JP2017510844A - ニアアイディスプレイのための扁平型像合成器 - Google Patents

Abstract

ニアアイディスプレイシステム又は同様のものの、合成器光学部品とも呼ばれる、像合成器は、ユーザが「世界視像」内の遠隔オブジェクトを見ることができるために十分な光を透過し、その一方でまた、ユーザが「投影」（拡張）視像内の投影像を同時に見ることができるために十分な光を反射する。本開示の像合成器は、くさび形反射空洞を形成するように構成された２つの部分反射板を用いる。ディスプレイシステムにおいて、映像デバイスからの光は、くさび形空洞内における３回の反射を含むユーザの眼への経路をたどる。くさび形空洞のこの能力を用いることによって、合成器光学部品は、１つの部分反射板のみ、及び光学経路内における１回の反射のみを用いる合成器光学部品よりも、大幅に低減された厚さ、及び扁平な断面を有することができる。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は概して、遠隔オブジェクト及び投影像の同時観視を可能にする部分反射要素を含む光学構成要素に特に適用される、レンズ及び関連光学構成要素に関する。本発明はまた、関連する物品、システム、及び方法にも関する。

光学ビームスプリッタが周知である。いくつかのビームスプリッタは、２つのプリズムを、間に反射フィルムをはさんで互いに接合することによって作製される。例えば、米国特許第７，３２９，００６号（Ａａｓｔｕｅｎら）を参照されたい。レンズも同様に周知である。周知のレンズには、２枚以上の単純なレンズが互いに接合された複合レンズがある。米国特許第５，６５４，８２７号（Ｒｅｉｃｈｅｒｔ）は、レンズがビームスプリッタによって２つの部分に分割されるレンズを説明している。

ヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display）又はヘッドマウンテッドディスプレイ（本明細書においてはまとめてＨＵＤと呼ばれる）は、ユーザの視野の全て又は一部を満たす像を投影することができる。いくつかのＨＵＤは、投影像を外部環境の通常の像と一体化する合成器光学部品を用いる。場合によっては、ＨＵＤは、眼鏡のものと同様のフォームファクタを有し得る、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：Near-Eye Display）である。例えば、米国特許第６，３５３，５０３号（Ｓｐｉｔｚｅｒら）を参照されたい。

ニアアイディスプレイ及び同様のものにおいて、ディスプレイシステムは、一方を他方の上に重ね合わせることによって世界視像を拡張（投影）視像と光学的に合成する、合成器レンズなどの、少なくとも１つの合成器光学部品を用いる。世界視像内において、ユーザは合成器光学部品を通して遠くのオブジェクトを見る。拡張視像内において、ユーザは、小型投映機によって生成され、合成器光学部品によってユーザの眼内へ反射された像を見る。システムは好ましくは２つの視像を、高品質の光学性能をもって、堅牢なパッケージ内で合成する。更に、眼鏡は軽量かつ美観的に感じのよいことが望ましい。合成器光学部品は、光学性能だけでなく、ディスプレイシステムの美観及び重量においても大きな役割を果たすことができる。

我々は、軸方向寸法（厚さ）を極めて小さくできる構成要素サイズの、２つの重ね合わせた視像をもたらすことができる、合成器レンズなどの新しい合成器光学部品群を開発した。低減された厚さは、合成器光学部品の体積及びそれゆえ重量を低減するとともに、薄い、現代的な、「扁平な（low profiler）」設計をもたらすことによってシステムの美観を向上させるために用いることができる。低減された厚さを持つ能力は、合成器光学部品の特定の光学設計上の特徴によって可能になる。簡潔に言えば、合成器光学部品は、くさび形反射空洞を形成する２つの部分反射板を用いる。投影（拡張）視像を生成する映像光は、映像デバイスからユーザの眼への経路をたどり、部分反射板は、この光経路がくさび形反射空洞内における３回の反射を含むように構成される。反射空洞内における複数の反射を用いることによって、部分反射板は、単一反射ビームスプリッタのために必要とされるであろう傾斜角と比較して、より小さな傾斜角で、即ち、合成器光学部品の前後軸又は光学軸に対してより垂直に近い角度で配向されることができ、これにより、より薄い製品構成が可能になる。また、本開示の合成器光学部品の、傾斜がより小さい設計特徴は、世界視像及び投影視像の両方のための広角視にも有益である。

したがって、我々は、本明細書において、とりわけ、遠隔オブジェクト及び投影像の同時観視を可能にするディスプレイシステムであって、このシステムは合成器光学部品と映像デバイスとを含む、ディスプレイシステムを説明する。合成器光学部品は近位端部及び遠位端部を有し、近位端部はユーザの眼の近傍における配置のために好適である。映像デバイスは、映像光を合成器光学部品の近位端部の方へ向けるように配置されている。合成器光学部品は、くさび形反射空洞を形成する第１の部分反射板及び第２の部分反射板を含み、映像光は、くさび形反射空洞内における３回の反射を含むユーザの眼への光経路をたどる。

第１の部分反射板は反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよい。反射性偏光子は合成器光学部品の近位端部又はその近傍に配置されてもよく、それにより、光経路に沿って伝搬する映像光は、第２の部分反射板に衝突する前に反射性偏光子に衝突する。反射性偏光子は円反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよい。反射性偏光子は直線反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよく、合成器光学部品は、第１の部分反射板と第２の部分反射板との間に配置された移相子層を更に含んでもよい。移相子層は、実質的にλ／４の移相差を有してもよい。反射空洞内における３回の反射は、反射性偏光子における第１の反射、並びに第２の部分反射板における第１及び第２の反射を含んでもよい。移相子層は高速軸を有してもよく、反射性偏光子は通過軸を有してもよく、高速軸は、反射性偏光子における第１の反射が、反射性偏光子を通り抜ける映像光の透過をほとんど又は全く伴うことなく生じるように、通過軸に対して配向されてもよい。

合成器光学部品は別個の第１のレンズ及び第２のレンズを含んでもよく、第１のレンズは第２の部分反射板を介して第２のレンズに付着してもよい。第１のレンズは第１の曲面状表面を有してもよく、第２のレンズは、第１の曲面状表面に合致する形状に作られた第２の曲面状表面を有してもよい。

第２の部分反射板はノッチ反射板であるか、又はそれを含んでもよい。４００〜７００ｎｍの波長範囲にわたって、ノッチ反射板は、半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）が１００ナノメートル未満である少なくとも１つの別個の反射帯域を含んでもよい。第２の部分反射板は、実質的に偏光状態に対する感度のない法線入射における反射率を有してもよい。４００〜７００ｎｍの波長範囲にわたって、第２の部分反射板は、半値全幅が１００ナノメートル未満である別個の反射帯域を有しなくてもよい。第１の部分反射板は、２５％〜７５％の範囲内の映像光に対する平均反射率を有してもよく、第２の部分反射板は、２５％〜７５％の範囲内の映像光に対する平均反射率を有してもよい。

反射性偏光子は偏光の通過状態及び遮断状態を規定してもよく、反射性偏光子の遮断状態はノッチ反射スペクトルをもたらしてもよく、映像光は、ノッチ反射スペクトルに対応する１つ以上の別個のスペクトル出力ピークを含んでもよい。更に、第２の部分反射板は、反射性偏光子の遮断状態のノッチ反射スペクトルに対応する第２のノッチ反射スペクトルを有するノッチ反射板であるか、又はそれを含んでもよい。

また、我々は、近位端部及び遠位端部を有する合成器光学部品であって、このような合成器光学部品は、近位端部又はその近傍における第１のレンズ、及び遠位端部又はその近傍における第２のレンズを含む、合成器光学部品を説明する。第１の部分反射板及び第２の部分反射板は第１のレンズの対向端部上に配置されてもよく、第１の部分反射板は第１のレンズの第１の表面に取り付けられ、第２の部分反射板は第１のレンズと第２のレンズとの間に挟み込まれる。第１の部分反射板及び第２の部分反射板は、合成器光学部品を通した遠隔オブジェクトの観視を可能にするために十分な光透過率を有してもよく、第１の部分反射板及び第２の部分反射板はくさび形反射空洞を形成してもよい。

第１の部分反射板は反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよい。第１の部分反射板は直線反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよく、合成器光学部品はまた、第１の部分反射板と第２の部分反射板との間に配置された移相子層を含んでもよい。第１の部分反射板及び第２の部分反射板は、近位端部に向けられた映像光が、くさび形反射空洞内における３回の反射を含む光経路を経由して、近位端部の近傍に配置された眼に可視像をもたらすように調整された反射率を有してもよい。

また、我々は、光源からの光を検出器へ向け直す光学部品（光学要素）を開示する。光学部品は、くさび形反射空洞を形成するように配置された反射性偏光子及び反射板を含む。光学部品はまた、反射性偏光子と反射板との間の移相子層を含む。移相子層は、反射性偏光子を通ってくさび形反射空洞に進入する光が、くさび形反射空洞内における３回の反射の後に反射性偏光子を通ってくさび形反射空洞を出るように、反射性偏光子に対して配向される。

