JP4694501B2 - 空間内に画像を形成する光学システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、光学分野に関し、更に特定すれば、空間内に画像を形成する光学システムに関する。

照明されている物体から画像を形成することができる光学システムには、広告、販売、および製品展示というような分野、ならびにシミュレーションのようなその他の秘技性の高い機能において数多くのそして重要な用途がある。このようなシステムは、サイズが小型で広い視野を有し、コントラストが高く、全ての環境光条件において目視可能であると有利である。

多くの実像光学システム、例えば、実像投射機は、画像を作成し所望の画像が黒い背景上に現れるように設計されている。例えば、ゲーム用途における実像投影機では、キャラクタの浮遊する実像を空中に投影する。この画像の心理的衝撃は、ゲーム・エレメントが明るく、鋭く規定され、コントラストが高く現れれば、最も大きくなる。現行の技術的現状におけるこの種の実像投射機の一例に、二重輝度増強膜（ＤＢＥＦ）に基づくメニスカス型投影光学システムがある。これは、本発明者の米国特許第６，２６２，８４１号に開示されており、図１に示す。しかしながら、光学システム２０は、設計が非常に複雑であるのに、光のスループットに関しては効率が比較的低く、正常でない視角、即ち、中心がずれたまたは傾斜した視角では、コントラストが弱い。

一般に、ＤＢＥＦ系光学システム２０をここに含ませることにより、実像光学システムの基本機能を例示し、更に本発明の実像光学システムに対するその特定的な設計の欠点を例示するように機能する。図１は、光源２８によって出射および／または反射された光源光２４を含む、光学システム２０を示す。光源光２４は、性質上不規則に偏光し、続いて目視者３６に向かって進む際に第１直線偏光器３２によって直線偏光となる。この直線偏光光線は、ＤＢＥＦ４０を通過する。ＤＢＥＦ４０の軸は、直線偏光器３２を通過する直線偏光光線に対して、透過する方位に位置合わせされている。ＤＢＥＦ４０を通過した直線偏光光線は、第１の１／４波長リターダ４４、または第１の１／４波長板（ＱＷＰ）によって円偏光となる。この円偏光光線（この説明では右向きであると仮定する）は、次いで、部分的に鏡面状の凹形（球面または非球面）ビームスプリッタ４８に入射させられる。凹形ビームスプリッタ４８は、究極的に実像５２を形成する収束を付与するように機能する。

前述の光の反射部分は、その円偏光の向きが、反射ビームスプリッタ４８によって左向きに切り換えられており、図において右から左に進行する際に、第１の１／４波長リターダ４４によって直線偏光に変換させられる。この直線偏光光線は、ＤＢＥＦ４０によって大きく反射する。何故なら、直線偏波の方向が、初期の直線偏光光線の偏光とは逆であるからである。反射光のこの部分は、次に、図において左から右に進行する際に、第１の１／４波長リターダ４４によって円偏光となる。この光は、部分的に鏡面状となっている凹形ビームスプリッタ４８によって、部分的に反射し、部分的にこれを透過する。透過した部分は、第２の１／４波長リターダ５６によって、直線偏光となる。第２直線偏光器６０は、直線偏光光線が透過して、目視者３６に見える実像５２を形成するように位置合わせされている。

部分的に鏡面状の凹形ビームスプリッタ４８を透過した右円偏光光線の部分は、第２の１／４波長リターダ５６によって、最終的に透過した光の偏光方向とは逆の方向の直線偏光光線に変換させられる。第２の１／４波長リターダ５６を通過した光の方向は、第２直線偏光器６０の透過方向とは逆であるので、第２直線偏光器によって消滅する。

図１の光学システム２０は、一連の偏光構成要素、即ち、ＤＢＥＦ４０、ならびに第１および第２直線偏光器３２、６０を、ビームスプリッタ、即ち、ビームスプリッタ４８と共に、光の方向を数回変更し、光路を屈曲させる小型の構造において利用している。この光路の屈曲の結果、デバイス・サイズが小さくなり、視野が広くなる。しかしながら、ＤＢＥＦ４０ならびに第１および第２直線偏光器３２、６０は、性質上吸収性であり、光スループットに関して損失が生ずる。加えて、特に傾斜した視角において、偏光エレメント間の帯域幅応答が異なることが、最終画像のコントラストに影響を及ぼす。コントラストは、主に、指定外角度目視状態における偏光エレメントの消光比が低いことによって生ずる光源光２４の一部の望ましくないブリードオフの存在の影響を受ける。

先に述べた光学システム２０の欠点に加えて、改良することが可能な性能および製造の側面が他にもある。例えば、第１および第２の１／４波長リターダ４４、５６に用いられる種類の１／４波長リターダは、延伸ポリビニル・アルコール（ＰＶＡ）型であり、遅れの均一性に劣り、水を吸収しこれによって遅延値が変化するというこれらの種類の偏光器に固有な特性のために、経時的な性能に劣るという特徴がある。この均一性の欠如のため、システム全体の効率が低くなり、主に、傾斜目視角度におけるブリード・スルーが一層大きくなって現れることになる。

