JP7138051B2 - ディスプレイシステム及びライトガイド - Google Patents

Description

光学システムは、ディスプレイパネルと、ディスプレイパネルからの光を受けこの光を見る人の目に導くレンズシステムとを含むことができる。

本明細書のいくつかの態様では、画像を形成するためのイメージャと、イメージャによって形成された画像を投影するための投影レンズシステムと、を含むディスプレイシステムが提供される。イメージャは、間隔を空けた複数の個別のピクセルを備える。複数のピクセル中の各ピクセルに関して、イメージャは、イメージャにおけるピクセルの位置とともに変化する方向を有する中心光線を有する光錐を放射するように構成されている。該変化は、投影レンズシステムを通して投影された画像の明るさを少なくとも３０パーセント高める。

本明細書のいくつかの態様では、光軸に中心を合わせた１つ以上のレンズを有する投影レンズシステムと、ライトガイドと、空間光変調器と、を含むディスプレイシステムが提供される。ライトガイドは、光を受けるように適合された光挿入部、光挿入部から光を受けるように配設された光搬送部、及び、光搬送部から光を受けるように配設された光取出部、を含む。光取出部は、光取出部の出力表面上の位置とともに変化する光軸に対する角度を有する、光出力中心光線方向を提供するように構成されている。光取出部は、光挿入部から光軸に沿って分離されて光取出部と光挿入部との間に空間を形成している。空間光変調器は光取出部と光学的に連絡しており、ライトガイドは、光取出部が光挿入部に対面するように折り返されている。

本明細書のいくつかの態様では、１つ以上のレンズを有しかつ光学的にアクティブな最大横方向寸法を有する、投影レンズシステムと、光学的にアクティブな最大横方向寸法を有するイメージャと、ライトガイドと、を含むディスプレイシステムが提供される。イメージャによって形成された画像が、投影レンズシステムによって投影される。ライトガイドは、光源から光を受け、投影レンズシステムとイメージャとの間に配設された光取出部を含む。光取出部は、受けた光を取り出しイメージャに向けて導くための、間隔を空けた複数の個別の光取出フィーチャを含む。投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大横方向寸法の８０パーセント以下である。

本明細書のいくつかの態様では、光を受けるように適合された光挿入部と、光挿入部から第１の折り返し部を通して光を受けるように配設された光搬送部と、光搬送部から第２の折り返し部を通して光を受けるように配設された光取出部と、を含むライトガイドが提供される。光取出部は、光挿入部から間隔を空けられて光挿入部に対面している。

本明細書のいくつかの態様では、光を受けるように適合された光挿入部と、光挿入部から光を受けるように配設された光搬送部と、光搬送部から光を受けるように配設された光取出部と、を含むライトガイドが提供される。光挿入部が受けた光は、主として第１の方向に沿って伝播する。光搬送部は第１のセグメントを有し、光搬送部が受けた光は第１のセグメント内で主として第２の方向に沿って伝播する。光取出部が受けた光は、主として第３の方向に沿って伝播する。第１の方向と第２の方向との間の第１の夾角は少なくとも１４０度であり、第１の方向と第３の方向との間の第２の夾角は４０度未満である。

本明細書のいくつかの態様では、投影レンズシステムとライトガイドとを含むディスプレイシステムが提供される。ライトガイドは、光を受けるように適合された光挿入部と、光挿入部から光を受けるように配設された光取出部と、を含む。光挿入部が受けた光は、主として第１の方向に沿って伝播する。光取出部が受けた光は、主として第２の方向に沿って伝播する。第１の方向と第２の方向との間の夾角は、少なくとも１２０度である。光取出部は、光取出部から投影レンズシステムに向けて光を取り出すように適合された、複数の光取出フィーチャを含む。

光学システムの断面図である。 ディスプレイの断面図である。 ディスプレイの断面図である。 光学システムの断面図である。 基準発光システムにおいてピクセルから出力される光の断面図である。 発光システムにおいてピクセルから出力される光の断面図である。 光学システムの断面図である。 光学システムの断面図である。 光学システムの断面図である。 発光システムの概略断面図である。 発光システムの概略断面図である。 発光システムの概略断面図である。 光方向転換層の断面図である。 発光システムの断面図である。 光方向転換要素を含むピクセルの断面図である。 光方向転換要素を含むピクセルの断面図である。 発光システムの概略断面図である。 発光システムの概略断面図である。 発光システムの概略断面図である。 発光システムの概略断面図である。 光学システムの断面図である。 それぞれ、ディスプレイシステムの断面図及び斜視図である。 それぞれ、ディスプレイシステムの断面図及び斜視図である。 発光システムの断面図である。 発光システムの断面図である。 発光システムの断面図である。 発光システムの断面図である。 発光システムの断面図である。 発光システムの断面図である。 レンズシステムの断面図である。 発光システムの断面図である。 ヘッドマウントディスプレイの概略上面図である。 ライトガイドの概略断面図である。 ライトガイドの概略断面図である。 ライトガイドの概略断面図である。 ２つの方向の間の夾角を概略的に表した図である。

ディスプレイシステムは、ディスプレイパネルと、ディスプレイパネルから光を受けこの光の少なくとも一部にディスプレイシステムの射出瞳を通過させるレンズシステムと、を含むことができる。レンズシステムは、反射偏光子と、反射偏光子の隣に間隔を空けて配された部分反射体と、反射偏光子と部分反射体との間に配設された四分の一波リターダと、を含んでもよい。部分反射体は、ディスプレイパネルから受けた光の少なくとも一部に、反射偏光子及び射出瞳を通過させる。かかるディスプレイシステムは、例えば、仮想現実ディスプレイなどのヘッドマウントディスプレイ内で使用できるコンパクトなシステムにおいて、広い視野を提供できる。２０１５年９月３日に出願された、本明細書と矛盾しない範囲で参照によって本明細書に組み込まれる、同時係属中の米国仮特許出願第６２／２１４，０４９号に、有用なディスプレイシステムが記述されている。

本明細書によれば、光出力の方向又は光出力のコリメーションの程度の一方又は両方が好適に変更されるようにディスプレイパネルの光出力を変更することによって、ディスプレイパネルが放射する光が射出瞳を通過する割合が、従来のディスプレイシステムと比較して実質的に増加することが見出されている。本明細書の他の箇所で更に記載するように、このことは、ディスプレイパネルと部分反射体との間に光方向転換層を含めることによって（例えば、ディスプレイパネルの表面上に直接、光方向転換層を含めることによって）、又は、ディスプレイパネルを照射するのに使用されるバックライトを修正することによって、達成され得る。

図１は、発光システム１３２とレンズシステム１１９と射出瞳１３５とを含む、光学システム１００の概略断面図である。発光システム１３２は、レンズシステム１１９が効率的に利用することのできる光出力を提供するように適合されている。発光システム１３２は、光方向転換層及び／又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライトを含んでもよい。本明細書の他の箇所で、好適な発光システムについて更に記述する。発光システム１３２などの発光システムはピクセル式であってもよく、ピクセル式システム又はピクセル式ディスプレイと呼ばれる場合がある。光学システム１００は、例えばヘッドマウントディスプレイにおいて利用可能なディスプレイシステムであってもよい。

レンズシステム１１９は、発光システム１３２と射出瞳１３５との間に配設された第１の光学積層体１１０を含み、第２の光学積層体１２０は、第１の光学積層体１１０と射出瞳１３５との間に配設されている。第１の光学積層体１１０及び／又は第２の光学積層体１２０は、実質的に平坦であってもよく、又は、１つ以上の軸線周りに湾曲していてもよい。一部の実施形態では、第１の光学積層体１１０及び第２の光学積層体１２０の各々は、直交する第１の軸線及び第２の軸線に沿って、発光システム１３２に向かって凸状である。図１では、ｘｙｚ座標系が設定されている。直交する第１の軸線及び第２の軸線はそれぞれ、ｘ軸及びｙ軸であってもよい。

第１の光学積層体１１０は、互いに反対側にある第１主表面１１４及び第２主表面１１６を有する、第１の光学レンズ１１２を含む。第１の光学積層体１１０は、第１主表面１１４上に配設された部分反射体１１７を含む。部分反射体１１７は所望の又は所定の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有し、これらの所望の又は所定の複数の波長において少なくとも３０％の平均光透過率を有してもよく、これらの波長は本明細書の他の箇所で記述する波長範囲のいずれであってもよい。一部の実施形態では、部分反射体１１７は、所望の又は所定の複数の波長において少なくとも４０％の平均光反射率、及び、これらの所望の又は所定の複数の波長において少なくとも４０％の平均光透過率を有する。

第２の光学積層体は、第１主表面１２４及び第２主表面１２６を有する、第２の光学レンズ１２２を含む。第２の光学積層体１２０は、第２主表面１２６上に配設された、反射偏光子１２７を含み、かつ、その反射偏光子１２７上に配設された、四分の一波リターダ１２５を含む。四分の一波リターダ１２５は、反射偏光子１２７上に積層されたフィルムであってもよく、又は、反射偏光子１２７に適用されたコーティングであってもよい。光学システム１００は、１つ以上の追加的なリターダを含んでもよい。例えば、第２の四分の一波リターダを第１の光学積層体１１０内に含めてもよく、第２の主表面１１６上に配設してもよい。光学システム１００内に含まれる、第１の四分の一波リターダ１２５及び任意の追加的な四分の一波リターダは、少なくとも１つの所定の又は所望の複数の波長のうちの少なくとも１つの波長での、四分の一波リターダであってもよい。第２の光学積層体１２０は、別法として、第２のレンズ１２２と、その第２のレンズ１２２上に配設された反射偏光子１２７とを含むものとして説明することができ、第１の四分の一波リターダ１２５は、第２の光学積層体１２０内に含まれているのではなく、第２の光学積層体１２０上に配設されている、別個の層又はコーティングと見なすことができる。この場合、第１の四分の一波リターダ１２５は、第１の光学積層体１１０と第２の光学積層体１２０との間に配設されているものとして説明することができる。一部の実施形態では、第１の四分の一波リターダ１２５は、第２の光学積層体１２０には取り付けられない場合があり、一部の実施形態では、第１の四分の一波リターダ１２５は、第１の光学積層体１１０と第２の光学積層体１２０との間に配設され、それらの光学積層体から間隔を空けて配設されている。更に他の実施形態では、第１の四分の一波リターダ１２５は、部分反射体１１７上に配設することができ、第１の光学積層体１１０内に含まれているものとして説明することができ、又は、第１の光学積層体１１０と第２の光学積層体１２０との間に配設されているものとして説明することもできる。

第１のレンズ１１２及び第２のレンズ１２２の一方又は両方が、屈折レンズであってもよい。屈折レンズは、通過時に所望の屈折力を提供する光学レンズである。一部の実施形態では、第１のレンズ１１２及び第２のレンズ１２２の一方又は両方は、通過時の屈折力が低いか又は実質的にゼロであってもよく、反射時にはレンズの形状に起因する屈折力を提供してもよい。互いの隣に間隔を空けて配された反射偏光子及び部分反射体を含む光学システムは、かかるシステムが図１Ａに図示されているような折り返された光経路を提供したので、折り返し光学システム（folded optical system）と呼ばれる場合がある。かかる折り返された光経路は提供しないが屈折レンズを含む光学システムは、屈折光学システムとして記述される場合がある。

光線１３７及び１３８は各々、発光システム１３２を出て射出瞳１３５を通過する。光線１３８は、折り返された光軸１４０を光学システム１００に関して画定する光経路を有する中心光線であってもよく、光学システム１００は折り返された光軸１４０に中心を合わせられていてもよい。

発光システム１３２は、例えば、液晶ディスプレイ（liquid crystal display、ＬＣＤ）パネル、及び有機発光ダイオード（organic light emitting diode、ＯＬＥＤ）ディスプレイパネルを含む、任意の好適な種類のディスプレイパネルを含んでもよい。ディスプレイパネルは、例えば、図１Ａに図示するように、実質的に平坦若しくは平面状であってもよく、又は、図１Ｂに図示するように、湾曲していてもよく、又は、図１Ｃに図示するように、互いに対して鈍角に配設された、複数の平坦な若しくは平面状のパネルを含んでもよい。図１Ｂは、少なくとも１つの軸線周りに湾曲していてもよく光学システムのレンズに向かって凹状であってもよいディスプレイパネル１３０ｂを含む、発光システム１３２ｂの概略断面図である（例えば、ディスプレイパネル１３０ｂは、レンズ１１２及び１２２に向かって湾曲していてもよい）。ディスプレイパネル１３０ｂは、１つの次元で湾曲していてもよく（単純曲面）、又は２つの次元で湾曲していてもよい（複合曲面）。例えば、ディスプレイパネル１３０ｂは、直交するｘ方向及びｙ方向の一方若しくは双方で、湾曲していてもよい。２つの次元で湾曲しているディスプレイパネルは、２つの異なる曲率半径を有し得る（例えば、ｘ方向での曲率とｙ方向での曲率とは異なり得る。かかるディスプレイはトロイダル型と呼ばれる場合がある）。図１Ｃは、実質的に平面状のパネル１３０ｃ－１、１３０ｃ－２、及び１３０ｃ－３を含む、発光システム１３２ｃの概略断面図である。パネル１３０ｃ－１及びパネル１３０ｃ－２は、互いに対して鈍角θ１で配設されており、パネル１３０ｃ－２及びパネル１３０ｃ－３は、互いに対して鈍角θ２で配設されている。パネル１３０ｃ－１、パネル１３０ｃ－２、及びパネル１３０ｃ－３は、光学システムのレンズに対面するように配設されている（例えば、パネル１３０ｃ－１、パネル１３０ｃ－２、及びパネル１３０ｃ－３は、レンズ１１２及びレンズ１２２の方に面していてもよい）。ディスプレイパネル１３０ｂ及び１３０ｃのいずれかを、図１Ａの発光システム１３２において使用してもよく、本明細書の他の箇所で記述する他の光学システムにおいて使用してもよい。

