなデバイスでの問題は、利用できるオプティ カルファイバーの機械特性に拘束される点である。これに対し、本発明によるマ イクロマシニングされたスキャンナーの利点は、薄いフィルムを使用して、溶解 石英ファイバー類では達成できない機械的共振周波数と構造における導波管ジオ メトリーとが調整できる点である。 上記したＭＥＭＳをベースとするスキャナーは、イメージ収集デバイ スとしても働く。頭部装着ディスプレイにおける実施においては、アイトラッキ ングに使用できる目のリターンイメージをトランスミットするのに表示するオプ ティックスが使用できる。ＭＥＭＳディスプレイと一緒になったアイトラッカー の場合においては、スキャンニングシステムを含むディスプレイオプティックス は、図２３に示すようにシステムからディテクターへ戻ることができるイメージ の表示と目のイメージの収集両者に使用できる。 光子類を目へ供給することは、レシプロ光学プロセスを有し、前記シ ステムが軸方向に整合していれば、網膜からの軸方向反射は、同じ光路にそって 戻ることになる。リターンシグナルを最大にする位置に前記ミラーセットを配置 することにより、網膜の角度位置、したがって、凝視の方向が決定される。 リターンシグナルの強度をいくつかの方法で増大できる。ＭＥＭＳア プローチにおいては、レッド、グリーン及びブルーの波長を前記光路にそって組 み合わせ、カラー表示にする。さらにユーザーには知覚されない赤外線（ＩＲ） 波長を第４のバンドとして付加する。この手段においては、赤外線パターンが目 に映し出され、戻りのパターンを検知することにより目の位置が測定される。 図２３は、そのようなデバイスがどのように動作するかを図解する。 可視光線とＩＲ光線がスキャンニングミラー９７０へ同期して送られ、眼鏡のオ プティカルシステムへ投射曝れ、そこから目へ投射される。目が前記射出瞳と整 合していれば、リターンシグナルが前記光路へ反射される。このリターン（反射 された）シグナルは、カプラー９７２へ伝播され、そこからディテクター６７４ へ伝播される。照明光線がコンスタント（ブラックスクリーン）であれば、つい でピクセルズの反射ストリームは、実際には、目のピクセル化されたイメージで あり、これは、コンピュータ９７６により目のイメージへリフォームされること ができる。しかしながら、照明光線がイメージそれ自体であれば、ピクセルズの 反射されたストリームは、オリジナルのイメージと反射されたイメージとが渦巻 き状になったものからなる。この場合にも、前記コンピュータは、前記イメーを 巻きほぐし（目へ送られたイメージは知られているから）、目のイメージを創る 。他の方法は、目へ送られたイメージについて変調した可視光線とコンスタント なＩＲを用い、目を照らしてリターンＩＲイメージを創る。これら方法のすべて は、網膜のイメージをクリエートし、それから凝視の方向が測定できる。 図２３に示したシステムは、図２４に示すような眼鏡又は頭部装着デ ィスプレイ構造へのスタンダードなフラトパネルアプローチにも使用できる。こ のような場合、ＭＥＭＳシステムが目のイメージのみを集め、ディスプレイイメ ージを作るのには用いられない。ディスプレイイメージは、フラットパネルディ スプレイによりコンバイナーを介して提供される。 図２５Ａと図２５Ｂとは、さらなる実施例を示し、そこでは、メイン レンズ３００の厚さ９３４を全く厚くせずに視野を広げることができる。さきに 述べたように、コンバイナーインターフェース（図１６の３２４）により導入さ れる開口ストップの幅１００３を増やすことにより広げられる。 図２５Ａは、対向する光路１００１，１００２から光線を受ける二つ の組み合わされたインターフェース９２２，９２１の使用を示す。注目すべき点 は、図１９に示した全屈折アプローチには、シングルのインターフェースとシン グルの光路とが示されていた；この実施例は、開口ストップ１００３を倍にして 二つのそのような光路を組み合わせて使用している点である。 図２５Ｂは、光がどのようにして二つの光路１００１，１００２に分 かれるかを示す。この特定の実施例においては、ディスプレイ３２０とレンズ３ ６０とが反射インターフェース９２３，９２４に光線を当て、再組み合わせのイ ンターフェース９２１，９２２と対称になる態様で光線を二つの光路１００１， １００２へスプリットする。図２６は、メインレンズ３００を平面図で示す。光 線は、メインレンズ３００へ入り、インターフェース９２３，９２４で反射され て前記二つの光路にそう。メインレンズ３００内に埋設された四つのミラー９２ ５が面９２１，９２２へ光線を反射する。埋設されたミラー９２５は、それらの 反射面がメインレンズ３００の面に対しほぼ直交するように、したがって、メイ ンレンズ３００を経てユーザーの目へ送られる周囲の光景からの光線とほぼ平行 に形成されている。したがって、ミラー９２５は、メインレンズ３００を介して はちょっと見ただけでは見えない。さらに、インターフェース９２１，９２２， ９２３，９２４は、ディスプレイ３２から出された特定範囲の波長を反射し、他 の波長を反射しないようになされた誘電コーティングスを備え、この方法で、メ インレンズ３００内の迷反射光がなくなる。 図２５Ａと図２５Ｂとにおける実施の特定の例は、直角のプリズムの 側面で形成された二つの垂直な面９２１，９２２から形成されたコンバイナーを 備える。前記のように、上からの光線１００１と下からの光線１００２とが外部 の光線３０６と組み合わされてイメージを作り、メインレンズ３００を厚くせず にディスプレイされるイメージの最大視界を倍にする。この方法で、コンバイナ ーの高さ１００３をメインレンズ３００の厚さの倍にできる一方、ビームスプリ ッターキューブにとって必要な角度４５度を保つ。この実施例においては、図２ ６の平面図に示すように、イメージを二つの光路からコンバイニングシステムに 供給しなければならない。イメージを形成する光線は、面９２３，９２４を介し てメインレンズ３００へ入り、これら面は、また直立面を形成するようになって いる。これらの面で入光光線を二つの光路にスプリットする。下側の面９２３を 介して入る光線は、光線１００２によって示される光路を辿る。上側の面を介し て入る光線は、光線１００１によって示される光路を辿る。四つのミラー９２５ が前記光路を折り曲げ、全体構成がメインレンズ３００内に納まる。これらの例 は、全屈折レンズをもつこのミラーシステムの使用を示しているが、さきに述べ た他の実施例も使用できる。 前記光学構造に複数のイメージ面を配置することにより、面９２１， ９２２の頂点及び面９２３，９２４の頂点を含む面が出ないようにする改良がさ らになされる。この方法において、前記光線がスプリットされることによるファ イナルのイメージにおける人為的なことを無くすことができる。これを達成する 一つの方法は、前記オプティカルシステムに必要なレンズ（例えば、３６０，３ ７０又はミラー９００のような）をこれらの面の近くに配置して、他の面にイメ ージを形成するようにすることである。 この発明は、四角なコンバイナーに限定されるものではなく、前記改 良によりコンバイナーの幅１００４に限定が加えられない。視野のアスペクトレ シオは、必要に応じインターフェース９２０，９２１をワイドにすることで単純 に変えられる。 図２７は、例えば、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ、ファイ バーオプティック・フェースプレート又は回析光学要素からなる光学要素５１５ を介入させることにより光学リレイ５２０から放射された光線の視野が増大され る実施例を示す。要素５１５は、イメージ面が一致するように面５１１に相対で 配置され、要素５１５にイメージが形成される。リレイ５１０がコヒーレントの ファイバーバンドルである場合については、要素５１５は、端面５１１に直接接 着されるか、又は、該端面にエッチングされる。リレイ５１０がＧＲＩＮイメー ジリレイである場合には、要素５１５は、リレイ５１０により作られるイメージ の位置に配置される。リレイ５１０がレンズである場合、要素５１５は、レンズ システムの焦点面におかれる。この方法においては、使用される要素又は要素の 組み合わせのタイプに応じて、拡散、屈折又は回析メカニズムの一つ又は一つ以 上によりピクセルズの視界を要素５１５が増大する。光学要素５１５がファイバ ーオプティック・フェースプレートである場合については、該フェースプレート の一方の面又は両面をカーブさせ、表示されるイメージのフィールド平坦性を改 善する。 ここに記載した発明により、図２８Ａと図２８Ｂとに示す眼鏡を作っ た。この実施例においては、メインレンズ３００は、市販の眼鏡フレーム８３０ 内に内蔵させてある。メインレンズ３００は、埋設された偏光ビームスプリット キューブ８０１と、埋設されたプリズム１１００とを備え、これらは、アクティ ブマトリックス液晶ディスプレイ３２０からの光線を反射する。このディスプレ イは、バックライト１１０３でバック照明され、該ディスプレイとバックライト は、ハウジング１１０３に納められている。該ディスプレイは、電子回路（図２ ８Ａ，２８Ｂには図示されていない）と電気的に接続されている。ディスプレイ ３２０は、スペーサー１１０１に光学的に取り付けられ、該ディスプレイとレン ズ３７０の面との間の媒体の屈折率が内部反射をなくすように比較的具合良くマ ッチングしているもので、該マテリアルズの屈折率は、１．４から１．６のレン ジにある。ディスプレイ３２０は、該ディスプレイからの偏光光線が前記キュー ブのインターフェースを殆ど通過せずにキューブ８０１による目への反射にとり 良好な方向を向くように配置されている。正のパワーをもつシングルの平凸レン ズであるレンズ３７０により、キューブ８０１からの光線の両眼転導を下げ、か くしてユーザーが約５０ｃｍにあるヴァーチャルイメージを知覚できるようにす る。負のパワーをもつシングルの平凹レンズであるレンズ４１０が周囲の光景か らの光線を予め補正し、組み合わされたレンズ３７０，４１０が両眼転導が比較 的なしに光線を送る。レンズ４１０，３７０の相対パワーと間隔及び／又はこの 発明において規定されているような多重レンズ（例えば、ダブレット）を最適に 選択することにより、前記キューブを介して見る周囲の光景の全体の歪みを減ら すものである。この実施例におけるメインレンズ３００（図１６Ａにおける９３ ４）の全体の厚さは、６．２５ｍｍである。 眼鏡フレーム８３０内にディスプレイシステムを完全に隠蔽させるこ とは、バックライト１１０３とディスプレイ３２０とをハウジング内に納め、眼 鏡フレームに内蔵させるため、これらをリパッケージングすることにより可能で ある。図２９は、フラットなバックライト１１１０、ディスプレイ３２０及びプ リズム１１１１を眼鏡のテンプル１１１２に内蔵し、ディスプレイを隠す方法を 示す。さらに、レンズ３７０、４１０又は他の光学レンズ類は、図２９に示すよ うに、又は、前記のようにメインレンズ３００内に埋設できる。センサーとレン ズ（すなわちカメラシステム）をアイトラッキングシステムでできるように、付 加できるもので、両者については、すでに述べてある。この実施例においては、 メインレンズ３００の外観は、二焦点レンズに似ている。図２９は、単眼用機具 を示す；しかしながら、左と右の二つのメインレンズ３００は、両眼システムに 用いられる。また、左のメインレンズ３００は、ディスプレイシステムを内蔵し 、右のメインレンズ３００は、センサーシステムを内蔵できる。埋設された光学 レンズ類は、サングラスのように、偏光フィルム、フォトクロミックフィルム、 濃淡に色づけされたフィルム又は反射フィルムを使用して、存在を隠すことがで きる。その結果、眼鏡ディスプレイシステムは、ちょっと調べた限りでは、ディ スプレイ、カメラ又はアイトラッカーがないこれまでの眼鏡の外観美をもつ。 この発明は、添付の請求の範囲に指示されたものを除き、特に示され 、記載されたものに限定されるものではない。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年４月２７日（１９９９．４．２７） 【補正内容】 明細書 発明の名称 眼鏡及びフェースマスクに対するイメージコンバイニングシステム 関連出願についての相互参照 この出願は、１９９６年１０月８日に出願の米国仮出願第６０／０２ ７，９９８号の利益を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ １１９(e)に基づいて要求するものであ り、前記出願の記述をここに参考文献として組み入れるものである。 連邦援助の研究又は開発に関する記載 この発明は、契約第ＤＡＫＫ６０−９６−Ｃに基づき合衆国陸軍のソ ルジャー・システムズ・コマンドにより与えられた政府援助によりなされたもの である。政府は、この発明にある権利を所有する。 発明の背景 頭部装着イメージディスプレイ類（例えば、ミニチュアのディスプレ イを組み込んだヘルメット、ゴーグル及び眼鏡類）及び文字と数字とを組み合わ せ、ビデオ又はグラフィックフォームでデータを提供する他のコンパクトディス レイシステムは、エビオニクス、医薬品、娯楽及び着用可能なコンピュータなら びに数多くの他の分野に実施できる。例えば、米国特許５，３４８，４７７、５ ，２８１，９６０、４，８０６，００１及び５，１６２，８２８を参照。頭部装 着のディスプレイシステムの先行技術には、三つの主なタイプのものがある：” シースルー・システムズ”で、これは、ディスプレイされた電子オメージが周囲 のイメージと組み合わされ、ユーザーは、両方のイメージを見ることがで来るも おであり；”シーアラウンド・システムズ”で、これは、ディスプレイされたイ メージが周囲のイメージの一部を閉ざすものであり；そして”完全没頭システム ズ”で、これは、周囲のイメージすべてが閉ざされ、この結果ユーザーは、電子 的に作られたイメージしか見ることができないものである。システムズのすベて 三つのタイプのものは、見る人の目にイメージを投射するレンズおよび類似品 を含む種々の手段を使用している。 最も簡単なシステムのものは、シーアラウンドタイプのものを備え、 このタイプにおいては、一つ又はそれ以上のレンズに電子ディスプレイが設けて あり、ユーザーの目の前にぶらさがるようになっている。このデバイスの主な限 界は、該ディスプレイと光学システムとを頭部に対し動かすか、又は、頭部を動 かして、収蔵された視界における周囲の光景をユーザーが眺めることができるよ うにしなければならない。このようなデバイスの第２の限界は、前記デバイスが 頭部（又はヘルメット、ストラップ又は他の頭部に付ける支持具）から下げられ ていて、この結果、装置質量が頭部に対し不快な重量及び／又はトルクを付加し てしまう点である。前記デバイスの第３の限界は、光学システムの射出瞳が正確 に固定できず、このことは、光学システムの射出瞳を十分に大きくして使用時に おいて起きるデバイスの種々の動きに適合するようにしなければならないことを 意味する。 