反射性偏光子は、可視波長スペクトルのほとんど又は全てにわたって動作する広帯域偏光子であってもよいか、あるいは反射性偏光子は、代わりに、ノッチ反射板であるか、又はそれを含んでもよい。どちらの場合でも、反射性偏光子は、少なくとも一部の光に対して、５０％超、又は７０％超、又は９０％超、又は９９％超の偏光の遮断状態の反射率を有してもよい。移相子層は、実質的にλ／４の移相差を有してもよい。反射板は、光学部品が合成器光学部品になるように、くさび形反射空洞を通し、かつ光学部品を通した遠隔オブジェクトの光学的検出を可能にするために十分な光透過率を有する部分反射板であってもよい。代替的に、光学部品は、光学部品が合成器光学部品にならないように、くさび形反射空洞を通した、又は光学部品を通した遠隔オブジェクトの光学的検出を可能にするために不十分な光透過率を有してもよい。このような光学部品を組み込んだシステムも同様に開示される。システムは、映像光を光学部品の反射性偏光子の方へ向ける映像デバイスを含んでもよい。システムは、更に、又は代替的に、反射性偏光子を通ってくさび形反射空洞を出てくる光を受光するために配置された検出器を含んでもよい。場合によっては、検出器は人の眼であってもよいか、又はそれは、代わりに、電子検出器であるか、若しくはそれを含んでもよい。

添付の請求項、及び以下の発明を実施するための形態に、本発明のその他の態様を見いだすことができる。

関連する方法、システム、及び物品について検討する。

本出願のこれら及びその他の態様は、以下の「発明を実施するための形態」より明らかになるであろう。しかしながら、上記の概要は、いかなる場合においても特許請求される主題に対する限定として解釈されるべきではなく、手続時に補正され得る添付の「特許請求の範囲」によってのみ定義されるものである。

本明細書において説明されているとおりの左側及び右側の合成器光学部品を組み込んだ、アイウェアの形態の、ニアアイディスプレイシステムの概略上面図である。 このアイウェアが、ユーザが世界視像及び投影視像をそれぞれ見ることをどのように可能にするのかを示す概略図である。 このアイウェアが、ユーザが世界視像及び投影視像をそれぞれ見ることをどのように可能にするのかを示す概略図である。 合成器光学部品が１つの部分反射板のみを用いるディスプレイシステムの概略側面又は断面図である。 本システムのための映像デバイスから眼への光経路が合成器における１回の反射のみを有することを示す。 合成器光学部品が、くさび形反射空洞として構成される２つの部分反射板を用いるディスプレイシステムの概略側面又は断面図である。 本システムのための映像デバイスから眼への光経路が反射空洞内における３回の反射を有することを示す。 くさび形空洞として構成される２つの部分反射板を有する合成器光学部品の拡大概略図であり、映像デバイスから眼への光経路の一部分、並びに迷光ビームを生成する映像光の反射及び屈折を示すための光線が描かれている。 くさび形空洞として構成される２つの部分反射板を有する追加の合成器光学部品の拡大概略図であり、これらの合成器光学部品はまた、迷光ビームを低減するための追加要素を含む。 くさび形空洞として構成される２つの部分反射板を有する追加の合成器光学部品の拡大概略図であり、これらの合成器光学部品はまた、迷光ビームを低減するための追加要素を含む。 作製され、試験された合成器光学部品を作製するために別の部分反射板と組み合わせられた部分反射板の測定された分光反射率のグラフである。 作製され、試験された合成器光学部品の写真であり、合成器光学部品は、印刷面上に載せられ、それにより、透過され、反射された像が見える。 偏光された映像光を照明され、映像光を表面上へ反射している合成器光学部品の写真である。

図中、同様の参照符号は、同様の構成要素を示す。

上述されたように、我々は、くさび形反射空洞を形成するように互いに対して傾斜した２つの部分反射板の組み込みのおかげで、所望の場合には、軸方向寸法又は厚さを従来の合成器光学部品のものよりも小さくすることができる合成器光学部品を開発した。投影視像を形成する際に、ディスプレイシステム内の映像デバイスからの光は、くさび形反射空洞内における３回の反射を含むユーザの眼への経路をたどる。

図１を参照すると、ユーザが世界視像及び投影視像を同時に知覚することを可能にするディスプレイシステム１１０の概略図がそこに見られる。システム１１０は、説明を簡単にするために、デカルトｘ−ｙ−ｚ座標系上で示される。世界視像は、遠隔オブジェクト１０４などの現実のオブジェクトに関連付けられてもよい。投影視像は左側の映像デバイス１３０及び右側の映像デバイス１５０の一方又は両方によって生成され、世界視像の上に重ね合わせられてもよい。図において、投影視像は、投影光によって形成される仮想オブジェクト１０５によって表現される。場合によっては、２つ以上の異なる関連仮想オブジェクトを有する、２つの異なる投影視像、例えば、左側の映像デバイス１３０によって提供される左側投影視像、及び右側の映像デバイス１５０によって提供される右側投影視像が提供されてもよい。別個の左側及び右側の投影視像が提供される場合には、それらは１つ以上の仮想オブジェクトの左側及び右側の立体視像であってもよく、それゆえ、このようなオブジェクト（単数又は複数）の３次元外観又は幻像をユーザにもたらす。代替的に、左側及び右側の投影視像は、代わりに、異なる関連のない仮想オブジェクトの視像であってもよい。更に他の場合には、映像デバイス１３０、１５０の一方は省略されてもよく、そのため、ディスプレイシステム１１０は１つの映像デバイスのみを含み、１つの投影視像のみをもたらす。

本開示のディスプレイシステムは、少なくとも１つの合成器光学部品及びその関連映像デバイスが所定位置に保持されるか、又はユーザの眼の近傍に別様に位置付けられるか、若しくは吊される限り、アイウェア（例えば、眼鏡）又はヘッドウェア（例えば、帽子、ヘルメット、若しくはバイザ）などの、任意の好適な様式又は形式で作製されてもよい。図１のディスプレイシステム１１０はアイウェアとして示されており、それゆえ、それは、ユーザの耳及び鼻によって支持されてもよい好適なフレーム１１２を含む。フレーム１１２は、左側の合成器光学部品１２０及び右側の合成器光学部品１４０をそれぞれユーザの左眼１０２及び右眼１０３のすぐそばの所定位置に保持する。フレームはまた、左側の映像デバイス１３０及び右側の映像デバイス１５０を、それらのそれぞれの合成器光学部品１２０、１４０の近傍に、それらに対する適切な配向角で保持する。

合成器光学部品１２０は、通例、空気に曝露される最外面である、対向する第１の光学面及び第２の光学面１２０ａ、１２０ｂを有する。第１の光学面１２０ａは、ユーザの眼１０２の近傍における配置のために好適な、光学部品１２０の近位端部にある。第２の光学面１２０ｂは、ユーザから離れ、存在し得る任意の遠隔オブジェクト（単数又は複数）に向かって外側に面する、光学部品１２０の遠位端部にある。周縁側面１２０ｃが第１の光学面１２０ａを第２の光学面１２０ｂと接続する。合成器光学部品は通例、互いに一致し、合成器光学部品が単一の光学モジュール又はパッケージの形態のものになるように、一体に接合されるか、又は別様に取り付けられるか、若しくは付着される、レンズ又はプリズムなどの２つ以上の別個の光学本体を含む。合成器光学部品１２０は、光学部品の近位端部における１つの光学本体１２２と光学部品の遠位端部における別の光学本体１２４とで作製されるように示されている。これらの光学本体の光学面は、１つの平面状光学面及び１つの曲面状光学面を各々有する、本体１２２及び１２４の場合など、平面状、非平面状（例えば、曲面状）、又は平面状及び非平面状の組み合わせであってもよい。

光学本体１２２、光学本体１２４、及び本明細書において開示されるその他の光学本体は、その光学面の少なくとも１つが、平坦又は平面状ではなく、曲面状、例えば、凸状又は凹状である場合には、レンズと見なされてもよい。湾曲は球面状であってもよい、即ち、それは実質的に光学面全体にわたって一定の曲率半径を有してもよいか、又はそれは、光学面にわたって、通例、徐々に連続的に変化する曲率半径を有する、非球面状であってもよい。湾曲は光学本体に、０でない屈折力、例えば、収束レンズの場合、正の屈折力、又は発散レンズの場合、負の屈折力をもたらす。ただし、両方の光学面が同じ湾曲を有する場合を除く。この場合には、レンズは０の屈折力を有し得、収束型にも発散型にもなり得ない。また、本体の光学面の湾曲は、２つの直交断面平面、例えば、図１のｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面内に存在してもよいか、又は、それは、２つの直交断面平面のうちの一方の内部にのみ存在してもよく、例えば、それはｘ−ｚ平面内に存在するが、ｙ−ｚ平面内には存在しなくてもよい。

対向光学面が両方とも平面状であるが、互いに対して傾斜又は歪曲している光学本体は、本明細書において、レンズではなく、プリズムと呼ばれてもよい。例えば、図３を参照されたい。

所与の合成器光学部品は、レンズ及び／又はプリズムである光学本体を含んでもよい。光学本体の光学面が平面状であるのか、それとも曲面状であるのかに依存して、及び光学本体の屈折率などの他の因子に依存して、合成器光学部品１２０は、０でない屈折力を有し得る。例えば、合成器光学部品は、それを通過する光に対して正味の収束効果若しくは正味の発散効果を有し得るか、又はそれは０若しくは実質的に０の屈折力を有し得る。合成器光学部品によってもたらされる屈折力は、投影視像と比較して、世界視像に対して、これらの２つの視像によって使用される異なる光経路のゆえに、異なり得、通常は異なることにも留意されたい。合成器光学部品１２０の場合、光学本体１２２、１２４が同じ、又は同様の屈折率を有し、かつ、光学面１２０ａ、１２０ｂが実質的に平面状である場合には、光学部品１２０は、世界視像に対して実質的に０の屈折力を有し得るが、部分反射板１２８が図示のように曲面状である場合には、それは、投影視像に対して有意な０でない屈折力を有し得る。