再び図１Ａを参照すると、光線１３７は（及び、同様に光線１３８に関して）、順に、発光システム１３２から放射され、第２主表面１１６（及び、その上の任意のコーティング又は層）を通過し、第１の光学レンズ１１２を通過し、部分反射体１１７を通過し、反射偏光子１２７上に配設された四分の一波リターダ１２５を通過し、反射偏光子１２７で反射し、四分の一波リターダ１２５を通過して戻され、部分反射体１１７で反射し、四分の一波リターダ１２５を通過し、反射偏光子１２７を通過し、第２のレンズ１２２を通過し、射出瞳１３５を通過する。光線１３７は、四分の一波リターダ１２５を通過する際に第１の偏光状態へと回転される偏光状態を有して、発光システム１３２から放射されてもよい。発光システム１３２は、所望の偏光状態を提供するための偏光調整要素を含んでもよい。所望の偏光状態の光を放射する発光システムは、高コントラストの画像をもたらす。第１の偏光状態は、反射偏光子１２７に関する遮断状態であってもよい。光線１３７が、第１の四分の一波リターダ１２５を通過し、部分反射体１１７で反射され、四分の一波リターダ１２５を通過して戻った後では、その偏光状態は、第１の偏光状態に実質的に直交する、第２の偏光状態である。光線１３７は、したがって、最初に反射偏光子１２７に入射するときは、反射偏光子１２７で反射することができ、２回目に反射偏光子１２７に入射するときは、反射偏光子１２７を通過することができる。

他の光線（図示せず）は、マイナスｚ方向で部分反射体１１７に入射するときに、部分反射体１１７で反射するか、又は、プラスｚ方向で部分反射体１１７に入射するときに、部分反射体１１７を通過する。これらの光線は、光学システム１００から出てもよい。

一部の実施形態では、発光システム１３２から放射され射出瞳１３５を通過する実質上いずれの主光線も、その主光線が第１の光学積層体１１０又は第２の光学積層体１２０に最初に入射するときは、又はそのように入射するときは毎回、約３０度未満、約２５度未満、又は約２０度未満の入射角で、第１の光学積層体１１０及び第２の光学積層体１２０の各々に入射する。本明細書の光学システムのいずれかにおいて、発光システム１３２が放射し射出瞳１３４を通過する実質上いずれの主光線も、その主光線が反射偏光子又は部分反射体に最初に入射するときは、又はそのように入射するときは毎回、約３０度未満、約２５度未満、又は約２０度未満の入射角で、反射偏光子及び部分反射体の各々に入射する。発光システムが放射し射出瞳を通過する全ての主光線の大部分（例えば、約９０パーセント以上、又は約９５パーセント以上、又は約９８パーセント以上）が、ある条件を満たしている場合、実質的にいずれの主光線も、その条件を満たしていると言うことができる。

発光システム１３２が放射した光が反射偏光子１２７に最初に入射するとき、様々な要因により、光が反射偏光子１２７を部分的に通過する可能性がある。このことは、射出瞳１３５での、望まれないゴースト発生又は画像の不鮮明化を引き起こす恐れがある。これらの要因としては、様々な偏光構成要素の成形中の性能低下、及び光学システム１００内での望まれない複屈折を挙げることができる。これらの要因の影響が組み合わされることにより、光学システム１００のコントラスト比及び効率が低下する恐れがある。コントラスト比に対するこれらの要因の影響は、２０１５年９月３日に出願され既に参照によって本明細書に組み込まれている同時係属中の米国仮特許出願第６２／２１４，０４９号により詳細に記述されている。かかる要因は、例えば、レンズ内での望まれない複屈折を低減することが可能な、比較的薄い光学レンズを使用すること、及び、例えば、光学フィルムの熱成形に起因する光学的アーチファクトを低減することが可能な、薄い光学フィルムを使用することによって、最小限に抑えることができる。一部の実施形態では、第１の光学レンズ１１２及び第２の光学レンズ１２２は各々、７ｍｍ未満、５ｍｍ未満、又は３ｍｍ未満の厚さを有し、例えば、１ｍｍ～５ｍｍ、又は１ｍｍ～７ｍｍの範囲の厚さを有し得る。一部の実施形態では、反射偏光子１２７は、７５マイクロメートル未満、５０マイクロメートル未満、又は３０マイクロメートル未満の厚さを有し得る。一部の実施形態では、射出瞳１３５でのコントラスト比は、光学システム１００の視野にわたって、少なくとも４０、又は少なくとも５０、又は少なくとも６０、又は少なくとも８０、又は少なくとも１００、又は少なくとも１５０、又は少なくとも２００、又は少なくとも３００である。

フィルムは、フィルムを所望の形状に変形又は延伸させる任意の成形工程によって、複合曲面（２つの直交する軸線周りに湾曲している）の形状とすることができる。好適な成形工程には、温度の上昇が含まれても含まれなくてもよい（熱成形）。好適な成形工程は、熱成形工程及び／又は加圧工程（圧力の適用を介してフィルムを所望の形状に変形又は延伸させること）を含む。成形前に一軸配向されたポリマー製多層光学フィルムを成形することによって製作される、２つの直交する軸線周りに湾曲している凸状の反射偏光子は、本明細書の光学システムにおいて使用するときに特に有利であることが見出されている。例えば、かかるフィルムを利用するとき、他の反射偏光子を使用するのと比べて、コントラスト比が著しく高くなり得ることが見出されている。ただし、非一軸配向の多層ポリマーフィルム反射偏光子、又はワイヤグリッド偏光子などの、他の反射偏光子も使用することができる。一部の実施形態では、一軸配向の多層反射偏光子は、ＡＰＦ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｆｉｌｍ、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）である。一部の実施形態では、光学システムは熱成形ＡＰＦ又は圧力成形ＡＰＦを含み、光学システムにおける、熱成形ＡＰＦ又は圧力成形に入射する任意の又は実質的に任意の主光線は、低い入射角（例えば約３０度未満、約２５度未満、又は約２０度未満）を有する。

一部の実施形態では、湾曲した反射偏光子ではなく実質的に平坦な反射偏光子を含むレンズシステムを利用することもできる。一部の実施形態では、反射偏光子は、１つの軸線周りに湾曲しており、一部の実施形態では、反射偏光子は２つの直交する軸線周りに湾曲している。反射偏光子は、実質的に平坦な、又は１つの軸線周りに若しくは２つの直交する軸線周りに実質的に湾曲している、多層光学フィルムであってもよい。反射偏光子は、実質的に平坦な、又は１つの軸線周りに若しくは２つの直交する軸線周りに実質的に湾曲している、ワイヤグリッド偏光子であってもよい。

様々な主表面（例えば、第２の主表面１２６及び第１の主表面１１４）の形状を好適に選択することによって、この光学システムは、画像を予め歪ませる必要のない、十分に低い歪みを実現し得ることが見出されている。一部の実施形態では、発光システム１３２は、歪みのない画像を発するように適合されている。部分反射体１１７及び反射偏光子１２７は、射出瞳１３５を通過した、放射された歪みのない画像の歪みが、射出瞳１３５での視野の約１０％未満、又は約５％未満、又は約３％未満となるように選択された、異なる形状を有し得る。射出瞳での視野は、例えば、８０度よりも大きく、９０度よりも大きく、又は１００度よりも大きくてもよい。

図２Ａは、レンズシステム２１９と発光システム２３２と射出瞳２３５とを含む、光学システム２００の断面図である。レンズシステム２１９は、第１の光学積層体２１０と第２の光学積層体２２０とを含む。ピクセル２４１、２４２、及び２４３から放射される光が、図２Ａに図示されている。ピクセル２４１からの光２４７は、射出瞳２３５の中心を通過する主光線を含む。第１の光学積層体２１０は、レンズ２１２と、射出瞳２３５と対面しているレンズ２１２の主表面上に配設された部分反射体と、を含む。第２の光学積層体２２０はレンズ２２２を含み、発光システム２３２と対面しているレンズ２２２の主表面上に配設された反射偏光子を含む。部分反射体と対面している反射偏光子上に配設されているか、又は反射偏光子と対面している部分反射体上に配設されているかのいずれかにより、四分の一波リターダが含まれている。レンズ２１２及びレンズ２２２は、直交する軸線（例えばｘ軸及びｙ軸）周りで発光システム２３２に向かって凸状である。他の実施形態では、第１のレンズ及び第２のレンズの一方若しくは双方は、凸状ではない１つ以上の表面を有し得る。一部の実施形態では、一方又は双方のレンズが平凸であり、一部の実施形態では、一方又は双方のレンズが平凹である。一部の実施形態では、一方のレンズが平凸であり、他方のレンズが平凹である。一部の実施形態では、反射偏光子はディスプレイに向かって凸状である表面上に配設されており、四分の一波リターダは平坦面上に配設されている。ディスプレイに向かって凸状である表面は、例えば、レンズの曲面がディスプレイに対面する状態で配設されている、平凸レンズの曲面、又は、レンズの平坦面がディスプレイに向き合う状態で配設されている、平凹レンズの曲面とすることができる。

図２Ｂ～図２Ｃは、いずれも図２Ａの発光システム２３２のピクセル２４１に対応する、発光システム２３２ｂのピクセル２４１ｂから放射される光、及び発光システム２３２ｃのピクセル２４１ｃが放射する光を、概略的に図示している。従来のディスプレイパネルからの光は通常であれば、光束２３９ｂとして放射されることになり、これは例えば、ディスプレイパネルに対する法線に沿って中心光線２３７ｂを有するランベルト分布を有し得る。一部の実施形態では、発光システム２３２ｃは、中心光線２３７ｂの方向を主光線２４７の方向に向けて曲げる、光方向転換層を含む。これらの事例では、発光システム２３２ｂは、光方向転換層を有さないこと以外には発光システム２３２ｃと同等であり得る。本明細書の他の箇所で更に記述するように、光方向転換層は、各光方向転換要素がディスプレイパネル中の異なるピクセルの群に対応している、複数の光方向転換要素を含んでもよい。角度αは、図２Ｂでは、主光線２４７と中心光線２３７ｂとの間に図示されている。一部の実施形態では、少なくとも１つのピクセルに関して、このピクセルに対応する光方向転換要素は、ピクセルが放射した中心光線２４７ｃと主光線２４７との間の角度αを小さくする。一部の実施形態では、発光システム２３２ｃは、中心光線２３７ｃの方向が主光線２４７の方向に向けて曲げられるように光出力を導くことのできる、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトを含む。本明細書の他の箇所で更に記述するように、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトは、ランベルト出力よりも実質的によりコリメートされた光出力を生成する。これらの事例では、発光システム２３２ｂは、中心光線がディスプレイ表面の法線方向に向けられた実質上のランベルト出力を生むバックライトを有すること以外には、発光システム２３２ｃと同等であり得る。

光方向転換層が受けた光の発散角を小さくする光方向転換層は、光を少なくとも部分的にコリメートすると言うことができる。一部の実施形態では、角度αは、発光システム２３２ｃでは、少なくとも１つのピクセルについて、少なくとも５度、又は少なくとも１０度だけ、上記のその他の点では同等の発光システム２３２ｂよりも小さくなる。一部の実施形態では、角度αは、発光システム２３２ｃでは、ピクセルの大部分（半分超）について又は実質的に全てのピクセルについて、少なくとも５度、又は少なくとも１０度だけ、上記のその他の点では同等の発光システム２３２ｂよりも小さくなる。

レンズシステム２１９に関する受け入れ角度φが、図２Ｂ～図２Ｃに図示されている。発光システム２３２ｃのピクセル２４１ｃから放射される光の、受け入れ角度φ内にある割合は、光方向転換層又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライトを含まないこと以外は同等である発光システム２３２ｂのピクセル２４１ｂから放射される光の割合と比較して、より大きい。このことは、中心光線を主光線方向のより近くに方向転換すること、及び、光出力を少なくとも部分的にコリメートすることの、一方又は両方に起因し得る。複数のピクセルを含む発光システムは、ピクセル式システム又はピクセル式ディスプレイと呼ばれる場合もあり、発光システムとレンズシステムとを含む光学システムは、ディスプレイシステム又は画像化システムと呼ばれる場合がある。光方向転換構成要素（例えば光方向転換層又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライト）を含まないこと以外は同等な発光システムは、基準ピクセル式システムと呼ばれる場合があり、基準ピクセル式ディスプレイシステムを含む対応するディスプレイシステムは、その他の点では同等なディスプレイシステム、又は基準ディスプレイシステムと呼ばれる場合がある。一部の実施形態では、複数のピクセル中の各ピクセルに関して、ピクセル式システムは中心光線を有する光錐を放射するように適合されており、この中心光線は、ピクセル式システムにおけるピクセルの位置とともに変化する方向を有し、この結果、このピクセル式のシステムが放射する、光学レンズシステムの受け入れ角度内にある総光量は、基準ピクセル式システムの中心光線の方向がピクセルに対して法線方向であること以外にはピクセル式システムと同等な基準ピクセル式システムの場合よりも、少なくとも３０パーセント高い、又は少なくとも５０パーセント高い、又は少なくとも１００パーセント高い、又は少なくとも２００パーセント高い、又は少なくとも３００パーセント高い、又は少なくとも４００パーセント高い。

一部の実施形態では、本明細書の光学システムの射出瞳でのこの光学システムの明るさは、光方向転換構成要素を含まないこと以外は同等な光学システムの場合よりも、少なくとも２０パーセント高い、又は少なくとも３０パーセント高い、又は少なくとも１００パーセント高い、又は少なくとも２００パーセント高い、又は少なくとも３００パーセント高い、又は少なくとも４００パーセント高い。本明細書の他の箇所で更に記述するように、光方向転換構成要素は、光方向転換層、複数の光方向転換要素（例えば、マイクロレンズアレイ若しくは複数のプリズム要素）、又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい。

図３は、発光システム３３２と、射出瞳３３５と、第１の主表面３１４及び第２の主表面３１６を含む光学レンズ３１２を含む一体型光学積層体３１０と、を含む光学システム３００の概略断面図である。発光システム３３２は、本明細書の他の箇所で記述される発光システムのいずれかであってもよく、例えば、光方向転換層及び／又は部分的にコリメートされたバックライトを含んでもよい。第１の四分の一波リターダ３２５は、光学レンズ３１２の第１の主表面３１４上に配設されており、反射偏光子３２７は、光学レンズ３１２の反対側で第１の四分の一波リターダ３２５上に配設されている。部分反射体３１７は、光学レンズ３１２の第２の主表面３１６上に配設されており、第２の四分の一波リターダ３１５は、光学レンズ３１２の反対側で部分反射体３１７上に配設されている。光学システム３００は、発光システム３３２から出て射出瞳３３５を通過する中心光線の光経路によって画定され得る、折り返された光軸３４０に中心を合わせられていてもよい。一部の実施形態では、光学レンズ３１２は一体の構成要素である。