完全没入システムは、シーアラウンドシステムと同様な数多くの限界 を有している。周囲の光景を見るには、頭部装着システムを外さなければならな い。一般的に言って、このシステムは、前記シーアラウンドシステムに類似した ディスプレイとレンズシステムとを備えるか、又は、ディスプレイ、レンズシス テム及び反射スクリーンを備える。これらのシステムは、重く、負担がかかり、 嵩張る。 シースルーシステムズは、最も複雑な光学構造のものになる。一般に 、シースルーシステムズは、ディスプレイ、レンズシステム及び見るスクリーン 又はコンバイナーを備える。シーアラウンドディスプレイの限界のすべては、周 囲の光景を見るのに頭部装着システムを外す点を除き、シースルーディスプレイ にも当てはまる。しかしながら、この利点のためには、光学コンポーネンツをさ らに付加する必要があり、したがって、該システムが重くなる。 上記した頭部装着ディスプレイの三つのタイプ全てにおいては、より コンベンショナルの光学支持具（コンベンショナルの眼鏡フレーム類による更に 簡単な支持具）よりむしろ、大きなバイザーなどをもつゴーグル類、ヘルメット 類、つり下げバンド類、異常に嵩ばったサングラスフレーム類に光学システムズ を取り付ける必要があるという更に別の限界がある。この限界は、そのようなデ バイスにユーザーが慣れ親しむことを要求する。 従来技術のディスプレイの他の限界は、照明を行う必要がある点であ る。例えば、液晶ディスプレイを使用する頭部装着ディスプレイシステムは、該 ディスプレイを照らすランプを必要とする。これらのランプは、電力を消費し、 ユーザーの頭部近くで発熱し、システム全体が大きくなり、重くなる。 従来技術のさらにキイとなる限界は、眼鏡システムの外側における光 路を使用することである。例えば、米国特許５，３４８，４７７においては、ウ エルヒは、イメージリレイとレンズセット及び眼鏡フレームと眼鏡レンズとの外 部に装着されたスクリーンを備えたシステムを記載している。フリースペース光 路、コンバイナー及び類似ものの使用は、コンベンショナルの眼鏡に近づくため のアプローチにおける小形化を極めて困難なものにしている。米国特許５，１６ ２，８２８におけるファーネス他は、ゴーグル又は眼鏡のトップに位置させたデ ィスプレイ及び固定又は調節可能で、透明体の底部に位置するミラーをもつ、ゴ ーグルに見られるような透明なスクリーンに基づくシースルーシステムでこの限 界にアドレスしようとしている。このアプローチは、複雑性を低下させてはいる が、このシステムは、それでも透明体の下又は背後のコンベンショナルではない 露出箇所に位置する少なくとも一つのミラーを必要とする。ペレラ（米国特許４ ，８６７，５５１及び４，７５１，６９１）及びベッティンガー（米国特許４， ８０６，０１１）により開示された眼鏡も眼鏡フレームにつり下げられたミラー を必要とする。機械的につり下げられたミラー類をもつシステムの特定の限界は 、そのような付属物においては、ミラーの光学面が使用中ダメージを受けたり、 壊れたり、又は、偶発的に当たってユーザーの目を損傷したりするおそれが多分 にあることに起因する。さらに、これらのシステムは、特殊の光学付属物を含む から、コンベンショナルな目に着用するものの理想的な形にはならない。 発明の概要 この発明は、イメージソース又はイメージディスプレイ、レンズシス テム及び眼鏡フレーム又はフェースマスクを備える。該ディスプレイは、屈折率 分布型レンズ導管、コーヒレントファイバーオプティックバンドル又はレンズイ メージリレイのようなイメージ導管を用いて眼鏡レンズから離れて前記ディスプ レイが配置され、頭部にかかる前記システムの重量をバランスさせるため、又は 熱源（前記ディスプレイ又はバックライト）を顔面から離れるように場所を変え るため、又は、外見を装う理由又は其の他の理由のために望ましいものであれば 、前記ディスプレイを頭部の背後に位置させることができるようになる。眼鏡レ ンズシステムは、全部が内部で内部反射させる面、部分的にシルバーめっきされ ているミラー、又は誘電コーティングス、又はホログラフィ面又は回析面及びヴ ァージェンス（傾き、vergence）補正のための一つ又は複数の光学面をもって形 成されていて、前記ディスプレイからのイメージがユーザーの視界に位置する部 分反射面又は全反射面へのレンズを介して内部的にユーザーの目へリレイされる 。さらに、前記レンズシステムは、部分的にシルバーめっきされたミラー又は誘 電コーティングスで外部の光線に対し部分的に透明であるから、周囲の情景は、 コンベンショナルの眼鏡のように、比較的損なわれずにユーザーへ提供される。 これらの光学要素は、眼鏡フレーム又は眼鏡レンズ内に埋設でき、光学面（レン ズ類又はリフレクター類）を前記システムに付加して前記ディスプレイを拡大さ せたり、コンベンショナルの眼鏡のようにユーザーの視力を補正したりできるよ うになっている。従来技術に優るこのアプローチの主たる利点は、前記光学シス テムを小さくして、眼鏡レンズ内に集積できる形にし、これでコンベンショナル の眼鏡には通常見られない外部の付属物及び異常に嵩張るフリースペース光学コ ンポーネンツがなくなる結果になる。 したがって、この発明は、コンパクトな頭部装着ディスプレイシステ ムの光学機能を提供するシースルー、シーアラウンド又は完全没入光学システム を提供する。このシステムは、眼鏡又はフェースマスク内に一体化されることが できる。このシステムは、また、前記ディスプレイを物理的に動かさずに、完全 没入からシーアラウンド又はシースルーへスイッチングできる。 前記システムは、周囲の光を使って前記ディスプレイを照明し、した がって、従来技術のシステムよりも電力消費が少ない。このシステムは、また、 ユーザーの目の前には、偶発的に衝撃を受けて目を傷つけるような機械的付属物 が位置していない点で有利である。さらに反射面は、一切露出していないので、 光学劣化を受けない。本発明のさらなる実施例においては、イメージを捕捉し、 アイトラッキングできるようになっている。 図面の記述 添付の図面を参酌しながら以下の詳細な記述から発明がより完全に理 解されるものであり、図面において： 図１は、従来技術のシースルー頭部装着ディスプレイシステム； 図２は、従来技術のシーアラウンド頭部装着ディスプレイシステム； 図３は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレンズシステム； 図４は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレンズシステムの 別の実施例； 図５Ａは、コンバイナーを外したイメージコンバイニングシステムの ための眼鏡フレームの一部の正面図； 図５Ｂは、イメージソースから眼鏡フレームへ光路を設けるマウント の側面図； 図５Ｃは、マウントを外した図５Ａの眼鏡フレームの一部の平面図； 図５Ｄは、マウントとコンバイナーとを外した図５Ａの眼鏡フレーム の側面図； 図５Ｅは、マウントとコンバイナーとを外した図５Ａの眼鏡フレーム の正面図； 図６Ａは、両眼イメージコンバイニングシステムのための眼鏡フレー ムの正面図； 図６Ｂは、両眼イメージコンバイニングシステムのための眼鏡フレー ムの別の実施例の正面図； 図７は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムの別の実施 例； 図８は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別 の実施例； 図９は、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別 の実施例； 図１０は、本発明によるイメージコンバイニングレンズシステムとイ メージソース及び光路がマウントされている眼鏡フレームとの図解； 図１１は、本発明によるイメージソースと、そこからの光路とに関連 するイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別の実施例； 図１２は、本発明によるイメージソースと、そこからの光路とに関連 するイメージコンバイニングレンズシステムのさらに別の実施例； 図１３は、折り曲げられた光路をもつイメージコンバイニングシステ ムのさらに別の実施例； 図１４は、本発明による眼鏡に一体にしたイメージコンバイニングシ ステムの平面図； 図１５は、本発明によるイメージソースからイメージコンバイニング レンズシステムへの光路を取り付けるチューブマウントの図解； 図１６Ａは、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさら に別の実施例； 図１６Ｂは、本発明のイメージコンバイニングレンズシステムのさら に別の実施例； 図１７は、本発明によるイメージ獲得及びアイトラッキングとに関連 のイメージコンバイニングシステムのさらに別の実施例； 図１８は、フリースペースにおけるコンバイナーに基づく従来技術の 反射屈折光学ディスプレイ； 図１９Ａは、本発明の反射屈折光学システム； 図１９Ｂは、本発明の反射屈折光学システムの別の実施例； 図２０は、本発明によるマルティプル・コリメーションディスタンス を組み込んだイメージコンバイニングシステム； 図２１は、本発明によるマルティプル・コリメーションディスタンス を組み込んだイメージコンバイニングシステムの別の実施例； 図２２は、本発明による集積されたイメージコンバイニングシステム とコンピュータ回路とをもつフェースマスク構造； 図２３は、本発明によるアイトラッキングのためのスキャニングミラ ーと関連のイメージコンバイニングシステム； 図２４は、アイトラッキングのためのスキャニングミラーとフラット パネルディスプレイと関連のイメージコンバイニングシステム； 図２５Ａは、本発明による増加された視野を有するイメージコンバイ ニングレンズシステムの別の実施例； 図２５Ｂは、光線を二つのパスに分けることを図解する図２５Ａの実 施例； 図２６は、図２５のイメージコンバイニングレンズシステムの平面図 ； 図２７は、本発明による光路と視野が増加したイメージソースとに関 連のイメージコンバイニングレンズシステムの別の実施例； 図２８Ａは、本発明により作られた眼鏡の略図的斜視図； 図２８Ｂは、図２８Ａの眼鏡の一部を切断した平面図；そして 図２９は、本発明による眼鏡の別の実施例の平面図である。 発明の詳細な記述 図１は、レンズとコンバイナー（組み合わせるもの）とに基づく従来 技術のシースルー頭部装着ディスプレイシステムを図解するものである。ディス プレイ１０とバックライト２０とがレンズ５０と共にユーザーの視線の上に装着 されている。ディスプレイ１０からの光線８０は、レンズ５０を通過してコンバ イナー４０で反射されてユーザーの目に向かう。周囲の情景からの光線６０は、 レンズ３０を通り、そして、またコンバイナー４０を通過して前記ディスプレイ からの光線８０と一致する。かくてユーザーは、前記ディスプレイと前記周囲の 情景とからの光線が重なり合ったものからなるイメージを視認する。このシステ ムのレンズは、前記光線に対し適当なヴァージェンス（傾き、vergence）を与え 、前記イメージは、所望の深さで視認される。一般的には、このシステムの種々 のパーツのサイズは、０．５から２．０インチのオーダーで、大きな出口孔にな り、このシステムが嵩張ってしまうハウジングとフレームとが必要になる。さら に、重量がユーザーの頭部に望ましくないトルクを生んでしまうような配分にな ってしまう。 図２は、シーアラウンド技術を含む別の従来技術の頭部装着ディスプ レイのアプローチを図解する。ディスプレイ１０とバックライト２０とがレンズ １１０と共に装着され、光線１００は、適当なヴァージェンス（傾き,vergence ）をもって目に向かう。パーツが少なくなっているこのディスプレイシステムは 、前記シースルーディスプレイよりもいくらか軽いが、周囲の光線が入らない。 さらに、ハット類やヘッドバンド類に取り付けのシーアラウンド及びシースルー ディスプレイ両者は、周りのものに引っ掛かりやすい。 この発明の一つの好ましい実施例は、図３に示されている。イメージ ソース又はディスプレイ３２０とレンズ３３０とが以下”メインレンズ”３００ という第２の”レンズ”又はレンズシステム３００のエッジに装着されている。 メインレンス３００は、さらに詳しくは、眼鏡レンズ（視力矯正光学パワーを有 しているもの又は有していないもの）及び例えば二焦点インサートの態様に作ら れているインサート３０１の構造のものである。かくして、メインレンズ３００ は、眼鏡フレームにおけるシングルレンズ（又は二焦点レンズの場合におけるレ ンズシステム）に置き替わるものとして理解される。メインレンズ３００は、さ らに正確には、埋設されたレンズ群及び他の光学コンポーネンツ及び光学面から なる光学システムと言えるものであるが、ここでは、簡明のためにメインレンズ ３００と言う。また、ここでの用語”レンズ”とは、一般的には、屈折、回析、 反射又は其の他のものいずれかの光学パワーをもつ面（サーフェース）及び／又 は屈折、回析、反射又は其の他のものいずれかの光学パワーをもつ多数の面の複 数のセットものでを言う。 メインレンズ３００におけるインサート３０１は、異なる屈折率ｎ₁ ，ｎ₂で、ｎ₁がｎ₂よりも大きい屈折率をもつ二つのマテリアルズからなり、そ の結果、イメージソース３２０からの光線３０８は、屈折率が高いマテリアルを 通過して前記マテリアルズの間のインターフェース３０２に入射し、全てが内部 反射されて第３のレンズ３４０へ向かう。周囲の光線３０６は、インターフェー ス３０２を通過し、第３のレンズ３４０から屈折され、かくてディスプレイされ るイメージのコントラストを改善する。二つのレンズ３３０，３４０は、組み合 わされた光学パワーが顕微鏡を形成し、ディスプレイからのイメージが所望の倍 率で見れるようにすることができるように選択される。前記ニつのマテリアルズ は例えば、融解石英（n₁＝1.458）及びLaSFN₉（n₂＝1.85）からなるものでよく ５２度よりも大きな入射角の光線がすべて内部反射されることになる。また代替 として、空気又は他の流体が詰まっているギャップを前記マテリアルズの間に設 けるか、又は、屈折率が低いマテリアルを空気、他の流体又はヴァキュウムから 構成し、メインレンズ３００に融解石英を使用した場合、トータルの内部反射の クリティカルの角度を４３度にする。インターフェース３１０の角度は、入射角 度がトータルの内部反射のクリティカルの角度を越える条件を満足させ、そいて また、見るイメージの位置決めの光学条件を満足させるように構成される。また 、ここに示す光学インターフェースは、平面なものであるが、カーブしていて光 学パワーをもつようなものでもよい。 代替実施例は、インサート３０１を使用するもので、これは、前記イ ンターフェースに薄いフィルムの干渉コーティングスを有するマテリアルズから なり、誘電ビームスプリッター及びコンバイナーで通常達成されるように光路を 組み合わせる。