JP3206920B2 - コンパクトな電子ディスプレイシステム - Google Patents

コンパクトな電子ディスプレイシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 関連出願 この出願は、1995年３月17日に出願された、出願番号
08/407,102の“コンパクトな、複合の拡大された虚像電
子ディスプレイ”の継続出願、及び1994年12月21日に出
願された、出願番号08/361,035の“小さな、合成された
虚像電子ディスプレイ”の継続出願であって、それらの
各々は、レファレンスによってここに包含される。
発明の属する技術分野 本発明は、コンパクトな電子ディスプレイシステムに
関する。特に、本発明は電子ディスプレイの光列を折り
返すめに用いられる場合、拡大されたマイクロディスプ
レイの虚像を与えるコンパクトな電子ディスプレイシス
テムに関する。
従来の技術 エレクトロニクスの分野において、電子装置の小型化
は継続した目的である。多くの電子装置は電子ディスプ
レイを有している。その結果、電子ディスプレイの小型
化は、いろいろなコンパクトな電子装置の製造にとって
重要である。
電子装置の目的は、目に見える情報のイメージ（像）
を与えることである。この目に見えるイメージは実像
か、虚像かの何れかとして与えられる。実像は、補助手
段のない人間の目によって直接観察されるイメージであ
る。写真は実像の例である。一般に実像を与える電子デ
ィスプレイは、実像が形成され、見られるディスプレイ
の表面のある形状を与える。実像は、与えられた場所に
存在し、もし見る面がこの場所に位置されるなら、実像
は補助手段がなくても目によって観察される。実像を与
える電子ディスプレイの例は、液晶ディスプレイ、CRT
モニター及び投射スクリーン等を含む。
実像の電子ディスプレイにおいて、観察者によって見
られるイメージ（像）はディスプレイ面上に形成され、
或いは投射されたイメージである。その結果、ディスプ
レイ面のサイズによって、観察者に与えられることがで
きるイメージのサイズは制限される。コンパクトな電子
装置は、それらの小さなサイズのために、ディスプレイ
の面に対して広さを制限し、従って、比較的小さなディ
スプレイのイメージを収容することができるだけであ
る。
比較的小さなディスプレイのイメージは、そのイメー
ジを見る人にとって、一連の問題を生じる。人間の目は
イメージにおいて限定された量の細部を解像することが
できるだけである。２つの物体が目から計測された、あ
る最小の角度によって離されている場合のみ、目はそれ
らを分離された物体であるとして解像することができ
る。補助手段のない人間の目は、およそ１−２アーク分
或いはそれ以上の離れた角度のある物体を解像すること
ができる。
人間の目は、目を疲労させることなく、目からの非常
に近い距離にあるソースオブジェクトに焦点を合わせる
ことは困難である。補助手段のない人間の目に対する近
点（near point）は、目を疲労させることなく、目が物
体に焦点を合わせることができる最も近い距離として定
義される。補助手段のない人間の目に対する近点は、平
均的な中年の大人で約25cmである。近点は年をとった大
人に対しては非常に長くなり、100cmの長さにもなる。
実像の電子ディスプレイのディスプレイ面は、ディス
プレイ面上に実像を形成する小さな物体、所謂ピクセル
のアレイを一般に有する。上述の理由に対して、補助手
段のない人間の目の解像度、及び目の近点は、補助手段
のない人間の目が解像することができる最小のピクセル
サイズを決定する。平均的な中年の大人に対して、近点
の置かれた電子ディスプレイにとって、補助手段のない
目によって解像されるピクセル間の最小間隔は約75×10
-4、即ち75ミクロンである。人間の目において、変化に
順応するために、実像の電子ディスプレイにおけるピク
セル間の最小間隔は、解像できる最小のピクセルサイズ
より大きいことが好ましい。
小さな実像の電子ディスプレイに対して、観察者に著
しい量の情報を与えるために、ディスプレイは、目の近
点に近い距離で見られなければならない。その結果、観
察者は、小さなディスプレイ上に彼らの目を焦点合わせ
しなければならない。電子ディスプレイが用いられる度
毎に小さなディスプレイ上に焦点を合わせる必要性は不
愉快な、そして結局は、望まない目の疲労を観察者に生
じさせる。観察者が電子ディスプレイ上に間欠的に焦点
を合わせる場合、目の疲労の問題は深刻になる。従っ
て、電子ディスプレイを見るために観察者の目を焦点合
わせする必要性を最小にする電子ディスプレイを用いる
ことは望ましいことである。
電子ディスプレイの有用性を決める人間の目の他の重
要な特性は、イメージの目の視野角である。目は、100
度迄の視野にわたって見ることができる。ここで呼ばれ
る全視野は、見られるイメージの大きな寸法に等しい直
径を有する目の軸の周りの円い視野である。しかし、視
野の中心から10−15度を越えると解像度は著しく下が
る。標準の電子ディスプレイの面に対する快適な視野
は、代表的には20−40度の範囲にある。実像ディスプレ
イに対して、視野は、ディスプレイの大きな寸法と目か
らディスプレイまでの距離間の比として定義される。こ
の様な視野をもつディスプレイ面の例は、150cmの所で
見られる100cmの直径を有するTVスクリーンである。人
間の目は、ディスプレイを横切って目を走査することに
よって、ディスプレイ面のエッジにおける低い解像度を
補正している。目の転がりは目の瞳を動かす。大人の瞳
の動きに対する代表的な距離は、約1cmである。
光学システムは実像と虚像の双方を生成する。実像を
与える電子ディスプレイの幾つかの例は、上述された。
実像と対比して、虚像は、もし見る面が虚像の場合に位
置されるなら、目によって観察されない像である。虚像
の例は、拡大レンズによって見られる細かいプリントの
イメージ（像）である。プリントが大きく見えるだけで
なく、プリントが実際に存在する面の実質的に後ろにあ
るようにみえる。定義によって、虚像は、ディスプレイ
面がない場所に存在する。従って、虚像のサイズはディ
スプレイ面のサイズによって制限されない。虚像の電子
ディスプレイは、大きな電子イメージを生成するため
に、大きなディスプレイ面に対する必要性の除くという
利点を有している。
虚像の電子ディスプレイは、虚像を作るために光学シ
ステムによって写像されるソースオブジェクトを最初に
形成しなければならない。虚像の電子ディスプレイの実
質的な利点は、最初に作られたソースオブジェクトが光
学システムによって有用に再イメージ化される程度に小
さいことである。その結果、虚像の電子ディスプレイ
は、ソースオブジェクトを形成するために、非常に小さ
なマイクロディスプレイを有効に用いることができる。
ピクセルサイズは、直径が数ミクロン程度の大きさで、
補助手段のない目は解像することができないサイズであ
る。むしろ、マイクロディスプレイによって形成された
ソースオブジェクトを見るために、実質的な拡大光学シ
ステムが必要である。
虚像は、ある種の光学システムによって作られなけれ
ばならない。実像の電子ディスプレイにおいては、それ
は目と見るパラメータを決める見る面の特性である。反
対に、虚像のディスプレイにおいては、光学システムが
見るパラメータの殆どを決定する。
虚像のディスプレイに関連したイメージを見ることの
容易さに関して、３つの重要なパラメータがある。第１
のパラメータは、光学システムが保持されている目から
の最大距離に当たる遠点であり、目に全虚像を見せる。
光学素子から短い距離である遠点を与える光学装置は、
光学素子に接近して目を置くことに関連した不都合さや
苦痛のために望ましくない。従って、拡大されたイメー
ジが光学素子からの距離の便利で、快適な範囲にある光
学素子によって見られるようにするために、光学素子が
長い遠点を与えることが好ましい。
虚像を容易に見ることに関する第２のパラメータは、
虚像の視野と一般に呼ばれる虚像のはっきり見える角度
幅である。全視野は、虚像の最も大きなはっきり見える
大きさと虚像のはっきり見える距離との比として定義さ
れる。それは、一般に、実像のエィスプレイ面の視野と
等価である。
虚像を容易に見ることに関する第３のパラメータは、
目が光学システムに関して移動し、目が光学システムを
介して全虚像をまだみれる横方向の距離である。
いろいろな電子ディスプレイシステムは虚像を観察者
に与えるために開発されている。虚像の電子ディスプレ
イシステムは、一般に２つの広いクラス、軸上のディス
プレイシステム（on−axis display system）と軸外れ
ディスプレイシステム（off−axis display system）に
分けられる。軸上のディスプレイシステムは共通の光軸
の周りに対象な要素を有するシステムである。典型的な
軸上のディスプレイシステムにおいては、軸上のディス
プレイシステムを形成するあらゆる要素はディスプレイ
システムを邪魔することなく光軸の周りを回転すること
ができる。軸上のディスプレイシステムは、最小量の収
差で虚像を生成するという利点を与える。しかし、軸上
のディスプレイシステムは、光学素子の線形配列のため
空間的に非効率であるという欠点を有する。
一方、軸外れディスプレイシステムは、１つ或いはそ
れより多くの要素が光軸の周りの対象性が除かれるよう
に、配置される場合のディスプレイシステムである。傾
斜した、或いは移された光学素子を有するあらゆる光学
システムがここで用いられる用語しての、軸外れディス
プレイシステムである。１つ或いはそれより多くの要素
を軸から外れて配置することによって、軸を離れたディ
スプレイシステムは、それらが用いられている装置の輪
郭内に効率よく適合されることができる。しかし、軸外
れディスプレイシステムは、イメージを軸外しして再指
向することが収差を生成されたイメージの質を著しく低
下するイメージに導くという欠点を有している。イメー
ジの質は、収差を著しく減少する追加の光学素子を使用
して、しばしば向上させることができる。しかし、これ
らの追加の光学素子はディスプレイのサイズ、複雑性、
及びコストを増加する。
軸外れディスプレイシステムは、光列を軸を外して再
指向するために、例えば凹面反射鏡のような、反射型の
光学面を有する光学素子を一般に用いる。反射素子を用
いる軸外れディスプレイシステムの従来例として、米国
特許第3,296,509号、第4,717,248号、第5,087,166号、
第5,157,503号、第5,291,338号、第5,305,124号及び第
5,357,372号がある。
反射型光学面の使用に関連した問題は、面の対物側の
光路と面のイメージ側の光路が同じ物理的空間を横切る
ことである。この問題は、オブジェクトの反射されたイ
メージを軸を外して方向転換する、例えばビームスプリ
ッター、或いは光学グレーチングのような光学素子等の
第２の反射面を使用することによって一般に避けられ
る。
コンパクトな、電子ディスプレイに関連した著しい利
点は、それらがポータブルであると言う事実である。従
って、コンパクトな電子ディスプレイが外部電源に依存
することは実用的でなく、不利である。電子ディスプレ
イに用いられる照明源は、電子ディスプレイに用いられ
るいろいろな要素の大量のエネルギーを一般に必要とす
る。従って、電子ディスプレイは、虚像を形成するため
に用いられる照明源を効率的に用いる光学設計を有す
る。
小さな体積内に収めることができ、観察者に大きな視
野、著しい程度の瞳距離を有する虚像、大きな変換距離
をを与える安価で、コンパクトな虚像の電子ディスレイ
に対する必要性がある。特に、軸上のディスプレイシス
テムのイメージの質及び光効率の利点と軸外れディスプ
レイシステムによって与えられる空間効率を組み合わせ
た電子ディスプレイシステムがいま必要とされている。
