JP2008511874A - 傾斜/偏心レンズ素子を有する小形ヘッド取付け表示装置 - Google Patents
傾斜/偏心レンズ素子を有する小形ヘッド取付け表示装置 Download PDFInfo
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Abstract
本発明の一実施態様は、簡素化され、軽量の頭部装着ディスプレイを有し、この頭部装着ディスプレイは、軸外しコンバイナと、光路を形成する結像光学系と、を有している。結像光学系は、光路内の複数のレンズを有するレンズ群を有している。レンズ群は第1の光軸を有している。複数のレンズの各々は第1の光軸と同一直線上にある光軸を有している。結像光学系は、第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する単一のレンズ素子を光路内にさらに有している。単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、レンズ群とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である。
Description
関連出願
本出願は、2005年5月3日に出願され、"Simple Helmet Mounted Display With Plastic Element"という名称を有する米国特許出願第60/677,666号(整理番号ORTRES.053PR)に対する優先権を主張する、2005年5月3日に出願され、"Head Mount Display Device"という名称を有する米国特許出願第11/134,841号(整理番号OPTRES.053A)の一部継続出願である。これらの米国特許出願はどちらも、引用によって本明細書に全体的に組み込まれ、本出願は、2004年9月1日に出願され、"Compact Head and Helmet Mounted Display"という名称を有し、やはり引用によって本明細書に全体的に組み込まれる米国特許仮出願第60/606,210号(整理番号OPTRES.046PR)に対する優先権を主張する。
本出願は、2005年5月3日に出願され、"Simple Helmet Mounted Display With Plastic Element"という名称を有する米国特許出願第60/677,666号(整理番号ORTRES.053PR)に対する優先権を主張する、2005年5月3日に出願され、"Head Mount Display Device"という名称を有する米国特許出願第11/134,841号(整理番号OPTRES.053A)の一部継続出願である。これらの米国特許出願はどちらも、引用によって本明細書に全体的に組み込まれ、本出願は、2004年9月1日に出願され、"Compact Head and Helmet Mounted Display"という名称を有し、やはり引用によって本明細書に全体的に組み込まれる米国特許仮出願第60/606,210号(整理番号OPTRES.046PR)に対する優先権を主張する。
さらに、本出願は、2004年5月24日に出願され、"Beamsplitting structures and methods in optical systems"という名称を有する米国特許出願第10/852,728号(整理番号OPTRES.022A1)、2004年5月24日に出願され、"Apparatus and methods for illuminating optical systems"という名称を有する米国特許出願第10/852,679号(整理番号OPTRES.022A2)、2004年5月24日に出願され、"Light distribution apparatus and methods for illuminating optical systems"という名称を有する米国特許出願第10/852,669号(整理番号OPTRES.022A3)、および2004年5月24日に出願され、"Optical combiner designs and head mounted displays "という名称を有する米国特許出願第10/852,727号(整理番号OPTRES.023A)も引用によって全体的に組み込んでいる。
背景
発明の分野
本発明は、例えば、頭部装着ディスプレイ、ヘルメット装着ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイなどのディスプレイおよび投射システムに用いることのできるディスプレイおよび方法に関する。
発明の分野
本発明は、例えば、頭部装着ディスプレイ、ヘルメット装着ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイなどのディスプレイおよび投射システムに用いることのできるディスプレイおよび方法に関する。
関連技術の説明
情報を提示し画像を表示する光学装置はユビキタスである。このような光学装置の例には、コンピュータ画面、プロジェクタ、テレビジョンなどが含まれる。フロントプロジェクタは一般にプレゼンテーションに用いられている。フラットパネルディスプレイは、コンピュータ、テレビジョン、およびポータブルDVDプレーヤに用いられ、場合によっては写真および芸術作品を表示するために用いられている。背面投射TVも家庭に普及している。携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルアシスタント、および電子ゲームは、ディスプレイを含むハンドヘルド装置の他の例である。データが例えば自動車のフロントガラスや航空機のコックピットに投射されるヘッドアップディスプレイもますます普及している。ヘルメット装着ディスプレイも、装着者の顔の前方のバイザまたは他のめがね上に重ね合わせられた重要情報を表示するために軍隊で用いられている。この特定の構成によって、観察者は、場合によっては空中または地上の戦場である周囲の環境から注意をそらさずに表示された情報を容易に見ることができる。他の用途では、頭部装着ディスプレイは、観察者の顔の前方に位置する表示装置上にグラフィクスを表示することによってバーチャルリアリティを実現する。このようなバーチャルリアリティ機器は、娯楽、教育などで用いることができる。バーチャルリアリティは、高度なゲームだけでなく、パイロット、医師、運動選手、10代のドライバーの訓練を助けることができる。
情報を提示し画像を表示する光学装置はユビキタスである。このような光学装置の例には、コンピュータ画面、プロジェクタ、テレビジョンなどが含まれる。フロントプロジェクタは一般にプレゼンテーションに用いられている。フラットパネルディスプレイは、コンピュータ、テレビジョン、およびポータブルDVDプレーヤに用いられ、場合によっては写真および芸術作品を表示するために用いられている。背面投射TVも家庭に普及している。携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルアシスタント、および電子ゲームは、ディスプレイを含むハンドヘルド装置の他の例である。データが例えば自動車のフロントガラスや航空機のコックピットに投射されるヘッドアップディスプレイもますます普及している。ヘルメット装着ディスプレイも、装着者の顔の前方のバイザまたは他のめがね上に重ね合わせられた重要情報を表示するために軍隊で用いられている。この特定の構成によって、観察者は、場合によっては空中または地上の戦場である周囲の環境から注意をそらさずに表示された情報を容易に見ることができる。他の用途では、頭部装着ディスプレイは、観察者の顔の前方に位置する表示装置上にグラフィクスを表示することによってバーチャルリアリティを実現する。このようなバーチャルリアリティ機器は、娯楽、教育などで用いることができる。バーチャルリアリティは、高度なゲームだけでなく、パイロット、医師、運動選手、10代のドライバーの訓練を助けることができる。
これらの様々な表示装置および投射装置は、小形で軽量で手ごろな価格であることが好ましい。光学系には多数の構成部材が含まれるため、製品は、多くの用途に望まれるよりも大形で、重く、かつ高価になる。しかしながら、そのような光学装置は、十分な明るさを有し、好ましくは、広い視野にわたって高品質の画像を表示して明確なテキストまたはグラフィック画像を観察者に示すと考えられる。例えば、ヘルメット装着ディスプレイや他の広範囲の頭部装着ディスプレイの場合、ディスプレイは、様々な頭部位置に適合し視線を変化させることが好ましい。投射TVの場合、観察者が画面に対して広範囲の位置から明るく明確な画像を見ることができるように視野が広がることが望ましい。
したがって、軽量で小形で高品質の光学系を手ごろな価格で製造するための照明・結像光学系が必要である。
米国特許第5,499,139号明細書
概要
ここで、様々な実施態様について説明する。本発明の一実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置において、光路を形成する結像光学系であって、光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、複数のレンズの各々が第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群、および第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、光路内の軸外しコンバイナとを有し、単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ単一のレンズ素子は、第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、レンズ群とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
ここで、様々な実施態様について説明する。本発明の一実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置において、光路を形成する結像光学系であって、光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、複数のレンズの各々が第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群、および第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、光路内の軸外しコンバイナとを有し、単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ単一のレンズ素子は、第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、レンズ群とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着表示装置において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、複数のレンズの各々が第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群、および第1の光軸とは異なる第2の光軸を有し、正の光パワーを有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、結像光学系内の単一のレンズ素子が、第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、画像形成装置とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着表示装置を有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置において、光路を形成する結像光学系であって、第1の光軸を有する光路内の単一の第1のレンズ素子、および第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する光路内の単一の第2のレンズ素子を有する結像光学系と、光路内の軸外しコンバイナとを有し、単一の第2のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ単一の第2のレンズ素子は、第1のレンズ素子とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着表示装置において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、第1の光軸を有する光路内の第1の単一のレンズ素子、および第1の光軸とは異なる第2の光軸を有し、正の光パワーを有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、結像光学系内の単一のレンズ素子が、第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、画像形成装置とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着表示装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外し反射器と、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、画像形成装置と軸外し反射器との間の光路内に2枚以下のレンズが含まれる頭部装着ディスプレイを有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置であって、光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、光路内の軸外し反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持体とを有し、光路内に2枚以下のレンズが含まれ、かつ光パワーを有する反射器が含まれない頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装置ディスプレイ用の装置であって、光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する光路内の反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持構造とを有し、2つの非球面反射光学面を有するレンズのみが光路内に含まれる頭部装置ディスプレイ用の装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、人の目の中に画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、第1および第2の軸の周りで回転対称な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器から光を目の中に反射して目の中に画像を形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外し反射器とを有し、画像形成装置と軸外し反射器との間の光路内に2枚以下のレンズが含まれる光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する装置であって、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、光路内の軸外し反射コンバイナと、結像光学系および軸外し反射コンバイナが固定された支持構造とを有し、光路内に2枚以下のレンズが存在し、光パワーを有する反射器は存在しない装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を形成する装置であって、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、非球面コンバイナを有する光路内の反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持構造とを有し、2つの非球面屈折光学面を有するレンズのみが光路内に存在する装置を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を生成することと、2枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成され、互いに対して傾斜している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第1および第2の軸の周りで回転対称な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素から光を集光することと、軸外し反射器から光を反射して画像を形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイであって、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、2枚以下のレンズを有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取り、2枚以下のレンズを有し、かつ光パワーを有する反射器を有さない結像光学系を有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取り、2枚の非球面屈折光学面を有するレンズのみを有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイの着用者の目の中に画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を形成することと、2枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を着用者の目の中に形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイの着用者の目の中に画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を形成することと、2枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を着用者の目の中に形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜した第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、人の目の中に画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第1および第2の軸の周りで回転対称な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器からの光を目の中に反射して目の中に画像を形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、2枚以下のレンズを有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置上に形成された画像を表示する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成され、2枚以下のレンズを有し、かつ光パワーを有する反射器を有さない結像光学系と、軸外し反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、空間光変調器から光を受け取り、2枚の非球面屈折光学面を有するレンズのみを有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、空間光変調器から光を受け取り、2枚の非球面屈折光学面を有するレンズのみを有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を生成することと、2枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を形成することとを含む方法を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナとを光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜した第1および第2の軸の周りで回転対称な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第1および第2の軸の周りで回転対称な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器から光を反射して画像を形成することとを含む方法を有する。
グラフィクまたは他の視覚的情報を観察者に提示するために、画像および/または記号、例えば、テキストや数字を、画面上に投射するか、または観察者の目の中に向けることができる。図1は、(目で表されている)観察者12の前方に配置されたディスプレイ10を模式的に示している。好ましい実施態様では、このディスプレイ10は、ライト、すなわち光線16によって照明され、結像または投射光学系18によって結像される空間光変調器14を含んでいる。空間光変調器14は、反射型液晶ディスプレイのような反射型偏光変調器を有していてよい。この液晶空間光変調器は、各液晶セルを、文字および/または画像を含む高解像度パターンを生成するために信号、例えばアナログ信号またはデジタル信号によって個別に作動させることができる液晶セルのアレイを有するのが好ましい。より一般的には、空間光変調器は、光を変調するように選択的に調整することができる変調器または画素のアレイを有していてよい。投射光学系18は、例えば、画像を無限遠(または比較的長距離)に投射することができ、または目を介して網膜上に結像することができる視覚画像を形成することができる。このようなディスプレイは、例えば、テレビジョンや頭部装着ディスプレイに用いることができる。
LCDの空間光変調器14を照明するために、ビームスプリッタ20がLCDの前方に配置されている。ビームスプリッタ20は、ビームスプリッタの側面24を通して導入された光線16をLCD14の方へ反射する反射面22を有している。LCD14からの反射は、別の経路を通って反射面22を通過し、ビームスプリッタ20の前面26から出る。結像光学系18は、ビームスプリッタ20からの光を受け取り、好ましくは、LCDディスプレイ14によって生成されたパターンを観察者12の目の網膜上に結像する。
ビームスプリッタ20の側面24に入射する光が偏光であり、ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタを有するのが好ましい。このような場合、反射面22は、1つの偏光状態の光を反射し、他の偏光状態の光を透過させる偏光依存反射面を有するのが好ましい。LCDの空間光変調器14内のセルは、例えば、セルに入射した光の偏光を選択的に回転させるものであってもよい。したがって、LCDセルの状態によって、偏光をセルによって回転させるかどうかに基づいて、そのセルに入射した光を、第2の経路を通してビームスプリッタ20の反射面を透過させるかどうかを決定することができる。他の種類の液晶空間光変調器を用いることもできる。
同様の種類の光学装置30の斜視図が図2に示されている。この光学装置30は、投射レンズ18を含んでいてよく、空間光変調器14の実画像をスクリーン31上に投射するプロジェクタとして用いられてよい。ビームスプリッタ20は、偏光ビーム分割プリズムのようなプリズムを有していてよく、ある好ましい実施形態では、ビームスプリッタは、当該技術分野でよく知られているように偏光を区別するコーティング層の積層体を有する多層被覆ビーム分割プリズムを有していてよい。約45度の角度に傾斜した表面上に多層コーティングを有する、図1に示されているような立方体を有する複数のマックニール型偏光立方体を用いることができるが、視野が、多層の働きの、入射角に対する依存性によって制限されることがある。マックニールビーム分割立方体に用いられている在来の多層コーティングの代わりに、コーティング層が、入射角ではなく材料軸に基づいて偏光を分離する複数の複屈折層を有する場合、f/1より高速のビームの性能を有効に得ることができる。このような複屈折多層は、ミネソタ州セントポールの3Mから入手することができる。
他のビームスプリッタ20を用いることもできる。光を2つの偏光状態に分離する幾つかの他の偏光ビームスプリッタの例には、結晶偏光子およびプレート偏光子が含まれる。有利なことに、結晶偏光子は比較的高い吸光率を有しているが、結晶偏光子は、重量が重く、比較的効果であり、より大きいFナンバー(F/#)を有する比較的低速のビームに対して非常に良好に作用する。画質は、主として、1つの偏光で他よりも良好である。プレート偏光子は、立方体内ではなくプレートの一方の側のみに塗布された多層コーティングを有することができる。プレート偏光子は、軽量で比較的安価である。しかし、画質はやはり主として1つの偏光状態について比較的高く、プレート偏光子を用いた場合、画質は速度がf/1に近づくにつれてかなり低下する。フォトニック結晶偏光子やワイヤグリッド偏光子のような他の種類の偏光子を用いてもよい。フォトニック結晶偏光子は、偏光を区別するのに使用できるフォトニック結晶を形成する層の積層体を有する。フォトニック結晶偏光子は日本のフォトニックラティス社から入手することができる。フォトニック結晶偏光子は、理論的に優れた視野および波長許容性を有するが、フォトニック結晶偏光子は、高価なリソグラフィックプロセスを用いて作られる。ワイヤグリッド偏光子は、平面を横切ってほぼ平行に揃えられた複数のワイヤを有する。これらのワイヤグリッドも偏光を区別することができる。ワイヤグリッド偏光子は、例えばニュージャージー州サマーセットのNanoOpto Corporationやユタ州オレムのMoxtek, Inc.から入手することができる。ワイヤグリッド偏光子は、透過時に良好に吸光するが、このような偏光子は反射時に幾らか漏れが生じる。ワイヤグリッドを形成するのに用いられるアルミニウムは、誘電体材料よりも吸光率が高いという傾向もある。それにもかかわらず、ワイヤグリッド偏光子が本発明の様々な実施形態にとって好ましい。
