JPH08136856A - Device and method for optical collimation - Google Patents

Device and method for optical collimation

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JPH08136856A
JPH08136856A JP6279381A JP27938194A JPH08136856A JP H08136856 A JPH08136856 A JP H08136856A JP 6279381 A JP6279381 A JP 6279381A JP 27938194 A JP27938194 A JP 27938194A JP H08136856 A JPH08136856 A JP H08136856A
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JP
Japan
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image
light
liquid crystal
cholesteric liquid
observer
Prior art date
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Application number
JP6279381A
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Japanese (ja)
Inventor
G Trisell Richard
ジー.トリセル リチャード
S Defoe Douglas
エヌ.デフォウ ダグラス
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KAISER ELECTRO OPT Inc
Kaiser Electro Optics Inc
Original Assignee
KAISER ELECTRO OPT Inc
Kaiser Electro Optics Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To provide a small image light collimating device as well as an image light collimating method, ensuring an improved image transfer function. CONSTITUTION: A light collimating device 10 utilizes an optical (concave) mirror 16 and a cholestric liquid crystal element 14 for efficiently projecting image light within the line of sight of an observer O. Furthermore, the image light is generated, using a light component having the prescribed circularly polarized light rotating direction within the prescribed band width. In this case, the light image is transmitted, so as to be reflected from the concave mirror 16 acting for the enlargement (collimation) of the image light and for the projection of an image light component existing within band width B and having a proper circularly polarized light rotating direction, toward the cholestric liquid crystal element 14. Thus, the cholestric liquid crystal element 14 substantially reflects a returned image toward the observer O.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、例えば、
娯楽、訓練、シミュレーション、車両状態ディスプレ
イ、バーチャルリアリティ、機械の保守、などの目的の
ための視覚ディスプレイシステムの分野に関する。特
に、本発明は、発生した像光を、それが無限遠または無
限遠近くに現れ、しかもそこへ入射する像の高度の伝送
を与えるように、観察者の視線内へ集束させるべくコリ
メートすることに関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to, for example,
The field of visual display systems for purposes such as entertainment, training, simulation, vehicle status display, virtual reality, machine maintenance, etc. In particular, the present invention collimates the generated image light to focus it within the line of sight of an observer so that it appears at or near infinity and yet provides a high degree of transmission of the image incident thereon. Regarding

【0002】[0002]

【従来の技術】光コリメート装置は、しばらく前から公
知である。像光コリメーションの一例は、1972年5
月9日再発行の、米国特許第Re27,356号に説明
されており、それは、像形成素子として単一球面合成鏡
を使用している。1次像が該鏡の凸面へ送られ、該鏡は
該像を、該鏡の凹面上に配置された複屈折性ビームスプ
リッタアレイへ送る。該アレイは該像を該球面鏡へ反射
し返し、該球面鏡は該像を、観察者が観察しうるように
コリメートする。光路内のいくつかの偏光フィルタが、
前記球面鏡へ帰る1次像の部分を選択的に送る。しか
し、1次像のフィルタリングおよび反射は、該像の強度
を順次減少させがちである。その結果は、1次像の最初
の強度の0.5ないし1.0%付近の最終伝達となる。
従って、像源は、観察された時受入れうる輝度の像を発
生するのに十分な電力をもたなくてはならない。
Optical collimating devices have been known for some time. An example of image light collimation is 1972 May 5.
Reissued March 9, US Pat. No. Re27,356, which uses a single spherical compound mirror as the imaging element. The primary image is sent to the convex surface of the mirror, which sends the image to a birefringent beam splitter array located on the concave surface of the mirror. The array reflects the image back to the spherical mirror, which collimates the image for viewing by an observer. Some polarization filters in the optical path
Selectively send the part of the primary image that returns to the spherical mirror. However, filtering and reflection of the primary image tends to progressively reduce the intensity of the image. The result is a final transmission near 0.5 to 1.0% of the initial intensity of the primary image.
Therefore, the image source must have sufficient power to produce an image of acceptable brightness when viewed.

【0003】1976年2月24日発行の米国特許第
3,940,203号に説明されているもう1つのコリ
メートシステムは、前記球面鏡が、球面鏡の反射形ホロ
グラフ類似物によって置換されている点で、前述の米国
特許第Re27,356号に関する変形になっている。
この場合も、観察者に到達する像光を適正に制御するた
めに、比較的多数の反射および透過が用いられる。ホロ
グラフ素子の改善された反射および透過を用いることに
より、像の最初の強度の6ないし10%の程度の効率が
実現される。
Another collimating system described in US Pat. No. 3,940,203 issued Feb. 24, 1976 is that the spherical mirror is replaced by a reflective holographic analogue of the spherical mirror. This is a modification of the above-mentioned US Pat. No. Re27,356.
Again, a relatively large number of reflections and transmissions are used to properly control the image light reaching the observer. By using the improved reflection and transmission of the holographic element, efficiencies on the order of 6-10% of the original intensity of the image are achieved.

