JP4278980B2 - ディスプレイパネル用光学系 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、ディスプレイ装置の分野に関するものである。特に、本発明は、ディスプレイ装置上に画像を結合させるための光学系及び方法に関するものである。より詳細には、本発明は、超薄型平面光学ディスプレイ装置上に画像を結合させるための光学系及び方法に関し、これは入射する画像に対して傾斜されたディスプレイ装置上に画像が投影される場合に一般に起こるディストーション（歪曲）を低減若しくは排除することができる。

光学スクリーンは、画面（スクリーン）上に画像を投影するために、一般には、陰極線管（ＣＲＴ）を用いる。標準的なＴＶスクリーンは、幅対高さの比率が４：３で、５２５本の垂直解像線を有する。集合的に画像を形成する多数の画素（ピクセル）を形成するために、電子ビームがスクリーン上で水平方向及び垂直方向の両方に走査される。

従来の陰極線管は、サイズ上実際的な限界があり、所要の電子銃を収容するために比較的奥行きが深い。通常各種の型式の画像投影を備えた、より大型のスクリーンが入手可能である。しかしながら、このようなスクリーンは、限定された視角（viewing angle）、解像度、明るさ（輝度、明度）及びコントラストを含む、観る上での種々の短所を有し、又このようなスクリーンは、一般に、比較的扱い難い重さ及び形状である。更に、全てのサイズのスクリーンに関し、視野コントラストを向上させるために黒色に見えることが望ましい。しかし、直視ＣＲＴが実際に黒色であることは、それが画像を形成するために蛍光体を利用し、この蛍光体が黒色ではないため不可能である。

各々が第１の端部と第２の端部とを有する光導波路を積層することによって、光学パネルを作製することができる。この光学パネルにおいては、複数の第１の端部によって出口面が画成され、複数の第２の端部によって入口面が画成される。このようなパネルは、その高さ及び幅と比較してその奥行きを薄くすることができる。又、各導波路のクラッドは、黒色表面積を増大させるために黒色とすることができる。しかし、このようなパネルは、画像光を入口面にわたり分配するために、高価で、扱い難い投影機器を必要とすることがある。これにより、この機器は、全体のサイズ、及びパネルのコストを増大させる。

従って、積層された導波路パネルに対応する利点を有するが、高価で、扱い難い投影機器を用いる必要がなく、又そのような機器のために必要となるサイズ及びコストの増大の不利益を被ることのない光学パネルが必要とされている。

ハウジング（筐体）（光学パネル及び投影機器を収納する。）の奥行きが最小限であることが要求される光学パネルにおいては、一般に、投影機器は、その全体の寸法的制約に適応するように配置される。従って、投影機器の配置が、標的とされるパネルの出口面に対して鋭い角度にて指向される画像経路を要求することがある。そして、一般に出口面の表面は画像経路に対して高度に傾斜されているため、合焦（集束）され、又ディストーションのない画像を生成することのできる結像系は重要である。適切に集束された画像が要求されるのみならず、出口面の表面上に生成された画像は、色収差が僅かであるか若しくは無いものでなければならず、又所望のアスペクト比を保持すると共に画像の線形的点間（point-to-point）マッピングを維持しなければならない。

従って、画像経路に対して高度に傾斜された入口面の表面上に正確な画像を生成することができ、不適切に集束された画像、及び色収差、誤ったアスペクト比及び一致しない画像の線形的点間マッピングをもたらす画像ディストーションの不利益を被ることのない光学パネル用光学系が必要とされている。

本発明は、表示画像平面上にゼロより大きい入射角にて画像を投影するための光学系に関する。前記光学系は、画像源と、結像素子と、を有する。前記結像素子は、前記画像源から画像を形成する。前記光学系はまた、前記画像のアナモルフィック（歪像）ディストーションを低減させるためのアナモルフィック拡大器、前記表示画像平面に向けて前記画像を反射するための最終ミラーを有する。前記アナモルフィック拡大器は、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させる。更に、前記アナモルフィック拡大器は、第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群とを有する。前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群は第１のアナモルフィック拡大系を形成し、前記第２のレンズ群及び前記第３のレンズ群は第２のアナモルフィック拡大系を形成する。前記アナモルフィック拡大器はまた、前記画像の色収差を補正するために、１つ以上の光学材料で構成されてよい。本発明はまた、光学系と光学パネルとの組み合わせを有するディスプレイシステムに関する。

本発明は、画像経路に対して高度に傾斜された入口面の表面上に正確な画像を生成する、減少された光経路を有し、又誤ったアスペクト比又は一致しない画像の点間マッピングをもたらす色収差、不適切に集束された画像、画像ディストーションの不利益を被ることのない光学系を提供することによって、高価で、扱い難い投影機器の使用などの従来技術にて経験された問題点を解決する。本発明はまた、向上されたコントラスト、又パネル及び周囲のハウジングの最小限とされた奥行きといった、積層された導波路パネルに対応する利点を保持する。

本発明のこれら及び他の優位性及び利点が、以下の発明の詳細な説明から明らかとなるだろう。

本発明が明快に理解され、容易に実施され得るように、本発明を添付の図面との関係において説明する。

本発明の図面及び説明は、本発明の明快な理解に関連する要素を例示するために単純化され、一方明確さを期すために、典型的な光学ディスプレイパネルにおいて見出される他の多くの要素を省略していることを理解されたい。当業者は、本発明を実施するために他の要素が望ましく且つ／或いは必要であることを認識するだろう。しかし、そのような要素は斯界にて周知であり、又それらが本発明のより良い理解を容易とすることはないので、そのような要素の議論は本明細書では提供しない。

本開示のために、「光導波路」なる用語は、光を導くために全反射（全内部反射）を利用する如何なるタイプの光案内部材をも包含するものとして定義する。

図１は、光学パネル１０を示す概略等角図である。光学パネル１０は、複数の導波路１０ａであって、各導波路１０ａの一端部がその導波路のための入口を形成し、各導波路１０ａの反対側の端部がその導波路のための出口を形成する複数の導波路１０ａと、光発生系（システム）１２と、光発生系１２及び複数の導波路１０ａがその中に搭載されるハウジング１４と、結合器（カプラー）１６とを有する。

各導波路１０ａは水平方向に延在し、又複数の積層された導波路１０ａは垂直（縦）方向に伸長する。複数の入口端部は、画像光２２を受容するための入口面２０を画成する。複数の出口端部は、光２２を表示するための、入口面２０と実質的に平行に配置される出口面２４を画成する。光２２は、限定されるものではないが、ビデオ（映像）画像２２ａのような形態にて表示することができる。

ハウジング１４は、光発生系１２と複数の導波路１０ａとの組み合わせよりも大きい高さ及び幅のサイズとされ、複数の導波路１０ａ及び光発生系１２をその中に配置することができる。ハウジング１４は、出口面２４を見ることができるように開放した前面を有し、又上記開放した前面からハウジング１４の背面へと見て閉じた奥行きＤを有する。

光発生系１２は、導波路１０ａを通して観察される光２２を提供する。光発生系１２は、光源３０、及び光源３０からの入射光２２を結合器１６内へと再指向させる光再指向素子３２を有する。この光再指向素子３２は、結合器１６と協働して、ハウジング１４の奥行きＤの低減を可能とする。複数の導波路１０ａの垂直方向の積み重ねに近接して又平行にハウジング１４内に配置される光源３０からの光２２の方向を、結合器１６内へと変え、次いで光２２の方向を導波路１０ａ内へと鋭く変えるように光再指向素子３２を構成する場合に、この奥行き低減が許される。結合器１６は、複数の導波路１０ａを通したほぼ水平方向の透過（伝達）を生成するために、好ましくは、典型的には約４５°から約９０°までの範囲内で画像光を曲げるのに効果的なものである。光発生系１２はまた、変調器（モジュレータ）６２、更には結像光学素子６４を有する。光発生系１２については、図２を参照してより詳細に議論する。