また、光学システム２０は、ＤＢＥＦ４０に直接隣接して、可撓性の第１の１／４波長リターダ４４を利用しているが、ＤＢＥＦ４０自体も可撓性である。ＤＢＥＦ４０は、所望の光路に沿った反射に用いられるので、歪みのない反射画像を供給するためには、必然的に平面状でなければならない。しかしながら、可撓性の第１の１／４波長リターダ４４上に直接可撓性のＤＢＥＦ４０を積層することにより、ＤＢＥＦの表面が波打ち、したがって反射が歪むことになる。可撓性の第１の１／４波長リターダ４４に可撓性ＤＢＥＦ４０を一方の面で積層（または光学的に結合）し、他方の面で第１直線偏光器３２に積層しつつ、ＤＢＥＦ４０の平面性を維持するという製造上の複雑性は明白である。このように、ＤＢＥＦ４０は、第１の１／４波長リターダ４４ならびに追加の偏光および反射防止ガラス・エレメントの積層の前に、それ自体の平面ガラス基板（図示せず）に積層しなければならない。この追加の工程の結果、光学システム２０は、３枚の剛性基板を有するサブアセンブリを含み、２枚の反射防止ガラス構成要素を３つのシート状偏光エレメントと共に含み、製造上の複雑性がかなり高くなる。ＤＢＥＦ４０自体に関しては、このエレメントの全システムの総合的スループットに対する単体の寄与は、約４９％である。即ち、約７０％が反射であり、約７０％が透過である。

第２直線偏光器によって消滅することが理想的な右円偏光光線の部分は、通常十分でなく、即ち、この偏光器によって完全に消滅させる程に「完璧に」偏光されない。現行のＰＶＡ型偏光器は、単一波長においてのみ最適化されているのに対して、意図する用途、例えば、先に論じた用途に対する光源光２４は通例多色であるので、非効率性が存在する。更に、実像５２を斜めに目視すると、現行の１／４波長リターダの限界がわかる。何故なら、この種のリターダの性能は、視角に非常に依存するからである。

したがって、光学システム２０よりも輝度およびコントラストが高く、生産性に優れ、一方では、当該システムが勝るシステム・サイズや視野特性を保持または向上する、小型のメニスカス型実像投射機を得ることが望まれている。光学システムの画像特性を高めるための様々な改良を、ここに開示する。

一態様において、本発明は、光源からの光源光から実像を形成する光学システムを対象とする。光学システムは、光学システムを使用しているときに、実像を形成するように光源光の一部を収束する少なくとも１つの収束エレメントを備えている。広帯域反射／偏光器が、光学システムを使用しているときに少なくとも１つの収束エレメントと実像との間の光路内に位置し、光源と対向して位置する。

別の態様において、本発明は、光源からの光源光から実像を形成する光学システムを対象とする。光学システムは、第１帯域幅応答を有する１／４波長リターダを備えている直視光消光器を備えている。反射／偏光器が、光学システムを使用しているときに直視消光器と光源との間の光路に位置する。反射／偏光器は、１／４波長リターダの第１帯域幅応答と実質的に一致する第２帯域幅応答を有する。少なくとも１つの収束エレメントが、光学システムを使用しているときに実像を形成するように、光源光の一部を収束するように構成されている。

更に別の態様において、本発明は、光源からの光源光から実像を形成する光学システムを対象とする。光学システムは、当該光学システムを使用しているときに、光源と実像との間に位置する反射／偏光器を備えている。少なくとも１つの収束エレメントが、光学システムを使用しているときに、実像を形成するように、光源光の一部を収束する。光学システムを使用しているときに、反射／偏光器と実像との間に広視野膜が位置する。

本発明を例示する目的のため、図面は現時点において好適な本発明の形態を示す。しかしながら、本発明は、図面に示す通りの配置や手段に限定されるのではないことは当然理解されてしかるべきである。

本発明の目標は、図１と関連付けて背景の章において論じた米国特許第６，２６２，８４１号（光学システム２０）のように、広い視野を有する小型撮像システムを作成するために偏光および反射技法を用い、実像光学システムの指定外角度応答性および製造性を改良しつつ、空間内に投影する実像の輝度を高めることである。このような光学システムの撮像特性を高める様々な改良を開示する。総じて、３つの性能向上全てには基本的な前提があり、向上に応じて、偏光エレメント間の「連携」を高めること（即ち、帯域幅応答の向上または「一致」）、あるいは偏光エレメント内における吸収による損失の低下である。米国特許第６，２６２，８４１号は、ここで引用したことにより、本願にもその全体が含まれるものとし、以下では「ダイク特許」と呼ぶことにする。