各合成器光学部品は前後軸又は光学軸を規定してもよい。この軸は、それが連携するように設計されている眼の光学軸と合致するように規定されてもよい。それゆえ、図１では、ディスプレイシステム１１０がユーザの頭部上又はその近傍に適当に位置付けられると、合成器光学部品１２０の前後軸１２１はユーザの左眼１０２の光学軸とも合致し、合成器光学部品１４０の前後軸１４１はユーザの右眼１０３の光学軸と合致する。多くの場合、所与の合成器光学部品の前後軸はまた、光学部品の近位端部及び遠位端部における少なくとも光学面、例えば、合成器光学部品１２０の光学面１２０ａ、１２０ｂの幾何学的中心を通過する。前後軸は、光学部品の近位端部及び遠位端部における対向光学面などの、合成器光学部品の１つ又はいくつかの光学面に対する対称軸であってもよいが、それは、他の光学面、特に、合成器光学部品内に埋め込まれ、合成器光学部品内の２つの部分反射板の一方に関連付けられた光学面の対称軸ではなくてもよく、多くの場合、そうではない。

この点について、図１の合成器光学部品１２０は部分反射板１２６及び部分反射板１２８を含む。部分反射板１２８は合成器光学部品１２０内に埋め込まれており、それが光学部品１２０の前後軸１２１に関して対称的でない様態で傾斜し、湾曲している。部分反射板のより多くの態様及び特徴が以下において更に説明される。合成器光学部品内の２つの部分反射板の一方又は両方は好ましくは前後軸に対して傾斜し、また、くさび形反射空洞を画定するような様態で湾曲していてもよい。空洞がくさび形であるのは、それが、ユーザの眼から隔てられ、その一方の側へはずれ、それゆえ、また、光学部品の前後軸から偏位している映像デバイスと連携するように設計されるためである。合成器光学部品１２０の場合には、部分反射板１２６、１２８はくさび形反射空洞１２９を形成する。部分反射板１２６、１２８及び空洞１２９は、投影視像の映像光が、空洞１２９内における３回の反射を含む映像デバイス１３０からユーザの左眼１０２への経路をたどるように構成される。

これで、左側の合成器光学部品１２０の様々な部分及び特徴が説明された。読者は、右側の合成器光学部品１４０は、それが、図１に示されるように、光学部品１２０に対して鏡像対称性を有してもよいことを除いて、左側の光学部品１２０と同じ、又は実質的に同様の設計を有してもよいことを理解するであろう。それゆえ、右側の合成器光学部品１４０は、光学部品１４０の近位端部及び遠位端部における対向する第１の光学面及び第２の光学面１４０ａ、１４０ｂ、周縁側面１４０ｃ、光学部品１４０の近位端部における光学本体１４２及び遠位端部における別の光学本体１４４、前後軸若しくは光学軸１４１、並びにくさび形反射空洞１４９を形成する部分反射板１４６、１４８を有し、これらの要素の全ては、右側の合成器光学部品１２０内のそれらのそれぞれの対応物と同じか、又は同様であってもよい。

図１Ａ及び図１Ｂは、動作時における図１のディスプレイシステムの概略図である。図１Ａは、世界視像を生成する光がシステムによってどのように操作されるのかを示す。図１Ｂは、投影視像を生成する光がシステムによってどのように操作されるのかを示す。これらの図において、同様の参照符号は図１からの同様の要素を指し、それらの説明はここで繰り返されない。

図１Ａでは、１つ以上の遠隔オブジェクトからの光１０６がオブジェクト（単数又は複数）からシステム１１０のユーザへ伝搬する。光１０６は通例、可視光であるが、また、紫外線及び／若しくは近赤外線などの非可視波長であるか、又はそれらを含んでもよい。光１０６はまた、通例、偏光されないが、場合によっては、それは、弱く、又は更には強く偏光されてもよい。単純な場合では、光は、無偏光広帯域白色光、例えば、物理オブジェクトから反射された周囲の日光、昼光、又はオフィス照明であってもよい。光１０６は合成器光学部品１２０、１４０の最外光学面１２０ｂ、１４０ｂに衝突する。すると、光１０６は屈折によってそれぞれの合成器光学部品に進入する。それらの最外光学面において反射防止コーティングが施されていなければ、単純な空気／誘電体界面についての周知のフレネル方程式に従って、それらの表面においていくらかの反射も生じることになる。この点について、光学部品１２０の光学本体１２２及び１２４並びに光学部品１４０の光学本体１４２及び１４４などの、合成器光学部品を構成する光学本体は、任意の好適な光透過性光学材料、例えば、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：polymethylmethacrylate）などのアクリル酸塩、環状ポリオレフィンコポリマー及び／若しくは環状ポリオレフィンポリマー、又はシリコーンなどの光学的に透明なポリマー、あるいはソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、シリカ、又はサファイアなどの光学ガラス又はセラミックで作製されてもよい。これらの材料の全て又はほとんどは誘電体である。通例、合成器光学部品１２０の本体１２２及び１２４などの、所与の合成器光学部品の光学本体は、同じ、又は同様の光学材料で構成され、同じ、又は同様の屈折率を有する。しかし、場合によっては、本体１２２、１２４は、実質的に異なる光学材料で構成されてもよく、実質的に異なる屈折率を有するか、又は材料の組み合わせによっては実質的に同じ屈折率を有してもよい。各本体１２２、１２４の屈折率は通例、複屈折性ではなく、等方性である。単純な空気／誘電体界面はいくらかの光を反射し、残りのものを透過するにもかかわらず、このような界面はこの適用の目的のための「部分反射板」であると見なされない。また、このような界面において反射される光の量は通例、極めて少なく、例えば、法線又は略法線入射角で入射する光に対して８％未満、又は６％未満、又は５％未満である。

次に、便宜上、左側の合成器光学部品１２０を参照すると、合成器光学部品に進入する光１０６は、それが部分反射板１２８に衝突するまで、光学本体１２４（図１参照）を通って伝搬する。本実施形態では、部分反射板１２８は、本体１２２、１２４の合致する曲面状表面の間に挟み込まれると仮定される。ここで、光１０６の特性（波長、偏光、入射角など）及び部分反射板１２８の特性に依存して、光１０６の一部分は反射されてもよく、残りのものは部分反射板１２８を通って光学本体１２２（図１参照）内へ透過されてもよい。例えば、部分反射板１２８が（スペクトル的）ノッチ反射板であり、光１０６の相当部分がノッチ反射板の反射帯域（単数又は複数）を避ける波長にある場合、あるいは部分反射板が反射性偏光子であり、光１０６の相当部分が、反射性偏光子によって反射される偏光と直交する偏光を有する場合には、部分反射板１２８において反射される光１０６の部分は少ないか、又はごくわずかになり得、例えば、１０％未満、又は５％未満になり得る。代替的に、光１０６のより大きな部分、例えば、最大２０％、又は最大３０％、又は最大４０％が部分反射板１２８において反射されてもよい。多くの場合、部分反射板１２８の光吸収は少ないか、又は無視できてもよく、そのため、部分反射板１２８によって透過される光１０６の部分は、１００％・マイナス・部分反射板１２８によって反射される光１０６の量に実質的に、又は大体等しい。しかし、部分反射板１２８が金属蒸気被膜であるか、又はそれを含む場合など、場合によっては、吸収はより大きくなり得、そのため、反射率と透過率との合計は１００％未満になる。

部分反射板１２８によって透過される光１０６の部分は光学本体１２２（図１参照）を通って部分反射板１２６へ伝搬する。本実施形態では、部分反射板１２６は、光学本体１２２の外側光学面上に形成されるか、それに接着されるか、又は他の仕方でそれに適用されると仮定される。部分反射板１２６において、光１０６の特性及び部分反射板１２６の特性（部分反射板１２８に関する上述の説明を参照）に依存して、光１０６の一部分は反射されてもよく、残りのものは部分反射板１２６を通り抜けて合成器光学部品１２０から外へ透過され、ユーザの眼１０２へ向かってもよい。

図１Ｂは、ディスプレイシステム１１０が、投影視像をユーザにもたらす際にどのように動作するのかを示す。以下の説明では、映像デバイス１５０及び右側の合成器光学部品１４０を含む右半分は、実質的に同じか又は同様の仕方で動作してもよいという了解の下で、我々はシステム１１０の左半分の動作に集中することにする。