入口面２０及び出口面２４の平行な表面は、パネル１０及び取り囲むハウジング１４の奥行きを極薄に作製することを可能とする。パネル１０は、入口面２０と出口面２４との間の各導波路１０ａの奥行きである公称厚さＴを有する。厚さＴは、本質的に出口面２４の高さＨ及び幅Ｗより小さい。パネル１０は、例えば、典型的なテレビの幅対高さの比である４：３又は１６：９に構成することができる。約５５ｃｍの高さＨ及び約７３ｃｍの幅Ｗに対して、本発明のパネルの厚さＴは約１ｃｍにすることができる。従って、奥行きＤは、厚さＴと共に変わり得るが、上記実施例においては、ハウジング１４の奥行きＤは、好ましくは約１７ｃｍを超えない。

図２は、超薄型光学パネル１０の概略側面断面図である。光学パネル１０は、複数の積層された導波路１０ａ、光発生系１２、結合器１６、及びハウジング１４を有する。

光発生系１２は、本発明の一実施例においては、光再指向素子３２に対し光学的に整列されたプロジェクター（投影機）６０を有する。画像は、光再指向素子３２上に投影され、次いで出口面２４上での表示のために導波路群１０ａを通して透過するように、結合器１６へと再指向される。好ましい実施例では、プロジェクター６０は、入口面２０に対し略平行な画像光２２を投影するために、入口面２０の頂部に隣接して配置され、又導波路群１０ａを通した透過のために、画像光２２の向きを光再指向素子３２から結合器１６内へと変えることができるように十分な距離だけ、入口面２０から離隔される。

プロジェクター６０は、光２２を生成するために適当な光源３０を有していてよい。光源３０は、電球（例えば、フィラメント又はアークタイプのもの）又はレーザであってよい。プロジェクター６０は、光２２を変調して画像２２ａを形成するための変調器６２を有していてよいスライドプロジェクター又はビデオプロジェクターとすることができる。変調器６２は、例えば、通常の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、ディジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）、ＧＬＶ、レーザラスタスキャナ、ＰＤＬＣ、ＬＣＯＳ、ＭＥＭＳ、又はＣＲＴであってよい。プロジェクター６０はまた、結合器１６への適切に集束（合焦）された透過（伝達）のために、光再指向素子３２を超えて水平方向及び垂直方向に画像光２２を分配若しくは広げるための、適当な結像（画像）光学素子６４を有していてよい。結像光学素子６４は、集束（フォーカシング）及び拡大レンズ類及び／又はミラー類を有していてよい。結合器１６の１つ若しくはそれ以上の部分へと光を提供するために、１つ若しくはそれ以上の光発生系１２、例えば２〜４個の光発生系１２を用いることができる。結像光学素子６４及び光再指向素子３２の両方のために拡大レンズを用いることができ、画像光２２を結合器１６上で垂直方向及び水平方向の両方に拡大することができる。別法では、適当なラスタシステムを光発生系１２として用いてもよく、結合器１６を超えて水平方向及び垂直方向の両方に画像光２２をラスタリングすることによって画像を形成することができる。

図示の実施例においては、光２２は、先ず、プロジェクター６０から垂直下方に、ハウジング１４内で、各光再指向素子３２が取り付けられたその底部へと投影され、次いで、各光再指向素子３２は、結合器１６の露出した全表面にわたり広げるために、画像光２２をパネル１０に垂直な表面に対して大きい角度にて垂直上方に再指向させる。別の実施例においては、プロジェクター６０は、入口面２０の背後ではなく、下部又は入口面２０の何れのサイドにも配置することができる。

許容し得る結合器１６上の画像光２２の入射角は、光２２の方向をパネル１０の入口面２０内へと曲げる結合器１６の能力によって決定される。結合器１６の曲げ能力がより大きければ、ハウジング１４に要求される奥行きＤを低減するために、プロジェクター６０をカプラー１６のより近くに取り付けることができる。

図３は、超薄型光学パネル１０の概略水平及び垂直断面を示す。パネル１０は、複数の垂直方向に積層された光導波路１０ａ、光発生系１２（図２参照。）、結合器１６、及びハウジング１４を有する。

複数の導波路１０ａの各導波路１０ａは、第１の屈折率を有する中央透明コア８０を備える。コア８０は、限定されるものではないが、プレキシガラス又はポリマー類のような、それを通して光波を通過させるのに適していることが斯界にて知られている如何なる材料で形成してもよい。中央コア８０は、ジェネラルエレクトリック社（General Electric Company）（登録商標）から市販されているレクサン（Ｌｅｘａｎ）（登録商標）のような光学プラスチック、又はＢＫ７のようなガラスで形成することができる。本発明の好ましい実施例は、典型的には厚さが２〜１０００ミクロン（μｍ）の範囲内にあり、扱い易い長さ及び幅であってよい個別のガラスシートを用いて実施される。中央コア８０は、少なくとも２つのクラッド層８２の間にラミネートされる。コア８０と直接触するクラッド層８２は、コア８０の屈折率よりも低い第２の屈折率を有し、これにより光２２がコア８０を通して透過される際に、光２２の実質的な全反射を可能とする。クラッド８２は、例えば、適当なプラスチック、プレキシガラス、ガラス、接着剤、ポリウレタン、低屈折率ポリマー、又はエポキシであってよく、又好ましくは黒色である。多重クラッド層８２が用いられる場合、クリア（透明）なクラッド層がガラスに接触し、黒色に着色された層が隣接するクリアなクラッド層間に配置されることが好ましく、これにより出口面２４の視野コントラスト及びコア８０を通した光２２の全反射の両方を向上させる。少なくとも１つの黒色に着色された層を用いることで、出口面２４において付加的な黒色を提供することにより、コントラストの向上をもたらす。更に、出口面２４における黒色に着色された層の露出したエッジが、観察者によって直視可能である。加えて、出口面２４を通して軸外（off-axis）にて各導波路に入る周辺光は、内部で黒色に着色された層によって吸収されるであろう。黒色に着色された層は、１つ若しくはそれ以上の黒色に着色された層において、黒色噴霧塗料、又は隣接するコア８０同士を接合するエポキシ接着剤中のカーボン粒子などのような、如何なる適当な手法によっても形成することができる。クラッド層８２及びコア８０を形成する手法については、後述してより詳細に議論する。

好ましい実施例の各導波路１０ａは、出口面２４の幅に沿って水平方向に連続して延在する平坦なリボン状の形態にて形成される。各リボン状導波路１０ａは、好ましくは出口面２４の高さに沿って垂直方向に積層される。従って、パネル１０の垂直解像度は、出口面２４の高さに沿って積層される導波路１０ａの数に依存する。例えば、５２５個の導波路を積層すれば、５２５本の垂直解像線が提供される。勿論、より多くの導波路が、相応のより高い解像度をもたらし得ることが想定される。

複数の積層された導波路１０ａは、先ず、第１のガラスシートを、この第１のガラスシートよりも僅かに大きいサイズのトラフ（槽）内に配置することによって形成することができる。次いで、このトラフは、熱硬化性エポキシで満たすことができる。エポキシは、導波路間に黒色層を形成し、それによって向上した視野コントラストを提供するために好ましくは黒色である。更に、このエポキシは、ガラスシートよりも低い屈折率を有しガラスシート内での光２２の実質的な全反射を可能とするなどの、適当なクラッド層８２の特性を有するべきである。トラフを満たした後、ガラスシート８０を繰り返し積層し、各ガラスシート８０の間にエポキシの層を形成する。この積層工程は、好ましくは約５００〜２０００枚積層されるまで繰り返す。次いで、この積層体に一様な圧力を印加することができ、これによってエポキシを流動させ、ガラスシート８０間で略一様なレベルと成す。本発明の好ましい実施例では、得られるこの一様なレベルは、ガラスシート８０の間で約０．０００２インチ（０．０００５０８ｃｍ）である。次いで、この積層体は、エポキシを硬化させるのに必要とされる時間だけ、昇温下にてベーキング（焼成）して硬化させることができる。その後、この積層体は、ガラスのクラッキング（亀裂）を防ぐためにゆっくりと冷まされる。硬化した後、この積層体は、限定されるものではないが、ダイヤモンド鋸のような鋸に対して配置することができ、所望のサイズに切断することができる。次いで、パネル１０の切断部分を研磨することができ、如何なる鋸痕（saw mark）をも除去することができる。