【0004】コリメーション装置はまた、発生した像を
前方視野に重ねる合成器素子に協働的に関連するヘッド
アップディスプレイ(HUD)システムにおいても見出
される。多くの構成において、該合成器素子および該コ
リメーション装置は、発生した像の多重フィルタリング
および反射を必要とし、それは上述のように伝送性に影
響を及ぼし像の輝度に負の効果を与えうる。このタイプ
の最新のシステムの例は、1989年8月22日発行の
米国特許第4,859,031号に見出される。そこに
は、良い効果を得るために、半反射凹面鏡への効率的な
反射器として、またその後の観察者へのコリメートされ
た像の効率的な透過器として、コレステリック液晶の性
質を利用するシステムが説明されている。その像コリメ
ート装置は、像源と観察者との間に配置され、発生した
像は、まず特定の回転方向の円偏光に偏光せしめられ
る。そのように偏光せしめられると、像は半反射鏡へ送
られ、次に該鏡により反射される。この構成は、従来技
術に比し伝送効率を、最良の場合最初の像強度の12.
5%まで改善するが、偏光および半反射凹面鏡の多重反
射経路は、なお像強度に負の影響を与えうる。
Collimation devices are also found in head-up display (HUD) systems cooperatively associated with a combiner element that superimposes the generated image on the forward field of view. In many configurations, the combiner element and the collimation device require multiple filtering and reflection of the generated image, which can affect transmission and have a negative effect on image brightness, as described above. An example of a modern system of this type is found in U.S. Pat. No. 4,859,031 issued Aug. 22, 1989. There, a system that utilizes the properties of cholesteric liquid crystals as an efficient reflector to a semi-reflecting concave mirror, and then an efficient transmitter of the collimated image to the observer, in order to get a good effect. Is explained. The image collimating device is arranged between the image source and the observer, and the generated image is first polarized into circularly polarized light in a particular rotational direction. When so polarized, the image is transmitted to a semi-reflecting mirror which is then reflected by the mirror. This configuration has a transmission efficiency higher than that of the prior art, and at best 12.
Although improving to 5%, the multiple reflection paths of the polarizing and semi-reflecting concave mirrors can still negatively affect the image intensity.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従って、本技術分野に
は現在、像の改善された伝送性を有する光コリメート装
置への要求が存在する。さらに、そのような光学装置の
応用には、大きさおよび重量が重要となるヘッド取付け
ディスプレイシステムまたは他の応用が含まれるので、
小形かつ軽量であるそのような光コリメート装置への要
求が現在存在する。
Therefore, there is currently a need in the art for an optical collimating device having improved transmission of images. In addition, applications of such optical devices include head-mounted display systems or other applications where size and weight are important.
A need currently exists for such an optical collimating device that is small and lightweight.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、観察者の視線
内の、好ましくは無限遠、または無限遠の近くに像を形
成するための、改善された像伝送性を有する小形像光コ
リメート装置に関する。本発明の別の実施例は、やはり
改善された像強度をもって、合成器と共にコリメーショ
ンを可能にし、観察者が観察しうるように多重像を光学
的に重ね合わせる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a compact image light having improved image transmission for forming an image within the line of sight of an observer, preferably at or near infinity. The present invention relates to a collimating device. Another embodiment of the invention enables collimation with a combiner, also with improved image intensity, to optically superimpose multiple images for viewing by an observer.

【0007】本発明の実施例によれば、コリメーション
装置は、所定帯域幅内の成分を有し、かつ特定回転方向
の円偏光を有する像光を発生する像源と、コレステリッ
ク液晶素子と、凹面光学鏡と、を含む。該コレステリッ
ク液晶素子は、該像光を受け、かつ該像光を該光学鏡の
曲(凹)面へ送る向きに配置される。該光学鏡は、該像
光を拡大(コリメート)して前記コレステリック液晶素
子へ返し、それを行う時に該像の円偏光の回転方向を逆
転させる。前記所定帯域幅内にあり、かつ前記特定の円
偏光を有する前記返された像光の成分は、次に前記コレ
ステリック液晶素子により、観察者の視線上へ反射され
る。
According to an embodiment of the present invention, a collimation device includes an image source for generating image light having a component within a predetermined bandwidth and having circularly polarized light in a specific rotation direction, a cholesteric liquid crystal element, and a concave surface. And an optical mirror. The cholesteric liquid crystal element is arranged so as to receive the image light and send the image light to the curved (concave) surface of the optical mirror. The optical mirror expands (collimates) the image light and returns it to the cholesteric liquid crystal element, and when doing so, reverses the rotation direction of the circularly polarized light of the image. The component of the returned image light that is within the predetermined bandwidth and has the specific circular polarization is then reflected by the cholesteric liquid crystal element into the line of sight of the observer.

【0008】本発明の上記実施例の別のバージョンにお
いては、前記コレステリック液晶素子は、所定の回転方
向の円偏光および波長を有する前記像源からの像光を、
前記凹面光学鏡上へ反射するように形成され、かつ配置
される。該光学鏡は、コリメートされた該像光を、該像
の円偏光の回転方向を逆転させて前記コレステリック液
晶素子へ返すので、返された像光は次に該コレステリッ
ク液晶素子によって観察者の視線上へ透過せしめられ
る。この場合も、該コレステリック液晶素子によって反
射された円偏光の回転方向と反対の回転方向を有する前
記像源から投射された像光は、もしあっても、観察者の
視線外へ透過せしめられる。
In another version of the above-described embodiment of the present invention, the cholesteric liquid crystal element emits image light from the image source having circular polarization and wavelength in a predetermined rotation direction,
Formed and arranged to reflect onto the concave optical mirror. The optical mirror returns the collimated image light to the cholesteric liquid crystal element by reversing the rotation direction of the circularly polarized light of the image, and the returned image light is then viewed by an observer by the cholesteric liquid crystal element. It is made transparent on the line. Also in this case, the image light projected from the image source having the rotation direction opposite to the rotation direction of the circularly polarized light reflected by the cholesteric liquid crystal element, if any, is transmitted out of the line of sight of the observer.

【0009】本発明は、発生した像光を観察者へ100
%近くの強度によって送りうる。像光が観察者の前方視
野上に重ね合わされる、本発明の別の構成においては、
強度は約50%減少せしめられる。
According to the present invention, the generated image light is transmitted to the observer 100 times.
It can be sent with a strength near%. In another configuration of the invention, where the image light is superimposed on the front field of view of the observer,
The strength is reduced by about 50%.

【0010】像源は、多くの可能な技術のうちで、好ま
しくは液晶ディスプレイ(LCD)とするが、ブラウン
管(CRT)のような他の像源も用いられうる。像源と
しての液晶ディスプレイは、直線偏向し、実質的に強度
損失のない1/4波長遅延器により容易かつ効率的に円
偏光に変換されうる像光を発生する。そのような構成
は、観察者に対し、最良の場合に最初の像強度の25%
の像強度を与える。
The image source is, of the many possible technologies, preferably a liquid crystal display (LCD), but other image sources such as a cathode ray tube (CRT) may also be used. A liquid crystal display as an image source produces image light which is linearly polarized and can be easily and efficiently converted into circularly polarized light by a quarter-wave delay device having substantially no intensity loss. Such an arrangement would give the observer at best 25% of the original image intensity.
Gives the image intensity of.