映像デバイス１３０は、ＯＬＥＤディスプレイ、透過型液晶ディスプレイ、反射型ＬＣディスプレイ（例えば、リキッドクリスタル・オン・シリコン（Liquid Crystal On Silicon、LCoS）ディスプレイなど）、又は走査レーザデバイスであるか、又はそれを備えてもよい。いずれの場合でも、デバイス１３０は、合成器光学部品による反射後にユーザによって仮想像として知覚されることができる映像光１３２を放射する。映像光１３２は普通の無偏光白色光であってもよいか、あるいは、それは、システム効率を向上させるために、例えば、部分反射板１２６、１２８の一方又は両方が映像光１３２に対するより高い反射率をもたらし、その一方で、遠隔オブジェクトからの光の高い透過率ももたらすように、部分反射板１２６、１２８の一方又は両方の光学特性に合致するか、又は実質的に合致するように調整された特定の特性、例えば、スペクトル特性及び／又は偏光特性を有してもよい。それゆえ、デバイス１３０は偏光光を放射してもよく、このとき、部分反射板１２６、１２８の一方又は両方は、その偏光状態に対してはより高い反射率を有し、直交偏光状態の光に対してはより低い反射率（かつより高い透過率）を有するように調整されてもよい。代替的に、又は加えて、デバイス１３０は、１つ以上の狭い帯域内で選択的に映像光を放射してもよく（例えば、それは、スペクトルの赤色、緑色、又は青色領域内などの、１つの狭い帯域内のみで光を放射してもよいか、又はそれは、実質的に重なり合わない２つ若しくは３つのこのような狭い帯域内で光を放射してもよい）、このとき、部分反射板（単数又は複数）は、映像光１３２の狭い帯域又は帯域群内でのみ高い反射率を有するように調整されてもよい。上述のことは、部分反射板の１つ又は各々は、ディスプレイシステムのいくつかの実施形態では、遠隔オブジェクトによって放射される光を通例特徴付け得る普通の周囲光（例えば、無偏光広帯域白色光）よりも、映像光１３２に対して高い反射率及び低い透過率を有するように調整されてもよいと注記することによって、言い換えられてもよい。

映像デバイス１３０を出発すると、映像光１３２は、合成器光学部品１２０との相互作用を含み、ユーザの眼１０２の網膜において終了する経路をたどる。光学部品１２０との相互作用は、部分反射板１２６、１２８によって形成されたくさび形反射空洞１２９内における複数の反射を含む。映像光１３２は、合成器光学部品１２０の最外光学面１２０ａに、（図１の実施形態では）部分反射板１２６が位置する、その近位端部において衝突する。光１３２の一部はここで反射され、残りの部分は部分反射板１２６によって透過され、屈折によってくさび形反射空洞１２９に進入する。この場合の空洞１２９は光学本体１２２に実質的に対応する。映像光１３２の透過／屈折部分は、その後、反射空洞１２９及び光学本体１２２内を伝搬する。そこで、光の一部分はまず部分反射板１２８によって反射され、次に、部分反射板１２６によって反射され、部分反射板１２８によって再び反射される。空洞１２９内における３回目の反射（これは部分反射板１２８における２回目の反射である）の後に、光１３２の経路は部分反射板１２６に至り、ここで、光の一部分は反射され、光の一部分は透過される。この地点において透過された光１３２は合成器光学部品１２０を出、前後軸１２１に沿ってユーザの眼１０２に向かって進む。図に概略的に示されている映像光１３２の光線は、同様の特性を有し、特に、反射空洞１２９内における３回の反射を伴う経路を各々たどる、映像デバイス１３０によって放射される一束の光線のほんの１つにすぎない。これらの光線の集合が結合して、ユーザの世界視像上に重ね合わせられてもよい投影像をユーザに提示する。

図２Ａ〜図２Ｂ及び図３Ａ〜図３Ｂは、１つの部分反射板のみ及び１回の反射のみを用いるシステムと比較した、くさび形反射空洞、及び投影像の光学経路内における複数の反射を利用する光ディスプレイシステムによってもたらされる利点を概略的に示す。図２Ａ〜図２Ｂは比較又は参照のために提供されており、合成器光学部品が１つの部分反射板のみを有し、１回の反射のみを用いるディスプレイシステムに関する。図３Ａ〜図３Ｂは、合成器光学部品が、くさび形反射空洞を形成するべく配置された２つの部分反射板を有するディスプレイシステムに関する。簡潔に言えば、くさび形反射空洞（図３Ａ）によって提供される複数の反射は、部分反射板が、比較システム（図２Ａ）内の部分反射板よりも小さい傾斜角で配向されること、即ち、合成器光学部品の前後軸又は光学軸により垂直に近い角度で配向されることを可能にする。部分反射板の傾斜角が小さくなれば、その結果、図３Ａの合成器光学部品がより小さい前後寸法を有することが可能になる。即ち、図２Ａの合成器光学部品と比較して、それをより薄くすることができる。

図２Ａでは、ディスプレイシステム２１０は、映像デバイス２３０と共同して投影像をユーザの眼２０２にもたらす合成器光学部品２２０を含む。同様に、図３Ａでは、ディスプレイシステム３１０は、映像デバイス３３０と共同して投影像をユーザの眼３０２にもたらす合成器光学部品３２０を含む。これらの図における合成器光学部品はそれぞれの前後軸又は光学軸（図２Ａにおける軸２２１、図３Ａにおける軸３２１）を有してもよい。これらの軸は、どちらの場合でも、ｚ軸と平行な、ユーザの眼の光学軸と合致する。各場合における映像デバイスはユーザの眼からオフセットされ、それぞれの合成器光学部品の前後軸に対する入射角θｉｎｃによって特徴付けられる方向に配向される。比較を容易にするために、配向角θｉｎｃは図２Ａ及び図３Ａにおいて同じである。

図２Ａでは、映像光２３２が映像デバイス２３０から角度θｉｎｃで合成器光学部品２２０に向けて放射される。映像光２３２は光学部品２２０の外側光学面２２０ａに衝突する。外側面２２０ａは単純な空気／誘電体界面であると仮定され、前後軸２２１と垂直であると仮定される。それゆえ、光２３２のごく一部分は迷光として反射され、残りのものはプリズム（又はレンズ）などの光学本体２２２内へ透過され、屈折させられる。光学本体２２２は図２Ａの合成器光学部品２２０の一部である。透過され、屈折させられた光２３２は、光学本体２２２を通って伝搬し、部分反射板２２８が設けられた、本体２２２の遠位光学面において反射される。部分反射板２２８及び光学面は、合成器光学部品の前後軸２２１と垂直である基準軸又は平面２０５に対して角度θｔｉｌｔで傾斜している。傾斜角θｔｉｌｔは、部分反射板２２８において反射された光２３２の部分が前後軸２２１と平行にユーザの眼２０２に向けられるように選択される。図２Ｂは、図２Ａのシステム内で映像光２３２によってたどられる光経路２３５を概略的に示す。映像光２３２は地点ａにおいて映像デバイス２３０を出、地点ｂにおいて表面２２０ａにおいて屈折させられ、地点ｃにおいて部分反射板２２８において反射され、地点ｄにおいて合成器光学部品の表面２２０ａから現れ、地点ｅにおいてユーザの眼に到達する。映像デバイス２３０内で生じ得る任意の反射又は屈折は無視され、光経路２３５の我々の分析には含まれない。

図３Ａでは、映像光３３２が映像デバイス３３０から角度θｉｎｃで合成器光学部品３２０に向けて放射される。角度θｉｎｃは、図２Ａにおける角度θｉｎｃと同じであるように描かれている。図３Ａをなお参照すると、映像光３３２は光学部品３２０の外側光学面３２０ａに衝突する。外側面３２０ａは部分反射板３２６と合致すると仮定され、前後軸３２１と垂直であると仮定される。それゆえ、光３３２の一部は迷光として反射され、残りのものはプリズム（又はレンズ）などの光学本体３２２内へ透過され、屈折させられる。光学本体３２２は図３Ａの合成器光学部品３２０の一部であり、それは、図２Ａの光学本体２２２と同じ屈折率を有すると仮定され、それゆえ、合成器光学部品の外側光学面内へ屈折させられる光に対して同じ屈折角を作り出す。透過され、屈折させられた光３３２は、光学本体３２２を通って伝搬し、別の部分反射板３２８が設けられた、本体３２２の遠位光学面において反射される。部分反射板３２８及び光学面は、合成器光学部品の前後軸３２１と垂直である基準軸又は平面３０５に対して角度θｔｉｌｔで傾斜している。それゆえ、部分反射板３２８、３２６はくさび形反射空洞３２９を形成する。部分反射板３２８において反射された光３３２は他方の部分反射板３２６へ進み、そこで、その一部分は部分反射板３２８へ反射されて戻り、その光の一部分は部分反射板３２６へ進んで戻り、そこで、その光の一部は透過され、合成器光学部品３２０を出る。部分反射板３２８の傾斜角θｔｉｌｔは、空洞３２９内における３回の反射の後に合成器光学部品を出てくる光３３２の部分が前後軸２２１と平行にユーザの眼２０２に向けられるように選択される。図の比較によって見ることができるように、図３Ａの傾斜角θｔｉｌｔは図２Ａのものよりもかなり小さい。これは、合成器光学部品３２０のくさび形反射空洞内で経験される３回の反射のゆえである。

この点について、図３Ｂは、図３Ａのシステム内で映像光３３２によってたどられる光経路３３５を概略的に示す。映像光３３２は地点ａにおいて映像デバイス３３０を出、地点ｂにおいて部分反射板３２６（及び光学面３２０ａ）において屈折させられ、地点ｃにおいて部分反射板３２８において反射され、地点ｄにおいて部分反射板３２６において反射され、地点ｅにおいて部分反射板３２８において再び反射され、地点ｆにおいて部分反射板３２６（及び光学面３２０ａ）から現れ、地点ｇにおいてユーザの眼に到達する。映像デバイス３３０内で生じ得る任意の反射又は屈折は無視され、光経路３３５の我々の分析には含まれない。