一体型光学積層体３１０は、最初に、第１の四分の一波リターダ３２５が反射偏光子３２７にコーティング又は積層されている反射偏光子３２７を形成し、次いで、この結果に得られるフィルムを所望の形状に熱成形することによって製作することができる。２０１５年９月３日に出願され既に参照によって本明細書に組み込まれている同時係属中の米国仮特許出願第６２／２１４，０４９号に更に記述されているように、熱成形器具は、フィルムが冷却後に所望の形状を得るように、所望の形状とは異なる形状を有してもよい。部分反射体３１７及び第２の四分の一波リターダ３１５は、四分の一波リターダを部分反射体フィルム上にコーティングすることによって、部分反射体コーティングを四分の一波リターダフィルム上にコーティングすることによって、部分反射体フィルム及び四分の一波リターダフィルムを１つに積層することによって、又は、最初にフィルムインサート成形工程でレンズ３１２（これは反射偏光子３２７及び第１の四分の一波リターダ３２５を含むフィルム上に形成されてもよい）を形成し、次いで部分反射体３１７を第２の主表面３１６上にコーティングし四分の一波リターダ３１５を部分反射体３１７上にコーティングすることによって、準備されてもよい。一部の実施形態では、反射偏光子３２７及び第１の四分の一波リターダ３２５を含む第１のフィルムが提供され、部分反射体３１７及び第２の四分の一波リターダ３１５を含む第２のフィルムが提供され、次いで、フィルムインサート成形工程で第１の熱成形されたフィルムと第２の熱成形されたフィルムとの間にレンズ３１２を射出成形することによって、一体型光学積層体３１０が形成される。第１のフィルム及び第２のフィルムは、射出成形ステップの前に熱成形されてもよい。本明細書の他の光学積層体は同様に、コーティングされたフィルム又はラミネートであってもよい光学フィルムを熱成形すること、及び、光学積層体を製作するためのフィルムインサート成形工程を使用することによって、製作されてもよい。第２のフィルムをフィルムインサート成形工程内に含めて、この成形工程で形成されるレンズがこれらのフィルム間に配設されるようにしてもよい。

代替の実施形態では、第１の四分の一波リターダ３２５は、第１の主表面３１４上ではなく、第２の主表面３１６上に配設されてもよい。一体型光学積層体は、反射偏光子３２７を所望の形状に熱成形すること、及びレンズ３１２を反射偏光子３２７上に射出成形することによって、形成されてもよい。第１の四分の一波リターダ３２５を次いで第２の主表面３１６上にコーティング（例えばスピンコート）してもよく、その後、部分反射体３１７を第１の四分の一波リターダ３２５上に蒸気コーティングすることができる。第２の四分の一波リターダは、部分反射体上にコーティングしてもよいし、ディスプレイパネル３３２上に配設してもよいし、部分反射体３１７とディスプレイパネル３３２との間に位置付けてもよい。

部分反射体３１７は所望の又は所定の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有し、上記の所望の又は所定の複数の波長において少なくとも３０％の平均光透過率を有してもよく、これらの波長は本明細書の他の箇所で記述する波長範囲のいずれであってもよい。光学システム３００内に含まれる、第１の四分の一波リターダ３２５及び任意の追加的な四分の一波リターダは、少なくとも１つの所定の又は所望の複数の波長のうちの少なくとも１つの波長での、四分の一波リターダであってもよい。多層反射偏光子３２７は、第１の偏光状態（例えば、第１の方向へと直線的に偏光されている）を有する光を実質的に通過させ、直交する第２の偏光状態（例えば、第１の方向と直交する第２の方向へと直線的に偏光されている）を有する光を実質的に反射する。本明細書の他の箇所で更に記述するように、多層反射偏光子３２７は例えば、ポリマー製多層反射偏光子（例えばＡＰＦ）であってもよく、又は、ワイヤグリッド偏光子であってもよい。

発光システム３３２から光線３３７が放射され、射出瞳３３５を通過する。光線３３７は、第２の四分の一波リターダ３１５及び部分反射体３１７を通過してレンズ３１２に入り、これを通過する。他の光線（図示せず）は、第２の四分の一波リターダ３１５を通過した後で部分反射体３１７で反射し、光学システム３００から失われる。レンズ３１２を最初に通過した後で、光線は第１の四分の一波リターダ３２５を通過し、反射偏光子３２７で反射する。発光システム３３２は、反射偏光子３２７に関する通過軸線に沿った偏光を有する光を放射し、これによりこの光が、第２の四分の一波リターダ３１５及び第１の四分の一波リターダ３２５の両方を通過した後で反射偏光子３２７に関する遮断軸線に沿って偏光され、この結果この光が反射偏光子３２７に最初に入射するときにそこで反射するように、適合されていてもよい。一部の実施形態では、第２の四分の一波リターダ３１５に入射する光が所望の偏光を有するように、発光システム３３２と第２の四分の一波リターダ３１７との間に直線偏光子が含まれる。光線３３７は、反射偏光子３２７で反射した後で、第１の四分の一波リターダ３２５及びレンズ３１２を通過して戻り、次いで部分反射体３１７で反射され（図示しない他の光線は部分反射体３１７を通過する）、レンズ３１２を通って戻り、その後再び反射偏光子３２７に入射する。第１の四分の一波リターダ３２５を通過し、部分反射体３１７で反射し、第１の四分の一波リターダ３２５を通過して戻った後で、光線３３７は、反射偏光子３２７に関する通過軸線に沿った偏光を有する。光線３３７はしたがって、反射偏光子３２７を通過し、その後に射出瞳３３５を通過する。

図４は、光学積層体４１０と発光システム４３２と射出瞳４３５とを含む、光学システム４００の断面図である。発光システム４３２は、本明細書の他の箇所で記述する発光システムのいずれかであってもよい。ピクセル４４１、４４２、及び４４３から放射される光が、図４に図示されている。ピクセル４４１からの光は、射出瞳４３５の中心を通過する主光線４４７を含む。発光システムは、より大きな割合の光出力が光学積層体４１０の受け入れ角度内に導かれるように、ディスプレイパネルの光出力を誘導及び／又は部分的にコリメートする、複数の光方向転換要素を含んでもよい。光学積層体４１０は、レンズ４１２と、射出瞳４３５に対面するレンズ４１２の主表面上に配設された反射偏光子４２７と、画像表面４３０と対面しているレンズ４１２の主表面上に配設された部分反射体４１７と、を含む。光学積層体４１０内の、反射偏光子とレンズ４１２との間に又は部分反射体とレンズ４１２との間に、四分の一波リターダが含まれている。レンズ４１２は、直交する軸線（例えばｘ軸及びｙ軸）周りで画像表面４３０に向かって凸状である。

図５は、発光システム５３２とレンズシステム５１９と射出瞳５３５とを含む、光学システム５００の断面図である。発光システム５３２は、本明細書の他の箇所で記述する発光システムのいずれかであってもよく、表示パネルと、より大きい割合の光出力がレンズシステム５１９の受け入れ角度内にあるように、ディスプレイパネルの光出力を誘導及び／又は部分的にコリメートするように適合された、１つ以上の光学構成要素（例えば、光方向転換層及び／又は部分的にコリメートされたバックライト）と、を含んでもよい。

レンズシステム５１９は、第１のレンズ５１２と、第２のレンズ５２２を含む光学積層体５２０と、第３のレンズ５６２を含む光学積層体５６０と、を含む。光学積層体５２０は、射出瞳５３５と対面している第２のレンズ５２２の主表面上に配設された部分反射体を含み、画像表面５３０に対面している第３のレンズ５６２の主表面上に配設された反射偏光子を含む。光学システム５００において部分反射体と対面している反射偏光子上に配設されているか、又は反射偏光子と対面している部分反射体上に配設されているかのいずれかにより、四分の一波リターダが含まれている。反射偏光子及び部分反射体は各々、直交する軸線（例えばｘ軸及びｙ軸）に関して画像表面５３０に向かって凸状である。発光システム５３２上の３つの位置にある３つの光線束が図示されている。各束中の光線は、射出瞳５３５と実質的に平行である。

図６は、ピクセル式光源６３０と光方向転換層６５０とを含む、発光システム６３２の概略側面図である。例えば、発光システム６３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。光方向転換層６５０は、ピクセル式光源６３０から分離されていてもよく、又は、ピクセル式光源６３０に取り付けられて若しくはこれと統合されていてもよい。ピクセル式光源６３０は、間隔を空けた複数の個別のピクセルを含む。例えば、ピクセル式光源６３０は、１０８０×１９２０ピクセルのアレイを有する高精細度ディスプレイパネルを備えていてもよい。単一のピクセルからの光が、図６に図示されている。ピクセル６４１は、中心光線６３７を含む光錐６３９を放射する。光錐６３９は、θ_１の円錐角を有する発散光である。光方向転換層６５０の各部分又は光方向転換層６５０の各光方向転換要素は、その部分に又はその光方向転換要素に対応するピクセルが放射する光錐を受け、受けた光を、受けた光錐とは異なる、伝達される光の中心光線の方向及び円錐角の一方又は両方を有する光錐として伝達する。図示した実施形態では、部分６５６は光錐６３９を受け、受けた光を中心光線６４７を有する光錐６４９として伝達する。光錐６４９は発散光であってもよく、θ_２の円錐角を有する。中心光線６４７は、中心光線６３７とは異なる方向を有する。一部の実施形態では、中心光線６４７の方向と中心光線６３９の方向との間の角度αは、例えば、少なくとも５度、又は少なくとも１０度であってもよく、８０度未満、又は６０度未満、又は５０度未満であってもよい。円錐角θ_２は、円錐角θ_１よりも、少なくとも２度、又は少なくとも５度、又は少なくとも１０度、又は少なくとも１５度、小さくてもよい。一部の実施形態では、円錐角θ_１及び円錐角θ_２の一方又は両方は、１０度よりも大きく、又は１５度よりも大きく、又は２０度よりも大きく、又は３０度よりも大きくてもよい。一部の実施形態では、間の角度αはほぼ０であってもよく、円錐角θ_２は円錐角θ１よりも実質的に小さくてもよい。一部の実施形態では、円錐角θ_１及び円錐角θ_２は、ほぼ等しくてもよく、間の角度αは、ゼロよりも実質的に大きくてもよい。一部の実施形態では、角度αはゼロよりも実質的に大きくてもよく、円錐角θ_２は円錐角θ_１よりも実質的に小さくてもよい。

本明細書の他の箇所で更に記述するように、光方向転換層６５０は、各光方向転換要素がピクセル式光源６３０中のピクセルの群に対応している、複数の光方向転換要素を含んでもよい。ピクセルの群は少なくとも１つのピクセルを含み、単一のピクセル又は複数のピクセルを含んでもよい。ある場合には、異なるピクセルの群が１つ以上の共通のピクセルを共有してもよい。他の場合には、２つの異なるピクセルの群は、共通のピクセルを含まない。光方向転換層は、複数の光方向転換要素が個別の要素である場合、又は、光方向転換層がマイクロレンズ又はフレネルレンズなどの急激に変化する構造を含む場合、複数の光方向転換要素を備えていると言うことができる。一部の実施形態では、光方向転換層６５０は、異なる各部分がピクセル式光源６３０中の異なるピクセルの群に対応している、複数の部分を含んでもよい。一部の実施形態では、これらの部分は、個別の光方向転換要素又は複数の個別の光方向転換要素であってもよい。他の実施形態では、光方向転換層は、急激に変化する構造を有さない複数の実質的に連続的に変化する部分を含んでもよい。

図７は、ピクセル式光源７３０と光方向転換層７５０とを含む、発光システム７３２の概略側面図である。例えば、発光システム７３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。ピクセル式光源７３０は、少なくとも第１のピクセル７５１及び第２のピクセル７５２を含む、複数のピクセルを含む。ピクセル７４１の画像７５１は、ピクセル７４１の背後に（ピクセル式光源７３０からｚ方向に）配置された、仮想の画像である。同様に、ピクセル７４２の画像７５２は、ピクセル７４２の背後に配置された仮想の画像である。画像７５１及び７５２は、実質的に平面状又は実質的に非平面状であり得る、画像表面７５５上に配設されている。光方向転換層７５０は複数の部分を含み、異なる各部分がピクセル式光源７３０中の異なるピクセルの群に対応している。図示した実施形態では、ピクセルの各群は単一のピクセルである。光方向転換層７５０の部分７５６はピクセル７４１に対応しており、光方向転換層７５０の部分７５７はピクセル７４２に対応している。画像７５１及び７５２は、部分７５６及び７５７から異なる距離に配置されてもよい。一部の実施形態では、光方向転換層７５０は、複数のレンズ（又は本明細書の他の箇所で記述するような他の光方向転換要素）を含み、部分７５６及び７５７は各々、レンズを含む。画像７５１及び７５２は、部分７５６及び７５７内のそれぞれのレンズから異なる距離に配置されてもよい。ピクセル式光源７３０は複数のピクセルを含み、第１の画像を放射できる。光方向転換層７５０は、複数のピクセルの背後に、第１の画像の仮想の第２の画像を形成してもよい。他の実施形態では、光方向転換層は、仮想の画像の代わりに現実の画像を生成してもよい。これは図８に図示されている。

図８は、ピクセル式光源８３０と光方向転換層８５０とを含む、発光システム８３２の概略側面図である。例えば、発光システム８３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。ピクセル式光源８３０は、少なくとも第１のピクセル８５１及び第２のピクセル８５２を含む、複数のピクセルを含む。ピクセル８４１の画像８５１は、ピクセル８４１の正面に（ピクセル式光源８３０からマイナスｚ方向に）配置された、現実の画像である。同様に、ピクセル８４２の画像８５２は、ピクセル８４２の正面に配置された、現実の画像である。画像８５１及び８５２は、実質的に平面状又は実質的に非平面状であり得る、画像表面８５５上に配設されている。光方向転換層８５０は複数の部分を含み、異なる各部分がピクセル式光源８３０中の異なるピクセルの群に対応している。図示した実施形態では、ピクセルの各群は単一のピクセルである。光方向転換層８５０の部分８５６はピクセル８４１に対応しており、光方向転換層８５０の部分８５７はピクセル８４２に対応している。ピクセル式光源８３０は複数のピクセルを含み、第１の画像を放射できる。光方向転換層８５０は、複数のピクセルの正面に、第１の画像の現実の第２の画像を形成してもよい。画像８５１及び８５２は、部分８５６及び８５７から異なる距離に配置されてもよい。一部の実施形態では、光方向転換層８５０は、複数のレンズ（又は本明細書の他の箇所で記述するような他の光方向転換要素）を含み、部分８５６及び８５７は各々、レンズを含む。画像８５１及び８５２は、部分８５６及び８５７内のそれぞれのレンズから異なる距離に配置されてもよい。