本発明の別の実施例においては、複数のガラスシート８０は個別に、ガラスの屈折率よりも低い屈折率を有する物質でコートするか、又はそれに浸漬される。そして、この複数のコートされたシートを、好ましくは黒色である接着剤又は熱硬化性エポキシを用いて互いに固定する。第１のコートされたガラスシート１０ａを、この第１のコートされたガラスシート１０ａよりも僅かに大きいサイズのトラフ内に配置し、このトラフを熱硬化性黒色エポキシで満たし、又コートされたガラスシート１０ａを繰り返し積層し、各コートされたガラスシート１０ａ間にエポキシの層を形成する。この積層工程は、好ましくは約５００〜２０００枚積層されるまで繰り返す。次いで、この積層体に一様な圧力を印加することができ、その後エポキシを硬化させ、又この積層体を所望のサイズへと鋸で切断する。この積層体は、湾曲状又は平坦に鋸で切断することができ、又鋸で切断した後に艶消し（フロスト）にしたり或いは研磨したりすることができる。

本発明の更に別の実施例においては、ガラスシート８０は、好ましくは０．５インチ（１．２７ｃｍ）〜１．０インチ（２．５４ｃｍ）の範囲内の幅を有し、１２インチ（３０．４８ｃｍ）〜３６（９１．４４ｃｍ）インチといった取り扱い易い長さである。シート８０は、各シート８０の間に配置される黒色の紫外線接着剤の層と共に積層される。次いで、各接着剤層を硬化させるために紫外線放射を用い、その後この積層体を切断及び／又は研磨することができる。

上記各実施例のそれぞれの方法はまた、積層体の鋸での切断及び／又は研磨の後に、積層体の入口面２０に結合器１６を接着する工程、及びそれに接着された結合器１６を有する積層体を矩形ハウジング１４内に固定する工程をも含んでいてよい。積層体は、ハウジング１４の開放した前面を出口面２４と整列させるように、又ハウジング１４内の光発生器１２が光学的に結合器１６と整列されるように固定される。

光発生系１２は、結合器１６上に入射する光２２を提供し、又光発生系１２は実質的に図２を参照して議論したように構成される。光発生系１２の光源３０は、ハウジング１４の容積及び奥行きを最小化するように適当な位置にて、ハウジング１４内に取り付けることができる。光源３０は、ハウジング１４内で、その頂部において入口面２０の直ぐ後ろに取り付けることができる。これにより、光源３０は、最初、光２２を垂直下方に投影し、次いで、この光２２の向きは、結合器１６と光学的に係合するように、光発生系１２の光再指向素子３２によって垂直上方へと変えられる。本発明の好ましい実施例においては、個々の導波路１０ａは、傾斜せずに水平方向に延在する。従って、画像を、観察者による直視のために導波路１０ａを通して直接水平方向に透過することができ、これにより観察者が、最大の輝度のために光２２の全強度を受容することを可能にする。他の実施例は、導波路群１０ａの傾斜を含んでいてよい。ディスプレイの視角（viewing angle）の向上をもたらすために、出口面２４上に拡散性材料のシートを任意に設けることができる。別法では、拡散性の材料のシートの代わりに、同様に視角の向上をもたらすために、出口面２４自体中に、拡散性表面を形成することができる。このように、最大輝度のために、光発生系１２から入射する光２２は、実質的に水平方向に曲げられなければならない。プリズム結合器１６を、入口面２０内への入射のために、９０°までの角度にて光を曲げるのに使用することができる。本発明の一実施例では、透過型直角フィルム（トランスミッシブライトアングルフィルム：Transmissive Right Angle Film）（ＴＲＡＦ）が、８１°の角度にて光を曲げる。

導波路群１０ａを通した透過のために、入口面２０内に光発生系１２から入射する光２２を結合又は再指向させるように、光結合器１６は、入口面２０の全面に隣接し、入口面２０の全面に適当に接着することができる。本発明の導波路１０ａ（即ち、より詳細にはコア８０）は、入射光２２を受容するための受け入れ角の限界を有することがあり、結合器１６は、画像光２２を適当に曲げて、許容し得る受け入れ角の範囲内で導波路コア８０に確実に入れるように整列される。

本発明の好ましい実施例においては、結合器１６は、入口面２０の幅に沿って直線状で、入口面２０の高さに沿って垂直に間隔が開けられたプリズム状溝１６ａを有する。このプリズム結合器１６は、光を９０°の角度まで曲げることができる。本発明の他の好ましい実施例においては、プリズム結合器１６は、３Ｍ社（3M Company）（登録商標）［セントポール、ミネアポリス］から商標ＴＲＡＦ ＩＩ（登録商標）として市販されているＴＲＡＦである。溝１６ａにて如何なる迷光２２をも導波路群１０ａ内に反射し戻すために、任意に反射器（リフレクター）をプリズム結合器１６に極近接して設けることができる。本発明の更に他の好ましい実施例においては、結合器１６（又は光再指向性表面）は、代わりに入口面２０自体内に形成することができる。

結合器１６はまた、回折素子１６の形態をとることもできる。回折結合器１６は、水平方向に延在し、且つ、個々の導波路１０ａと平行な、多数の小さい溝を備えた回折格子を有する。この溝は、入口面２０の高さにわたり垂直方向に、互いに接近して離隔されている。結合器１６は、限定されるものではないが、ホログラフィック若しくはフレネル素子類を含むその他の形態をとることもできる。用いる光学系に対するパネル１０の配向によっては、結合器１６を任意にパネル１０から省略することをも想定される。

ハウジング１４は、実質的に閉じた囲いの中に導波路積層体１０ａ及び光発生系１２を支持する。出口面２４は、外側に面し観察者及び周辺光に露出され、入口面２０及び隣接する結合器１６は、ハウジング１４内の好ましくは黒色の表面に向かって内側に面し、これにより出口面２４におけるコントラストのための付加的な黒色を提供する。この付加的な黒色は、導波路群１０ａ及び結合器１６の受動的性質によって、出口面２４において提供される。これらの受動素子が黒色領域内に囲包される場合、出口面２４は、入口面２０上に入射する画像光２２によって照明されてないときに黒色に見えるだろう。

図４は、光学パネル１０（これもまた図解のために図４中に示される。）上に画像源１１０からの画像を投影するために用いられる光学系１００（即ち、パネル１０以外）を示す単純化された概略背面図である。光学系１００は、図２を参照して上述した光発生系１２に取って代わることができる。光学系１００は、画像源１１０、結像素子１２０、アナモルフィック拡大器（テレスコープ，望遠鏡）１３０、及び最終ミラー１４０を有する。光学パネル１０は、図１〜３に対応する上記実施例に記載したタイプのものであってよい。或いは、光学パネル１０は、当業者による設計的選択若しくは日常的な実験に依存する異なるタイプのものであってもよい。例えば、光学パネル１０は、通常の映写（レンズ）用透過投影（背面投影）スクリーンであってよい。画像源１１０、結像素子１２０、アナモルフィック拡大器１３０及び最終ミラー１４０は全て、好ましくは、理想的にこれら光学素子の曲率中心の全てを含む単一の平面について名目上対象である。ここでの議論のためにのみ、本明細書においてこの平面を「ｙ−ｚ平面」と言う。