【0011】本発明のいずれの実施例もが有する1つの
特徴は、従来技術において行われていた半反射鏡を通し
ての像透過、およびその後の該半反射鏡からの反射が、
回避されていることである。本発明は、像の伝送性に対
する集束鏡の影響を、従来技術におけるそれより減少さ
せる。コレステリック液晶素子が、入射光のより高い百
分率を透過させ且つ/または反射しうるために、像の伝
送効率は増大する。
One feature of any of the embodiments of the present invention is that the image transmission through the semi-reflecting mirror and the subsequent reflection from the semi-reflecting mirror, which was done in the prior art, is
It has been avoided. The present invention reduces the effect of the focusing mirror on image transmission over that of the prior art. The transmission efficiency of the image is increased because the cholesteric liquid crystal element can transmit and / or reflect a higher percentage of the incident light.

【0012】本発明の第2の利点は、追加源、またはセ
ンサが、本発明と組合わされうることである。例えば、
本発明の別の実施例においては、追加源は、コレステリ
ック液晶素子から最初の像源の反対の位置に配置されう
る。該追加源は、追加情報を観察者の視線内へ効率的に
重ね合わせるため、および/または、例えばもし像源が
反射性装置または光活性光子装置(photo−act
ive photonic device)ならば所望
されるように、像源を照明するために用いられうる。セ
ンサは、像源および/または観察者の目により発生せし
められた像および/または、例えば、目のトラッキング
の目的で観察者の目により反射された発生像、を記録す
るために用いられうる。
A second advantage of the present invention is that additional sources, or sensors, may be combined with the present invention. For example,
In another embodiment of the invention, the additional source may be located opposite the original image source from the cholesteric liquid crystal element. The additional source may effectively superimpose additional information into the line of sight of the observer, and / or if, for example, the image source is a reflective device or a photo-actinic device.
It can be used to illuminate the image source as desired if an iv photonic device. The sensor may be used to record the image produced by the image source and / or the observer's eye and / or the produced image reflected by the observer's eye, for example for the purpose of eye tracking.

【0013】本発明のもう1つの実施例においては、コ
レステリック液晶装置上へ投射される像を発生するため
に、2つの別個の像源が配設される。1つは、該コレス
テリック液晶装置によって集束鏡へ反射される所定回転
方向をもつ像光部分を有する。該鏡は次に、該像光を前
記コレステリック液晶装置へ反射し返すように配置され
ていて、該像光の回転方向を逆転させるので、該像光は
該コレステリック液晶装置により観察者の視線内へ透過
せしめられる。他の像は、観察者の視線内へ直接投射さ
れる所定の像光を有する。このようにして、本発明は、
1つはコリメートされ拡大されているが、他はそうでな
い、観察のための多重像を与えるために用いられる。
In another embodiment of the invention, two separate image sources are provided to produce the image projected onto the cholesteric liquid crystal device. One has an image light portion with a predetermined rotation direction which is reflected by the cholesteric liquid crystal device to a focusing mirror. The mirror is then arranged to reflect the image light back to the cholesteric liquid crystal device and reverses the direction of rotation of the image light so that the image light is within the line of sight of the observer by the cholesteric liquid crystal device. Is transmitted to. The other image has a predetermined image light projected directly into the line of sight of the observer. In this way, the present invention
Used to give multiple images for observation, one collimated and magnified, the other not.

【0014】本発明のさらにもう1つの実施例において
は、LCDが光源によって照明されて、コレステリック
液晶装置へ投射される光像を発生する。本発明のこれら
の、およびその他の、利点および特徴は、本技術分野に
習熟した者にとっては、添付図面を参照しつつ、本発明
の実施例および別の実施例に関する以下の説明を一読す
れば明らかになるはずである。
In yet another embodiment of the invention, an LCD is illuminated by a light source to produce a light image projected onto a cholesteric liquid crystal device. These and other advantages and features of the invention will be apparent to those of skill in the art upon reading the following description of an embodiment of the invention and other embodiments with reference to the accompanying drawings. It should be clear.

【0015】[0015]

【実施例】本発明は、本発明の関連技術分野に習熟した
者にとって公知であるコレステリック液晶(CLC)装
置のある性質を利用する。それらの性質の詳論について
は、米国特許第4,859,031号または第4,90
0,133号に記載されている議論を参照されたい。完
全にするために、しかしそれよりもこの単一文書におけ
る本発明の理解を確実ならしめるために、本発明の詳細
を論ずる前にそれらの性質のあるものをここで略述す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention utilizes certain properties of cholesteric liquid crystal (CLC) devices known to those skilled in the relevant arts of the present invention. For a detailed description of their properties, see US Pat. No. 4,859,031 or 4,90.
See the discussion in No. 0,133. For the sake of completeness, but rather to assure an understanding of the invention in this single document, some of their nature is outlined here before discussing the details of the invention.

【0016】コレステリック液晶(CLC)装置は、該
装置上へ投射される、(1)特定の帯域幅内にあり、
(2)特定の回転方向の円偏光である、光の成分を反射
するように構成されうる。例えば、CLC装置は、帯域
幅B内にあり、かつ右円偏光(RHCP)を有する光成
分を反射するように構成されうる。反射された光は、そ
の最初の回転方向(RHCP)を保持する。一方、CL
C装置上へ入射する、帯域幅B内の左円偏光(LHC
P)を有する光成分を含めての、像光の全ての他成分
は、変化することなくCLC装置を透過する。もちろん
逆に、CLCはまた、帯域幅B内のRHCP回転方向を
有する光成分を通過、すなわち透過せしめ、LHCP回
転方向を有する光成分を反射するようにも構成されう
る。
A cholesteric liquid crystal (CLC) device is (1) within a specific bandwidth projected onto the device,
(2) It may be configured to reflect a component of light, which is circularly polarized light in a specific rotation direction. For example, a CLC device may be configured to reflect light components that are within bandwidth B and that have right circular polarization (RHCP). The reflected light retains its original direction of rotation (RHCP). On the other hand, CL
Left circularly polarized light within the bandwidth B (LHC
All other components of the image light, including the light component with P), pass through the CLC device unchanged. Of course, conversely, the CLC may also be configured to pass, i.e., transmit, light components having an RHCP rotation direction within the bandwidth B and reflect light components having an LHCP rotation direction.