図１の公知の光学システム２０は、ＤＢＥＦ４０のような、反射／偏光器を利用して、一方の向きの直線偏光を反射し、他方を透過させている。これら２つの偏光状態間で差別化する特徴は、２つの状態の存在に基づいて、一方の状態を消滅または吸収しつつ、他方の状態を透過させるようにした、光学システム２０のような偏光システムに用いるときには、非常に重要である。光学システムのＤＢＥＦベースの設計の欠点は、２倍になる。

最初に、ＤＢＥＦ４０は、直線偏光光線に作用する。光の２つの異なる偏光状態の生成は、反射によって円偏光光線の向きが切り替わるという特性によって可能となる。この反射は、図１のビームスプリッタ４８において発生し、その部分の光の向きを、ＤＢＥＦ４０上における反射、およびその後の隣接する第２直線偏光器６０の透過に相応しくする。第２直線偏光器６０の透過後、所望の実像５２として見ることができる。

同様に、光源光２４は、その偏光状態が所望の光の偏光状態と逆であるために、そうでなければ実像５２の形成に必要な「屈曲」光路に沿って進行せずに光学システム２０を介して直接目視可能であるが、消滅する。しかしながら、所望の光は、ＤＢＥＦ４０において必要な直線偏光光線とは、ビームスプリッタ４８において逆の反射および偏光が必要な円偏光光線に変換しなければならないので、非効率性が存在する。この変換は、ビームスプリッタ４８とＤＢＥＦ４０との間に位置する第１の１／４リターダ４４によって行われる。所望の光は、光学システム２０全体を通過するのに適した偏光状態を生成するためには、屈曲光路に沿って第１の１／４波長リターダ４４を３回通過する必要がある。製造中、または劣悪な環境条件に晒すことによって、第１の１／４波長リターダ４４の設計値（通常、１４０ｎｍ、即ち、可視光のスペクトルの中心波長である、５６０ｎｍの１／４）におけるいかなるズレも、このリターダを所望の光が多数回通過することによって増幅される。

この性能低下を生ずる第１の１／４波長リターダ４４における多数回の通過状況を回避するために、広帯域偏光機能と、一方の向きの円偏光光線を反射しつつ他方の向きの円偏光光線を透過させる特性とを有する反射／偏光器を利用した設計が望ましい。何故なら、凹形ビームスプリッタ４８に直接隣接して位置付けることができるからである。このような設計を図２に示す。これは、本発明のメニスカス型光学システム１００を示す。本発明の光学システム１００と、図１の公知のメニスカス型光学システム２０との間の差を強調する目的で、図２の光学システムは、図１の光学システムと共通のエレメントをいくつか有するように図示されている。しかしながら、以下で論ずるように、本発明の種々の特徴、および異なる他のエレメントを利用する他の実施形態も当然行うことができる。

図２を参照すると、ランダム偏光光線源光１０４が、光源１０８から出射および／または反射され、第１直線偏光器１１６および第１の１／４波長リターダ１２０、または第１の１／４波長板（ＱＷＰ）を備えている円偏光器１１２に入射し、円偏光光線が生ずる。次いで、第１の１／４波長リターダ１２０を通過した光は、広帯域反射／偏光器１２４に入射させられる。第１直線偏光器１１６および第１の１／４波長リターダ１２０は、相互に位置合わせされており、広帯域反射／偏光器１２４の透過に適した方位の光源光１０４の円偏光を生ずる。

円偏光光線は、凹形ビームスプリッタ１２８によって部分的に反射し、その偏光の向きは、この反射によって逆になる。反射部分が新たに図の右から左に進行すると、広帯域反射／偏光器１２４に入射させられ、ここから大きく反射する。何故なら、その向きは初期の透過光とは逆になっているからである。次いで、光は、左から右に進行し、ビームスプリッタ１２８を部分的に通過し、第２の１／４リターダ１３２によって直線偏光光線に変換され、次いで第２直線偏光器１３６を通過して、所望の実像１４０を形成する。第２の１／４波長リターダ１３３および第２の直線偏光器１３６の組み合わせは、直視光消光器１４２と見なすことができる。何故なら、これは、再度ビームスプリッタによって反射されずに、光源光１０４の、ビームスプリッタ１２８を透過した部分、即ち、「直視」光を実質的に消滅させるように作用するからである。オプションとして、第２直線偏光器１３６を通過した光を、実像１４０の指定外角度視認性を高めるために設けられる広視野膜１４４を通過させてもよい。

図１のＤＢＥＦに基づく光学システム２０におけると同様、光源１０８に向けて逆に反射されずに、ビームスプリッタ１２８を透過した偏光光源光１０４の初期部分は、その向きが、所望の反射光の向きとは逆であり、したがって、直視光消滅器１４２によって消滅させられる。本発明の重要な特徴は、（１）ＤＢＥＦ、例えば、図１のＤＢＥＦ４０の代わりに、広帯域反射／偏光器１２４を利用すること、（２）広視野膜１４４を含むこと、ならびに（３）第１および／第２の１／４波長リターダ１２０、１３２の周波数応答を広帯域反射／偏光器（または、広帯域反射／偏光器を利用しない場合には、ＤＢＥＦ）に一致させることを含む。このような１／４波長リターダは、色消しとするとよい。