図４、図５、及び図６は、くさび形反射空洞を形成するべく配置された２つの部分反射板を各々含む、様々な合成器光学部品の実施形態をより詳細に示す。これらの実施形態のいくつかにおいて、部分反射板、及びシステムのその他の要素は、１つ以上の迷光ビームを低減又は解消するように調整される。

図４において、合成器光学部品４２０は、本開示のディスプレイシステム内で用いることができる種類のものである。光学部品４２０は、対向する第１の光学面４２０ａ及び第２の光学面４２０ｂを有する。光学面４２０ａは、ユーザの眼の近傍における配置のために好適な、光学部品４２０の近位端部にある。光学面４２０ｂは光学部品４２０の遠位端部にある。周縁側面４２０ｃが第１の光学面４２０ａと第２の光学面４２０ｂとを接続する。合成器光学部品４２０は、曲面状光学面が実質的に互いに一致する別個の光学本体（レンズ）４２２、４２４を含み、別個の光学本体は一体に接合されるか、又は別様に取り付けられるか若しくは付着されるが、それらの間に部分反射板が配置される。合成器光学部品４２０は前後軸又は光学軸４２１を規定する。この軸４２１は、合成器光学部品４２０が一部をなすディスプレイシステムが適当に位置付けられると、ユーザの眼の光学軸と合致してもよい。軸４２１はまた、平面状で互いに平行であってもよい、光学面４２０ａ、４２０ｂと垂直であってもよい。合成器光学部品４２０は部分反射板４２６及び部分反射板４２８を含む。部分反射板４２８は合成器光学部品４２０内に埋め込まれ、光学本体４２２、４２４の間に挟み込まれ、それが前後軸４２１に関して対称的でない様態で傾斜し、湾曲している。部分反射板４２８はまた、周縁側面４２０ｃの周りに完全に延在する終端を有してもよい。終端４２８ｔ１、４２８ｔ２を参照されたい。部分反射板４２６は光学部品４２０の近位端部において本体４２２の光学面に取り付けられるか、それに適用されるか、又はその上に形成されてもよい。部分反射板４２６、及びそれが取り付けられる光学面は、図示のように、平面状で、前後軸４２１と直交していてもよいか、あるいはそれらは前後軸に対して傾斜していてもよく（直交しない）、かつ／又はそれらは非平面状であり、例えば、凹状若しくは凸状の湾曲を有してもよい。いずれの場合でも、部分反射板４２６、４２８の一方又は両方は、反射空洞４２９がくさび形の構成を有するように、前後軸に対して傾斜している。部分反射板４２６、４２８及び空洞４２９は、投影視像の映像光が、空洞４２９内における３回の反射を含む映像デバイスからユーザの眼への経路をたどるように設計される。

概して、本開示のディスプレイシステム内の反射空洞を形成する部分反射板のために、種々の異なるフィルム、層、及び同様の要素を用いることができる。サイズ、空間、及び／又は重量の実用的な理由から、各部分反射板は好ましくは、バルク光学構成要素ではなく、全厚が、例えば、１ｍｍ未満、又は０．５ｍｍ未満、又は０．１ｍｍ未満であり得る、単層フィルム又は多層フィルム又はフィルム結合体の場合のものなどの、薄いフォームファクタを有する。所与の部分反射板は、単純な誘電体／空気界面のものよりも大きな反射率をもたらすが、（他方の部分反射板、及び合成器光学部品のその他の構成要素と組み合わせて）ユーザが合成器光学部品を通して遠隔オブジェクトを見ることがもはやできなくなるほど部分反射板の透過率が低くなるほど大きくはない。例えば、一方又は両方の部分反射板は、可視光に対して、及び／又はディスプレイシステムの映像デバイスによって放射される映像光に対して、２５％〜７５％の範囲内の平均反射率を有してもよい。同様に、一方又は両方の部分反射板は、可視光に対して、及び／又はディスプレイシステムの映像デバイスによって放射される映像光に対して、２５％〜７５％の範囲内の平均透過率を有してもよい。多くの場合、部分反射板が有する吸収率は、関心のある波長範囲にわたってわずかであるか、又は無視でき、そのため、任意の所与の波長、偏光、及び入射角において、部分反射板の反射率と透過率との合計は１００％に等しい。他の場合には、部分反射板の吸収はより大きくなり得、そのため、反射率と透過率との合計は、関心のある波長範囲の一部又は全てにわたって実質的に１００％未満になる。

場合によっては、所与の部分反射板の透過率及び反射率は、光学波長の関数として変化をほとんど又は全く呈しなくてもよく、また、偏光の関数としても変化を（法線入射角及び略法線入射角に対して）ほとんど又は全く呈しなくてもよい。例えば、アルミニウム、銀、又はその他の好適な金属若しくは材料の単純な薄い蒸気被膜を、透明フィルムに適用するか、あるいはレンズ、プリズム、又は合成器光学部品内のその他の光学本体の光学面に直接適用することができ、このような蒸気被膜は、可視波長範囲の一部又は全てにわたって、（法線角度又は略法線角度で入射する光に対して）偏光状態に関係なく、又はそれに実質的に関係なく、一定又は実質的に一定である反射率及び透過率を有し得る。別の例として、米国特許出願公開第２０１０／０１６５６６０号（Ｗｅｂｅｒら）に記載されているもののうちのいくつかなどの、いくつかの多層光学フィルムを、反射率及び透過率が、中程度の波長範囲及び入射角にわたって、波長の関数として、かつ偏光の関数として実質的に一定である、中間の反射率（即ち、相補的な（complimentary）中間の透過率を伴う、部分反射性を有する）の広い反射帯域をもたらすように設計することができる。多層光学フィルムは、多数の、例えば、数十、数百、又は数千の共押出ポリマー層で作製された高分子フィルムであってもよいか、あるいはそれは、蒸気被膜チャンバ内でキャリアフィルム又はその他の基板上に順次に蒸着される高屈折率及び低屈折率無機材料（例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、及びその他の周知の無機光学材料）の交互の層で作製されてもよい。

他の場合には、所与の部分反射板の透過率及び反射率は、波長の関数として大きな変化を呈してもよいが、偏光の関数としては変化を（法線入射角及び略法線入射角に対して）ほとんど又は全く呈しなくてもよい。例えば、高分子又は無機多層光学フィルム内の層の層厚さプロファイルの適切な制御によって、１つ以上の別個の反射帯域を作り出すことができ、それにより、反射板は、このような反射帯域（単数又は複数）内では中程度から高い反射率をもたらし、他の波長でははるかにより低い反射率をもたらし、相補的な透過スペクトル（即ち、反射帯域（単数又は複数）では中程度から低い透過率、及び他の波長でははるかにより高い透過率）を伴う。このような光学フィルムは本明細書において（スペクトル的）ノッチ反射板と呼ばれる。なぜなら、それらの反射又は透過スペクトルは、別個の隔離された反射帯域（単数又は複数）の存在のために、ノッチ又はピークを有する外観を有するからである。所与の隔離された反射帯域は極めて狭くすることができ、例えば、半値全幅（ＦＷＨＭ）によって測定したときの反射帯域のスペクトル幅は、１００ナノメートル未満、又は７５ナノメートル未満であってもよい。これは、ＦＷＨＭが１００ナノメートル未満である別個の反射帯域を有しなくてもよい、スペクトル変化性をほとんど又は全く呈しない部分反射板と対比されてもよい。

他の場合には、所与の部分反射板の透過率及び反射率は、波長の関数として変化をほとんど又は全く呈しなくてもよいが、偏光の関数としては大きな変化を（法線入射角及び略法線入射角に対して）呈してもよい。これの例としては、広帯域反射性偏光子、例えば、可視波長スペクトルのほとんど又は全てにわたって動作するように設計された反射性偏光子がある。反射性偏光子は、偏光の遮断状態に対しては、高い、又は比較的高い反射率を有し、偏光の通過状態に対しては低い反射率（及び高い透過率）を有する。延伸によって配向される一部の多層光学フィルムの場合など、場合によっては、遮断状態及び通過状態は、互いに物理的に直交する直線偏光状態である。一部のコレステリック光学フィルムに関する場合など、他の場合には、遮断状態及び通過状態は、数学的に互いに直交するが、物理的には直交しない円又は楕円偏光状態である。反射性偏光フィルムが延伸フィルムであるのか、コレステリックフィルムであるのか、それとも別のものであるのかにかかわりなく、このようなフィルムの層厚さプロファイルは、遮断状態の反射率は、関心のある波長範囲内の波長の関数として、広く、比較的一定であるか、又は少なくともゆっくり変化することができるように調整することができる。また、直線偏光子を、移相子層、例えば、好適に配向された、名目上４分の１波長（λ／４）の移相子層と組み合わせることによって、円偏光状態のための反射性偏光子を構築することもできる。

