(57)【要約】第１の直線偏光子を備える視準イメージ形成装置を開示する。第１の４分の１波長板（１４）は、第１の直線偏光（１２）に隣接し、第１の偏光子の偏光面に対して実質的に４５度にある速軸および遅軸を有する。装置は、第１の偏光子に隣接する凸面を有し、第１の４分の１波長板に向かって面するビームスプリッティング湾曲鏡（１６）と、湾曲鏡の凹面に隣接する第２の４分の１波長板（２２）であって、第２の４分の１波長板が、第１の４分の１波長板の速軸および遅軸に対して、９０度の第１の整数倍数と実質的に同値の角度にある速軸および遅軸を有する、第２の４分の１波長板と、第２の４分の１波長板に隣接する反射透過偏光部材（２４）と、を備える。第２の直線偏光子（２６）は、反射透過偏光部材に隣接し、第１の直線偏光子の偏光面に対して、９０度の第２の整数倍数と実質的に同値の角度にある偏光面を有し、倍数の両方が奇数または偶数である。
2007512581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順方向に光を出力するイメージソースの仮想光学イメージを所望の実視距離において提示する光学システムであって、該システムは、
（ａ）該イメージソースからの光を受け、変更された光を順方向に出力するための、不均一透過特性を有する、第１の少なくとも部分的光透過性部材と、
（ｂ）該変更された光を受け、変更され透過した光を出力する、部分的透過性かつ部分的反射性集束部材と、
（ｃ）逆方向の該変更され透過した光を該集束部材に向かって反射する部分的透過性かつ部分的反射性部材であって、該集束部材が、該変更され透過して反射された光を反射する特性を有し、該部分的透過性かつ部分的反射性部材が、該部分的透化性かつ部分的反射性集束部材において反射された、該変更され透過して反射された光を透過する、部分的透過性かつ部分的反射性部材と
を備える、光学システム。
【請求項２】
前記イメージソースからの光を受け、変更された光を出力するための、不均一透過特性を有する、前記第１の少なくとも部分的光透過性部材が、第１の偏光子を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第１の偏光子が、直線偏光子および４分の１波長板を備える円偏光子を含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記変更された光を受け、変更され透過した光を出力する、前記部分的透過性かつ部分的反射性集束部材が、部分的透過性凹面鏡を備える、請求項３に記載の光学システム。
【請求項５】
前記逆方向の前記変更され透過した光を前記集束部材に向かって反射するための前記部分的透過性かつ部分的反射性部材が、４分の１波長板、および反射／透過偏光子を備える、請求項３に記載の光学システム。
【請求項６】
前記逆方向の前記変更され透過した光を前記集束部材に向かって反射するための前記部分的透過性かつ部分的反射性部材が、４分の１波長板、および反射／透過偏光子を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記逆方向の前記変更され透過した光を前記集束部材に向かって反射するための前記部分的透過性かつ部分的反射性部材が、第１の方位を有する第１の直線偏光子を備え、前記イメージソースからの光を受け、変更された光を順方向に出力するための、不均一透過特性を有する、前記第１の少なくとも部分的光透過性部材が、該第１の方位と異なる第２の方位を有する第２の直線偏光子を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
順方向に光を出力するイメージソースの仮想光学イメージを所望の実視距離において提示する光学システムであって、該システムは、
（ａ）該イメージソースからの光を受けるように、かつ、第１の方向の方位を有する第１の直線偏光された光を出力するように、方位付けられた第１の直線偏光要素であって、該第１の直線偏光要素が該第１の方向に方位付けられる、第１の直線偏光要素と、
（ｂ）第２の方向に方位付けられ、該直線偏光された光を受けとり、第１の楕円偏光された光を出力するように、位置される第１の楕円偏光部材であって、該第１の楕円偏光された光が第１の楕円方向において方位付けられる、第１の楕円偏光部材と、
（ｃ）該第１の楕円偏光された光を受けるように、および、該第１の楕円偏光された光の一部を透過するように、位置する部分的透過性かつ部分的反射性の集束部材と、
（ｄ）該集束部材からの該第１の楕円偏光された光の該一部を受けるように、および、第２の直線偏光された光として、該第１の楕円偏光された光の該一部を透過するように、位置する第２の楕円偏光部材であって、該第２の楕円偏光された光が、該第１の方向に方位付けられる、第２の楕円偏光部材と、
（ｅ）該第１の方向に直線偏光された光を反射するように、および、該第１の方向に対して横断方向に直線偏光された光を透過するように、構成され、位置する反射−透過偏光子であって、
該第２の楕円偏光部材が、該反射−透過偏光子によって逆方向に反射された直線偏光された光を、該第１の楕円方向に偏光された第２の楕円偏光された光を有する該第２の楕円偏光された光へ変換するように、構成され、および位置され、
凹面鏡が、第３の楕円偏光された光として、該第２の楕円偏光された光を順方向に反射するように、位置され、
該第３の楕円偏光された光が、該第１の楕円方向と異なる第２の楕円方向を有し、
該第２の楕円偏光部材が、該第３の楕円偏光された光を、第３の直線偏光された光へ変換するように位置し、
該第３の直線偏光された光を順方向に透過し、
該第３の直線偏光された光が、該第１の方向に対して横断方向の第２の方向に方位付けられ、