上述のように、立方体偏光子内の複数の複屈折層を有する多層コーティングは、f/1より速いビームに良好に作用し、両方の偏光に対して高い画質を実現する。好ましい実施形態では、ワイヤグリッド偏光子およびフォトニック結晶偏光子によって、ビームスプリッタ立方体内の複屈折多層を置き換えてもよい。しかし、立方体構成は、大きさに応じて重量が重い場合がある。図1および2に示されているビームスプリッタ20は、複数の辺の長さが概ね等しいビームスプリッタ立方体を有している。同様に、ビームスプリッタ20は、空間光変調器14の幅wより大きい大きさ(例えば、厚さt)を有している。
図2に示されているように、光源32が、偏光ビームスプリッタ20に対して、光をビームスプリッタに導入して空間光変調器14を照明するように配置されている。ビームスプリッタ20は、光を受け取る1つのポートを含んでいる。光は側面24を通ってビームスプリッタ20内に導入される。反射面22は、ビームスプリッタの側面24を通って入力された光がLCDディスプレイの方へ反射されるように、この側面24とLCDディスプレイ14の両方に面するように傾斜している。この反射面22は、ビームスプリッタの側面24に対して約40度から50度の間の角度に傾斜した平面を有していてよいが、この範囲外の他の角度に傾斜させてもよい。照明されたLCDディスプレイを結像光学系18によって結像させることができる。結像光学系18は、ビームスプリッタ20の立方体を通って空間光変調器14に至る十分に大きい後側焦点距離および十分に大きい有効口径に合うように、比較的大形で重量が重い投射レンズを有してよい。
他の寸法を有し、または他の形状および構成を有するビームスプリッタを用いてもよい。本明細書では、新規の様々なビームスプリッタ、およびビームスプリッタを用いた光学系について説明する。本発明の例示的な一実施形態では、例えば、2つまたは3つ以上のポートを含めることによって、ビームスプリッタの厚さを薄くすることができる。このような構成が図3に示されている。図3は、2つの光線48,50を受け取る2つのポート44,46を有するビームスプリッタ装置42を有するディスプレイ40を示している。ディスプレイ40は、空間光変調器52と、空間光変調器を結像する結像光学系54とを有している。上述のように、空間光変調器52は、液晶セルのアレイを有する液晶空間光変調器を有してよい。これらの液晶セルは、空間光変調器が受け取ったデータまたはビデオ信号に従って選択的に制御されてよい。
ビームスプリッタ装置42は、入射光48,50に対して実質的に透過性のガラス、プラスチック、または他の材料からなるプリズム素子からなっていてよい。図示のプリズム素子42は、2つの光線48,50をそれぞれ受け取る2つの入力面56,58を有している。図3に示されている実施形態では、これら2つの入力面56,58は互いに平行で反対向きになっており、プリズムの、互いに反対側の側面上に配置されている。同様に、2つの入力ポート44、46は、互いに反対側になっており、それらに対応する光線の光路が実質的に互いに逆の方向に沿って延びている。入力ポート44,46は、互いに180度の方向に向けられているが、例えば、両ポートが30度、40度、60度、72度、120度のような他の角度、およびこれらの間の角度やこれらの範囲外の角度に向けられた他の構成も可能である。2つの入力面56,58は、光を、プリズム42を通して伝搬できるように光線48,50を実質的に光学的に透過させるのが好ましい。
プリズム42は2つの反射面60,62も有しており、反射面60,62によって、2つのポート44,46で受け取られた光が第1の(中間の)出力面64の方へ、そして空間光変調器52上に反射される。2つの反射面60,62は、入力面を通して入力された光が出力面に反射されるように入力面56,58および出力面64に対して傾斜している。好ましい一例では、反射面60,62は、入力面56,58に対して40度から50度の間の角度に、かつ第1の出力面64に対して約40度から50度の角度に傾斜している。しかし、角度、傾斜角、すなわち傾斜はこれらの角度に制限されるものではない。
2つの反射面60,62は互いに逆方向に傾斜してもいる。図3に示されている例では、反射面60,62は、出力面64の中央領域からそれぞれの互いに反対側の入力面56,58へと傾斜している。反射面60,62は、出力面64の中央領域内の線または縁66に沿って合わさっており、縁66は出力面64と一致していてよい。しかし、他の構成も可能であるので、この構成は、制限的な構成と解釈されるべきではない。プリズム42は、互いに逆方向に傾斜しており、好ましくは出力面64の中央領域内に位置する頂部(すなわち先端)66に向かって収束している反射面60,62によって形成される「V字」形に基づいて、ここでは「V字形」プリズムと呼ぶこともある。
各反射面60,62は、1つの偏光を有する光を反射し、他の偏光状態を有する光を透過させる偏光依存反射面を有するのが好ましい。例えば、反射面60,62はそれぞれ、s−偏光状態の光を反射し、p−偏光状態の光を透過させてよく、あるいはp−偏光状態の光を反射し、s−偏光状態の光を透過させてよい。他の構成も可能であり、反射面60,62は、他の状態の光を反射し透過させるように構成してもよい。様々な好ましい実施形態において、反射面60,62は、上述のように多層複屈折コーティングまたはワイヤグリッドを用いて形成されている。
したがって、「V字形」プリズム42は、このプリズム装置が様々な偏光を有するビームを分割するので偏光ビームスプリッタと言うことができる。しかし、ビームスプリッタ42の側面に入射する光は偏光であるのが好ましい。このような場合、反射面60,62としては、ビームスプリッタ42のそれぞれの側面、すなわち入力面56,58を通して導入される光線48,50を反射するものを選択するのが好ましい。(図3に示されているように)互いに逆方向に向けられかつY軸に平行な経路に沿って伝搬する入力ビーム、すなわち光線48,50は、Z軸に平行な同様に互いに逆方向に向けられた経路に沿ってLCD、すなわち空間光変調器52の方へ方向を変えられる。空間光変調器52も反射装置であるのが好ましい。したがって、液晶アレイ、すなわち空間光変調器52の方へ進行した両入力ビームの光線48,50は、Z軸に平行な経路に沿って逆方向に反射面60,62に戻るように反射されるのが好ましい。
LCDの空間光変調器52内のセルは、やはり、セルに入射した光の偏光を選択的に回転させるのが好ましい。したがって、LCD52からの反射は、他の経路上で反射面60,62を通過してビームスプリッタ42の前面68から出る。このようにして、LCDセルの状態によって、そのセルに入射した光がビームスプリッタ42を通る第2の経路上で反射面60,62を透過するかどうかを、それぞれのセルによって偏光が回転させられるかどうかに基づいて決定することができる。それによって、テキストや画像のような高解像度パターンを、例えば電気信号を用いて液晶セルを個々に作動させることによって生成することができる。他の種類の空間光変調器を用いてもよい。このような空間光変調器は、他の種類の信号によって制御されてよい。このような空間光変調器は、液晶を有していても有していなくてもよく、偏光依存であってもそうでなくもよく、かつ反射型であってもそうでなくてもよい。例えば、他の実施形態では透過型空間光変調器を用いてもよい。しかし、空間光変調器の種類は、ここに記載した種類に限定されるものではない。
結像光学系54は空間光変調器52を結像する。結像光学系54によって、変調された液晶アレイ52により生成されたパターンを観察者の網膜上、または他の実施形態では例えばスクリーン上や他の場所に形成することができる。
入力ポート46およびそれに対応する反射面62を追加することによって、ビーム分割素子42の厚さtを薄くすることができる。図1および3に示されているように、それぞれのプリズム素子20,42は幅wを有する。「V字形」プリズム42では、所与のプリズム幅wに適合させるのに必要な厚さが比較的薄いので、厚さと幅の比(t/w)は比較的小さい。同様に、所与の幅wを有する空間光変調器14,52を照明する必要がある厚さtが比較的薄い。
空間光変調器14,52の幅は、例えば、対角線上で1/2インチ〜1インチ(13mm〜25mm)であってよい。プリズム42の厚さは、約1/4インチから1/2インチ(6mm〜14mm)の間であってよい。したがって、入力面56,58および反射面60,62は、それぞれ、約1/3×1/2インチ(9×12mm)から2/3×1インチ(18×24mm)の間であってよい。対角線が1インチ(25mm)のビームを、空間光変調器14,52を照明するのに用いることができる。これらの範囲外の他の寸法を用いてもよく、ここに記載された範囲に限定されるものではない。さらに、空間光変調器42の形状も入力ポート56,58および反射面60,62の形状も多くの実施形態では正方形または矩形であってよいが、他の形状も可能である。
上述のように、「V字形」プリズム42でそうであるように、追加のポートを追加することによって、より小形でより軽量でよりコンパクトな照明システムを得ることができ、有利である。例えば、「V字形」プリズム偏光ビーム分割素子42の厚さおよび質量は、空間光変調器14,52の、幅wによって決まる同じ大きさの領域を照明する場合、偏光ビーム分割立方体20の約1/2であってよい。同様に、投射レンズ、すなわち結像光学系54の後側焦点距離を短くしてもよい。その結果、「V字形」プリズムと組み合わせて用いられる結像光学系54の大きさ(例えば、直径)を、同様のFナンバーまたは開口数を有するディスプレイのプリズム立方体20と組み合わせて用いられる結像光学系18と比べて小さくすることができる。したがって、より小さい大きさ、より低いコスト、および場合によってはより高い性能を実現することができる。
好ましい一実施形態では、「V字形」プリズム42は、図3に示されているように、側面から見たときに三角形状を有する3つのより小さい三角形プリズムを有する正方形プリズム素子を有している。このような「V字形」プリズム42を製造する方法について以下に図27A〜27Gを参照して説明する。プリズム42は、複数の偏光状態の光を分離する選択的な反射面60,62を形成する複数の複屈折層のような偏光ビーム分割コーティングを有していてよい。このような「V字形」プリズム42は、約F/1より小さいFナンバーの場合にうまく機能し、好ましい。他の実施形態では、偏光ビーム分割面60,62は、例えば、ワイヤグリッド偏光子またはフォトニック偏光層を有していてよい。
図4は、「V字形」プリズム42を有する背面投射テレビジョン(例えば、HDTVであってよい)用の照明装置53を示している。「V字形」プリズム42は一対の偏光ビーム分割立方体70,72を有し、偏光ビーム分割立方体70,72は、反射面60,62が互いに逆方向に傾斜し、したがって互いに異なる方向に面するように配置されている。したがって、上述のように、互いに反対側の入力ポート44,46から入力された光を、例えば各ビームスプリッタ70,72上の出力面64を通して液晶空間光変調器52へと反射させることができる。図4は、2つの照明源74,76が、プリズム素子42の、互いに反対の両側に位置している互いに反対側の2つのポート44,46に光を結合しているのを示している。Y軸に平行な互いに反対に延びる経路をたどった光は、傾斜した反射面60,62からZ軸に平行な経路に沿って空間光変調器52の方へ反射される。ビームスプリッタ装置42内の2つの偏光ビームスプリッタ70,72は、オプティカルコンタクト、セメント、接着剤、クランプ、ファスナを用いるか、または、2つの立方体を適切に位置させる他の方法を用いることによって適切に固定されていてよい。これら2つの偏光立方体70,72は、反射面60,62が、2つの偏光立方体間に暗い領域を形成することなく空間光変調器52を照明するのに十分な程度に近接して配置されるように、互いに隣接しているのが好ましい。「V字形」プリズム42は、他の方法で形成されていてもよい。
図4に示されている照明装置53は、「V字形」プリズムと照明源74,76とを支持する支持組立体55をさらに含んでいる。この支持組立体55は、実質的に平面状であるように示されているが、支持組立体はボードまたは平面基板を有している必要はない。様々な構成部材を支持する他の手法を用いてもよく、支持構造に固定されるかまたは取り付けられる具体的な構成部材は様々であってよい。支持構造55は、例えば、光学系を保持して揃えるためのフレームを有していてよい。背面投射TVの複数の壁または底部を支持構造55として用いてもよい。しかし、ここに記載された例は、それぞれのシステムを支持するのに用いられる支持体の種類を制限するものと解釈すべきものではない。
これらの照明源74,76のそれぞれは、支持組立体55上に取り付けられたLEDアレイ57と第1および第2のフライアイレンズ59,61とを有している。フライアイレンズ59,61は複数のレンズレットをそれぞれ有している。様々な好ましい実施形態において、第1および第2のフライアイレンズ59,61は、LEDアレイ57から反射面60,62を介して空間光変調器52に至る光軸に沿って、長手方向に適切な間隔を置いて配置されている。例えば、LEDアレイ57は第1のフライアイレンズ59によって第2のフライアイレンズ61上に結像され、第1のフライアイレンズは、第2のフライアイレンズによって空間光変調器52上に結像される。このような実施形態では、第1のフライアイレンズ59は、第2のフライアイレンズ61の各レンズレット内にLEDアレイ57の画像を形成することができる。第2のフライアイレンズ61は、第1のフライアイレンズ59内のレンズレットの重なり合った画像を空間光変調器52上に形成する。好ましい様々な実施形態では、第1のフライアイレンズ59は、空間光変調器52の、LEDアレイ57によって照明すべき部分に合った複数の細長いかまたは長方形のレンズレットを有している。
照明装置53は、例えば、LCD52の画像をスクリーンまたはディスプレイ上に投射するかまたは目の中に直接投射する結像または投射光学系54をさらに有している。図4に示されている照明装置53は、平坦な投射スクリーン63と、観察者が見ることができるようにスクリーン上に画像を形成する傾斜した反射器65とを有する背面投射TVの一部として示されている。1つまたは2つ以上の追加の反射器を、画像の向きを変え、または様々な方向に出力する照明装置53にあうようにするために用いてもよい。「V字形」プリズム42は、空間光変調器52の同様の寸法の領域を照明する偏光立方体と比べて厚さを薄くすることができるので、同一のFナンバーまたは開口数を有する系と比べて照明装置53内の結像または投射光学系54を小形にすることができる。
照明を行う他の構成および構造も可能である。例えば、図5は、プリズム装置80が、「V字形」プリズム42の反射面とは異なる方向に向けられた一対の反射面82,84を有しているのを示している。図示のプリズム素子80は、ワイヤグリッド偏光子を用いて形成された反射面82,84を有する一対の偏光ビーム分割立方体86,88を有している。ただし、他の実施形態ではマックニール型プリズムを用いることもできる。ワイヤグリッド偏光子は、実質的に互いに平行に配置された細長いストリップまたはワイヤのアレイを有している。様々な好ましい実施形態において、これらの細長いストリップは、アルミニウムのような金属からなっている。ワイヤグリッド偏光子は、1つの直線偏光を反射し、それに直交する他の直線偏光を透過させる。他の実施形態においては、多重複屈折層コーティングから形成された偏光子やフォトニック結晶偏光子のような他の種類の偏光子を用いてもよい。
プリズム素子80は、2つのポート90,92をプリズム素子の、互いに異なる側面に有している。ライトパイプ95が、光源(不図示)からの照明を、偏光ビーム分割立方体86,88のそれぞれに1つで、2つの入力面98,100のそれぞれを通過させるように案内するように、図5に示されている。ライトパイプ95は、光が伝搬する中空のチャネル99を有する導管または伝達部を形成する複数の側壁97を有していてよい。好ましくは、導管の内側部分101は反射性であり、ある好ましい実施形態では、光がライトパイプ95の内部のチャネルを通って光源からプリズム素子80の入力面98,100に伝搬するように拡散反射性であってよい。図5に示されているライトパイプ95は、2つの入力面98,100の方へ続く2つのアーム103a,103bに分岐している。2つのアーム103a,103bは、2つの入力面98、100の所に実質的に等しい照明を生じさせるのに適した寸法および反射性のそれぞれの側壁97を有するのが好ましい。様々な好ましい実施形態において、ライトパイプ95は、他の構成部材に適合するように形作られ、あるいはヘルメット装着ディスプレイ、またはより広義には頭部装着ディスプレイのような装置内の特定の空間に嵌るように形作られていてよい。(ここで用いるように、ヘルメットが付随するヘルメット装着ディスプレイは、ヘルメットに取り付けられても取り付けられなくてもよい頭部装着ディスプレイの一種である。)
プリズム装置80の反射面82,84はそれぞれ、入力面98,100および出力面102に対してある角度に向けられている。出力面102に対する角度は、例えば約40度から50度の間、またはこれらの範囲外であってよい。しかし、このプリズム素子80の反射面82,84は、プリズム素子の、「V字形」プリズム42の反射面60,62とは異なる側面に異なる方向に面している。例えば、一方の反射面84は、X軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光を、Z軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。他方の反射面82は、Y軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光をZ軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。したがって、2つの反射面82,84は、この場合90度離れた互いに異なる方向に面している。他の方向に向いたポートを用いてもよい。
プリズム装置80の反射面82,84はそれぞれ、入力面98,100および出力面102に対してある角度に向けられている。出力面102に対する角度は、例えば約40度から50度の間、またはこれらの範囲外であってよい。しかし、このプリズム素子80の反射面82,84は、プリズム素子の、「V字形」プリズム42の反射面60,62とは異なる側面に異なる方向に面している。例えば、一方の反射面84は、X軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光を、Z軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。他方の反射面82は、Y軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光をZ軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。したがって、2つの反射面82,84は、この場合90度離れた互いに異なる方向に面している。他の方向に向いたポートを用いてもよい。
一対の反射面が設けられた一連の他の構成も可能である。これらの反射面は、一方の側面からプリズム素子80に入力された光を共通の方向に反射するように傾斜しているのが好ましい。様々な実施形態で、様々な入力側面を入力面として用いることができる。例えば、これらの側面は、互いに反対側に面していても、あるいは互いに対して90度または互いに対して他の角度に向いていてもよい。反射面を、図5に示されているように平面状で正方形または矩形とすることができ、あるいは他の形状にしてもよい。両反射面を、実質的に同じ量だけ傾斜させることができ、あるいは互いに異なる量だけ傾斜させることもできる。各反射面を互いに異なる方向に傾斜させることもできる。他の構成も可能であると考えられ、ここに記載する示唆に整合する変形実施形態を適切に用いることができるので、ここに具体的に記載された構成に限定されるものではない。
図6は、正方形プリズムの、別々の4つの側面上に4つの入力ポート112を有する正方形プリズム素子110を示している。矩形の一体型ロッド116に連結された4つの光源114も示されている。矩形の一体型ロッド116は、反射性であり、場合によっては拡散反射性である内側側壁を有する中空の導管を有してよい。他の実施形態では、矩形の一体型ロッド116は中空ではなく、その代わりに、光学的に実質的に透過性であり、反射側壁を形成するように形作られたガラス、クリスタル、ポリマーのような材料からなっている。光は、この材料を通って、または中空の導管を通って伝搬し、一体型ロッド116の側壁によって複数回反射される。この複数回の反射によって、出力を均質化し、好ましくは明るいスポットまたは他の非一様性を除去する混合が行われることが好ましい。幾つかの実施形態では、一体型ロッド116の、長さ方向に延びるそれぞれの光軸に直交する断面が正方形または矩形である。そのような断面が、空間光変調器の、正方形または矩形の領域を照明するのに望ましい。他の形状も可能である。様々な好ましい実施形態において、断面は、矩形と同様に一方向に細長い。さらに、直線状の一体型ロッド116が示されているが、曲線状の構造を用いてもよい。例えば、湾曲させることができるファイバ束、ラージコアファイバ、および実質的に可とう性の他の線を含む、曲線経路を辿るライトパイプを用いてよい。あるいは、他の実施形態と同様に剛性であるが湾曲したライトパイプを用いてもよい。
4つの入力ポート112は、4つのそれぞれの反射面120のうちの1つへの光路をそれぞれ形成する入力面118をそれぞれ含んでいる。4つのポート112および入力面118は、正方形プリズム110の4つの側面から外向きに4つの異なる方向に面している。反射面120も、互いに異なる4つの方向に面している。これらの反射面120は、図6にプリズム素子110の下方または背後に示されている出力面124の方に傾斜している。したがって、4つの入力面118によって受け取られた光は、図6の下向きに、反射LCDモジュール(不図示)が配置されていてよい出力面124の方へ向きを変えられる。これらの反射面120は偏光分割面であるのが好ましく、入力された光は、その光が出力面124の方へ反射されるように偏光されているのが好ましい。プリズム素子110は、適切な方向に向けられた互いに隣接する4つのビーム分割立方体から形成されていてよい。
4つの偏光子が、光源114または一体型ロッド116と入力面118との間に挿入されていてもよい。これらの偏光子をここでは前置偏光子と呼ぶこともある。これらの偏光子によって、入力面118に到達した実質的に全ての光が、この光が偏光分割反射面120によって反射されるように適切な偏光を有するようにされるのが好ましい。
4つの入力ポート152を有する正方形のプリズム素子150の他の実施形態が図7に示されている。このプリズム素子150は、図7、8A、および8Bに示されているように、光を入力することができる4つの面160と、三角形の4つの反射面170とを含んでおり、4つの反射面170は、入力面160を通して入力された光が上向きに反射され出力面178から出るように頂点領域175に向かって互いに同じように傾斜している。反射液晶アレイ装置や他の反射変調器組立体のような空間光変調器(不図示)が、光を、出力面178を介してプリズム150内に戻すように反射するように出力面178に隣接して配置されていてよい。側面断面図と平面図が図8Aおよび8Bに示されている。互いに隣接する三角形の反射面170は、頂点領域175に向かって傾斜した縁部180に沿って互いに隣接しているのが好ましい。図7、8A、および8Bに示されている構成では、4つの反射面170はピラミッド形の面を形成しているように見える。4つの入力面152は、正方形プリズム150から外向きに互いに異なる4つの方向に面している。三角形の4つの反射面170も互いに異なる4つの方向に面している。4つの反射面170は、ある偏光状態の光を反射し別の偏光状態の光を透過させる偏光分割面を有するのが好ましい。これら4つの面は互いに同じ、または互いに異なる偏光を反射するものであってよい。偏光された光は、その光が偏光分割反射面170によって反射されるように入力ポート152に結合されるのが好ましい。これらの偏光分割界面170は、上述のような多層コーティング、格子偏光子、およびフォトニック結晶を用いて形成されていても、公知の、およびこれから開発される他の種類の偏光子を用いて形成されていてもよい。互いに平行な金属ストリップのアレイを有する格子偏光子190が図7、8A、および8Bに示されている。これらの格子偏光子190、およびこの偏光子を形成する金属ストリップの大きさは、提示した模式図では誇張されている。