本発明の概要 コンパクトな虚像電子ディスプレイシステムがソース
オブジェクトの複合の拡大虚像を形成するために提供さ
れる。このディスプレイシステムは、ソースオブジェク
ト、第１の反射型拡大光学素子および第１の拡大光学素
子と組み合わされて、複合の拡大虚像を形成する第２の
反射型拡大光学素子を含む。第１と第２の拡大光学素子
は分離した光学素子であってもよい。代わりに、単一
の、ビームをスプリットする拡大光学素子（以下、ビー
ムスプリット拡大光学素子と言う）が第１と第２の拡大
光学素子の双方として用いられてもよい。
単一の、ビームスプリット拡大光学素子が反射素子と
組み合わされて用いられた場合、このビームスプリット
拡大光学素子は、拡大された虚像を生成するために第１
の反射型拡大素子として、及び観察者によって見られる
複合の拡大虚像を生成するするために第２の透過型拡大
光学素子の双方として働く。第１の拡大光学素子と同じ
反射モードにおける光学素子、及び第２の拡大光学素子
と同じ透過モードにおける光学素子を用いることによっ
て、第１ステージの拡大中にイメージに導かれるあらゆ
る収差が第２ステージの拡大中に実質的に除かれる。そ
の結果、生成された、複合の拡大された虚像は実質的に
収差がない。
マイクロディスプレイと第１の拡大光学素子は、それ
ぞれ第１の光軸を定めるために働く中心点を有してい
る。第１の拡大光学素子は、拡大された虚像を与えるた
めにソースオブジェクトを拡大し、拡大された虚像の中
心は第２の光軸を定め、第２の光軸は第１の光軸に関し
て角φを有している。第２の拡大光学素子は第２の拡大
光学素子によって観察者に与えられる全視野内に拡大さ
れた虚像の複合の拡大された虚像を与える。ソースオブ
ジェクトが第２の拡大光学素子として働く光学素子によ
って与えられた全視野内にあるように第１と第２の光軸
間の角度を充分小さくすることによって、第１の光軸に
沿ってディスプレイシステムの厚さは約20mmより小さ
く、より好ましくは10mmより小さく減少される。単一
の、ビームスプリット拡大光学素子が第１と第２の拡大
光学素子の双方として用いられると、第１の光軸に沿っ
てディスプレイシステムの厚さは、更に、7mmより小さ
く減少される。
本発明のディスプレイシステムは、少なくとも約10の
ファクター、より好ましくは少なくとも約20のファクタ
ーによりソースオブジェクトに関して拡大される、複合
の拡大された虚像を提供する。更に、このディスプレイ
システムは、観察者の目に向かってイメージを形成する
殆どの光を指向するように設計されるので、装置の出口
瞳を照明するために必要とされる光の量は従来のディス
プレイより著しく小さい。好適な実施の形態において、
第１と第２の光軸間の角度は約10゜に等しいか、それよ
りも小さく、より好ましくは約５゜に等しいか、それよ
り小さい。これらの小さな角度で、複合の拡大された虚
像における収差の量は著しく減少される。
本発明においては、あらゆる電子的に制御できるマイ
クロディスプレイを用いることができる。単一の、ビー
ムスプリット拡大光学素子が第１と第２の拡大光学素子
の双方として用いられた場合、マイクロディスプレイ
は、反射型の空間光変調器であるのが好ましい。マイク
ロディスプレイは、複合の拡大された虚像の全視野内に
位置されるのが好ましい。従って、観察者は、複合の拡
大された虚像を見るとき、第２の拡大光学素子として働
く光学素子は球面に形成されていると仮定すると、マイ
クロディスプレイを通して効果的に見る。
マイクロディスプレイは400mm2に等しいか、それより
小さい面積を有するソースオブジェクトを形成するのが
好ましい。マイクロディスプレイは、各ピクセルが約0.
25mm2に等しいか、それより小さい面積を有している場
合、ピクセルのアレイから形成されるのが好ましい。更
に好適な実施の形態において、ディスプレイシステム
は、目の位置センサーシステムを有し、それにより、観
察者は、マイクロディスプレイ及び／又はディスプレイ
システムの機能によって生成されるソースオブジェクト
を制御する制御装置と互いに作用するように観察者の目
を用いることができる。
図面の簡単な説明 図１は、ビームスプリット拡大光学素子が第１及び第
２の拡大光学素子として用いられている、本発明のディ
スプレイシステムを示す。
図2A−Ｂは、離された第１と第２の拡大光学素子が用
いられたディスプレイシステムの実施の形態を示す。
図３は、マイクロディスプレイによって生成されたソ
ースオブジェクトが合成された拡大虚像の全視野内にあ
るように、第１の光軸に関する第２の光軸の整列を示
す。
図4A−Ｄは、ビームスプリット拡大として用いること
ができる一連のビームスプリット拡大光学素子を示す。
図５は、第１の拡大光学素子の近位の面によって与え
られた屈折機能と第１の拡大光学素子の遠位の面によっ
て与えられた反射機能を有する第１の拡大光学素子を示
す。
図６は、ヘッドアップディスプレイにおいて使用する
ための部分的に反射する面を有する第１の拡大光学素子
を示す。
図7A−Ｂは、伸長と収縮することができるディスプレ
イシステムを示し、図7Aが収縮状態にあるディスプレイ
システムを示し、図7Bが伸長状態にあるディスプレイシ
ステムを示す。
図８は、マイクロディスプレイを制御するためのディ
スプテイシステム内に含まれる電子機器を示す。
図9A−Ｂは、ビームスプリット拡大光学素子と反射素
子を有する伸長と収縮することができるディスプレイシ
ステムを示し、図9Aが収縮状態にあるディスプレイシス
テムを示し、図9Bが伸長状態にあるディスプレイシステ
ムを示す。
図10は、光透過マイクロディスプレイを照射するため
に、ウエーブガイドが用いられているディスプレイシス
テムを示す。
図11は、光透過マイクロディスプレイを照射するため
に、ウエーブガイドが用いられているディスプレイシス
テムを示す。
図12は、照明源として、発光ダイオードが用いられて
いるディスプレイシステムを示す。
図13A−Ｂは、ディスプレイシステムの他の実施の形
態を示し、図13Aは複合の拡大された虚像を構成しない
光が観察者へ到達しないように、1/4波長板を使用する
ことを示し、図13Bは、ディスプレイ内に用いられた発
光ダイオードを示す。
図14は、ディスプレイシステムが行うマイクロディス
プレイ及び／又は機能によって生成されるソースオブジ
ェクトを制御するために、制御装置と相互作用するよう
に観察者が、観察者の目を用いることができる目の位置
のセンサーシステムを有するディスプレイの実施の形態
を示す。
図15は、単一の、ビームスプリット拡大光学素子が用
いられる、本発明のディスプレイシステムの好適な実施
の形態を示す。
図16は、一連のマイクロレンズから成るピクセルのア
レイを示す。
図17は、イメージを合成する光学素子として用いるた
めの拡散性のある材料からなるピクセルのアレイを示
す。
図18は、透過イメージを合成する光学素子が用いられ
ている、本発明の合成されたディスプレイの実施の形態
を示す。
図19は、反射イメージを合成する光学素子が用いられ
ている、本発明の合成されたディスプレイの第２の実施
の形態を示す。
図20A−Ｂは、本発明の合成されたディスプレイに用
いることができる２つの型式の開口を示し、図20Aは、
イメージを構成している光以外の光がイメージを合成す
る光学素子に到達するのを妨げるように設計された開口
を示し、図20Bは、屈折されない光が開口を通過するの
を妨げるストップ手段としての開口を示す。
図21A−Ｂは、電子装置への合成ディスプレイの組み
込みを示し、図21Aは、装置の断面図を示し、図21Bは、
装置の上面図を示す。
図22は、中間イメージを合成する光学素子の有る場合
と無い場合のユーザーの視野を示す。
好適な実施の形態 本発明は、拡大光学素子の一つが反射型であり、ディ
スプレイの光の列を曲げるために用いられる場合、マイ
クロディスプレイによって形成されるソースオブジェク
トの複合の拡大された虚像を与える第１と第２の拡大光
学素子を含む、安価でコンパクトな虚像の電子ディスプ
レイに関し、ディスプレイシステムがコンパクトな大き
さに収められるようにする。
従来の虚像のディスプレイシステムと違って、本発明
は、ディスプレイシステムの光の列を曲げる反射型拡大
光学素子を用い、ソースオブジェクトに関して反射され
たイメージの光路をそらすために、更に光学反射素子や
ビームスプリッターを必要としない。結果として、本発
明の合成されたディスプレイに用いられた素子間の間隔
が著しく減少され、ディスプレイを小さなスペースに配
置することができる。例えば、第１の拡大光学素子とし
て反射素子を用いることによって、第１と第２の拡大光
学素子間の間隔が約15mmに等しいか、それより小さく、
好ましくは、約8mmに等しいか、それより小さく減少さ
れる。結果として、第１の光学軸に沿うディスプレイシ
ステムの厚さが約20mmに等しいか、それより小さく、好
ましくは約10mmに等しいか、それより小さく減少され
る。
更に、２つのステージの拡大を行うことによって、こ
のディスプレイシステムに用いられる要素は、大きさも
減少される、本発明のよる電子ディスプレイは、好まし
くは、約75cm3に等しいか、それより小さく、最も好ま
しくは37.5cm3に等しいか、それよりも小さく配置する
ことができる。
反射型拡大素子の使用は、ビームスプリッター、光学
グレーチング及び他の方向を変える光学素子の使用に伴
って生じる光の損失を避けることによって、ディスプレ
イシステムの光の効率を増加するという更なる利点を与
える。更に、第１と第２の拡大光学素子を用いることに
よって、各光学素子を、用いられている他の光学素子に
よって生じる収差を修正するために選択することもでき
るが、球面収差、非点収差、コマ収差、歪曲及び像面湾
曲に限定されない。
電子ディスプレイシステムは、好ましくは約15mmに等
しいか、それより大きく、最も好ましくは約35mmに等し
いか、それより大きい瞳距離を与える。
図１は、単一の、ビームをスプリトする拡大光学素子
が第１と第２の拡大光学素子として用いられるディスプ
レイシステムの特に好適な実施の形態を示す。図１に示
されているように、虚像の電子ディスプレイシステム10
は、ビームスプリット拡大光学素子33とソースオブジェ
クトを生成するためのマイクロディスプレイ12を有す
る。
一般に、拡大光学素子がソースオブジェクトを拡大す
るために、拡大光学素子はソースオブジェクトからある
距離離れて位置されなければならない。単一の、ビーム
スプリット拡大光学素子が用いられると、マイクロディ
スプレイ12は、ビームスプリット拡大光学素子33から離
れて位置され、反射素子31に接近している。マイクロデ
ィスプレイ12は、好ましくはビームスプリット拡大光学
素子33から約３と15mmの間に、より好ましくは拡大光学
素子33から約５と10mmの間に位置される。マイクロディ
スプレイ12は、ビームスプリット拡大光学素子33の反対
側にある反射素子31の反射面37に接して配置されてお
り、この反射面37は、マイクロディプレイ12をその上に
取り付ける便利な支持構造を与える。
マイクロディスプレイ12の中心点13とビームスプリッ
ト拡大光学素子33の中心点15は、中心を決める第１の光
学軸18を画定し、それに沿ってソースオブジェクト14が
ビームのスプリットする拡大光学素子33に向かって投影
される。
ビームスプリット拡大光学素子33は、ソースオブジェ
クト14をイメージし、反射素子31へ向かうソースオブジ
ェクトの拡大された虚像20を反射するように、拡大機能
と反射機能がビームスプリット拡大光学素子33に組み込
まれる。反射された拡大虚像20を形成するイメージ光線
22の中心は第１の光学軸18に関して角度φにある第２の
光学軸24を定める。第１と第２の光学軸間の角度φは約
40゜に等しいか、それより小さく、好ましくは約10゜に
等しいか、それより小さく、より好ましくは約５゜に等