光方向転換層の例が図９に図示されており、この例は、層９３０上に複数のレンズ９５４を含む光方向転換層９５０の断面図である。層９３０は、例えばディスプレイパネル又はディスプレイパネルの外側層であってもよく、複数のレンズ９５４は、ディスプレイパネル上に直接形成されてもよい。別法として、層９３０は、例えばポリマー製基材であってもよく、光方向転換層９５０がディスプレイパネルに付着又は積層されていてもよい。複数のマイクロレンズであってもよい複数のレンズ９５４は、ピッチＰで周期的に配置構成されていてもよい。ピッチＰは、ディスプレイパネル中のピクセル間のピッチと同様であるがより大きいものであってもよい。ピッチＰは、ディスプレイパネルの中心近くに位置付けられたレンズが、対応するピクセルとほぼ整列されている光軸を有し、一方で、ディスプレイパネルの中心から離れているレンズが、対応するピクセルから側方にずらされている（例えば図９のｘ－ｙ平面と平行であり得るディスプレイパネルの平面内でずらされている）光軸を有するように、選択されてもよい。一部の実施形態では、このずれは、ディスプレイパネルの中心からディスプレイパネルの縁部へと単調に増加する。ずれの単調増加は、線形の増加であっても非線形の増加であってもよい。

マイクロレンズアレイに含まれているような光方向転換層は、種々の異なる技法によって製作できる。かかる技法としては、フォトポリマーリフロー、グレースケールリソグラフィ、レーザーアブレーション、パターン形成された疎水性／親水性基材上での硬化性モノマーの浸漬コーティング、硬化性モノマーのインクジェット印刷、ダイヤモンド旋削、イオン線又は湿式エッチング、及び電着が挙げられる。他の好適な工程としては、米国特許第７、５８３、４４４号（ＤｅＶｏｅら）に記述されているような、２光子工程が挙げられる。

図１０は、間隔を空けた複数の個別のピクセル１０４４と、複数の光方向転換要素１０５４を含む光方向転換層１０５０とを含む、発光システム１０３２の概略側面図である。光方向転換要素１０５４は、レンズ９５４に相当し得る。ディスプレイパネル中の全てのピクセルに、又は一部のピクセルだけに、レンズが含まれてもよい。例えば、発光システム１０３２を含む光学システムの光軸近くの領域内のピクセルは、任意選択的に、光方向転換要素を含まなくてもよい。例えば、発光システム１０３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。光方向転換要素１０５６は、ピクセル１０４１から光錐１０３９を受け、受けた光を光錐１０４９として伝達する。本明細書の他の箇所で更に記述するように、光錐１０４９は、円錐角及び中心光線方向の一方又は両方が、光錐１０３９のものから変更されていてもよい。複数のピクセル１０４４は表面１０３３に沿って配設されており、この表面は図示した実施形態では、実質的に平面状の表面である。他の実施形態では、表面１０３３は湾曲していてもよい。例えば、湾曲したディスプレイパネル（例えばＬＣＤ又はＯＬＥＤパネル）は、複数のピクセルを備えていてもよい。表面１０３３などの表面は、これに沿ってピクセルが配設され、ピクセル式表面と呼ばれる場合がある。

図１０における複数のピクセルは、間隔を空けた個別の暗色の線で表されている。他の図では、ピクセルは、暗色の線の間の開いた空間によって表される場合がある。図１０では、暗色の線の間の空間は、隣接するピクセル間の間隙を表している。ピクセル１０４４は、ピクセルの、１つのピクセルの端から端までの繰り返し方向（例えば図１０のｙ－方向）に沿った幅であり得るピクセル幅ｗと、隣接するピクセル間の空間の繰り返し方向に沿った幅であり得る間隙ｇと、を有する。一部の実施形態では、隣接するピクセルは、ピクセル幅の約１０パーセント～約１００パーセントだけ間隔を空けられている（例えば、ｇ／ｗは約０．１～約１の範囲内にある）。一部の実施形態では、隣接するピクセル間の間隙は、光吸収材料１０３６を含み、これは例えば、ブラッククロムである。ＯＬＥＤディスプレイには、例えば、当技術分野で知られているように、隣接するピクセル間に、光を吸収する黒色の母材を含めてもよい。隣接するピクセル間に光吸収材料を含むことにより、発光システムと部分反射体を有するレンズシステムとを含む光学システムにおいてコントラストを高めることができるが、その理由は、レンズシステムに入射し反射して発光システムに戻される光を、光吸収材料によって少なくとも部分的に吸収できるからである。他の実施形態では、隣接するピクセル間の間隙は、実質的に光透過性である。これは、少なくとも部分的に透明なディスプレイパネル、例えば少なくとも部分的に透明なＯＬＥＤディスプレイパネルの場合に当てはまり得る。この場合コントラストを改善できるが、その理由は、反射して発光システムへと戻される、レンズシステムに入射する光が、反射して戻されレンズシステムを通ることなく（これはコントラストの低下を引き起こし得る）、少なくとも部分的に発光システムを通過できるからである。一部の実施形態では、隣接するピクセル間の間隔は小さくてもよい。例えば、一部の実施形態では、隣接するピクセル間の間隙は、ピクセル幅の１０％パーセント未満、又はピクセル幅の５パーセント未満である（例えば、ｇ／ｗは、０．１未満、又は０．０５未満である）。一部の実施形態では、隣接するピクセル間の間隙ｇは、２マイクロメートル未満、又は１マイクロメートル未満、又は０．５マイクロメートル未満である。

図１１Ａは、発光体１１４１とレンズ１１５４ａとを含むピクセル１１４２を図示している。発光体１１４１は、中心光線１１３７を有する光錐１１３９を放射し、レンズ１１５４ａは、光錐１１３９を受け、受けた光を中心光線１１４７を有する光錐１１４９として伝達する。レンズ１１５４ａは、発光体１１４１から距離ｄだけ側方にずらされている光軸１１４０に、中心を合わせられている。ピクセル１１４２は、例えばピクセル１０４１と光方向転換要素１０５６を組み合わせたものに相当してもよい。例えば、複数のピクセル１１４２を含む発光システムを、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。本明細書の他の箇所で更に記述するように、側方へのずれの距離ｄは、ディスプレイパネルの中心からディスプレイパネルの縁部へと単調に増加してもよい。

光方向転換要素は、レンズの光軸に関して回転対称な球体若しくは非球体部分を含み得るレンズであってもよいか、又は、１つ以上の曲面を有し得るプリズム要素であってもよい。図１１Ｂは、レンズ１１５４ａの代わりに使用され得る、レンズ又は光方向転換要素１１５４ｂを示している。一部の実施形態では、複数の光方向転換要素１１５４ｂは、ピクセル式光源における対応するピクセルピッチに整合するように選択されたピッチで、周期的に配置構成されていてもよい。ピクセル式光源中のピクセルは、実質上の平坦面又は実質上の曲面であってもよい、ピクセル化した表面１１３３に沿って配置されてもよい。光方向転換要素１１５４ｂは、互いに反対側にある第１の側部１１３１ａ及び第２の側部１１３１ｂと、第１の側部１１３１ａ及び第２の側部１１３１ｂを接続する曲面１１３１ｃと、を含む。光方向転換要素１１５４ｂは、曲面１１３１ｃとプリズム基部１１９６とを含むレンズ部分１１９４を有するものとして記述され得る。基部１１９６は、例えば、発光体１１４１ｂを含む表面１１３３と平行な平面（図１１Ｂのｘ－ｙ平面と平行な平面）において、正方形又は矩形の断面を有してもよい。第１の側部１１３１ａ及び第２の側部１１３１ｂは例えば、平坦な面であってもよい。基部１１９６は、例えば、表面１１３３と平行な平面において、円形の断面を有してもよい。第１の側部１１３１ａ及び第２の側部１１３１ｂはその場合、円筒形の基部１１９６の、互いに反対側にある側部である。一部の実施形態では、第１の側部１１３１ａは、表面１１３３から表面１１３３に対する法線（マイナスｚ方向に沿った法線）に沿って、第２の側部１１３１ｂよりも遠くまで延びている。プリズム要素は、プリズム構成要素（例えば基部１１９６）とレンズ構成要素（例えば曲面１１３１ｃ）とを含むように理解することができ、この場合、レンズ構成要素は少なくとも１つの凸面を有する。

発光体１１４１ｂは、中心光線１１３７ｂを有する第１の光錐を放射する。第１の光錐は、光方向転換要素１１５４ｂによって受けられ、中心光線１１４７ｂを有する第２の光錐として伝達される。中心光線１１３７ａは第１の円錐軸に沿っていてもよく、中心光線１１３７ｂは第２の円錐軸に沿っていてもよい。第１の円錐軸と第２の円錐軸との間の角度αは、例えば、少なくとも５度若しくは少なくとも１０度であってもよく、又は、５度～５０度若しくは～６０度の範囲内にあってもよい。光方向転換要素１１５４ｂは、第１の円錐軸に関して非対称であってもよい。曲面１１３１ｃは、第１の円錐軸に関して非回転対称、かつ、第１の円錐軸と平行ではなく第２の円錐軸と平行でなくてもよい軸線１１９３に関して、実質的に回転対称であってもよい。

一部の実施形態では、画像化システムは、複数の発光体１１４１ｂと複数の光方向転換要素１１５４ｂとを含む。発光体１１４１ｂは、対応する光方向転換要素１１５４ｂとともにピクセルと呼ばれる場合があり、画像化システムはかかるピクセルを複数含んでもよい。一部の実施形態では、複数のピクセル中の第１のピクセルに関して、第１の円錐軸と第２の円錐軸との間の第１の角度は５度よりも大きく、又は１０度よりも大きく、複数のピクセル中の別の第２のピクセルに関して、第１の円錐軸と第２の円錐軸との間の第２の角度は５度よりも大きく、又は１０度よりも大きく、かつ第１の角度とは異なっている。一部の実施形態では、複数のピクセル中の大部分のピクセルに関して、第１の円錐軸及び第２の円錐軸は平行ではなく、一部の実施形態では、複数のピクセル中の大部分のピクセルに関して、第１の円錐軸と第２の円錐軸との間の角度は、少なくとも５度、又は少なくとも１０度、又は５度～５０度若しくは～６０度の範囲内である。

図１２は、間隔を空けた複数の個別のピクセルを備え、バックライト１２３６から光を受けパターン化された光に光方向転換層１２５０を通過させるように配設された、ディスプレイパネル１２３０を含む、発光システム１２３２の概略側面図である。ディスプレイパネル１２３０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、又は格子ベースの変調器、又は干渉ベースの変調器、又はエレクトロクロミック変調器、又は電気泳動式の変調器などの、任意の好適な空間光変調器であってもよい。他の実施形態では、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）が間隔を空けた複数の個別のピクセルを備え、バックライト１２３６は省略されてもよい。例えば、発光システム１２３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。

一部の実施形態では、バックライト１２３６は、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい。バックライトは、バックライトから出力される光が実質的にランベルト光出力よりもコリメートされている場合に、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであると言うことができる。一部の実施形態では、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトのルーメン出力の少なくとも５０パーセントが、６０度、又は５０度、又は４０度、又は３０度、又は２５度、又は２０度の、全幅の円錐内にある。一部の実施形態では、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトのルーメン出力の少なくとも６０パーセントが、７０度、又は６０度、又は５０度、又は４０度、又は３０度、又は２５度の、全幅の円錐内にある。

図１３は、ピクセル１３４１、１３４２、及び１３４３を含む発光システム１３３２の概略側面図である。例えば、発光システム１３３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。各ピクセルは、中心光線及び円錐角を有する光錐を放射するように適合されている。ピクセル１３４１は、図示した実施形態において光軸１３４０と平行な中心光線１３４７を有する光錐１３４９を放射し、この光軸１３４０は、発光システム１３３２から光を受けるように配設されたレンズシステムの光軸であってもよい。ピクセル１３４２は、全幅の円錐角θを有する光錐を放射する。発光システム１３３２は、ディスプレイパネルが放射する円錐角を小さくするように適合された光方向転換層を有するディスプレイパネルを含んでもよく、このディスプレイパネルは例えば、ＬＣＤ又はＯＬＥＤディスプレイパネルであってもよい。他の実施形態では、従来のバックライトで生成した場合と比較して円錐角が小さくなった出力を生成するために、ディスプレイパネルとともに、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトを使用してもよい。例えば、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトは、ルーメン出力の少なくとも５０パーセントが、５０度の全幅の円錐内にあるように、又は部分的にコリメートされたバックライトに関して本明細書の他の箇所で記述するいずれかの範囲内にあるように、光出力を生成し得る。円錐角を更に小さくするために光方向転換層を含めてもよく、又は、光方向転換層を任意選択的に省略してもよい。図示した実施形態では、ピクセル１３４１、１３４２、及び１３４３の各々の光出力方向は、光軸１３４０と実質的に平行である。他の実施形態では、光方向転換層及び／又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライトは、発光システムから放射される光の方向を変えてもよい。これは、図１４～図１５に図示されている。

図１４は、ピクセル１４４１、１４４２、及び１４４３を含む発光システム１４３２の概略側面図である。例えば、発光システム１４３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。各ピクセルは、円錐角と中心光線とを有する光錐を放射する。ピクセル１４４１は、発光システム１４３２の又は発光システム１４３２から光を受けるように配設されたレンズシステムの光軸１４４０に対して、角度αを成す方向に沿って放射される中心光線１４４７を有する、光錐１４４９を放射する。ピクセル１４４２は、円錐角θを有する光錐を放射する。ピクセル１４４１及び１４４３の各々からの光は光軸１４４０に向けて曲げられ、ピクセル１４４２からの光は実質的に光軸１４４０に沿って放射される。一部の実施形態では、ピクセル１４４１、１４４２、及び１４４３の各々からの光は、少なくとも部分的にコリメートされる。他の実施形態では、ピクセルからの光は、少なくとも部分的にコリメートされることなく方向を変更されてもよい。一部の実施形態では、発光システム１４３２からの少なくとも部分的にコリメートされた光出力を生成するために、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトが使用される。一部の実施形態では、バックライトの第１の部分は、少なくとも部分的にコリメートされた光を第１の方向に放射するように構成されており、バックライトの別の第２の部分は、少なくとも部分的にコリメートされた光を別の第２の方向に放射するように構成されている。例えば、ピクセル１４４１に対応する位置でのバックライトからの光は、中心光線１４４７の方向に沿って少なくとも部分的にコリメートされてもよく、ピクセル１４４２に対応する位置でのバックライトからの光は、光軸１４４０と平行な方向に沿って少なくとも部分的にコリメートされてもよい。一部の実施形態では、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトからの光を、バックライトの放射表面にわたって滑らかに変化する方向に沿って、部分的にコリメートしてもよい。