本明細書で用いられる場合、入射角θは、画像源の中心から表示画像平面の中心へと引いた線と、表示画像平面に対して垂直な線との間に形成される角度として定義する。図５に示されるように、画像源の中心から表示画像平面の中心へと引いた線は、最終ミラー１４０によって反射される。画像は、好ましくはゼロより大きい入射角θにて表示画像平面上に投影される。本発明の好ましい実施例において、入射角θは、約５０°〜８５°の範囲内にある。本発明のより好ましい実施例においては、入射角θは約７８°である。

この構成に関する傾斜（ティルト）は本質的なものであるため、画像源又は画像平面の光学的傾斜は、好ましくは、光学列（オプティカルトレイン）の全体にわたり徐々に展開される。換言すれば、光学列中の光学素子群、即ち、結像素子１２０、アナモルフィック拡大器１３０、及び最終ミラー１４０は、それぞれ、対象の画像上に傾斜をもたらす。しかし、これは、光学列中の光学素子群のうち１つ若しくは幾つかのみを用いて達成することもできる。画像源１１０及び結像素子１２０は、それぞれＸ軸に関し傾斜される。この方法で画像源１１０、結像素子１２０及びパネル１０を傾斜させるには、仮想中間画像平面（virtual intermediate image plane）上に中間傾斜をもたらすためにＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ（スキムフラグ）の法則を利用する。

結像素子１２０は、画像源１１０の平面（「対象平面」）と、標的たる入口面２０の平面（「表示画像平面」）との間で成す角度の中間の角度にて、仮想中間画像平面中に仮想画像を形成する。アナモルフィック拡大器１３０及び最終ミラー１４０もまた、Ｘ軸に関して傾斜され、最終画像平面の更なる傾斜をもたらす。アナモルフィック拡大器１３０による傾斜作用は、光学系１００が傾斜された画像を生成するのに不可欠ではないが、ある程度の傾斜をアナモルフィック拡大器１３０によって提供し、これにより画像の品位を向上させることは有用である。

画像源１１０は、照明された対象、例えばＬＣＤ若しくはＤＭＤ、又は放射する対象、例えばＬＥＤアレイ若しくはレーザであってよい。好ましい実施例において、画像源１１０は、色画像結合プロジェクター（chromatic image-combining projector）である。結像素子１２０は、第１の方向及びこの第１の方向に対し垂直な第２の方向において、画像源１１０からの画像の倍率を増大させる。好ましい実施例においては、結像素子１２０は、第１の方向及びこの第１の方向に対し垂直な第２の方向において、等しく画像源１１０からの画像の倍率を増大させる。結像素子１２０は、画像の色収差（即ち、横方向及び縦（長手）方向の両方におけるもの）を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズとを備える。本開示の目的にて、低色分散材料とは、その表面にて光が屈折する時に、それに関連して高色分散材料と比較して少ない色分解を示す材料である。低色分散材料の例としては、アクリル類（acrylic）及びゼオネクス（Ｚｅｏｎｅｘ）（登録商標）が挙げられる。ゼオネクス（登録商標）は、ゼオンケミカルズ（Zeon Chemicals）［ルイスビル、ケンタッキー］から市販されている。高色分散材料の例としては、ポリスチレン及びポリカーボネートが挙げられる。勿論、その他の低及び高色分散材料を、本発明の実施のために使用することができる。

レンズの表面にて光が屈折するとき、例えば、低色分散材料で構成されていれば、長手（縦）方向の色分解が起こる。光がレンズを横切り、又第２の表面にて再び屈折された後、長手（縦）方向の色分解及び横方向の色ズレ（カラーオフセット）の両方がある場合がある。第１のレンズに隣接して若しくは近接して配置された際に、その効果が色分解及び色ズレを取り消すものである、高色分散材料で構成された、相殺（補正）形状を有する第２のレンズを利用することができる。好ましい実施例においては、第１のレンズは、それに隣接して若しくはその近傍にある高色分散材料で構成された第２のレンズの位置決めによって取り消すことのできる色展開を起こす低色分散材料で構成される。勿論、別法では、第１のレンズは、相殺（補正）する低色分散材料の第２のレンズがその後に続く、高色分散材料のものであってもよい。異なる色分散値を示す材料の対を用いることで、各対は、結合された単一の素子と同様に、即ち、如何なる色分解をも伴わずに、機能することができる。各レンズ群のためにこのタイプの「対を成す材料」を用いる場合、色はそれぞれのレンズ群を超えて決して分解されず、又全ての色が同一若しくは同様の光学経路（オプティカルパス、光学距離）を辿る。

主な色補正は、結像素子１２０内で行われる。好ましい実施例においては、結像素子１２０は、低色分散材料で構成される３つのレンズと、高色分散材料で構成される２つのレンズを有する。結像素子１２０を構成する個々のレンズは、図６〜１０に詳細に示されている。結像素子１２０は、少なくとも１つの回転対称面を有し、又結像素子１２０を構成するレンズ群は、ガラス若しくはプラスチック、又はガラスとプラスチックとの組み合わせのいずれかで構成される。結像素子１２０は、球面、非球面、回折性（回折面）若しくはフレネルタイプ、又はこれらの表面タイプの組み合わせである少なくとも１つの表面を有していてよい。又、結像素子１２０は、画像源１１０の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化された少なくとも１つのレンズを有する。好ましくは、結像素子１２０は、全て、全群として画像源１１０の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されたレンズ群から成る。

アナモルフィック拡大器１３０は、主に画像のアナモルフィックディストーションを低減するために光学系１００中に設けられ、好ましくは、光学系１００の光学経路内にて結像素子１２０に続いて配置される。但し、幾つかの構成においては、結像素子１２０を、光学系１００の光学経路内にてアナモルフィック拡大器１３０に続いて配置することが望ましいことがある。本開示の目的にて、完全に合焦（集束）されたアナモルフィック光学系は、第１の方向（例えば、水平方向）において、第１の方向に対し垂直な第２の方向（例えば、垂直方向）とは異なる画像の倍率を有する。集束された４：３の投影された画像を、水平軸に関して劇的に傾斜された表示画像平面上に表示すべきディスプレイシステムにおいては、画像の水平方向の広がりは比較的影響されないが、一方画像の垂直方向の広がりは著しく伸長される。通常のアナモルフィック光学系も、一般に、伸長された画像を垂直方向に収縮させ、一方水平方向の画像のアスペクトは影響されないままとするか、或いは伸長された画像を水平方向に拡大し、一方垂直方向の画像のアスペクトは影響されないままとする。このタイプの「古典的な」アナモルフィック系は、２つのレンズ群を利用し、又アナモルフィック拡大器のタイプとして呼ばれることがある。しかしながら、古典的なアナモルフィック拡大器（即ち、２つのレンズ群から成るもの）を利用する場合、全てのアナモルフィック補正を１つの軸内に提供する。本発明の結果を達成するためにこのアプローチを用いると、高度に傾斜された表示画像平面の利用に起因する台形の画像ディストーション（「台形歪み」（keystone-type distortion）としても知られる。）、画像の色収差及び画像の不十分な集束の前補正（プレコレクション）が不可能になるなどの、深刻な設計上の問題をもたらす可能性のある非常に強力な光学レンズが必要とされるだろう。

古典的なアナモルフィック拡大器の上述の欠点を克服するために、本発明のアナモルフィック拡大器１３０を利用する。アナモルフィック拡大器１３０は、第１の方向において画像の倍率を減少させ、第１の方向に対し垂直な第２の方向において画像の倍率を増大させる。アナモルフィック拡大器１３０は、３つのレンズ群、即ち、第１のレンズ群１３１、第２のレンズ群１３２、及び第３のレンズ群１３３を有する。第１のレンズ群１３１及び第２のレンズ群１３２は、第１のアナモルフィック拡大系（システム）を形成する。第２のレンズ群１３２及び第３のレンズ群１３３は、第２のアナモルフィック拡大系を形成する。第１のアナモルフィック拡大系は、第１の方向における画像の倍率を減少させるために用いられ、一方第２のアナモルフィック拡大系は、第１の方向に対し垂直な第２の方向において画像の倍率を増大させる。第１及び第２のアナモルフィック拡大系の機能は、任意に入れ替えることができる。換言すれば、第２のアナモルフィック拡大系は、第１の方向における画像の倍率を減少させるために用いることができ、一方第１のアナモルフィック拡大系は第２の方向における画像の倍率を増大させる。