このような場合、屈折率n₁，n₂は、同じ(n₁＝n₂)である。いずれ の方法でも働くものである；しかしながら、干渉コーティングスは、シースルー システムズにおいて有用であるが、トータルの内部反射は、シーアラウンドシス テムズにおいては、所望のパスにそって大きな光学スループットを与える。メタ ルコートの面も使用できる。 ディスプレイ３２０は、小型のフラットパネルディスプレイ、陰極線 管又はスキャンニングディスプレイからなり、これは、本出願の譲受人に譲渡さ れた代理人ドケットナンバーＭＯＰ−１０１Ｊで確認される１９９６年９月１９ 日出願の名称コンパクトディスプレイシステムの米国特許出願第０８／７１６， １０３号に記載されもので、これを参考文献としてここに組み入れる。ディスプ レイ３２０は、特定の応用要件及び適用できる技術に応じてアナログ又はデジタ ルであるＲＦリンクをもつＲＦビデオシグナルズに応答する。 図４は、前記イメージ組み合わせシステムを形成する他の方法を図解 するものである。このシステムにおいては、コンバイナーとして逆に使用される キューブ・ビームスプリッター８０１が先に述べた全反射面に置き替わる。例え ば、エドモンド・サイエンティフィック・パートA45,111のキューブ・ビームス プリッターは、全内部反射面にわたり周囲光線を実際に一切屈折させない利点を 有する；しかしながら、該キューブ・ビームスプリッターは、約５０％の周囲光 線とディスプレイ光線とを目に入れるのみである。しかしながら、ビームスプリ ッター８０１が偏光ビームスプリッターで、ディスプレイ３２０が偏光光線（液 晶ディスプレイ又はレーザースキャンディスプレイからのような）を与えるなる 場合にとっては、前記ディスプレイ放射電子の波長とキューブ８０１におけるコ ーティングスの光学デザインとに応じて７５〜９９％の範囲の反射が得られる。 前記キューブは、また、液晶ディスプレイに対するアナライザーとしても機能し 、これは、一つの偏光を効率よく通し、他のものは通さないからである。 この実施例において、ハウジング８２０は、キューブ８０１に組みつ けられる二枚のガラスまたはプラスチックのプレート８１０を保持する手段にな り、前記プレートと其の他の内部パーツがメインレンズ３００を構成する。イメ ージソースからの光線は、ハウジング８２０における孔８２１（図６を参照）を 介して入射される。周囲の光線は、三つのパスの一つを通る。第１のパス８３０ は、オプショナルの偏光層８０４、ガラス８１０、キューブ８０１、第２のガラ ス８１０を通り、目に達する。第２のパス８３１は、オプショナルの偏光層８０ ４、ガラス８１０、オプショナルの偏光層８０２、第２のガラス８１０を通り、 目に達する。前記オプショナルの偏光層の目的は、目に達する周囲の情景の光レ ベルを調節して、前記ディスプレイと周囲の情景との間の光レベルをバランスさ せるためで、これは、回転ベーゼル８０３にオプショナルの偏光子８０４を取り 付けることで可能になる。 第３のパス８３２は、オプショナルの偏光層８０４、ガラス８１０、 オプショナルの偏光層８０２、キューブ８０１、そして第２のガラス８１０を通 り、目に達する。パス８３２を通る光線は、前記キューブを通る通路の軸がずれ ているため、やや歪んでしまう。この現象をなくすには、前記ビームスプリッタ ーを円錐形に形作り、キューブ８０１に光学的に合致したコンパウンドをボイド ８０６に詰めればよい。 前記キューブ・ビームスプリッター８０１は、前記のように偏光にセ ンシティブであるように設計され、方向付けされ、偏光層８０２に整合したとき キューブ８０１と偏光子８０２は、光線８３０、８３２，８３１を等量で吸収す る。正しく整合されていれば、メインレンズ３００を通る偏光光線のネットの透 過は、均一であり、外側の偏光子８０４を回転して前記キューブ又はその他を介 して見る周囲の情景の光レベルを調節する。 図５Ａ〜５Ｅ及び図６Ａは、図４に示したデバイスに対する眼鏡フレ ームのアッセンブリーの詳細のいくつかを示す。三角形のブロック８２２で以下 に述べる前記ディスプレイからの光路を内蔵するパイプ８２３を受ける。ミラー ８２４が前記光路の光線を開口８２１１を介してコンバイナー８０１へ角度９０ 度で反射させる。ブロック８２２は、例えばネジ８２５のような適当な手段でハ ウジング８２０に取り付けられる。二つのハウジング８２０がアッセンブリーさ れて図６Ａに示すような一対の眼鏡にされる。図３を参照すると、位置３０１に あるキューブ８０１、レンズ３４０及びディスプレイ３２０は、ソリッドキャス ティングとしてメインレンズ３００内に形成されており、これを図６Ｂに示すよ うに通常の眼鏡フレーム８３０に取り付けることができる。 図７は、他の実施例を示し、この例では、レンズ３３０，３４０がレ ンズ３６０，３７０それぞれに置き換えられており、これらは、メインレンズ３ ００に接着されているか、又は、例えば射出成形でメインレンズ３００の一部と して成形される。メインレンズ３００は、光学セメント、ポリカーボネート、エ ポキシ、ポリメチルメタクリレート又はガラスのようなリッドのクリアー又は着 色されたマテリアルに光学パーツを埋めこむことで、シングルのソリッドピース として形成できる。このような場合、複数の面に型を設け、メインレンズ３００ の上又は内部の種々の箇所に所望の光学パワー及び／又は反射性を作る。メイン レンズ３００は、また、互いに接合してソリッドユニットにされるか、又は、図 ４から図６に示す態様で取り付けられる複数の鋳造、成形又は機械研削パーツか ら作ることができる。この発明のさらなる実施例は、別体のレンズ３４０と一体 のレンズ３６０又はその逆の使用を含む。さらに、レンズ３３０，３４０又はレ ンズ３６０，３７０又は組み合わせは、光学システムにおける色補正分散作用の ための色消しレンズ又はイメージ収差を減らす他のレンズの組み合わせからなる ものである。認識すべき点は、レンズ３６０は、オプショナルのもので、単純な 拡大光学レンズ構成が必要なシステムにおいては不要である点である。 レンズシステムにおける他の実施例を図８に示す。この構成において は、レンズ３６０とディスプレイ３２０とがメインレンズ３００の背後の位置へ 動かされている。投射イメージをインサート３０１へ向けるために反射面３２５ が第２のインサート３２６の形態で設けられている。反射面３２５は、インサー ト３０１に設けられているタイプのもので、それ自体キューブ８０２からなるも のか、又は、メインレンズ３００に対し内部に装着されたミラー又は図５Ａに示 すように外部に装着されたミラーに置き換えることができる。第２のインサート ３２６が偏光ビームスプリッターにおけるように偏光するものであれば、インサ ート３０１又はインサート３２６は、イメージソース３２０が液晶ディスプレイ である場合に対する分析偏光子（検光子）として作用する。 ディスプレイ３２０が明暗度の強いイメージを表示できるような用途 においては、ディスプレイ規制システムが働かない好ましくない場合にユーザー の目を保護するように前記ミラーを構成する。光学フューズとして機能するミラ ーは（面３２５において）、入射光をある程度吸収するようにして、ユーザーに 害を与えないように保護する。この目的のために、熱伝導が低いマテリアルの一 層又は複数層を前記ミラーの反射層の下に設ける。このような構成で、光ビーム が目の網膜を熱するよりも早くミラーを熱し、これによって目に傷害を与えるよ りもさらに早くミラーを損傷させる。前記ミラーの下側の低い熱伝導の層の一つ は、熱膨張率が高いマテリアルからなり、網膜の損傷スレショールドより低いス レショールド・エネルギーフラックスで前記ミラーにバブル又は他の焦点を結ば ないメカニズムが発生するようにしてある。前記イメージソースは、また、赤外 線（ＩＲ）を放射して、この作用を高めるようになっている。放射赤外線は、前 記システムのどこかにおけるフィルターにより除去し、ユーザーの目に入らない ようにできる。 前記ディスプレイは、前記のようにバックライトされるか、又は、周 囲の光線４０１及び／又は４０２及び／又は４０３により照明される。このよう な構成は、全内部反射インサート３２６、又は、一部又は全部反射ミラー面３２ ５、又は、誘電コーティングをもつ面と共に機能する。光線４０１，４０２，４ ０３のフラクションは、コンバイナー３２５を介してディスプレイへ伝播する。 ついで、これらの光線は、ディスプレイから目に達する光路へ反射される。この 光学システムには、集光レンズ又はコレクティングレンズが設けてあり、光線４ ０１，４０２，４０３を集め、集光する。さらに、利用できる周囲の光が不足の とき、見れるようにするために、メインレンズ３００に対し光学的に取り付けた ランプにより光線４０１，４０２，４０３を供給できる。ディスプレイ３２０が 液晶ディスプレイの場合、インサート３２６は、ディスプレイのための偏光子及 び検光子として機能する偏光ビームスプリッターを備える。この実施例は、さら に、周囲の光景の光レベルを調節するための従来技術で知られている偏光子のク ロスした回転システムを付加することで改善される。この手段において、前記デ ィスプレイと周囲光景光レベルとは、バランスされる。液晶シャッターを使用す ることで、前記調節を電子的に行え、前記イメージの相対輝度を自動的に補償し たり、自動的にバランスさせるためにセンサーを用いることができる。 図９に示すように、メインレンズ３００の前面に第４のレンズ４１０ を付加して前記インサートを覆うようにすることで、記図面における構造を改良 できる。概ね負のパワーをもつレンズ４１０は、レンズ３７０の正のパワーに対 抗し、周囲のシーンからの光線３０６は、特に拡大されずに見える一方、レンズ ４１０を通過しないディスプレイからの光線は、拡大されて見える。レンズ４１ ０は、ユーザーの特定視力補正要求に応じてポジティブ又はネガティブの光学パ ワーをもつ。他のレンズ面をメインレンズ３００のいずれかの側に付加して、通 常の眼鏡のようにユーザーの視力を補正でき、顕微鏡レンズのレンズ倍率を調節 してユーザーの視力を補正できる。レンズ３７０，４１０を介して更に視力を補 正するために他のレンズを付加できる。又、これらのレンズをメインレンズ３０ ０内に実質的に組み入れることもできる点に注目されたい。 射出成形又はソリッドのメインレンズに組みつけるパーツセットの機械研 削により、ソリッドのメインレンズ３００にレンズを設ける実施例においては、 該レンズの屈折率ｎ及び曲率半径は、ポッテイング、モールディング又は研削さ れた媒体内で、所望のレンズ倍率を得るためにエアー中の値から補正されなけれ ばならない。コンパウンズとレンズマテリアルとの屈折率は、光学ポリマー類又 はガラスに対しては１．４から１．６の範囲の屈折率、他の種々の光学マテリア ルズに対しては１．５から２．０の範囲の屈折率をもつ多数のコンパウンズから 選ばれる。成形コンパウンドは、ガラスに合致する屈折率（ｎ＝1.46）をもつ市 販の多くのコンパウンズから選ばれ、前記レンズ類は、例えば、LaSFN₉（ｎ＝1. 85）から形成される。また別に、光学倍率は、成形マテリアル内にエアーギャッ プ又はヴァキュウムを存在させるか、又は、適切に設計された曲率半径をもつ屈 折率が低いマテリアルズにより大きくされる。他の試みは、そのようなギャップ に屈折率が高い、又は、低い液体を詰めることである。さらに別にはメインレン ズ３００内に回析レンズ要素又はホログラフィレンズ要素を用いることである。 前記光学システムの重量をバランスさせ、ディスプレイ３２０を見る 人の顔から離れた位置へ動かすために、図１０に示すように、コーヒレント光フ ァイバー束又は屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズイメージ導管又はレンズから形 成されたリレイからなるイメージリレイ５１０によって眼鏡のメインレンズへリ レイされる。一つの実施例においては、イメージリレイ５１０は、眼鏡の側部に そってディスプレイ３２０へ延びている。リレイ５１０は、ディスプレイからの イメージがメインレンズ３００の正しい位置へ供給されるように、所定の曲げが つけられて形成されている。また別に、図１１と図１２の実施例に示すように、 前記メインレンズに補助インサート３２６（図１１）を用いて、所望の角度と所 望の光学パワーでイメージが受け入れられ、該イメージがインサート３０１へリ レイされるようにできる。 図１１は、ディスプレイ３２０からのイメージをファイバーオプティ ックテーパー部５２０を介してレンズ３６０へリレイするイメージ導管５１０を 示す。前記ファイバーオプティックテーパー部の目的は、ディスプレイの寸法を 前記イメージ導管の寸法に合わせるためである。例えぱ、前記ディスプレイは、 その可視領域寸法が１５．４ｍｍｘ１１．５ｍｍである小型フラットパネルのア クティブマトリックスエレクトロルミネッセント・ディスプレイからなり、イメ ージ導管が６．４ｍｍｘ６．４ｍｍ（できる限り軽量で、小さい断面領域の導管 を使用することが望ましい）であり；前記ファイバーオプティックテーパー部が イメージのサイズを２．４：１の比率で縮小する。注目すべき点は、オメージ導 管リレイ５１０が機械的スリーブ５００内に位置している点である。このスリー ブは、レイレイ５１０と眼鏡レンズ及びフレームシステムとの間の機械的結合に 強度を付与し、また、リレイ５１０の端面５１１とレンズ３６０との間の距離を ユーザーが変えることができるようにして、焦点度合いが調節できるようにして いる。注目すべき点は、前記機械的スリーブは、精度ある位置調節のために、ね じこみ、摩擦ロック又は当業者に知られた他の方法で取り付けられる点である。 図１２は、他の構造を示すもので、イメージリレイにレンズ５３０が 取り付けられ、前記イメージシステムの光学パワーをさらに変更するようになっ ている。さらに、この実施例においては、ファイバーオプティックテーパー部が ハウジング５４０内に装着されたポジテジブ又はネガティブの倍率をもつレンズ ５５０と、イメージ導管に（又は別にハウジング５４０に）装着されたレンズ５ ６０とに置き換えられている。このレンズシステムは、イメージサイズを縮小し 、さらに、前記の態様で機械的スリーブ５７０による焦点調節を可能にする。ハ ウジング５４０には、また、ディスプレイ３２０、レンズ５５０，５６０及びイ メージ導管位置の相対位置を調節する手段を設けることもできる。 前記ディスプレイは、前記ファイバーオプティックテーパー部５２０ 又は図１２に示すレンズ５５０により、又は、これら二つの組み合わせによりＧ ＲＩＮレンズリレイに結合できる。前記レンズシステムの光路は、図１３に示す ように、複数のミラー５５５を含み、この結果、光路を長く維持しながら、光路 を折り曲げてヴォリュウムを減らすことができる。 図１４は、一対の眼鏡に組み込んだ別のレンズシステムの平面図を示 す。この実施例は、イメージを拡大し、これをコンバイナーを介して目へリレイ するために、イメージリレイアッセンブリーとベーシックな二枚レンズ複合顕微 鏡（対物レンズと対眼レンズ）とを各側に含む。