図１５は、ピクセル１５４１、１５４２、及び１５４３を含む発光システム１５３２の概略側面図である。各ピクセルは、円錐角と中心光線とを有する光錐を放射する。ピクセル１５４１は、発光システム１５３２の又は発光システム１５３２から光を受けるように配設されたレンズシステムの光軸１５４０に対して、角度αを成す方向に沿って放射される中心光線１５４７を有する、光錐１５４９を放射する。ピクセル１５４２は、円錐角θを有する光錐を放射する。ピクセル１５４１及び１５４３の各々からの光は光軸１５４０から離れる方に曲げられ、ピクセル１５４２からの光は実質的に光軸１５４０に沿って放射される。一部の実施形態では、ピクセル１５４１、１５４２、及び１５４３の各々からの光は、少なくとも部分的にコリメートされる。他の実施形態では、ピクセルからの光は、少なくとも部分的にコリメートされることなく方向を変更されてもよい。一部の実施形態では、図１４に関連して更に記述するように、発光システム１５３２からの少なくとも部分的にコリメートされた光出力を生成するために、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトが使用される。

図１６Ａは、レンズシステム１６１９と、液晶ディスプレイパネル１６３０及びバックライト１６３６を含む発光システム１６３２と、を含む、光学システム１６００の断面図であり、バックライト１６３６は、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであり、位置とともに変化する出力方向を提供するように適合されていてもよい。バックライト１６３６は、コリメート光学要素１６６０と、ライトガイド１６６３から少なくとも部分的にコリメートされた光として光が取り出されるような構造とされた表面１６６７を有する光取出要素１６６５と、を含むライトガイド１６６３を含む。バックライト１６３６は、コリメート光学要素１６６０に光を注入するように構成されている光源１６６１と、光取出要素１６６５に隣接して配設された背面反射体１６６８と、を更に含む。光源１６６１は、１つの発光ダイオード（light emitting diode、ＬＥＤ）又は複数のＬＥＤなどの、任意の好適な光源であってもよい。光源１６６１からの光は、コリメート光学要素１６６０を通過するときに、コリメート光学要素１６６０のテーパした幾何形状に起因して、少なくとも部分的にコリメートされてもよい。光取出部１６６５から背面反射体１６６８に向かって光が取り出され、この光は次いで背面反射体１６６８で反射され、少なくとも部分的にコリメートされた光として所望の出力方向に沿ってレンズシステム１６１９に向かって光取出部１６６５を通過する。

一部の実施形態では、位置とともに変化する出力方向を提供するように適合されている少なくとも部分的にコリメートされたバックライトが、光方向転換層と組み合わされている。かかる実施形態では、バックライトは、レンズシステムが利用することになる所望の方向に向けて部分的に偏向されている出力を提供し、光方向転換層は、この部分的に偏向された光を受け、レンズシステムにとっての所望の方向により厳密に合致する方向に光を伝達する。

コリメート要素１６６０は、ライトガイド１６６３の光挿入部である。ライトガイド１６６３は更に、コリメート光学要素１６６０から第１の折り返し部１６７１を通して光を受けるように、及び、第２の折り返し部１６７４を通して光取出要素１６６５へと光を搬送するように配設された、光搬送部１６６４。光取出要素１６６５の構造化表面１６６７は、所望の出力方向に沿った光出力を生成するように配向された光取出器を含んでもよい。この表面は、例えば構造化されたニッケル製プレス加工器具などの、構造化されたプレス加工器具を使用することによって、好適に構造化され得る。好適なプレス加工器具は、シングルポイントダイヤモンド機械加工によってなど、機械加工によって調製できる。例示的なダイヤモンド旋削システム及び方法は、例えば、ＰＣＴ出願公開第ＷＯ００／４８０３７号（Ｃａｍｐｂｅｌｌら）、並びに米国特許第７，３５０，４４２号（Ｅｈｎｅｓら）及び同第７，３２８，６３８号（Ｇａｒｄｉｎｅｒら）に記載されているような高速ツールサーボ（fast tool servo、ＦＴＳ）を含み、これを利用することができる。少なくとも部分的にコリメートされたバックライトは、所望の出力方向に沿った光出力を生成するように適合された格子を含んでもよい。かかるバックライトは、Ｆａｔｔａｌらによる「Ａ ｍｕｌｔｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ ｆｏｒ ａ ｗｉｄｅ－ａｎｇｌｅ，ｇｒａｓｓｅｓ－ｆｒｅｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉｓｐｌａｙ」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４９５、ｐｐ．３４８～３５１、２０１３年３月２１日に記述されている。一部の実施形態では、構造化表面１６６７は、例えば、参照により本明細書と矛盾しない範囲で本明細書に組み込まれている米国第２０１３／０３２１９１３号（Ｈａｒｏｌｄら）に記述されているような、段部同士の間に傾斜部１６６９を有する、一連の段部１６６６を含んでもよい。構造化表面１６６７における段部１６６６及び傾斜部１６６９は、例えば機械加工によって形成できる。傾斜部１６６９により、光取出要素１６６５からの光の取り出しがもたらされる。かかるバックライトの出力方向の分布は、段部１６６６間の傾斜部１６６９の傾斜の分布を調節することによって調節できる。一部の実施形態では、段部は、本明細書の他の箇所で更に記述するような湾曲形状を有する（例えば図１６Ｃを参照）。

光学システム１６００は射出瞳１６３５を有し、反射偏光子、吸収偏光子、吸収偏光子と反射偏光子の組み合わせであってもよいか又は任意選択的に省略してもよい、光学偏光子１６７０を更に含む。

レンズシステム１６１９は、第１の光学レンズ１６１０と第２の光学レンズ１６２０とを含む。第１のレンズ１６１０は、本明細書の他の箇所で記述するような所望の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有する部分反射体が配設されている、主表面１６１４を含む。第２のレンズ１６２０は主表面１６２６を含み、この上に反射偏光子が配設されており、この反射偏光子は、例えば、熱成形又は圧力成形された反射偏光子であってもよく、ポリマー製多層反射偏光子又はワイヤグリッド偏光子であってもよい。反射偏光子上に四分の一波リターダを配設してもよい。

例えば光学システム１００、２００、３００、４００、５００、又は１６００のいずれも、ディスプレイシステム又は画像化システムと呼ばれる場合がある。仮想現実ディスプレイなどのヘッドマウントディスプレイにおいて、これらの光学システムのいずれかを使用してもよい。

図１６Ｂ及び図１６Ｃはそれぞれ、画像を形成するためのイメージャ１６３０ｂとイメージャ１６３０ｂが形成した画像を投影するための投影レンズシステム１６１９ｂとを含むディスプレイシステム１６００ｂの、断面図及び斜視図である。イメージャ１６３０ｂは複数のピクセルを含む。複数のピクセル中の各ピクセルに関して、イメージャは、中心光線を有する光錐を放射するように構成されている。中心光線は、光取出要素１６６５の幾何形状によって、イメージャ１６３０ｂにおけるピクセルの位置とともに変化する方向を有する。一部の実施形態では、中心光線方向の変化により、投影レンズシステムを通して投影される画像の明るさが、少なくとも３０パーセント、又は少なくとも５０パーセント、又は少なくとも１００パーセント、又は少なくとも２００パーセント増加する。投影レンズを通して投影される画像は、画像全体にわたって合焦されていてもされていなくてもよい、パターン化された光である。例えば、投影レンズを通して投影される画像は、合焦された画像を形成する中央部分と合焦されない場合がある周縁部分とを有してもよい。投影レンズシステム１６１９ｂは、図１６Ｂに示すような屈折レンズシステムであってもよく、又は、互いの隣に間隔を空けて配された第１の部分反射体及び第２の部分反射体を含む、折り返し光学システムであってもよい。例えば、一部の実施形態では、投影レンズシステム１６１９ｂはレンズシステム１１９に相当し、第１の部分反射体は部分反射体１１７に相当し、第２の部分反射体は反射偏光子１２７に相当する。一部の実施形態では、投影レンズシステム１６１９ｂは受け入れ角度を有し、中心光線方向の変化により、イメージャ１６３０ｂが放射する受け入れ角度内にある光が、少なくとも３０パーセント、又は少なくとも５０パーセント、又は少なくとも１００パーセント、又は少なくとも２００パーセントだけ増加する。

一部の実施形態では、投影レンズシステム１６１９ｂの光学的にアクティブな最大横方向寸法Ｄ１は、イメージャ１６３０ｂの光学的にアクティブな最大横方向寸法Ｄ２の約８０パーセント未満（又は約６０％未満、又は約５０％未満、約４０％未満）である。ある構成要素の光学的にアクティブな最大横方向寸法とは、ディスプレイシステム１６００ｂの出力を形成する際に光学的に利用されるその構成要素の部分の最大横方向寸法を指し、これは図１６Ｂのｘ－ｙ平面における最大寸法である。例えば、ピクセル式ディスプレイパネルは通常、光学的にアクティブなピクセルの矩形エリアを有し、このピクセルの矩形エリアの周囲の境界領域の一部は、光学的にアクティブではない。この場合、光学的にアクティブな最大横方向寸法は、ピクセルの矩形エリアの対角線である。別の例として、レンズは光を受け伝達する円形エリアを有してもよく、この場合、この円形エリアの直径が、光学的にアクティブな最大横方向寸法である。

ディスプレイシステム１６００ｂは、光挿入部１６６０ｂと、光挿入部１６６０ｂと及びイメージャ１６３０ｂと光学的に連絡している光取出部１６６５ｂと、を有する、ライトガイド１６６３を含む。ライトガイド１６６３ｂは、光取出部１６６５ｂが光挿入部１６６０ｂに対面するように折り返されている。ライトガイド１６６３ｂは、第１の折り返し部１６７１ｂからの光挿入部１６６０ｂから光を受け、第２の折り返し部１６７３ｂを通して光取出部１６６５ｂに光を搬送するように構成された、光搬送部１６６４ｂを含む。イメージャ１６３０ｂは、光取出部１６６５ｂと光挿入部１６６０ｂとの間に配設された反射空間光変調器（例えば液晶オンシリコン（liquid crystal on silicon、ＬＣｏＳ）パネル）であってもよい。別法として、イメージャは、図１６Ａに図示されているように、光挿入部の反対側に光取出部に近接して配設された、透過型空間光変調器であってもよい。図１６Ｂの実施形態では、光取出部１６６５ｂからイメージャ１６３０ｂに向けて、少なくとも部分的にコリメートされた光として光が取り出され、イメージャ１６３０ｂは画像化された光を反射して、光取出部１６６５ｂを通してレンズシステム１６１９ｂに向けて戻す。

レンズシステム１６１９ｂは、（ｚ軸と平行な）光軸１６４０ｂを有する。光挿入部１６６０ｂ及び光取出部１６６５ｂは、レンズシステム１６１９ｂの光軸１６４０ｂに沿って間隔を空けられている。光軸１６４０ｂは、光挿入部１６６０ｂ及び光取出部１６６５ｂと交差する。

一部の実施形態では、構造化表面１６６７ｂは、図１６Ａの構造化表面１６６７、段部１６６６、及び傾斜部１６６９に関して記述したように、段部１６６６ｂ同士の間に傾斜部１６６９ｂを有する、一連の段部１６６６ｂを含む。段部１６６６又は１６６６ｂは、間隔を空けた個別の光取出フィーチャとして記述される場合がある。これらの段部の代わりに、光取出部から光を取り出すのに好適な、他の間隔を空けた個別の光取出フィーチャを使用できる。一部の実施形態では、光取出フィーチャの形状は、ｘ軸に沿って光を集中させるｚ軸周りの曲率と、ｙ軸に沿って光を集中させるｙ軸に沿った取出フィーチャの角度の変化との組み合わせにより、イメージャに向かって光を集中させる。取出フィーチャは、光を取り出すために全内部反射（total internal reflection、ＴＩＲ）を利用するコーティングされていない材料であってもよく、又は、金属の若しくは誘電体の反射体でコーティングされていてもよい。別法として、抽出表面１６６７又は１６６７ｂの全体が反射偏光子でコーティングされていてもよい。これは、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ偏光子、ワイヤグリッド偏光子、又は、ポリマー製多層光学フィルム反射偏光子、例えばミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＡＰＦ若しくはＤｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ（ＤＢＥＦ）によって、作成できる。反射偏光子は、取出要素に一致するような形状とすることができる。このことは、例えば、接着剤の薄層を構造化表面１６６７又は１６６７ｂに適用することによって、並びに、反射偏光子フィルム（例えばＡＰＦ）を熱及び／又は圧力で表面に適用することによりフィルムを構造化表面に従わせることによって、行うことができる。ライトガイド１６６３又は１６６３ｂの１つ以上の表面は、低屈折率コーティングを有してもよく、このコーティングの屈折率は、ライトガイド内でＴＩＲ条件を維持できるものである。一部の実施形態では、低屈折率コーティングは、ライトガイドの屈折率よりも約０．０５～０．２低い屈折率を有する（別様に指定されていない限り、屈折率は５３２ｎｍで測定される屈折率を指す）。低屈折率コーティングは、光学的に厚いものであってよく、例えば、少なくとも０．５マイクロメートル又は少なくとも１マイクロメートルの物理的な厚さを有してもよい。