第２のレンズ群１３２が、第１のアナモルフィック拡大系及び第２のアナモルフィック拡大系の両方のためのレンズ群として機能する二重の役割を有するのは明らかである。斯かる方法にて（即ち、第１のアナモルフィック拡大系及び第２のアナモルフィック拡大系の両方の部分として）第２のレンズ群１３２を利用することで、第２の方向における画像の比較的穏やかな（即ち、古典的なアナモルフィック系と比較して）拡大を備えることにより第１の方向における画像の比較的穏やかな（即ち、古典的なアナモルフィック系と比較して）減少を提供する光学系を可能とし、同時にコンパクトな光学系を提供する。第１の方向における画像の倍率を減少させる第１のアナモルフィック拡大系と、第２の方向における画像の倍率を増大させる第２のアナモルフィック拡大系とを組み合わせて用いることで、結果的に、首尾一貫した画像の線形的点間マッピングを備える画像の正確な最終的アスペクト比をもたらす。

３つのレンズ群のそれぞれの中には、非球面の表面を有していてよい少なくとも１つのシリンドリカル素子又は左右対称性素子がある。好ましい実施例においては、第１のレンズ群１３１は、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面（conic cylindrical surface）とを有する。但し、本発明の範囲内において、より多くの又はより少ないレンズ群を用い得ることも想定される。第１のレンズ群１３１は、第１の方向において負のパワー（屈折力）（negative power）を生成し、第１の方向に対し垂直な第２の方向において正のパワー（屈折力）（positive power）を生成する。第１のレンズ群１３１は、画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズとを備える。低色分散材料の例としては、アクリル類及びゼオネクス（登録商標）が挙げられる。高色分散材料の例としては、ポリスチレンが挙げられる。勿論、その他の低及び高色分散材料を、本発明の実施において用いることができる。好ましい実施例において、第１のレンズ群１３１は、低色分散材料で構成される１つのレンズと、高色分散材料で構成されるもう１つのレンズとを有する。第１のレンズ群１３１を構成する個々のレンズは、図６〜１０に詳細に示される。第１のレンズ群１３１は、少なくとも１つの回転対称面を有し、又第１のレンズ群１３１を構成するレンズ群は、ガラス若しくはプラスチック、又はガラスとプラスチックとの組み合わせの何れかで構成される。第１のレンズ群１３１は、球面、非球面、回折性若しくはフレネルタイプ、又はこれらの表面タイプの組み合わせである少なくとも１つの表面を有していてよい。又、第１のレンズ群１３１は、結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化された少なくとも１つのレンズを有していてよい。好ましくは、第１のレンズ群１３１は、全て結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されたレンズ群から成る。

第２のレンズ群１３２は、好ましくは、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面とを有する。但し、本発明の範囲内において、より多くの又はより少ないレンズ群を用い得ることが想定される。第２のレンズ群１３２は、第１の方向において正のパワー（屈折力）（positive power）を生成し、第１の方向に対し垂直な第２の方向において正のパワー（屈折力）（positive power）を生成する。第２のレンズ群１３２は、画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズとを備える。低色分散材料の例としては、アクリル類及びゼオネクス（登録商標）が挙げられる。高色分散材料の例としては、ポリスチレンが挙げられる。勿論、その他の低及び高色分散材料を、本発明の実施において用いることができる。好ましい実施例において、第２のレンズ群１３２は、低色分散材料で構成される１つのレンズと、高色分散材料で構成されるもう１つのレンズとを有する。第２のレンズ群１３２を構成する個々のレンズは、図６〜１０に詳細に示される。第２のレンズ群１３２は、少なくとも１つの回転対称面を有し、又第２のレンズ群１３２を構成するレンズ群は、ガラス若しくはプラスチック、又はガラスとプラスチックとの組み合わせで構成される。第２のレンズ群１３２は、球面、非球面、回折性若しくはフレネルタイプ、又はこれらの表面タイプの組み合わせの何れかである少なくとも１つの表面を有していてよい。又、第２のレンズ群１３２は、結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化された少なくとも１つのレンズを有していてよい。好ましくは、第２のレンズ群１３２は、全て結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されたレンズ群から成る。

第３のレンズ群１３３は、好ましくは、１つの軸外回転対称面と、５つの円錐曲線柱面とを有する。但し、本発明の範囲内にて、より多くの又はより少ないレンズを利用し得ることが想定される。第３のレンズ群１３３は、第１の方向において正のパワー（屈折力）（positive power）を生成し、第１の方向に対し垂直な第２の方向において負のパワー（屈折力）（negative power）を生成する。第１の方向における倍率の減少は、第１のレンズ群１３１における負のパワー（屈折力）（negative power）、及び第２のレンズ群１３２における正のパワー（屈折力）（positive power）によって達成された。第２の方向における倍率の増大は、第２のレンズ群１３２における正のパワー（屈折力）（positive power）、及び第３のレンズ群１３３における負のパワー（屈折力）（negative power）によって達成された。好ましい実施例においては、第１のレンズ群１３１は、第２の方向において低い正のパワー（屈折力）（positive power）を生成し、第３のレンズ群１３３は、第１の方向において低い正のパワー（屈折力）（positive power）を生成する。第３のレンズ群１３３は、画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズとを備える。低色分散材料の例としては、アクリル類及びゼオネクス（登録商標）が挙げられる。高色分散材料の例としては、ポリスチレンが挙げられる。勿論、その他の低及び高色分散材料を、本発明の実施において用いることができる。好ましい実施例において、第３のレンズ群１３３は、低色分散材料で構成される１つのレンズと、高色分散材料で構成されるもう１つのレンズとを有する。第３のレンズ群１３３を構成する個々のレンズは、図６〜１０に詳細に示される。第３のレンズ群１３３は、少なくとも１つの回転対称面を有し、又第３のレンズ群１３３を構成するレンズ群は、ガラス若しくはプラスチック、又はガラスとプラスチックとの組み合わせの何れかで構成される。第３のレンズ群１３３は、球面、非球面、回折性若しくはフレネルタイプ、又はこれらの表面タイプの組み合わせである少なくとも１つの表面を有していてよい。又、第３のレンズ群１３３は、結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化された少なくとも１つのレンズを有していてよい。好ましくは、第３のレンズ群１３３は、全て結像素子１２０を構成するレンズ群の中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されたレンズ群から成る。

各レンズ群及び結像素子１２０内の種々のレンズが、所望の補正の量若しくはタイプに応じて、それぞれ光学系１００の中心長手光軸１０１（図４）に対して傾斜され、偏心化されていてよい。個々の構成要素群に対するこの調整（即ち、傾斜化及び偏心化）は、日常的な実験を通して決定することができ、従って本開示に照らして当業者には明らかとなろう。各レンズは、光学系１００の他の残りの素子から独立して配列又は調整することができる。例えば、配列又は調整が、第２のレンズ群１３２が光学系１００の中心長手光軸１０１に対して正（positive）の傾斜を有することを要求することがあるが、一方で第１のレンズ群１３１及び第３のレンズ群１３３がそれぞれ光学系１００の中心長手光軸１０１に対して負（negative）の傾斜を有することを要求するだろう。勿論、その他の構成も、本明細書の記載に照らして、本発明の範囲内にある。或いは、アナモルフィック拡大器１３０の各レンズ群内のレンズの正確な数は、光学系の全体構成（上述の傾斜化及び色収差補正を含む。）、入射角θの値、所望の倍率、及び所望の画像品位に依存してよい。