しいか、それより小さい。
ビームスプリット拡大光学素子33は、ディスプレイシ
ステムにおける第２の透過型拡大光学素子として働く。
特に、反射された拡大虚像20を形成するイメージ光線22
は、観察者30にソースオブジェクト14の複合の拡大され
た虚像28を生成するために、拡大された虚像20を拡大す
るビームスプリット拡大光学素子33に向けて反射素子31
を離れるように反射される。
ビームスプリット拡大光学素子33が第１と第２の拡大
光学素子として用いられた場合、図１に示されたディス
プレイシステムは、ビームスプリット拡大光学素子33が
第１と第２の離れた拡大光学素子が用いれている。図2A
−Ｂに示された本発明の他の実施例と光学的に等価であ
る。図2A−Ｂによるディスプレイシステムは、ここでレ
ファレンスにより包含された1995年３月17日に出願され
た出願番号08/407,102号の“コンパクトな、拡大された
複合虚像の電子ディスプレイ”に詳細に記載されてい
る。
図2Aに示されているように、ディスプレイシステム
は、ソースオブジェクト14を生成するためのマイクロデ
ィスプレイ12と第１の光軸18に沿って配置された第１の
拡大光学素子16を有しており、第１の光軸は、マイクロ
ディスプレイ12の中心13と第１の拡大光学素子16の中心
15によって定められる。ソースオブジェクト14は、第１
の拡大光学素子16に向かって投射され、且つ第１の光学
軸18上に集中される。
第１の拡大光学素子16はソースオブジェクト14を写像
し、観察者30の方向にソースオブジェクト14の拡大され
た虚像20を与えるように、拡大機能と反射機能が第１の
拡大光学素子に備えられている。拡大された虚像20を形
成するイメージ光線の中心は、第１の光学軸18に関して
角度φにある第２の光学軸24を定める。第１の光学軸18
に関して第２の光学軸24の変位角φは、もし光学素子が
傾けられているなら、第１の拡大光学素子の曲率の中心
に対して、法線の傾斜角の２倍に等しい。変位角φは、
もし第１の拡大光学素子16が中心からずれていれば、第
１の拡大光学素子16の曲率半径によって分割された第１
の拡大光学素子16の曲率の中心に対して、法線の距離の
２倍に等しい。
虚像の電子ディスプレイシステムは、拡大された虚像
20を受ける第２の拡大光学素子26も含み、また全視野内
に観察者30にソースオブジェクト14の複合の拡大された
虚像28を与える。
図2Bは、マイクロディスプレィ12が第２の拡大光学素
子26の基部に近い屈折面32に隣接して配置されているデ
ィスプレイの他の実施の形態を示す。この実施の形態に
よると、マイクロディスプレイ12によって生成されたソ
ースオブジェクト14は、拡大された虚像20を形成する結
像光線がダブレット36が第２の光学軸24を定める中心を
有している場合、第２の拡大光学素子26と第２の拡大光
学素子16の組み合わせによって構成されるダブレット36
によって、ダブレット36がソースオブジェクト14の拡大
された虚像20を与えるように結像される。この実施の形
態において、マイクロディスプレイは第２の拡大光学素
子26に接近して配置されているので、第２の拡大光学素
子26は、ソースオブジェクトが先ず第１の拡大光学素子
16に向かって第２の光学拡大素子26を通過すると、ソー
スオブジェクト14の様子を著しく変えることはない。
この実施の形態において、第１と第２の拡大光学素子
によって形成されるダブレット36は、好ましくは約３か
ら10までの間の倍率を与え、また好ましくは約7.5と30m
mの間の焦点距離を与える。この実施の形態において、
第２の拡大光学素子26は、拡大された虚像20が第２の拡
大光学素子26によって結像されると、好ましくは約３か
ら10までの間の倍率と好ましくは約25と83mmの間の焦点
距離を与える。第２の拡大光学素子26によって与えられ
た瞳距離は約15mmに等しいか、それより大きく、より好
ましくは約25mmに等しいか、それより大きく、最適には
35mmに等しいか、それより大きいことが好適である。
図１に示されたように、反射素子31は素子35として点
線で示された仮想のビームスプリット拡大光学素子を形
成する。この仮想のビームスプリット拡大光学素子35
は、図２に示された第１の光学拡大素子16とほぼ同じ位
置にある。従って、ビームスプリット拡大光学素子33と
組み合わせて、反射素子31を使用することにより、ビー
ムスプリット拡大光学素子33は、出願番号08/407,102号
に記載された第１と第２の拡大光学素子として機能する
ようになる。
第１の拡大光学素子としての反射モード、第２の拡大
光学素子としての透過モードの双方における単一の、ビ
ームスプリット拡大光学素子を用いることによって、図
１に示されたように、部分的に反射する光学素子は、第
２ステージの拡大の間に、第１ステージの拡大によって
イメージに導かれる多くの収差を打ち消して、それ自
体、相補的な光学素子として働く。その結果、生成され
た複合の拡大された虚像は実質的に収差がない。
単一の、ビームスプリット拡大光学素子を用いること
によって、光の列が２回曲げられるという利点が得られ
る。その結果、図１に示された合成されたディスプレイ
の実施の形態において用いられた素子間の間隔は、離れ
た第１と第２の拡大光学素子を使用することによって得
られらものと比べて、更に減少される。例えば、ビーム
スプリット拡大光学素子33と組み合わせて反射素子を使
用することによって、第１と第２の光軸に沿ってディス
プレイシステムの厚さを約15mmより小さく、好ましくは
約7mmより小さく減少することができる。
離れた第１と第２の拡大光学素子が使用されるか否か
に関係なく、マイクロディスプレイ12によって生成され
るソースオブジェクト14が第２の拡大光学素子26の全視
野25内にあるように、第２の光軸は図３に示されたよう
に第１の光軸に対して整列されるのが好ましい。これ
は、一般に、φが約40゜より小さいとを必要とする。従
って、観察者は、複合の拡大された虚像を見るとき、マ
イクロディスプレイを介して効果的に見ることができ
る。用語としてここで用いられている“全視野”は、複
合の拡大された虚像28を見るとき、観察者がマイクロデ
ィスプレイを介して効果的に見れないように、図３に示
された視野25の一部をブロックした場合、それにもかか
わらず、全視野が図３に示された全体の円形視野に及ぶ
ことを示すように意図されている。第１と第２の光軸の
間の角度が約10゜に等しいか、それより小さく、より好
ましく約５゜に等しいか、それより小さいように選ばれ
る。これらの小さい角度で、複合の拡大された虚像の収
差の量が著しく減少される。
本発明の電子ディスプレイシステムは、好ましくは約
15mmに等しいか、それより大きく、より好ましくは約25
mmに等しいか、それより大きく、最適には35mmに等しい
か、それより大きい瞳距離を与える。電子ディスプレイ
も、50cmで見られると、コンピュータモニター（24cm×
18cm）にサイズが少なくとも等しいイメージを与えるの
が好ましい。このサイズは、165cmで見る場合は、大き
なスクリーンのTV（100cmの対角線）にほぼ等しい。電
子ディスプレイは、約34゜の視野（中心光軸の何れかの
側に17゜）を与えることが好ましい。
単一の、ビームスプリット拡大光学素子が用いられる
と、ビームスプリット拡大光学素子は、ソースオブジェ
クトに関して少なくとも10のファクター、好ましくは少
なくとも20のファクターによって、拡大された複合の拡
大虚像を与える。ビームスプリット拡大光学素子は、好
ましくは約25mmと100mmの間の焦点距離を有する。ビー
ムスプリット拡大光学素子は、好ましくは約25％から75
％の反射率、最適には50％の反射率であるように選ばれ
る。
ビームスプリット拡大光学素子は、図１に示されたよ
うに簡単な、単一の光学素子を有することができる。他
に、より複雑な光学素子がビームスプリット拡大光学素
子として用いられてもよく、本発明の範囲内にあるよう
になされる。図4A−Ｄは本発明のディスプレイシステム
におけるビームスプリット拡大光学素子に組み込まれる
ことができる一連の光学設計を示す。図4A−Ｄに示され
たこの一連の光学設計は、用いられることができるいろ
いろな光学設計を決して網羅するものでないことを理解
すべきである。
図4Aは、ビームスプリット拡大光学素子33と反射素子
31間に挿入されている追加の光学素子80を示す。図4B
は、反射素子31が追加の光学素子80に一体的に組み込ま
れている追加の光学素子を示す。図4Cは、追加の光学素
子82がシステムに挿入されていることをを除いて、図4B
に示された光化学系と類似の光学系を示す。図4Dは、追
加の光学素子84がビームスプリット拡大光学素子33の後
に加えられた場合の光学系を示す。
図4A−Ｄに示された光学系の全ての追加の光学素子
は、像面のそり、コマ収差、非点収差及び歪曲収差を含
む光学収差を修正するために用いることができる。を形
成するために用いられる光学材料はいろいろな光学素子
で異なることができる。
ビームスプリット拡大光学素子33が離れた第１と第２
の拡大光学素子の場所に用いられると、図１に示された
ように、拡大された虚像を形成する光の一部のみが光学
素子によって反射される。ビームスプリット拡大光学素
子33がソースオブジェクト14を写像し、反射素子31に向
かって拡大された虚像20を反射すると、光の一部は観察
者30に向かってビームスプリット拡大光学素子33を介し
て伝達され、その割合は用いられたビームをスプリット
する光学素子に依存する。ビームスプリット拡大光学素
子33を介して転送される光は、一般に焦点になく、従っ
て、コントラスト比に関しする点を除いて、複合の拡大
された虚像28の観察者の知覚を妨げない。
更に、反射された拡大虚像20を形成する写像光線22の
一部のみが、複合の拡大された虚像28としてビームスプ
リット拡大光学素子を介して観察者30へ伝達される。光
の他の部分は、反射素子31に向かってビームスプリット
拡大光学素子33によって反射される。これにより、観察
者30に与えられた複合の拡大された虚像28の光の強度が
減少される。
離された第１と第２の拡大光学素子が用いられると、
マイクロディスプレイ12が第２の拡大光学素子26の近位
の32、或いは遠位の34の面の近くに、或いは第２の拡大
光学素子26内に配置されているか否かに関係なく、第１
の拡大光学素子16は、第１の拡大光学素子16の近位の面
38によって与えられる屈折機能、及び第１の拡大光学素
子16の遠位の面40によって与えられる反射機能を有する
ように、図５に示されるように変更されることができ
る。
近位の面38によって与えられる屈折機能は、できるだ
け小さく歪曲された複合の拡大された虚像を与えるため
に、システムにおける他の光学素子によって作られる歪
曲を補うように用いられる。例えば、近位の面38によっ
て与えられる屈折機能は、システムに含んでいる収差を
修正するために用いることができるが、球面収差、非点
収差、歪曲収差および像面のそりに限定されるものでな
い。
第１の拡大光学素子16も、図６に示されるように、複
合の拡大された虚像28を見る観察者30が第１の拡大光学
素子16の後ろ側43に配置された実物45を見ることができ
るように部分的に反射する面41を含むように変更するこ
とができる。この点において、部分的に反射する面41
は、システムの他の光学素子によって作られるあらゆる
歪曲を補うことによって、後ろ側43に配置された実物の
歪曲されていない視覚を与えるように設計される。この
設計を用いているディスプレイシステムは、複合の拡大
された虚像28のような、電子的に発生された像はディス
プレイシステムの後ろ側に配置された実物に重ねられる
場合、ヘッド・アップ・ディスプレイシステム（Head U
p Display:HUD）に用いるのに特に適している。