光学システム１６００又はディスプレイシステム１６００ｂでの使用に好適な他の好適なライトガイドが、図２６～図２８に図示されている。

図２６は、光２６３８を受けるように適合された光挿入部２６６０と、光挿入部２６６０から光を受けるように配設された、第１のセグメント２６６４－１及び第２のセグメント２６６４－２を有する光搬送部２６６４と、光搬送部２６６４から光を受けるように配設された光取出部２６６５と、を含む、ライトガイド２６６３の概略断面図である。光挿入部２６６０が受けた光２６３８は、主として第１の方向２６８１に沿って伝播し、光搬送部２６８３が受けた光は、第１のセグメント２６６４－１内で主として第２の方向２６８３に沿って伝播し、光取出部が受けた光は、主として第３の方向２６８５に沿って伝播する。第１の方向２６８１と第２の方向２６８３との間の第１の夾角は、少なくとも１４０、又は少なくとも１５０度、又は少なくとも１６０度、又は約１８０度であり、第１の方向と第３の方向との間の第２の夾角は、４０度未満、又は３０度未満、又は２０度未満である。図示した実施形態では、第１の夾角は約１８０度であり、第２の夾角は約０度である。第１の夾角及び第２の夾角は、光挿入部２６６０の向き及び／又は光取出部２６８５の向きを、これらの部分の両方のうちの１つがｘ－ｙ平面から傾けられるように変更することによって、変更できる。２つの方向の間の夾角とは、これら２つの方向に沿った単位ベクトルのドット積の逆コサインの基本値（定義上、ゼロ～１８０度の範囲内）を指す。例えば、２つの方向の間の夾角の概略的な表現である図２９を参照すると、単位ベクトル２９８１及び２９８５のドット積の逆コサインが、単位ベクトル２９８１に沿った第１の方向と単位ベクトル２９８５に沿った第２の方向との間の夾角である角度φを与えている。夾角は必ずゼロ～１８０度の間にあるので、例えば、夾角を１４０度よりも大きいとして指定することは、夾角を１４０度～１８０度として指定することと等価である。

光搬送部２６６４は、光挿入部２６６０から第１の折り返し部２６７１を通して光を受けるように、及びこの光を第２の折り返し部２６７４を通して光取出部２６６５へと搬送するように、配設されている。第２の折り返し部２６７４は、第１の下位折り返し部２６７４－１と第２の下位折り返し部２６７４－２とを含む。

図２７は、光２７３８を受けるように適合された光挿入部２７６０と、光挿入部２７６０から光を受けるように配設された光取出部２７６５とを含む、ライトガイド２７６３の概略断面図である。光取出部２７６５は、光挿入部２７６０から折り返し部２７７１を通して光を受ける。光挿入部２７６０が受けた光は、主として第１の方向２７８１に沿って伝播し、光取出部２７６５が受けた光は主として第２の方向２７６５に沿って伝播する。第１の方向２７８１と第２の方向２７８５との間の夾角は、少なくとも１２０度、又は少なくとも１４０度、又は少なくとも１６０度である。例えば、この夾角は１６０～１８０度の範囲内にあってもよく、又は図示されているように約１８０度であってもよい。光取出部２７６５は、例えば、図１６Ａ～図１６Ｃに図示されているように、光取出部から投影レンズシステムに向けて光を取り出すように適合された、複数の光取出フィーチャを含んでもよい。ゼロ度から５度以内の角度は約ゼロ度と記述される場合があり、１８０度から５度以内の角度は約１８０度と記述される場合がある。

ライトガイド２６６３及び２７６３は各々、光を受けるように適合された光挿入部と、光挿入部から第１の折り返し部を通して光を受けるように配設された光搬送部と、光搬送部から第２の折り返し部を通して光を受けるように配設された光取出部と、を含むライトガイドが提供される。いずれの場合も、光取出部は光挿入部から間隔を空けられて光挿入部に対面している。一部の実施形態では、光取出部及び光挿入部は互いに接触していてもよいか、又は、ほんの小さい間隙によって分離されていてもよい。図２８は、折り返し部２８７１を通して互いに光学的に接続された光挿入部２８６０及び光取出部２８６５を含む、ライトガイド２８６３の概略断面図である。光取出部２８６５は、例えば、図１６Ａ～図１６Ｃに図示されているように、光取出部２８６５から投影レンズシステムに向けて光を取り出すように適合された、複数の光取出フィーチャを含んでもよい。光挿入部２８６０内では光は主として第１の方向２８８１に沿って伝播し、光取出部２８６５内では光は主として第２の方向２８８５に沿って伝播する。第１の方向２８８１と第２の方向２８８５との間の夾角は、例えば少なくとも１４０度であってもよい。

一部の実施形態では、光方向転換層は、ピクセル式光源に向かって凹状である凹状の表面を含み、この凹状の表面の異なる各部分は、ピクセル式光源における異なるピクセルの群に対応している。凹状の表面のこれらの部分は、ピクセルの群と一対一で対応していてもよい。このことは、光方向転換層１７５０とピクセル式光源１７３０とを含む発光システム１７３２の概略側面図である、図１７に図示されている。例えば、発光システム１７３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、及び５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。図示した実施形態では、光方向転換層１７５０は、光方向転換層１７３０に向かって凹状である凹状の表面１７５８を有する、単一の光学要素を含む。ピクセル式光源１７３０は、複数のピクセルの群１７４１ａ、１７４１ｂ、１７４１ｃ、及び１７４１ｄを含む、複数のピクセル１７４４を含む。凹状の表面１７５８は、複数の部分１７５６ａ、１７５６ｂ、１７５６ｃ、及び１７５６ｄを含む。異なるピクセルの群に対応している異なる各部分。例えば、ピクセルの群１７４１ａからの光は、凹状の表面１７５８の部分１７５６ａを通過してもよく、凹状の表面１７５８の他の部分を実質的に通過しなくてもよい。このことは、ピクセルを凹状の表面１７５８に密に近接させて載置して達成され得る。ＬＣＤパネルが複数のピクセルを備える実施形態では、光方向転換層１７５０を複数のピクセルのより近くに位置付けるために、本明細書の他の箇所で記述するような薄い外側ガラス層を使用してもよい。ＬＣＤパネルが複数のピクセルを備える実施形態では、表面１７５８を複数のピクセル１７４４のより近くに位置付けるために、光方向転換層１７５０を本明細書の他の箇所で記述するようなＬＣＤパネルの薄い外側ガラス層から形成してもよい。一部の実施形態では、本明細書の他の箇所で記述するような部分反射体と反射偏光子とを含むレンズシステムなどのレンズシステムを含む光学システムにおいて、ピクセル式光源１７３２が使用されるとき、凹状の表面１７５８のピクセルの群に対応する部分以外の任意の部分を通過する、ピクセルの群からの任意の光が、レンズシステムの受け入れ角度外にあり、このため光学システムによって利用されない場合がある。

図１８は、液晶ディスプレイパネル１８３０と、バックライト１８３６と、凹状の光方向転換表面１８５８を有する光方向転換層１８５０と、を含む、発光システム１８３２の概略断面図である。図１８には液晶ディスプレイパネルが図示されているが、光方向転換層１８５０を、例えばＯＬＥＤディスプレイなどの、他の種類のピクセル式ディスプレイとともに使用してもよい。例えば、発光システム１８３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。液晶ディスプレイパネル１８３０は、第１のガラス層１８７６と第２のガラス層１８７８との間に配設された複数のピクセル１８４４を含む。複数のピクセル１８４４は、第１のピクセル１８４１と第２のピクセル１８４２とを含む。第１の偏光子１８７２は、光方向転換層１８５０と液晶ディスプレイパネル１８３０との間に配設されており、第２の偏光子１８７３は、液晶ディスプレイパネル１８３０とバックライト１８３６との間に配設されている。バックライト１８３６は、本明細書の他の箇所で記述するような、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい。発光システム１８３２は、光軸１８４０に中心を合わせられている。光方向転換層１８５０は、図示した実施形態では単一の光方向転換要素である。光方向転換層１８５０は、液晶パネル１８３０に向かって凹状である、凹状の光方向転換表面１８５８を含む。凹状の光方向転換表面１８５８は、第１のピクセル１８４１から光を受けるように適合された第１の部分１８５６を含み、第２のピクセル１８４２から光を受けるように適合された第２の部分１８５７を含む。一部の実施形態では、凹状の光方向転換表面１８５８は複数の異なる部分を含み、異なる各部分は、複数のピクセル１８４４中の異なるピクセルと又は異なるピクセルの群と、一対一で対応している。

図１９は、液晶ディスプレイパネル１９３０と、バックライト１９３６と、凹状の光方向転換表面１９５８を有する光方向転換層１９５０と、を含む、発光システム１９３２の概略断面図である。液晶ディスプレイパネル１９３０は、第１のガラス層１９７６と第２のガラス層１９７８との間に配設された複数のピクセル１９４４を含む。光方向転換層１９５０は、第１のガラス層１９７６から、例えば、第１のガラス層１９７６の外面をエッチングして凹状の光方向転換表面１９５８を形成することによって、形成される。凹状の光方向転換表面１９５８を形成するために使用できる好適なガラスエッチング方法は当技術分野で知られており、例えば、米国特許公開第２００２／００７９２８９号（Ｄｏｈ）に記述されている。好適なガラスエッチング液としては、ヘキサフルオロ珪酸及びフッ化水素が挙げられる。

複数のピクセル１９４４は、第１のピクセル１９４１と第２のピクセル１９４２とを含む。第１の偏光子１９７２は、凹状の光方向転換表面１９５８上に配設されており、第２の偏光子１９７３は、液晶ディスプレイパネル１９３０とバックライト１９３６との間に配設されている。バックライト１９３６は、本明細書の他の箇所で記述するような、少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい。発光システム１９３２は、光軸１９４０に中心を合わせられている。凹状の光方向転換表面１９５８は、第１のピクセル１９４１から光を受けるように適合された第１の部分１９５６を含み、第２のピクセル１８４２から光を受けるように適合された第２の部分１９５７を含む。本明細書の他の箇所で更に記述するように、一部の実施形態では、凹状の光方向転換表面１９５８は複数の異なる部分を含み、異なる各部分は、複数のピクセル１９４４中の異なるピクセルと又は異なるピクセルの群と、一対一で対応している。例えば、発光システム１９３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。

発光システム１８３２又は１９３２の一部の実施形態では、凹状の光方向転換表面の異なる各部分は、複数のピクセル中の異なるピクセルの群に対応しており、ピクセルの群中のピクセルが放射した第１の円錐角を有する第１の発散光を受け、受けた光を第１の円錐角よりも小さい第２の円錐角を有する第２の発散光として伝達する。一部の実施形態では、ピクセルの群中のピクセルからの光は、ピクセルの群に対応していない光方向転換層のどの部分も実質的に通過しないか、又は、発光システムから光を受けるように適合されたレンズシステムの受け入れ角度内にない方向において、ピクセルの群に対応していない光方向転換層の部分を最高でも部分的に通過する。

図２０は、光方向転換要素２０５６及び２０５７を含む複数の光方向転換要素と、第１のガラス層２０７６と第２のガラス層２０７８との間の液晶層によって提供される間隔を空けた複数の個別のピクセル２０４４を有する液晶ディスプレイパネル２０３０と、を含む、発光システム２０３２の概略断面図である。第１のガラス層２０７６は、複数のピクセル２０４４を画定する開口のより近くに光方向転換要素２０５６及び２０５７を位置付けるために、従来のＬＣＤディスプレイに比べて又は第２のガラス層２０７８に比べて、厚さが小さくなっていてもよい。図２０には液晶ディスプレイパネルが図示されているが、光方向転換要素２０５６及び２０５７を、例えばＯＬＥＤディスプレイなどの、他の種類のピクセル式ディスプレイとともに使用してもよい。液晶パネル２０３０は、第１の偏光子２０７２と第２の偏光子２０７３との間に配設されており、本明細書の他の箇所で記述するような少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい、バックライト２０３６によって照射される。各光方向転換要素は、複数のピクセル中のピクセルの群に対応していてもよく、この場合、この群は、単一のピクセル又は複数のピクセルであってもよい。一部の、ほとんどの、又は全てのピクセルについて、光方向転換要素が含まれていてもよい。例えば、発光システム２０３２の又はレンズシステム及び発光システム２０３２を含む光学システムの光軸近くに配置されたピクセルを除いて、全てのピクセルについて光方向転換要素が含まれていてもよい。例えば、発光システム２０３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。光方向転換要素の各々はプリズム要素であってもよく、１つ以上の曲面を任意選択的に含んでもよい。代替の実施形態では、一部の又は全てのプリズム要素の代わりに、複数のマイクロレンズを使用してもよい。更に別の実施形態では、個々の光方向転換要素の代わりに、フレネルレンズを備える光方向転換層を使用してもよい。これは図２１に例示されている。

図２１は、光方向転換層２１５０と、間隔を空けた複数の個別のピクセル２１４４を含む液晶ディスプレイパネル２１３０と、を含む、発光システム２１３２の断面図である。図２１には液晶ディスプレイパネルが図示されているが、光方向転換層２１５０を、例えばＯＬＥＤディスプレイなどの、他の種類のピクセル式ディスプレイとともに使用してもよい。液晶パネル２１３０は、第１の偏光子２１７２と第２の偏光子２１７３との間に配設されており、本明細書の他の箇所で記述するような少なくとも部分的にコリメートされたバックライトであってもよい、バックライト２１３６によって照射される。光方向転換層２１５０は、光方向転換要素２１５６を含み、フレネルレンズであってもよいか、又はブレーズド回折格子であってもよい。一部の実施形態では、光方向転換要素２１５６のうちの少なくともいくつかは、同心のリングである。異なる各光方向転換要素２１５６は、間隔を空けた複数の個別のピクセル２１４４中の異なるピクセルの群に対応していてもよい。例えば、光方向転換要素が同心リング形状の要素である場合、その光方向転換要素に対応するピクセルの群は、同心リングの下方に配設された複数のピクセルであってもよい。更に別の実施形態では、光方向転換層２１５０を、他の種類の光方向転換要素で置き換えてもよい。例えば、光方向転換層２１５０は、ホログラフィック光学要素であってもよい。

例えば、発光システム２１３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。

図２２は、複数のピクセル２２４４と第１のガラス層２２７６及び第２のガラス層２２７８とを含む液晶ディスプレイパネル２２３０を含む、発光システム２２３２の概略断面図である。第１のガラス層２２７６には、レンズ２２５６及び２２５７を含む複数のレンズが形成されている。レンズは、第１のガラス層２２７６をエッチングし、エッチングにより空けられた領域を第１のガラス層２２７６とは異なる屈折率を有する材料で充填することよって、形成されてもよい。例えば、対応するピクセルが放射する光の発散角を小さくするために、より高い屈折率の材料を使用してもよい。好適な高屈折率材料としては、本明細書と矛盾しない範囲で本明細書に組み込まれている米国特許第８、３４３、６２２号（Ｌｉｕら）に記述されているような、高屈折率ナノ粒子を充填したポリマー材料が挙げられる。複数のレンズ中の異なる各レンズは、複数のピクセル中の異なるピクセルの群に対応していてもよい。ピクセルの各群は単一のピクセルであってもよく、又は複数のピクセルを含んでもよい。例えば、発光システム２２３２を、光学システム１００、２００、３００、４００、及び５００におけるそれぞれの発光システム１３２、２３２、３３２、４３２、５３２の、いずれの代わりとしても用いることができる。