【0017】ここで図、特に図1Aを参照すると、本発
明の光コリメート装置の実施例が示されている。全体を
参照番号10により指示された光コリメート装置は、帯
域幅B内の特定の円偏光を有する像光成分を反射するよ
うに構成されたタイプのコレステリック液晶(CLC)
装置14を含むように示されている。反射された光は、
上述のように、その最初の回転方向を保持する。しか
し、帯域幅B内になく、かつ/または、たとえ帯域幅B
内にあっても前記特定の円偏光をもたない、CLC装置
14上への入射像光成分は、変化することなくCLC装
置14を透過する。
Referring now to the drawings, and in particular to FIG. 1A, there is shown an embodiment of the optical collimating device of the present invention. A light collimating device, generally designated by reference numeral 10, is a type of cholesteric liquid crystal (CLC) configured to reflect an image light component having a particular circular polarization within a bandwidth B.
It is shown to include the device 14. The reflected light is
Retain its original direction of rotation, as described above. However, it is not within bandwidth B and / or even if bandwidth B
The incident image light component on the CLC device 14, which does not have the specific circularly polarized light inside, is transmitted through the CLC device 14 without change.

【0018】CLC装置14は、CLC材料の化学的性
質により、いずれかの回転方向すなわち左右性を有する
円偏光を反射することができ、本議論の目的上CLC装
置14は、帯域幅B内の左円偏光(LHCP)の像光を
反射し、帯域幅Bより著しく大きい(しかし帯域幅Bを
含む)電磁放射の波長帯域幅内のRHCP像光を含む像
光に対しては透明であるように、構成されているものと
して説明される。しかし、本質的には、帯域幅B内のL
HCP成分を除外した、全ての可視スペクトルの電磁放
射が、CLC装置14を透過する。
Due to the chemical nature of the CLC material, the CLC device 14 can reflect circularly polarized light with either direction of rotation, that is, left-right, and for the purposes of this discussion, the CLC device 14 will have a bandwidth within the bandwidth B. Reflects left circularly polarized (LHCP) image light and appears to be transparent to image light including RHCP image light within the wavelength bandwidth of electromagnetic radiation significantly larger than (but including bandwidth B) Are described as being configured. However, in essence, L in bandwidth B
All visible spectrum electromagnetic radiation, excluding the HCP component, passes through the CLC device 14.

【0019】このようにして図1Aは、CLC装置14
が像源12からの像光を(CLC装置14から見て)凹
面鏡16へ透過させ、帯域幅Bを有するLHCP像光を
観察者Oの視線外へ反射するように配置されていること
を示している。凹面鏡16は、CLC装置14から受け
た像光を拡大(コリメート)する働きをし、そのように
コリメートされた像光を、その回転方向を逆転して、C
LC装置14へ反射し返すように配置されている。この
ようにして、CLC装置14からの像光のRHCP成分
は、CLC装置14へ反射し返される時LHCP成分に
変換される。鏡によって反射された像光の、帯域幅B内
にあるそれらのLHCP成分は、次にCLC装置14に
より観察者Oの視線内へ、観察のために反射される。凹
面鏡16により反射された像光の全ての他の成分(例え
ば、RHCP像光)は、CLC装置14により観察者O
の視線外へ透過せしめられる。
Thus, FIG. 1A shows the CLC device 14
Are arranged to transmit the image light from the image source 12 (as viewed from the CLC device 14) to the concave mirror 16 and reflect the LHCP image light having the bandwidth B out of the line of sight of the observer O. ing. The concave mirror 16 has a function of enlarging (collimating) the image light received from the CLC device 14, and reverses the rotation direction of the image light thus collimated to obtain C
It is arranged so as to be reflected back to the LC device 14. In this way, the RHCP component of the image light from the CLC device 14 is converted to the LHCP component when reflected back to the CLC device 14. Those LHCP components within the bandwidth B of the image light reflected by the mirror are then reflected by the CLC device 14 into the line of sight of the observer O for observation. All other components of the image light reflected by the concave mirror 16 (for example, RHCP image light) are observed by the observer O by the CLC device 14.
It is transmitted outside the line of sight of.

【0020】図1Bがさらに示しているように、CLC
装置14はまた、帯域幅B内のRHCP成分を除外した
前方視野を観察者Oへ透過させるようにも配置される。
従って、図1Bのコリメート装置は、像源12が発生し
た像を観察者Oへ、その像を(CLC装置14を通して
観察される)前方視野上に、極めて小さい発生像光の損
失をもって重ね合わせるようにして提示する。
As FIG. 1B further shows, the CLC
The device 14 is also arranged to transmit the anterior field of view excluding the RHCP component in the bandwidth B to the observer O.
Therefore, the collimator device of FIG. 1B superimposes the image produced by the image source 12 onto the observer O and onto the front field of view (observed through the CLC device 14) with a very small loss of produced image light. To present.