第１の拡大光学素子16と第２の拡大光学素子26は、正
と負の像面のそりの相補的な程度が各光学素子によって
導かれるように、拡大された虚像20と合成された拡大さ
れた虚像28のそれぞれに像面のそりを導入するように設
計される。従って、第１と第２の拡大光学素子16、26
は、それらが光学素子によってそれぞれ導かれるあらゆ
る像面のそりを実質的に除くように、協同して動作する
ように選択されるのが特に好ましい。この方法における
像面のそりの除去は、マイクロディスプレイ12が第２の
拡大光学素子26の近位の面32或いは遠位の面34の近くに
配置されているか否かに関係なく、達成されることがで
きる。
上述した実施の形態の全てに関して、第１と第２の拡
大光学素子16、26は約10以上、より好ましくは約20以上
のファクターによって、マイクロディスプレイによって
形成されるソースオブジェクト14を拡大するために用い
られることができる。２つの分離した拡大光学素子を用
いることによって、本発明のディスプレイは、小さな要
素を用いることができるし、単一の拡大光学素子を用い
て可能になるレイアウトよりコンパクトなレイアウトに
することができ、それにより、ディスプレイをコンパク
トなスペースに配置することができる。更に、２つのス
テージの拡大を採用することによって、ハイパワーの拡
大レンズと比較して、広い視野と長い瞳距離を観察者に
与える第２ステージに必要とされる拡大の程度は、減少
される。更に、第２の拡大光学素子は、観察者が合成さ
れたディスプレイ上に観察者の目を焦点合わせするとき
に起こる目の疲労を減少する無限に近い点に焦点合わせ
される。
上述した実施の形態の全てに関して、ディスプレイシ
ステムは、第１の光軸18に沿って拡張したり、収縮した
りするように変更することができる。図7Aに示されてい
るいるように、ディスプレイシステムは、第１の拡大光
学素子16が第２の拡大光学素子26と接触されるように縮
小されることができる。図7Bに示されるているように、
ディスプレイシステムは、第１の拡大光学素子16と第２
の拡大光学素子26との間の距離を増大することによって
伸長される。ディスプレイシステムが伸長されたり、縮
小されたりすると、ディスプレイシステムは、第１の拡
大光学素子16が第２の拡大光学素子26に関して配置され
る一連の距離D1−Diがあるように設計される。他の好適
な実施の形態において、第１の拡大光学素子16と第２の
拡大光学素子26間の距離25はD1とDiの全ての距離に調節
されることができる。
本発明の電子ディスプレイシステムは、電子システム
が用いられるあらゆる電子装置に内蔵される安い電子要
素として意図される。特に、ディスプレイシステムはポ
ケットサイズの電子装置に用いるために設計される。こ
のような装置の例は、ポータブルコンピュータ、パーソ
ナル通信機、パーソナルディジタル補助器、モデム、ペ
ージャー、ビデオやカメラのファインダー、移動電話、
テレビジョンのモニター及び他の手持ち装置を含むが、
これに限定されない。
ここに述べられたように、ディスプレイシステムは複
合の拡大された虚像に対応しないビームスプリット拡大
光学素子33を介して伝送される光の量を減少する追加の
要素を含むことができ、それにより、ディスプレイシス
テムによって観察者に与えられるイメージのコントラス
ト比を改善する。
図８は、マイクロディスプレイを制御するためのディ
スプレイシステム内に含まれる電子機器を示す。図８に
示されているように、マイクロディスプレイ12は、電極
68によってマイクロディスプレイ12に電子的に取り付け
られた入力52を有する。この入力52には、ソースオブジ
ェクト14の発生を制御するために、入力を介して電気信
号を運ぶための制御装置54が接続される。好適な実施の
形態において、マイクロディスプレイ12は、ローとカラ
ム（行と列）でアドレスされるディスプレイシステムで
ある。このディスプレイシステム12は、インジュウム錫
の酸化物或いは他の適当な光を透過する導電性材料のよ
うな光学的に透過な電極68を介してシフトレジスタのよ
うな入力52へ接続される。入力52、シフトレジスタは、
タイミング及びデコードする論理回路を有する文字発生
器のような制御装置54に接続される。制御装置54は、外
部メモリ70からデータを処理するプロセッサ66によって
制御される。外部メモリ70は、外部のラジオ受信機のよ
うな外部のデータ源72からの情報を受け取る。外部のデ
ータ源72は、たのコンピュータ、LANシステム、或いは
アナログでディジタル信号を送ることができる他の装置
への赤外線ダイオードデータリンクである。好適な実施
の形態において、外部メモリ70と外部のデータ源72は、
コンピュータや通信システムに接続されることができる
分離したPCMCIAである。
本発明のディスプレイシステムは、第１の光軸18に沿
って伸長したり、縮小したりできるように変更されるこ
とができる。図9Aに示されているように、ディスプレイ
システムは、ビームスプリット拡大光学素子33と反射素
子31間の距離を増大することによって拡張される。ディ
スプレイシステムが伸長されたり、縮小されたりする
と、ディスプレイシステムは、ビームスプリット拡大光
学素子33が反射素子31に関して配置される一連の距離D1
−Diがあるように設計される。他の好適な実施の形態に
おいて、ビームスプリット拡大光学素子33と反射素子31
間の距離は、D1とDiとの間の距離に調節されることがで
きる。
ディスプレイシステムが縮小状態にあると、ディスプ
レイシステムによって与えられた瞳距離は最大にされ
る。しかし、ディスプレイシステムによって与えられた
倍率は減少される。ディスプレイシステムが伸長される
にしたがって、ディスプレイシステムによって与えられ
る倍率は増加し、瞳距離は減少する。ビームスプリット
拡大光学素子33と反射素子31間の間隔の調節は、観察者
にディスプレイシステムの倍率と人間工学を調整する能
力を与える。
ディスプレイシステムは、ビームスプリット拡大光学
素子33と反射素子31間の距離を調節する距離調節機構を
有することが好ましい。距離調節機構は、観察者によっ
て制御可能であるのが好ましい。
ディスプレイシステムは、ビームスプリット拡大光学
素子33と反射素子31間の距離25を感知し、距離を示す制
御装置54に制御信号を送る距離感知機構も含むのが好ま
しい。ビームスプリット拡大光学素子33と反射素子31間
の距離に関する情報は、制御装置によって用いられて、
マイクロディスプレイによって形成されるソースオブジ
ュエクトを変調する。例えば、ビームスプリット拡大光
学素子33と反射素子31間の感知された距離はマイクロデ
ィスプレイによって形成されたキャラクターのサイズを
変調するために、制御装置54によって用いられることが
できる。距離25はディスプレイシステムによって与えら
れたソースオブジェクト14の倍率を指示する。ソースオ
ブジェクトの変調は、自動的に或いは観察者によって
（即ち、観察者がボタンをおすことによって）与えられ
た制御信号に応答して行われる。例えば、ディスプレイ
システムは、観察者が制御信号を制御装置に送ることに
よって、ソースオブジェクトのサイズを変更することが
できる制御機構を有することができる。
ディスプレイシステムの倍率および焦点の変更は、自
動的に或いは観察者によって与えられる制御信号に応答
しても行われる。例えば、ディスプレイシステムは、観
察者が距離調節機構を制御することができる制御機構を
有し、それにより第１と第２の拡大光学素子間の距離を
制御する。
本発明のディスプレイシステム10に用いられるマイク
ロディスプレイ12は、あらゆる型式のソースオブジェク
トを生成することができる電子的に活性化されたディス
プレイであってもよい。例えば、液晶ディスプレイ、空
間光変調器、グレーティング、ミラー光バルブ或いはLE
Dアレイなどである。マイクロディスプレイは、一般に
２つのカテゴリー、即ち反射型ディスプレイおよび光透
過型ディスプレイに分けられる。
マイクロディスプレイが反射型である場合、マイクロ
ディスプレイは、光がディスプレイを通過しないように
する。従って、反射型マイクロディスプレイが全視野内
に配置されると、人は、複合の拡大された虚像を見るた
めに、マイクロディスプレイの周りで見なければならな
い。マイクロディスプレイが目の瞳孔サイズ、一般的に
は約３−7mmの間より大きいと、複合の拡大された虚像
の実質的な開口食（vignetting）が生じる。従って、反
射型のマイクロディスプレイができるだけ小さく、好ま
しくは49mm2に等しいか、それより小さく、より好まし
くは9mm2に等しいか、それより小さく選ばれる。
マイクロディスプレイが光透過型であると、マイクロ
ディスプレイを介して見ることによって、複合の拡大さ
れた虚像をみることができる。従って、マイクロディス
プレイが目の瞳孔の大きさより大きくなるような、マイ
クロディスプレイが実質的に光透過型である場合、マイ
クロディスプレイ上のサイズの制約はない。スキャッタ
リングモードの液晶ディスプレイは、実質的な光透過型
のマイクロディスプレイの例である。
マイクロディスプレイ12は、約25mm2に等しいか、そ
れより小さく、最適には、9mm2に等しいか、それより小
さい表面積を有するソースオブジェクトを生成するのが
好ましい。しかし、大きなソースオブジェクトを生成す
ることができるマイクロディスプレイが用いられること
ができることを理解すべきである。マイクロディスプレ
イ12は、マイクロディスプレイ12上のピクセル11のアレ
イを用いてソースオブジェクト14を形成し、各ピクセル
は約1600μm2に等しいか、それより小さく、より好まし
くは約25μm2に等しいか、それより小さいのが好まし
い。
本発明の実施の形態において、ソースオブジェクト14
を形成するためにもちられたマイクロディスプレイ12は
空間光変調器である。空間光変調器は、光バルブとして
も知られ、電子ディスプレイシステムにおいて用いるた
めに良く知られている。一般に、空間光変調器は、像を
生成するために、空間パターンにおいて入射光を変調す
る光変調ミラー素子のアドレスできるアレイを有する。
変調素子のアレイは、各光変調素子が光変調器によって
発生される像のピクセルに相当する場合、電気的或いは
光入力に応答して変調される。入射光は、位相、強度、
偏光、或いは方向に関する変調素子によって変調され
る。光変調は、電子−光学的或いは磁気−光学的効果を
示すいろいろな材料を用いて、および表面の変形によっ
て光を変調する材料によって、達成される。空間変調器
を形成するアドレス可能なミラー素子の電気的制御は、
レファレンスによってここに包含されるHornbeckに発行
された米国特許第4,441,791号に記載されている。本発
明において、空間光変調器は、２つの拡大段階において
拡大されるソースオブジェクトを形成するために用いら
れる。本発明の合成されたディスプレイ、およびそれら
の動作原理に用いられることができる空間光変調器の例
は、Ottoに発行された米国特許第4,638,309号、第4,68
0,579号、Wardeに発行された米国特許第5,287,215号、H
ornbeckに発行された米国特許第4,441,791号、第4,710,
732号、第4,596,992号、第4,662,746号および第5,061,0
49号、第5,280,277号、O'Brienに発行された米国特許第
5,287,096号、第5,170,283号に記載され、これらの全て
はレファレンスによって包含される。単一の、ビームス
プリット拡大光学素子が、第１と第２の拡大光学素子と
して用いられる場合、マイクロディスプレイは反射型の
空間光変調器であるのが好ましい。
他の実施の形態において、マイクロディスプレイは、
光透過型マイクロディスプレイである。一般に、光透過
型マイクロディスプレイは、光がマイクロディスプレイ