発光システム１７３２、１８３２、１９３２、２０３２、２１３２、及び２２３２のうちのいずれの光方向転換層又は光方向転換要素も、少なくとも１つのピクセル又は大部分のピクセルから出力された光を、光方向転換層若しくは光方向転換要素の光軸に向けて若しくはそれから離れる方へと、又は、レンズシステム及び光方向転換層若しくは要素を組み込んだディスプレイシステムの光軸に向けて若しくはそれから離れる方へと曲げるように、適合されてよい。

ディスプレイパネル上に光方向転換層を含めることの代替は、ディスプレイパネルから光を受けるように配設されたレンズ上に光方向転換層を含めることである。図２３は、第１の光学レンズ２３１０と第２の光学レンズ２３２０とを含むレンズシステム２３１９の概略断面図である。第１の光学レンズ２３１０は、互いに反対側にある第１の主表面２３１４及び第２の主表面及び２３１６を含み、第１の主表面２３１４は内側の主表面であり、第２の主表面２３１６は外側の主表面である。第２の光学レンズ２３２０は、互いに反対側にある第１の主表面２３２４及び第２の主表面２３２６を含む。レンズシステム２３１９は、第１のレンズ２３１０の第１の主表面２３１４上に配設され得る部分反射体を含む。レンズシステム２３１９はまた、第１の偏光状態を有する光を実質的に通過させ、直交する第２の偏光状態を有する光を実質的に反射するように構成された、反射偏光子も含む。反射偏光子は部分反射体の隣に間隔を空けて配設されており、第２のレンズ２３２０上に配設されてもよい。一部の実施形態では、反射偏光子は、第２の主表面２３２６上に配設されている。一部の実施形態では、反射偏光子上に四分の一波リターダが配設されている。部分反射体は、本明細書の他の箇所で記述するような所望の複数の波長において、少なくとも３０％の平均光反射率を有してもよい。

第１の光学レンズ２３１０の第２の主表面２３１６は、光方向転換要素２３５６及び２３５７を含む複数の光方向転換要素２３５０を含む。各光方向転換要素は、第１の光錐を受け、受けた光を第２の光錐として部分反射体に向けて伝達するように適合されている。例えば、光方向転換要素２３５６は、第１の光錐２３３９を受け、受けた光を第２の光錐２３４９として伝達するように適合されている。本明細書の他の箇所で更に記述するように、各光方向転換要素は、受けた光錐の発散角及び中心光線方向の一方又は両方を変更するように適合されていてもよい。例えば、光学システム１００におけるレンズシステム１１９又は光学システム２００におけるレンズシステム２１９の代わりに、レンズシステム２３１９を用いてもよい。

レンズシステム２３１９に含まれている反射偏光子は、１つの軸線又は２つの直交する軸線の周りで湾曲していてもよい。一部の実施形態では、反射偏光子は多層ポリマーフィルムであり、一部の実施形態では、反射偏光子は、本明細書の他の箇所で記述するようなＡＰＦなどの、熱成形又は圧力成形された多層反射偏光子である。

一部の実施形態では、ピクセル式発光システムとこのピクセル式システムが放射した光を受けるように配設されたレンズシステム２３１９とを含むディスプレイシステムの、このディスプレイシステムの射出瞳での明るさは、複数の光方向転換要素２３５０を含まないこと以外は同等なディスプレイシステムの場合よりも、少なくとも３０パーセント高い。一部の実施形態では、射出瞳でのディスプレイシステムの明るさは、上記のその他の点では同等のディスプレイシステムの場合よりも、少なくとも１００パーセント高い、又は少なくとも２００パーセント高い、又は少なくとも３００パーセント高い。

図２４は、複数の発光ピクセル２４４４を含む発光システム２４３２を含む、ディスプレイシステム２４００の一部の概略断面図である。各発光ピクセルは、所望の複数の波長において少なくとも５０％の平均光透過率を有する任意選択的な光透過性の第１の光方向転換要素２４５６と、所望の複数の波長において少なくとも５０％の平均光反射率を有する、第１の光方向転換要素２４５６に向かって凹状の光反射性の第２の光方向転換要素２４５７と、第１の光方向転換要素２４５６と第２の光方向転換要素２４５７との間に配設された発光材料２４４１と、を含む。発光材料２４４１は、例えば、少なくとも部分的に透過性であるＯＬＥＤディスプレイパネルであってもよい、ディスプレイパネル２４３０内に含まれてもよい。ディスプレイパネル２４３０は、図２４では実質的に平面状のパネルとして示されているが、他の実施形態では、ディスプレイパネルは湾曲していてもよいか（例えば図１Ｂを参照）、又は、全てが同一平面内にある訳ではない複数の平面状の部分を含んでもよい（例えば図１Ｃを参照）。一部の実施形態では、第２の光方向転換要素２４５７の中心２４４２は、発光材料２４４１内にある。例えば、第２の光方向転換要素２４５７は、発光材料２４４１内にある曲がりの中心又は焦点を有する。凹状の反射表面を有してもよい。一部の実施形態では、発光材料２４４１が放射する光は、第１の光方向転換要素２４５６及び第２の光方向転換要素２４５７によって実質的にコリメートされる。一部の実施形態では、任意選択的な第１の光方向転換要素２４５６が省略され、発光材料２４４１が放射する光は第２の光方向転換要素２４５７によって実質的にコリメートされる。例えば、パネル２４３０中の発光材料は発散する第１の光錐２４３９を放射してもよく、この光錐は、凹状の第２の光方向転換要素で反射され、実質的にコリメートされた光２４４９として第１の光方向転換要素を通過する。

ディスプレイシステム２４００は、例えば、発光システム２４３２から光を受け、受けた光の少なくとも一部をディスプレイシステム２４００の射出瞳に伝達するように配設された、レンズシステム１１９又は２１９などのレンズシステムを更に含んでもよい。

様々な構成要素（例えば、部分反射体、四分の一波リターダ、透過性光学要素、及び反射性光学要素）の光透過率又は反射率は、所望の又は所定の複数の波長における平均値によって指定されてもよい。所望の又は所定の複数の波長は、例えば、光学システムが動作するように設計される任意の波長範囲であってもよい。所定の又は所望の複数の波長は可視の範囲であってもよく、例えば、４００ｎｍ～７００ｎｍの波長の範囲であってもよい。一部の実施形態では、所望の又は所定の複数の波長は、赤外の範囲であってもよいか、又は、赤外の、可視の、及び紫外の波長のうちの、１つ以上を含んでもよい。一部の実施形態では、所望の又は所定の複数の波長は、１つの狭い波長帯域又は複数の狭い波長帯域であってもよく、部分反射体は、例えば、切欠き反射体であってもよい。一部の実施形態では、所望の又は所定の複数の波長は、１００ｎｍ以下、又は５０ｎｍ以下の半値全幅を有する、少なくとも１つの連続的な波長範囲を含む。

本明細書のいずれかの光学システムは、ヘッドマウントディスプレイ（例えば、仮想現実ディスプレイ）のようなデバイスにおいて使用されてもよい。図２５は、フレーム２５９２と、本明細書の光学システムのいずれかを含んでもよい第１の表示部２５９４ａ及び第２の表示部２５９４ｂとを含む、ヘッドマウントディスプレイ２５９０の概略上面図である。図示の実施形態では、第１の表示部２５９４ａは、レンズシステム２５１９ａと発光システム２５３２ａとを含み、及び表示部２５９４ｂは、レンズシステム２５１９ｂと発光システム２５３２ｂとを含む。レンズシステム２５１９ａ及び２５１９ｂの各々は、本明細書の他の箇所で記述するような反射偏光子及び部分反射体を含んでもよい。発光システム２５３２ａ及び２５３２ｂの各々は、本明細書の他の箇所で記述するように、複数のピクセルと、光方向転換層及び／又は少なくとも部分的にコリメートされたバックライトと、を含んでもよい。一部の実施形態では、レンズシステム２５１９ａ及び２５１９ｂは、光軸（例えば図２５におけるｚ軸と平行な軸線）に中心を合わせられており、発光システム２５３２ａ及び２５３２ｂは、対応する光軸に対して鈍角で配設されている。他の実施形態では、発光システム２５３２ａ及び２５３２ｂは、対応する光軸に対して直角に配設されており、対応する光軸に中心を合わせられていてもよい。発光システム２５３２ａ及び２５３２ｂの光方向転換層は、対応するピクセルが出力した光を、これが対応するレンズシステムの受け入れ角度内にあるようにして方向転換してもよい。発光システムがレンズシステムの光軸に対して鈍角に配設されている実施形態では、発光システムの光方向転換要素は、光軸に関して非対称な曲面、例えば曲面１１３１ｃを含んでもよい。

実施例１
Ｚｅｍａｘ １５レンズ設計ソフトウェアを使用して、以下の表で記述する要素を有する折り返し光学レンズシステムをモデル化した。

上の表では、ＯＢは物体を指し、表面は停止表面（ＳＴ）から画像表面（ＩＭ）への順序で列挙されている。多項式非球面係数は各々、表面７以外はゼロになるように採られており、表面７は、２次係数０．０００、４次係数－２．８０５×１０^－５、６次係数１．２３２×１０^－７、８次係数－１．９３６×１０^－１０、及び１０次係数－３．０８８×１０^－１３を有していた。

レンズをＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓにインポートして、中央放射要素及び周縁放射要素を有するディスプレイ面を作成した。各要素を、直径０．１ｍｍ、半径０．０５ｍｍのＮＢＫ７レンズに埋め込んだ。放射要素は、０．００４ｍｍ平方の放射面積を有するように設計した。放射要素に対するレンズの配置を、瞳において均一性と明るさの最良の組み合わせが得られるように最適化した。マイクロレンズアレイを有するニアアイディスプレイは、レンズアレイを有さない場合の８．１倍の明るさであった（明るさの７１０パーセントの増加）。

実施例２
以下のように、光学システム２００と類似の光学システムを光線追跡を使用してモデル化した。光学積層体２１０は、レンズ２１２の外面（パネル２３２と対面している表面）上に四分の一波リターダを、及びレンズ２１２の内面（射出瞳２３５と対面している表面）上に部分反射体を、含んでいた。光学積層体２２０は、レンズ２２２の外面（レンズ２１２と対面している表面）上に直線偏光子を含んでおり、直線偏光子上に配設された四分の一波リターダを含んでいた。四分の一波リターダは理想的なリターダとしてモデル化し、部分反射体は５０パーセントの透過率及び５０パーセントの反射率を有するものとしてモデル化し、直線偏光子は、直線遮断軸線に沿って偏光された光については１パーセント透過率及び９９パーセント反射率、並びに直交する直線通過軸線に沿って偏光された光については９９パーセント透過率及び１パーセント反射率を有するものとして、モデル化した。これらのレンズは、以下の表中で特定される通りであった。

レンズ表面に関して使用した２～８次の多項式非球面係数を、以下の表に記載する。

レンズ表面に関して使用した１０次以上の多項式非球面係数を、以下の表に記載する。

ディスプレイパネル２３５を、明暗の正方形から成るチェッカー盤パターンを生成するものとしてモデル化し、各正方形の寸法は６ｍｍ×６ｍｍであった。ディスプレイパネルの寸法は２．４ｃｍ×２．４ｃｍであった。光出力は、ディスプレイパネルの表面に対して法線方向の中心光線を有し、５度の半値半幅（half width at half maximum、ＨＷＨＭ）の円錐角を有するものとしてモデル化した。これは、部分的にコリメートされたバックライトを有する又は光出力を部分的にコリメートする光方向転換層を有するディスプレイパネルを再現するように選択した。比較のために、３５度のＨＷＨＭの円錐角を有する従来のディスプレイパネルもモデル化した。受信機を射出瞳２３５のところに位置付けた。暗い正方形で受けた平均出力に対する明るい正方形で受けた平均出力として、コントラスト比を計算した。部分的にコリメートされている場合（５度のＨＷＨＭ）に関しては、７４７になるようにコントラスト比を決定し、一方、従来の場合（３５度のＨＷＨＭ）に関しては、１００になるようにコントラスト比を計算した。

実施例３
光学システム１６００（図１６ａに描写する）とバックライト１６３６を異なるバックライトユニットと交換した同様の光学システムとの相対効率を計算した。ランベルト出力を有するバックライトユニットを利用する光学システムの相対効率は、単位元となるように定義した。他の光学システムの相対効率はこの場合、ランベルト出力を有するバックライトユニットを有する光学システムの射出瞳１６３５での明るさに対する、光学システムの射出瞳１６３５での明るさの比として定義した。バックライトユニットが１つのＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ（ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＢＥＦ）を含むとき、バックライトユニットからの出力は、水平方向（ディスプレイの幅方向）に４４度の及び垂直方向（ディスプレイの高さ方向）に８０度の半値全幅（Full-Width and Half Maximum、ＦＷＨＭ）を有し、光学システムは、１．４の相対効率を有した（明るさの４０パーセントの増加）。バックライトユニットが２つの交差するＢＥＦを含むとき、バックライトユニットからの出力は、水平及び垂直の両方向に４４度のＦＷＨＭを有し、光学システムは、１．６の相対効率を有した（明るさの６０パーセントの増加）。バックライトユニットがディスプレイの法線方向（マイナスｚ方向）に高いコリメーションを提供するように適合された構造化表面１６６７を含んでいた場合、バックライトユニットの出力は水平方向に１６度、垂直方向に１２度のＦＷＨＭを有し、光学システムは、２．４の相対効率を有した（明るさの１４０パーセントの増加）。バックライトユニットがレンズシステム１６１９に向けて偏向された方向において高い程度のコリメーションを提供するように適合された構造化表面１６６７を含むとき、バックライトユニットからの出力は、水平方向に１２度、垂直方向に１１度のＦＷＨＭを有しており、光学システムは３の相対効率を有していた（明るさの２００パーセントの増加）。結果を以下の表中に要約する。