【0021】もちろん、ここに教示される本発明はさま
ざまな別の実施例を有し、そのいくつかが図1Bおよび
図2から図4までに示されている。ここで図1Bを参照
すると、本発明のこの別の実施例は、CLC装置14
と、図1Aに示されている位置から再配置された鏡16
とを有し、両者は、観察者Oの視線内に位置している。
像源12とCLC装置14とは、帯域幅B内の像光のR
HCP成分が、CLC装置14により凹面鏡16へ、そ
の回転方向の逆転なく反射されるように配置されてい
る。鏡16は、次に像を拡大(コリメート)し、そのコ
リメートされた像光をCLC装置14への経路に沿って
反射し返し、その回転方向をRHCPからLHCPへ逆
転させるように配置されている。今はLHCP回転方向
を有する該反射された像光は、CLC装置14により観
察者Oへ透過される。
Of course, the invention taught herein has various alternative embodiments, some of which are illustrated in FIGS. 1B and 2-4. Referring now to FIG. 1B, this alternate embodiment of the present invention illustrates a CLC device 14
And the mirror 16 repositioned from the position shown in FIG. 1A.
And both are located within the line of sight of the observer O.
The image source 12 and the CLC device 14 are arranged so that R of the image light within the bandwidth B is
The HCP component is arranged by the CLC device 14 to be reflected by the concave mirror 16 without reversing the rotation direction. The mirror 16 is then arranged to magnify (collimate) the image, reflect the collimated image light back along the path to the CLC device 14, and reverse its direction of rotation from RHCP to LHCP. . The reflected image light, now having the LHCP rotation direction, is transmitted by the CLC device 14 to the observer O.

【0022】図1A、図1Bに示されている本発明の実
施例のいずれにおいても、像源12は単色像を発生する
タイプのものでありえ、その場合には、像光の一部(帯
域幅B内のRHCP成分)のみが反射され、前述のよう
に凹面鏡16およびCLC14を経て、最後に観察者O
へ伝達される。像光の全ての他の成分は、CLC装置1
4により観察者Oの視線外へ透過せしめられる。しか
し、好ましくは、像源12は、直線偏光した像を発生す
る液晶ディスプレイ20とする。本発明の図1Aの実施
例においては、発生した像は次に1/4波長遅延器22
を通過せしめられ、遅延器22はその像光を、回転方向
がLHCPとなるように円偏光させる。本発明の図1B
の実施例においては、1/4波長遅延器は像光を、RH
CPの回転方向を有するように円偏光させる。
In any of the embodiments of the invention shown in FIGS. 1A and 1B, the image source 12 may be of the type that produces a monochromatic image, in which case a portion (bandwidth) of the image light is generated. Only the RHCP component within the width B) is reflected, passes through the concave mirror 16 and the CLC 14 as described above, and finally reaches the observer O.
Is transmitted to All other components of the image light are CLC device 1
The image is transmitted outside the line of sight of the observer O by 4. However, preferably the image source 12 is a liquid crystal display 20 which produces a linearly polarized image. In the embodiment of FIG. 1A of the present invention, the generated image is then a quarter wavelength delay 22
, And the delay device 22 circularly polarizes the image light so that the rotation direction is LHCP. FIG. 1B of the present invention
In this embodiment, the 1/4 wavelength delay device transmits the image light to the RH
Circularly polarized light having a CP rotation direction.

【0023】光コリメート装置に用いられている光学成
分の性質により、CLC装置14は、帯域幅B内にあり
且つコレステリック液晶素子が形成されている角でCL
C装置14に入射するRHCP光の実質的に全てを反射
する。あるいは、CLC装置14は、それに入射する実
質的に全てのLHCP光成分を、もしそれが存在すれ
ば、透過させる。光学凹面鏡16は、それに入射する実
質的に全ての光を反射する。従って、図1A、図1Bの
光コリメート装置10の実施例のいずれも、RHCP像
光の最初の強度の100%近くを観察者Oへ送りうるよ
うになる。上述のように構成され、本来円偏光した光を
発生しうる(または、LCD20の場合におけるよう
に、1/4波長遅延器22の透過によって実質的に完全
に円偏光に変換されうる直線偏光した光を発生しうる)
像源と共用される時、像コリメート装置10を用いる視
覚ディスプレイシステムは実質的に十分に効率的とな
る。もし像源20がそうでなく、偏光していない光、ま
たは平等に混合された偏光を発生すれば、像コリメート
装置10を用いる視覚ディスプレイシステムは実質的に
50%の効率になる。
Due to the nature of the optical components used in the light collimating device, the CLC device 14 will have a CL within the bandwidth B and at the corner where the cholesteric liquid crystal element is formed.
Reflects substantially all of the RHCP light that is incident on the C device 14. Alternatively, CLC device 14 transmits substantially all of the LHCP light component incident on it, if present. The optical concave mirror 16 reflects substantially all light incident on it. Therefore, in each of the embodiments of the optical collimator device 10 of FIGS. 1A and 1B, nearly 100% of the initial intensity of the RHCP image light can be sent to the observer O. A linearly polarized light configured as described above and capable of producing originally circularly polarized light (or, as in the case of LCD 20, can be converted to substantially circularly polarized light by transmission through quarter-wave retarder 22). Can generate light)
When shared with an image source, the visual display system using the image collimating device 10 becomes substantially efficient. If the image source 20 is otherwise, producing unpolarized light, or equally mixed polarized light, the visual display system using the image collimating device 10 is substantially 50% efficient.

【0024】これを、考察された発生像光の2つの場合
のそれぞれにおいて最良で50%または25%の効率を
有する従来技術と比較すると、本発明により与えられる
利益は明白である。本発明により与えられる改善された
伝送は、像源12が、同様な可視性を保持するためには
低い電力レベルで像を発生すればよいこと、または、同
じ電力で発生せしめられた場合には、像源12が発生す
る像が従来技術よりも改善された強度および輝度を有す
ること、を意味する。
Comparing this with the prior art, which has an efficiency of at most 50% or 25% in each of the two cases of generated image light considered, the benefit afforded by the present invention is clear. The improved transmission provided by the present invention requires that the image source 12 generate images at low power levels in order to maintain similar visibility, or if generated at the same power. , The image produced by the image source 12 has improved intensity and brightness over the prior art.