複数の入力ポート152を有するプリズム素子150の他の実施形態が図9Aに示されている。このプリズム素子150は、対称的な円形プリズムを有している。プリズム素子150は、図9Aおよび9Bに示されているように、光を入力することができる複数の入力面160と、入力面160を通して入力された光が上向きに反射され出力面178から出るように頂点領域175に向かって互いに同様に傾斜した複数の反射面170とを含んでいる。反射型液晶変調器組立体のような空間光変調器(不図示)が、光を、出力面178を介してプリズム150内に戻すように反射するように出力面178に隣接して配置されていてよい。側面断面図が図9Bに示されている。反射面170は、頂点領域175に向かって傾斜しているのが好ましい。図9A〜9Bに示されている構成では、反射面170は、円錐状面を形成しているように見える。反射面170は、頂点175を通る軸線179に関して円対称になっている。複数の入力ポート152は円形プリズム150から外向きに互いに異なる方向に面している。複数の反射面170も互いに異なる方向に面している。図9Bの断面図に示されているように、この反射面は軸線179に平行な方向に沿って湾曲している。曲率、勾配、および凹面を変化させてもよい。曲率の他の変更を含めてもよい。傾斜反射面を形成する他の種類の回転面を用いてもよい。図9Cおよび9Dは、円錐状の反射面170を有するプリズム150を示している。回転軸線に沿って変化した曲率を有するのではなく、勾配はほぼ一定になっている。この反射面170の直線状の傾斜は、図9Dに示されている断面に示されている。図9Aおよび9Cに示されている反射面は、軸線179の周りの回転面の形状に一致する形状を有している。このような回転面の複数の部分に一致する形状の複数の部分を有する複数の偏光ビーム分割面も可能である。さらに、相応の形状の回転面を形成するように回転させられる曲線は、互いに異なる形状の複数の面を生じるようにむらのある曲線であってもよい。
反射面170は、1つの偏光状態の光を反射し、他の偏光状態の光を透過させる偏光分割面を有するのが好ましい。偏光された光は、その光が偏光分割反射面170によって反射されるように入力ポート152に結合されるのが好ましい。これらの偏光分割界面170は、上述のような多層コーティング、格子偏光子、およびフォトニック結晶を用いて形成されていてもよいし、公知の、およびこれから開発される他の種類の偏光子を用いて形成されていてもよい。
プリズム素子は、入力ポートに入力された光に対して実質的に透過性のガラス又は他の材料からなっているのが好ましい。用いてよい透光性の材料の例にはBK7およびSFL57ガラスが含まれる。他の材料を用いてもよいが、プリズムはここに具体的に記載する透過材料に限定されるものではない。これらのプリズム素子を、正方形の構成に限定する必要はない。例えば矩形、六角形などのような他の形状および大きさを用いてもよい。1つの偏光状態の光を反射し他の偏光状態の光を透過させる他の技術を用いることもできる。様々な実施形態において、これらの反射面は例えば、偏光板を有していてもよい。
上述のように、結果として得られる照明装置は、比較的薄く、したがって、比較的軽量でより小形の構成が得られる。比較的安いコストおよびより高い性能を実現することもできる。比較的短い後側焦点距離を有する比較的小形の投射光学系を用いてもよい。
第1および第2の入力ポート208,210への光ファイバライン206を介して発光ダイオード(LED)204のアレイに光学的に結合された「V字形」プリズム202を有する光学装置200が図10に示されている。このような光学装置200は、ヘルメット装着ディスプレイのような頭部装着ディスプレイに含まれていてよく、ハウジング内に入れられ支持構造(不図示)上に支持されていてよい。ファイバライン206は、インコヒーレントファイバ束、コヒーレントファイバ束、ラージコア光ファイバ、中空の導管、または他の種類のライトパイプを含むライトパイプの特定の種類のものであると解される。光ファイバライン206は、可とう性を提供し、例えば、パッケージングの要求によって構成部材の大きさと配置が制限される小形の装置および構成に有利である。LEDアレイ204は、例えば、赤色、緑色、および青色のLEDからなってよい3つのLEDを有している。3つのLED212は、3つのファイバライン206に結合されているように示されている。3つのファイバライン206のそれぞれは、一対の別個の第1および第2のファイバライン206a,206bに分割されている。3つのLEDのそれぞれに結び付けられた第1のファイバライン206aは、「V字形」プリズム202の第1の入力ポート208に光学的に結合されている。3つのLED212のそれぞれに結び付けられた第2のファイバライン206bは、「V字形」プリズム202の第2の入力ポート210に光学的に結合されている。したがって、各LED212からの光を、「V字形」プリズム202の両方のポート208,210に分散させることができる。
様々な好ましい実施形態において、3つの光ファイバライン206はインコヒーレントファイバ束のようなファイバ束を有している。図11は、1つの光源224、すなわち発光体に、光源からの光を受け取るように当接させられた1つの光ファイバ束222を模式的に示している。光ファイバ束222は、「V字形」プリズムのような光学装置230の、互いに向かい合う2つの端部への経路を辿る2つの部分226,228に分割されている。これら2つの部分226,228は、図10に示されている第1および第2のファイバライン206a,206bに相当している。
ファイバ束222は、複数の光ファイバを有するのが好ましい。ファイバ束222は、例えば、束内の光ファイバを、第1の入力ポート208への第1のファイバライン206a用の1つの群と第2の入力ポート210への第2のファイバライン206b用の1つの群との2つの群に分離することによって分割されていてよい。様々な好ましい実施形態において、無作為に選択された複数の第1のファイバが第1のファイバライン206aとして用いられ、無作為に選択された複数の第2のファイバが第2のファイバライン206bとして用いられる。第1および第2の入力ポート208,210に延びる別個の第1および第2のライン206a,206bに光を概ね同等に分散させるために、ファイバの数は、別個の第1および第2のライン206a,206bの両方で実質的に同じであるのが好ましい。この分散を、第1または第2のファイバライン206a,206bのいずれかからファイバを取り除くことによって調整することができる。ディスプレイの様々な部分に向けられた照明の差に適応するように、スケーリングを用い、空間光変調器236による修正を導入することもできる。
好ましい一実施形態では、赤色、緑色、および青色の光源212によって放出された光が光ファイバ束222内に導入される。上述のように、このファイバ束222は、赤色の光、緑色の光、および青色の光が「V字形」プリズム202の、互いに反対の両側面に入力されるように分割される。よく知られているように、赤色、緑色、および青色を組み合わせることによって、白く見える光を生成することができる。さらに、赤色、緑色、および青色の色相を変化させることによって、広範囲の色を生成することができる。赤色、緑色、および青色のLEDを有する3つの光源212が示されているが、より多くの、またはより少数の、互いに異なる色の光源を設けてもよい。例えば、高い色温度を得るために、青に近い色の放出体と濃い青色の放出体を含む4色の放出体を用いてもよい。さらに多くの色を用いてもよい。幾つかの実施形態では、8つまたは9つ以上の色を含めてもよい。LED以外の光源を用いてもよく、赤色、緑色、および青色以外の色の組合せを用いてもよい。蛍光灯および白熱灯(電球)やレーザダイオードが他の種類の光源の例である。他の種類の光源も可能である。他の色の組合せには、シアン、マゼンタ、黄色が含まれる。ただし、用いられる具体的な色は、ここに記載した色に限定されるものではない。様々な好ましい実施形態には、約3000Kから8500K(白色)の間の色温度を与える複数の互いに異なる色放出体が含まれる。ただし、この色温度の範囲は、制限的なものと解釈されるものではない。
ファイバ束222は、図10では、「V字形」プリズム202の2つの入力ポート208,210に対応する2つの部分226,228に分割されるように示されているが、ファイバ束を、例えば入力ポートの数がより多い場合、さらに分割してもよい。様々な実施形態において、別々のファイバ束が、光源の所でまとめられていてよい。あるいは、各入力ポートごとに1つの、複数のファイバ束を、光を各入力ポートに結合するように位置させてもよい。これらのファイバ束を、複数の光放出体に光学的に結合された複数の端部に分割してもよい。したがって、様々な色放出体からの光がまとめられてプリズム202の2つの側面に入力される。他の様々な組合せが可能である。
他のある実施形態では、例えば、各ポート208,210ごとに1組の、2組以上の放出体が用いられていよい。別個のファイバ束を有する別個の光源を、別個のポート208,210に用いることができる。共通の赤色、緑色、または青色のLEDあるいはLEDアレイのような共通の光源を複数の入力ポートに用いることには、例えば光の波長のような光学特性が一様になるという利点がある。したがって、「V字形」プリズムの両側面が、同じ色を与えられ、好ましい。
一体型ロッド、他の形態のライトパイプのようなホモジナイザを、赤色、緑色、および青色の光を混合するのに用いることができる。さらに、拡散反射側壁によって形成される空洞のようなライトボックスを、光を混合し、および/または伝達するのに用いることができる。ファイバ束を導管や単一のラージ(または比較的小さい)コアファイバのようなライトパイプに光学的に接続することができる。他の実施形態では、ファイバ束を、ラージコアまたはスモールコアを有していてよい光ファイバまたは可とう性もしくは剛性のライトパイプ、あるいは光カプラで完全に置き換えることもできる。例えば、光源、ライトパイプ、光ファイバおよび光ファイバ束、および/または混合構成部材などの様々な組合せを用いてもよい。
ある好ましい実施形態では、赤色、青色、および緑色の各放出体からの、赤色、青色、および緑色の各伝達部を、互いに異なる色が組み合わされる混合ロッド、ライトボックス、または他のライトパイプのような混合構成部材に結合することができる。他の実施形態では、光導管を形成する成形された複数の壁のようなライトパイプは、様々な色放出体、例えば赤色、緑色、および青色のLEDから、ライトパイプを介して、レンズまたは他の光学素子に出力をするものであってよいライトボックスのような混合領域に結合しているLED収容カップを含んでいてよい。他の構成および組合せが可能であり、特定の構成が、ここに具体的に記載した例に限定されるものではない。
空間光変調器を用いて色画像を生成する場合、互いに異なる色の複数の放出体を、時分割して多重送信にし、すなわち、各色の放出体を所与の時間にわたって別々に作動させ、それによって、互いに異なる複数の色にわたる反復的な周期動作を行うことができる。空間光変調器は、色放出体の周期動作と同期し、各色ごとに特定の空間パターンを生成するように駆動できるのが好ましい。十分に高い周波数では、観察者は単一の複合色画像を認識することになる。以下により詳しく説明する他の実施形態では、3つの色を色選択フィルタによって分離し、3つの色のそれぞれの専用の3つの別々の変調器に送ることができる。それぞれの空間光変調器を通過した後、3つの色の光を、複合色画像を生じるように組み合わせることができる。色の多重送信を行う一例の装置には、「Xキューブ」または「フィリップスプリズム」が含まれる。他の実施形態では、例えば、時分割多重送信および/または追加の空間光変調器を用いることによってより多くの色に対処することができる。
図10に示されているように、ビーム整形光学系232が「V字形」プリズムの第1の光ファイバライン206aと第1の入力面234との間の光路に配置されている。ビーム整形光学系232は、例えば屈折レンズ素子や複数の屈折レンズ素子を有していてよい。あるいは、回折光学素子、鏡または反射器、グレーデッドインデックスレンズ、または他の光学素子を用いてもよい。様々な好ましい実施形態において、ビーム整形光学系232は、互いに異なる、例えば互いに直交する方向についてそれぞれ異なる光パワーを有している。ビーム整形光学系232は例えばアナモフィックであってよい。ビーム整形光学系232は、ビーム整形光学系232を通る光軸を含む互いに直交する子午面について互いに異なる光パワーを有するのが好ましい。例えば、ビーム整形光学系232は、アナモフィックレンズまたはアナモフィック光学面を有していてよい。ある好ましい実施形態ではシリンドリカルレンズを用いるのが適している。好ましい一実施形態において、ビーム整形光学系232は、一方の側に非球面を有し、他の側に円筒状の面を有している。円筒状の面は、光軸を通る1つの平面では曲率が比較的大きく、光軸を通る他の平面では曲率が比較的小さいかまたは無視できる大きさである。ビーム整形光学系232は、非対称的なビームまたは照明のパターンを生成するように構成されているのが好ましい。ビームは、矩形の領域を照明するために、例えば、楕円形または他の細長い形状であり、場合によってはほぼ矩形である。ビーム整形光学系232から出たビームに相当する光線は、1つの方向において別の方向より湾曲させられ(例えば、屈折させられ)てよい。したがって、これに対応する光線は、例えば、Y−Z平面におけるよりもX−Y平面において広い角度に拡散させられてよい。幾つかの実施形態では、矩形の断面を有する一体型ロッドまたは矩形のレンズレットを有するフライアイレンズによって矩形の領域を照明してもよい。矩形以外の領域を照明するために、他の断面および形状を用いてもよい。ビーム整形光学系232は、アナモフィックであり、すなわち互いに異なる方向で互いに異なる光パワーを有するのが好ましいと説明したが、幾つかの実施形態では、ビーム整形光学系をそのように構成する必要はない。
ビーム整形光学系232を、所望の領域にわたって光を実質的に一様に分散させるように構成してもよい。この領域は、例えば、「V字形」プリズム202の反射面、または「V字形」プリズムの出力部に対して、「V字形」プリズムから光を受け取るように配置されたLCDアレイ236の相応の部分に相当していてよい。輝度は、LCD236の、照明すべき部分全体にわたって実質的に一定であってよい。ある実施形態では、光学系の瞳全体にわたって実質的に一様な輝度が得られるのが好ましい。この瞳は、例えば、頭部装着ディスプレイまたは他の投射装置もしくは表示装置において、結像光学系によって生成されるものであってよい。空間光変調器236の所望の部分での光分布についての調節が、ビーム整形光学系232によって行われてよい。
光学系200は、図10に示されているように、ビームを視準する視準素子238をさらに有しているのが好ましい。図10に示されている視準素子238は、有利なことに厚さが薄く軽量で小形のフレネルレンズを有している。他の回折光学素子、鏡、および屈折レンズのような他の種類の視準素子238を用いてもよい。例えば、フレネルレンズは非球面レンズで置き換えることができるが、フレネルレンズの方が軽量にしやすい。図10に示されている実施形態では、フレネルレンズは、「V字形」プリズム202の入力面234の近くに位置している。上述のように、ビーム整形光学系232が一様な光分布を生じるように構成されている場合、視準素子238の所の輝度はほぼ一定であり、好ましい。視準素子238は、楕円形のビームまたは細長いビームを視準するようにアナモフィックであってもよい。
拡散させる光学拡散体240もビームの光路に配置されており、光を散乱させる。様々な好ましい実施形態において、拡散体240は、結像または投射光学系54(図3および4参照)の出射瞳のような所望の瞳にわたって光を拡散させる。拡散体240はまた、瞳の充填に役立つように構成するのが好ましい。瞳の形状は、拡散体による散乱分布とフレネル視準素子238による角度分布とのコンボリューションになる。
幾つかの実施形態では、拡散体240は、瞳全体にわたって光を一様に分散させるのにも役立つのが好ましい。例えば、拡散体によって、表示に斑点を生じさせたり他の影響を生じさせたりしがちな、瞳の充填不足を低減させることができる。以下により詳しく説明するように、観察者がその目を動かすと、観察者が目の各位置で見る光の量が変化する。様々な実施形態において、例えば、投射光学系または結像光学系によって集められる円錐状の光線のFナンバーは位置(例えば、空間光変調器上の位置)に応じて様々である。空間光変調器内の幾つかの位置での充填不足によって、領域位置ごとに、結像光学系瞳の充填レベルが変化し、目の瞳を動かした時に観察者によって観測される変動が生じる。それによって一様性が低下する。結像系瞳は充填不足にならないことが好ましい。逆に、瞳が過充填である場合、光が無駄になる。フレネルレンズは、また、過充填および光の非効率的な損失を回避するのが好ましい。したがって、拡散体を、瞳が過充填にならないように充填を調整する構成にしてもよい。視準レンズを拡散体と組み合わせて用いると、充填不足の抑制に役立つ。
例えば、ホログラフィック拡散体のような様々な種類の拡散体を用いてもよいが、拡散体は特定の種類に限定されるものではない。拡散体238は、それに入射した光を散乱させる面構成を有してよい。他の実施形態では、拡散体は、光を散乱させる屈折率構成を有していてもよい。他の構成を用いてもよい。複数のレンズレットを有する1つまたは2つ以上のフライアイレンズのようなレンズアレイを用いることもできる。このような場合、レンズレットは、約f/1.3以上のような高速光学系に適した非球面(例えば、円錐形状、またはゼロでない円錐定数によって定義される曲線)を有するのが好ましい。
拡散体238を偏光子またはフレネルレンズと組み合わせてもよく、あるいは偏光子および/またはフレネルレンズを拡散体と別体にしてもよい。しかし、ビームの光路内の、ビームスプリッタ202のビーム分割反射面の前に偏光子を含めるのが好ましい。したがって、この偏光子をここでは前置偏光子と呼ぶ。偏光に応じてある偏光を透過させるか、反射するか、または減衰させることによって偏光を分離する偏光子を含む、偏光の選択を行う様々な種類の偏光子を用いてよい。例えば、第1の偏光状態の光を透過させ第2の偏光状態の光を減衰させる偏光子、第1の偏光状態の光を透過させ、第2の偏光状態の光を反射する偏光子、および第1の偏光状態の光を反射し、第2の偏光状態の光を減衰させる偏光子を用いてよい。他の種類の偏光子および偏光選択的装置を用いてもよい。
前置偏光子は、それを通って伝搬した光が、プリズム202内の偏光ビーム分割面によって反射される偏光を有するように構成されるのが好ましい。入力ポート208,210に入射する光の実質的に全てが、ビーム分割面によって反射され、それによって光が偏光ビーム分割面を通って伝搬するのを避けるように偏光されるのが好ましい。このような光が、例えば第1の偏光ビーム分割面を通って漏れて第2の反射面に達した場合、この光は、第2の面によって反射される場合があり、引き続き出力上に導かれる場合がある。このような漏れは、場合によっては、LCDによって生成されたパターンを消し、および/または出力の2つの側を不釣合いにする場合がある。V字形プリズムの出力の所に配置された後置偏光子241により、第1の偏光ビーム分割面を通って漏れて、V字形プリズム202内の第2の偏光ビーム分割面によって反射された偏光を除去することによってこの効果を軽減してもよい。したがって、この後置偏光子241は、V字形プリズム202内の第1および第2の偏光ビーム分割面によって反射されるように選択された偏光を有する光を除去するのが好ましい。前置偏光子と後置偏光子241はどちらも、現在公知である偏光子を有していても、これから開発される偏光子を有していてもよい。偏光子の例には、複屈折偏光子、ワイヤグリッド偏光子、フォトニック結晶偏光子が含まれる。
図10に示されている光学装置200は、ビーム整形光学系232、視準素子238、拡散体240、および偏光子を各ポートに含んでいる。したがって、2つのポート208,210を有する「V字形」プリズム202では、これらの構成部材のそれぞれの対が示されている。より多くのポートを有する他の実施形態では、追加の入力ポートには、同様に、ビーム整形光学系、視準素子、拡散体、および偏光子が備えられてよい。場合によっては用途または構成に応じて、フィルタのような他の部材を含めることもでき、図示の任意の部材を無くすこともできる。このような部材の他の様々な組合せおよび配置も可能である。
上述のように、光源204のアレイからの光は、光ファイバライン206に結合され、プリズム202の入力ポート208,210に分散される。光ファイバ206からの光出力は、好ましくは、ビームを、実質的に、空間光変調器236の、照明すべき部分の大きさおよび形状に調整するビーム整形光学系232によって受け取られる。同様に、様々な好ましい実施形態では、ビームの大きさおよび形状は、光学系200に関連する開口または瞳の大きさおよび形状に実質的に一致していてよい。ビームは、例えば、1つの方向に沿った幅が約5mmから19mmの間であり、別の方向に沿った幅が約10mmから25mmの間であってよい。様々な実施形態において、ビーム整形光学系232は、光ファイバ206a,206bから放出された円形のビームを楕円形のビームに変換する。光ファイバ206から出射したビームの、ビームの伝搬方向に垂直な断面は概ね円形である。ビーム整形光学系232は、相応にビームを湾曲させて、概ね楕円形または細長い垂直断面を生じさせるのが好ましい。この形状は、幾つかの実施形態では実質的に矩形である。
ビーム整形光学系232は、空間光変調器200全体にわたって比較的一様な分布を生じるのが好ましい。光ファイバ206から出射したビームは、ガウス関数に概ね一致する減衰を半径方向に有する実質的にガウス型の強度分布を有していてよい。このようなガウス強度分布では、LCD236の所で光が顕著に減衰する場合がある。したがって、ビーム整形光学系232は、LCD236の所で異なる分布を生じるのが好ましい。以下により詳しく説明するある好ましい実施形態では、ビーム整形光学系232は、LCD236の所の光が、広い中央領域にわたって実質的に一定の「トップハット」または「フラットトップ」照度分布を有するように構成されている。
図12および13は、「V字形」プリズム202の第1および第2の入力ポート208,210のそれぞれについての空間光変調器234の所の照度分布を示している。この照度分布は実質的にガウス型である。図12の線14−14に沿った断面におけるようなガウス照度分布が図14に示されている。ガウス分布は、頂点を含むピークと、傾斜する側部とを有している。図示のように、このガウス分布はZ軸に関して円対称である。図12および13は、出力面の周縁242の部分も示している。周縁の、1つの縁部244はプリズムの頂点に相当している。各側について、ピークは、プリズムの反射面および/またはLCD236の矩形部分の矩形領域内の中央に位置している。
図15は、「V字形」プリズム202の、例えば空間変調器236の所で結合された2つの側面からの光束を模式的に示している。図15は、出力面の、「V字形」プリズム202の2つの側面にそれぞれ結び付けられた2つの部分に相当する周縁242も示している。この周縁は、同様に空間光変調器236の2つの部分に相当していてもよい。照度分布内の2つのピークは、LCD236の各矩形部分内の中央に位置している。
光線は、空間光変調器の、「V字形」プリズムの2つの側面に相当する2つの部分に入射した照明を示す図16および17に示されているように、ピークが中央から1つの方向にずれるように、ずらされてよい。図16および17は、空間光変調器236の、プリズム202内の反射面および/または出力面に一致する2つの部分を示す周縁242を示している。周縁242上の線244はプリズムの頂点に相当している。照明は、空間光変調器236の中央からY方向にずれたピークを有するガウス分布になっている。光線を、好ましくは、より一様な照明を生じるようにずらすかまたは他の方法で修正してよい。
ケーラー照明を用いる様々な例示的な実施形態では、光源角度分布の減衰は、「V字形」プリズム202の2つの出力部のコーナーと、例えば、それに対応する、空間光変調器236の部分に位置している。(ケーラー照明では、光源は、投射光学系の瞳において、例えば無限遠において結像される。)減衰が十分に遅く、かつそれほど大きくない場合、光レベルの観測可能な変化は重要ではないことがある。しかし、減衰が急で顕著である場合、「V字形」プリズム202の出力全体にわたる変動によって、例えば、特定の環境において目に達する光が顕著に変動することがある。