それによって、該反射−透過偏光子が、該第３の直線偏光された光を順方向に透過する
反射−透過偏光子と
を備えた、光学システム。
【請求項９】
（ｆ）前記反射−透過偏光子からの光を受けるように方位付けられる第２の直線偏光要素であって、前記第２の方向に直線偏光された光を透過するように構成され、位置する、第２の直線偏光要素をさらに備える、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記楕円偏光部材が円偏光部材である、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記楕円偏光部材がコーティング処理を用いて製作される、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記反射−透過偏光子が液晶材料から形成される、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記楕円偏光部材が、部分的透過性かつ部分的反射性の凹面鏡の反対側にコートされる、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記楕円偏光部材が円偏光部材であり、該円偏光部材が４分の１波長板である、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記反射−透過偏光子がワイヤグリッドである、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記第１および第２の楕円偏光部材が、暗い角の現象を補正するように合わせた特性を組み合わせるように構成された液晶材料を備える４分の１波リターダである、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記第１および第２の楕円偏光部材が、暗い角の減少を補正するように合わせた特徴を組み合わせるように構成される、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１８】
偏光プロジェクタ、および、該プロジェクタの直線偏光を大部分維持する液晶材料をもって製作されるスクリーンを備えるイメージソースをさらに備える、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記反射−透過偏光子が液晶部材を備える、請求項７に記載の光学システム。
【請求項２０】
観察者から無限大距離において、または無限大よりも近い距離において、イメージを集束する光学視準装置であって、該装置は、
（ａ）第１の楕円偏光フィルタと、
（ｂ）半反射凹面鏡と、
（ｃ）反射−透過偏光部材と
を備える、光学視準装置。
【請求項２１】
（ｄ）第２の楕円偏光フィルタをさらに備える、請求項２０に記載の光学視準装置。
【請求項２２】
前記第１および第２の楕円偏光フィルタが前記半反射凹面鏡の反対側に位置する、請求項２１に記載の光学視準装置。
【請求項２３】
前記反射−透過偏光部材がパンクロである、請求項２２に記載の光学視準装置。
【請求項２４】
前記反射−透過偏光部材が、直線偏光された光を受け、直線偏光された光を出力する、請求項２３に記載の光学視準装置。
【請求項２５】
前記反射−透過偏光部材が、直線偏光された光を受け、直線偏光された光を出力する、請求項２０に記載の光学視準装置。
【請求項２６】
前記第１および第２の楕円偏光フィルタが前記半反射凹面鏡の反対側に位置する、請求項２５に記載の光学視準装置。
【請求項２７】
第１の直線偏光子と、
該第１の直線偏光子に隣接し、該第１の偏光子の偏光面に対して実質的に４５度にある速軸および遅軸を有する第１の４分の１波長板と、
該第１の偏光子に隣接する凸面を有し、該第１の４分の１波長板に向かって面するビームスプリッティング湾曲鏡と、
該湾曲鏡の凹面に隣接する第２の４分の１波長板であって、該第１の４分の１波長板の該速軸および遅軸に対して、９０度の第１の整数倍と実質的に同値の角度にある速軸および遅軸を有する、第２の４分の１波長板と、
該第２の４分の１波長板に隣接する反射−透過偏光部材と
を備える、イメージ形成装置。
【請求項２８】
前記反射−透過偏光部材に隣接する第２の直線偏光子をさらに備え、
該第２の直線偏光子が、前記第１の直線偏光子の前記偏光面に対して、９０度の第２の整数倍と実質的に同値の角度にある偏光面を有し、倍数の両方が奇数または偶数である、請求項２７に記載のイメージ形成装置。
【請求項２９】
前記反射−透過偏光部材が、直線偏光された光を受け、直線偏光された光を出力する、請求項２８に記載の光学視準装置。
【請求項３０】
遠方にあるかのうように思わせるイメージを形成するイメージ形成装置であって、該装置は、
第１の直線偏光子と、
第１の４分の１波長板と、
該第１の偏光子に隣接する凸面を有するビームスプリッティング湾曲鏡と、
該湾曲鏡の凹面に隣接する第２の４分の１波長板と、
該イメージ形成装置の出力をフィルタするように位置する犠減偏光部材と
を備える、イメージ形成装置。
【請求項３１】
前記第１の４分の１波長板が、前記第１の偏光子の偏光面に対して実質的に４５度の速軸および遅軸を有し、前記ビームスプリッティング湾曲鏡が該第１の４分の１波長板に向かって面し、前記第２の４分の１波長板が、該第１の４分の１波長板の該速軸および遅軸に対して、９０度の第１の整数倍と実質的に同値の角度にある速軸および遅軸を有する、請求項３０に記載のイメージ形成装置。
【請求項３２】
前記第２の４分の１波長板に隣接する反射−透過偏光部材をさらに備える、請求項３０に記載のイメージ形成装置。
【請求項３３】
少なくとも１つの非球面集束部材を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３４】