更に他の場合には、所与の部分反射板の透過率及び反射率は、波長及び偏光の両方の関数として大きな変化を呈してもよい。これの例としては、複屈折層が偏光変化性をもたらし、層厚さプロファイルが、所望の波長変化性、例えば、１つ以上の隔離された反射帯域をもたらすように調整された、配向多層ポリマーフィルムがある。このようなフィルムは、例えば、偏光の遮断状態に対しては、ノッチ反射スペクトルをもたらし、偏光の通過状態に対しては、反射をほとんど又は全くもたらさなくてもよい（それゆえ、高い透過率をもたらす）。本開示の合成器光学部品内の部分反射板として、放射される映像光が波長及び偏光において部分反射板に対して実質的に整合された映像デバイスと共に用いられると（例えば、部分反射板は遮断偏光のためのノッチ反射率を有してもよく、映像デバイスは、ノッチ反射板の反射帯域（単数又は複数）に対応するスペクトル帯域（単数又は複数）又はピーク（単数又は複数）内のみの光を放射してもよく、映像デバイスの光はまた、遮断状態に偏光される）、フィルムは、無偏光周囲白色光に対しては、驚くほど高い平均透過率を有するが、また、映像デバイスによって放射された映像光に対しては、高い反射率を有することができる。

上述されたものを含む、様々な種類の部分反射板の組み合わせを本開示のディスプレイシステム内において用いることができる。くさび形反射空洞を形成する２つの部分反射板は同じ種類のものであってもよく、例えば、それらはどちらも波長又は偏光における変化性をほとんど又は全く呈しなくてもよいか、あるいはそれらはどちらもノッチ反射板並びに／又は反射性偏光子であってもよい。代替的に、２つの部分反射板は異なる種類のものであってもよい。場合によっては、部分反射板は、システム効率を増大させるか、又は最大化するように、例えば、世界視像の周囲光に対しては、高い透過率をもたらし、その一方で、また、投影視像の映像光に対しては、高い反射率をもたらすように選択されてもよい。部分反射板はまた、合成器光学部品の近位端部及び／又は遠位端部から放射され得る迷光ビームを低減又は解消するように選択されてもよい。

図４に再び注目を向けると、我々は、映像デバイスによってもたらされる映像光と関連したその動作を見直すことができる。映像デバイスは図４に示されていないが、それは、例えば、図１及び図３Ａにおいて指示されるように、必要に応じて合成器光学部品に対して位置付けられ、配向されてもよい。映像光の代表的光線４３２は、映像デバイスから発し、反射、屈折、及び透過によって合成器光学部品４２０と相互作用し、その後、前後軸４２１に沿ってユーザの眼に進入する。光線４３２は、映像光を構成する光線の大きな束の一部である。地点「ａ」（図４には示されていないが、例えば、図３Ｂを参照されたい）において映像デバイスを出ると、光線４３２は、それが地点ｂにおいて光学面４２０ａ及び部分反射板４２６に衝突する経路をたどる。部分反射板４２６は、単純な設計のもの、例えば、アルミニウムの単一の蒸気被膜層であってもよいか、又はそれは、上述されたとおりの任意の他の好適な部分反射板であってもよい。光４３２の一部はここで反射され、残りの部分は部分反射板４２６によって透過され、屈折によってくさび形反射空洞４２９及び光学本体４２２に進入する。光４３２の透過／屈折部分は、ここで４３２ｂと標識され、次に、反射空洞４２９及び光学本体４２２内を伝搬する。そこで、その一部分はまず地点ｃにおいて部分反射板４２８によって反射され（光線４３２ｃ１を生ずる）、次に、地点ｄにおいて部分反射板４２６によって反射され（光線４３２ｄ１を生ずる）、地点ｅにおいて部分反射板４２８によって再び反射される（光線４３２ｅ１を生ずる）。地点ｃ、ｄ、及びｅにおける衝突はまた、一般的に、図示のように、透過光線４３２ｃ２、４３２ｄ２、４３２ｅ２も生じさせ得る。光線４３２ｄ２は、部分反射板４２６を通り抜ける透過、及び合成器光学部品４２０から外への屈折の結果、生じる。光線４３２ｃ２及び４３２ｅ２は、光学本体４２４を通って地点ｇ及びｈにおいて光学面４２０ｂへそれぞれ伝搬し、そこで合成器光学部品４２０から周囲の空気内へ屈折させられ、光線４３２ｇ、４３２ｈをそれぞれもたらす。光線４３２ｄ２、４３２ｇ、及び４３２ｈは映像光の外部又は迷光ビームと見なされてもよい。いくつかの適用例では、このような迷光は完全に容認でき、ディスプレイシステムの動作に対していかなる大きな悪影響も及ぼし得ない。他の適用例では、迷光ビームのうちの１つ以上は、望ましくないか、又は容認できなくなり得る。

経路が映像デバイスから開始し、ユーザの眼において終了する光線であって、投影像を形成するか、又はその形成を助ける光線を再び参照すると、光線４３２ｅ１は、部分反射板４２８における２回目の反射、及びくさび形反射空洞４２９内における３回目の反射の結果である。光線４３２ｅ１は前後軸４２１に沿って伝搬し、その一部は地点ｆにおいて部分反射板４２６によって透過され、光線４３２ｆを生ずる。光線４３２ｆはその後、それがユーザの眼（図４には示されていない）に進入して投影像を作り出すまで、前後軸４２１に沿って更に伝搬する。

迷光の少なくとも一部は、部分反射板、映像光、及び、場合によっては、ディスプレイシステムの１つ以上の他の要素の賢明な選択を通じて低減又は解消することができる。図５及び図６は２つのこのような実施形態を概略的に示す。

図５には、本開示のニアアイディスプレイシステムにおいて用いるために好適な合成器光学部品５２０が示されている。光学部品５２０の構成部分の多くは、図４の光学部品４２０の対応する部分と同じであるか、又はそれらと同様であってもよい。それゆえ、例えば、合成器光学部品５２０は、対向する第１の光学面５２０ａ及び第２の光学面５２０ｂを有する。光学面５２０ａは、ユーザの眼の近傍における配置のために好適な、光学部品５２０の近位端部にある。光学面５２０ｂは光学部品５２０の遠位端部にある。周縁側面５２０ｃが第１の光学面５２０ａと第２の光学面５２０ｂとを接続する。合成器光学部品５２０は、図４の対応する本体と同じであってもよい、別個の光学本体（レンズ）５２２、５２４を含む。合成器光学部品５２０は、図４のものと同じであってもよい、前後軸又は光学軸５２１を規定する。合成器光学部品５２０は部分反射板５２６及び部分反射板５２８を含む。部分反射板５２８は合成器光学部品５２０内に埋め込まれ、光学本体５２２、５２４の間に挟み込まれ、それが前後軸５２１に関して対称的でない様態で、それが他方の部分反射板５２６と共にくさび形反射空洞５２９を形成するように、傾斜し、湾曲している。部分反射板５２８はまた、周縁側面５２０ｃの周りに完全に延在する終端を有してもよい。終端５２８ｔ１、５２８ｔ２を参照されたい。光学部品５２０の近位端部において、移相子層５２７と組み合わせた部分反射板５２６が、図示のように、本体５２２の光学面に取り付けられるか、それに適用されるか、又はその上に形成される。この場合には、部分反射板５２６は、（スペクトル的に広帯域であるか、それともスペクトル的に狭帯域（例えばノッチ反射）であるかにかかわらず）直線反射性偏光子であり、移相子層５２７は実質的に、部分反射板５２６によって透過された直線偏光映像光が移相子層５２７によって円偏光映像光に変換されるように、面内高速軸が反射性偏光子の関連面内軸（その通過軸又は遮断軸など）に対して配向された、４分の１波長移相子（λ／４）である。別の言い方をすれば、ライナ反射性偏光子（部分反射板）５２６と組み合わせた移相子層５２７は、一方の巻き方（例えば、「時計回り（clockwise）」又はＣＷ円偏光状態）の円偏光光を反射し、他方の巻き方（例えば、「半時計回り（counter-clockwise）」又はＣＣＷ円偏光状態）の円偏光光を透過する。部分反射板５２６、５２８及び空洞５２９は、投影視像の映像光が、空洞５２９内における３回の反射を含む映像デバイスからユーザの眼への経路をたどるように設計される。移相子層５２７及び反射性偏光子（部分反射板）５２６は、図４の光線４３２ｄ２と類似した映像光の迷光ビームを低減又は解消するために設けられる。