を介して透過されると、ディスプレイを通過する光のあ
る割合が、何れかの位相偏光、方向及び強度によって変
調されない全ての型式のイメージを生成する電子的に活
性化されたディスプレイである。例えば、多くの液晶デ
ィスプレイは光の偏光を変調する。１つ以上の偏光子と
組み合わされた光の偏光液晶ディスプレイを用いること
によって、実質的に光を透過するマイクロディスプレイ
が形成される。特に好適な実施の形態において、液晶デ
ィスプレイは、コレスレリック−ネマチック相変換液晶
ディスプレイである。この型式のディスプレイは、ディ
スプレイを通して光の一部を散乱する。
図３に示されたように、拡大された虚像20を形成する
写像光線は、マイクロディスプレイ12によって生成され
るソースオブジェクト14が複合の拡大された虚像28の視
野25内にあるように、第２の光軸が第１の光軸に関して
整列されるような仕方で配列されるのが好ましい。これ
は、一般に第２の光軸24が第１の光軸18の約40゜以内に
ある必要がある。マイクロディスプレイ12によって生成
されるソースオブジェクトが複合の拡大された虚像28の
視野25内にあると、観察者は、複合の拡大された虚像28
を見るためにマイクロディスプレイを通して効果的に見
る。何故ならば、観察者が遠く視野に配置された複合の
拡大された虚像28に焦点を合わせているとき、マイクロ
ディスプレイ12は、観察者の近い視野に配置されている
からである。
照明が、拡大光学素子上にマイクロディスプレイ12に
よって形成されるソースオブジェクトを投射するために
必要である。マイクロディスプレイが光透過型マイクロ
ディスプレイである場合、照明は、マイクロディスプレ
イの後ろから与えられる。マイクロディスプレイが反射
型である場合、照明は、照明が第１の拡大光学素子とし
て働く光学素子上にマイクロディスプレイのイメージ面
から離れて反射されるように与えられる。
光透過型マイクロディスプレイへ照明を与える１つの
手段は、ウエーブガイドを使用することである。図10に
示されるように、光ウエーブガイド17は、コレステリッ
ク−ネマチックの相変換液晶ディスプレイのマイクロデ
ィスプレイ12を形成するために用いられる２つのガラス
板19によって形成することができる。照明は、照明源23
によってガラス板19の１方の側21においてウエーブガイ
ド17によって導かれる。ウエーブガイド17へ導かれた照
明は、照明の一部がビームスプリット拡大光学素子33に
向かって指向されるように、コレステリック−ネマチッ
クの相変換液晶ディスプレイによって散乱される。照明
は、また光透過型マイクロディスプレイの後ろに配置さ
れた、例えば発光ダイオードのような直接光源を用いて
光透過型マイクロディスプレイに与えることもできる。
光透過型マイクロディスプレイに照明を与えるためのい
ろいろな他の方法はこの分野で知られており、本発明の
範囲内に入るうよに意図される。
反射型マイクロディスプレイに照明を与える１つの手
段もウエーブガイドを用いることである。図11に示され
るように、光ウエーブガイド17は２つのガラス板19によ
って形成されてもよい。照明は、照明源23によってガラ
ス板19の一方の側21においてウエーブガイドに導かれ
る。ウエーブガイドは反射型マイクロディスプレイ12に
何かって照明を導くように設計される。
反射型マイクロディスプレイへ照明を与える他の手段
は、例えば発光ダイオードのような直接光源を使用する
ことである。図12は、反射型マイクロディスプレイに対
する照明源として発光ダイオードの使用を示している。
図12に示されているように、ディスプレイシステムは、
ビームスプリット拡大光学素子33、反射素子31及びマイ
クロディスプレイ12を有する。発光ダイオード52は、ガ
ラスのスペーサー54に埋め込まれ、反射型マイクロディ
スプレイ12へ向けて光を導くように配列されている。
ビームスプリット拡大光学素子33が第１と第２の双方
の拡大光学素子として用いられると、ビームスプリット
拡大光学素子33は、ある割合の光を透過し、且つ反射す
る。正確な割合は用いられた光学素子に依存する。ビー
ムスプリット拡大光学素子33は、光の約25から75％まで
の間で反射し、より好ましくは光の約40から60％までの
間で反射するように選ばれる。ディスプレイシステムに
よって観察者に与えられたイメージのコントラスト比を
改善するために、ディスプレイシステムは、複合の拡大
された虚像に対応しないビームスプリット拡大光学素子
33を通して伝送される光の量を減少する追加の要素を有
する。図13A−Ｂは、ディスプレイシステムのコントラ
スト比を改善するために、一連の1/4波長板が垂直偏光
子と組み合わせて用いられた、本発明の１つの実施の形
態を示す。
図13Aに示されたディスプレイシステムは、図12に関
して示された、ビームスプリット拡大光学素子33、反射
素子31、マイクロディスプレイ12およびガラスのスペー
サー54に埋め込まれた発光ダイオード52を有する。更
に、図13Bに詳細に示されているように、発光ダイオー
ド52は、発光ダイオード52が垂直に偏光された照明を与
えるように、垂直偏光子56とアルミニウムのミラー58を
有する。1/4波長板60は、ビームスプリット拡大光学素
子33と反射素子31の間に配置される。偏光子62は、垂直
に偏光された光のみが通過できるようにビームスプリッ
ト拡大光学素子33と観察者30の間に配置される。
この実施の形態によると、垂直偏光子56は、発光ダイ
オード52から出された光を垂直に偏光に変換する。光
は、光を右或いは左の円偏光に変換する1/4波長板を通
過する。この光は、反射型マイクロディスプレイ12から
反射して、ビームスプリット拡大光学素子33に向けて投
射されるソースオブジェクトを形成する。ビームスプリ
ット拡大光学素子33に達する前に、ソースオブジェクト
14に相当する光は、光を水平に偏光に変換する1/4波長
板60を再び通過する。1/4波長板60を通過すると、ソー
スオブジェクト14に相当する光はビームスプリット拡大
光学素子33に達する。ここで、光の一部は、ソースオブ
ジェクト14の拡大された虚像20として反射素子31へ向か
って反射して戻される。光の第２の部分は、ビームスプ
リット拡大光学素子33を横切って、偏光子62に達する。
ビームスプリット拡大光学素子33を横切った光は偏光子
62を横切ることができず、観察者に達しない。
拡大された虚像20として反射素子31に向かう、ビーム
スプリット拡大光学素子33で反射された光の一部は、光
を右或いは左の円偏光に変換する1/4波長板60を横切
る。1/4波長板60を通過すると、光は反射素子31で反射
され、再び1/4波長板60を横切る。1/4波長板60は、右或
いは左の円偏光を垂直偏光に変換する。
1/4波長板60を通過すると、拡大された虚像20に相当
する垂直偏光は、ビームスプリット拡大光学素子33に達
し、ここで光の一部は反射されて反射素子31へ向かう。
光の第２の部分は、それがビームスプリット拡大光学素
子33を横切り、ソースオブジェクト14の複合の拡大され
た虚像20を形成するに従って拡大される。ビームスプリ
ット拡大光学素子33を横切る光は、垂直偏光され、従っ
て、偏光子62を通過することができ、複合の拡大された
虚像20として観察者30に達する。
テーブル１は、図13A−Ｄに示されたディスプレイシ
ステムにおいて、ビームスプリット拡大光学素子33によ
って反射され、或いは伝送されたソースオブジェクト14
に相当する光の部分に何が起きるかを概略示している。
テーブル１に示されているように、ソースオブジェクト
を形成する光の25％が複合の拡大された虚像として、観
察者30へ送られる。光の6.25％が合焦されない光として
観察者30へ到達する（光の約１％以上が、数回の反射の
後、合焦されない光として観察者30へ到達する）。光の
残りは偏光子62によって阻止される。この結果、図13A
−Ｄに示されたディスプレイシステムは、4:1の複合の
拡大された虚像と合焦されない背景の光とのコントラス
ト比を与える。イメージに相当しないビームスプリット
拡大光学素子33を通して伝送される光は、焦点が合わ
ず、従ってコントラスト比を除いて複合の拡大された虚
像28の観察者の知覚を妨げない。
電子ディスプレイは、従来の合成された拡大システム
を用いて、可能である拡大された瞳距離と広い視野を有
する合成された電子ディスプレイを提供する中間のイメ
ージを合成する光学素子を有してもよい。例えば、合成
された電子ディスプレイによって、観察者は、少なくと
も約35mmの瞳距離のある34゜の全視野角にわたってディ
スプレイを見ることができる。
更に好適な実施の形態において、ディスプレイシステ
ムは、目の位置センサーシステムを有しており、これに
より目を用いる観察者は制御装置と相互作用させること
ができる。この相互作用によって、目の位置のセンサー
システムは、マイクロディスプレイによって生成される
ソースオブジェクトを制御するために用いることができ
る。目の位置のセンサーシステムは、例えば、プリンタ
ーにドキュメントをプリントするように命令したり、フ
ァクシミリ装置にメッセージを送るように命令したりし
て、ディスプレイシステムによって達成されるいろいろ
な機能を制御するために用いることができる。この実施
の形態によると、観察者の目の位置が検出され、カーソ
ルのように用いられ、マイクロディスプレイ12によって
生成されるソースオブジェクトを制御するために、制御
装置54と相互作用させる。
目の位置を検出するための、目のトラッカー（tracke
rs）やオキュロメーター（occulometers）のような装置
はこの分野においてよく知られている。例えば、仮想の
マウスセンサーシステムと協同して用いられる適切な装
置は、英国特許公開BG 2270171 A及び米国特許第4,513,
317号に記載されている装置を含み、これらの各々は、
レファレンスによりここに包含される。
図14に示された実施の形態において、目の位置のセン
サーシステム56は、観察者の目30の方向に照明を与える
ためのビームスプリット拡大光学素子33の周囲に配置さ
れた光発光ダイオード（LDE）58を有する。この照明
は、好ましくは赤外線領域にある。目の位置のセンサー
システム56は、観察者の目30の網膜62から外れてLED58
からの照明の反射を向けるための、ビームスプリット拡
大光学素子33に隣接して配置された検出器のアレー60も
含み、反射は観察者の目30の位置を示すように働く。目
の位置のセンサーシステム56は、観察者がマイクロディ
スプレイ12によって生成されたソースオブジェクトを制
御する制御装置54と相互作用させるために、検出器のア
レイ60と協同して用いる制御機構64も含む。
制御機構64は、例えば、観察者がコンピュータソフト
ウェアのアイコンのような、選択項目を探すことを示す
ために、観察者30が押すボタンである。制御機構64は、
観察者が特別な方向において探している回数に基づいて
項目を選択したことを決定するタイミング機構であって
もよい。
図15は、ビームスプリット拡大光学素子が用いられて
いる、本発明のディスプレイシステムの好適な実施の形
態を示す。図15に示された虚像ディスプレイシステム
は、図4Bに示された素子と類似の、ビームスプリット拡
大光学素子33、レンズ80及び反射素子31を含む。ウェー
ブガイド照明源17、反射型マイクロディスプレイ12及び
３つの偏光子56、60と62も虚像ディスプレイシステムに
含まれる。
ビームスプリット拡大光学素子33は、BK7或いは類似
なタイプのガラスのような、1.51の反射率を有するガラ
スから作られる。ビームスプリット拡大光学素子33は、
0.08インチ（約0.2センチ）の厚さ100及び0.9インチ
（約2.29センチ）の直径を有している。目30に面してい
るビームスプリット拡大光学素子33の第１の面96は、1.