【0025】鏡16の曲率は好ましくは球面的なものと
するが、他の曲率もまた使用可能であり、かつ特定の応
用においては好適でさえありうる。さらに、鏡16は、
観察者Oがそれによって水平線上の前方視界を、その上
に像源12が発生した像を重ね合わされて与えられるよ
うに、半銀付けされたものでありうる。鏡16が部分的
に反射的であり、かつ部分的に透過的である場合は、光
コリメート装置10は、発生した像に対するコリメータ
と、前方水平線上の像を像源12が発生した像と合成す
る合成器と、の双方として機能する。
The curvature of the mirror 16 is preferably spherical, although other curvatures can be used and may even be suitable in certain applications. Furthermore, the mirror 16
It may be semi-silvered so that the observer O is thereby provided with a forward field of view on the horizon, on which the image produced by the image source 12 is superimposed. If the mirror 16 is partially reflective and partially transparent, the light collimating device 10 combines the collimator for the generated image with the image on the front horizon with the image generated by the image source 12. Function as both a synthesizer and a synthesizer.

【0026】次に図2を参照すると、光コリメート装置
10のもう1つの実施例が示されている。図2において
は、図1Bにおけるように構成された光コリメート装置
10が、観察者Oによる観察のために、像源12からの
像の上に第2像を重ね合わせる第2像源30と共に用い
られている。図2が示しているように、第2像源30
は、帯域幅B内のRHCP回転方向の成分を有する第2
発生像を発生させるために配設されている。この第2像
は、CLC装置14上に投射される。第2像のRHCP
回転方向により、それは、像源12が発生した第1像の
上に重ね合わされて、観察者Oの視線内に反射される。
Referring now to FIG. 2, another embodiment of the light collimating device 10 is shown. In FIG. 2, a light collimating device 10 configured as in FIG. 1B is used with a second image source 30 for superimposing a second image on the image from image source 12 for observation by an observer O. Has been. As shown in FIG. 2, the second image source 30
Is a second with component in the RHCP rotation direction within bandwidth B
It is arranged to generate a generated image. This second image is projected on the CLC device 14. Second image RHCP
Due to the direction of rotation, it is superimposed on the first image produced by the image source 12 and reflected in the line of sight of the observer O.

【0027】第2像は、所望により、コリメートされ、
あるいはコリメートされない。もしコリメートされた第
2像が所望され、あるいは必要とされれば、それは、例
えば、像源30とCLC装置14との間に、像光を受け
コリメートされた形式で透過させるコリメートレンズを
置くなどして、コリメートされなくてはならない。
The second image is optionally collimated,
Or not collimated. If a collimated second image is desired or required, it may for example have a collimating lens between the image source 30 and the CLC device 14 that receives the image light and transmits it in a collimated form, etc. And then they have to be collimated.

【0028】上述のように、像源12および/または3
0は、像光を発生させるためのバックライトを有するL
CDであることを有利とする。ある環境においては、光
コリメート装置内にバックライトの機能をもたないLC
D装置を用いることが所望される。もしそうであれば、
使用されるLCD装置は、像光を発生するために照明さ
れなくてはならず、図3は、そのようなLCD装置を用
いた本発明の実施例を示す。この場合、図3が示してい
るように、コリメート装置10はコリメーションを行
い、バックライトの機能をもたない像源40を用いてい
るので光源42によって照明される。そのように像源4
0を照明することによって発生せしめられた像は、帯域
幅B内のRHCP成分を有する像を反射するように構成
され且つ配置されたコレステリック液晶素子14上へ投
射される。像源40によって発生せしめられた像光の、
帯域幅B内のRHCP成分は、CLC装置14により、
その回転方向の逆転なく、凹面鏡16へ反射される。凹
面鏡16は次に、該像を、その回転方向を逆転して、C
LC装置14へ反射し返すので、それはここでLHCP
光となる。CLC装置14は、この像光を観察者Oの視
線内へ透過させる。
As described above, the image source 12 and / or 3
0 is L having a backlight for generating image light
Advantageously it is a CD. In some environments, LC that does not have a backlight function in the optical collimator
It is desired to use the D device. If so,
The LCD device used must be illuminated to generate the image light and FIG. 3 shows an embodiment of the invention using such an LCD device. In this case, as shown in FIG. 3, the collimating device 10 collimates and is illuminated by the light source 42 because it uses an image source 40 that does not have a backlight function. So image source 4
The image produced by illuminating 0 is projected onto a cholesteric liquid crystal element 14 constructed and arranged to reflect an image having an RHCP component within bandwidth B. Of the image light generated by the image source 40,
The RHCP component within the bandwidth B is
It is reflected on the concave mirror 16 without reversing the rotation direction. Concave mirror 16 then reverses the image by reversing its direction of rotation to C
Since it is reflected back to the LC device 14, it is LHCP here.
Become light. The CLC device 14 transmits this image light into the line of sight of the observer O.

【0029】図3の本発明の実施例には示されていない
が、液晶ディスプレイ40から反射された直線偏光した
光を、(RHCPに)円偏光させるのに用いられる1/
4波長遅延器が使用される。
Although not shown in the embodiment of the invention of FIG. 3, 1 / used to circularly polarize (to RHCP) linearly polarized light reflected from liquid crystal display 40.
A four wavelength delay device is used.

【0030】次に図4を参照すると、そこには、観察者
Oの視線内に発生像を、発生光の実質的に100%をも
って投射し、またコリメートする、本発明の実施例が示
されている。上述の諸実施例におけると同様に、図4の
実施例において用いられているCLC装置は、帯域幅B
内のRHCP回転方向を有する光成分を反射し、一方
(スペクトルの可視領域内の)全ての他の成分を透過す
るように構成されている。従って、図4が示しているよ
うに、全体を参照番号50によって指示されているコリ
メート装置は、帯域幅B内にあるLHCP回転方向およ
びRHCP回転方向の双方を有する像光を発生する像源
52を含む。発生像光は、上述のように構成されたCL
C装置54上へ入射するように投射される。発生像光の
RHCP回転方向成分は、CLC装置54により凹面鏡
56へ反射される。凹面鏡56は、該発生像光を、その
回転方向を逆転してコリメートし、CLC装置54へ反
射し返して、CLC装置54は、該像光を観察者Oの視
線内へ透過させる。
Referring now to FIG. 4, there is shown an embodiment of the present invention in which the generated image is projected and collimated with substantially 100% of the generated light within the line of sight of the observer O. ing. As in the embodiments described above, the CLC device used in the embodiment of FIG.
It is configured to reflect light components having a RHCP rotation direction within and transmit all other components (in the visible region of the spectrum). Thus, as FIG. 4 shows, a collimator device, generally designated by the reference numeral 50, has an image source 52 that produces an image light having both LHCP and RHCP rotation directions within a bandwidth B. including. The generated image light is CL that is configured as described above.
It is projected so as to be incident on the C device 54. The RHCP rotation direction component of the generated image light is reflected by the CLC device 54 to the concave mirror 56. The concave mirror 56 reverses the rotation direction of the generated image light to collimate it, reflects it back to the CLC device 54, and the CLC device 54 transmits the image light into the line of sight of the observer O.