広帯域反射／偏光器１２４は、キラル、またはコレステリック液晶（ＣＬＣ）材料で生産することができる。この種の液晶偏光器は、巨視的螺旋構造の軸が観察面に対して垂直であり、この種の偏光器の液晶内に巨視的螺旋構造を付与することができるため、想定している撮像用途には望ましい特性を有することができる。この種の偏光エレメントは、エレメントの厚さを横切って分散する可変螺旋ピッチを有するコレスティック構造を含み、これによって、とりわけ、図２の光学システム１００、および以下で説明する光学システムのような実像光学システムに組み込むのに適した広帯域応答を付与する。この種のＣＬＣ構造は、「傾斜ピッチ」ＣＬＣとして知られている。このような傾斜ピッチＣＬＣは、現在、カリフォルニア州SunnyvaleのChelix社が製造している。スイス国のRolic Technologies, Ltd.は、各々が異なる波長範囲の光に応答するように意図したピッチ特性を有する、液晶材料の個々に被着した層を利用した、同様の広帯域構成要素を有する。同様に、オランダ国、EindhovenのPhilip Researach社も、広帯域応答を得るために「変形」螺旋構造を用いた材料を開発している。

広帯域反射／偏光器ＣＬＣは、円偏光光線に直接作用し、通常ではＤＢＥＦ４０に隣接して必要な１／４波長リターダ４４（図１）を不要にするという直接的な利点に加えて、非吸収性が高く、ＤＢＥＦよりも高い全体的効率が可能である。この新たなＣＬＣは、円偏光光線の一方の向きに対して１００％に近い透過性、他方に対して９０％の反射性を有することができる。このため、広帯域反射／偏光器１２４は、「単体」で、全体的システム・スループットの約９０％に寄与する。対照的に、ＤＢＥＦの効率は、反射および透過の各々について７０％に近く、全体的なシステム・スループットに対する寄与は約４９％となる。加えて、現在のデータは、ＤＢＥＦで現在可能であるよりも高いコントラスト、または一層「明確な」偏光光線を実現する確率を維持する。ＣＬＣ偏光材料はポリマであり、直接基板（例えば、ガラス）に適用すると、優れた平面性、および積層によって隣接する非剛性偏光器に生ずる最終画像において歪みが出ないことを保証する。その結果、このような広帯域反射／偏光器を、一連の積層した偏光エレメントおよびガラスの外側に配置すれば、平面性が確保され、追加の基板や付随する製造上の複雑性が不要となる。

広帯域反射／偏光器１２４は、付随する偏光器が偏光の非効率および貧弱な最終画質の一因とならないように、ビームスプリッタ１２８に隣接して配置してもよい。これが特にこの場所において有意なのは、図１のＤＢＥＦに基づく光学システム２０における第１の１／４波長リターダ４４のような、他の任意の透過性エレメントがそこに配置されると、屈曲光路上に事実上３回現れるからである。

尚、ＣＬＣ偏光器は、不規則に偏光した入射光から、２つの向きの円偏光光線を構成するという特徴を有する。つまり、図２に示すよりも遥かに少ないエレメントでシステムの単純化を図るように、広帯域反射／偏光器２４をＣＬＣ偏光器とすると、第１直線偏光器１１６および第１の１／４波長リターダ１２０を除外することが可能となる。しかしながら、第１直線偏光器１１６および第１の１／４波長リターダ１２０を含めると、光源光１０４を一層明確に偏光し、コントラストを高めるように作用する。光学システム１００の他のエレメントの開発、および帯域幅応答に関して、利用する偏光器の全ての連携強化の実現により、第１直線偏光器１１６および第１の１／４波長リターダ１２０を除外できる結果となる。

広視野膜１１４の追加により、光学システムの指定外角度視認性およびコントラストを、図１の光学システム２０のような、従来の実像投射光学システムに比較して、向上させることができる。先に背景の章で論じたように、光学システム２０の偏光エレメントの複屈折が、角度依存光透過に至る。現在ＬＣＤ用に開発されている補償膜は、実像の品質を高ることを可能とし、したがって広視野膜１４４として用いるのに適している。加えて、Greenwood South CarolinaのFuji Photo Films, Inc.から入手できる広視野膜（wide-view-film(WVF)）およびRolic社の光整合ＬＣポリマ・フィルムのようなフィルムも、広視野膜１４４として用いるのに適している。尚、補償の用途において所望の効果を達成することができる多くの「広視野膜」または補償技術があることがわかっている。これらの技法の実施には、構成要素１１４、または異なる構成要素を前述の構成における他の、恐らくは多数の、場所に必要となると考えられる。広視野膜１４４を含ませる重要な意味は、その最終画像に対する機能および性能向上がシステムの種類、即ち、広帯域反射／偏光器に基づくか、またはＤＢＥＦに基づくかによって異なるということである。