このような眼鏡は、両眼立体イ メージをディスプレイすることができる。 前記イメージリレイアッセンブリーは、頭部の後に装着のディスプレ イ３２０を備え、高解像度イメージリレイ５１０は、ＧＲＩＮイメージ面と言う 位置における出口端部５１１近くのエアーイメージを与えるＧＲＩＮレンズイメ ージリレイを備える。このＧＲＩＮイメージ面の正確な位置は、入り口端部５１ ２における焦点面の位置（前記ディスプレイの位置により与えられる）に依存す る。リレイ５１０がコーヒレントのファイバー束を備えている場合、前記イメー ジ面は、端面５１１と一致する。 対物レンズ３６０と対眼レンズ３７０を複合顕微鏡に選択し、位置を 適切に選択することにより、焦点、拡大度合い及びコリメーションディスタンス を調節できる。前記した他の実施例と同様に、レンズ３６０，３７０は、レンズ システムを備える。此のシステムの焦点は、ディスプレイ３２０とテーパー部５ ２０とをＧＲＩＮレンズ入り口端部５１２に対し相対的に動かすことにより、対 物レンズ３６０２をＧＲＩＮレンズイメージ面（出口仁尾ける）に対し相対的に 動かすことにより、及び／又は、対物レンズを対眼レンズ３７０に対し相対的に 動かすことにより調節できる。対物レンズ３６０は、また、広い視野を与える視 野レンズとして使用できる。 この実施例においては、対眼レンズ３７０は、メインレンズ３００内 の位置へ動かすことができる。この位置においては、対眼レンズ３７０は、最早 、周囲の光景からの光線へ光学パワーを作用させない。かくして、レンズ４１０ （図９）は、この実施例では不要である。この実施例においてもまた、眼鏡が頭 部に位置するとき、前記ディスプレイは、頭部の後側に留まる。頭部の後にディ スプレイを置くことは、重心が改良され、美容外観に優れることを含み、コンベ ンショナルな前頭部装着のアプローチに比べて、いくつかの主要な利点を有する 。ＧＲＩＮレンズイメージリレイにより目にイメージが与えられ、その後、ミラ ー３２５又はプリズムにより光線が９０度で反射されてメインレンズ３００へ入 る。光線は、対眼レンズ３７０とコンバイナー３０１とを備えるメインレンズ３ ００を斜めに通過する。対眼レンズで前記リレイからのイメージが拡大され、ユ ーザーがフォーカスできる深さにイメージ面が作られる。ついで、光線は、コン バイナーにより目に対し再び９０度に反射され、図１０に示すように、眼鏡の前 面の所望の位置にバーチャルイメージが与えられる。前記リレイからの光線を周 囲の光線と混合することにより、コンバイナーがシースルー操作を許容し、可視 波長範囲にわたり５０％の透過にする誘電層被覆面を備える。また別に、コンバ イナーをリフレクターに置き換えて、ディスプレイされるイメージを１００％反 射するシーアラウンドディスプレイにすることができる。レンズ処方の補正を必 要とするユーザーには、メインレンズ３００の面を曲げて眼鏡を補正することが できる。イメージ捕獲又はアイトラッキング（視標追跡）のような他の特徴を、 このベーシックデザインに追加できる。 この実施例においては、ＧＲＩＮレンズイメージリレイの直径は、３ ｍｍ以下で有り、さらにｍｍ当たり２００ラインペアー（又は、約１２００ライ ン）の透過解像度を与える。例えば、グラディエント・レンズ・コーポレイショ ンのEG-27は、対角線が2.5mmである矩形の800x600のイメージをリレイすること ができる直径2.61mmのロッドであり、これは、VGAイメージをリレイするのに適 している。この高解像度ＧＲＩＮレンズリレイは、ボロスコープ用と内視鏡用に 開発されたものである。イメージをイメージリレイ５１０を介して目へ送るため に、ファイバーオプティックテーパー部５２０でイメージが縮小されるから、以 下に述べるように、比較的大きなレンジにわたりコリメーションディスタンスが 調節できる小型レンズシステムが使用できる。この実施例は、レンズ処方レンズ に匹敵するものでもあり、メインレンズアッセンブリーの接着でき、高い周囲（ シースルー）視野のものである。ＧＲＩＮレンズと対物レンズとを図１５に示す ように位置が変わり、焦点距離が調節できる単純な機械的入れ子式チューブマウ ント６２０に取り付けることができる。ＧＲＩＮレンズ５１０は、摩擦で保持さ れるが対物レンズ３６０が取り付けてあるチューブ６２２内をスライドできるチ ューブ６２１内に取り付けられている。チューブ６２２は、摩擦で保持されるが メインレンズ３００に固定のチューブ６２３内をスライドできる。前記チューブ マウントには、回転して調節できるようにねじを（図５Ｂ）きりこむことができ る。類似の機構でＧＲＩＮレンズに対し前記ディスプレイを動かすことで第２の 調節ができる。両調節は、以下に述べるコリメーションディスタンスを変える効 果がある。 図１６Ａは、いくつかの視野レンズ９０１，９０２をメインレンズ３ ００内に設けた他の実施例を示す。このような視野レンズは、光学パワーをこわ けする有益な効果を有し、対眼レンズに高倍率をもたせる必要性を減らす。この 酔うなレンズは、また、視野を広めるのに役立つ。これらのレンズ及び他の光学 パーツは、例えば多数のパーツを射出成形や機械研削で形成され、続いて内面に 金属層又は誘電層をコーティングし、さらに前記パーツをアッセンブリーして光 学面が埋設されたメインレンズ３００を作る。 図１６Ａを参照すると、眼鏡フレームへの組み込みにぴったりのメイ ンレンズ３００を形成するために、メインレンズ３００の厚さ９３４をコンベン ショナルの眼鏡の範囲（25mm以下で、好ましくは、1mmから15mmの範囲内）に維 持することが望ましいことを認識すべきである。メインレンズ３００の面は、厚 さ９３４に等しい寸法をもつ内部光路における開口絞りを形成する。部分的に反 射するイナーフェース３２４も絞りを形成する。レンズの倍率に応じて、これら の絞りが前記ディスプレイからのイメージの視野を制限する。この発明は、視野 レンズ９０１，９０２を使用して、これらの絞りの制限のいくつかを克服する。 メインレンズ３００の厚さ９３４による絞りに打ち勝つ第２の方法を 図１６Ｂに示す。インターフェース３２４，３２５が４５度以下の角度４５５， ４５６でセットし、メインレンズ３００の厚さ９３４を薄くする。光路は、メイ ンレンズ３００の内部面からの一つ又はそれ以上の反射を必要とし、それは、前 記したようにトータルの内部反射により生じる。このような場合、埋設されたレ ンズ９０１は、図に示されるように、適切に斜めにされている。 上記オプティカルシステムは、シ／ーアラウンド、シースルー又は完 全没入システムに実施されることが分かる。種々のデバイスを付加して一つのタ イプから他のタイプヘ変えたり、システムタイプでの自動チェンジオーバーを行 うようにできる。例えば、レンズ４１０（図１１）を不透明なディスクに変えて シースルーシステムをシーアラウンドシステムにコンバートできる。また別に、 インサート３０１を視野が拡大するようにし、メインレンズ３００の前面に不透 明なカバーを設けて完全没入システムを形成できる。不透明なカバーは、いずれ も液晶シャッターに置き換えることができ、このシャッターは、電子的に調節さ れて周囲の光景の光レベルを減らしたり、これを完全にブロックしたりできる。 周囲の光をコントロールするために、フォトクロミックマテリアルズも利用でき る。 さらにプリズム又はミターを用いてインサート３０１を形成できる。 このようなデバイスは、最早コンバイナーではなく、むしろシーアラウンドシス テムにすべてが必要とされている単純なリフレクターである。これは、他のリフ レクターシステムズに対し優位性をもつもので、これは、メインレンズ３００内 に反射面が設けられ、したがって、他のアプローチよりも安全で、耐久性がある 利点を有しているからである。 前記イメージコンバイナーを形成する別の態様は、複式レンズを用い てメインレンズ３００のベースに対する角度３１０（図３）により最も単純なケ ースにされた面に形成された複式面構造の回析光学要素を形成することである。 回析光学要素の利点は、レンズ３４０に光線を向けながら角度３１０を広くとれ る一方、反射面においては、角度が反射法則により固定されることである。これ によりレンズ３４０を介する視野が広がる一方、メインレンズ３００の厚さを比 較的薄いものにしておくことができる。レンズ３４０と他のレンズは、また、回 析光学要素を備える。不利なことは、カラーシステムに存在する望ましくない波 長依存効果である。しかしながら、上記した完成されたシステムの光学構成に固 有の、カウンターバランスする回析光学要素を前記光路に挿入しやすいようなフ レキシビリティにより、必要に応じ、クロマティックイフェクツに対する補償が できる。 インサート３０１は、面３２４にホログラムを位置させることにより ホログラフィコンバイナーに置き換えられる（図１６Ａ又は図１６Ｂ参照）。こ のような場合、そして前記回析光学要素に類似して、前記コンバイナーは、前記 ディスプレイから発する一つ又はそれ以上の主たる波長とともに働くように構成 される。回析コンバイナーと共に、前記ホログラフィコンバイナーは、光学パワ ーを付加でき、該コンバイナー面に反射コンバイナーよりも広い角度範囲がとれ るようにする。 前記種々の実施例に記載のレンズは、レンズシステムの種々のパーツ に固有の色収差をなくす色消しレンズを形成するように選択される。また、前記 種々の実施例の特徴を組み合わせることができることが分かる。さらに、図面は 一枚のレンズを示しているが、歪みをなくし、視野の平坦性を改良し、又は、ユ ーザーが見るイメージに対し改良を加えるように構成された多重のレンズを組み 合わせたものにすることができる。 図１７は、レンズシステムの他の応用を示すもので、これは、イメー ジ捕捉及びアイトラッキングに使用される。この実施例においては、ディスプレ イ３２０からの光線３２１は、前記のようにレンズ３６０，３００，３７０を通 り目に達する。目から反射された光線３２２は、光路にそってビームスプリット インターフェース３２５へ戻り、レンズ７２０を通りセンサー７１０へ入る。セ ンサー７１０は、イメージ捕捉に通常使用されているようなＣＣＤ又はＣＭＯＳ センサーアレイ又は別のタイプのイメージディテクターを備える。このように集 められた目のイメージは、ユーザーの目の位置を確かめるのに使用でき、このよ うにしてユーザーの凝視のロケーションが確かめられる。アイトラッキングの使 用は、二つの理由でいくつかのシステムズに有利である。その一つは、アイトラ ッキングにより必要なディスプレイピクセルのトータルの数を減らすことができ 、これは、網膜中心窩のロケーションが知られていれば、その領域に高解像度イ メージを表示するのみでよい。さらに、アイトラッキングを用いて前記ディスレ イの射出瞳を増やすことができる。さらに詳しくは、前記ディスプレイの射出瞳 をユーザーの瞳孔の位置変化の検知に応答して最適なロケーションへ動かすこと ができる。アイトラッキングは、また、特定システムファンクションを含む数多 くの他の用途に有用でもある。 図１７における実施例は、ユーザーの凝視からイメージを集めるよう にもなっている。周囲の情景からの光線３９５は、一部がインターフェース３２ ４により反射されて光線７７５によって表されるパスにそいレンズ７８０とイメ ージディテクター７９０へ向かう。表示されたイメージがセンサーへ投射されな いようにすることが必要でれば、ディスプレイとセンサーとがシーケンシャルに 働く。ディスプレイとディテクターとの数多くの組み合わせをこのシステムと合 体し、眼鏡視力補正、情報のディスプレイ、可視イメージと赤外線イメージを含 めアイトラッキングイメージの収集又は周囲の情景の収集を行う。 眼鏡内にコンピューターディスプレイを形成するために本発明を使用 する例として、目から６７ｃｍ離れて見るコンピュータースクリーンを創作する とする。所望のイメージの高さが２８ｃｍであり、リレイ５１０のアウトプット ５１１において作られるイメージが高さ２．１ｍｍとすると、拡大倍率が１３３ になるレンズ３８０，３７０のセットが必要になる。この拡大は、例えば焦点距 離が１２ｍｍのレンズ３６０と、焦点距離が１８ｍｍのレンズ３７０とによって 得られる。レンズ３６０は、リレイ５１０により作られたイメージから15.39mm の距離におかれる。レンズ３７０は、レンズ３６０から72mm離されて配置される 。これによって、ヴァーチャルイメージ６７が目から67mm離れて作られる。光線 は、発散するものである。前記レンズの位置を変えることにより、該レンズの相 対位置に応じて、前記イメージが無限大又はどこかに形成されることができる。 レンズ同士の間が空気であるスペースの場合に、この計算が成り立つ。例えばメ インレンズ３００のソリッドの例において屈折率ｎ＞１のマテリアルを使用の場 合、距離が応分に調節される。 図１８は、フリースペースコンバイナーに基づく従来技術の反射屈折 光学デザインを示すもので、このデザインにおいては、ディスプレイ９０１によ り発生したイメージは、目に向け光を後方へ反射するカーブしたミラー又はコー ティングされた反射要素９００に向け平らな半透過ミラー又は誘電被膜面９２０ により反射される。要素９００がカーブしていれば、それから反射した光のヴァ ージェンス（傾き、vergence）が変わり、これによって、目の前に快適な距離の スペースをおいてヴァーチャルイメージが目に入る。この要素９００は、図８に おけるレンズ３７０と同じ光学作用を行う。周囲の情景からの光線９１０のよう に、要素９００を通過する光は、そのヴァージェンス（傾き、vergence）になん らの変化無く通過する。かくして、光線９１０により描かれる情景がディスプレ イを見る光学レンズの光学パワーによりヴァージェンス（傾き、vergence）を損 なうことなく見られることになる。要素９００は、吸収を導入しているため、面 ９００を通過する光線は、減衰してしまう。 本発明の方法を用いる改良されたシステムを図１９Ａに示す。要素９ ００は、サイズを小さくされ、メインレンズ３００に納めてある。コンバイナー ９２０は、ハーフシルバーめっきのミラー又は前記したビームスプリッターキュ ーブからなるか、又は、偏光ビームスプリッターからなる。偏光ビームスプリッ ターの場合については、正しい軸で偏光された光の大部分が要素９００へ反射さ れる。四分の一波長板又は他の偏光ローテーター９３０を２回通過するとき、回 転軸により、光線は、偏光ビームスプリッターを効率的に通過して目に入る。干 渉フィルターの技術で知られている光学コーティングをコンバイナー９２０と要 素９００に用いて、周囲の光線とディスプレイイメージが効率的に通過できるよ うにする。例えば、ディスプレイイメージがレーザーソースからのスペクトル帯 域が狭い三色（レッド、グリーン及びブルー）からなる場合、前記光学コーティ ングは、要素９００の面がこれらの狭い波長レンジに対し反射性を高めるように する一方、該要素を通過する光線９１０は、これらの狭いレンジにおいてのみ妨 げられ、かくて、前記イメージは、色歪みなしに広く見れる。