【0031】同時に、像源52からの発生像光のLHC
P成分は、CLC装置54により第2凹面鏡58へ透過
せしめられる。凹面鏡58は、受けた該像光を、その回
転方向をLHCPからRHCPへ反転させてコリメート
し、CLC装置54へ反射し返す。CLC装置54は次
に、凹面鏡58からの帯域幅B内のRHCP成分を観察
者の視線内へ反射する。従って、観察者は、像源52が
コリメート装置50内へ投射した発生像のLHCPおよ
びRHCP成分の双方を受け、それらの成分は該像を1
00%近くの伝送率をもって供給する。
At the same time, the LHC of the generated image light from the image source 52 is
The P component is transmitted to the second concave mirror 58 by the CLC device 54. The concave mirror 58 reverses the rotation direction of the received image light from LHCP to RHCP, collimates it, and reflects it back to the CLC device 54. The CLC device 54 then reflects the RHCP component within the bandwidth B from the concave mirror 58 into the line of sight of the observer. Therefore, the observer receives both the LHCP and RHCP components of the generated image projected by the image source 52 into the collimating device 50, which components will reduce the image to one.
Supply with a transmission rate of near 00%.

【0032】一般に、本発明の関連する技術分野に習熟
した者ならば、本発明の精神および範囲を逸脱すること
なく、構成における多くの変更およびさまざまに異なる
実施例が可能であることを認識しうるはずである。例え
ば、コレステリック液晶素子の組成は、該素子の最大反
射の帯域幅が、選択された波長に中心を有するようなも
のでありうる。同様にして、該波長付近の最大反射の帯
域幅も、コレステリック液晶の組成の関数として変化せ
しめられうる。また、異なる帯域幅をカバーするいくつ
かのコレステリック液晶素子を一緒に堆積して、より広
い帯域幅の動作を実現することもできる。
In general, one of ordinary skill in the relevant arts of the present invention will recognize that many modifications in construction and various different embodiments may be made without departing from the spirit and scope of the invention. It should be profitable. For example, the composition of a cholesteric liquid crystal device can be such that the maximum reflection bandwidth of the device is centered at the selected wavelength. Similarly, the bandwidth of maximum reflection near the wavelength can also be varied as a function of the composition of the cholesteric liquid crystal. Also, several cholesteric liquid crystal elements covering different bandwidths can be deposited together to achieve wider bandwidth operation.

【0033】さらに、本発明の諸成分の物理的配置も、
特別の結果を得るために変更されうる。例えば、コレス
テリック液晶素子14を、像に光学的倍率を与えるため
に曲面上に形成し、それによって本発明を用いるシステ
ムの光学的パフォーマンスを改善すること、または同じ
パフォーマンスの場合は、光学凹面鏡に要求される光学
的倍率を軽減すること、ができる。
Further, the physical arrangement of the components of the present invention is
It can be modified to get special results. For example, the cholesteric liquid crystal element 14 may be formed on a curved surface to provide optical magnification to the image, thereby improving the optical performance of a system using the present invention, or for the same performance, an optical concave mirror. It is possible to reduce the optical magnification used.

【0034】さらに、ここで説明された本発明のさまざ
まな実施例に用いられる鏡は、意図された特定のディス
プレイシステムの異なる要求を満たすために、例えば非
球面、平面、または凸面の、さまざまな形状に形成され
うる。
In addition, the mirrors used in the various embodiments of the invention described herein may be of various aspheric, planar, or convex shapes to meet the different requirements of the particular display system contemplated. It can be formed into a shape.

【0035】なおさらに、最大反射の波長が角度に敏感
である(すなわち、入射角の増加に伴い、最大反射の波
長は短い波長の方へ偏移する)というコレステリック素
子の性質により、実現されたシステム設計の公称角にお
ける入射光に対するコレステリック液晶素子の最大反射
の波長は、他の入射角における反射の、短い、または長
い波長の方への偏移を補償するように増加せしめられう
る。この性質は、補正を行わない場合に、本発明を用い
るシステム内に、該システム内の任意の屈折性材料の色
効果から起こる色収差が存在する、該色収差の補正を行
うために用いられ、または、色効果を同じにする場合
は、他の屈折性材料の要求を軽減するために用いられ
る。
Furthermore, it has been realized by the property of the cholesteric element that the wavelength of maximum reflection is angle-sensitive (that is, the wavelength of maximum reflection shifts to a shorter wavelength as the incident angle increases). The wavelength of maximum reflection of the cholesteric liquid crystal element for incident light at the nominal angle of the system design can be increased to compensate for the shift of the reflection at other angles of incidence towards shorter or longer wavelengths. This property is used to correct for chromatic aberration, where there is chromatic aberration in the system using the invention that results from the chromatic effect of any refractive material in the system without correction, or , If the color effect is the same, it is used to reduce the requirement of other refractive materials.

【0036】以上の開示および説明は、純粋に実例とし
てのものであり、いかなる意味においても制約的なもの
であることは意図していない。
The above disclosure and description are purely illustrative and are not intended to be in any sense limiting.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】Aは本発明の光コリメーションシステムの実施
例を示し、Bは本発明の光コリメーションシステムの別
の実施例を示す。
FIG. 1A shows an embodiment of the optical collimation system of the present invention, and B shows another embodiment of the optical collimation system of the present invention.