ＤＢＥＦに基づく実像表示光学システムの現行世代に対する更に別の改良が、「一致する」第１および第２の１／４波長リターダ１２０、１３２の組み込みによって得られ、他の偏光エレメント（特に、本発明の広帯域反射／偏光器、または従来のＤＢＥＦに基づく光学システムのＤＢＥＦのいずれか）の広帯域応答と連携して一層有利となる。霞んだ画像の原因となる非効率性、およびブリード・スルー増大またはコントラスト低下の悪化が生ずるのは、異なる偏光エレメントが異なる波長に異なる効率で応答するときである。この種の欠点の主な発生源は、１／４波長リターダ、例えば、図１の光学システム２０の第１および第２の１／４波長リターダ４４、５６であり、これらの設計波長は、単純に可視スペクトル内、即ち、５６０ｎｍを中心としている。このため、このような１／４波長リターダは、５６０ｎｍよりも高い波長および低い波長において効率が低下する。これらの非効率性は、主に、特に傾斜視角において、最終画像におけるブリード・スルーの増加（またはコントラストの低下）となって現れる。

ある材料は優れた性能を有し、１／４波長リターダ、例えば、図１の第１および第２の１／４波長リターダ４４、５６、ならびに図２の第１および第２の１／４波長リターダ１２０、１３２に用いれば、対応する光学システム、例えば、光学システム２０、１００それぞれの全体的画質を向上させることができる。Rolic社が生産するような色消し１／４波長リターダは、光整合することができる、積層構成の液晶ポリマ（ＬＣＰ）から成り、特に指定外角度視認特性に関して、卓越した性能を発揮することが分かっている。この１／４波長リターダの帯域幅応答は、ＤＢＥＦまたは広帯域反射／偏光器、ならびに効率向上および卓越した画像を可能にする種類の光源（例えば、ＬＣＤ）の帯域幅特性に合わせることもできる。

図３は、本発明の別のメニスカス型光学システム２００を示す。光学システム２００は、偏光エレメント、例えば、図２の広帯域反射／偏光器１３５の性能は、視角に依存するという認識で設計されている。前述のように、このような依存性の結果、実像１４０を斜めに見ると、コントラストの損失、および色ずれが生ずる可能性がある。したがって、目視位置が軸上の垂直位置の左または右に移動する際、広帯域反射／偏光器の表面が目視者に対してほぼ垂直となるように、光学システムにおいて広帯域反射偏光器を配すると、有利であると考えられる。図２の光学システム１００に関して、この目標は、平面広帯域反射／偏光器１２４および凹型ビームスプリッタ１２８の機能を、図３に示すように、逆にすることによって達成することができ、その場合、光学システム２００は、平面ビームスプリッタ２０４、および凹形広帯域反射／偏光器２０８を内蔵する。この修正の結果、光学システム２００内における異なる偏光状態の使用に関して、同一の光学機構が得られ、高い周囲反射減衰および光源光の直接目視の排除が達成する。

図２および図３の光学システム１００、２００それぞれのように、本発明のメニスカス型光学システムでは、各々、即ち、図２の凹形ビームスプリッタ１２８および平面広帯域反射／偏光器１２４、ならびに図３の平面ビームスプリッタ２０４および凹形広帯域反射／偏光器２０８を、１対の対向する円筒エレメント、例えば、互いに直交する曲率軸３０８、３１２を有する、図４の円筒エレメント３００、３０４と置き換えてもよい。対応する球面エレメントの代わりに対向する円筒エレメント３００、３０４の特性およびその理由は、Hinesの米国特許第４，６５３，８７５号において論じられている。その内容は、その全体が本願にも含まれるものとする。このような構成では、一方の円筒エレメント、例えば、凹状エレメント３００に従来のビームスプリッタ・コーティングを被覆し、他方の円筒状エレメント、例えば、円筒状エレメント３０４は広帯域反射／偏光エレメントを備えているとよい。

この設計には、２つの利点がある。第１に、円筒状広帯域反射／偏光器３０４は、その曲率軸３１２を最良の視角性能を達成するために配位するように位置付けることができる。第２に、２つの円筒エレメント３００、３０４は、薄い可撓性複合体とすることができ、Hinesの特許に記載されているように、フレームの周囲で積層対を折り曲げることによって、所望の曲率を得ることができるので、潜在的な製造上の改良がある。これによって、図２および図３の比較的高価なメニスカス・エレメント、即ち、凹形ビームスプリッタ１２８（図２）および凹形広帯域反射／偏光器２０８（図３）が不要となる。