図１９Ｂは、同じ 性質の代替例を示し、光線９１０がミラー９００により妨げられないような向き になっている偏光と要素９００をもつ。 従来技術の頭部装着ディスプレイズは、一つのコリメーションディス タンス（焦点に基づきイメージが知覚される距離）に限られている。ステレオ頭 部装着ディスプレイにおいてはしばしば、この距離は、目のヴァージェンス（傾 き、vergence）で知覚される距離とコンフリクトしてしまう。この発明は、異な るコリメーションディスタンスで多重のイメージをディスプレイさせることで、 この問題を解決する。 多重コリメーションディスタンスディスプレイは、二つ又はそれ以上 のディスプレイソースからのイメージを融合して、異なる焦点距離にある背景イ メージと前景イメージとをユーザーに与える。ＧＲＩＮロッドイメージと対物レ ンズとの間の距離をｘとする（図２０）。図２０において、ＧＲＩＮレンズから 三つの別個の距離にあるディスプレイが三つのｘの値及び三つのｙの値で一つが 各ディスプレイに対するものに導く。ｘが僅かに調節されると、コリメーション ディスタンスは、大幅に変わる。以下の表は、一つの光学構成に対する対物レン ズからの距離をファンクションとしてのコリメーションディスタンスの計算を示 す。 この表は、計算が行われた特定の光学構成について、イメージと対物 レンズとの間の距離が186μｍ変化すると、コリメーションディスタンスが12.7c mから254M（エッセンシャルに無限大）に変わることを示している。二つ又はそ れ以上のディスプレイ９４０を用い、コンバイナーキューブ９４５を介して結合 （ＬＣＤプロジェクターにおいてレッド、グリーン及びブルーのイメージを結合 するとき一般に行われているように）する場合、そして、これらディスプレイを ＧＲＩＮイメージリレイからの距離を異にして（図２０に０mm、ｔ、及びｕとし て図解）設定すると、図２０に示すように、ユーザーは、イメージを見るのに異 なる面に焦点を合わせなければならない（丁度リアルイメージを見るときに目が 行うように）。距離の相違は、前記キューブと前記ディスプレイとの間に薄いガ ラスの層を介在させて得ることができる。 重要なことは、作られたイメージが前景、中間及び背景に相当する三 つの分離した同時存在面を有することができることである。これがコリメーショ ンディスタンスの問題とハードウエアからの目のヴァージェンス(傾き、ver- gence)の不同を効率よく除去する。必要なだけ数多くの（又は頭部装着システム において実用に合った数多くの）面を作る光学技術が存在する。 代替アプローチにおいては、ディザーを行うメカニズムが対物レンズ を所望の位置へ動かす。このようなアプローチを毎秒１８０フレームで動くフラ ットパネルディスプレに同期させ、三つの分離したイメージ面を与える。必要な レンズ移行をさきにはたったの180μｍと示した点に注目されたい。他のアプロ ーチは、図２１の態様におけるスタッキングからなるもので、これは、減法混色 の原色ＬＣＤに使用されているものである。減法混色の原色ディスプレイシステ ムにおいては、三つのディスプレイ９５５がスタッキングされ、各ディスプレイ がファイナルのイメージから一つの色を除く。これらディスプレイは、偏光子９ ５６により分離されている。この発明においては、カラーディスプレイを用いて 該ディスプレイの間のスペースに応じて、種々のコリメーション深さにある多重 イメージ面を特徴とするイメージが提供できる。 注目すべき点は、減法混色の原色ディスプレイにおいて、面の間のコ リメーションディスタンスのバリエーションは、有害な人為ものとみなす点であ る。しかしながら、この発明においては、コリメーション深さのバリエーション を用いてイメージを改善することができる。さらなる利点は、背景に解像度が低 いディスプレイを用いてシステムコストを下げることができる点である。 ミラー又は導波管を用いてシングルのピクセルをスキャンするスキャ ンアプローチにおいては、いくつかの方法でコリメーションディスタンスを調節 できる。第１のものは、ビームスキャンニングシステムの入り口瞳孔からの距離 を異にするいくつかのピクセルを用いる。このアプローチは、幾本かの光学ファ イバーを用い、それらファイバー各々が定まっている異なった分だけ入り口瞳孔 からずれていて、各ファイバーを異なるコリメーションディスタンスに導くこと によって達成される。ついで表示しようとする複数の光子を所望のコリメーショ ンディスタンスに相当するファイバーを越させる。 第２の方法は、マイクロメカニカルミラーを使用してシングルファイ バーから対物レンズへのパスレングスを調節することである。距離を調節するこ とにより、各ピクセルに対するコリメーションディスタンスが設定できる。外部 の力で変えられる屈折率をもつ媒体に光線を通すことで光学ディスタンスを調節 できる。 前記の議論は、眼鏡形態に光学機構を適用する点に的を絞ったもので あるが、光学機構は、ダイバーのマスク、消防士の顔覆い、宇宙飛行士の宇宙服 マスク、危険物ボディスーツフェースマスクなどなどのようなフルフェースマス クシステムにも適用できるものである。図２２は、光学システム８７０、フェー スマスク構造体８７２及びコンピューター回路８７４をまとめ、フェースマスク システム内に全部がまとめられたコンピューターを形成した例を示す。これによ って、このシステムにおいては、フェースマスクが集められた回路を縁部に装着 のための十分な領域を供給することができる。まとめられた回路類のサイズを小 形にすれば、このようにしてディスプレイと回路類とを眼鏡に取り付けることが できる。図２２に示すように、ディスプレイをレンズの縁部に直接取り付けるこ とができる。ダイビングマスクの場合には、回路とディスプレイとをフェースマ スクの縁部内にポッティングし、防水にすることができる。 図２２は、二つのディスプレイを示し、これによりステレオイメージ が作られる。コンバイナーを通常の視野内に直接配置したり、（図示のように） 通常の視野外に直接配置したりして、ディスプレイを見るためには、光学システ ムが置かれている場所に応じて、ユーザーが見上げたり、見下ろしたり、横を見 たりしなればならないようにすることができる。フェースマスクに適したディス プレイ類は、アクティブ・マトリックス・エレクトロルミネッセント・ディスプ レイ又はアクティブ・マトリックス液晶ディスプレイであり、これらは、市場で 入手できる。 図２３を参照すると、ビームスキャンニングデバイスが設けられてい て、前記したように、レンズの使用と折り曲げにより、光学レンズ類を埋設した 面に極めて小さなイメージ面が作られ、これがユーザーの目に向けられる。この イメージ面は、オプティカルファイバーからの光を小形化された面を構成する複 数のポイントにわたってスキャンニングすることにより形成される。このスキャ ンされたピクセルは、回析制限スポットであるから、イメージ面は、極めて小さ くなる。スキャンされたピクセルは、前記ファイバーに供給されたグレイレベル データ及び／又はカラーデータと同期していて、小形イメージ面における各ポイ ントは、適当な光子ストリームでペイントされ、所望のイメージを前記スクリー ンに作る。ファイバーにより前記スキャナーへ供給された光学データは、コンピ ュータ内で作られ、そのためグラフィック回路が光学ソース（レーザーなどの） セットをドライブして、所望の照度でレッド、グリーンおよびブルーの所望のコ ンビネーションを作るようにしなければならない。 前記ビームスキャナーは、マイクロ−エレクトロメカニカル・シリコ ン・マシニング（ＭＥＭＳ）により形成できる。前記スキャンニングシステムを 形成する最もダイレクトの方法は、図２３に示すように、光子らを所望のポイン トに向けるために使用の水平方向及び垂直方向ミラー９７０，９７１を作ること によるものである。垂直方向及び水平方向スキャンニングミラーは、接近させて 作られ、リレイオプティックスを複雑にしないようにする。垂直方向スキャンニ ングミラー９７１は、コンベンショナルのフレームレートとして６０Ｈｚで振動 することができる。マイクロマシニングされた導波管もまた作られる。 ビームステアリングデバイスをオプティカルファイバーズで作ること ができる。しかしながら、そのようなデバイスでの問題は、利用できるオプティ カルファイバーの機械特性に拘束される点である。これに対し、本発明によるマ イクロマシニングされたスキャンナーの利点は、薄いフィルムを使用して、溶解 石英ファイバー類では達成できない機械的共振周波数と構造における導波管ジオ メトリーとが調整できる点である。 上記したＭＥＭＳをベースとするスキャナーは、イメージ収集デバイ スとしても働く。頭部装着ディスプレイにおける実施においては、アイトラッキ ングに使用できる目のリターンイメージをトランスミットするのに表示するオプ ティックスが使用できる。ＭＥＭＳディスプレイと一緒になったアイトラッカー の場合においては、スキャンニングシステムを含むディスプレイオプティックス は、図２３に示すようにシステムからディテクターへ戻ることができるイメージ の表示と目のイメージの収集両者に使用できる。 光子類を目へ供給することは、レシプロ光学プロセスを有し、前記シ ステムが軸方向に整合していれば、網膜からの軸方向反射は、同じ光路にそって 戻ることになる。リターンシグナルを最大にする位置に前記ミラーセットを配置 することにより、網膜の角度位置、したがって、凝視の方向が決定される。 リターンシグナルの強度をいくつかの方法で増大できる。ＭＥＭＳア プローチにおいては、レッド、グリーン及びブルーの波長を前記光路にそって組 み合わせ、カラー表示にする。さらにユーザーには知覚されない赤外線（ＩＲ） 波長を第４のバンドとして付加する。この手段においては、赤外線パターンが目 に映し出され、戻りのパターンを検知することにより目の位置が測定される。 図２３は、そのようなデバイスがどのように動作するかを図解する。 可視光線とＩＲ光線がスキャンニングミラー９７０へ同期して送られ、眼鏡のオ プティカルシステムへ投射曝れ、そこから目へ投射される。目が前記射出瞳と整 合していれば、リターンシグナルが前記光路へ反射される。このリターン（反射 された）シグナルは、カプラー９７２へ伝播され、そこからディテクター９７４ へ伝播される。照明光線がコンスタント（ブラックスクリーン）であれば、つい でピクセルズの反射ストリームは、実際には、目のピクセル化されたイメージで あり、これは、コンピュータ９７６により目のイメージへリフォームされること ができる。しかしながら、照明光線がイメージそれ自体であれば、ピクセルズの 反射されたストリームは、オリジナルのイメージと反射されたイメージとが渦巻 き状になったものからなる。この場合にも、前記コンピュータは、前記イメーを 巻きほぐし（目へ送られたイメージは知られているから）、目のイメージを創る 。他の方法は、目へ送られたイメージについて変調した可視光線とコンスタント なＩＲを用い、目を照らしてリターンＩＲイメージを創る。これら方法のすべて は、網膜のイメージをクリエートし、それから凝視の方向が測定できる。 図２３に示したシステムは、図２４に示すような眼鏡又は頭部装着デ ィスプレイ構造へのスタンダードなフラトパネルアプローチにも使用できる。こ のような場合、ＭＥＭＳシステムが目のイメージのみを集め、ディスプレイイメ ージを作るのには用いられない。ディスプレイイメージは、フラットパネルディ スプレイによりコンバイナーを介して提供される。 図２５Ａと図２５Ｂとは、さらなる実施例を示し、そこでは、メイン レンズ３００の厚さ９３４を全く厚くせずに視野を広げることができる。さきに 述べたように、コンバイナーインターフェース（図１６の３２４）により導入さ れる開口ストップの幅１００３を増やすことにより広げられる。 図２５Ａは、対向する光路１００１，１００２から光線を受ける二つ の組み合わされたインターフェース９２２，９２１の使用を示す。注目すべき点 は、図１９に示した全屈折アプローチには、シングルのインターフェースとシン グルの光路とが示されていた；この実施例は、開口ストップ１００３を倍にして 二つのそのような光路を組み合わせて使用している点である。 図２５Ｂは、光がどのようにして二つの光路１００１，１００２に分 かれるかを示す。この特定の実施例においては、ディスプレイ３２０とレンズ３ ６０とが反射インターフェース９２３，９２４に光線を当て、再組み合わせのイ ンターフェース９２１，９２２と対称になる態様で光線を二つの光路１００１， １００２へスプリットする。図２６は、メインレンズ３００を平面図で示す。光 線は、メインレンズ３００へ入り、インターフェース９２３，９２４で反射され て前記二つの光路にそう。メインレンズ３００内に埋設された四つのミラー９２ ５が面９２１，９２２へ光線を反射する。埋設されたミラー９２５は、それらの 反射面がメインレンズ３００の面に対しほぼ直交するように、したがって、メイ ンレンズ３００を経てユーザーの目へ送られる周囲の光景からの光線とほぼ平行 に形成されている。したがって、ミラー９２５は、メインレンズ３００を介して はちょっと見ただけでは見えない。さらに、インターフェース９２１，９２２， ９２３，９２４は、ディスプレイ３２から出された特定範囲の波長を反射し、他 の波長を反射しないようになされた誘電コーティングスを備え、この方法で、メ インレンズ３００内の迷反射光がなくなる。 図２５Ａと図２５Ｂとにおける実施の特定の例は、直角のプリズムの 側面で形成された二つの垂直な面９２１，９２２から形成されたコンバイナーを 備える。前記のように、上からの光線１００１と下からの光線１００２とが外部 の光線３０６と組み合わされてイメージを作り、メインレンズ３００を厚くせず にディスプレイされるイメージの最大視界を倍にする。この方法で、コンバイナ ーの高さ１００３をメインレンズ３００の厚さの倍にできる一方、ビームスプリ ッターキューブにとって必要な角度４５度を保つ。この実施例においては、図２ ６の平面図に示すように、イメージを二つの光路からコンバイニングシステムに 供給しなければならない。イメージを形成する光線は、面９２３，９２４を介し てメインレンズ３００へ入り、これら面は、また直立面を形成するようになって いる。これらの面で入光光線を二つの光路にスプリットする。下側の面９２３を 介して入る光線は、光線１００２によって示される光路を辿る。上側の面を介し て入る光線は、光線１００１によって示される光路を辿る。四つのミラー９２５ が前記光路を折り曲げ、全体構成がメインレンズ３００内に納まる。これらの例 は、全屈折レンズをもつこのミラーシステムの使用を示しているが、さきに述べ た他の実施例も使用できる。 前記光学構造に複数のイメージ面を配置することにより、面９２１， ９２２の頂点及び面９２３，９２４の頂点を含む面が出ないようにする改良がさ らになされる。この方法において、前記光線がスプリットされることによるファ イナルのイメージにおける人為的なことを無くすことができる。