15インチ（約2.92センチ）に等しい曲率半径を有してい
る。目30から離れて面しているビームスプリット拡大光
学素子33の第２の面96は、0.823インチ（約2.09セン
チ）に等しい曲率半径を有している。可視波長型におけ
る部分的反射型のビームをスプリットするコーティング
102が第１の面96に適用される。第２の面98は、可視波
長に対する非反射コーティング104を有する。
目30に最も近くに配置された偏光子は、ポラロイド社
から利用可能なシート偏光子62である。
ウエーブガイド照明源17は、反射型マイクロディスプ
レイ12へ照明を行うLED23を有する。LED23の出力は、偏
光子56によって偏光され、それにより偏光された光で反
射型マイクロディスプレイ12を照明する。ウエーブガイ
ド照明源17は、0.04インチ（約0.1センチ）の厚み106を
有する。ビームスプリット拡大光学素子33とウエーブガ
イド照明源17間の距離は、1.209インチ（約3.07セン
チ）である。
レンズ80は、ウエーブガイド17から0.005インチ（約
0.0127センチ）の距離110にある。レンズ80は、BK7或い
は類似なタイプのガラスのような、1.51の反射率を有す
るガラスから作られる。レンズ80は、1.02インチ（約2.
59センチ）の曲率を有する目30に面する第１の面112と
第２の平面114を有する。第１の面112は可視波長に対し
て反射のないコーティングがなされている。第２の面11
4はコーティングがされていない。レンズ80は0.210（約
0.533センチ）の厚さ116と0.9インチ（約2.29センチ）
の直径を有する。
Port Richey,FloridaにあるVirgo Opticsから利用可
能である目に見える波長の1/4波長板60がレンズ80に接
して配置される。この1/4波長板60は0.04インチ（約0.1
02センチ）の厚さ118を有する。1/4波長板60は目に面し
ている、コーティングのされていない第１の面120及び
反射型マイクロディスプレイ12が配置されている、波長
板の中心ある小さな長方形の領域124を除いて、目から
離れている、アルミニウム或いは他の適した反射材料で
コーティングした第２の面122を有している。1/4波長板
60の第１のコーティングのない面120は、光を透過する
適当な光学素子を用いて、レンズ80と光学的接触して配
置されている。ディスプレイ12は、1/4波長板のコーテ
ィングのない長方形領域124と接して配置される。
離れた第１と第２の拡大光学素子が用いられた１つの
実施の形態において、電子ディスプレイは、また、従来
の複合拡大システムを用いたときより増大した瞳距離と
広い視野を有する合成されだ電子ディスプレイを提供す
る中間のイメージを合成する光学素子を有する。例え
ば、合成された電子ディスプレイによって、観察者は少
なくとも約35mmの瞳距離で、34゜の全角視野にわたって
ディスプレイを見ることができる。
イメージを合成する光学素子42は、ソースオブジェク
トの面か、或いはそれに接近して配置されるべきであ
る。従って、イメージを合成する光学素子42はマイクロ
ディスプレイ12に接近して配置されるか、或いは一体的
に組み込まれるのが好ましい。
イメージを合成する光学素子42（イメージ合成光学素
子）は、拡大光学素子のソースオブジェクトの面に配置
されたとき、直接見ることができるイメージを生成する
如何なる光学素子でもよい。例えば、図2Bに示されてい
るように、イメージを合成する光学素子42は、光伝達性
マイクロディスプレイ12であることができる。
イメージ合成光学素子42は、目が第２段の拡大光学素
子26に関して横に移動されるにつれて、イメージの全体
が見えたままであるように、光の大きな割合が再指向さ
れるように設計されるのが好ましい。光の再指向の所望
の量を達成するために、指向される光の数値的な開口
は、第２段の拡大光学素子の半径／第２段の拡大光学素
子の焦点距離のオーダーであるのが好ましい。
適した、光を再指向するイメージ合成光学素子は、図
16に示されており、直径が５−10ミクロンのオーダー
の、一連のマイクロレンズ46が正或いは負の小さな焦点
距離のレンズを形成するために用いられている。このマ
イクロレンズの出力は、第２の拡大光学素子26の出口の
瞳に向かって光の大きな割合を指向するように傾けられ
ることができる。
光透過型イメージ合成光学素子が用いられた場合、イ
メージ合成光学素子は実質的に透過性でなければならな
い。更に、イメージ合成光学素子は、光が拡散材料を通
過するにつれて、光が散乱されるように拡散される。拡
散性の散乱は、光の数値的な開口を変更するように機能
する。適した、光を拡散するイメージ合成光学素子の材
料は、すりガラス、オパールガラス、ホログラフディヒ
ューザー（diffuser:拡散器）、ポリスチレンのような
薄い拡散性プラスチック及び拡散する表面を有するモー
ルドされたプラスチックを有する。特別な実施の形態に
おいて、マイクロディスプレイ12及び中間の合成光学素
子42の両方の機能を持つ光透過型マイクロディスプレイ
が用いられる。
光拡散性材料が用いられた場合、その拡散性材料は、
近隣のピクセルへの拡散性材料内で光の二次の散乱、そ
れによるピクセルのぼやけを防ぐために、イメージ合成
光学素子に投射されるピクセルの大きさより薄くなけれ
ばならない。二次の散乱によるピクセルのぼやけは、図
17に示されているように拡散性材料からなるピクセルの
アレイを用いて克服される。
図17に示されているように、拡散性イメージ合成光学
素子は、個々のピクセル48のアレイから構成され、個々
のピクセルは、１つのピクセルからの光が二次の散乱に
よって近隣のピクセルへ散乱されるのを防ぐ不透明のバ
リアによって分離されている。不透明なバリア50は、反
射型であるのが好ましいが、光を吸収するバリアを形成
してもよい。
本発明は、ソースオブジェクトを形成するためのマイ
クロディスプレイを有する合成された虚像の電子ディス
プレイに関し、電子ディスプレイは、好ましくは約100m
m2より小さい表面積、拡大された実像を生成するために
ソースオブジェクトを拡大するための第１段の拡大光学
素子、拡大された実像が投影されるイメージ合成光学素
子、及び合成光学素子に投影された拡大された実像の拡
大された虚像を与えるための第２段の拡大光学素子を有
する。本発明のイメージ合成光学素子は、従来技術の簡
単な拡大及び合成拡大システムを用いて達成される利点
より合成ディスプレイに、著しい光学的、及び人間工学
的利点を与える。
また、合成ディスプレイを有する電気装置が提供され
る。合成ディスプレイは、電子ディスプレイが必要とさ
れるあらゆる電子装置に組み込まれる安価な要素として
意図される。
合成ディスプレイに用いられる拡大光学素子と中間の
イメージ合成光学素子の２つのステージは合成されたデ
ィスプレイを小さな体積内に配置させることができると
言う著しい利点を与える。合成されたディスプレイは、
約375cm3より小さな体積内に、より好ましくは約94cm3
より小さな体積内に配置されるように選ばれる。
本発明の合成された虚像の電子ディスプレイは、以
下、合成ディスプレイと呼ばれ、拡大光学素子の２つの
ステージから成る複合拡大システムを用いて、マイクロ
ディスプレイによって形成されたソースオブジェクトを
拡大する。第１ステージの拡大光学素子は、第２ステー
ジの拡大光学素子の焦点面に拡大され、且つ位置され
た、マイクロディスプレイによって形成されたソースオ
ブジェクトの実像を与える。第２ステージの拡大光学素
子は、ユーザーの目によって見られるように更に拡大さ
れた虚像を与える。
従来技術の合成拡大システムと違って、合成ディスプ
レイは、第２ステージの拡大光学素子の焦点面にある第
１と第２の拡大光学素子間に配置されたイメージ合成光
学素子を用いる。合成光学素子は、第１ステージの拡大
光学素子からの実像の合成機能を与える。第１ステージ
の拡大光学素子によって生成される実像は、イメージ合
成光学素子上に位置されるので、各ピクセルのイメージ
は、その光学素子上に位置され、各ピクセルは、第１の
拡大光学素子によって拡大されたオブジェクトからの光
の有無の何れかとして、そのイメージに表される。各ピ
クセルからの光は、そのピクセルの実像を表し、良く定
められた円錐角及びその円錐の良く定められた中心光線
を有し、このような円錐角及び中心光線は、対応するオ
ブジェクトのピクセル位置によって、また第１ステージ
の拡大光学素子によって決められる。イメージ合成光学
素子は、中心光線の方向を変え、円錐角と円錐の形状を
変えるように働き、第２ステージの拡大光学素子によっ
て与えられた虚像に拡大した特性を与える。
拡大光学素子と中間のイメージ合成光学素子の２つの
ステージを用いることによって、本発明の合成ディスプ
レイに用いられた、要素の大きさ及び要素間の間隔は減
少されるので、ディスプレイは小さな体積内に配置され
る。合成ディスプレイは、好ましくは約375cm3より小さ
な、より好ましくは約94cm3より小さな体積内にに配置
することができる。これらの体積は、それぞれ約50×75
mmのPCMCIAカードを用いる、100mmと25mm厚さの電子装
置によって作られる体積に相当する。
中間のイメージ合成光学素子と協同する拡大光学素子
の２つのステージを使用することによって、従来の複合
マイクロスコープシステムを用いるより拡大された瞳距
離と広い視野を有する合成ディスプレイが得られる。例
えば、合成ディスプレイによって、ユーザーは少なくと
も約25mmの瞳距離を有する30゜の全視野角以上でディス
プレイを見ることができる。
本発明の合成ディスプレイは、電子ディスプレイが用
いられる電子装置に組み込まれることができる安価な電
子要素として意図される。特に、合成ディスプレイはポ
ケットサイズの電子装置用に設計される。これらの装置
の例とて、ポータブルコンピュータ、パーソナル通信
機、パーソナルデジタル補助装置、モデム、ページャ
ー、ビデオやカメラのファインダー、移動電話、テレビ
ジョンモニター及び他の手持ち装置を挙げることができ
るが、しかしこれらに限定されるものではない。
合成ディスプレイは、少なくとも20のファクター、最
も好ましくは少なくとも40のファクターによって拡大さ
れたソースオブジェクトの拡大された虚像を与える。ソ
ースオブジェクトは、好ましくは約100mm2に等しいか、
それより小さい、最も好ましくは約25mm2に等しいか、
それより小さい表面積を有する。しかし、本発明は、20
より小さな倍率に、また100mm2より大きなソースオブジ
ェクトを形成するマイクロディスプレイに容易に適用さ
れることが留意されるべきである。第１ステージの拡大
光学素子は、約３と10の間の倍率と約3.5と37.5mmの間
の焦点距離を与えることが好ましい。第２ステージの拡
大光学素子も好ましくは約４と７の間の倍率を与える。
合成ディスプレイは、約15mmに等しいか、それより大
きな、より好ましくは約35mmに等しいか、それより大き
な、最も好ましくは約50mmに等しいか、それより大きな
瞳距離を与える。また合成ディスプレイは、好ましく
は、50cmで見られる場合、コンピュータモニター（24cm
×18cm）に少なくとも等しいサイズのイメージを与え
る。このサイズは165cmで見られる場合大きなスクリー
ンのTV（100cmの対角線）にほぼ等しい。
合成ディスプレイの実施の形態が図18に示されてい
る。図18に示されているように、合成ディスプレイは、
ソースオブジェクトを形成するマイクロディスプレイを
有する。マイクロディスプレイはあらゆる型のイメージ
を生成する電子的に活性化されたディスプレイである。
例えば、マイクロディスプレイは、液晶ディスプレイ、
CRT、空間光変調器、グレーチング．ミラー光バルブ、
或いはLEDアレイである。
マイクロディスプレイは、しばしば合成ディスプレイ
の最も高価な要素である。従って、マイクロディスプレ
イができるだけ小さくされることは好ましいことであ
る。マイクロディスプレイは、好ましくは約100mm2に等
しいか、それより小さい、最も好ましくは約25mm2に等
しいか、それより小さい表面積を有する。しかし、大き
なマイクロディスプレイが本発明において用いられるこ