しかし、様々な実施形態において、プリズム202によって出力される照明は、ほぼ一定で一様であるのが好ましい。したがって、上述のように、ガウス分布上では「トップハット」または「フラットトップ」照度分布が好ましい場合がある。プリズム202の出力面234に入射した実質的に「トップハット」の照度分布が図18に示されている。「トップハット」照度分布の、線19−19に沿った断面が図19に示されている。「トップハット」分布は、中央領域246にわたって実質的に一定であり、実質的に一定の中央領域を越えると急に減衰する。実質的に一定の中央領域246の幅は、例えば、頭部装着ディスプレイやヘルメット装着ディスプレイのようなあるディスプレイの実施形態における目の瞳のような適切な領域を充填するのに十分な大きさであるのが好ましい。「トップハット」分布が中央部分246内で実質的に一定である場合、瞳全体にわたって実質的に一定の照明を得ることができる。この「トップハット」分布はZ軸に関して円対称であるように示されているが、楕円形のような非対称的な形状が好ましい場合もある。図18は、V字形プリズムの1つの側面、あるいはそれに対応する、プリズム202の反射面および/または出力面によって照明された、空間光変調器234の部分の周縁242も示している。周縁242の1つの縁部244はプリズム202の頂点に相当している。「トップハット」分布が示されているが、光レベル、例えば照明が実質的に一定である他の分布を用いてもよい。照明は、少なくとも、「V字形」プリズム202の出力の、ある実施形態の場合の目の瞳のような関連する瞳に相当する部分にわたって実質的に一定であるのが好ましい。
光ファイバ206a,206bからの出射強度は、「トップハット」または「フラットトップ」よりもガウス型に近く、減衰がより顕著であってよい。「V字形」プリズム202の頂点が「V字形」プリズムの出力の中心に相当しているので、上述のように、回転対称的な角度分布を、矩形領域で切り取ることによって、空間光変調器236の中央の近く、したがって、ディスプレイまたは投射スクリーンの中央でより顕著な減衰を生じさせることができる。したがって、ある実施形態では、ビーム整形光学系232は、空間光変調器236の所に実質的に「トップハット」の照度分布を生じさせるのが好ましい。少なくとも1つの光学面上で非球面であるレンズ232によって、このような分布を生じさせてもよい。一体型ロッドによって、急速に減衰するフラットトップ分布のような実質的に一定の照度分布を出力させてもよい。実質的に一定の照明を生じる一体型ロッドまたはライトパイプを用いる場合、ビーム整形光学系を、照度分布をさらに平坦化するのに用いてもよく、用いなくてもよい。(様々な実施形態では、例えば一様性を向上させるために、拡散体とコリメータを一体型ロッドまたはライトパイプと一緒に用いるのが好ましい。例えば、拡散体をよい長い一体型ロッドまたはライトパイプの代わりに用いえもよく、それによって装置がよりコンパクトになる。)
非対称的なビームを生成するのに非対称的なビーム整形光学系232を用いるのも好ましい。例えば、円筒形の面を有するシリンドリカルレンズによって、円形のピークを有する分布を、矩形の領域により適した卵形の中央部分を有する分布に変換するのが有利な場合がある。上述のように、ビーム整形光学系232は、非球面およびアナモフィック(例えば、円筒形の)面を有する1つまたは2つ以上の屈折素子を有していてよい。このような非対称的なビームパターンを生成するのに、上述のように、非対称的な(例えば、矩形の)断面を有する一体型ロッドまたは非対称的な形状の(例えば、矩形の)複数のレンズレットを有するフライアイレンズを用いてもよい。非対称的な分布を得る他の手法も可能である。
非対称的なビームを生成するのに非対称的なビーム整形光学系232を用いるのも好ましい。例えば、円筒形の面を有するシリンドリカルレンズによって、円形のピークを有する分布を、矩形の領域により適した卵形の中央部分を有する分布に変換するのが有利な場合がある。上述のように、ビーム整形光学系232は、非球面およびアナモフィック(例えば、円筒形の)面を有する1つまたは2つ以上の屈折素子を有していてよい。このような非対称的なビームパターンを生成するのに、上述のように、非対称的な(例えば、矩形の)断面を有する一体型ロッドまたは非対称的な形状の(例えば、矩形の)複数のレンズレットを有するフライアイレンズを用いてもよい。非対称的な分布を得る他の手法も可能である。
以下により詳しく論じるように、拡散体240はまた、実質的に一様な光レベルを生じさせるように構成されるのが好ましい。拡散体は、入射光を、図20に示されているような円錐状の角度内に散乱させる複数の散乱部を含んでいてよい。拡散体を、この円錐状の角度θを実質的に制限するように構成してよい。さらに、拡散体を、強度が分布I(θ)にしたがって角度に応じて変化する特定の角度分布を生じるように構成してもよい。ある好ましい実施形態では、例えば、この角度分布は「トップハット」分布に実質的に一致している。トップハットおよびガウス角度分布248,250が図21に示されている。(これらのような分布は、それらに対応する双方向散乱分布関数BSDFに類似している。)ガウス分布250では、強度は、中心の角度θ0でピークになっているが、角度が中心角より大きくなるにつれて、および中心角より小さくなるにつれて徐々に減衰している。これに対して、「トップハット」分布248は、角度の一部252で、実質的に同じ強度レベルになっている。しかし、この領域252の外側の角度では、強度は急速に低下している。このような分布248は、不要で無駄な過充填無しで光を所望の領域に効率的に分散させるのに有用である場合がある。
空間光変調器236の大きさは、対角線上で約6mmから40mmの間または約12mmから25mmの間であってよい。ある実施形態では、空間光変調器236は、正方形以外の形状を有していてよく、例えば、矩形であってよい。一例の実施形態では、照明される空間光変調器のアスペクト比は約3:4である。照明される領域を2つに分割すると、空間光変調器の、V字形プリズムの1つの側面によって照明される部分ではアスペクト比が約3:8になる。より広義には、出力ポートの半分によって照明される部分は約2mm×4mmから14mm×28mmの間であってよい。ただし、これらの範囲外の大きさも可能である。さらに他の形状、例えば三角形も可能である。したがって、空間光変調器236を照明するのに用いられるビームは、それぞれ約2mm×4mmから14mm×8mmの長さおよび幅を有してよい。コリメータ開口、拡散体開口、偏光子開口、およびプリズム202の入力面234および反射面の開口サイズは、1つの方向で約2mmから14mmの間であり、他の方向で約4mmから28mmの間であってよい。しかし、これらの寸法はここで述べた寸法に限定されるものではない。
図22は、頭部装着ディスプレイのようなディスプレイの、V字形プリズムによって生成された視野265を示している。黒い縞266が視野265の中央に見えている。この縞266は、図23に示されているV字形プリズムのビーム分割反射面268の有限の厚さによって生じているものである。偏光ビーム分割が複数の複屈折層によって行われる場合、複屈折層を積層することによってこの厚さが生じる。偏光ビーム分割層がワイヤグリッドを有する場合、ワイヤの高さがこの厚さに寄与する。フォトニック結晶偏光子のような他の構造が有限の厚さを有し、そのため、この縞が見えることになる場合がある。V字形プリズムの出力の一部270が、ビーム分割面の性能が低下すると影響を受ける。この領域270もビーム分割層268の厚さも、この模式図では、誇張されており、したがって、正確な縮尺で描かれているわけではない。図22に示されている縞266も同様に誇張されており、観察者に見えないことが好ましい。
縞266の大きさを小さくするために、偏光ビーム分割層268の厚さを薄くするのが好ましい。この厚さはシステムの瞳の所でのビームの数パーセント以下であるのが好ましい。様々な好ましい実施形態において、例えば、偏光ビーム分割構造268の厚さ、例えば多重複屈折層積層体またはフォニック結晶偏光子の厚さは、約5〜100マイクロメートル未満である。しかし、この範囲外の厚さも可能である。場合によってはこの効果を低減するために後置偏光子272を含めてもよい。
図24〜26は、ワイヤグリッド偏光子275の断面図である。ワイヤグリッド偏光子275は、好ましくはアルミニウムのような金属からなる複数の細長いストリップ276を有している。細長いストリップ276は互いに平行に配置されている。ワイヤ276の高さは、約20ナノメートルから60ナノメートルの間であるが、様々な実施形態ではこれより大きいかまたは小さいストリップを用いてもよい。ストリップ276は、約10ナノメートルから90ナノメートルの間の幅と、約50ナノメートルから150ナノメートルの間の周期を有してよい。ストリップ276同士は、約0.25から0.75の間のデューティサイクルを生じさせる距離だけ離されていてよい。周期は、複数のストリップ276が光を互いに異なるオーダーに回折しないように、用いられる波長に対して十分に小さいのが好ましい。したがって、光は、中央のオーダーまたはゼロオーダーに制限される。しかし、これらの範囲外の値も可能である。
図24では、基板278上に形成されたストリップ276同士は、エアギャップ280のような開き空間によって分離されている。スーパーストレート284をワイヤグリッド偏光子に固定するのに、にかわ層282または他の接着剤層が用いられている。このような実施形態では、にかわ282は粘性を有し、ストリップ276同士を分離する開き領域280内を満たさないのが好ましい。図25では、にかわ282はこれらの開き領域280を満たしている。様々な好ましい実施形態において、にかわ282は、基板278および/またはスーパーストレート284の屈折率と同様の屈折率を有している。したがって、基板278およびスーパーストレート284がBK7ガラスからなっている場合、にかわ282は約1.57の屈折率を有するのが好ましい。図25は、例えばアルミニウムからなる金属ストリップ276上に形成されていてよい酸化アルミニウム(Al2O3)のような酸化物層286を示している。図26は、ストリップのアレイ上に形成されたMgF層288を示している。このMgF層は、厚さが約0.5ミクロンから20ミクロンの間の範囲であってよいが、この範囲外の他の厚さも可能である。MgFは、この例示的な実施形態では、ストリップ276同士を分離する領域にも示されている。本発明の他の実施形態では、例えばシリカのような、MgF以外の他の材料を用いてもよい。
V字形プリズム内のワイヤグリッド偏光子275を形成する一例の工程が図27A〜27Gに示されている。例えば、図27Aに示されているように研磨によって、第1の三角形プリズム504上に実質的に滑らかな面502を形成するのが好ましい。このプリズム504は、BK7やSF57のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。ある好ましい実施形態では、このプリズム504は、斜辺506を有する直角三角形の形状の断面を有している。このプリズムの複数の面502の、少なくとも斜辺506に対応する面および断面図に示されている斜辺と向かい合う両辺の一方が、実質的に平面状であるのが好ましい。
図27Bに示されているようにプリズム504の側面上に第1のワイヤグリッド偏光子508が形成される。ワイヤグリッド偏光子508を有する互いに平行な金属ストリップのアレイを形成するのに金属蒸着およびパターニングを用いてよい。これらのストリップは、図27Bに示されている断面で斜辺506に対応する面502上に形成されるように示されている。ある好ましい実施形態では、金属ストリップを、リソグラフィックプロセスを用いてガラスウェハ510上に形成してもよい。ウェハ510を、プリズム504に接着されるかあるいは取り付けられる各部材にダイシングすることができる。空き空間によって各ストリップを分離してもよい。例えばMgFまたはシリカあるいは他の材料からなるオーバコート層を複数のストリップ上に形成してもよい。
図27Cに示されているように、第1のワイヤグリッド偏光子508を2つのプリズム間に挟んだ第1の三角形プリズムに、第1の三角形プリズム504と同様の第2の三角形プリズム514が取り付けられる。この第2のプリズム514も、BK7やSF57のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。同様に、この第2のプリズム514は、斜辺516を有する直角三角形の形状の断面を有している。少なくとも、断面図に示されている斜辺516に対応する面は実質的に平面状である。第2の三角形プリズム514を第1の三角形プリズム504に取り付けることによって、実質的に正方形の断面を有する実質的に円柱形の構造が形成される。
第1および第2の三角形プリズム504,514が、それらの間に挟まれた第1のワイヤグリッド偏光子508と一緒に、図27Dに示されているように第1の三角形プリズムを第2の三角形プリズムに取り付けることによって形成された正方形の断面の対角線に沿って切断および/または研磨される。それによって、実質的に三角形の断面を有する実質的に円柱形の構造524が形成される。この三角形の断面524は、好ましくは第1のワイヤグリッド偏光子508に実質的に直角な斜辺526を有する直角三角形である。
図27Eに示されているように、実質的に三角柱形の構造524に第2のワイヤグリッド偏光子538が加えられる。第2のワイヤグリッド偏光子538は、金属を蒸着しパターニングして複数の互いに平行な金属ストリップを形成することによって作製することができる。上述のように、ある好ましい実施形態では、リソグラフィックプロセスを用いてガラスウェハ540上に金属ストリップを形成してもよい。ウェハ540を、プリズム504に接着されるかあるいは取り付けられる各部材へとダイシングしてよい。例えばMgFまたはシリカあるいは他の材料からなるオーバコート層を第2のワイヤグリッド538上に形成してもよい。図27Eに示されているように、三角形断面の斜辺526に対応する実質的に円柱形の構造524の表面上に第2のワイヤグリッド偏光子538が配置される。したがって、第2のワイヤグリッド偏光子538は、第1のワイヤグリッド偏光子508に概ね直角であるのが好ましい。
間にワイヤグリッド偏光子538を挟んだ第1の三角形プリズムおよび第2の三角形プリズムに、第1および第2の三角形プリズム504,514と同様の第3の三角形プリズム534が取り付けられる(図27F参照)。この第3のプリズム534も、BK7やSF57のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。同様に、この第3のプリズム534は、斜辺536を有する実質的に直角三角形の形状の断面を有していてよく、少なくとも、この第3の三角形プリズム534の、斜辺に対応する面が、実質的に平面状であるのが好ましい。第3の三角形プリズムの斜辺536に対応する面は、第2のワイヤグリッド538またはその上に形成されたオーバコート層に隣接しているのが好ましい。それによって、第1および第2の三角形プリズム504,514に第3の三角形プリズム534を取り付けることによって、実質的に正方形の断面を有する実質的に円柱形の構造544が形成される。この正方形の断面は、4つの辺を有し、2つの辺が、それぞれ第1および第2の三角形プリズム504,514によって形成され、2つの辺が、第3の三角形プリズム534によって形成されている。第1のワイヤグリッド508は、この正方形断面の第1の対角線の一部に沿って延び、一方、第2のワイヤグリッド538は、正方形断面の、第1の対角線に直交する第2の対角線に沿って延びている。
第3の三角形プリズムの一部および第1または第2の三角形プリズムの一部を概ね正方形の断面の1つの辺に沿って除去することによって、第1、第2、および第3の三角形プリズム504,514,534が、第2のワイヤグリッド偏光子538と一緒に切断され、および/または研磨される。図27Gでは、第1の三角形プリズム504の一部が、第3の三角形プリズム534の一部と一緒に除去されている。ある好ましい実施形態では、切断および/または研磨によって実質的に平面状の面542が形成される。第1および第2のワイヤグリッド508,538の、後に残った部分は、この実質的に平面状の面542に向かって、この実質的に平面状の面に対して約40度から50度の角度でかつ互いに対して約80度〜100度の角度に延びているのが好ましい。さらに、第1および第2のワイヤグリッド508,538も好ましくはこの実質的に平面状の面542まで延びるように、切断および/または研磨によって十分な材料が除去される。こうしてV字形プリズム550が得られる。MgFコーティングを用いる場合、第1または第2の三角形プリズム504,514を第3の三角形プリズム534と一緒に研磨することによって材料を除去するかどうかに応じて、わずかな非対称性を生じさせてもよい。
V字形プリズムを形成するプロセスの変形が可能である。例えば、ある実施形態では実質的に平面状の面を形成しなくてもよい。V字形プリズム上に、パワーを有する曲面を形成してもよい。ワイヤグリッド偏光子510,538を作製する他の方法も可能であり、MgF層510,540の一方または両方を含めても含めなくてもよい。他の処理ステップを追加するか、あるいはあるステップを削除または変更するか、または異なる順序で実行してもよい。例えば、ある実施形態では、複数の金属ストリップを直接プリズム上に蒸着しパターニングするのではなく、ワイヤグリッドを備える平坦部材を三角形プリズムに接着してもよい。これから開発される技術を含む、V字形プリズムを形成する他の技術を用いてもよい。
様々な好ましい実施形態において、光学系200は、V字形プリズムを備える光学楔254をさらに有していてよい。この光学楔254を、例えば、図28に示されているように「V字形」プリズムの(中間)外面と空間光変調器236との間に配置してよい。楔254は例えば、光に対して実質的に透光性のガラスのような材料のプレートからなっていてよい。しかし、このプレートは、一方の面が他方の面に対して傾斜している。したがって、楔254の厚さは領域全体にわたって変化している。光学楔254は、ビームが楔を通過するように焦点を合わされた時に非点収差およびコマ収差を生じさせる。この非点収差およびコマ収差を、結像光学系54のような他の光学素子によって生じさせられる非点収差およびコマ収差を相殺するのに用いることができる。光学楔は例えば、Chenに発行され、引用によって全体が本明細書に組み込まれる特許文献1に記載されている。
図28に示されている光学楔254は、エアバッグギャップであってよいギャップによってプリズム202から分離されている。これに対して、図29は、楔がプリズムに組み込まれた楔形プリズム256を示している。楔形プリズム256は例えば、1つの出力面と、他の出力面に対して傾斜した中間出力面とを有してよい。このプリズム256も非点収差およびコマ収差を生じさせ、システム200内の他の位置の構成部材によって生じさせられる非点収差およびコマ収差の効果に相殺するのに用いることができる。しかし、ある状況では、ギャップによってプリズム202から分離された楔254によって光学性能が向上する。
楔形プリズム256を用いたある実施形態では、拡散体は、一様性を向上させる、図21に示されているような「トップハット」角度分布248を有するのが好ましい。そうでなければ、照度分布の非一様性が高くなることがある。図30は、楔形プリズム256を含む各実施形態での液晶空間光変調器236全体にわたる照度のグラフを示している。図21に示されているようなガウス角度分布250を有する拡散体240によって、照度の低下部を有する第1のグラフ258によって示されている照度分布が生じる。図21に示されているような「トップハット」角度分布248を有する拡散体240によって、領域全体にわたって実質的に一定の照度を有する第2のグラフ260によって示されている照度分布が生じる。楔形プリズム256は、ギャップによってプリズムと空間光変調器236が分離されている、図28に示されているようなプリズム202と楔254の組合せで置き換えることができる。この結果、実質的に一定の照度が得られる。このような構成によって、拡散体240の角度の一様性の必要性が低減される。例えば、ガウス分布を有する拡散体240と「フラットトップ」分布を有する拡散体はどちらも適切に機能することができる。
1.3度の楔を有する楔形プリズム256の場合の、空間光変調器236全体にわたる照度のマッピングが図31に示されている。実質的な一様性が示されている。図32は、単位面積当たりの光束(ルクス単位)のヒストグラムである。このグラフは、空間光変調器236上で受け取られた単位面積当たりの光束が狭い範囲内の値になっているのを示している。
一様性は例えば、楔254がプリズム202から、それらの間のギャップによって分離されている例ではより高くなる。図33は、このような場合の照度のマッピングを示している。ばらつきは±12%以内である。図34は、照度レベルのばらつきが、より小さい範囲になっているのを示している。照度レベルは、特定のシステム構成または用途に応じていてよい。これらの範囲外の値も可能である。
楔形プリズム356の性能は、「V字」を、楔を形成する傾斜面に対して回転させた場合に向上することもある。このような構成では、楔の厚さは、「V字」形構成部材の頂点を形成する縁部に平行な方向に沿った位置に応じて厚くなっている(または薄くなっている)。
ある実施形態では、色画像、グラフィクス、テキストなどを生成するために色分割プリズムをV字形プリズムに一緒に含めてもよい。図35は、V字形プリズム602とX字形立法体604とを有するプロジェクタ用の光学系を示している。V字形プリズム602は、投射レンズ606とX字形立法体604との間に配置されている。X字形立法体はミネソタ州セントポールの3Mから入手することができる。
V字形プリズム602は、好ましくは偏光された照明を受け取る第1および第2の入力ポート608を有している。V字形プリズム602は、第1および第2の入力ポート608を通して受け取った照明を反射する第1および第2の偏光ビーム分割面610をさらに有している。第1および第2の偏光ビーム分割面610は、第1および第2の入力ポート608を通して受け取った光をX字形立法体604の中央入出力ポート612に反射するように向きを設定されている。
X字形立法体604は、ある波長の光を反射し、他の波長の光を透過させる第1および第2の反射色フィルタ614をさらに有している。第1および第2の反射色フィルタ614は、それぞれの波長特性を有し、それに応じて、それぞれ第1および第2の空間光変調器618が配置された第1および第2の色ポート616に、ある色の光を反射するように配置されるのが好ましい。X字形立法体604は、第1および第2の反射色フィルタ614を越えた位置に配置され、第1および第2の反射色フィルタによって反射されなかった光を受け取る第3の色ポート620をさらに有している。第3の空間光変調器622が、この第3の色ポート620からの光を受け取るように配置されている。様々な好ましい実施形態において、二次元空間パターンを生成するのに、光を選択的に反射する反射空間光変調器を用いてよい。第1および第2の空間光変調器618によって反射されてそれぞれのポート616を通った光は、それぞれ、第1および第2の反射色フィルタ614によって反射される。第3の空間光変調器622によって反射されて第3の色ポート614を通った光は、それぞれ、第1および第2の反射色フィルタ614を透過する。したがって、空間光変調器618,622によって返された光は、X字形立法体604およびX字形立法体の中央入出力ポート612を通過する。この光は引き続きV字形プリズム602を通過し、投射光学系606に入射しそれを通過してスクリーン624に達し、複合色画像が形成され視認される。
例えば偏光子、拡散体、ビーム整形光学系のような他の構成部材を含めてもよい。ある実施形態では、X字形立法体604と空間光変調器618,622との間に光学楔を含めてもよい。他の構造、構成、および動作態様も可能である。
他の種類の色装置を用いてもよい。図36は、V字形プリズム652およびフィリップスプリズム654を有する背面投射テレビジョン用の光学系650を示している。V字形プリズム652は、投射レンズ656とフィリップスプリズム654との間に配置されている。フィリップスプリズムはマサチューセッツ州ウェイランドのRitcher Enterprisesから入手することができる。
V字形プリズム652は、好ましくは偏光された照明を受け取る第1および第2の入力ポート658を有している。V字形プリズム652は、第1および第2の入力ポート658を通して受け取った照明を反射する第1および第2の偏光ビーム分割面660をさらに有している。第1および第2の偏光ビーム分割面660は、第1および第2の入力ポート658を通して受け取った光をフィリップスプリズムの中央入出力ポート662に反射するように向きを設定されている。
フィリップスプリズム654は、ある波長の光を反射し、他の波長の光を透過させる第1および第2の反射色フィルタ664,665をさらに有している。第1および第2の反射色フィルタ664,665は、それぞれの波長特性を有し、それに応じて、第1および第2の空間光変調器668,669がそれぞれ配置された第1および第2の色ポート666,667に、ある色の光を反射するように配置されるのが好ましい。フィリップスプリズム654は、第1および第2の反射色フィルタ664,665を越えた位置に配置され、第1および第2の反射色フィルタによって反射されなかった光を受け取る第3の色ポート670をさらに有している。第3の空間光変調器672が、この第3の色ポート670からの光を受け取るように配置されている。