第１のレンズ群１３１内での傾斜及び／又は偏心化の有意量を利用することで、台形歪みの本質的な補正が起こる。好ましくは第１のレンズ群１３１内のレンズによって提供されるものよりも小さい程度にではあるが、結像素子１２０、第２のレンズ群１３２、及び第３のレンズ群１３３内の幾つか若しくは全てのレンズもまた、台形歪みの補正に寄与し得る。

光学系１００内の最終ミラー１４０は、主に画像を表示画像平面に向けて反射するために用いられ、画像の光学経路中第３のレンズ群１３３に続いて配置される。最終ミラー１４０は、好ましくは、第１の方向及び第１の方向に対し垂直な第２の方向において独立してアナモルフィック、且つ、円錐曲線である双円錐面（biconic）を有する。好ましい実施例においては、最終ミラー１４０は正のパワー（屈折力）（positive power）を有し、又好ましくは最終ミラーと表示画像平面との間で、互いに対して非平行である光線を反射するように構成される。台形歪みの補正は、レンズ群中で上述のように起こるので（又、主に、好ましくは最も大きい傾斜を有する第１のレンズ群１３１中で起こるので）、台形歪みは平行光線に頼ることなく補正される。光学系１００の全体にわたるその他のレンズが、台形歪みの補正を助け、緩やかな（漸次の）、従って、単一の素子によって行われるよりも、より穏やかな補正をもたらす。別法では、最終ミラーと表示画像平面との間の光線が互いに対して平行であるように、最終ミラー１４０を構成することが望ましいことがある。そして、この特定の構成においては、このタイプの最終ミラー１４０に反射する主な光線（即ち、そこで反射された平行光線を有するもの）は、更に分離することはなく（即ち、円錐形ではなく）、従ってこの構成によって、結果的に無限遠から来るように見える画像源をもたらす。いずれの構成においても、最終ミラー１４０は、任意に台形歪みを低減若しくは排除するのを助けるように構成することができる。又、所望に応じて、最終ミラー１４０は、任意に対象の画像上に傾斜を導入するために用いることができ（上述）、又任意に画像を集束させるために用いることもできる。更に、別法では、最終素子１４０は、球面、非球面、フレネル、平面若しくは回折面、又はその組み合わせであってよい。結像素子１２０、アナモルフィック拡大器１３０、及び最終ミラー１４０の曲率中心は、好ましくは、それぞれ共通平面内に整列される。又、結像素子１２０、アナモルフィック拡大器３０及び最終ミラー１４０から選択される１つ又は２つの素子が、画像上に傾斜をもたらす。より詳細には、それぞれが画像上に傾斜をもたらす結像素子１２０、アナモルフィック拡大器１３０、及び最終ミラー１４０を有することが望ましい。任意に、最終ミラー１４０は、透過型素子、又は透過型／反射型素子の組み合わせによって置き換えることができる。別法では、最終ミラー１４０は省略することも可能である。

結像素子１２０内、又はアナモルフィック拡大器１３０を構成する３群中のレンズを用いて台形の補正を提供するための別の方法として、台形型歪みの低減若しくは排除を電子的に行うことができる。例えば、画像源１１０は、投影経路の光学素子によって引き起こされる台形型歪みを補償する「逆台形型歪み」を有する画像を生成するように構成されたＤＭＤであってよい。勿論、この歪み補正手法は、光学系中に設けられる他の如何なる歪み補正若しくは集束素子を補償するためにも用いることができる。この手法は、ＤＭＤ変調器に関連して説明したが、ラスタスキャナ又はＬＣＤなどの他の変調器を用いてもよい。

図５は、図４に示すタイプの好ましい光学系１００を用いる超薄型光学パネル１０を示す概略側面図である。図６は、光学パネルと共に図５に概略示されるタイプの好ましい光学系における特定のレンズ素子群を示す詳細側面図である。一般に入手可能な光学的設計ソフトウェア、例えば、ゼマックス（ＺＥＭＡＸ）、バージョン９．０（フォーカスソフトウェア社：Focus Software, Inc.）などを、光学系１００内の個々の素子／群の各表面領域に対応する種々の特性（例えば、半径、厚さ、ガラスのタイプ、直径（倍率）、及び表面が円錐曲線であるかなど）を記述するのを支援するために用いることができる。図６〜７に示される典型的な構成において、ゼマックスソフトウェアは、表１に示すようなそれらの表面特性を記述する表面データを出力する。表面＃（番号）ＯＢＪ〜＃３（表１の左側欄中に示される）に関する表面データは、画像源１１０に対応する。表面＃６〜＃１５、＃２４〜＃２７、＃３０〜＃３３、及び＃３６〜＃４１に関する表面データは、それぞれ結像素子１２０、第１のレンズ群１３１、第２のレンズ群１３２、及び第３のレンズ群１３３に対応する。表面＃４４に関する表面データは、最終ミラー１４０に対応する。表面＃４８〜＃ＩＭＡに関する表面データは、パネル１０の１つのモデルに対応する。表１中に記載された形状、組成、及び素子の定義を示す特定の名称は、ゼマックスの取扱説明書に記述される規格に従う。

勿論、個々の素子／群のそれぞれに対する他の表面データの値が、本開示に照らして、当業者には明白となろう。従って、それは、光学系１００内の個々の素子／群の全体構成及び配置（上述の傾斜を含む。）、入射角θの値、及び所望の画像品位に応じて、日常的な実験を通して決定することができる。

上述の光学系１００及びパネル１０は、画像の色収差を補正する、ディストーションの無い画像を生成する。この光学系１００はまた、図１１のスポットダイアグラムによって示されるように、光学パネル１０の出口面２４の表面上に適正に集束された画像を生成する。図１１は、光学パネル１０の種々の位置に投影された幾何学的画像のスポットを用いて光学系１００の画像集束性能を例証する。この光学系１００はまた、図１２のグリッドディストーションプロットダイアグラムによって示されるように、オリジナルの画像源のアスペクト比を保持すると共に、２％未満のディストーションを有する画像の線形的点間マッピングを維持する。図１２は、グリッド（格子）の交点が理想的な画像位置を示し、「ｘ」が実際の画像位置を示すグリッドディストーションプロットダイアグラムである。このグリッドは、１２．４８ｍｍ×１５．５６ｍｍの画像源のためのものである。このグリッドディストーションプロットダイアグラムは、グリッド若しくはラティス（枠）のパターンを備える画像が画像源１１０の表面＃ＯＢＪに配置された際の、出口面２４の表面＃ＩＭＡを描く。本発明の光学系１００に用いられるレンズは、好ましくは非平面で、プラスチックであり、従って結果的に成形過程におけるより一層の製造容易性をもたらす。更に、本発明の光学系１００を用いることで、上述のような種々のディストーション及び色収差の低減によって、著しく高い解像度を得ることができる。上述のような色補正機構に必要な複数のレンズは、台形歪みをその補正が単一の素子を用いて行われる場合に比べてより穏やかな方法にて徐々に補正する系全体にわたって、より小さい傾斜群の有意量を加えるのを助ける。

他の好ましい実施例においては、アナモルフィック拡大器１３０内で光学系１００の光学経路を１回折り曲げるか若しくは複数回折り曲げて、それによって光学パネル１０及び光学系１００を収納するハウジング１４の全体の高さ、幅、及び奥行きＤを減少させることが要求されることがある。図８は、光学パネルと共に他の光学系におけるレンズ素子群及び折り返しミラーを示す詳細背面図である。この構成においては、折り返しミラー１３８は、第１のレンズ群１３１と第２のレンズ群１３２との間に配置される。更に他の好ましい実施例として、図９は、光学パネルと共に他の光学系におけるレンズ素子群及び折り返しミラーを示す詳細背面図である。この構成においては、折り返しミラー１３９は、第２のレンズ群１３２と第３のレンズ群１３３との間に配置される。更に他の好ましい実施例として、図１０は、光学パネルと共に他の光学系におけるレンズ素子群及び折り返しミラーを示す詳細背面図である。この構成においては、折り返しミラー１３８は、第１のレンズ群１３１と第２のレンズ群１３２との間に配置され、一方折り返しミラー１３９は、第２のレンズ群１３２と第３のレンズ群１３３との間に配置される。第１及び第２のアナモルフィック拡大系内に光学経路の折り返しを提供することによって、画像ディストーション（例えば、色収差）が低減されると共に、要求されるハウジング１４のサイズを低減する。別のもう１つの光学系構成においては、任意に、折り返しミラーを、結像素子１２０と第１のレンズ群１３１との間に設けることができる。この特定の折り返しミラーは、光学系１００内の折り返しミラーだけであってもよいし、或いは折り返しミラー１３８及び／又は折り返しミラー１３９との如何なる組み合わせを用いてもよい。