とができることが理解されるべきである。マイクロディ
スプレイ112は、マイクロディスプレイ112上のピクセル
のアレイを用いて、ソースオブジェクトを形成すること
が好ましい。ここで、各ピクセルは約400μm2に等しい
か、それより小さい、より好ましくは約100μm2に等し
いか、それより小さい面積を有する。
好適な実施の形態において、ソースオブジェクトを形
成するために用いられるマイクロディスプレイは、空間
光変調器である。空間光変調器は、光バルブとして知ら
れるように、電子ディスプレイシステムに使用するため
にこの分野において良く知られている。一般に、空間光
変調器は、イメージを生成するために、空間パターンに
おける入射光を変調する光変調ミラー素子のアドレス可
能なアレイを有する。変調素子のアレイは、各光変調素
子は光変調器によって発生されたイメージのピクセルに
対応する電気的或いは光学的入力に応答して変調され
る。入射光は、位相、強度、偏光、或いは方向に関する
変調素子によって変調される。光変調は、電気光学或い
は磁気光学効果を示すいろいろな材料を用いて、及び表
面の変形によって光を変調する材料によって行われる。
空間変調器を形成するアドレス可能なミラー素子の電気
制御は、レファレンスによってここに包含されたHornbe
ckに与えられた米国特許第4,441,791号に記載されてい
る。本発明において、空間光変調器は、２つの拡大ステ
ージにおいて拡大されるソースオブジェクトを形成する
ために用いられる。本発明とそれらの動作原理の合成デ
ィスプレイに用いられる空間光変調器の例は、Ottoに与
えられた米国特許第4,638,309号、第4,680,579号、Ward
eに与えられた米国特許第5,287,215号、Hornbeckに与え
られた米国特許第4,441,791号、第4,710,730号、第4,59
6,992号、第4,662,746号及び第5,061,049号、O'Brienに
与えられた米国特許第5,287,096号、第5,170,283号に記
載されており、これらのすべては、レファレンスによっ
てここに包含される。
マイクロディスプレイ112によって形成されたソース
オブジェクト114は拡大された虚像を生成するために、
第１ステージの拡大光学素子118によって拡大される。
第１ステージの拡大光学素子118は、第２ステージの拡
大光学素子に必要である倍率の程度を減少するように働
き、従って、１より大きな倍率を与える。第１ステージ
の拡大光学素子は、好ましくは３より大きな、より好ま
しくは３と10の間の倍率を与える。第１ステージの拡大
光学素子118は、好ましくは約3.5mmと37.5mm間の実効焦
点距離を有する。
第１ステージの拡大光学素子によって生成された拡大
虚像は、拡大された実像126を生成するために、イメー
ジ合成光学素子124に投影される。第１ステージの拡大
光学素子118とイメージ合成光学素子間の光路は第１の
距離122と呼ばれる。第１の距離122は、好ましくは約35
mmと150mmの間にある。一般に、拡大光学素子とイメー
ジが投影された点間の距離は、倍率（ｍ）プラス１によ
って乗ぜられた光学素子の焦点距離に等しく、即ちｄ＝
ｆ＊（ｍ＋１）である。150mmの上限は、合成ディスプ
レイが含まれるコンテナの好適な長さの２倍に相当す
る。しかし、大きなコンテナを用いることもでき、従っ
て、大きな距離122を用いることができることを留意す
べきである。
イメージ合成光学素子124は、拡大光学素子の実像の
面に配置されると、直接見ることができるイメージを生
成するあらゆる装置である。図18に示されているよう
に、イメージ合成光学素子は、ソースオブジェクトが拡
大された実像126を生成するために、イメージの合成光
学素子124の裏面128にイメージされる光伝達性のイメー
ジ合成光学素子である。代わりに、図19に示されるよう
に、拡大実像イメージ126は、反射型イメージ合成光学
素子130に投射される。図18に用いられた同じ参照番号
が図19に関して用いられている。
イメージ合成光学素子124は、目が第ステージの拡大
光学素子に関して横に移動されるに従って、光の大部分
がイメージの全体が見えたままであるように再指向され
るように設計されるのが好ましい。光の所望の量の再指
向を達成するために、指向された光の数量的開口は、
（第２ステージの拡大光学素子の半径）／（第２ステー
ジの拡大光学素子の焦点距離）のオーダーであるのが好
ましい。更に、イメージの合成光学素子はイメージ合成
光学素子上の各点から第２の拡大光学素子の中心へ光の
円錐の中心光線を再指向するべきである。
好適な、光再指向イメージ合成光学素子が図16に示さ
れている。この光学素子において、直径が５−10μｍの
オーダーの一連のマイクロレンズ46が小さな焦点距離の
正或いは負のレンズを形成するために、用いられてい
る。これらのマイクロレンズの出力は、光の大部分が接
眼レンズに向かうように傾斜されている。個々のミラー
素子が虚像において認識できる場合の例において、イメ
ージ合成光学素子124は、拡大された実像126をアリアス
するために設計される。
光透過型イメージ合成光学素子が用いられるた場合、
イメージ合成光学素子は透過性であるべきである、更
に、イメージ合成光学素子は拡散され、光が拡散材料を
通過するに従って、光が散乱される。拡散性の散乱は、
光の数の開口を変更する機能を達成する。好適な、光拡
散イメージ合成光学素子の材料の例として、すりガラ
ス、オパールガラス、ホログラフ拡散器、ポリスチレン
のような薄い拡散性プラスチック、及び拡散表面を有す
るモールドされたプラスチックが挙げられる。光拡散材
料が用いられると、拡散性材料は、近隣ピクセルへ拡散
材料内で光の二次散乱、それによりぼやけを防ぐため
に、イメージ合成光学素子に投射されたピクセルのサイ
ズより薄くされるべきである。二次散乱によるピクセル
のぼやけは、図17に示されているように、拡散材料から
形成されるピクセルのアレイを用いて克服される。図17
に示されているように、拡散性イメージ合成光学素子は
個々のピクセルから構成され、ここのピクセルは、１つ
のピクセルからの光が近隣ピクセルへ二次散乱によって
散乱されるのを防ぐ。不透明なバリアは反射型であるの
が好ましいが、光を吸収するバリアを形成することもで
きる。
イメージ合成光学素子124へ投射された拡大された実
像126は、第２の距離に沿って拡大された実像126を拡大
する第２ステージの拡大光学素子136へ透過され、ユー
ザー140によって見られる拡大される虚像を生成する。
第２の距離134は、第２ステージの拡大光学素子136の焦
点距離にほぼ等しい。
第２ステージの拡大光学素子136は、ユーザーへ拡大
された虚像を与えるために用いられる。第２ステージの
拡大光学素子136によって与えられる瞳距離は、約15mm
に等しいか、それより大きく、より好ましくは約35mmに
等しいか、それより大きく、最も好ましくは約50mmに等
しいか、それより大きくように選択される。第２ステー
ジの拡大光学素子は少なくとも４倍、より好ましくは４
と７の間のファクターによる拡大を与えるのが好まし
い。
第１と第２ステージの拡大光学素子118と136は、約20
に等しいか、それより大きく、より好ましくは約40に等
しいか、それより大きいファクターによって、マイクロ
ディスプレイによって形成されたソースオブジェクトを
拡大するために組み合わされる。２つの拡大ステージを
用いることによって、本発明の合成ディスプレイは、投
射システムに相当する１つの拡大ステージを用いてでき
るより小さな要素とよりコンパクトなレイアウトを用い
ることができる、それにより合成ディスプレイをコンパ
クトな容器内に配置することができる。より詳細には、
拡大光学素子118と138は、単一ステージにおけるオブジ
ェクトを拡大するために必要とされるよりも短い直径14
2、144を有することができる。第１ステージの拡大光学
素子118とイメージ合成光学素子124間の距離、及び第２
ステージの拡大光学素子38とイメージ合成光学素子124
間の距離は、単一ステージにおいて同程度の拡大を生成
するために必要とされるより短い。更に、２つのステー
ジの拡大合成ディスプレイを用いることによって、第２
ステージにおいて必要とされる拡大の程度は、減少さ
れ、代わって、ハイパワー拡大レンズと比較して、広い
視野と長い瞳距離をユーザーに与える。第２ステージの
拡大光学素子は、無限に近い点に焦点を合わでることが
でき、ユーザーが合成ディスプレイ上にユーザーの目を
焦点合わせするときに生じる目の疲労を減少する。本発
明の複合された拡大合成ディスプレイは、テーブル２に
おいて概略された例を参照して、以下により詳細に説明
される。
ソースオブジェクトを形成するために用いられたマイ
クロディスプレイが空間光変調器である場合、一般に、
照明源と光開口がソースオブジェクトを形成するために
必要である。空間光変調器のマイクロディスプレイによ
って形成されたソースオブジェクトはマイクロディスプ
レイによってそらされるか、そられないかの何れかであ
る照明源からの光に基づかれているので、照明源は必要
とされる。一般に、ソースオブジェクトは、アドレス可
能なミラー素子のアレイの反射から少ない光損失による
明るいイメージを与えるそらされない光に基づいて形成
されるのが好ましい。
マイクロディスプレイを照明するために用いられる照
明源は、照明がマイクロディスプレイの表面から反射さ
れたイメージの光路に関して、軸を外れて与えられる。
マイクロディスプレイの軸を外れた照明は、与えられた
光の効率に照らして選ばれる。代わって、照明源からの
照明は、マイクロディスプレイの表面から反射されたイ
メージの光路に関して、軸上に与えられる。軸上の照明
が用いられた場合、マイクロディスプレイから反射され
た光から照明光を識別するためのビームスプリッター或
いは他の機構が必要とされる。ビームスプリッターの反
射は約20と80％の間、最も好ましくは50％である。ビー
ムスプリッターは、マイクロディスプレイの表面から反
射された光の少ない割合、一般には約25％を透過するだ
けという欠点を有している。その結果として、ビームス
プリッターを用いるシステムは、一般に軸を外れたシス
テムより薄暗いイメージを与える。照明レンズはマイク
ロディスプレイと照明源の間に配置され、マイクロディ
スプレイの表面上のアドレス可能なミラー素子のアレイ
に照明源からの光を形成するのがよい。
1/4波長板及び偏光子をビームスプリッターの代替と
して用いることができる。この偏光子は、好ましくは光
の偏光の１成分を反射する装置である。偏光子は、好ま
しくは従来の方解石の偏光子、誘電的にコーティングさ
れた立方体、或いは誘電体のコーティングされた面であ
る。1/4波長板は、直交偏光成分間でほぼ1/4波長の位相
遅れを生じる装置である。この1/4波長板は、水晶の1/4
波長板であるのが好ましい。最も大きな光効率を達成す
るために、偏光光源、例えばレーザーが用いられる。
空間光変調器がソースオブジェクトを形成するために
用いられる場合、開口は、変調されたピクセルから反射
された光を変調されないピクセルから反射された光から
識別するために必要である。図20A−Ｂは、本発明に用
いられることができる光開口の２つのタイプを示す。図
20Aに示された開口147は、外れたひかりが開口を通過す
るのを防ぐことによって、イメージを構成している光以
外の光がイメージ合成光学素子に到達するのを防ぐため
に設計される。図20Bに示された他の実施の形態におい
て、開口は、外れない光が開口を通過するのを防ぐ停止
手段149である。しかし、あらゆる光の開口を、本発明
において用いることができる。他の適した開口の例は、
位相板及び空間フィルターを含むが、これらに限定され
ない。
本発明の合成ディスプレイは電子装置に組み込まれる
要素として意図される。合成ディスプレイを電子装置へ
組み込んだ例が図21A−Ｂに示されている。図21Aは、装
置の断面図を示している。参照番号146、148、150及び1
52は、それぞれ装置の上部、側部、第１と第２の端部を
示す。図21Aに用いられた合成ディスプレイは、図18に
示されたと同じ配列を有している。拡大光学素子を除い