様々な好ましい実施形態において、二次元空間パターンを生成するのに、光を選択的に反射する反射空間光変調器を用いてよい。第1および第2の空間光変調器668,669によって反射されそれぞれのポート666,667を通った光はそれぞれ、第1および第2の反射色フィルタ664,665によって反射される。第3の空間光変調器672によって反射され第3の色ポート670を通った光は、第1および第2の反射色フィルタ664,665を透過する。したがって、空間光変調器667,668,672によって返された光は、フィリップスプリズム654およびフィリップスプリズム654の中央入出力ポート662を通過する。この光は引き続きV字形プリズム652を通過し、投射光学系656に入射しそれを通過して一対の鏡(不図示)に至り、この鏡によって、複合色画像がスクリーン上に形成され視認される。上述のように、例えば偏光子、拡散体、ビーム整形光学系などのような他の構成部材を含めてもよい。さらに、ある実施形態では、フィリップスプリズム654と空間光変調器668,669,672との間に光学楔を含めてもよい。
図35および36は、V字形プリズム602,652に光を結合するのに用いられる光学構成部材を示していない。しかし、上述のように、光が通る空洞を形成する複数の共形壁を含むライトパイプおよびライトボックスと、複数の鏡ならびに複数の他の屈折、反射、および回折光学構成部材を用いて照明を行ってよい。照を、光ファイバ、ファイバ束、剛性または可とう性の導波管などによって行ってもよい。小型化が考慮される場合には、このような構成は、全体の大きさを小さくするように光性されてよい。
図37は、システムの幅を短くするために、入力ビームを折り曲げる鏡270を光学系200に含めてよい一例を示している。折り曲げ鏡270は、図示のように平面状鏡反射面を有していても、あるいは他の反射光学素子を有していてもよい。図37に示されているように、このビーム折り曲げ鏡270は、照明器光路に容易に組み込むことができる。折り曲げ鏡270によって、ビームの光路が屈曲させられ、システムの幅が短くなり、それによってコンパクトなパッケージングが容易になる。様々な好ましい実施形態では、この光路は約90度だけ屈曲しているが、他の角度も可能である。システムの幅に相当する寸法dが図37に示されている。様々な好ましい実施形態において、この寸法dは、1〜3インチであってよく、約2インチであるのが好ましい。しかし、折り曲げ鏡は迷光の影響を増大させる。
様々な実施形態において、空間光変調器236の所に調節された非一様な照明を当てるのが望ましい。例えば、ある場合には、(角度が大きくなるに従ってわずかにのみ減衰する強度分布を有する)空間光変調器236の所の照明が一様であると、光学系の出力の所に非一様な分布が生じる。上述のように、多くの光学系結像系では、例えば、Fナンバーまたは光学系によって集光された円錐状の光線は、歪みのために領域全体にわたって変化する。このような結像系の物体領域を一様に照明すると、物体領域内の様々な位置からそれぞれ異なる量の光が集まり、それに応じて、画像面で照度が変動する。空間光変調器の所の照明を非一様にすることによって、この影響を補償して画像領域で一様性を確保することができる。
したがって、ディスプレイ全体にわたる空間照度分布が一様であることによって、観測者の見る一様性に明暗差が生じる場合、明暗差を補償するのに非一様な照度を用いることができる。照度の線形変化を補償する1つの方法は、図38に示されているような軸外照明を用いることである。この実施形態では、ファイバ出力およびビーム整形光学系236の光軸は、フレネル視準レンズ238、拡散体240、偏光子、および「V字形」プリズム入力234を通る光軸に対して斜めに向けられている。光源およびビーム整形光学系236は、フレネルレンズ238および「V字形」プリズム202に対して適切に回転させられ、フレネルレンズ、拡散体240、および「V字形」プリズムは、ファイバ出力およびビーム整形光学系232に対して偏心させられている。同様に、ファイバ光学系206a,206bおよびビーム整形光学系232からフレネル視準レンズ238に伝搬する光線の光路は、フレネルレンズ、拡散体240、偏光子、および「V字形」プリズムの入力234を通るビームの光路に対して斜めに向けられている。図38は、Z軸に平行な軸線を中心としたビーム整形光学系の回転およびX方向における偏心を示している。V字形プリズムに対する光源のこの傾斜は、例えば、約5度から45度の間の範囲であってよく、例えば約26度であってよい。V字形プリズムを通る中心軸線に対する光源の偏心は、ある場合には約11mmから25mmの間であってよいが、これらの範囲外の値も可能である。
この実施形態では、ビーム整形光学系232は、円筒形の面を有するレンズを有している。上述のように、この円筒形の面は、「V字形」プリズム202の矩形の入力面の集光効率を向上させる。結果として得られる効率は、一様な照明構成で実現される効率と実質的に同様である。光学系200内の他の素子にも傾斜、偏心、および/または軸外しを行ってもよい。他の変形も可能である。
傾斜および偏心の結果として、フレネル視準レンズ238、拡散体240、偏光子、プリズム202の入力234、および液晶空間光変調器236全体にわたって照明が非一様になる。特に、この実施形態では、「V字形」プリズム202および空間光変調器236の中間出力全体にわたる照度が、図39および40のグラフによって示されているように、徐々に変化している。この実施形態では、高照度から低照度までのこの明暗差は、「V字形」プリズムの頂点に平行なX方向に沿って延びている。図示のように、ビーム整形光学系232からフレネル視準レンズ238までの光路距離は、領域全体にわたって変化しており、それに応じて照度の変化が生じる。
この構成は、光学系、例えば結像光学系54の非一様性を相殺し、最終的に画像面に一様性を生じさせる物体領域の特定の照明であってよい所望の照明が得られるように選択されるのが好ましい。一例の構成は、軸外し結像系54の非一様性を相殺し、画像領域に一様性をもたらすように適切に調整することができる、図38に示されている軸外照明である。しかし、様々な方法で調整される他の構成を、所望の効果を得るために用いてもよい。例えば、透過性が徐々に変化しており、または透過率がプレートの幅に沿った位置に応じて変化している吸収板を用いてもよい。他の構成も可能である。さらに、照度は、空間光変調器236の幅に沿った位置Xに応じて、概して小さくなる値として示されているが、照明の変化は他の形態をとっていてもよい。光学系200は、空間光変調器236全体にわたって所望の照明を行うように構成されるのが好ましい。ある場合には、所望の形状は、空間光変調器236の重要な部分全体にわたって概して減衰し、例えば、実質的に単調に減衰する照明である。例えば、照明の、一端と他端の比率は、約15mmから45mmの間の横方向距離にわたって約2:1から6:1の範囲であってよい。この距離は、空間光変調器が例えば、約17mm×9mmである場合、例えば約26mmであってよい。しかし、これらの範囲外の値も可能である。
様々な実施形態において、拡散体240は横方向に徐々に変化している。拡散体240は、拡散体にわたる複数の位置に横方向に配置され、拡散体を通過する光を散乱させる複数の散乱部材(例えば、回折部材)を含んでいる。図41および42に示されているように、拡散体に入射した光は、これらの回折部材によって複数の方向に散乱させられ、拡散体内の回折部材によって決まる大きさを有する投影立体角を満たす。図示のように、光が散乱する投影立体角は、拡散体上の様々な位置に応じて異なる角度であってよい。拡散体内の散乱部材は、光が散乱する投影立体角が、拡散体上の横方向位置に応じて大きくなるように配置されるのが好ましい。したがって、第1の位置260に入射した光は、第1の投影立体角Ω1に散乱され、第2の位置262に入射した光は、第2の投影立体角Ω2に散乱され、第3の位置264に入射した光は、第3の投影立体角Ω3に散乱される。これらの位置は、図42に、X方向に沿って順に配置されるように示されている。同様に、3つの位置260,262,264に結び付けられた投影立体角Ω1、Ω2、Ω3は、光が拡散体の一方の側での位置ではより小さい角度内に分散させられ、拡散体の他方の側での位置ではより大きい角度内に分散させられるように漸次大きくなっている。
拡散体全体にわたる散乱特性の漸次的変化は、様々な用途において有用である場合がある。例えば、上述のように、結像光学系は、領域に応じて変化するFナンバーまたは開口数およびそれに対応する集光角度を有していてよい。照明が液晶空間光変調器236によって一定の投影立体角内に反射される場合、照明の投影立体角は、結像光学系の各集光角度と合っていなくてもよい。液晶変調器236上の幾つかの領域点からの光は、結像光学系の開口を満たしてもよいが、他の領域点からの光は、それに対応する、結像光学系の開口を満たすことができなくてもよい。
ヘルメット装着ディスプレイを含む頭部装着ディスプレイのようなディスプレイでは、結像光学系の開口が目12の瞳に位置するのが好ましい。結像構光学系の開口が十分に充填されない場合、目の瞳のわずかな動きによって、網膜によって受け取られる光が大幅に減少することがある。したがって、観察者の目および頭部が横方向に移動して目の瞳上の位置がずれることがあるので、公差を大きくするのが望ましい。
過充填が、可能な解決策である。空間光変調器が光を放射する投影立体角は、いずれの場合にも結像光学系の開口を満たし、幾つかの領域点については開口を過充填してよい。しかし、この手法は、開口の外側の光が捨てられるので効率的ではない。さらに、結像光学系の開口の外側の光は、吸収されない場合がり、散乱されて視野内に戻り、画像のコントラストを低下させる可能性がある。
したがって、様々な好ましい実施形態において、光が空間光変調器236から伝搬する投影立体角は、それに対応する、結像光学系の集光角度に実質的に合わせられる。例えば、結像光学系のFナンバーが領域位置に応じて変化している場合、液晶変調器236の出力に結びついた投影立体角も領域に応じて変化するのが好ましい。上述のような漸次変化した拡散体によってこの効果を生じさせることができる。拡散体240は、光を、拡散体にわたって大きさが大きくなっていく投影立体角内に反射するのが好ましい。この光によって、反射空間光変調器236が照明される。光は、液晶変調器236から、空間光変調器にわたって大きくなっていく投影立体角に反射される。これらの大きくなっていく投影立体角は、結像光学系の、やはり領域位置に応じて大きくなっていく集光角度と実質的に合っているのが好ましい。空間光変調器236上の様々な点での投影立体角が、結像光学系の各集光角度と実質的に等しければ、結像光学系の開口は、特定の各領域位置で効率的に充填される。
様々な好ましい実施形態において、図38に示されている軸外照明構成によって得られるような非一様で、より具体的には徐々に変化した照明が、拡散体にわたる横方向位置に応じて徐々に変化した散乱特性を有する漸次変化した拡散体と組み合わされる。漸次変化した照明が図39および40に示されている。拡散体全体にわたるこのような照度分布を、拡散体240が光を散乱させる、徐々に大きくなった投影立体角と組み合わせることができる。この組合せによって、より高い照度およびより広い投影立体角を選択してより低い照度と実質的に同じ輝度およびそれに対応する、より狭い投影立体角を生じさせることができるため、実質的に一定の輝度が得られ、好ましい。
図42に示されている例では、第1の位置260に入射した光は、照度I1を有し、第1の投影立体角Ω1に散乱させられ、結果として輝度L1を生じさせる。第2の位置262に入射した光は、照度I2を有し、第2の投影立体角Ω2に散乱させられ、輝度L2を生じさせる。第3の位置264に入射した光は、照度I3を有し、第3の投影立体角Ω3に散乱させられ、それにより結果として輝度L3を生じさせる。この場合、照度は、拡散体240にわたる横方向位置に応じて、I1<I2<I3のように徐々に高くなっている。同様に、3つの位置260,262,264に結びついた投影立体角Ω1,Ω2,Ω3は徐々に広くなっている。したがって、比較的少ない光が、比較的狭い角度範囲にわたって分散させられ、一方、比較的多い光が、比較的広い角度範囲にわたって分散させられる。ある実施形態では、例えば、投影立体角は拡散体全体にわたって0ラジアンからπラジアンに変化してよい。空間光変調器を照明するのに用いられる拡散体の一端での投影立体角と拡散体の他端での投影立体角との比率は例えば、2:1から6:1の範囲であってよい。しかし、これらの範囲外の値も可能である。それによって、照度(例えば、I1、I2、I3)と投影立体角(例えば、Ω1、Ω2、Ω3)を適切に合わせれば、拡散体240の全体にわたって実質的に一定の輝度を実現することができる。したがって、L1、L2、およびL3は実質的に等しいのが好ましい。
空間光変調器236の所の実質的に一定の輝度のグラフが図43に示されている。空間光変調器236の輝度は例えば、場合によっては用途および/またはシステム構成に応じて、約10ニトから150ニトであってよい。これらの値は、目における輝度に相当している。LCDにおける輝度は、結像光学系における損失を補償するためにより高いのが好ましい。図44は、空間光変調器236上で受け取られる面積当たりステラジアン値当たりの光束がほぼ同様であるのを示す輝度(ニト単位)のヒストグラムである。照度のばらつきは、例えば、ディスプレイの狭い領域にわたっては10%未満であり、ディスプレイの任意の2つの点間で50%であってよい。様々な用途に応じて、このばらつきの、様々仕様を用いてよい。例えば、幾つかの実施形態では、LCDの所の輝度のばらつきは、約1.5より大きい係数だけ変化しないのが好ましい。したがって、空間光変調器236は、その様々な位置で一定の輝度を有するように見えるのが好ましい(液晶は画像やパターンを生成するように変調されないと仮定する)。この組合せを用いない場合、ディスプレイ、プロジェクタ、または他の光学系は、観察者には非一様に照明されているように見える。
非一様な照明および一様な照明を生じる他の構成を用いてもよい。図45では、例えば、ライトパイプ680によって、ライトボックスを横切って配置された複合放物型集光器(CPC)684のような複数の角度面積変換器に光学的に結合されたライトボックス682に光が送り込まれる。このライトボックス682は通常、例えば、複数の拡散反射側壁またはテクスチャ加工された複数の面によって形成されたチャンバを有している。このようなライトボックスは、直接視認用途向けのLCDバックライトとして用いられるものと同様である。角度面積変換器は、複数の側壁の1つに配置されている。20個の例示的な角度面積変換器684、ここでは複合放物型集光器684が示されている。図示の実施形態では、これらの集光器684のそれぞれは、各角度面積変換器684を通る光軸688に沿って互いに向かい合って位置する一対の放物反射器686を有している。間隔を置いて配置された一対の放物反射器686によって、入力開口および出力開口690,692が形成され、開口数が定められている。図45に示されている実施形態では、複数の角度面積変換器684の入力開口690および開口数は、ライトボックス682を横切る長手方向位置(X方向)に応じて大きくなっている。開口数も増えているが、出力開口は、複数の角度面積変換器684について実質的に同じである。
図45は断面図であり、したがって、ライトボックス682の側壁も角度面積変換器686もZ方向にも延びている。したがって、角度面積変換器684は、図45の断面図に示されている光軸688に対応する面に関して対称である。ライトボックス682および複数の角度面積変換器688は、V字形プリズムの1つの入力面の前方に配置されている。
矢印で示されているように、ライトパイプ680は光をライトボックス682内に結合している。この光は、複数の角度面積変換器684を通ってライトボックス682から出射する。様々な開口数および様々な開口690によって、横(X)方向の照明と光が出力される投影立体角が調節される。
したがって、角度面積変換器は、入力の所の、より広い面積を出力の所でより大きい開口数に変換する。出力の所の開口数を多くすることは、領域全体にわたって位置に応じて大きくなるFナンバーに合わせるのに有用である。一定の輝度を得るために、出力の所のより多い開口数に適合するように入力開口を多くすることによってより多くの光が集められる。
複合放物型集光器は、ライトボックス682を有する角度面積変換器684として良好に働く。複合放物型集光器に入る輝度は、複合放物反射器から出る輝度に等しい。Fナンバーは、複合放物反射器の入力の、様々な大きさを用いることによって調節される。入力の大きさがライトボックス682にわたって変化しているため、CPC間のギャップによって、光がライトボックス682から直ちに出射するのが防止されるが、この光は、再びライトボックス内に反射され、再循環させられ、その後、複合放物型集光器を通って出射する。しかし、CPCの出力開口間のギャップによって、領域全体にわたって「平均」空間輝度が変化する可能性がある。
したがって、複数の角度面積変換器684によって、V字形プリズムの入力面に達する照明を調節することができる。ある好ましい実施形態では、照度および投影立体角は、実質的に一定の輝度を生じるように変化している。非一様な照度および一様な輝度が得られるように複数の角度面積変換器684を選択してよいが、一様な照度および/または非一様な輝度が得られる他の構成が可能である。他の種類の構成を用いてもよい。他の実施形態では、ライトボックスおよび角度面積変換器以外の構成部材を用いてもよい。複合放物型集光器とは異なる他の種類の角度面積変換器を用いてもよい。ある実施形態では、開口数が増えていく複数のレンズを有するレンズアレイを用いてもよい。
ディスプレイ、プロジェクタ、および他の光学系を照明するための手段は、ここに具体的に示す実施形態に限定されるものではない。例えば、具体的に説明した様々な構成部材を含めてもあるいは除外してもよく、各構成部材の相互関係を変更してもよい。例えば、拡散体240の所で非一様な照明を得る、図38に示されている軸外し方式以外の構成を用いてもよい。拡散体240は、回折光学素子、ホログラフィック光学素子、ホログラフィック拡散体のような当技術分野で公知の装置からなっていても、これから開発される構造を有していてもよい。さらに、2つのポート208,210を有する「V字形」プリズム202を含む実施形態を示したが、他のビーム分割素子を用いてもよく、また入力ポートの数を2つに限定する必要はない。システムは、2つまたは3つ以上の入力ポートを含んでいてもよい。照明を空間光変調器236上に向ける他の技術を用いてもよい。ただし、「V字形」プリズムのような偏光ビームスプリッタ202によって幾つかの利点が得られる。複合色画像を得るために種々の構成および手法が可能である。
さらに、様々な位置に可変散乱特性を有する拡散体240上に入射する照明を調節することが、ディスプレイ、プロジェクタ、および他の光学系の光学特性を向上させるうえで有力な手段となることがある。散乱については、ここでは一定の輝度を与えることに関連して説明したが、一定でない所望の輝度曲線を生じるように他の方法で散乱を調整してもよい。他の変形も可能である。したがって、照明と拡散器240の散乱構成または光分散構成は異なるものであってもよい。
「V字形」プリズム302のような偏光ビームスプリッタを含むヘルメット装着ディスプレイ、またはより広義には頭部装着ディスプレイのような表示装置300の一例が図46に示されている。このディスプレイは、「V字形」プリズム302の近くに液晶空間光変調器304を有している。光路は、空間光変調器304から「V字形」プリズム302および結像または投射光学系306を通って延びており、コンバイナ308によって、瞳312を含む観察者の目310に反射される。コンバイナ308により、結像光学系306によって投射された画像が目310の中に折り曲げられる。コンバイナ308は、したがって、観察者が周囲の環境313と空間光変調器304によって生成された画像およびパターンとの両方を見ることができるように少なくとも部分的に透過性であってよい。コンバイナ308は、例えば、ヘルメット上に取り付けられたバイザからなっていてよい。コンバイナ308を、イマーシブバーチャルリアリティに用いられているような透過性ではない頭部装着ディスプレイに用いることができる。図46に示されているコンバイナ308は実質的に平面状である。
凹状のコンバイナ308を有するディスプレイ300が図47に示されている。このコンバイナ308は、投射光学系306の出射瞳を着用者の目の瞳312上に結像するための収束光パワーを有している。このようなコンバイナ308によって、図示のように、結像光学系306の開口の大きさ、したがって結像光学系306の大きさおよび重量を減らすことができる。光学リレーの一部としての倍率付きの光学的なコンバイナ308によって広い視野を生じさせてもよい。
空間光変調器304によって生成された画像を無限遠(または近無限遠)に投射するディスプレイ300が図48に示されている。中間投射画像307が、投射光学系306とコンバイナ308との間に位置するように示されている。投射された画像307のバーチャル画像が、コンバイナ308によって無限遠(または近無限遠)、例えば、目310によって見るのに快適な遠く離れた位置に生成される。したがって、(破線で示されている)光線は実質的に視準されるように示されている。このコンバイナ308は部分的または全体的に反射性であってよい。
目の瞳112に結像光学系306の出射瞳の画像を形成する倍率付き軸上コンバイナ308を有するディスプレイ300が図49に示されている。ビームスプリッタ309によって、プロジェクタ光学系306からのビームがコンバイナ308に向けられる。図示のコンバイナ308は、コンバイナ308を通過する光軸に関して円対称または回転対称であるように示されている。同様に、中央光線束は、軸上光学コンバイナ308に角度零で入射する。他の種類の軸上コンバイナは平坦である。図47および48のコンバイナ308は軸外しコンバイナであり、コンバイナ308を通る各光軸に関して円対称ではない。
軸上コンバイナは、中央光線束に関して回転対称であるという利点を有している。したがって、コンバイナによって生じさせられる収差を、やはり中央光線束に関して回転対称な面を用いて投射光学系内で修正してもよい。軸上コンバイナの欠点は、ビームスプリッタも用いられ、したがって、構成の重量が重く大きさが大きくなることである。
しかし、軸外しコンバイナは、光が倍率付き反射面から斜めに反射するので軽量であり、瞳の画像(図47参照)と意図されたディスプレイ画像(図48参照)との両方により多くの収差(主として非点収差)が生じる可能性がある。このような収差を低減するために、コンバイナ面を、非球面、例えば環状面や、アナモフィック面や、他の種類の面にすることができる。
画像の収差と瞳の収差との両方を調節するのが好ましい。瞳画像をほとんど修正しない場合、例えば、瞳の近くの(光線が横切る領域)火面が大きくなり、したがって、光線を途中で受けるのに大直径の光学系を用いるのが好ましくなる場合がある。さらに、瞳の収差を画像の収差から完全に分離することはできない。例えば、幾つかの画像領域位置の光線束同士が結像光学系に達する前に交差し、他の光線束が交差しなかった場合、結像光学系に領域位置が「乱雑な」順序で生じ、画像の修正が困難になる可能性がある。
好ましい一実施形態では、円錐面およびより具体的には回転楕円面を有するコンバイナを用いてもよい。この楕円面は、着用者の目の所に、またはその近くに位置する2つの円錐焦点のうちの1つを有し、他方の円錐焦点は投射光学系の瞳の所に、またはその近くに位置しているのが好ましい。
このような構成によって幾つかの利点が得られる。円錐面は回転面であるので、この面を単一軸ダイヤモンド旋削によって作製することができる。部品を射出成形、圧縮成形、または鋳造を用いて大量生産する場合、型インサートを、射出成形によって製造してもよい。さらに、一方の円錐焦点が目の所にあり、他方の円錐焦点が投射光学系の瞳の所にある場合、瞳の非球面収差をかなり軽減するかまたは無くしてもよい。さらに、領域内の全ての点に対する中央光線が瞳の中心を横切るのが好ましく、それによって、上述の「乱雑さ」はかなり軽減されるかまたは無くなる。さらに、一方の焦点が瞳の所にある場合、円錐面によって非点収差が生じさせられることがないので、画像の非点収差が軽減される。
図50は、空間光変調器402と、空間光変調器を照明する「V字形」プリズムのようなビームスプリッタ404と、結像光学系406と、コンバイナ408とを有する一例の表示装置400を示している。表示装置400は、ヘルメット装着ディスプレイのような頭部装着ディスプレイを有していてよい。したがって、コンバイナ408は、空間光変調器402を用いて形成された画像を装着者の目の前方視野に結合する。「V字形」プリズム404は、システム400の大きさおよび重量を減らすために高屈折率フリントからなっていてよい。表示装置400は、上述のように「V字形」プリズム404と空間光変調器402との間に楔409をさらに含んでいる。楔409は、収差を効果的に抑制し、同時に、システム400の大きさおよび重量を最低限に抑える高屈折率クラウンからなっていてよい。コンバイナ408は、(楕円414として断面図に示されている)楕円面の形状に合った「楕円形」コンバイナである。楕円の一方の焦点は、目の瞳に相当するのが好ましい絞りの所にある。
表示装置400の好ましい一実施形態についての仕様が、表1および2に示されており、これらには、光学素子A1〜A13の光学パラメータが記載されている。これらの光学パラメータには、曲率半径、厚さ、材料、および、適宜、非球面曲率、傾斜、および偏心を示す用語が含まれている。曲率半径、厚さ、および偏心のデータはミリメータ単位である。よく知られているように、非球面は、以下の数式によって定義することができる。
Aρ4+Bρ6+Cρ8+Dρ10+Eρ12+Fρ14...