当業者は、本発明の多くの修飾と変更を実施し得ることを認識するだろう。例えば、別法では、結像素子１２０及びアナモルフィック拡大器１３０を構成する各レンズ群は、レンズ群の代わりに、それぞれ付加的なミラー（群）又はレンズ／ミラーの組み合わせ（群）を有していてよい。結像素子１２０内のレンズ及び／又はアナモルフィック拡大器１３０内の少なくとも１つのレンズをミラーと置き換えるか、或いは付加的なミラー素子群を提供して、光学系１００の光学経路中に付加的な折り返しをもたらし、それによって光学パネル１０及び光学系１００を収納するハウジング１４（図１〜３）の全体的な厚さＤを低減することが要求されることがある。本発明の他の変形例として、別法では、アナモルフィック拡大器は、３つより多いレンズ群で構成されてもよい。本発明の更に他の変形例として、光学パネル１０内の各導波路１０ａが垂直方向に延在し、複数の積層された導波路１０ａが水平方向に延在してもよい。この光学パネル１０の他の構成においては、光源１１０は相応の寸法様式で、水平方向の配向の光を投影するだろう。このように、本発明の光学系１００は、変化する光学パネル寸法、サイズ及び／又は配向に適応するように構成し得ることが想定される。本発明の更に他の変形例においては、図６及び図７に示すようなシステムは、反射投影形式において、例えば、パネル１０を反射投影に適したスクリーンと置き換えることによって用いることができる。本発明の更なる変形例においては、別法として、色補正を達成するために、低及び高色分散性を有する素子群の代わりに若しくはそれと共に、空隙及び／又は回折光学素子を有するような異なる素子群を用いることができる。上述の説明及び添付の特許請求の範囲は、このような修飾及び変更の全てを包含することを意図するものである。

超薄型光学パネルを示す概略部分断面等角図である。 超薄型光学パネル及び光発生系の概略断面側面図である。 プリズム結合器を用いる超薄型光学パネルの概略水平及び垂直断面図である。 光学パネルと共に光学系を示す単純化された概略背面図である。 好ましい光学系を用いる超薄型光学パネルの概略側面図である。 光学パネルと共に概略図５に示されるタイプの好ましい光学系におけるレンズ素子群を示す詳細側面図である。 光学パネルと共に概略図５に示されるタイプの好ましい光学系におけるレンズ素子群を示す詳細背面図である。 光学パネルと共に他の光学系におけるレンズ素子群及び折り返しミラーを示す詳細背面図である。 光学パネルと共に他の光学系におけるレンズ素子群及び折り返しミラーを示す詳細背面図である。 光学パネルと共に更に他の光学系におけるレンズ素子群及び２つの折り返しミラーを示す詳細背面図である。 好ましい光学系及び光学パネルを用いた画像集束性能を示すスポットダイアグラムである。 好ましい光学系及び光学パネルを用いた画像ディストーションを示すグリッドディストーションプロットダイアグラムである。

Claims (91)