次に、我々は、映像デバイスによって提供される映像光と関連した合成器光学部品５２０の動作を見直す。映像光の代表的光線５３２は、映像デバイスから発し、合成器光学部品５２０と相互作用し、その後、前後軸５２１に沿ってユーザの眼に進入する。光線５３２は、映像光を構成する光線の大きな束の一部であり、この光（光線５３２を含む）は偏光されるか、又は偏光されなくてもよいが、好ましくは、それは、反射性偏光子（部分反射板５２６）の通過軸に合致するように偏光される。映像デバイスを出た後に、光線５３２は、それが地点ｂにおいて光学面５２０ａ、並びに部分反射板５２６及び移相子層５２７に衝突する経路をたどる。部分反射板５２６は、上述されたように、直線反射性偏光子である。地点ｂにおいて、反射性偏光子の通過状態に対応する光線５３２の直線偏光成分は反射性偏光子５２６によって透過され（それゆえ、反射空洞５２９に進入する）、残りのものは（存在する場合には）反射される。（光線５３２が反射性偏光子５２６の通過軸に沿って直線偏光されている場合には、このとき、反射性偏光子の遮断状態の光線５３２の成分はほとんど又は全く存在しないことになり、それゆえ、地点ｂにおける反射光線はほとんど又は全く存在しなくなり得ることに留意されたい。）また、概ね地点ｂにおいて、反射性偏光子５２６によって透過された直線偏光映像光が反射空洞５２９に進入すると、それは、透過／屈折光線５３２ｂを、図示のように、円偏光状態、例えば、ＣＷに変換する移相子層５２７を通過する。光線５３２ｂはその後、反射空洞５２９を横切って伝搬する。そこで、その一部分はまず地点ｃにおいて部分反射板５２８によって反射され（光線５３２ｃ１を生ずる）、その後、地点ｄにおいて部分反射板５２６によって反射され（光線５３２ｄ１を生ずる）、地点ｅにおいて部分反射板５２８によって再び反射される（光線５３２ｅ１を生ずる）。地点ｃ及びｅにおける衝突はまた、一般的に、図示のように透過光線５３２ｃ２、５３２ｅ２を生じさせ得、光線５３２ｃ２、５３２ｅ２は、光学本体５２４を通って地点ｇ及びｈにおける光学面５２０ｂへそれぞれ伝搬し、そこで合成器光学部品５２０から周囲の空気内へ屈折させられ、迷光線５３２ｇ、５３２ｈをそれぞれもたらす。

透過光は地点ｄにおいて実質的に回避され、それゆえ、図４の光線４３２ｄ２と類似した迷光線を回避する。これは、反射性偏光子、移相子層、及び他方の部分反射板の複合した作用によるものである。それゆえ、ＣＷ円偏光光線５３２ｂが部分反射板５２８において反射されると、π移相変位が通例生じ、これにより、ＣＷ偏光状態が反射光線５３２ｃ１のために「直交」ＣＣＷ偏光状態に変換される。この偏光状態は、地点ｄにおいて移相子層５２７／反射性偏光子５２６の組み合わせによって、透過光をほとんど又は全く伴うことなく、実質的に完全に反射される。ＣＣＷ偏光状態は反射光線５３２ｄのために維持されるが、地点ｅにおいて反射光線５３２ｅ１のためにＣＷに再び逆転される。ＣＷ偏光状態を有することで、前後軸５２１に沿って伝搬する光線５３２ｅ１は地点ｆにおいて移相子層５２７／反射性偏光子５２６の組み合わせによって高度に透過され、それにより、光線５３２ｆを生ずる。光線５３２ｆはその後、それがユーザの眼に進入して投影像を作り出すまで、前後軸５２１に沿って更に伝搬する。

図５の代替実施形態では、４分の１波長移相子層５２７は、それが部分反射板５２６、５２８の間にあり、地点ｄにおける迷光映像光を低減又は解消する目的をなおも達成する限り、合成器光学部品５２０内の他の場所に配置されてもよい。

図６の実施形態は、合成器光学部品のその端部から現れる映像光の迷光線のうちの１つを低減又は解消するための別の要素又は要素群が合成器光学部品の遠位端部に追加されることを除いて、図５のものと同じか、又はそれと同様であってもよい。

合成器光学部品６２０の構成部分の多くは、図５の光学部品５２０の対応する部分と同じであるか、又はそれらと同様であってもよい。それゆえ、例えば、合成器光学部品６２０は、対向する第１の光学面６２０ａ及び第２の光学面６２０ｂを有する。光学面６２０ａは、ユーザの眼の近傍における配置のために好適な、光学部品６２０の近位端部にある。光学面６２０ｂは光学部品６２０の遠位端部にある。周縁側面６２０ｃが第１の光学面６２０ａと第２の光学面６２０ｂとを接続する。合成器光学部品６２０は、図５の対応する本体と同じであってもよい、別個の光学本体（レンズ）６２２、６２４を含む。合成器光学部品６２０は、図５のものと同じであってもよい、前後軸又は光学軸６２１を規定する。合成器光学部品６２０は部分反射板６２６及び部分反射板６２８を含む。部分反射板６２８は合成器光学部品６２０内に埋め込まれ、光学本体６２２、６２４の間に挟み込まれ、それが前後軸６２１に関して対称的でない様態で、それが他方の部分反射板６２６と共にくさび形反射空洞６２９を形成するように、傾斜し、湾曲している。部分反射板６２８はまた、周縁側面６２０ｃの周りに完全に延在する終端を有してもよい。終端６２８ｔ１、６２８ｔ２を参照されたい。光学部品６２０の近位端部において、移相子層６２７と組み合わせた部分反射板６２６が、図示のように、本体６２２の光学面に取り付けられるか、それに適用されるか、又はその上に形成される。部分反射板６２６及び移相子層６２７は、図５における対応する要素と実質的に同じであってもよい。それゆえ、部分反射板６２６は直線（広帯域又は狭帯域）反射性偏光子であり、移相子層６２７は４分の１波長（λ／４）移相子である。部分反射板６２６、６２８及び空洞６２９は、投影視像の映像光が、空洞６２９内における３回の反射を含む映像デバイスからユーザの眼への経路をたどるように設計される。移相子層６２７及び反射性偏光子（部分反射板）６２６は、図５の説明と同様の仕方で、図４の光線４３２ｄ２と類似した映像光の迷光ビームを低減又は解消するために設けられる。

映像光の光線６３２、６３２ｂ、６３２ｃ１、６３２ｄ、６３２ｅ１、及び６３２ｆ、並びに映像光線６３２ｃ２、６３２ｅ２、及び６３２ｇ、並びに地点ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、及びｈは全て、図５におけるそれらのそれぞれの対応物に実質的に対応してもよく、更なる説明は必要ない。しかし、図６の合成器光学部品６２０は、映像光線の円偏光状態のうちの１つを吸収する光学部品の遠位端部におけるフィルム又はフィルム群の追加によって、光学部品５２０と異なる。このようなフィルム又はフィルム群は図６において吸収層６２５によって表現されている。吸収層６２５は、例えば、別の４分の１波長（λ／４）移相子フィルムに積層された直線吸収偏光フィルムであるか、又はそれを含んでもよい。互いに対して適当に配向されると、このフィルム結合体は、吸収層６２５に、１つの円偏光状態（例えばＣＣＷ）の映像光を吸収させ、直交円偏光状態（例えばＣＷ）の映像光を透過させる。透過光線６３２ｃ２、６３２ｅ２は反対の円偏光状態のものであり、前者は光線６３２ｂのようにＣＷであり、後者は光線６３２ｄのようにＣＣＷである。それゆえ、吸収層６２５は、さもなければ地点ｈにおいて光線６３２ｅ２から現れるであろう迷光ビームなどの、迷光ビームのうちの１つを低減又は解消するために用いることができる。

数多くの変更を本開示の範囲内で行うことができ、１つの実施形態に関連して説明されている特徴及び態様は関連実施形態にも適用可能であることが理解されるであろう。例えば、図５からの説明と同様に、４分の１波長移相子層６２７は、図６に対する代替実施形態では、それが部分反射板６２６、６２８の間にあり、地点ｄにおける迷光映像光を低減又は解消する目的をなおも達成する限り、合成器光学部品６２０内の他の場所に配置されてもよい。反射性偏光子が、例えば、図５又は図６に関連して説明されているとおりの、本開示の実施形態の任意のものにおける部分反射板として用いられる場合には、反射性偏光子は、９９％超、９０％超、７０％超、又は約５０％超の、偏光の遮断状態の白色光に対する反射率を有してもよい。また、反射性偏光子が部分反射板として用いられるいずれの場合でも、それは、例えば、複屈折反射性偏光子、ワイヤグリッド反射性偏光子、ファイバ反射性偏光子、又は分散反射性偏光子などの、直線反射性偏光子、あるいはコレステリック反射性偏光子などの、円反射性偏光子を含む、任意の好適な反射性偏光子であるか、又はそれを含んでもよい。更に、本開示の合成器光学部品は、多種多様の代替的な光学映像システムにおいて用いることができる。場合によっては、例えば、映像光は可視光並びに不可視（例えば、赤外線若しくは紫外線）光の両方を含んでもよく、その一方で、他の場合には、映像光は赤外線及び／又は紫外線光を含むが、可視光をほとんど又は全く含まなくてもよい。映像光の検出器は、上述されたように、人間の眼であるか、又はそれを含んでもよいか、あるいはそれは、代わりに、くさび形反射空洞によって反射され、それから出てきた映像光を受光するべく配置された、ＣＣＤアレイ、又はその他の好適な固体デバイス、若しくはデバイスのアレイなどの、電子検出器であるか、又はそれを含んでもよい。