ここで、ρは半径方向の寸法である。面が非球面である場合は、これらの定数A,B,C,Dなどのうちの1つまたは2つ以上の、ゼロでない値が記載されている。さらに、表面が円錐面である場合は、円錐定数kを与えることができる。表IIの表面の幾つかのについては、Y軸を中心とした傾斜とYおよびZ方向の偏心も含まれている。
Aρ4+Bρ6+Cρ8+Dρ10+Eρ12+Fρ14...
ここで、ρは半径方向の寸法である。面が非球面である場合は、これらの定数A,B,C,Dなどのうちの1つまたは2つ以上の、ゼロでない値が記載されている。さらに、表面が円錐面である場合は、円錐定数kを与えることができる。表IIの表面の幾つかのについては、Y軸を中心とした傾斜とYおよびZ方向の偏心も含まれている。
結像光学系406は、各々がガラスからなる10個の屈折レンズA2〜A11を有している。結像光学系406は2つの群を有している。第1の群は単一のレンズA2を有している。第2の群は残りのレンズA3〜A11を有している。楕円形コンバイナA1からの領域収差は、第1の群のレンズA2によって部分的に打ち消され、レンズA2は、低屈折率メニスカスレンズであり、第2の群のレンズA3〜A10の群軸線もコンバイナの軸線も共有していない。特に、メニスカスレンズA2は、光学系内の残りのレンズA3〜A11およびV字形プリズムA12に対して傾斜させられ、および/または偏心させられている。したがって、この傾斜したレンズA2は第1の光軸を有し、このレンズは第1の光軸に関して回転対称である。同様に、第2の群の複数のレンズA3〜A11は、それらに対応する第2の光軸を有し、これらのレンズは第2の光軸に関して回転対称である。しかし、2本の光軸は互いに異なり、平行ではない。(第1の群の)1枚のレンズのみが(第2の群の)他のレンズに対して傾斜しているのが好ましいが、他の実施形態では、第1の群は、第1の光軸に沿って揃えられた2つ以上のレンズを有している。
結像光学系406を構成するこれらのレンズのうちの1つA4は、非球面状の面を有している。この非球面は、球面収差を修正するために、中間瞳の近くに位置している。接着されたダブレットA5/A6、A8/A9、およびA10/A11によって色修正が行われる。
このシステムの入射瞳の直径は15.0mmである。視野は、水平軸線に沿って50度から−15度の間、鉛直軸線に沿って25度から−25度の間と評価される。結像光学系406は出射瞳を有しており、この出射瞳は、コンバイナ408によって結像され、目の瞳(不図示)が位置することのできる共役瞳412を形成している。
図51は、表示装置400の他の実施形態を示している。この表示装置400の好ましい一実施形態についての仕様が表3および4に示されている。9つの光学素子B1〜B9の光学パラメータが記載されている。光学素子の1つB1は反射コンバイナ408に相当している。光学素子の1つB8はV字形プリズム408に相当し、光学素子の1つB9は楔410に相当している。結像光学系406は、各々が屈折レンズである残りの6つの光学素子B2〜B7を有している。結像光学系406は、第1のレンズB2を有する第1の群と、残りの5枚のレンズB3〜B7を有する第2の群とに分割されている。
図50のシステム400と同様に、コンバイナ408は、楕円面(断面図に楕円414として示されている)の形状に合った「楕円形」コンバイナである。しかし、この実施形態では、2枚のレンズB3およびB6はプラスチックである。これらの素子は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能なZeonex 1600R (Z-1600R)からなってる。プラスチックレンズは、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、比較的軽量でもある。残りの屈折光学素子B2、B4、B5、B7、B8、B9は光学ガラスからなっている。「V字形」プリズム404(B8)は、システム400の大きさおよび重量を減らすために高屈折率のフリントからなっている。「V字形」プリズム404と空間光変調器402との間の楔409は、収差を効果的に抑制し、同時に、システム400の大きさおよび重量を最低限に抑えるために高屈折率のクラウンからなっている。プラスチックレンズB3、B6はどちらも非球面を有している。1つのレンズB2は、他のレンズB3〜B9に対して傾斜し偏心してもいる。図51のシステム400と同様に、第1の群のレンズB2、すなわちメニスカスレンズは、第1の光軸に関して対称である。第2の群における残りのレンズB3〜B9は、第2の光軸に関して対称である。しかし、これら2つの光軸は互いに異なる。有利なことに、この光学系も、9つの光学素子B1〜B9しか有さず、そのうち6つがレンズである。結像系406は、色修正用の接着されたダブレットB4/B5を有している。B6上の非球面は、非点収差およびコマ収差を修正するために「V字形」プリズムの近くにある。B3上の非球面は、球面収差を修正するために中間瞳の近くにある。楕円形コンバイナB1からの領域収差は、上述したのと同様に第1の群のレンズB3〜B7の軸線もコンバイナの軸線も共有しない低屈折率メニスカスレンズB2によって部分的に打ち消される。幾つかのレンズB3、B4、B6、B7の幾つかの縁部は、システム400の重量を減らすために切り取られている。このシステムの入射瞳の直径は15.0mmである。視野は、水平軸に沿って50度から−15度の間で、鉛直軸に沿って25度から−25度の間と評価される。
図52は、表示装置400の他の実施形態を示している。この表示装置400の好ましい一実施形態の仕様が表5および6に示されている。この光学系は、光学素子の数が少なくなっている。9つの光学素子C1〜C9の光学パラメータが記載されている。光学素子の1つC1は反射コンバイナ408に相当している。光学素子の1つC6はV字形プリズム408に相当し、光学素子の1つC7は楔410に相当している。結像光学系406は、各々が屈折レンズである残りの4つの光学素子C2〜C5を有している。レンズC2〜C5の数が減っていることによって、有利なことに光学系400の重量およびコストが低減されている。レンズC2〜C5は第1の群と第2の群にグループ分けされている。第1の群は第1のレンズC2を有し、第2の群は残りの3枚のレンズC3〜C5を有している。他の実施形態では、第1の群は2つ以上のレンズを有してよいが、単一のレンズが好ましい。
図50および51のシステム400と同様に、コンバイナ408は、楕円面(断面図に楕円414として示されている)の形状に合った「楕円形」コンバイナである。しかし、この実施形態では、4つの倍率付き素子C2〜C5のそれぞれはプラスチックである。これらの素子C2〜C5は、アクリル(PMMAO)、Zeonex 480R(Z-480R)、およびZeonex 1600R(Z-1600R)を有している。Z-480RおよびZ-1600Rは、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能である。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは比較的軽量でもある。「V字形」プリズムは、システムの大きさおよび重量を減らすために高屈折率フリントからなっている。「V字形」プリズム404と空間光変調器402との間の楔は、収差を効果的に抑制し、同時に、システムの大きさおよび重量を最低限に抑えるために高屈折率クラウンからなっていてよい。
結像系内の各レンズC2〜C5は、単色収差を修正するために非球面である。レンズの1つC2は、他の3枚のレンズC3〜C5に対して傾斜し偏心してもいる。図50および51のシステム400と同様に、第1の群のレンズC2、すなわちメニスカスレンズは、第1の光軸に関して対称である。第2の群における残りのレンズC3〜C5も、第2の光軸に関して対称である。第1および第2の光軸は互いに異なる向きに向けられている。第2の群の光学素子C3〜C5はそれぞれ、プラスチックフリントからなっている。第2の群のレンズC4のみが色修正用の回折素子を有している。この回折素子、すなわちホログラムは、以下の数式によって特徴付けられる。
φ=c1ρ2+c2ρ4...
ここで、φは、この光学素子C4上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、c1およびc2は定数である。c1およびc2の値はそれぞれ、7.285×10-4および−1.677×10-7である。回折光学素子は、波長が約515ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。楕円形コンバイナからの領域収差は、結像光学系406の第2の群のレンズの光軸もコンバイナ408の光軸も共有しない、第1の群の低屈折率レンズによって部分的に打ち消される。このシステムの入射瞳の直径は15.0mmである。視野は、水平軸に沿って50度から−15度の間で、鉛直軸に沿って25度から−25度の間と評価される。
φ=c1ρ2+c2ρ4...
ここで、φは、この光学素子C4上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、c1およびc2は定数である。c1およびc2の値はそれぞれ、7.285×10-4および−1.677×10-7である。回折光学素子は、波長が約515ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。楕円形コンバイナからの領域収差は、結像光学系406の第2の群のレンズの光軸もコンバイナ408の光軸も共有しない、第1の群の低屈折率レンズによって部分的に打ち消される。このシステムの入射瞳の直径は15.0mmである。視野は、水平軸に沿って50度から−15度の間で、鉛直軸に沿って25度から−25度の間と評価される。
他の構成を用いてもよい。例えば、数、形状、厚さ、材料、位置、および向きを変更することが可能である。ホログラフィックまたは回折光学素子、屈折および/または反射光学素子を様々な構成で用いることもできる。他の多数の変形が可能であり、具体的な構成は、ここに含まれる厳密な仕様に限定されるものではない。
しかし、様々な好ましい実施形態では、円錐面の形の形状のコンバイナが用いられる。円錐面は、円錐部、すなわち特定の種類の曲線を生成し、その曲線を軸線の周りに回転させて三次元面を描くことによって形成される。円錐面の形状はその円錐定数kによって決定される。円錐定数kは、三次元面を形成するように回転させられる二次元における円錐曲線の離心率eの2乗の負の数に等しい。円錐面は、よく知られており、例えば、"Aspheric Surfaces", Chapter 3 of Applied Optics and Optical Engineering, Vol. VIII, R. Shannon and J. Wyant, ed., Academic Press, New York NY 1980に記載されている。
長軸と呼ばれている、2つの円錐焦点を結ぶ軸線を中心として楕円を回転させることによって楕円面(長球面とも呼ばれる)が形成される。楕円面の円錐定数は、0から−1の間の値を有する。球は、円錐定数がゼロである、楕円面の特殊な場合である。双曲面も同様に形成されるが、円錐定数の値は−1よりも小さい。放物面は、ちょうど−1の円錐定数を有し、放物線の準線と呼ばれる線に直角な軸線、およびその軸線上の点である、放物線の焦点を中心として放物線を回転させることによって形成される。偏球面は、正の円錐定数を有している。様々な好ましい実施形態では、円錐定数は、約−0.25から0の間または0から+0.60の間であり、約−0.36から0の間または0から+0.44の間であってよい。
瞳の球面収差を無くすための様々な好ましい実施形態では、一方の円錐焦点418は厳密に目412の所に位置し、他方の円錐焦点420は厳密に投射光学系406の瞳416の所に位置している。このコンバイナ408の円錐定数は、0から−1の間であり、したがって、面は楕円面である。(目の瞳と投射光学系の瞳が物理的に分離されているため、面は球面ではない)。
図53は、楕円面(楕円414として示されている)と、楕円面の形状に実質的に合ったコンバイナ408とを示す断面図である。この楕円面は、2つの焦点418、420と、2つの焦点を通る長軸422とを含んでいる。観察者の目の瞳412、および結像光学系406の出射瞳416が、楕円面の2つの焦点418、420の所に示されている。様々な実施形態において、コンバイナ408の形状は楕円面414の一部に実質的に一致している。さらに、楕円面414は、目の瞳412および結像光学系406の出射瞳416に対して、瞳412、416がコンバイナ408の形状を定義する相応の楕円面の焦点418、420の位置に実質的に一致するように位置している。このような構成では、楕円面コンバイナ408によって、好ましいことに、投射瞳416が概ね目の瞳412上に結像される。
図54は、コンバイナ408が楕円面の形状に一致し、観察者の目の瞳412および結像光学系406の出射瞳416が楕円面の焦点418、420の位置に実質的に一致している他の例を示している。図54は、結像または投射光学系406を構成する複数のレンズも示している。コンバイナ408の形状は、楕円414の一部に合ったものからずれていてもよく、瞳412、416は焦点418、420に対してずれていてもよい。楕円面414の長軸422は、2つの焦点418、420と交差している。コンバイナ408から反射されるビーム経路の、楕円面を通る長軸422に対する位置によって示されているように、コンバイナは軸外しコンバイナである。
好ましい一実施形態では、視野の中心の所の球面収差を無くすために、(放物線をその対称軸線を中心として回転させることによって形成される)放物面の形状を有する反射面が用いられてよい。反射面を形成する放物面のこの回転軸線は、領域の中心の所の目の視線に実質的に平行であるのが好ましい。さらに、放物面の円錐焦点は、その領域の画像点に位置させるのが好ましい。
図55は、例えば、物体面454、結像光学系456、およびコンバイナ458を有する他の表示システム450を示している。光路は、物体面454から結像光学系456を通り、コンバイナ458で反射して、瞳462を有する目460に入るように延びている。図55は、放物面(放物線464として示されている)および放物面の形状に実質的に合ったコンバイナ458を示す模式的な断面図である。放物面464は、焦点466および準線468によって決定されている。中間画像467が放物線464の焦点466の所に位置している。様々な実施形態において、コンバイナ458の形状は放物面464の一部に実質的に合っている。さらに、放物線464は、コンバイナ458の形状を決めている放物面464の焦点466が中間画像467と実質的に重なり合うように配置されている。このような構成によって、中間画像467は、観察者が快適に見ることのできるように、近無限遠、例えば、数mから数kmまでの、十分に遠い距離、およびこの範囲外の距離に再生される。上述のように、この構成によって瞳462の所の球面収差を低減することができる。
幾つかの実施形態では、瞳の所の収差および画像の収差を同時に軽減する目標によって、楕円面を形成する円錐定数が、0から−1になる。この楕円面の円錐焦点は、目および投射光学系瞳の近くに位置するが、これらに一致しないのが好ましい。焦点との関係の近接性は、例えば、様々な構成を評価するのに用いられるメリット関数に反映して、瞳および画像の収差を軽減するように選択することができる。様々な好ましい実施形態において、出射瞳は、一方の焦点から、楕円面の、焦点同士を分離する長軸に沿った距離の約4分の1より短い距離の所に位置している。
図56は、例えば、コンバイナ408が楕円面414を有し、観察者の目および結像光学系の出射瞳416が、コンバイナの形状を決めている楕円の焦点418、420からずれている実施形態を示している。より具体的には、焦点の一方420は、結像光学系406の出射瞳416と結像光学系によって形成される中間画像407との間に位置している。コンバイナ408は、結像光学系406および物体404と、結果として得られる中間画像407に対して、中間画像を無限遠または近無限遠(例えば、数mから数kmまでの、観察者が快適に見ることのできる十分に遠い距離)に投射するように配置されている。したがって、(破線で示されている)光線は、実質的に視準されるように示されている。さらに、瞳の所の収差と画像の所の収差との両方が軽減される。目と投射光学系との距離は、画像および瞳収差の値が小さくなるような距離であるのが好ましい。
他の構成は、コンバイナおよび一対のプラスチックレンズを有する簡素化された軽量の頭部装着ディスプレイを有している。レンズの1つは回転対称な光学素子であり、レンズの1つは非回転対称な光学素子である。この非回転対称の光学素子は、互いに対して傾斜し偏心している第1および第2のレンズ面を有している。一方のレンズ面は、色修正用の回折またはホログラフィック光学素子を有してもよい。有利なことに、どちらもプラスチックからなる2枚のレンズのみを有する投射光学系を有していることによって、システムのコストおよび重量が軽減される。
図57は、このような表示装置500の一例の実施形態を示している。表示装置500の好ましい一実施形態の仕様が表7および8に示されている。この光学系500では、光学素子の数が減らされている。3つの光学素子D1、D2、D3の光学パラメータが記載されている。
光学素子の1つD1は反射コンバイナ508に相当している。このコンバイナ508は、上述のように部分的に反射性を有する軸外しコンバイナであってよい。図50および51のシステム500と同様に、コンバイナ508は、楕円面(断面図に楕円414として示されている)の形状に合った「楕円形」コンバイナである。
コンバイナ508に加えて、装置500は結像光学系506も有している。結像光学系506は、各々が屈折レンズである残りの2つの倍率付き光学素子D2およびD3を有している。(図示していないが、表示装置500は、例えば、光源からの光で照明される空間光変調器を用いる実施形態において上記したようなV字形プリズムおよび楔を含んでいてよい。)レンズの数が減っていることによって、有利なことに光学系500の重量およびコストが軽減される。
さらに、この実施形態では、2枚のレンズD2、D3のみがそれぞれプラスチックである。これらの素子D2およびD3は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能なZeonex 480R(Z-480R)からなっている。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは比較的軽量でもある。
各光学素子D1〜D3上の各光学面520、522、524、526、528は非球面である。コンバイナ508上の反射面520は楕円面であり、したがって、非球面である。レンズD2上の面522、524(表7および8における面4および5)もそれぞれ非球面である。同様に、レンズD3上の面526、528(表7およびV8における面6および7)もそれぞれ非球面である。各非球面520、522、524、526、528は互いに異なっている。
さらに、レンズD2上の面522、524(表7および8における面4および5)は互いに対して傾斜し偏心している。どちらの屈折光学面522、524も、それぞれの光軸に関して回転対称な形状(非球面)を有している。しかし、これらの光軸は、互いに対して傾斜し偏心している。この結果、非回転対称光学素子、すなわち、それ自体が光軸に関して回転対称ではない光学素子となっている。
様々な好ましい実施形態において、定義上、レンズD2はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、実質的に反射することなくD2を通って伝搬する。同様に、レンズD3はレンズであり、光は、実質的に反射することなくD3を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態において、反射は10%未満に下げられている。
しかし、レンズD3は光軸に関して回転対称である。レンズD3上の屈折光学面526、528はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状(非球面形状)を有している。しかし、レンズD3を通る光軸は、レンズD2上の2つの面522、524のどちらの光軸とも異なっている。さらに、これらの光軸の全てが、楕円形コンバイナD1の光軸と異なっている。
このように自由度の変化、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状によって、高性能な光学装置500を、比較的少ない光学素子を用いて構成することができる。したがって、3つの光学素子、すなわちレンズD1およびD2、および反射コンバイナD3上の5つの光学面(1つの反射面520と、4つの屈折面522、524、526、528)のみを用いて単色収差を修正することが可能である。
どちらのレンズも同じ材料からなっているので、色収差は、レンズD3上の回折素子によって実質的に修正される。特に、表面の1つ526(表7および8における面6)は、回折素子を形成する回折部材を含んでいる。回折素子、すなわちホログラムは以下の数式によって特徴付けられる:
φ=c1ρ2+c2ρ4+c3ρ6...
ここで、φは、この光学素子D3上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、c1、c2、およびc3は定数である。c1、c2、およびc3の値はそれぞれ、−1.748×10-3、1.283×10-6および6.569×10-9である。回折光学素子は、波長が約515ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。
φ=c1ρ2+c2ρ4+c3ρ6...