1. 表示画像平面にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための光学系であって、
   画像源と、
   前記画像源から画像を形成するための結像素子と、
   前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させ、又第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群と、を備え、前記第１のレンズ群及び第２のレンズ群は第１のアナモルフィック拡大系を形成し、前記第２のレンズ群及び前記第３のレンズ群は第２のアナモルフィック拡大系を形成するアナモルフィック拡大器と、
   前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるための最終素子と、
   を有することを特徴とする前記光学系。
2. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第１の方向において前記画像の倍率を減少させることを特徴とする請求項１の光学系。
3. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項１の光学系。
4. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項２の光学系。
5. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第１の方向において前記画像の倍率を減少させることを特徴とする請求項１の光学系。
6. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項１の光学系。
7. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項５の光学系。
8. 前記第１のレンズ群は、前記第１の方向において負のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向において正のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項１の光学系。
9. 前記第１のレンズ群は、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面と、を有することを特徴とする請求項１の光学系。
10. 前記第１のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項１の光学系。
11. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項１０の光学系。
12. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項１０の光学系。
13. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項１０の光学系。
14. 前記第２のレンズ群は、前記第１の方向において正のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向において正のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項８の光学系。
15. 前記第２のレンズ群は、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面と、を有することを特徴とする請求項１の光学系。
16. 前記第２のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項１の光学系。
17. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項１６の光学系。
18. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項１６の光学系。
19. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項１６の光学系。
20. 前記第３のレンズ群は、前記第１の方向において正のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向で負のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項１４の光学系。
21. 前記第３のレンズ群は、１つの軸外回転対称面と、５つの円錐曲線柱面を有することを特徴とする請求項１の光学系。
22. 前記第３のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項１の光学系。
23. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項２２の光学系。
24. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項２２の光学系。
25. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項２２の光学系。
26. 前記アナモルフィック拡大器は台形歪みの補正を行い、前記アナモルフィック拡大器内での前記台形歪みの補正は主に前記第１のレンズ群で行われ、前記結像素子、第２のレンズ群及び第３のレンズ群を含むレンズ群の少なくとも１つによって付加的な補正が行われることを特徴とする請求項１の光学系。
27. 前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に、折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項１の光学系。
28. 前記第２のレンズ群と前記第３のレンズ群との間に、折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項１の光学系。
29. 前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に第１の折り返しミラーが配置され、前記第２のレンズ群と前記第３のレンズ群との間に第２の折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項１の光学系。
30. 前記アナモルフィック拡大器内の各レンズ群は、前記画像上に傾斜をもたらすことを特徴とする請求項１の光学系。
31. 光学パネルと、表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための少なくとも１つの光学系と、を有するディスプレイシステムであって、
    複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成される複数の積層された光導波路と；前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、前記入口面に設けられる少なくとも１つの結合器と；を備える光学パネルと、
    画像源と；前記画像源から画像を形成するための結像素子と；前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器と；前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるための最終素子と；をそれぞれが備える少なくとも１つの光学系と、
    を有することを特徴とする前記ディスプレイシステム。
32. 光学パネルと、表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための少なくとも１つの光学系と、を有するディスプレイシステムであって、
    複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成される複数の積層された光導波路と；前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、前記入口面に設けられる少なくとも１つの結合器と；を備える光学パネルと、
    画像源と；前記画像源から画像を形成するための結像素子と；前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させ、又第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群と、を備え、前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群は第１のアナモルフィック拡大系を形成し、前記第２のレンズ群と前記第３のレンズ群は第２のアナモルフィック拡大系を形成するアナモルフィック拡大器と；前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるための最終素子と；をそれぞれが備える少なくとも１つの光学系と、
    を有することを特徴とする前記ディスプレイシステム。
33. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第１の方向において前記画像の倍率を減少させることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
34. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
35. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項３３のディスプレイシステム。
36. 前記第２のアナモルフィック拡大系は、前記第１の方向において前記画像の倍率を減少させることを特徴とする請求項３２の光学系。
37. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
38. 前記第１のアナモルフィック拡大系は、前記第２の方向において前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項３６のディスプレイシステム。
39. 前記第１のレンズ群は、前記第１の方向において負のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向において正のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
40. 前記第１のレンズ群は、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面と、を有することを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
41. 前記第１のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
42. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項４１のディスプレイシステム。
43. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項４１のディスプレイシステム。
44. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項４１のディスプレイシステム。
45. 前記第２のレンズ群は、前記第１の方向において正のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向において正のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項３９のディスプレイシステム。
46. 前記第２のレンズ群は、２つの軸外回転対称面と、２つの円錐曲線柱面と、を有することを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
47. 前記第２のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
48. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項４７のディスプレイシステム。
49. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項４７のディスプレイシステム。
50. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項４７のディスプレイシステム。
51. 前記第３のレンズ群は、前記第１の方向において正のパワー（屈折力）を生成し、前記第２の方向において負のパワー（屈折力）を生成することを特徴とする請求項４５のディスプレイシステム。
52. 前記第３のレンズ群は、１つの軸外回転対称面と、５つの円錐曲線柱面と、を有することを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
53. 前記第３のレンズ群は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
54. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項５３のディスプレイシステム。
55. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項５３のディスプレイシステム。
56. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項５３のディスプレイシステム。
57. 前記結像素子は、前記第１の方向及び前記第２の方向において、等しく前記画像の倍率を増大させることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
58. 前記結像素子は、少なくとも１つの回転対称面を有することを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
59. 前記結像素子は、前記画像の色収差を補正するように、低色分散材料で構成される少なくとも１つのレンズと、高色分散材料で構成される少なくとも１つの追加レンズと、を備えることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
60. 前記低色分散材料は、アクリルであることを特徴とする請求項５９のディスプレイシステム。
61. 前記低色分散材料は、ゼオネクス（登録商標）であることを特徴とする請求項５９のディスプレイシステム。
62. 前記高色分散材料は、ポリスチレンであることを特徴とする請求項５９のディスプレイシステム。
63. 前記結像素子は、前記画像源の中心長手軸に対して傾斜され、偏心化された少なくとも１つのレンズを有することを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
64. 前記最終素子は、ミラーであることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
65. 前記最終素子は、前記第１の方向及び前記第２の方向において、両方アナモルフィック、且つ、円錐曲線である双円錐曲線面を有することを特徴とする請求項６４のディスプレイシステム。
66. 前記アナモルフィック拡大器は台形歪みの補正を行い、前記アナモルフィック拡大器内での前記台形歪みの補正は主に前記第１のレンズ群で行われ、前記結像素子、第２のレンズ群及び第３のレンズ群を含むレンズ群の少なくとも１つによって付加的な補正が行われることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
67. 前記最終素子と前記表示画像平面との間の主光線は、互いに非平行であることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
68. 前記最終素子は、正のパワー（屈折力）を有することを特徴とする請求項６７のディスプレイシステム。
69. 前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に、折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
70. 前記第２のレンズ群と前記第３のレンズ群との間に、折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
71. 前記第１のレンズ群と前記２のレンズ群との間に第１の折り返しミラーが配置され、前記第２のレンズ群と前記第３のレンズ群との間に第２の折り返しミラーが配置されることを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
72. 前記画像源は、色画像結合プロジェクターであることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
73. 前記結像素子、アナモルフィック拡大器及び最終素子の曲率中心は、それぞれ共通平面内に整列されることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
74. 前記画像源、前記結像素子、前記アナモルフィック拡大器及び前記最終素子は、それぞれ前記画像上に傾斜をもたらすことを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
75. 前記画像源、前記結像素子、前記アナモルフィック拡大器及び前記最終素子から成る群から選択される１つ以上の素子は、前記画像上に傾斜をもたらすことを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
76. 前記結像素子内のレンズ群は、それぞれ中心長手光軸に沿って整列され、前記アナモルフィック拡大器内の少なくとも１つのレンズは、前記中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されていることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
77. 前記アナモルフィック拡大器は、球面、非球面、回折面、及びフレネル面から成る群から選択されるタイプの少なくとも１つの表面を有することを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
78. 前記結像素子内のレンズ群は、それぞれ中心長手光軸に沿って整列され、前記アナモルフィック拡大器は、球面及び非球面の表面を有し、前記アナモルフィック拡大器内の少なくとも１つのレンズは、前記中心長手光軸に対して傾斜され、偏心化されていることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
79. 前記アナモルフィック拡大器内の各群は、前記画像に傾斜をもたらすことを特徴とする請求項３２のディスプレイシステム。
80. 前記最終素子は、フレネル面を有することを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
81. 前記表示画像平面は、前記複数の導波路の前記複数の第１の端部により画成されることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
82. 前記入射角θは、約５０°〜８５°の範囲内にあることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
83. 前記入射角θは約７８°であることを特徴とする請求項８２のディスプレイシステム。
84. 前記ディスプレイシステムは、２つ以上の光学システムを有することを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
85. ３つの光学系を有し、これらの光学系は赤、緑及び青の光を投影することを特徴とすることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
86. 前記複数の導波路のそれぞれは、前記出口面に沿って水平方向に連続して延在する平坦なリボン状として形成されることを特徴とする請求項３１のディスプレイシステム。
87. 光学パネルの表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を表示する方法であって、
    画像源から画像を投影する段階、
    結像素子を用いて前記投影された画像から画像を形成する段階、
    アナモルフィック素子であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器を用いて、前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させる段階、
    最終素子を用いて前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させる段階、
    の各段階を含み、
    前記光学パネルは、複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成される複数の積層された光導波路を有し、前記光学パネルは更に、前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、少なくとも１つの結合器を前記入口面に有することを特徴とする前記方法。
88. 光学パネルと、表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための少なくとも１つの光学系と、を有するディスプレイシステムであって、
    複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成され、前記入口面は実質的に前記出口面に対し平行である複数の積層された光導波路と；前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、前記入口面に設けられる少なくとも１つの結合器と；を備える光学パネルと、
    画像源と；前記画像源から画像を形成するための結像素子と；前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器と；前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるための最終素子と；をそれぞれが備える少なくとも１つの光学系と、
    を有することを特徴とする前記ディスプレイシステム。
89. 光学パネルの表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を表示する方法であって、
    画像源から画像を投影する段階、
    結像素子を用いて前記投影された画像から画像を形成する段階、
    アナモルフィック素子であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器を用いて、前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させる段階、
    最終素子を用いて前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させる段階、
    の各段階を含み、
    前記光学パネルは、複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成され、前記入口面は実質的に前記出口面に対し平行である複数の積層された光導波路を有し、前記光学パネルは更に、前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、少なくとも１つの結合器を前記入口面に有することを特徴とする前記方法。
90. 光学パネルと、表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための少なくとも１つの光学系と、を有するディスプレイシステムであって、
    複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成される複数の積層された光導波路と；前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、前記入口面に設けられる少なくとも１つの結合器と；を備える光学パネルと、
    画像源と；前記画像源から画像を形成するための結像素子と；前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させ、又前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器と；をそれぞれが備える少なくとも１つの光学系と、
    を有することを特徴とする前記ディスプレイシステム。
91. 光学パネルと、表示画像平面上にゼロより大きい入射角θにて画像を投影するための少なくとも１つの光学系と、を有するディスプレイシステムであって、
    複数の積層された光導波路であって、各々が第１の端部と第２の端部とを有し、前記複数の第１の端部によって出口面が画成され、前記複数の第２の端部によって入口面が画成され、前記入口面は実質的に前記出口面に対し平行である複数の積層された光導波路と；前記入口面に対し非垂直な軸から前記入口面に対し垂直な軸へと、光進行を再指向させる、前記入口面に設けられる少なくとも１つの結合器と；を備える光学パネルと、
    画像源と；前記画像源から画像を形成するための結像素子と；前記画像のアナモルフィックディストーションを低減させ、又前記表示画像平面に向けて前記画像を指向させるためのアナモルフィック拡大器であって、第１の方向において前記画像の倍率を減少させ、前記第１の方向に対し垂直な第２の方向において前記画像の倍率を増大させるアナモルフィック拡大器と；をそれぞれが備える少なくとも１つの光学系と、
    を有することを特徴とする前記ディスプレイシステム。

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