更に他の代替実施形態では、本開示の合成器光学部品の各々は、光学部品の一方の側に入射する光を反射するために、くさび形反射空洞を依然として保持しつつ、それが合成器光学部品としてはもはや機能しないように、容易に変更することができる。これは、部分反射板のうちの１つを、全反射板、即ち、関心のある波長（単数又は複数）における透過率が無視できるか、又は０である反射板と置換することによって行われてもよい。例えば、図５における部分反射板５２８は、関心のある波長（単数又は複数）においてより高い反射率を有し、実質的に不透明である、同一の形状に作られた全反射板（例えば、はるかにより厚い、金属の蒸気被膜）と置換されてもよい。代替的に、又はそれに加えて、変更は、不透明又は実質的に不透明な本体、層、又はその他の要素（単数又は複数）をくさび形反射空洞の一方の側に組み込むことによって行われてもよい。例えば、図５における光学本体５２４が不透明材料で作製されてもよく、かつ／又は不透明コーティングが第２の光学面５２０ｂに適用されてもよい。これらの場合のいずれにおいても、変更された光学部品は、関心のある波長（単数又は複数）における光を、光学部品を通した遠隔オブジェクトの検出を可能にするために十分にもはや透過せず、それゆえ、それは合成器光学部品であるともはや見なされない。しかし、このような変更された光学部品は、上述されたように、光源（図３Ａにおける光源３３０など）からの光を、くさび形反射空洞内における３回の反射を含む光学経路に沿って、検出器（図３Ａにおける眼３０２、又は同様に位置付けられた電子検出器など）へ向け直すように構成されたくさび形反射空洞を依然として有する。無論、くさび形反射空洞はまた、上述されたように、２つの反射板の間のλ／４移相子などの、移相子層を含んでもよい。

上述の原理を用いて、本明細書において説明されているとおりのニアアイディスプレイシステムに用いるために好適な合成器光学部品を製作した。

実施例では、市販の平凸状レンズが第１の光学本体として入手された。レンズは、Ｔｈｏｒｌａｂｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗｔｏｎ，ＮＪ，ＵＳＡから入手され、製品コードＬＡ１４１７を有した。レンズの凸曲面状光学面は７７ｍｍの曲率半径を有した。市販の平凹レンズが第２の光学本体として入手された。この第２のレンズも、Ｔｈｏｒｌａｂｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗｔｏｎ，ＮＪから入手されたが、製品コードＬＣ１６１１を有した。このレンズの凹曲面状光学面も約７７ｍｍの曲率半径を有し、それゆえ、第１の光学本体の凸状形状に対して一致する形状を有した。

第１の光学本体の凸状光学面上に第１の部分反射板が形成された。この部分反射板は、無機多層スタックを形成するべく無機光学材料の交互の層をレンズの凸状表面上に蒸着させることによって形成された。多層スタックは合計で約３６個の層を有し、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３を無機材料として用いた。多層スタックの全厚は５ミクロン未満であった。その個々の層の厚さは、多層スタックが、図７における曲線７１０として示されるとおりの反射率を有する、ノッチ反射板として機能するようなものであった。図７の反射率は、スタックへの法線入射時における無偏光光を用いて分光光度計上で測定された。多層スタックの法線入射反射率は実質的に偏光感度を有しなかった。曲線７１０において見られるように、多層スタックによって作り出されたノッチ反射板は、３つの別個の反射帯域：４５０ｎｍ（青色光）においてピークを有する帯域７１０ａ、５４７ｎｍ（緑色光）においてピークを有する帯域７１０ｂ、及び６２４ｎｍ（赤色光）においてピークを有する帯域７１０ｃを有した。

次に、第１の部分反射板（無機多層スタック）は、多層スタックの露出側を、ＵＶ硬化性接着剤を用いて第２の光学本体の凹状光学面に接合することによって、第１の光学本体と第２の光学本体との間に挟み込まれた。

次に、第２の部分反射板として用いるための直線反射性偏光フィルムが入手された。用いられた反射性偏光フィルムは、高分子多層光学フィルムである、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮから入手可能な、製品コードＡＰＦであった。このフィルムを平凸状レンズの平面状光学面に適用する前に、４分の１波長移相子フィルムが、光学的に透明な接着剤、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮから入手可能な製品コードＯＣＡを用いてその表面に適用され、接合された。次に、反射性偏光フィルムが、同じ光学的に透明な接着剤を用いて、反射性偏光子の通過軸が移相子フィルムの高速軸に対して４５度の角度になるように、移相子フィルムに適用され、接合された。（それゆえ、反射性偏光子の遮断軸も移相子フィルムの高速軸に対して４５度の角度になった。）この後、レンズ結合体は、互いに対して鏡面対称性を有する２つの合成器光学部品を作り出すべく、軸方向に半分に切断された。

その結果得られた合成器光学部品のうちの１つが図８及び図９に写真で示されている。図８では、合成器光学部品が、周囲のオフィス照明によって照らされた室内の印刷面上に載っている様子が示されている。この写真では、光学部品の（平面状）反射性偏光子側が観視者に面し、近くの文章の透過された像と反射された像の両方が見える。図９は、合成器光学部品が、反射された（現実の）像を作り出す様子を示す写真である。モノクロメータの出力が、１０ｍｍ掛ける１ｍｍの開口を通り、その後、吸収偏光子を通るように導かれる。開口は、反射するレンズの近傍の平面上に結像されるように見える。

特に断らない限り、本明細書及び「特許請求の範囲」において使用される量、諸特性の測定値などを表す全ての数は、「約」なる語によって修飾されているものとして理解されるべきである。したがって、そうではないことが示されない限り、本明細書及び付属の特許請求の範囲に記載される数値的パラメータは、本出願の教示を利用することで当業者が得ようとする所望の性質に応じて異なりうる近似的な値である。特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限しようとするものではないが、各数値パラメータは、少なくとも記載される有効桁数を考慮し、一般的な四捨五入法を適用することによって解釈されるべきである。本発明の広義の範囲を示す数値的範囲及びパラメータは近似的な値ではあるが、任意の数値が本明細書に述べられる具体例に記載される限りにおいて、これらは妥当な程度に可能な範囲で精確に記載されるものである。しかしながら、いかなる数値も、試験又は測定の限界に伴う誤差を含み得る。

当業者には、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明の様々な改変及び変更が明らかであり、本発明は、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されない点が理解されるはずである。読者は、１つの開示される実施形態の特徴は、特に断らない限り、他の全ての開示される実施形態にも適用することが可能であると仮定すべきである。本明細書で参照した全ての米国特許、米国特許出願公開、並びに他の特許及び非特許文献は、これらが上記の開示と矛盾しない限りにおいて、参照により組み込まれる。

Claims (10)

1. 遠隔オブジェクト及び投影像の同時観視を可能にするニアアイディスプレイシステムであって、前記システムは、
   近位端部及び遠位端部を有する合成器光学部品であって、前記近位端部はユーザの眼の近傍における配置のために好適である、合成器光学部品と、
   映像光を前記合成器光学部品の前記近位端部の方へ向けるように配置された映像デバイスと、
   を備え、
   前記合成器光学部品は、くさび形反射空洞を形成する第１の部分反射板及び第２の部分反射板を含み、前記映像光は、前記くさび形反射空洞内における３回の反射を含む前記ユーザの眼への光経路をたどる、システム。
2. 前記第１の部分反射板が、反射性偏光子である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記反射性偏光子は、前記合成器光学部品の前記近位端部又はその近傍に配置され、それにより、前記光経路に沿って伝搬する前記映像光は、前記第２の部分反射板に衝突する前に前記反射性偏光子に衝突する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記合成器光学部品は、別個の第１のレンズ及び第２のレンズを含み、前記第１のレンズは前記第２の部分反射板を介して前記第２のレンズに付着する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第２の部分反射板がノッチ反射板である、請求項１に記載のシステム。
6. ４００〜７００ｎｍの波長範囲にわたって、前記ノッチ反射板は、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１００ナノメートル未満である少なくとも１つの別個の反射帯域を含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記反射性偏光子は、偏光の通過状態及び遮断状態を規定し、前記反射性偏光子の前記遮断状態はノッチ反射スペクトルをもたらし、前記映像光が、前記ノッチ反射スペクトルに対応する１つ以上の別個のスペクトル出力ピークを含む、請求項２に記載のシステム。
8. 前記第２の部分反射板が、前記反射性偏光子の前記遮断状態の前記ノッチ反射スペクトルに対応する第２のノッチ反射スペクトルを有するノッチ反射板である、請求項７に記載のシステム。
9. 近位端部及び遠位端部を有する合成器光学部品であって、前記合成器光学部品は、
   前記近位端部又はその近傍における第１のレンズと、
   前記遠位端部又はその近傍における第２のレンズと、
   前記第１のレンズの対向端部上に配置された第１の部分反射板及び第２の部分反射板であって、前記第１の部分反射板は前記第１のレンズの第１の表面に取り付けられ、前記第２の部分反射板は前記第１のレンズと第２のレンズとの間に挟み込まれる、第１の部分反射板及び第２の部分反射板と、
   を備え、
   前記第１の部分反射板及び前記第２の部分反射板は、前記合成器光学部品を通した遠隔オブジェクトの観視を可能にするために十分な光透過率を有し、
   前記第１の部分反射板及び前記第２の部分反射板はくさび形反射空洞を形成する、
   合成器光学部品。
10. 光源からの光を検出器へ向け直す光学部品であって、前記光学部品は、反射性偏光子及び反射板を備え、前記反射性偏光子及び前記反射板はくさび形反射空洞を形成し、前記光学部品は前記反射性偏光子と前記反射板との間に移相子層を更に備え、前記移相子層は、前記反射性偏光子を通って前記くさび形反射空洞に進入する光が、前記くさび形反射空洞内における３回の反射の後に前記反射性偏光子を通って前記くさび形反射空洞を出るように、前記反射性偏光子に対して配向されている、光学部品。

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