ここで、φは、この光学素子D3上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、c1、c2、およびc3は定数である。c1、c2、およびc3の値はそれぞれ、−1.748×10-3、1.283×10-6および6.569×10-9である。回折光学素子は、波長が約515ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。
他の実施形態では、D2およびD3に互いに異なるレンズ材料を用いることによって色修正を行ってもよい。例えば、互いに異なる拡散特性を有する互いに異なるプラスチックまたは高分子材料を用いてよい。ある実施形態では、非プラスチック材料を用いてもよいが、プラスチックは、非球面の場合であっても製造コストが安くなるという利点を生じ、またプラスチックは軽量である。他の実施形態では、レンズの1つはプラスチックで他のレンズはガラスであってよい。他の構成も可能である。
表7および8に示されている仕様では、このシステムの入射瞳の直径は10.0mmである。視野は、水平軸線に沿って+8度から−8度の間で、鉛直軸線に沿って+6度から−6度の間と評価される。
図58は、コンバイナ808と、少なくとも2つの光軸を有する結像光学系806とを有する軽量の他の頭部装着表示装置800を示している。装置800は、結像光学系406およびコンバイナ808によって結像される、例えば放射ディスプレイや空間光変調器を有する画像形成装置802を含んでいる。この表示装置800の一実施形態の仕様が表9および10に示されている。この光学系800は、詳細が表9および10に記載されている複数の光学素子E1〜E6を含んでいる。
光学素子の1つE1は反射コンバイナ808である。このコンバイナ808は、部分的に反射性を有するコンバイナである。図50および51のシステム600と同様に、コンバイナ808は、楕円面(断面図に楕円814として示されている)の形状に合った「楕円形」コンバイナである。図58に示されている実施形態では、この楕円面は、目の瞳が位置する画像瞳または絞り812を通る軸線を有している。特に、この実施形態では、画像瞳または絞り812は楕円面の一方の焦点の所に位置している。コンバイナ808は、例えば目から見える視野がコンバイナの対称軸線に揃っていないので軸外しコンバイナである。したがって、領域全体にわたって分散させられるように示されている光線束は、光軸に関して実質的に対称に配置されていない。この特定の例において、表9および10における仕様は、絞りを中心として−68.03度傾斜した軸外しコンバイナを示している。
コンバイナ808に加えて、装置800は、結像光学系806も有している。結像光学系806は、複数の倍率付き光学素子、すなわち、第1のレンズ素子E2、第2のレンズ素子E3、第3のレンズ素子E4、および第4のレンズ素子E5を有している。図58に示されている実施形態では、第1および第4のレンズ素子E2,E5はプラスチックである。第5のレンズ素子E5は、プラスチックに形成された非球面を含んでいる。第2および第3のレンズ素子E3、E4は、互いに異なるガラスからなり、ダブレットを形成している。
第1のレンズ素子E2は、第1および第2の面822,824(表9および10における面4および5)を有している。これらの面822および824は共通の光軸を共有している。図58に示されている実施形態では、どちらの屈折光学面822,824も、この共通の光軸に関して回転対称な形状を有している。この第1のレンズ素子E2は正の光パワーを有している。この実施形態では、この第1のレンズ素子E2は、上述のようにプラスチックからなっている。
第1のレンズ素子E2は、表9および11に記載されている仕様によって示されるようにコンバイナE1に対して傾斜し偏心している。通常、表9および11に記載されている傾斜および偏心は、その前の面に対して測ったものである。しかし、コンバイナ808の後の面(面3)の場合、傾斜および偏心は、本明細書の表における各仕様の場合と同様に、絞り812に対して測ったものである。コンバイナ808の後の最初の面である面3の傾斜および偏心によって、やはり本明細書の表における各仕様の場合と同様に、第1のレンズ素子E2の第1の面822の傾斜および偏心が決まる。したがって、コンバイナ808(E1)と第1のレンズE2の第1の面822との両方について表9および10に記載されている傾斜および偏心は、絞り812に対するものである。したがって、これらの第1のレンズE2とコンバイナ808(E1)との間の相対的な傾斜および偏心は、コンバイナと面3との傾斜および偏心の差を計算することによって得られる。その結果、図58に示されている実施形態では、第1の面822は、コンバイナ808に対して測ると、約68.08度−62.38度、すなわち5.65度傾斜している。したがって、第1のレンズ素子E2は、コンバイナE1とは異なる光軸を有している。
第2のレンズ素子E3は、さらに他の光軸に関して回転対称である。第2のレンズ素子E3上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状を有している。しかし、第2のレンズ素子E3を通る光軸は、第1のレンズ素子E2上の2つの面822、824の光軸とは異なり、コンバイナ808(E1)の光軸とも異なっている。
さらに、第3のレンズ素子E4は、第3のレンズ素子E3と同じ光軸に関して回転対称である。第3のレンズ素子E4上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状を有している。しかし、第3のレンズ素子E4を通る光軸は、第1のレンズ素子E2上の2つの面822、824の光軸とは異なっている。上述のように、第2のレンズ素子E3と第3のレンズ素子E4はダブレットを形成している。第2のレンズ素子E3は、ダブレットが色収差を軽減するように選択された、第3のレンズ素子E4とは異なるガラスからなっている。
第4のレンズ素子E5も、第2および第3のレンズ素子E3およびE4と同じ光軸に関して回転対称である。第4のレンズ素子E5上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状(一方は非球面)を有している。しかし、第4のレンズ素子E5を通る光軸は、第1のレンズ素子E2上の2つの面822、824のどちらの光軸とも異なっている。上述のように、この第4のレンズ素子E5はプラスチックからなっている。
様々な好ましい実施形態では、定義上レンズE2はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、ほぼ反射なしにE2を通って伝搬する。同様に、レンズE3、E4、およびE5はレンズであり、光は、ほぼ反射なしにE3、E4、およびE5を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態では、反射は、各レンズ素子ごとに10%未満に低下する。
図58に示されているように、装置800は、他の非レンズ素子、すなわち楔E6をさらに有している。この楔E6は、非点収差やコマ収差などの収差を軽減するのに用いることができる。楔E6は、結像光学系806と、物体、例えば画像形成装置802との間に位置している。上述のように、この画像形成装置802の画像は、結像光学系806およびコンバイナ808によって目の所に形成される。この画像形成装置802は、有機発光ダイオード(OLED)のアレイなどの放射光源を有してよい。852x600有機発光ダイオードを有する例示的なアレイは、ワシントン州ベルビューに所在するEmagin社から市販されている。他の画像形成装置が用いられる。例えば、画像形成装置が放射性の装置ではない場合、照明を施してもよい。
上述のように、このシステム800では、レンズ素子E2、E3、E4、およびE5は1本より多くの軸を含んでいる。特に、第2のレンズ素子E3、第3のレンズ素子E4、および第4のレンズ素子E5を有する一群のレンズ素子は、単一のレンズ素子、すなわち第1のレンズ素子E2の軸とは異なる共通の光軸を共有している。図58の実施形態では、第1のレンズ素子E2は、他のレンズ素子E3、E4、およびE5の単一の光軸に対して傾斜し偏心した単一の光軸を有している。さらに、すべてのこれらの光軸は、楕円形コンバイナE1の光軸とは異なっている。
光軸および対応するレンズの傾斜および偏心は、収差を抑制し性能を向上させる追加的な自由度をもたらす。(例えば、コンバイナ808や第1のレンズ素子E5の)このような可変自由度、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状は、比較的少ない光学素子を有する高性能光学装置800を構成するのを可能にする。したがって、5つの光学素子、すなわちコンバイナE1およびレンズE2〜E5上の8つの光学面(1つの反射面および7つの屈折面)のみで収差を修正することが可能である。レンズ素子の数が少ないため、有利なことに、光学系800の重量およびコストが少なくなる。
さらに、この実施形態では、2枚のレンズE2、E5はプラスチックである。これらの素子E2およびE5は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から市販されているZeonex 480R(Z-480R)を含んでいる。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、より軽量でもある。
その結果、結像光学系806およびプリズム808を含む頭部装着ディスプレイの屈折部は、それぞれの目に対して約30g未満である。有利なことに、光学系の重量の大部分が後方に配置されているため、重心は頭部の中心の近くに位置している。このようなシステムは装着しても安全である。
このシステムでは、結像光学系806の第1のレンズE2も正であり、したがって、有利なことにより小形の装置800が得られる。これに対して、第1のレンズE2が負である場合、結像光学系806は、残りのレンズ素子E3、E4、E5が共に正のパワーを有するため、逆望遠システムを形成する。逆望遠システムは、逆望遠システムの有効焦点距離より長い長さを有する。逆に、正の第1のレンズE2を、残りのレンズ素子E3、E4、E5から得られる正のパワーと組み合わせると、逆望遠リレーより短い結像光学系が形成される。このように長さが短くなると、システムが小形になる。
システム800は、光学性能も良好である。得られる視野は約30x22度であり、2つの目の間で完全に重なり合う。出射瞳は、この実施形態では直径が10mmである。変調伝達関数は、10mmの瞳の場合、1mm当たり33条線対で0.4である。
広範囲の変形実施形態が可能である。用いるレンズは、上記より多くてもあるいは少なくてもよい。しかし、様々な実施形態では、結像光学系808は、第1の光軸を有する複数のレンズ素子と、第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する別の単一のレンズ素子とを有している。共通の光軸を有するレンズ群は、2枚、3枚、4枚、5枚、またはそれより多くのレンズを有してよい。レンズの数を減らすと、有利なことに、重量、コスト、および複雑さが低減する。同様に、結像光学系に含まれる他のレンズは1枚だけであり、このレンズは異なる光軸を有する。このレンズは、システムを小形にできるように正であってよい。
しかし、図57に関して論じたように、この単一のレンズは、各々が互いに異なる光軸を有する2つの面(例えば、非球面)を有する非回転対称レンズであってよい。単一のレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が結像光学系内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、第1のレンズ素子の少なくとも1つの面および光軸は、レンズの他に他の種類の光学素子を含んでもよい結像光学系の他の複数のレンズに対して傾斜および/または偏心している。単一のレンズは、非回転対称な1つの面と、回転対称な1つの面とを有してもよい。
同様に、他のレンズはどれも、それぞれが互いに異なる光軸を有する2つの面(例えば、非球面)を有する非回転対称レンズであってよい。このようなレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が群内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、レンズ素子の少なくとも1つの面は、共有される共通の光軸に一致する光軸を有している。例えば、一実施形態では、E3、E4、およびE5の各々上の1つの面のみが共通の光軸を共有し、他の面は他の光軸を有している。幾つかの実施形態では、これらのレンズはどれも、非回転対称な1つの面と、回転対称な1つの面とを有してもよい。
他の変形実施形態も可能である。例えば、1つまたは2つ以上のレンズ面またはレンズ素子を、本明細書では回折レンズまたは回折レンズ素子と呼ぶ透過回折光学素子で置き換えることができる。例えば、第2および第3のレンズ素子E3、E4を有するダブレットによって行われる色修正は、その代わりに回折光学レンズによって行うことができる。回折光学レンズは、レンズの面ならびに面平行プレートまたはシート上に配置された回折部材を有してよい。回折部材は、透過回折光学素子にパワーを与えるように配置することができる。パワーを有するこのような透過回光学素子は、光軸を有し、したがって、設計自由度を高める複数の光軸を有するシステムに用いることができる。例えば、共通の光軸を共有する第2、第3、または第4の光学素子E3、E4、E5のうちの1つまたは2つ以上(場合によっては各光学素子)を回折光学レンズで置き換えることができる。同様に、残りの光学素子とは異なる光軸を有する単一の光学素子E2は回折光学レンズを有してよい。
レンズ素子E2、E3、E4、E5に用いられる形状および材料はそれぞれ異なるものでよい。ほぼ平坦な反射面を有するフォールドミラーを、装置の、例えば第1のレンズ素子E2とコンバイナ808との間に挿入することができる。このような平坦なフォールドミラーは、パワーを有さないが、例えば、結像光学系806が頭部のより近くに位置し、かつ頭部装着ディスプレイが頭部により適合した形状を有するように、結像光学系806をコンバイナ808に対して斜めにかつ異なる位置に位置させるのを可能にする。他のフォールドミラーを他の場所に含めてもよい。他の種類の反射構成部材を装置に含めてもよい。例えば、結像光学系のレンズの他に反射器を含めてもよい。
レンズ素子の順序は変更してよい。例えば、第1のレンズ素子を最初に配置する必要はなく、他のレンズ同士の間であってよい。この場合、例えば、E2は、E3とE4との間に位置しても、E4とE5との間に位置しても、あるいはE5と画像形成装置との間に位置してもよい。E3、E4、およびE5の順序も変更してよい。一実施形態では、結像光学系806はコンバイナ808と画像形成装置802との間に位置し、単一の正のレンズ(例えば、E2)が画像形成装置の最も近くに位置し、残りのレンズ(例えば、E3、E4、E5)がコンバイナの最も近くに位置している。したがって、コンバイナに最も近いレンズを傾斜および/または偏心させてよい。あるいは、傾斜および/または偏心させる素子を結像光学系内の他の素子の中央のどこかに挿入することができる。この傾斜および/または偏心させる素子は正のパワーを有してもあるいは負のパワーを有してもよい。
他の光学素子(例えば、反射器、フォールドミラー、楔、フィルタなど)を光学系内の任意の場所に挿入することができる。他の種類の光学素子をコンバイナ808と画像形成装置802との間の光路の任意の場所に含めることができる。
コンバイナ808は異なるものであってもよい。コンバイナは例えば、ほぼ全体的に反射性を有するものであってよい。さらに、コンバイナ808は、軸上コンバイナを有してよい。コンバイナ808は、目の瞳を通過する光軸を有する必要はない。コンバイナ808は、軸の周りで回転対称である必要はない。アナモフィック非球面または環状面を用いてもよい。コンバイナ808の面は、例えば、概ね左右対称なXY多項式によって形成することができる。他の形状および構成も可能である。
さらに、図58に示されている結像光学系800は、残りの素子E3、E4、E5によって共有される光軸とは異なる光軸を含む少なくとも1つの面を有する単一のレンズ素子E2を有しているが、残りのレンズ素子がそれぞれ同じ光軸を共有する必要はない。例えば、1つまたは2つ以上のこれらのレンズ素子E3、E4、E5を傾斜および/または偏心させることもできる。したがって、単一のレンズ素子E2は、共通の軸を共有することのない追加のレンズ素子を結像光学系808に含めることができるにもかかわらず、2つまたは3つ以上のレンズ素子によって共有される共通の光軸とは異なる光軸を有してよい。
ある実施形態では、単一のレンズ素子E2は、図57に示されているように2枚のレンズのみを有する結像光学系808内の他の1つのレンズ素子の光軸とは異なる光軸を有している。結像光学系808は、反射器やフォールドミラーのような他の非レンズ型素子を含んでよい。
さらに、上述のように、残りのレンズE3、E4、E5はどれも、他とは異なる光軸を有する少なくとも1つの面を有してよい。この光軸は、第1のレンズE2の光軸とは異なるものであってよい。
図59は、コンバイナ908と、少なくとも2本の光軸を有する結像光学系906とを有する軽量の頭部装着表示装置900を示している。装置900は、結像光学系906およびコンバイナ908によって結像される、空間光変調器912などの画像形成装置902を含んでいる。この表示装置900の一実施形態の仕様が表11および12に示されている。この光学系800は、詳細が表11および12に記載されている複数の光学素子F1〜F5を含んでいる。
1つの光学素子F1は反射コンバイナ908を有している。このコンバイナ808は、部分的に反射性を有するコンバイナであり、楕円面(断面図に楕円914として示されている)の形状に一致する「楕円形」コンバイナである。図59に示されている実施形態では、この楕円面は、目の瞳が配置される画像瞳または絞り912を通過する軸を有している。さらに、この実施形態では、画像瞳または絞り912は楕円面の一方の焦点の所に位置している。コンバイナ908は、例えば目から見える視野がコンバイナの対称軸に揃っていないので軸外しコンバイナである。したがって、視野全体にわたって分散させられる光線束が、コンバイナ908の光軸の周りにほぼ対称に配置されることはない。特定に、表11および12内の仕様は、絞り912の周りで−68.96度傾斜した軸外しコンバイナを示している。
装置900は、コンバイナ908だけでなく、結像光学系906も有している。結像光学系906は、複数の倍率付き光学素子、すなわち、第1のレンズ素子F2、第2のレンズ素子F3、および第3のレンズ素子F4を有している。各レンズ素子F2、F3、およびF4は、少なくとも1つの非球面を有し、かつプラスチックを含んでいる。第1のレンズ素子F2は2つの非球面を有し、一方、他の2枚のレンズはそれぞれ、1つの非球面を有している。
第1のレンズ素子F2は、共通の光軸を共有する第1の面922および第2の面924(表11および12内の面2および3)を有している。図59に示されている実施形態では、どちらの屈折光学面922、924も、この共通の光軸の周りで回転対称な形状を有している。上述のように、どちらの面922、924も非球面である。この第1のレンズ素子F2も正の光パワーを有している。
図57に示されている構成とは異なり、第1のレンズ素子F2は、表11および12に記載されかつ図59に示されているようにコンバイナF1に対して傾斜も偏心もしていない。表9および11に記載されている傾斜および偏心は一般に、その前の面に対して測定される。しかし、コンバイナの後の面(面3)の場合、傾斜および偏心は、本明細書の表内の各仕様の場合と同様に、絞り912に対して測定される。コンバイナ908の後の最初の面である面3の傾斜および偏心は、やはり本明細書の表内の各仕様の場合と同様に、第1のレンズ素子F2の第1の面922の傾斜および偏心を形成する。したがって、コンバイナ908と第1のレンズF2の第1の面922との両方について表11および12に記載されている傾斜および偏心は、絞り912に対するものである。したがって、これらの第1のレンズF2とコンバイナF1との間の相対的な傾斜および偏心は、コンバイナ908と面3との傾斜および偏心の差を算出することによって得られる。その結果、図59に示されている実施形態では、第1の面922は、コンバイナ908の焦点に対して測定すると、約68.98度+68.98度、すなわち0度傾斜し、0−68.055mm、すなわち−68.055mm偏心している(Z方向)。したがって、第1のレンズ素子F2は、コンバイナF1と同じ光軸を有している。
第2のレンズ素子F3は、他の光軸の周りで回転対称である。第2のレンズ素子F3上の屈折光学面はどちらも、やはりほとんど同じ光軸の周りで回転対称な形状を有している。しかし、第2のレンズ素子F3を通る光軸は、第1のレンズ素子F2上の2つの面922、924の光軸とは異なっている。第2のレンズ素子F3を通る光軸は、コンバイナF1の光軸とも異なっている。
第2のレンズ素子F3は、色収差を軽減する回折光学レンズを有している。回折光学レンズは、ガラスレンズ上に配置された、パワーを有する透過回折光学面を有している。この回折面、すなわち、ホログラムは、以下の数式で特徴付けられる。
φ=c1ρ2+c2ρ4、、、
φは、この光学素子F3上の回折部材を通過する波面にかけられる位相ずれであり、ρは半径方向寸法であり、c1、c2、およびc3は定数である。c1、c2、およびc3の値はそれぞれ、−7.580x10-4、1.044x10-6および−4.081x10-9である。回折光学素子は、波長が約555ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。
φ=c1ρ2+c2ρ4、、、
φは、この光学素子F3上の回折部材を通過する波面にかけられる位相ずれであり、ρは半径方向寸法であり、c1、c2、およびc3は定数である。c1、c2、およびc3の値はそれぞれ、−7.580x10-4、1.044x10-6および−4.081x10-9である。回折光学素子は、波長が約555ナノメートルの一次モード(m=+1)を用いるように構成されている。
第3のレンズ素子F4も、第3のレンズ素子F2と同じ光軸の周りで回転対称である。第3のレンズ素子F4上の屈折光学面はどちらも、やはりほとんど同じ光軸の周りで回転対称な形状を有している。しかし、第3のレンズ素子F4を通る光軸は、第1のレンズ素子F2上の2つの面922、924のどちらの光軸とも異なっている。
様々な好ましい実施形態では、定義上レンズF2はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、ほぼ反射なしにF2を通って伝搬する。同様に、レンズF3およびF4はレンズであり、光は、ほぼ反射なしにF3およびF4を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態では、反射は10%未満に低下する。
図59に示されているように、装置900は、他の非レンズ素子、すなわち任意の楔F5をさらに有している。この楔F5は、非点収差やコマ収差などの収差を軽減するのに用いることができる。楔F5は、結像光学系906と、物体、例えば空間光変調器902との間の光路に位置している。上述のように、この空間光変調器902の画像は、結像光学系906およびコンバイナ908によって目の所に形成される。この空間光変調器902は、例えば、液晶オンシリコン(LCOS)を有してよい。上述のようにV字形プリズムおよび/または他の照明構成部材を含めてもよいが、図59には示されていない。他の種類の空間光変調器を用いてもよく、放射ディスプレイのような他の種類の表示素子を空間光変調器の代わりに用いてよい。
このシステム900では、レンズ素子F2、F3、およびF4は1本より多くの軸を含んでいる。特に、一群のレンズ素子、すなわち第2のレンズ素子F3および第3のレンズ素子F4は、単一のレンズ、すなわち第1のレンズ素子F2とは異なる共通の光軸を共有している。図59の実施形態では、第1のレンズ素子F2は、他の2つのレンズ素子F3およびF4の単一の光軸に対して傾斜し偏心した単一の光軸を有している。しかし、この実施形態では、第1のレンズF2はコンバイナ908と共通の光軸を共有しているが、第3および第4のレンズ素子F3およびF4は共有していない。
他のレンズF3、F4に対する第1のレンズF2の傾斜および偏心は、収差を抑制し性能を向上させる追加的な自由度をもたらす。(例えば、倍率付き光学素子、すなわち、コンバイナ908ならびに第1、第2、および第3のレンズ素子F2、F3、F4のそれぞれの)このような可変自由度、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状は、比較的少ない光学素子を有する高性能光学装置900を構成するのを可能にする。したがって、4つの倍率付き光学素子、すなわちコンバイナF1およびレンズF2〜F4上の7つの光学面(1つの反射面、1つの回折屈折面、および他の5つの屈折面)のみで収差を修正することが可能である。レンズ素子F2、F3、F4の数が少ないため、有利なことに、光学系900の重量、コスト、複雑さが低減する。
さらに、この実施形態では、レンズ素子F2、F3、およびF4はそれぞれプラスチックである。これらのレンズF2、F3、F4は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から市販されているZeonex 480R(Z-480R)を含んでいる。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、より軽量でもある。
その結果、画像形成装置902、結像光学系906、およびコンバイナ908を含む頭部装着ディスプレイのアイピースは、低コストで軽量である。有利なことに、光学系の重量の大部分が後方に配置されているため、重心は鼻の後方に位置している。このようなシステム900は装着しても安全であり、より快適である。
このシステムでは、結像光学系906の第1のレンズF2も正であり、したがって、有利なことにより小形の装置が得られる。これに対して、第1のレンズE2が負である場合、結像光学系906は、残りのレンズ素子F3、F4が共に正のパワーを有するため、逆望遠システムを形成する。逆望遠システムは、逆望遠の有効焦点距離よりも長い。逆に、正の第1のレンズF2を、残りのレンズ素子F3、E4から得られる正のパワーと組み合わせると、結像光学系906の有効焦点距離より短い長さを有する望遠レンズにより近いシステムが形成される。このように長さが短くなると、システムが小形になる。
システム900は、光学性能も良好である。得られる視野は約30x22度であり、2つの目の間で完全に重なり合う。出射瞳は、この実施形態では直径が10mmである。変調伝達関数は、10mmの瞳の場合、1mm当たり33条線対で0.3を超える。このシステムはテレセントリック光学系でもある。
広範囲の変形実施形態が可能である。用いるレンズは、上記より多くてもあるいは少なくてもよい。しかし、様々な実施形態では、結像光学系808は、第1の光軸を有する複数のレンズ素子と、第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する別の単一のレンズ素子とを有している。共通の光軸を有するレンズ群は、2枚、3枚、4枚、5枚、またはそれより多くのレンズを有してよい。レンズの数を減らすと、有利なことに、重量、コスト、および複雑さが低減する。同様に、結像光学系に含まれる他のレンズは1枚だけであり、このレンズは異なる光軸を有する。このレンズは、システムを小形にできるように正であってよい。
しかし、図57に関して論じたように、この単一のレンズは、各々が互いに異なる光軸を有する2つの面(例えば、非球面)を有する非回転対称レンズであってよい。単一のレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が結像光学系内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、第1のレンズ素子の少なくとも1つの面および光軸は、レンズの他に他の種類の光学素子を含んでもよい結像光学系の他の複数のレンズに対して傾斜および/または偏心している。単一のレンズは、非回転対称な1つの面と、回転対称な1つの面とを有してもよい。
同様に、他のレンズはどれも、それぞれが互いに異なる光軸を有する2つの面(例えば、非球面)を有する非回転対称レンズであってよい。このようなレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が群内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、レンズ素子の少なくとも1つの面は、共有される共通の光軸に一致する光軸を有している。例えば、一実施形態では、F3およびF4の各々上の1つの面のみが共通の光軸を共有し、他の面は他の光軸を有している。幾つかの実施形態では、これらのレンズはどれも、非回転対称な1つの面と、回転対称な1つの面とを有してもよい。
他の変形実施形態も可能である。例えば、1つまたは2つ以上のレンズまたは面を、本明細書では回折レンズまたは回折レンズ素子と呼ぶ透過回折光学素子で置き換えることができる。上述のように、回折光学レンズは、レンズの面ならびに面平行プレートまたはシート上に配置された回折部材を有してよい。回折部材は、透過回折光学素子にパワーを与えるように配置することができる。例えば、光パワーを有する透過回折面を第2のレンズF3と同様にレンズの一面上に配置するか、あるいは面平行プレートまたはシート上に配置することができる。光パワーを有するこのような透過回光学素子は、設計自由度を高め収差抑制を強化する複数の光軸を有するシステムに用いることができる。例えば、共通の光軸を共有する第2および第3の光学素子F3、F4のうちの1つまたは2つ以上(場合によっては各光学素子)を回折光学レンズで置き換えることができる。同様に、残りの光学素子とは異なる光軸を有する単一の光学素子E2は回折光学レンズを有してよい。
レンズ素子F2、F3、F4に用いられる形状および材料はそれぞれ異なるものでよい。ほぼ平坦な反射面を有するフォールドミラーを、装置の、例えば第1のレンズ素子F2とコンバイナ908との間に挿入することができる。このような平坦なフォールドミラーは、パワーを有さないが、例えば、結像光学系906が頭部のより近くに位置し、かつ頭部装着ディスプレイが頭部により適合した形状を有するように、結像光学系906をコンバイナ908に対して斜めにかつ異なる位置に位置させるのを可能にする。他のフォールドミラーを他の場所に含めてもよい。他の種類の反射構成部材を装置に含めてもよい。例えば、結像光学系のレンズの他に反射器を含めてもよい。