【図2】図1Bの像形成システムによって発生せしめら
れたコリメートされた像の上に、第2発生像を重ね合わ
せる、本発明のもう1つの実施例を示す。
2 shows another embodiment of the invention in which a second generated image is superimposed on the collimated image generated by the imaging system of FIG. 1B.

【図3】光源を用いて像源を照明することにより発生し
た像を図1Bのコリメート装置へ投射する、本発明のさ
らにもう1つの実施例を示す。
FIG. 3 illustrates yet another embodiment of the present invention in which an image produced by illuminating an image source with a light source is projected onto the collimating device of FIG. 1B.

【図4】本発明のさらにもう1つの実施例である、偏光
していない光を100%に近い伝送率でコリメートしう
るコリメート装置を示す。
FIG. 4 illustrates yet another embodiment of the present invention, a collimating device capable of collimating unpolarized light with a transmission rate near 100%.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 光コリメート装置 12 像源 14 コレステリック液晶装置 16 凹面鏡 O 観察者 10 Optical collimator device 12 Image source 14 Cholesteric liquid crystal device 16 Concave mirror O Observer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 像を観察者から見て無限遠または所望の
有限距離に集束させる光コリメート装置であって、該像
が像手段によって形成され、所定帯域幅内の成分を有し
且つ第1回転方向の円偏光である円偏光した像光を含
み、前記装置が、 前記所定帯域幅内の第1回転方向の円偏光である光に対
して反射的であるタイプのコレステリック液晶素子と、 前記像光を受けて該コレステリック液晶素子へ反射する
ように配置され、該反射によって円偏光の前記回転方向
を逆転させる光学鏡と、を含み、 前記像手段からの像光が、該光学鏡により受けられ、該
像光成分の回転方向の逆転を伴って前記コレステリック
液晶素子へ、かつ前記観察者の視線内へ反射されるよう
に、前記コレステリック液晶素子と前記光学鏡とが配置
されている、光コリメート装置。
1. An optical collimating device for focusing an image at infinity or a desired finite distance as viewed by an observer, said image being formed by image means and having a component within a predetermined bandwidth. A cholesteric liquid crystal device of the type that includes circularly polarized image light that is circularly polarized in a rotational direction, wherein the device is reflective to light that is circularly polarized in a first rotational direction within the predetermined bandwidth; An optical mirror arranged to receive the image light and reflect it to the cholesteric liquid crystal element, and to reverse the rotation direction of the circularly polarized light by the reflection; and the image light from the image means is received by the optical mirror. The cholesteric liquid crystal element and the optical mirror are arranged so as to be reflected to the cholesteric liquid crystal element with the reversal of the rotation direction of the image light component and into the line of sight of the observer. Collimation Device.
【請求項2】 前記コレステリック液晶素子が、前記光
学鏡により該素子へ反射された前記像光成分を、前記観
察者の前記視線内へ送る、請求項1記載の光コリメート
装置。
2. The optical collimator device according to claim 1, wherein the cholesteric liquid crystal element sends the image light component reflected by the optical mirror to the element into the line of sight of the observer.
【請求項3】 像を観察者から見て無限遠または所望の
有限距離に集束させる光コリメート装置であって、該像
が像手段によって形成され、所定帯域幅内の成分を有し
且つ所定回転方向の円偏光である像光を含み、前記装置
が、 前記所定の帯域幅を有し且つ前記所定回転方向の円偏光
である光に対して反射的であるタイプのコレステリック
液晶素子と、 光学鏡と、を含み、 前記像手段からの前記像光が、前記コレステリック液晶
素子上へ投射され、前記所定の帯域幅と回転方向とを有
する前記像光の前記成分が前記光学鏡へ反射されること
によって、前記コレステリック液晶素子へ、かつ前記観
察者の視線内へ反射し返されるように、前記コレステリ
ック液晶素子と前記光学鏡とが配置されている、光コリ
メート装置。
3. A light collimating device for focusing an image at infinity or a desired finite distance as viewed by an observer, the image being formed by image means, having a component within a predetermined bandwidth and having a predetermined rotation. A cholesteric liquid crystal element of a type including image light that is circularly polarized light in a predetermined direction, the device having a predetermined bandwidth and being reflective to light that is circularly polarized light in the predetermined rotation direction, and an optical mirror. The image light from the image means is projected onto the cholesteric liquid crystal element, and the component of the image light having the predetermined bandwidth and the rotation direction is reflected to the optical mirror. An optical collimating device in which the cholesteric liquid crystal element and the optical mirror are arranged so that the light is reflected back to the cholesteric liquid crystal element and into the line of sight of the observer.
【請求項4】 像を観察者から無限遠または所望の有限
距離に光学的にコリメートする方法であって、 所定帯域幅内の像光成分を有し且つ所定回転方向の円偏
光である像光を、該所定帯域幅と該所定回転方向とを有
する像光成分に対して反射的であるように構成されたコ
レステリック液晶素子上へ入射させるステップと、 前記像光成分を光集束鏡へ反射するように前記コレステ
リック液晶素子を配置するステップと、 前記像光成分を前記コレステリック液晶素子へ向けて反
射し返すように前記光集束鏡を配置するステップと、 前記光集束鏡から反射された前記像光成分を前記観察者
へ送るステップと、を含む、光コリメート方法。
4. A method of optically collimating an image at infinity or a desired finite distance from an observer, the image light having an image light component within a predetermined bandwidth and being circularly polarized light in a predetermined rotation direction. To enter a cholesteric liquid crystal element configured to be reflective to an image light component having the predetermined bandwidth and the predetermined rotation direction; and reflecting the image light component to a light focusing mirror. As such, the step of disposing the cholesteric liquid crystal element, the step of disposing the light focusing mirror so as to reflect back the image light component toward the cholesteric liquid crystal element, and the image light reflected from the light focusing mirror. Sending a component to said observer.
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