以下は、本明細書の例示的な実施形態の列挙である。

実施形態１は、
画像を形成するためのイメージャであって、間隔を空けた複数の個別のピクセルを備える、イメージャと、
イメージャによって形成された画像を投影するための投影レンズシステムと、を備え、
複数のピクセル中の各ピクセルに関して、イメージャは中心光線を有する光錐を放射するように構成されており、この中心光線はイメージャにおけるピクセルの位置とともに変化する方向を有し、この変化により、投影レンズシステムを通して投影される画像の明るさが少なくとも３０パーセント増加する、ディスプレイシステムである。

実施形態２は、投影レンズシステムは折り返し光学システムを備える、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態３は、折り返し光学システムは、
所望の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有する第１の部分反射体と、
第１の部分反射体の隣に間隔を空けて配設されている第２の部分反射体と、を備える、実施形態２のディスプレイシステムである。

実施形態４は、第２の部分反射体は、第１の偏光状態を有する光を実質的に通過させ、直交する第２の偏光状態を有する光を実質的に反射する、反射偏光子である、実施形態３のディスプレイシステムである。

実施形態５は、第２の部分反射体は、所望の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有する、実施形態３のディスプレイシステムである。

実施形態６は、投影レンズシステムは屈折光学システムを備える、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態７は、投影レンズシステムは受け入れ角度を有し、中心光線方向の変化は、イメージャが放射する受け入れ角度内にある光を少なくとも３０パーセント増加させる、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態８は、投影レンズシステムは光軸を有し、中心光線と光軸との間の角度はイメージャにおけるピクセルの位置とともに変化する、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態９は、イメージャは面法線を有し、中心光線と面法線との間の角度はイメージャにおけるピクセルの位置とともに変化する、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１０は、イメージャは実質的に平面状である、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１１は、イメージャは互いに対して斜角に配設された複数の平面状部分を含む、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１２は、イメージャは湾曲している、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１３は、投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大寸法の２分の１未満である、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１４は、光挿入部と、光挿入部と及びイメージャと光学的に連絡している光取出部と、を有するライトガイドを更に備える、実施形態１のディスプレイシステムである。

実施形態１５は、光挿入部及び光取出部はレンズシステムの光軸に沿って間隔を空けられている、実施形態１４のディスプレイシステムである。

実施形態１６は、ライトガイドは、光挿入部から光を受け光取出部へと光を搬送するように構成された光搬送部を更に備える、実施形態１５のディスプレイシステムである。

実施形態１７は、光軸は光挿入部、光搬送部、及び光取出部の各々と交差している、実施形態１６のディスプレイシステムである。

実施形態１８は、ライトガイドは、光取出部が光挿入部に対面するように折り返されている、実施形態１４のディスプレイシステムである。

実施形態１９は、光挿入部が受けた光は主として第１の方向に沿って伝播し、光取出部が受けた光は主として第２の方向に沿って伝播し、第１の方向と第２の方向との間の夾角は４０度未満又は１４０度超である、実施形態１４のディスプレイシステムである。

実施形態２０は、イメージャは、光挿入部の反対側で光取出部に近接して配設された透過型空間光変調器を備える、実施形態１４のディスプレイシステムである。

実施形態２１は、イメージャは、光取出部と光挿入部との間に配設された反射空間光変調器を備える、実施形態１４のディスプレイシステムである。

実施形態２２は、
光軸に中心を合わせた１つ以上のレンズを有する投影レンズシステムと、
ライトガイドであって、
光を受けるように適合された光挿入部、
光挿入部から光を受けるように配設された光搬送部、及び
光搬送部から光を受けるように配設された光取出部であって、光取出部の出力表面上の位置とともに変化する光軸に対する角度を有する、光出力中心光線方向を提供するように構成されており、かつ、光挿入部から光軸に沿って分離されて光取出部と光挿入部との間に空間を形成している、光取出部、を備える、ライトガイドと、
光取出部と光学的に連絡している空間光変調器と、を備え、
ライトガイドは、光取出部が光挿入部に対面するように折り返されている、ディスプレイシステムである。

実施形態２３は、光軸は光挿入部及び光取出部と交差している、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態２４は、光軸は光搬送部と交差している、実施形態２３のディスプレイシステムである。

実施形態２５は、空間光変調器はレンズシステムと光取出部との間に配設されている、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態２６は、空間光変調器は透過型液晶パネルである、実施形態２５のディスプレイシステムである。

実施形態２７は、反射体は光取出部と光挿入部との間の空間内に配設されている、実施形態２５のディスプレイシステムである。

実施形態２８は、空間光変調器は光取出部と光挿入部との間の空間内に配設されている、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態２９は、空間光変調器は反射型液晶パネルである、実施形態２８のディスプレイシステムである。

実施形態３０は、反射型液晶パネルは液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）パネルである、実施形態２９のディスプレイシステムである。

実施形態３１は、投影レンズシステムは折り返し光学システムを備える、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態３２は、投影レンズシステムは、
所望の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有する部分反射体と、
第１の偏光状態を有する光を実質的に通過させ、直交する第２の偏光状態を有する光を実質的に反射する、反射偏光子と、を備える、実施形態３１のディスプレイシステムである。

実施形態３３は、投影レンズシステムは屈折光学システムである、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態３４は、光学レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、空間光変調器の光学的にアクティブな最大横方向寸法の２分の１未満である、実施形態２２のディスプレイシステムである。

実施形態３５は、
１つ以上のレンズを有しかつ光学的にアクティブな最大横方向寸法を有する、投影レンズシステムと、
光学的にアクティブな最大横方向寸法を有するイメージャであって、イメージャが形成した画像は投影レンズシステムによって投影される、イメージャと、
投影レンズシステムとイメージャとの間に配設された光取出部を備える、光源から光を受けるためのライトガイドと、を備え、光取出部は、受けた光を取り出しイメージャに向けて導くための、間隔を空けた複数の個別の光取出フィーチャを備え、
投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大横方向寸法の８０パーセント以下である、ディスプレイシステムである。

実施形態３６は、投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大横方向寸法の６０パーセント以下である、実施形態３５のディスプレイシステムである。

実施形態３７は、投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大横方向寸法の５０パーセント以下である、実施形態３５のディスプレイシステムである。

実施形態３８は、投影レンズシステムの光学的にアクティブな最大横方向寸法は、イメージャの光学的にアクティブな最大横方向寸法の４０パーセント以下である、実施形態３５のディスプレイシステムである。

実施形態３９は、ライトガイドは光取出部と光学的に連絡している光挿入部を更に備える、実施形態３５のディスプレイシステムである。

実施形態４０は、ライトガイドは、光挿入部が光取出部に対面するように折り返されている、実施形態３９のディスプレイシステムである。

実施形態４１は、ライトガイドは、光挿入部から第１の折り返し部を通して光を受けるように、及び第２の折り返し部を通して光取出部へと光を搬送するように配設された、光搬送部を更に備える、実施形態３９のディスプレイシステムである。

実施形態４２は、レンズは光軸を有し、この光軸は光挿入部及び光取出部と交差している、実施形態４１のディスプレイシステムである。

実施形態４３は、光軸は光搬送部と交差している、実施形態４２のディスプレイシステムである。

実施形態４４は、イメージャは光取出部と光挿入部との間に配設されている、実施形態３９のディスプレイシステムである。

実施形態４５は、空間光変調器は反射型液晶パネルである、実施形態４４のディスプレイシステムである。

実施形態４６は、反射型液晶パネルは液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）パネルである、実施形態４５のディスプレイシステムである。

実施形態４７は、光挿入部は、光挿入部に注入された光を少なくとも部分的にコリメートするように構成された光学要素を備える、実施形態３８のディスプレイシステムである。

実施形態４８は、
光を受けるように適合された光挿入部、
光挿入部から第１の折り返し部を通して光を受けるように配設された光搬送部、及び
光搬送部から第２の折り返し部を通して光を受けるように配設された光取出部、を備え、
光取出部は光挿入部から間隔を空けられて光挿入部に対面している、ライトガイドである。

実施形態４９は、光挿入部は、光挿入部内に受けた光を少なくとも部分的にコリメートするように構成された光学要素を備える、実施形態４８のライトガイドである。

実施形態５０は、光取出部は互いに反対側にある第１の主表面及び第２の主表面を有し、第１の主表面は、光取出部から第２の主表面を通して光挿入部に向けて光を取り出すように配設された、間隔を空けた複数の個別の光取出フィーチャを備える、実施形態４８のライトガイドである。

実施形態５１は、反射偏光子は第１の主表面上に配設されている、実施形態５０のライトガイドである。

実施形態５２は、光取出部から取り出された光を受け、この光を反射して光取出部を通して戻す、光取出部と光挿入部との間に配設され反射体を更に備える、実施形態４８のライトガイドである。

実施形態５３は、実施形態５２のライトガイドと、反射体で反射された光を光取出部を通して受けるように配設された透過型空間光変調器と、を備える、ディスプレイシステムである。

実施形態５４は、実施形態４８のライトガイドと、光取出部と光挿入部との間に配設された反射空間光変調器とを備える、ディスプレイシステムである。

実施形態５５は、
光を受けるように適合された光挿入部であって、光挿入部が受けた光は主として第１の方向に沿って伝播する、光挿入部と、
光挿入部から光を受けるように配設された光搬送部であって、光搬送部は第１のセグメントを有し、光搬送部が受けた光は第１のセグメント内で主として第２の方向に沿って伝播する、光搬送部と、
光搬送部から光を受けるように配設された光取出部であって、光取出部が受けた光は主として第３の方向に沿って伝播する、光取出部と、を備え、
第１の方向と第２の方向との間の第１の夾角は少なくとも１４０度であり、第１の方向と第３の方向との間の第２の夾角は４０度未満である、ライトガイドである。

実施形態５６は、第１の夾角は少なくとも１６０度であり、第２の夾角は２０度未満である、実施形態５５のライトガイドである。

実施形態５７は、光搬送部は光挿入部から第１の折り返し部を通して光を受け、光取出部は光搬送部から第２の折り返し部を通して光を受ける、実施形態５５のライトガイドである。

実施形態５８は、光取出部は互いに反対側にある第１の主表面及び第２の主表面を有し、第１の主表面は、光取出部から第２の主表面を通して光挿入部に向けて光を取り出すように配設された、間隔を空けた複数の個別の光取出フィーチャを備える、実施形態５５のライトガイドである。

実施形態５９は、実施形態５５のライトガイドと、光挿入部の反対側に光取出部に近接して配設された透過型空間光変調器と、を備える、ディスプレイシステムである。

実施形態６０は、実施形態５５のライトガイドと、光取出部と光挿入部との間に配設された反射空間光変調器と、を備える、ディスプレイシステムである。

実施形態６１は、
投影レンズシステムと、
ライトガイドと、を備え、ライトガイドは、
光を受けるように適合された光挿入部であって、光挿入部が受けた光は主として第１の方向に沿って伝播する、光挿入部と、
光挿入部から光を受けるように配設された光取出部であって、光取出部が受けた光は主として第２の方向に沿って伝播する、光取出部と、を備え、第１の方向と第２の方向との間の夾角は少なくとも１２０度であり、
光取出部は、光取出部から投影レンズシステムに向けて光を取り出すように適合された複数の光取出フィーチャを含む、ディスプレイシステムである。

実施形態６２は、夾角は少なくとも１４０度である、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６３は、夾角は少なくとも１６０度である、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６４は、夾角は少なくとも１８０度である、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６５は、光取出部は光挿入部から折り返し部を通して光を受ける、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６６は、光取出部は光挿入部に対面している、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６７は、光取出部と光学的に連絡している空間光変調器を更に備える、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６８は、空間光変調器は投影レンズシステムと空間光変調器との間に配設されている、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態６９は、光取出部は空間光変調器と投影レンズシステムとの間に配設されている、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態７０は、投影レンズシステムは折り返し光学システムを備える、実施形態６１のディスプレイシステムである。

実施形態７１は、投影レンズシステムは屈折光学システムを備える、実施形態６１のディスプレイシステムである。

関連する光学システムが、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている以下の米国特許出願に記述されている：本出願と同日に出願されたＯＰＴＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭ（第６２／３４７６５０号）。

図中の要素の説明は、特に指示がない限り、他の図中の対応する要素に等しく適用されるものと理解されたい。具体的な実施形態を本明細書において例示し記述したが、様々な代替及び／又は等価な実施により、図示及び記載した具体的な実施形態を、本開示の範囲を逸脱することなく置き換え可能であることが、当業者により理解されるであろう。本出願は、本明細書において論じた具体的な実施形態のいかなる適合例又は変形例であっても包含することを意図する。したがって、本開示は、特許請求の範囲及びその等価物によってのみ限定されるものとする。

Claims (6)

1. 画像を形成するためのイメージャであって、間隔を空けた複数の個別のピクセルを備える、イメージャと、前記イメージャによって形成された前記画像を投影するための、光軸に中心を合わせた投影レンズシステムと、ライトガイドと、を備え、
   ライトガイドは、光取出部であって、前記光取出部の出力表面上の位置とともに変化する前記光軸に対する角度を有する、前記光軸に向けて傾斜した光出力中心光線方向を提供するように構成され、前記光取出部は、前記イメージャに向けて光を取り出すように構成され、前記イメージャは、前記取り出された光を受け、画像化された光を反射して、前記光取出部を通して前記投影レンズシステムに向けて戻すように構成されている光取出部、を含み、
   前記複数のピクセル中の各ピクセルに関して、前記イメージャは前記ライトガイドからの光を受けると共に中心光線を有する光錐を放射するように構成されており、前記中心光線は前記イメージャにおける前記ピクセルの位置とともに変化する方向を有し、前記変化により、前記投影レンズシステムを通して投影される画像の明るさが少なくとも３０パーセント増加する、
   ディスプレイシステム。
2. 前記投影レンズシステムは折り返し光学システムを備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
3. 前記折り返し光学システムは、
   所望の複数の波長において少なくとも３０％の平均光反射率を有する第１の部分反射体と、
   前記第１の部分反射体の隣に間隔を空けて配設されている第２の部分反射体と、を備える、請求項２に記載のディスプレイシステム。
4. 前記第２の部分反射体は、第１の偏光状態を有する光を実質的に通過させ、直交する第２の偏光状態を有する光を実質的に反射する、反射偏光子である、請求項３に記載のディスプレイシステム。
5. 前記投影レンズシステムは屈折光学システムを備える、請求項１に記載のディスプレイシステム。
6. 前記投影レンズシステムは受け入れ角度を有し、前記中心光線方向の前記変化は、前記イメージャが放射する前記受け入れ角度内にある光を少なくとも３０パーセント増加させる、請求項１に記載のディスプレイシステム。

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