これを達成する 一つの方法は、前記オプティカルシステムに必要なレンズ（例えば、３６０，３ ７０又はミラー９００のような）をこれらの面の近くに配置して、他の面にイメ ージを形成するようにすることである。 この発明は、四角なコンバイナーに限定されるものではなく、前記改 良によりコンバイナーの幅１００４に限定が加えられない。視野のアスペクトレ シオは、必要に応じインターフェース９２０，９２１をワイドにすることで単純 に変えられる。 図２７は、例えば、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ、ファイ バーオプティック・フェースプレート又は回析光学要素からなる光学要素５１５ を介入させることにより光学リレイ５２０から放射された光線の視野が増大され る実施例を示す。要素５１５は、イメージ面が一致するように面５１１に相対で 配置され、要素５１５にイメージが形成される。リレイ５１０がコーヒレントの ファイバーバンドルである場合については、要素５１５は、端面５１１に直接接 着されるか、又は、該端面にエッチングされる。リレイ５１０がＧＲＩＮイメー ジリレイである場合には、要素５１５は、リレイ５１０により作られるイメージ の位置に配置される。リレイ５１０がレンズである場合、要素５１５は、レンズ システムの焦点面におかれる。この方法においては、使用される要素又は要素の 組み合わせのタイプに応じて、拡散、屈折又は回析メカニズムの一つ又は一つ以 上によりピクセルズの視界を要素５１５が増大する。光学要素５１５がファイバ ーオプティック・フェースプレートである場合については、該フェースプレート の一方の面又は両面をカーブさせ、表示されるイメージのフィールド平坦性を改 善する。 ここに記載した発明により、図２８Ａと図２８Ｂとに示す眼鏡を作っ た。この実施例においては、メインレンズ３００は、市販の眼鏡フレーム８３０ 内に内蔵させてある。メインレンズ３００は、埋設された偏光ビームスプリット キューブ８０１と、埋設されたプリズム１１００とを備え、これらは、アクティ ブマトリックス液晶ディスプレイ３２０からの光線を反射する。このディスプレ イは、バックライト１１０３でバック照明され、該ディスプレイとバックライト は、ハウジング１１０３に納められている。該ディスプレイは、電子回路（図２ ８Ａ，２８Ｂには図示されていない）と電気的に接続されている。ディスプレイ ３２０は、スペーサー１１０１に光学的に取り付けられ、該ディスプレイとレン ズ３７０の面との間の媒体の屈折率が内部反射をなくすように比較的具合良くマ ッチングしているもので、該マテリアルズの屈折率は、１．４から１．６のレン ジにある。ディスプレイ３２０は、該ディスプレイからの偏光光線が前記キュー ブのインターフェースを殆ど通過せずにキューブ８０１による目への反射にとり 良好な方向を向くように配置されている。正のパワーをもつシングルの平凸レン ズであるレンズ３７０により、キューブ８０１からの光線のヴァージェンス（傾 き、vergence）を下げ、かくしてユーザーが約５０ｃｍにあるヴァーチャルイメ ージを知覚できるようにする。負のパワーをもつシングルの平凹レンズであるレ ンズ４１０が周囲の光景からの光線を予め補正し、組み合わされたレンズ３７０ ，４１０がヴァージェンス（傾き、vergence）が比較的なしに光線を送る。レン ズ４１０，３７０の相対パワーと間隔及び／又はこの発明において規定されてい るような多重レンズ（例えば、ダブレット）を最適に選択することにより、前記 キューブを介して見る周囲の光景の全体の歪みを減らすものである。この実施例 におけるメインレンズ３００（図１６Ａにおける９３４）の全体の厚さは、 ６．２５ｍｍである。 眼鏡フレーム８３０内にディスプレイシステムを完全に隠蔽させるこ とは、バックライト１１０３とディスプレイ３２０とをハウジング内に納め、眼 鏡フレームに内蔵させるため、これらをリパッケージングすることにより可能で ある。図２９は、フラットなバックライト１１１０、ディスプレイ３２０及びプ リズム１１１１を眼鏡のテンプル１１１２に内蔵し、ディスプレイを隠す方法を 示す。さらに、レンズ３７０、４１０又は他の光学レンズ類は、図２９に示すよ うに、又は、前記のようにメインレンズ３００内に埋設できる。センサーとレン ズ（すなわちカメラシステム）をアイトラッキングシステムでできるように、付 加できるもので、両者については、すでに述べてある。この実施例においては、 メインレンズ３００の外観は、二焦点レンズに似ている。図２９は、単眼用機具 を示す；しかしながら、左と右の二つのメインレンズ３００は、両眼システムに 用いられる。また、左のメインレンズ３００は、ディスプレイシステムを内蔵し 、右のメインレンズ３００は、センサーシステムを内蔵できる。埋設された光学 レンズ類は、サングラスのように、偏光フィルム、フォトクロミックフィルム、 濃淡に色づけされたフィルム又は反射フィルムを使用して、存在を隠すことがで きる。その結果、眼鏡ディスプレイシステムは、ちょっと調べた限りでは、ディ スプレイ、カメラ又はアイトラッカーがないこれまでの眼鏡の外観美をもつ。 この発明は、添付の請求の範囲に指示されたものを除き、特に示され 、記載されたものに限定されるものではない。 請求の範囲 １． ユーザーの目を使用するユーザーの頭部に装着する頭部装着イメージ コンバイニング・レンズシステムであり、以下を備える頭部装着イメージコンバ イニング・レンズシステム： ユーザーの頭部により支持されるように構成された支持フレーム； 以下を備えるユーザーの目の前に前記支持フレームにより支持される レンズシステム： 二つの光学面をもち、第１のレンズにより周囲の光が前記二つ の光学面を通るように構成した少なくとも第１のレンズ； 前記第１のレンズ内に内部的に配置され、前記周囲の光から離 れたイメージソースから光を受ける光路であり、前記第１のレンズの 二つの光学面にそい、かつ、該光学面の間に配置された一部を少なく とも有する前記光路；及び 前記第１のレンズ内に内部的に配置されたインサートで、前記 光路の少なくとも一部にそって送られる光を前記第１のレンズからユ ーザーの目へ再び向ける前記インサート；及び 前記光路のさらなる一部であって、前記支持フレームに支持され、前 記イメージソースから前記レンズシステムの内部に配置された前記光路の一部へ 光を向ける前記光路のさらなる一部。 ２． 前記インサートは、屈折率を異にし、前記インサートにより分けられ ている二つのマテリアルズからなる請求項１のシステム。 ３． 前記インターフェースは、前記二つのマテリアルズの間にエアーギャ ップを備える請求項２のシステム。 ４． 前記インサートはビームコンバイナーからなる請求項１のシステム。 ５． 前記ビームコンバイナーは、リバースされたビームスプリッターから なる請求項４のシステム。 ６． 前記インサートは、偏光ビームスプリッターからなる請求項１のシス テム。 ７． 前記インターフェースは、全部が内部反射する請求項１のシステム。 ８． 前記インサートは、半透過ミラーからなる請求項１のシステム。 ９． 前記インターフェースは、平らである請求項１のシステム。 １０． 前記インターフェースは、カーブしていて、予め選んだ光学パワー提 供する請求項１のシステム。 １１． 見ようとするイメージを正しく位置させるために予め選択された角度 で前記インターフェースが配置されている請求項１のシステム。 １２． 前記インターフェースは、光路をスプリットする干渉コーティングを 含む請求項１のシステム。 １３． 前記インサートは、ホログラフィコンバイナーからなる請求項１のシ ステム。 １４． 前記レンズシステムは、さらに、前記インターフェースとユーザーの 目との間の光路に配置された第２のレンズを備え、予め選択された拡大を行う請 求項１のシステム。 １５． 前記第２のレンズは、前記インサートからエアーギャップを介し離れ ている請求項１４のシステム。 １６． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズと一体になっている請求項１ ４のシステム。 １７． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズに接着している請求項１４の システム。 １８． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズにモールドされている請求項 １４のシステム。 １９． 前記第２のレンズは、色収差を補正したレンズである請求項１４のシ ステム。 ２０． 付加のレンズを備え、このレンズは、前記インサートと、前記付加の レンズを通る周囲の光線の一部との間にあって、前記周囲の光線が所望の拡大倍 率をもつように前記第２のレンズの光学パワーに対抗するように予め選択された 光学パワーをもつ請求項１４のシステム。 ２１． 前記レンズシステムは、さらに、前記インターフェースとイメージソ ースとの間の光路に配置され、所望の拡大倍率になるように予め選択されている 第２のレンズを備える請求項１のシステム。 ２２． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズからエアーギャップを介して 離れている請求項２０のシステム。 ２３． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズと一体になっている請求項２ ０のシステム。 ２４． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズに接着している請求項２０の システム。 ２５． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズにモールドされている請求項 ２０のシステム。 ２６． 前記第２のレンズは、色収差を補正したレンズである請求項２０のシ ステム。 ２７． 前記レンズシステムは、前記光路に配置され、所望の拡大を行い、レ ンズ収差を思い通りに補正するように予め選択されているさらに別のレンズセッ トを備える請求項１のシステム。 ２８． 別のインサートが前記第１のレンズの内部に配置され、この別のイン サートは、前記インサートとイメージソースとの間に配置されて、前記光路の一 部にそって前記イメージソースからの光線をユーザーの目へ再び向けるようにす る請求項１のシステム。 ２９． 前記別のインターフェースは、全部が内部反射する請求項２８のシス テム。 ３０． 前記別のインサートは、ビームコンバイナーからなる請求項２８のシ ステム。 ３１． 前記別のインサートは、ミラーからなる請求項２８のシステム。 ３２． 前記別のインサートは、周囲の光線で前記イメージソースの照明を助 けるように配置されているビームスプリッターからなる請求項２８のシステム。 ３３． 前記別のインターフェースと前記イメージソースとの間の光路に配置 されて、予め選択された拡大を行う別のレンズを備える請求項２８のシステム。 ３４． 前記インサートと前記イメージソースとの間に配置され、前記光路の 一部にそって前記イメージソースからの光線をユーザーの目へ再び向けるように するミラーを備える請求項２８のシステム。 ３５． 前記ミラーが前記第１のレンズのエッジに取り付けられている請求項 ３４のシステム。 ３６． 前記光路における強烈なビームにより損傷されるように予め選択され た熱伝導性をもつマテリアルの層をさらに含む請求項３４のシステム。 ３７． 前記ミラーは、更に、強烈なビームが前記光路に焦点を結ばないよう に予め選択された熱膨張係数をもつマテリアル層を含む請求項３４のシステム。 ３８． 少なくとも一つの視野レンズが前記インサートと前記イメージソース との間の光路の一部にそって前記第１のレンズ内に配置されている請求項１のシ ステム。 ３９． 前記インサートに近接して前記概ね対向の面の一方に配置されて、前 記インサートを周囲の光線が通過するのを防ぐ不透明のディスクを備える請求項 １のシステム。 ４０． 前記第１のレンズ内で、前記インサートと前記光学面の一方との間に 配置されている反射要素をさらに備え、前記インターフェースは、前記イメージ ソースからの光線を前記反射要素へ再び向けるように反射し、さらに、前記反射 要素から再反射又は送られる光線を前記対向の面の他方へ送るように透過性であ り、これによって、ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する請求項１ のシステム。 ４１． 前記反射要素は、カーブしていて、前記反射要素からの反射光線の両 眼転導を改めるようになっている請求項４０のシステム。 ４２． 前記インサートは、ハーフシルバーめっきされたミラー又はビームス プリッターキューブからなる請求項４０のシステム。 ４３． 前記インサートが偏光ビームスプリッターからなり、偏光ローテータ ーが前記反射要素と前記インサートとの間に配置されている請求項４０のシステ ム。 ４４． 前記インターフェースに光学コーティングをさらに備える請求項４０ のシステム。 ４５． 前記反射要素に光学コーティングをさらに備える請求項４０のシステ ム。 ４６． 前記第１のレンズ内で、前記インサートに近接して配置されている反 射要素をさらに備え、前記インターフェースは、前記イメージソースからの光線 を透過し、前記反射要素からの光線を反射して、前記対向の面の一方へ光線を再 び向け、これによって、ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する請求 項１のシステム。 ４７． 前記反射要素は、カーブしていて、前記反射要素からの反射光線の両 眼転導を改めるようになっている請求項４６のシステム。 ４８． 前記インサートは、ハーフシルバーめっきされたミラー又はビームス プリッターキューブからなる請求項４８のシステム。 ４９． 前記インサートが偏光ビームスプリッターからなり、偏光ローテータ ーが前記反射要素と前記インサートとの間に配置されている請求項４８のシステ ム。 ５０． 前記インターフェースに光学コーティングをさらに備える請求項４６ のシステム。 ５１． 前記反射要素に光学コーティングをさらに備える請求項４６のシステ ム。 ５２． 光学的に前記レンズシステムと通じているビームスキャニングアッセ ンブリーをさらに備える請求項１のシステム。 ５３． 前記インサートが前記光路の光をユーザーの目への代替光路へ再び向 けて、視界を広くするように配置された二対のインターフェースを備える請求項 １のシステム。 ５４． 前記第１のレンズの光学面の少なくとも一方にユーザーの視力を補正 すうように予め選択された曲率が設けられている請求項１のシステム。 ５５． 前記光路の別の部分の光線を前記光路の一部に再び向ける別のインタ ーフェースをさらに備える請求項１のシステム。 ５６． 前記光路のさらなる部分がイメージリレイからなる請求項１のシステ ム。 ５７． 前記イメージリレイがレンズリレイからなる請求項１のシステム。 ５８． 