図５は、本発明の光学システム４００の別の実施形態を示す。光学システム４００は、図２および図３の光学システム１００、２００とは異なっているが、それは、平面ビームスプリッタ４０４および平面広帯域反射／偏光器４０８を、これらのエレメントの湾曲したものの一方または他方（図４に関して論じた変形では双方）を有する代わりに利用していることである。その結果、実像４１２を表示するのに必要な収束パワーは、図５に示したように配置することができるレンズ４１６のような１つ以上のレンズにより提供される。尚、レンズ４１６は、ビームスプリッタ４０４と広帯域反射／偏光器４０８との間というような、別の場所に配置してもよいことは、当業者には容易に認められよう。また、前述のレンズと、追加のレンズまたは凹状反射エレメントとの組み合わせを用いて画像４１２を得ることも明白である。システムに可能な他の変形には、Dike特許の図４から図６に示す光学システムと同様の変形が含まれる。

レンズ４１６を光学システム４００内のどこに位置付けるかには関係なく、これらのエレメント、即ち、第１および第２直線偏光器４２０、４２４ならびに第１および第２の１／４リターダ４２８、４３２の配置、更には光路に沿った光の偏光状態は、図２および図３と関連付けて既に説明した、対応するエレメントの配置および偏光状態と同一とすればよい。唯一の相違は、実像４１２を形成する収束を達成するために、１つ以上の凹状エレメントの代わりに、１つ以上のレンズ４１６を使用したことである。レンズ４１６を光学システム４００の光源側または目視人側のいずれかに位置付けた実施形態では、光路の画像または光源側（実像構成光学システムにおける）が反射ビームスプリッタ、例えば、ビームスプリッタ４０４、および広帯域反射／偏光器、例えば、広帯域反射／偏光器４０８の間における所望の光の反射および再反射によって、事実上３回屈曲されるので、単純な光源／レンズ・システムを上回る性能の向上が得られる。この結果、屈曲した光路を内蔵したデバイスは、単純な光源／レンズ画像システムを内蔵し、このように光路が圧縮（屈曲）されていないデバイスよりも一層小型にすることができる。同様に、レンズ４１６がビームスプリッタ４０４と広帯域反射／偏光器４０８との間に配置された場合、それと同様の屈曲した光路の利点が得られる一方で、そのレンズの光学的パワーは、そのレンズを通る多数の経路によって増幅される。このようなレンズに基づく変形では、反射エレメント、即ち、ビームスプリッタ４０４および広帯域反射／偏光器４０８が平坦であり、一方追加のレンズ４０６は従来のまたはフレネル設計とすることができるので、製造コストを削減することができる。

図６は、本発明の光学システム５００の一実施形態を示し、浮遊実像５０４と、この浮遊画像の背後に見ることができる１つ以上の背景画像５０８、５１２を生成することができる。概して、光学システム５００は、光源を目視軸から外して配置することにより、更に交差偏光器構造によって、主光源５２０からの光源光５１６の直接目視を排除するように構成されている。不規則な偏光の光源光５１６は、円偏光器５２４、例えば、直線偏光器／１／４波長リターダの組み合わせによって、円偏光となる。この円偏光は、斜めに配置された広帯域反射／偏光器５３２によって、凹状エレメント５２８に向かって反射する。広帯域反射／偏光器５３２は、光源の最大反射および最大透過が達成されるように配位されている。現在左に向かって（図６に関して）進行している円偏光光線は、次に、凹状エレメント５２８に入射し、ここで円偏光の向きが反射によって逆転する。凹状エレメント５２８は、浮遊実像５０４を究極的に形成する収束を付与する。右に向かって進行する光は、ここでは、広帯域反射／偏光器５３２の透過に適した向きとなっており、透過後、目視者５３６に見ることができる浮遊実像５０４を形成する。

実像または浮遊像は、従来同様、容易に入手可能なビームスプリットおよび凹状反射エレメントを、図６に示す構成と同様の構成に配することによって作成することができる。しかしながら、このようなエレメントは、光の偏光に関しては、無差別であり、したがって斜めに配置したビームスプリッタにおいて大きな損失を有する。そのシステム全体のスループットに対する単体の寄与は、せいぜい２５％（５０％反射、続いて残りの光部分の５０％透過）である可能性がある。この状況は、Dike特許の図９に開示されているようなＤＢＥＦに基づく設計を実施することによって改善することができる。この場合、凹状エレメントの前に、１／４波長リターダ（Dike特許の図９ではエレメント３０）が必要となる。図６の光学システム５００、特に広帯域反射／偏光器５３２の実施態様は、ＤＢＥＦに基づく設計に対して少なくとも１つの積層偏光エレメントを不要としつつ、追加の効率向上をもたらす。