て、図18に用いられたと同じ参照番号が図21A−Ｂに関
しても用いられている。
図21A−Ｂに示されているように、電子装置の合成デ
ィスプレイは、他の見るレンズとしてユーザーによって
用いられる２つの異なる第２ステージの拡大光学素子15
4、156を有する。図21Aに示されているように、第２ス
テージの拡大光学素子154の１つは、装置の端部150に配
置される。第２ステージの拡大光学素子156は装置の上
部146に配置される。装置の上部にある表面積は装置の
他の面より大きい。結果として、上部146は他の面より
大きなサイズの光学素子を収容できる。大きな直径の光
学素子を用いることによって、ユーザーに広い視野と大
きな瞳距離を与える。
図21Aは、ユーザーが見るレンズとして用いるため
に、どちらかの第２ステージの拡大光学素子154、156を
選択することができる、本発明の実施の形態を示す。こ
の実施の形態において、第２ステージの拡大光学素子15
6は、延ばしたり、引っ込めたりできる見るアッセンブ
リ158に取り付けられる。見るアッセンブリ158が延ばさ
れると、可動ミラー160がイメージ合成光学素子130と第
２ステージの拡大光学素子154間の径路に回転し、それ
によりイメージを第２ステージの拡大光学素子156へ向
ける。
図21Bは、装置内に含まれる電子素子160と162を示
す。電子素子162はマイクロディスプレイ112に対する入
力装置として働き、入力113によってマイクロディスプ
レイ112に電子的に取り付けられる。入力装置はマイク
ロディスプレイ112に信号を与え、そこからマイクロデ
ィスプレイ112が電子的に形成されたソースオブジェク
トを生成する。
テーブル２は合成された虚像システムの３つの例を示
す。全ての例は同じサイズのマイクロディスプレイを用
い、同じ程度の拡大と瞳距離を与える。第２と第３の例
は、第１と第２の拡大ステージにそれぞれ拡大を与えな
い。その結果、第２と第３の例は実像と虚像をそれぞれ
与える単一ステージの拡大システムを反映する。
テーブル２に示されているように、本発明による合成
ディスプレイは48の全体のイメージ倍率（Ｚ＝Y1＊Y2）
を与える。第１ステージにおいて、オブジェクトは、８
のファクター（Y1＝８）だけ第１ステージの拡大光学素
子118によって拡大される。第２ステージにおいて、イ
メージは６のファクター（Y2＝６）だけ第２ステージの
拡大光学素子136によって拡大される。第１ステージの
拡大光学素子118は、８のファクター（Y1＝８）によっ
てソースオブジェクトを拡大するので、イメージ合成光
学素子は、拡大された実像126を収容するために、第１
のソースオブジェクト114よりより大きな８倍（Y1＝
８）になる。テーブル２に示されているように、本発明
に用いられたイメージの合成光学素子124は、ユーザー
によって解像されるイメージのサイズを減少することな
く、対応する単一ステージの実像電子ディスプレイに用
いられるイメージの合成光学素子より小さい６倍（Y2＝
６）である。単一ステージの実像電子ディスプレイに必
要とされる240×240mm2のイメージ合成光学素子はディ
スプレイが最小にされる程度を制限する。
48xの全倍率を与えるために、第２ステージの拡大光
学素子136は、６倍（Y2＝６）だけ拡大された実像126を
拡大する。これは、対応する単一ステージのディスプレ
イに用いられた第２ステージの拡大光学素子より少ない
倍率８（Y1＝８）である。第２ステージで実行される拡
大の程度を減少するこによって、ユーザーに、拡大が単
一ステップにおいて達成された場合、虚像ディスプレイ
より著しく大きな瞳距離を与える。
単一ステージの実像電子ディスプレイシステム、即ち
第２ステージの拡大光学素子136が拡大を与えない（即
ち、Y1＝１）場合において、イメージの合成光学素子12
4が用いられ、実像をユーザー40に与える。このシステ
ムにおいて、スクリーンは、ユーザーに等価的に拡大さ
れたイメージを与えるために、２つのステージの拡大シ
ステムに用いられるイメージ合成光学素子より大きなY2
倍でなければならない。更に、第１の距離122は大きな
倍率Y2を達成するように第１ステージの拡大光学素子11
8のために増加されなければならない。
中間のイメージ合成光学素子が拡大された実像を与え
るために用いられない実施の形態において、電子ディス
プレイは、複合顕微鏡に類似である。複合顕微鏡におい
て、ユーザーの目は、拡大されるソースオフジェクトの
場所の真っ直ぐな線になければならない。第２ステージ
の拡大光学素子に関して目が若干の横へ移動すれば、イ
メージは最早見えなくなる。
図22に示されているように、中間のイメージ合成光学
素子130が用いられた場合、位置168から位置170或いは
位置172の何れかへ、第２ステージの拡大光学素子に関
して横へユーザーの目が移動すると、イメージは反対方
向の視角内に移動する。しかし、図22に示されたイメー
ジの合成光学素子130が除かれると、第２ステージの拡
大光学素子に関して目が比較できるほど横へ移動する
と、イメージがぼけたり、見えなくなったりする。これ
は、中間のイメージ合成光学素子が取り除かれると、第
２ステージの拡大光学素子とソースオブジェクト間の長
い距離が拡大されたこと（マイクロディスプレイ）によ
って説明される。中間のイメージ合成光学素子を用いる
ことによって、第２ステージの拡大光学素子とソースオ
ブジェクト間の距離が拡大されることは、著しく減少さ
れ、それにより、ユーザーに広い視野を与える。
本発明の好適な実施の形態の説明は、図示と記載の目
的で与えられた。本発明を開示された正確な形状に限定
することは意図されない。明らかに、多くの変形や変更
がこの分野の実務者には明らかであろう。本発明の原理
及びその実際の応用を良く説明するために、実施の形態
が選ばれ、説明され、それによりいわゆる当業者が予期
された特別の使用に適したいろいろな実施の形態に対し
て、本発明を理解することができる。本発明の範囲は、
請求の範囲及びそれらの均等物によって定められること
が意図される。
フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／４４１，５２９ (32)優先日 平成７年５月15日(1995．5．15) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (56)参考文献 特開 平６−319093（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/02 H04N 13/00 - 17/06

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コンパクトな虚像電子ディスプレイシステ
    ムであって、 ソースオブジェクトを生成するためのマイクロディスプ
    レイと、 拡大機能と反射機能を与えるための第１の拡大光学素子
    とを備え、前記マイクロディスプレイと前記第１の拡大
    光学素子の各々は、第１の光学軸を規定する中心点を有
    し、前記第１の拡大光学素子は、前記ソースオブジェク
    トを拡大し、且つ反射して、拡大された虚像を形成し、
    前記拡大された虚像の中心は、前記第１の光学軸に関し
    て角φにある第２の光学軸を規定し、 観察者に前記拡大された虚像の拡大された合成虚像を与
    えるための第２の拡大光学素子を備え、前記第１と第２
    の光学軸間の前記角φは、前記ソースオブジェクトが前
    記第２の拡大光学素子によって与えられる全視野内にあ
    るように十分小さく、且つ 前記マイクロディスプレイによって生成されたソースオ
    ブジェクトを変更するマイクロディスプレイに制御信号
    を与えるための制御機構と、 を有することを特徴とするディスプレイシステム。
  2. 【請求項２】前記マイクロディスプレイは、前記第２の
    拡大光学素子と前記観察者の間に配置され、且つ、前記
    第１と第２の拡大光学素子はダブレット拡大光学素子を
    形成することを特徴とする請求項１に記載のディスプレ
    イシステム。
  3. 【請求項３】前記マイクロディスプレイは、第１の拡大
    光学素子と前記第２の拡大光学素子の間に配置されるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステ
    ム。
  4. 【請求項４】前記第１の拡大光学素子は、前記観察者の
    近位に屈折面を有し、且つ、前記観察者の遠位に反射面
    を有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレ
    イシステム。
  5. 【請求項５】コンパクトな虚像電子ディスプレイシステ
    ムであって、 ソースオブジェクトを生成するためのマイクロディスプ
    レイと、 拡大機能と反射機能を与えるための第１の拡大光学素子
    とを備え、前記マイクロディスプレイと前記第１の拡大
    光学素子の各々は、第１の光学軸を規定する中心点を有
    し、前記第１の光学拡大素子は、前記ソースオブジェク
    トを拡大し、且つ反射して、拡大された虚像を形成し、
    前記拡大された虚像の中心は、前記第１の光学軸に関し
    て約10度に等しいか、或いはそれより小さい角度である
    第２の光学軸を規定し、 前記拡大された虚像の合成拡大虚像を観察者に与えるた
    めの第２の拡大光学素子と、 前記マイクロディスプレイによって生成されたソースオ
    ブジェクトを変更するマイクロディスプレイに制御信号
    を与えるための制御機構と、 を有することを特徴とするディスプレイシステム。
  6. 【請求項６】前記角度は、約５度に等しいか、或いはそ
    れより小さいことを特徴とする請求項５に記載のディス
    プレイシステム。
  7. 【請求項７】コンパクトな虚像電子ディスプレイシステ
    ムであって、 ソースオブジェクトを生成するためのマイクロディスプ
    レイと、 ビームスプリット拡大素子を備え、前記マイクロディス
    プレイと前記ビームスプリット拡大光学素子の各々は、
    第１の光学軸を規定する中心点を有し、前記ビームスプ
    リット拡大素光学素子は、屈折面と前記ソースオブジェ
    クトの拡大された虚像として光の一部を、前記ソースオ
    ブジェクトに対応して受信し、拡大し、且つ反射するた
    めの部分的反射面を有し、前記拡大された虚像の中心
    は、前記第１の光学軸に関して角度φである第２の光学
    軸を規定し、 前記拡大された虚像を前記ビームスプリット光学拡大光
    学素子へ反射するように配置された反射素子と、 前記ビームスプリット拡大光学素子は、前記反射された
    拡大された像を受けるように配置され、前記ビームスプ
    リット拡大光学素子の屈折面及び部分的反射面は、拡大
    された像の合成拡大像としてのビームスプリット拡大光
    学素子を通して前記反射された拡大された虚像の一部を
    拡大して、観察者へ送り、前記第１と第２の光学軸間の
    角度は、前記ソースオブジェクトが前記ビームスプリッ
    ト拡大光学素子によって与えられた全視野内にあるよう
    に十分小さいことを特徴とするディスプレイシステム。
  8. 【請求項８】前記第２の光学軸は、前記第１の光学軸に
    関して約10度に等しいか、或いはそれより小さい角度で
    あることを特徴とする請求項７に記載のディスプレイシ
    ステム。
  9. 【請求項９】前記マイクロディスプレイは、約100mm2よ
    り小さな面積を有するソースを形成することを特徴とす
    る請求項１乃至８の何れか１つに記載のディスプレイシ
    ステム。
  10. 【請求項１０】前記拡大された虚像は、前記ソースオブ
    ジェクトに関して少なくとも10倍に拡大されることを特
    徴とする請求項１乃至８の何れか１つに記載されたディ
    スプレイシステム。
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