前記イメージリレイがコーヒレントのオプティカルファイバーバンド ルからなる請求項５６のシステム。 ５９． 前記イメージリレイが屈折率分布型レンズイメージ導管からなる請求 項５６のシステム。 ６０． 前記イメージリレイと前記レンズシステムとに調節可能なマウントを 取り付けて、前記光路の別のさらなる部分を前記光路の部分に結合した請求項５ ６のシステム。 ６１． 前記調節可能なマウントは、前記支持フレームに取り付けられた第１ のチューブと、前記イメージリレイの端部に摩擦係合して前記第１のチューブ内 にスライド自由に受けられている第２のチューブとを備え、これによって、前記 光路の別の部分が前記光路の部分に対し調節可能になっている請求項６０のシス テム。 ６２． 前記調節可能なマウントは、前記支持フレームに取り付けられる内部 にねじがきってあるチューブと、前記イメージリレイの端部に取り付けられ、前 記内部にねじがきってあるチューブに螺合される外部にねじがきってあるチュー ブとを備え、これによって、前記光路の別の部分が前記光路の部分に対し調節可 能になっている請求項６０のシステム。 ６３． 前記イメージリレイは、出口端部を含み、該出口端部に近接して別の レンズが配置され、予め選択された光学パワーを供給するようになっている請求 項５６のシステム。 ６４． 前記イメージソースは、ユーザーの頭部の背後近くで前記支持フレー ムにより支持されている請求項１のシステム。 ６５． 前記イメージソースは、フラットパネル・アクティブマトリックス・ エレクトロルミネッセントディスプレイからなる請求項６４のシステム。 ６６． 前記イメージソースは、液晶ディスプレイからなる請求項６４のシス テム。 ６７． 前記インサートは、前記液晶ディスプレイのアナライザーとして機能 するように配置された偏光ビームスプリッターからなる請求項６６のシステム。 ６８． 前記第１のレンズ内に配置されて、前記イメージソースからユーザー の目へ前記光路の部分にそって光線を再び向ける偏光ビームスプリッターをさら に備え、前記ビームスプリッターは、前記液晶ディスプレイのアナライザーとし て機能するようにさらに配置された請求項６６のシステム。 ６９． 前記イメージソースは、フラットパネル・フィールドエミッションデ ィスプレイからなる請求項６４のシステム。 ７０． 前記イメージソースは、陰極線管からなる請求項６４のシステム。 ７１． 前記イメージソースは、発光ダイオードアレイからなる請求項６４の システム。 ７２． 前記イメージソースは、前記別の光路の入り口端部から異なる距離に 位置する多重ディスプレイからなる請求項６４のシステム。 ７３． 前記イメージソースと前記光路の別の部分との間のファイバーオプテ ィックテーパー部が前記イメージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の 部分にマッチさせるようになっている請求項６４のシステム． ７４． 前記イメージソースと前記光路の別の部分との間に付加のレンズシス テムをさらに備え、前記イメージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の 部分にマッチさせるようになっている請求項６４のシステム． ７５． 前記付加のレンズシステムがハウジング内に装着され、該ハウジング は、前記イメージソース、前記光路の別の部分及び前記レンズシステムの相対位 置を調節して、イメージのフォーカッシングを行うように調節可能である請求項 １のシステム。 ７６． 前記光路の別の部分は、少なくとも一つのミラーを含み、これで前記 別の部分を折り曲げ可能にした請求項１のシステム。 ７７． 前記光路の部分に沿って第１のレンズ内に配置された対眼レンズと、 前記光路の別の部分に沿って配置された対物レンズとを含み、前記対眼レンズと 対物レンズの光学パワー及び位置が所望の焦点、拡大度合い及びコリメーション ディスタンスを得られるように予め選択さている請求項１のシステム。 ７８． 前記別のインターフェースは、ミラー又はプリズムである請求項５５ のシステム。 ７９． 前記光路の別の部分に配置されていて、視界を広めるようになってい る光学要素をさらに含む請求項１のシステム。 ８０． 前記光学要素が拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ、ファイバー オプティック・フェースプレート又は回析光学要素からなる請求項７９のシステ ム。 ８１． 前記光学要素が一方の面又は両面における曲率が前記イメージのフィ ールド平坦性を改良するように予め選択されているファイバーオプティック・フ ェースプレートからなる請求項７９のシステム。 ８２． 前記光路にそってユーザーの目から戻る光線を受けるように位置して いるセンサーをさらに備える請求項１のシステム。 ８３． ユーザーの周囲をとりまくものからの光線を受けるように位置してい るセンサーをさらに備える請求項１のシステム。 ８４． 前記支持フレームは、眼鏡からなる請求項１のシステム。 ８５． 前記支持フレームは、フェースマスクである請求項１のシステム。 ８６． 前記支持フレームは、ダイバーのマスク、消防士の面覆い、宇宙飛行 士の宇宙服マスク又は危険物ボディスーツのフェースマスクからなる請求項１の システム。 ８７． コンピュータ回路が前記支持フレームに取り付けられ、前記イメー ジソースと通じていて、前記イメージソースが前記支持フレームのエッジに装着 されている請求項１のシステム。 ８８． 前記コンピュータ回路と前記イメージソースとを隠すように配置され たハウジングをさらに備える請求項８７のシステム。 ８９． 以下の構成を備える頭部装着イメージコンバイニングシステム： ユーザーの頭部に支えられる輪郭になっている一対のレンズホルダー と一対のテンプルとを有する眼鏡フレーム； 前記眼鏡フレームに取り付けられたイメージソース； ユーザーの一方の目の前で前記対になっているレンズホルダーの一方 に眼鏡フレームで支持されている以下の構成のメインレンズ； 周囲の光線が前記メインレンズを介して概ね対向の面を通過す るように構成されている二つの光学面； 前記メインレンズ内に埋設されて、前記メインレンズを介して 前記二つの光学面に前記イメージソースから光線を向けるプリズム； 及び 前記プリズムからユーザーの目へ光線を向ける位置で前記メイ ンレンズに埋設のビームスプリッティングキューブ；及び ユーザーの他方の目の前で対のレンズホルダーの他方に前記眼鏡フレ ームにより支持されている第２のレンズシステム。 ９０． 前記ビームスプリッティングキューブが偏光する請求項８９のシステ ム。 ９１． 前記イメージソースがアクティブマトリックス液晶ディスプレイから なる請求項８９のシステム。 ９２． 前記アクティブマトリックス液晶ディスプレイを照らすように配置さ れているバックライトをさらに備える請求項９１のシステム。 ９３． 前記メインレンズは、前記ビームスプリッティングキューブとユーザ ーの目との間に配置されて、正のパワーを有するレンズと、前記ビームスプリッ ティングキューブと周囲の光景との間に配置されて、負のパワーを有するレンズ とを備える請求項８９のシステム。 ９４． 前記対のテンプルの一方に取り付けられたハウジングをさらに備えて おり、前記イメージソースが前記ハウジング内に配置されている請求項８９のシ ステム。 ９５． 前記メインレンズは、モールディング、キャスティング又はマシニン グにより一体成形されている請求項８９のシステム。 ９６． 一対のレンズホルダーの一方にイメージソースを収納するようになっ ている眼鏡フレーム用のレンンズシステムであり、以下を備える該レンズシステ ム： ユーザーの目の前で、一対のレンズホルダーの一方における眼鏡フレ ームにより支持されるメインレンズであって、以下を備える該メインレンズ； 二つの光学面であり、前記メインレンズにより周囲の光が通過 するように構成されている前記二つの光学面； 前記メインレンズの内部に内部配置されていて、周囲の光から セパレートされているイメージソースから光を受け、少なくとも一部 が前記光学面にそい、かつ、それらの間にある光路； 前記ユーザーの目へ前記光路の一部から光を投射する位置で前記メイ ンレンズ内に埋設され、前記光路の一部における光が透過するインターフェース を含む第１のインサート； 前記第１のインサートに近接して前記メインレンズ内に埋設されてい る反射要素であって、前記インターフェースが前記反射要素からの光を反射して 前記光学面の一方に再投射し、これによりユーザーが空間にヴァーチャルイメー ジを知覚するようになる前記反射要素；及び 前記メインレンズ内に埋設されていて、前記イメージソースから前記 二つの光学面の間の光路の部分へ光を投射するようになっている第２のインサー ト。 ９７． 前記第１のインサートが半透過ミラー、ビームスプリッターキューブ 、偏光ビームスプリッター又は全反射ミラーからなる請求項９８のレンズシステ ム。 ９８． 前記複数のインターフェースに光学コーティングをさらに備える請求 項９６のレンズシステム。 ９９． 前記インターフェースは、偏光ビームスプリッターからなり、前記メ インレンズは、前記インターフェースと前記反射要素との間に配置された偏光ロ ーテーターをさらに含む請求項９６のレンズシステム。 １００． 前記反射要素は、前記反射要素から反射された光線のヴァージェンス （傾き、vergence）を変えるようにカーブしている請求項９６のレンズシステム 。 １０１． 前記反射要素が光学コーティングをさらに備える請求項９６のレンズ システム。 １０２． 前記第２のインサートが前記光路の一部に光線を再投射する向きにな っているさらなるインサートを備える請求項９６のレンズシステム。 １０３． 前記第２のインサートが偏光ビームスプリッター、ミラー又はプリズ ムである請求項９６のレンズシステム。 １０４． 以下を備える眼鏡： ユーザーの目の前で一対のレンズを保持するように形成されたホルダ ー； 前記ホルダーに取り付けられ、各々がユーザーの耳にかけられるよう に形成されている一対のテンプル； 前記テンプルの一方に取り付けられているハウジング；及び 前記ハウジングに支持され、イメージソースからのイメージを前記ホ ルダーの一対のレンズの一方内に支持されたレンズシステムに向け前記ホルダー における一対のレンズの一方へ直接送るように機能する光路。 １０５． 前記光路は、イメージリレイを含む請求項１０４の眼鏡フレーム。 １０６． 前記イメージリレイは、レンズリレイ、コヒーレントオプティカルフ ァイバーバンドル又は屈折率分布型レンズイメージ導管からなる請求項１０５の 眼鏡フレーム。 １０７． 前記ハウジングが焦点調節できるように調節可能である請求項１０５ の眼鏡フレーム。 １０８． 以下を備える頭部装着イメージコンバイニングシステム： 一対のレンズホルダーと、ユーザーの頭部に支持されるように形成さ れている一対のテンプルとを有する眼鏡フレーム； 前記眼鏡へ取り付けられるイメージソースからの光路； ユーザーの目の前に前記一対のレンズホルダーの一方において前記眼 鏡フレームにより支持されるメインレンズで、以下を備えるメインレンズ； 二つの光学面で、該二つの光学面を介して前記メインレンズに より周囲の光を通過させるようになっている二つの光学面； 前記メインレンズ内に埋設されていて、前記メインレンズを介 して前記イメージソースからの前記光路の光を前記二つの光学面の間 に向けるインサート； 前記メインレンズ内に埋設されて、前記インサートからの光を ユーザーの目へ投射する位置にある別のインサートであり、このイン サートは、前記インサートからの光を透過するインターフェースを含 むものであり； 前記別のインサートに近接して前記メインレンズに埋設された 反射要素で、前記インターフェースは、さらに前記反射要素からの光 を反射して、前記光学面の一方へ光を再投射し、これによって、ユー ザーが空間におけるヴァーチュアルイメージを知覚するもの；及び ユーザーの目の前で前記一対のレンズホルダーの他方において、前記 眼鏡フレームにより支持されている第２のレンズシステム。 １０９． 前記別のインサートは、部分透過ミラー、ビームスプリッターキュー ブ、偏光ビームスプリッターまたは全反射ミラーからなる請求項１０８のシステ ム。 １１０． 前記インターフェースは、偏光ビームスプリッターからなり、前記メ インレンズは、前記インターフェースと前記反射要素との間に配置された偏光ロ ーテーターをさらに含む請求項１０８のシステム。 １１１． 前記反射要素は、前記反射要素から反射された光のヴァージェンス（ 傾き、vergence）を変えるようにカーブしている請求項１０８のシステム。 １１２． 前記インサートは、全反射ミラーからなる請求項１のシステム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ユーザーの目と共に使用するイメージコンバイニング・レンズシステ ムであり、以下の構成を備える該レンズシステム： 周囲の光線を第１のレンズを介して概ね対向する面に通すように構成 された概ね対向する面をもつ少なくとも第１のレンズ； 第１のレンズの内部に配置されて前記周囲の光線から分かれているイ メージソースから光線を受ける光路であって、少なくとも一部が前記概ね対向の 面にそい、そして、それらの間に配置されている光路；及び 前記第１のレンズの内部に配置されていて、前記第１のレンズからユ ーザーの目へ前記光路の一部の光線を再び向けるインターフェースを備えるイン サート。 ２． 前記インサートは、屈折率を異にし、前記インサートにより分けられ ている二つのマテリアルズからなる請求項１のシステム。 ３． 前記インターフェースは、前記二つのマテリアルズの間にエアーギャ ップを備える請求項２のシステム。 ４． 前記インサートはビームコンバイナーからなる請求項１のシステム。 ５． 前記ビームコンバイナーは、リバースされたビームスプリッターから なる請求項４のシステム。 ６． 前記インサートは、偏光ビームスプリッターからなる請求項１のシス テム。 ７． 前記インターフェースは、全部が内部反射する請求項１のシステム。 ８． 前記インサートは、半透過ミラーからなる請求項１のシステム。 ９． 前記インターフェースは、平らである請求項１のシステム。 １０． 前記インターフェースは、カーブしていて、予め選んだ光学パワー提 供する請求項１のシステム。 １１． 見ようとするイメージを正しく位置させるために予め選択された角度 で前記インターフェースが配置されている請求項１のシステム。 １２． 前記インターフェースは、光路をスプリットする干渉コーティングを 含む請求項１のシステム。 １３． 前記インサートは、ホログラフィコンバイナーからなる請求項１のシ ステム。 １４． 前記レンズシステムは、さらに、前記インターフェースとユーザーの 目との間の光路に配置された第２のレンズを備え、予め選択された拡大を行う請 求項１のシステム。 １５． 前記第２のレンズは、前記インサートからエアーギャップを介し離れ ている請求項１４のシステム。 １６． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズと一体になっている請求項１ ４のシステム。 １７． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズに接着している請求項１４の システム。 １８． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズにモールドされている請求項 １４のシステム。 １９． 前記第２のレンズは、色収差を補正したレンズである請求項１４のシ ステム。 ２０． 付加のレンズを備え、此のレンズは、前記インサートと、前記付加の レンズを通る周囲の光線の一部との間にあって、前記周囲の光線が所望の拡大倍 率をもつように前記第２のレンズの光学パワーに対抗するように予め選択された 光学パワーをもつ請求項１４のシステム。 ２１． 前記レンズシステムは、さらに、前記インターフェースとイメージソ ースとの間の光路に配置され、所望の拡大倍率になるように予め選択されている 第２のレンズを備える請求項１のシステム。 ２２． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズからエアーギャップを介して 離れている請求項２０のシステム。 ２３． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズと一体になっている請求項２ ０のシステム。 ２４． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズに接着している請求項２０の システム。 ２５． 前記第２のレンズは、前記第１のレンズにモールドされている請求項 ２０のシステム。 ２６． 前記第２のレンズは、色収差を補正したレンズである請求項２０のシ ステム。 ２７． 前記レンズシステムは、前記光路に配置され、所望の拡大を行い、レ ンズ収差を思い通りに補正するように予め選択されているさらに別のレンズセッ トを備える請求項１のシステム。 ２８． 別のインサートが前記第１のレンズの内部に配置され、この別のイン サートは、前記インサートとイメージソースとの間に配置されて、前記光路の一 部にそって前記イメージソースからの光線をユーザーの目へ再び向けるようにす る請求項１のシステム。 ２９． 前記別のインターフェースは、全部が内部反射する請求項２８のシス テム。 ３０． 前記別のインサートは、ビームコンバイナーからなる請求項２８のシ ステム。 ３１． 前記別のインサートは、ミラーからなる請求項２８のシステム。 ３２． 前記別のインサートは、周囲の光線で前記イメージソースの照明を助 けるように配置されているビームスプリッターからなる請求項２８のシステム。 ３３． 前記別のインターフェースと前記イメージソースとの間の光路に配置 されて、予め選択された拡大を行う別のレンズを備える請求項２８のシステム。 ３４． 前記インサートと前記イメージソースとの間に配置され、前記光路の 一部にそって前記イメージソースからの光線をユーザーの目へ再び向けるように するミラーを備える請求項２８のシステム。 ３５． 前記ミラーが前記第１のレンズのエッジに取り付けられている請求項 ３４のシステム。 ３６． 前記光路における強烈なビームにより損傷されるように予め選択され た熱伝導性をもつマテリアルの層をさらに含む請求項３４のシステム。 ３７． 前記ミラーは、更に、強烈なビームが前記光路に焦点を結ばないよう に予め選択された熱膨張係数をもつマテリアル層を含む請求項３４のシステム。 ３８． 少なくとも一つの視野レンズが前記インサートと前記イメージソース との間の光路の一部にそって前記第１のレンズ内に配置されている請求項１のシ ステム。 ３９． 前記インサートに近接して前記概ね対向の面の一方に配置されて、前 記インサートを周囲の光線が通過するのを防ぐ不透明のディスクを備える請求項 １のシステム。 ４０． 前記第１のレンズ内で、前記インサートと前記対向の面の一方との間 に配置されている反射要素をさらに備え、前記インターフェースは、前記イメー ジソースからの光線を前記反射要素へ再び向けるように反射し、さらに、前記反 射要素から再反射又は送られる光線を前記対向の面の他方へ送るように透過性で あり、これによって、ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する請求項 １のシステム。 ４１． 前記反射要素は、カーブしていて、前記反射要素からの反射光線の両 眼転導を改めるようになっている請求項４０のシステム。 ４２． 前記インサートは、ハーフシルバーめっきされたミラー又はビームス プリッターキューブからなる請求項４０のシステム。 ４３． 前記インサートが偏光ビームスプリッターからなり、偏光ローテータ ーが前記反射要素と前記インサートとの間に配置されている請求項４０のシステ ム。 ４４． 前記インターフェースに光学コーティングをさらに備える請求項４０ のシステム。 ４５． 前記反射要素に光学コーティングをさらに備える請求項４０のシステ ム。 ４６． 前記第１のレンズ内で、前記インサートに近接して配置されている反 射要素をさらに備え、前記インターフェースは、前記イメージソースからの光線 を透過し、前記反射要素からの光線を反射して、前記対向の面の一方へ光線を再 び向け、これによって、ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する請求 項１のシステム。 ４７． 前記反射要素は、カーブしていて、前記反射要素からの反射光線の両 眼転導を改めるようになっている請求項４６のシステム。 ４８． 前記インサートは、ハーフシルバーめっきされたミラー又はビームス プリッターキューブからなる請求項４６のシステム。 ４９． 前記インサートが偏光ビームスプリッターからなり、偏光ローテータ ーが前記反射要素と前記インサートとの間に配置されている請求項４６のシステ ム。 ５０． 前記インターフェースに光学コーティングをさらに備える請求項４８ のシステム。 ５１． 前記反射要素に光学コーティングをさらに備える請求項４８のシステ ム。 ５２． 光学的に前記レンズシステムと通じているビームスキャニングアッセ ンブリーをさらに備える請求項４６のシステム。 ５３． 前記インサートは、二対のインターフェースを備え、これらは、前記 光路にそってユーザーの目への代替光路に光線を再び向け、視野を広げる請求項 １のシステム。 ５４． 前記第１のレンズには、ユーザーの視界を補正するように予め選択さ れた曲率が付与されている請求項１のシステム。 ５５． 以下の構成を備えるユーザーの頭部に請求項１のレンズシステムを装 着する頭部装着イメージコンバイニングシステム： ユーザーの頭部で支持されるようになっている支持フレーム；及び 前記支持フレームに支持されてユーザーの目の前にある請求項１のレ ンズシステム。 ５６． さらに、前記光路の別の部分を備え、この別の部分は、前記支持フレ ームにより支持され、前記イメージソースから前記レンズシステムの内部に配置 されている光路の一部に光線を向けるように配置されている請求項５５のシステ ム。 ５７． 前記光路の別の部分の光線を前記光路の一部に再び向ける別のインタ ーフェースをさらに備える請求項５６のシステム。 ５８． 前記光路のさらなる部分がイメージリレイからなる請求項５６のシス テム。 ５９． 前記イメージリレイがレンズリレイからなる請求項５８のシステム。 ６０． 前記イメージリレイがコヒーレントのオプティカルファイバーバンド ルからなる請求項５８のシステム。 ６１． 前記イメージリレイが屈折率分布型レンズイメージ導管からなる請求 項５８のシステム。 ６２． 前記イメージリレイと前記レンズシステムとに調節可能なマウントを 取り付けて、前記光路の別のさらなる部分を前記光路の部分に結合した請求項５ ８のシステム。 ６３． 前記調節可能なマウントは、前記支持フレームに取り付けられた第１ のチューブと、前記イメージリレイの端部に摩擦係合して前記第１のチューブ内 にスライド自由に受けられている第２のチューブとを備え、これによって、前記 光路の別の部分が前記光路の部分に対し調節可能になっている請求項６２のシス テム。 ６４． 前記調節可能なマウントは、前記支持フレームに取り付けられる内部 にねじがきってあるチューブと、前記イメージリレイの端部に取り付けられ、前 記内部にねじがきってあるチューブに螺合される外部にねじがきってあるチュー ブとを備え、これによって、前記光路の別の部分が前記光路の部分に対し調節可 能になっている請求項６２のシステム。 ６５． 前記イメージリレイは、出口端部を含み、該出口端部に近接して別の レンズが配置され、予め選択された光学パワーを供給するようになっている請求 項５８のシステム。 ６６． 前記イメージソースは、ユーザーの頭部の背後近くで前記支持フレー ムにより支持されている請求項５５のシステム。 ６７． 前記イメージソースは、フラットパネル・アクティブマトリックス・ エレクトロルミネッセントディスプレイからなる請求項６６のシステム。 ６８． 前記イメージソースは、液晶ディスプレイからなる請求項６６のシス テム。 ６９． 前記インサートは、前記液晶ディスプレイのアナライザーとして機能 するように配置された偏光ビームスプリッターからなる請求項６８のシステム。 ７０． 前記第１のレンズ内に配置されて、前記イメージソースからユーザー の目へ前記光路の部分にそって光線を再び向ける偏光ビームスプリッターをさら に備え、前記ビームスプリッターは、前記液晶ディスプレイのアナライザーとし て機能するようにさらに配置された請求項６８のシステム。 ７１． 前記イメージソースは、フラットパネル・フィールドエミッションデ ィスプレイからなる請求項６６のシステム。 ７２． 前記イメージソースは、陰極線管からなる請求項６６のシステム。 ７３． 前記イメージソースは、発光ダイオードアレイからなる請求項６６の システム。 ７４． 前記イメージソースは、前記別の光路の入り口端部から異なる距離に 位置する多重ディスプレイからなる請求項６６のシステム。 ７５． 前記イメージソースと前記光路の別の部分との間のファイバーオプテ ィックテーパー部が前記イメージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の 部分にマッチさせるようになっている請求項６６のシステム． ７６． 前記イメージソースと前記光路の別の部分との間に付加のレンズシス テムをさらに備え、前記イメージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の 部分にマッチさせるようになっている請求項６６のシステム． ７７． 前記付加のレンズシステムがハウジング内に装着され、該ハウジング は、前記イメージソース、前記光路の別の部分及び前記レンズシステムの相対位 置を調節して、イメージのフォーカッシングを行うように調節可能である請求項 ５６のシステム。 ７８． 前記光路の別の部分は、少なくとも一つのミラーを含み、これで前記 別の部分を折り曲げ可能にした請求項５６のシステム。 ７９． 前記光路の部分に沿って第１のレンズ内に配置された対眼レンズと、 前記光路の別の部分に沿って配置された対物レンズとを含み、前記対眼レンズと 対物レンズの光学パワー及び位置が所望の焦点、拡大度合い及びコリメーション ディスタンスを得られるように予め選択さている請求項５６のシステム。 ８０． 前記別のインターフェースは、ミラー又はプリズムである請求項５７ のシステム。 ８１． 前記光路の別の部分に配置されていて、視界を広めるようになってい る光学要素をさらに含む請求項５６のシステム。 ８２． 前記光学要素が拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ、ファイバー オプティック・フェースプレート又は回析光学要素からなる請求項８１のシステ ム。 ８３． 前記光学要素が一方の面又は両面における曲率が前記イメージのフィ ールド平坦性を改良するように予め選択されているファイバーオプティック・フ ェースプレートからなる請求項８１のシステム。 ８４． 前記光路にそってユーザーの目から戻る光線を受けるように位置して いるセンサーをさらに備える請求項５５のシステム。 ８５． ユーザーの周囲をとりまくものからの光線を受けるように位置してい るセンサーをさらに備える請求項５５のシステム。 ８６． 前記支持フレームは、眼鏡からなる請求項５５のシステム。 ８７． 前記支持フレームは、フェースマスクである請求項５５のシステム。 ８８． 前記支持フレームは、ダイバーのマスク、消防士の面覆い、宇宙飛行 士の宇宙服マスク又は危険物ボディスーツのフェースマスクからなる請求項５５ のシステム。 ８９． コンピュータ回路が前記支持フレームに取り付けられ、前記イメージ ソースと通じていて、前記イメージソースが前記支持フレームのエッジに装着さ れている請求項５５のシステム。 ９０． 前記コンピュータ回路と前記イメージソースとを隠すように配置され たハウジングをさらに備える請求項８９のシステム。 ９１． 以下の構成を備える頭部装着イメージコンバイニングシステム： ユーザーの頭部に支えられる輪郭になっている一対のレンズホルダー と一対のテンプルとを有する眼鏡フレーム； 前記眼鏡フレームに取り付けられたイメージソース； ユーザーの一方の目の前で前記対になっているレンズホルダーの一方 に眼鏡フレームで支持されている以下の構成のメインレンズ； 周囲の光線が前記メインレンズを介して概ね対向の面を通過す るように構成されている概ね対向の面； 前記メインレンズ内に埋設されて、前記メインレンズを介して 概ね対向の面の間に前記イメージソースから光線を向けるプリズム； 前記プリズムからユーザーの目へ光線を向ける位置で前記メイ ンレンズに埋設のビームスプリッティングキューブ；及び ユーザーの他方の目の前で対のレンズホルダーの他方に前記眼鏡フレ ームにより支持されている第２のレンズ。 ９２． 前記ビームスプリッティングキューブが偏光する請求項９１のシステ ム。 ９３． 前記イメージソースがアクティブマトリックス液晶ディスプレイから なる請求項９１のシステム。 ９４． 前記アクティブマトリックス液晶ディスプレイを照らすように配置さ れているバックライトをさらに備える請求項９３のシステム。 ９５． 前記メインレンズは、前記ビームスプリッティングキューブとユーザ ーの目との間に配置されて、正のパワーを有するレンズと、前記ビームスプリッ ティングキューブと周囲の光景との間に配置されて、負のパワーを有するレンズ とを備える請求項９１のシステム。 ９６． 前記対のテンプルの一方に取り付けられたハウジングをさらに備えて おり、前記イメージソースが前記ハウジング内に配置されている請求項９１のシ ステム。 ９７． 前記メインレンズは、モールディング、キャスティング又はマシニン グにより一体成形されている請求項９１のシステム。