以前の設計において利用されていた従来の非偏光エレメントは、目視環境からの周囲光源を凹状エレメントから反射させることによって、所望の画像と共に、共存する(competing)光源像を生ずるという欠点もある。このような周囲の反射による低コントラストのために、画像が見え難くなる結果を招く。この周囲反射という問題に関して、本発明の光学システム５００の広帯域反射／偏光器に基づく設計では、最初に入来周囲光５４０を円偏光し、次いでその偏光の向きを、凹状エレメント５２８からの反射時に逆転させる。この「戻り」光は、広帯域反射／偏光器５３２における反射に適した偏光状態となっており、広帯域反射／偏光器５３２はこの戻り光を目視人５３６から離れるように向け直し、浮遊画像５０４が、共存しコントラストを低下させる周囲光の反射を伴わずに、見ることができるようにする。この機構は、明るい周囲条件において用いられる従来のビデオ・ディスプレイに利用可能な従来の円偏光アンチグレア・フィルタと同様である（航空機のコックピット・ディスプレイは、一般的な用途である）。これらのフィルタは、最初に、周囲光を円偏光とし、ディスプレイ自体の表面での反射の際に向きを逆転させ、次いでシステムから出射するときにこの光を吸収する。光学システム５００に対する相違は、これらのフィルタが、交差偏光器の場合のように、周囲光を吸収するが、光学システム５００の広帯域反射／偏光器に基づく設計の周囲光制御機構は、単に周囲光を目視者５３６から遠ざけるように反射することにある。

加えて、非偏光エレメントを用いる従来の光学システムでは、目視者は、システムを内蔵するデバイスに向かって覗き込むことによって、画像源を直接見ることができ、画像源は、透過ビームスプリッタを通じて容易に見ることができる。しかしながら、図６の光学システム５００では、丁度前述のように主光源５２０を直接見ようとするときに、偏光エレメントを用いて既存光を大幅に排除することが可能である。光学システム５００では、広帯域反射／偏光器５３２は、円偏光器５２４と組み合わせて、交差偏光器を使用する状況において機能し、光源５００から出射するはずであった光源５１６を消光し（更に正確には、目視者５３６から遠ざかるように方向を変える）、システムの外側から見えるようにする。

光学システム５００の広帯域反射／偏光器に基づく設計の付加的な利点は、従来の非偏光設計と比較することによって示すことができる。非偏光設計の周囲反射および直接後援光双方の視認性阻害は、部分的に、ビームスプリッタ／凹状反射器の組み合わせの外形形状を変化させることによって補正することができる。このような変化は、凹状エレメント５２８を下方に傾けることによって、目視軸よりも下に周囲反射の方向を変えるように行うことができる。これは、垂直光源光軸を反時計方向に回転させ（従来のシステムを、図６の光学システム５００と同様に、目視者が右側に来るように配位する場合）、主画像源をディスプレイの「前方」に近づくように移動させることによって、下に向かってディスプレイを覗き込むときに、光源が一層見難くなるようにするという、付加的な利点がある。しかしながら、この設計の欠点は、ビームスプリッタ／凹状反射器の組み合わせの外形形状変化による光源に対する凹状撮像エレメントの軸外れの性質により、光学的欠陥の中でもとりわけ、画像が幾何学的に乱れ、垂直対称性が非常に低くなることである。これらの歪みは、システムの右または左から見るときに、大きく増幅される。光学システム５００の広帯域反射／偏光器に基づく設計では、設計者が撮像光学部品、即ち、凹状エレメント５２８の軸上配置を維持することができ、光源の照明が構成する画像は、対称的で比較的歪みがないことが可能となる。

凹状エレメント５２８は、全反射エレメントまたは部分反射ビームスプリット・エレメントのいずれでも可能である。後者の場合、凹状エレメント５２８の部分的透過性により、凹状（ビームスプリット）エレメント５２８および広帯域反射／偏光器５３２を介して直接見ることができるように、背景光源５４４を配置することが可能となる。追加の背景画像５０８は、広帯域反射／偏光器５４２の上方に追加の背景光源５４８を配置し、この追加の光源から反射した画像が浮遊実像５０４の背後に現れるようにすることによって形成することができる。この変形の結果、第１または第２背景画像５０８、５１２のいずれかが、光学システム５００の「後方」において見ることができるようになる。背景光源５４４または背景光源５４８のいずれかの配置変更により、背景画像５０８、５１２の浮遊実像５０４に対する位置を変化させることができる。凹状エレメント５２８の焦点距離は、光学システム５００の前方ある距離に実像５０４が浮遊して現れるように作成するのに適するようにすることができ、あるいはフライト・シミュレータにおけるように無限遠において、またはある中間有限距離に現れる虚像を作成するように、焦点距離を長くすることも可能である。

以上、ある好適な実施形態と関連付けて本発明について説明したが、これに限定されるのではないことは理解されよう。逆に、先の説明および添付した特許請求の範囲において定めた本発明の精神および範囲内に含まれ得る全ての代替物、修正物、および均等物を包含するものである。