レンズ素子の順序は変更してよい。例えば、第1のレンズ素子を最初に配置する必要はなく、他のレンズ同士の間であってよい。この場合、例えば、F2は、F3とF4との間に位置しても、F4とF5との間に位置しても、あるいはF5と画像形成装置との間に位置してもよい。F3およびF4の順序も変更してよい。一実施形態では、結像光学系906はコンバイナ908と画像形成装置902との間に位置し、単一の正のレンズ(例えば、F2)が画像形成装置の最も近くに位置し、残りのレンズ(例えば、F3、F4)がコンバイナの最も近くに位置している。したがって、コンバイナ908に最も近いレンズを傾斜および/または偏心させてよい。あるいは、傾斜および/または偏心させる素子を結像光学系908内の他の素子の中央のどこかに挿入することができる。この傾斜および/または偏心させる素子は正のパワーを有してもあるいは負のパワーを有してもよい。
他の光学素子(例えば、反射器、フォールドミラー、楔、フィルタなど)を光学系内の任意の場所およびコンバイナ908と画像形成装置902との間の光路の任意の場所に挿入することができる。
コンバイナ908は異なるものであってもよい。コンバイナは例えば、ほぼ全体的に反射性を有するものであってよい。さらに、コンバイナ908は、軸上コンバイナを有してよい。コンバイナ908は、目の瞳を通過する光軸を有する必要はない。コンバイナ908は、軸の周りで回転対称である必要はない。アナモフィック非球面または環状面を用いてもよい。コンバイナ908の面は、例えば、概ね左右対称なXY多項式によって形成することができる。他の形状および構成も可能である。
さらに、ある実施形態では、単一のレンズ素子F2は、図57に示されているように2枚のレンズのみを有する結像光学系908内の他の1つのレンズ素子の光軸とは異なる光軸を有している。結像光学系908は、反射器やフォールドミラーのような他の非レンズ型素子を含んでよい。
さらに、上述のように、残りのレンズF3、F4はどちらも、他とは異なる光軸を有する少なくとも1つの面を有してよい。この光軸は、第1のレンズF2の光軸とは異なるものであってよい。
図示していないが、表示装置900は、上記に、例えば、光源からの光で照明される空間光変調器を用いる実施形態で説明したようなV字形プリズムおよび楔を含んでよい。例えば、上述のような他の照明および表示装置および方法と、本明細書に記載されていないかあるいはまだ開発されていない他の照明および表示装置および方法を用いてよい。
一般に、広範囲の他の構成も用いてよい。示されたレンズ仕様は例示的なものに過ぎず、限定的なものではない。例えば、光学素子の数、形状、厚さ、材料、位置、および向きを変更することが可能である。ホログラフィックまたは回折光学素子、屈折および/または反射光学素子を様々な構成で用いることができる。他の多数の変形実施形態が可能であり、特定の構成を本明細書に含まれる特定の仕様に限定すべきではない。
様々な画像形成装置を用いて画像を生成することができる。例えば、ある場合には有機発光ダイオード(OLEDS)のアレイを用いることができる。この種の画像形成装置は、OLEDSが光を発生させるため放出型である。幾つかの実施形態では空間光変調器を用いることもできる。空間光変調器は別個の光源によって照明することができる。上述のような手法を用いて光源からの光を空間光変調器へ向けることができる。
様々な好ましい実施形態では、画像形成装置は、画像または記号(例えば、テキスト、数字、文字など)を生成するように別個に活動化させることのできる複数の画素を有している。複数の画素は二次元アレイを構成することができる。この画像形成装置は、結像光学系によって結像される物体領域内に位置させることができる。例えば、画像形成装置の画像は、幾つかの実施形態では有限または無限距離に形成することができ、他の実施形態ではバーチャル画像であってよい。他の構成も可能である。
照明および結像用の様々な構成および方法を頭部装着ディスプレイやヘルメット装着ディスプレイなどのディスプレイに関連して示したが、このような技術を用いるとヘッドアップディスプレイのような他のディスプレイや非表示用途にも有利である。この技術を組み込むことのできる装置の例には、プロジェクタ、フラットパネルディスプレイ、逆投影TV、コンピュータ画面、携帯電話、GPSシステム、電子ゲーム、パームトップ、パーソナルアシスタントなどが含まれる。この技術は、航空、自動車、航海計器および構成部材、科学装置および機器、ならびに軍事および製造機器および機械に特に有用である場合がある。公知のものとこれから開発されるものとの両方を含む、ホームエレクトロニクスおよび電気器具から、商業および産業ツール用のインタフェース、ならびに医療装置および計器や、他の電子および光学ディスプレイおよびシステムまでの範囲である。例えば、製造などの産業における他の用途、例えば、部品検査や品質管理も可能である。用途は本明細書に記載されたものに限定すべきではない。他の用途も可能である。
同様に、本明細書に記載された構成以外の構成も可能である。構造、装置、システム、および方法は、他の構成部材、部材、およびステップを含んでよく、これらの構成部材、部材、およびステップのうちのどれでも除外することができ、それらを他の構成部材、部材、およびステップと交換してもしなくてもよい。各構成は異なるものであってもよい。
さらに、本発明の様々な実施形態を上記に説明した。本発明はこれらの特定の実施形態を参照して説明したが、この説明は本発明を例示するものであり、限定するものではない。当業者には、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の真の要旨および範囲から逸脱せずに様々な修正実施形態および用途が考えられよう。
Claims (140)
- 光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する、前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。 - 前記第1の光軸は前記第2の光軸に対して偏心している、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の光軸は前記第2の光軸に対して傾斜している、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の光軸は前記第2の光軸に対して傾斜し偏心している、請求項1に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第1の光軸と同じ第3の光軸を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第2の光軸と同じ第3の光軸を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第1および第2の光軸とは異なる第3の光軸を有する、請求項1に記載の装置。
- 結像光学系は、前記光路内に少なくとも1つの反射光学素子をさらに有する、請求項1に記載の装置。
- 前記反射光学素子はフォールドミラーを有する、請求項8に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは回折レンズ素子を有し、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項1に記載の装置。
- 前記回折レンズ素子は、前記第1の光軸に一致する光軸を有する、請求項10に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さず、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項1に記載の装置。
- 前記光路内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さない、請求項12に記載の装置。
- 前記光路内の前記レンズ素子はどれも、ほぼ平面状の前面および裏面を有する回折レンズ素子を有さない、請求項12に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは、前記少なくとも1つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項15に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも1つは、各軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記各軸は前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項16に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項15に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも1つは、1本の軸が前記第1の光軸同一直線上にあり、1本の軸が第1の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項18に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子は、各非球面レンズ素子が、前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を形成する非球面を有する、複数の非球面レンズ素子を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、少なくとも1つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項1に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にない、請求項21に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項21に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項1に記載の装置。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。 - 光路を形成する結像光学系であって、
第1の光軸を有する前記光路内の単一の第1のレンズ素子と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する前記光路内の単一の第2のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一の第2のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一の第2のレンズ素子は、前記第1のレンズ素子と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。 - 前記単一の第1のレンズ素子は、前記少なくとも1つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項27に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項28に記載の装置。
- 前記単一の第1のレンズ素子は、軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項29に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は前記第1の光軸と同一直線上にない、請求項28に記載の装置。
- 前記第1の単一のレンズ素子は、1本の軸が前記第1の光軸と同一直線上にあり、1本の軸が前記第1の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有する、請求項31に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、少なくとも1つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項27に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にない、請求項33に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項33に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項33に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項33に記載の装置。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
第1の光軸を有する前記光路内の第1の単一のレンズ素子と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
前記画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。 - 前記単一の第2のレンズ素子は、前記画像形成装置と前記単一の第1のレンズ素子との間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、請求項38に記載の装置。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外し反射器と、
前記画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に2枚以下のレンズが含まれる、画像を表示する頭部装着ディスプレイ。 - 前記結像光学系は2枚のレンズを有する、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記2枚のレンズは、それぞれの異なる光軸を有する、請求項41に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 少なくとも1枚の前記レンズはプラスチックである、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記レンズはどちらもプラスチックである、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記レンズ上の各光学面は非球面である、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記画像形成装置は空間光変調器を有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記画像形成装置は放射型ディスプレイを有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に配置された少なくとも1つの追加的な反射器をさらに有する、請求項40に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 前記追加的な反射器はフォールドミラーを有する、請求項48に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外し反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持体と、
を有し、
前記光路内に2枚以下のレンズが含まれ、かつ光パワーを有する反射器が含まれない、頭部装着ディスプレイ用の装置。 - 前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する2枚のレンズを有する、請求項50に記載の装置。
- 前記2枚のレンズはプラスチックを含む、請求項50の記載の装置。
- 前記2枚のレンズはそれぞれ非球面を有する、請求項50に記載の装置。
- 前記レンズの一方は回転対称であり、前記レンズの一方は非回転対称である、請求項50に記載の装置。
- 光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
非球面コンバイナを有する前記光路内の反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
2つの非球面反射光学面を有するレンズのみが前記光路内に含まれる、頭部装置ディスプレイ用の装置。 - 前記結像光学系は2枚以下のレンズを有する、請求項55に記載の装置。
- 結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する2枚のレンズを有する、請求項55に記載の装置。
- 前記レンズの一方は、回折光学素子を有する面を有する、請求項55に記載の装置。
- 前記各レンズはプラスチックを含む、請求項55の記載の装置。
- 前記光路内に配置された少なくとも1つの反射器をさらに有する、請求項55に記載の装置。
- 前記反射器はフォールドミラーを有する、請求項55に記載の装置。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称的な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、
前記画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有する、画像を表示する頭部装着ディスプレイ。 - 前記非回転対称レンズはプラスチックを含む、請求項62に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 回転対称レンズをさらに有する、請求項62に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、
前記画像形成装置に対して配置され、前記画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称的な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、
軸外しコンバイナと、
を有する光学系。 - 前記第1および第2の軸は互いに対して偏心している、請求項65に記載の光学系。
- 前記軸外しコンバイナは、前記第1および第2の軸に対して傾斜した軸の周りで回転対称的な形状を有する、請求項65に記載の光学系。
- 前記第1および第2の面は非球面である、請求項65に記載の光学系。
- 人の目の中に画像を形成する方法であって、
複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、
第1および第2の軸の周りで回転対称的な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、
軸外し反射器から前記光を目の中に反射して目の中に画像を形成することと、
を含む方法。 - 前記第1および第2の軸は互いに対して傾斜している、請求項69に記載の方法。
- 前記第1および第2の軸は互いに対して偏心している、請求項69に記載の方法。
- 前記屈折光学系によって前記空間光変調器からの光を集光することは、前記光を前記非回転対称レンズを通してほぼ反射なしに伝搬させることを含む、請求項69に記載の方法。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外し反射器と、
を有し、
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に2枚以下のレンズが含まれる、画像を表示する光学系。 - 前記結像光学系は2枚のレンズを有する、請求項73に記載の光学系。
- 前記2枚のレンズは、それぞれの異なる光軸を有する、請求項74に記載の光学系。
- 前記レンズの少なくとも一方はプラスチックである、請求項71の記載の光学系。
- 前記レンズはどちらもプラスチックである、請求項71に記載の光学系。
- 前記レンズ上の各光学面は非球面である、請求項71に光学系。
- 前記画像形成装置は空間光変調器を有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項71に記載の光学系。
- 前記画像形成装置は放射型ディスプレイを有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項71に記載の光学系。
- 前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に配置された少なくとも1つの追加的な反射器をさらに有する、請求項71に記載の光学系。
- 前記追加的な反射器はフォールドミラーを有する、請求項71に記載の頭部装着ディスプレイ。
- 少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、
前記光路内の軸外し反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記軸外し反射コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
前記光路内に2枚以下のレンズが存在し、光パワーを有する反射器は存在しない、画像を表示する装置。 - 前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する2枚のレンズを有する、請求項83に記載の装置。
- 前記2枚のレンズはプラスチックを含む、請求項83の記載の装置。
- 前記2枚のレンズはそれぞれ非球面を有する、請求項83に記載の装置。
- 前記レンズの一方は回転対称であり、前記レンズの一方は非回転対称である、請求項83に記載の装置。
- 少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、
非球面コンバイナを有する前記光路内の反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
2つの非球面屈折光学面を有するレンズのみが前記光路内に存在する、画像を形成する装置。 - 前記結像光学系は2枚以下のレンズを有する、請求項88に記載の装置。
- 前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する2枚のレンズを有する、請求項88に記載の装置。
- 前記レンズの一方は回折レンズ素子を有する、請求項90に記載の装置。
- 前記レンズはそれぞれプラスチックである、請求項90に記載の装置。
- 前記光路内に少なくとも1つの反射器をさらに有する、請求項90に記載の装置。
- 前記反射器はフォールドミラーを有する、請求項93に記載の装置。
- 物体領域内に画像を生成することと、
2枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって前記物体領域の画像を形成することと、
を含む、画像を形成する方法。 - 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第1および第2の軸の周りで回転対称的な第1および第2の形状を有する第1および第2の面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、
を有する、画像を表示する光学系。 - 前記非回転対称レンズはプラスチックを含む、請求項96に記載の光学系。
- 回転対称レンズをさらに有する、請求項96記載の光学系。
- 画像形成装置を結像する光学系であって、
前記画像形成装置に対して配置され、前記画像形成装置から光を受け取るように構成され、互いに対して傾斜している第1および第2の軸の周りで回転対称的な第1および第2の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも1枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、
軸外しコンバイナと、
を有する光学系。 - 前記第1および第2の軸は互いに対して偏心している、請求項98に記載の光学系。
- 前記軸外しコンバイナは、前記第1および第2の軸に対して傾斜している軸の周りで回転対称的な形状を有する、請求項98に記載の光学系。
- 前記第1および第2の面は非球面である、請求項98に記載の光学系。
- 複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、
互いに異なる第1および第2の軸の周りで回転対称的な形状を有する第1および第2の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素から光を集光することと、
軸外し反射器から前記光を反射して画像を形成することと、
を含む、画像を形成する方法。 - 前記第1および第2の軸は互いに対して傾斜している、請求項103に記載の光学系。
- 前記第1および第2の軸は互いに対して偏心している、請求項103に記載の光学系。
- 前記屈折光学系によって前記空間光変調器からの光を集光することは、前記光を前記非回転対称レンズを通してほぼ反射なしに伝搬させることを含む、請求項103に記載の方法。
- 前記レンズ群内の前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項27に記載の装置。
- 前記第1の単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項27に記載の装置。
- 前記第2の単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項27に記載の装置。
- 前記第2の単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項27に記載の装置。
- 前記第1の光軸は、前記第2の光軸に対して偏心している、請求項26に記載の装置。
- 前記第1の光軸は、前記第2の光軸に対して傾斜している、請求項26に記載の装置。
- 前記第1の光軸は、前記第2の光軸に対して傾斜し偏心している、請求項26に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第1の光軸と同じ第3の光軸を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第2の光軸と同じ第3の光軸を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記コンバイナは、前記第1および第2の光軸と異なる第3の光軸を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記結像光学系は、少なくとも1つの反射光学素子を前記光路内にさらに有する、請求項26に記載の装置。
- 前記反射光学素子はフォールドミラーを有する、請求項119に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは回折レンズ素子を有し、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項26に記載の装置。
- 前記回折レンズ素子は、前記第1の光軸に一致する光軸を有する、請求項121に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さず、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項26に記載の装置。
- 前記光路内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さない、請求項123に記載の装置。
- 前記光路内の前記レンズ素子はどれも、ほぼ平面状の前面および裏面を有する回折レンズ素子を有さない、請求項123に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも1つは、前記少なくとも1つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項126に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも1つは、各軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記各軸は前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項127に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項126に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも1つは、1本の軸が前記第1の光軸と同一直線上にあり、1本の軸が第1の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項129に記載の装置。
- 前記レンズ群内の前記レンズ素子は、各非球面レンズ素子が、前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を形成する非球面を有する、複数の非球面レンズ素子を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、少なくとも1つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項26に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にない、請求項132に記載の装置。
- 前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第1の光軸と同一直線上にある、請求項132に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記各軸同士が一致する、請求項26に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記各軸同士が一致する、請求項1に記載の装置。
- 空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された、前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子は、前記第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する光学系。 - 光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第1の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第1の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第1の光軸とは異なる第2の光軸を有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第2の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する装置。
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