図１は、既存のＤＢＥＦに基づくメニスカス型実像光学システムの模式図である。 図２は、本発明のメニスカス型実像光学システムの模式図である。 図３は、本発明の別のメニスカス型実像光学システムの模式図である。 図４は、これらのシステムの各々に用いることができる、図２および図３の光学システムの反射エレメントに類似する円筒の模式図である。 図５は、本発明のレンズ型実像光学システムの模式図である。 図６は、１つ以上の副画像を主画像と共に形成するための１つ以上の副光源を有する本発明の実像光学システムの模式図である。

Claims (4)

1. 空間中に浮遊する実像を形成する方法であって、
   像源からの光を、光軸に沿って第１の方向において受け、
   前記光を偏光して、前記光軸に沿った、第１の向きを有する円偏光光を作り、
   前記円偏光光の第１の部分を広帯域反射／偏光器とビームスプリッタとの間で２回、前記光軸に沿って跳ね返らせることによって、前記円偏光光の前記第１部分が、前記第１の向きと逆の第２の向きを有するようにし、かつ前記第１の方向に前記光軸に沿って向くようにし、前記ビームスプリッタは、前記円偏光光の前記第１部分を前記第１の向きと逆の前記第２の向きを有するようにし、前記広帯域反射／偏光器は、広帯域偏光機能と、前記第１の向きの円偏光光を透過させ前記第２の向きの円偏光光を反射する特性とを有し、
   前記広帯域反射／偏光器及び前記ビームスプリッタから前記光軸に沿って前記第１の方向に向かう前記円偏光光の前記第１部分を、前記光軸に沿った直線偏光光に変換し、
   前記円偏光光のうちの前記第１部分以外の第２の部分に、前記広帯域反射器／偏光器および前記ビームスプリッタを前記光軸に沿って通過させて、前記円偏光光の前記第２の部分が前記第１の向きを保持するようにし、
   前記円偏光光の前記第１部分を通過させるとともに、前記円偏光光の前記第２部分の前記の通過の後に前記円偏光光の前記第２部分を前記光軸に沿って消光し、
   前記円偏光光の前記第１部分を前記光軸に沿って空間中のある位置に収束エレメントによって収束させて、前記位置に浮遊する実像を形成し、前記収束エレメントは、前記ビームスプリッタ、前記広帯域反射／偏光器、前記ビームスプリッタおよび前記広帯域反射／偏光器の組み合わせ、または屈折レンズである、
   方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記円偏光光の前記第１部分を収束エレメントによって収束させることは、前記円偏光光の前記第１部分を前記光軸に沿って前記第１方向において収束させることを含む、方法。
3. 請求項１記載の方法において、像源から前記光を受けることは、３Ｄ像から前記光を受けることを含み、前記円偏光光の前記第１部分を収束させることは、前記円偏光光の前記第１部分を収束させて浮遊する３Ｄ実像を形成することを含む、方法。
4. 源像の実像を自由空間中に投影する投影光学系であって、前記源像がランダムに偏光された光を介して供給され、前記投影光学系が、
   該投影光学系が前記源像に対し作用関係にあるときに前記源像を通して延在する光軸と、
   前記光軸に沿って位置し、前記ランダムに偏光された光を偏光させて、第１の向きを有する円偏光光を作る円偏光器と、
   前記光軸に沿って位置した経路屈曲光学系であって、該経路屈曲光学系が、
   前記光軸に沿って第１の方向において前記円偏光光を受け、
   前記円偏光光の第１の部分の前記第１の向きを逆転させて第２の向きにし、
   前記円偏光光の前記第１の部分以外の第２の部分を前記光軸に沿って直視光として通し、
   前記第２の向きの円偏光光を前記第１方向に前記光軸に沿って出力する、
   ように構成され、前記の経路屈曲光学系がビームスプリッタと広帯域反射器／偏光器を含み、前記ビームスプリッタは、前記円偏光光の前記第１部分を前記第１の向きと逆の前記第２の向きを有するようにし、前記広帯域反射／偏光器は、広帯域偏光機能と、前記第１の向きの円偏光光を透過させ前記第２の向きの円偏光光を反射する特性とを有し、前記経路屈曲光学系は、前記円偏光光の前記第１部分を、前記ビームスプリッタと前記広帯域反射器／偏光器との間で２回、前記光軸に沿って跳ね返らせることによって、前記第２の向きの円偏光光を前記第１方向に前記光軸に沿って向けさせる、前記の経路屈曲光学系と、
   前記光軸に沿って位置し、前記直視光を消光し、前記第２の向きの円偏光光を前記光軸に沿って前記第１方向に通す直視光消光器と、
   前記円偏光光の前記第１部分を収束させて、前記光軸に沿って前記第１方向において浮遊する実像を形成する収束エレメントであって、該収束エレメントが、前記ビームスプリッタ、前記広帯域反射／偏光器、前記ビームスプリッタおよび前記広帯域反射／偏光器の組み合わせ、または屈折レンズである、収束エレメントと、
   を備えた投影光学系。

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