少なくとも２つの非球面集束部材を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３５】
前記光学システムが携帯電話内に含まれる、請求項３４に記載の光学システム。
【請求項３６】
順方向に光を出力するイメージソースの仮想光学イメージを所望の実視距離において提示する光学システムであって、該システムは、
（ａ）該イメージソースからの光を受け、変更された光を順方向に出力するための、第１の不均一透過特性を有し、第１の方向に方位付けられる、第１の少なくとも部分的光透過性部材と、
（ｂ）該変更された光を受け、変更され透過した光を出力する、部分的透過性かつ部分的反射性の集束部材と、
（ｃ）順方向の該変更され透過した光を該集束部材に向かって反射するための、第２の不均一透過特性を有し、該第１の方向と異なる第２の方向に方位付けられる、部分的透過性かつ部分的反射性の部材であって、該集束部材が、変更され透過し反射された光を反射する特性を有し、該部分的透過性かつ部分的反射性の部材が、該部分的透過性かつ部分的反射性の集束部材において反射された、変更され透過し反射されたた光を透過する、部分的透過性かつ部分的反射性の部材と
を備える、光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、遠距離にあるように見える物体を提示するためのシミュレータの視準表示に関する。
【０００２】
（連邦政府の後援による研究または開発についての記載）
該当なし。
【０００３】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００２年１１月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／３３３，０４１号への利益を主張する２００３年１１月２６日に出願された米国特許出願第１０／７２３，３９５号の一部継続出願であり、それぞれの開示が参考として本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００４】
実世界シミュレーションは、車輌訓練シミュレータからビデオゲームまで幅広い範囲のアプリケーションにおいて実施される。最も単純なシミュレータは、例えば、ビデオゲームにおいて用いられるものである。通常、そのようなシミュレータは、ブラウン管モニタまたは液晶ディスプレイ上に提示されるビデオ表示を利用する。そのような表示は、ウィンドウを介して見られる外世界の様相をシミュレートすることを意図する。２次元ディスプレイの実世界ウィンドウの類似物として、例えば、液晶ディスプレイの表面が挙げられ得る。そのディスプレイは、次元性特徴、モーション特徴、および、ビデオカメラによって生成されたビデオイメージの遠近特徴、に幾つかの点において類似する遠近特徴を有する。しかしながら、そのようなディスプレイは単に２次元であり、従って、それらが３次元ではなく、ただの２次元であるが故に、例えば、頭のモーションに対する反応が表れない。従って、このようなシステム上に提示されるイメージは、頭の動き、目の動き等に対する現実のイメージ変化反応に欠ける。さらに、そのようなディスプレイは、それを観察する人の視野を、比較的狭い角度のセクションの視野の範囲に定める。従って、一般的に、この様な２次元ディスプレイを見ている人は、実世界の格段と広い視野に囲まれた小さなディスプレイを見ている。
【０００５】
例えば、ウィンドウを介して実世界を見ている者が、頭を右または左に動かした場合、観察者から遠距離にあるイメージは、ウィンドウ内にて右または左へと移動したように見える。つまり、ビューアが、頭または目を動かす際に、ウィンドウを介するシーンが変化し、観察者が移動しているにも関らず、その物体は、静止しているように見える。これは、イメージがユーザの頭の動きとは独立関係にあるパソコン用に、またはテレビセット用に製造されるようなブラウン管ディスプレイを直接見る場合と対照的である。
【０００６】
同様の効果が、ディスプレイに向かうユーザの動き、およびそれから離れるユーザの動きの場合においても得られる。そのようなユーザの動きは、見せ掛けのイメージサイズにおける急激な変化を結果的に引き起こす。これは、（例えば、１００メートルの）比較的遠距離にある物体が、ディスプレイに向かう、またはそれから離れる（例えば、５〜１０センチメートルの）比較的小さな頭の動きにも関らず、そのサイズは不変のままに見える実世界と対照的である。
【０００７】
この問題は、ディスプレイ上にあるシミュレートされたシーンが、ユーザから、例えば４０ｃｍという比較的、限定された距離に位置するという事実に起因する。従って、数センチメートルの頭の動きが、予期されるイメージ位置と実際のイメージ位置との間に根本的な相違を生み出す。それにも関らず、人間の脳が、そのようなディスプレイを受け入れるように、テレビによって十分に馴染まされている故、そのようなシステムは、民間世界において大変な人気を有する。しかし、人間の脳によって受け入れられる一方、そのようなディスプレイは、情報を与え、それにより反応を導く、多数の視覚的なキューを提供することに欠ける。ここにおいて、視覚的なキューは、イメージ移動、イメージ視差、イメージサイズ等である。
【０００８】
従って、２次元の写真型ディスプレイを提供するのみでは、経験を基にした訓練に対して適切ではない。ここにおいて、経験を基にした訓練とは、航空機のパイロット、船舶のパイロットおよび船員等、戦闘車の運転者、宇宙飛行士、運転手等によって必要とされる経験を基にした訓練に加え、砲撃、ナビゲーション、ならびに、車輌に関る別の人達、固定設備に関る他の人達（例えば、銀行員）、ならびに、通信施設および防衛／攻撃用の大砲の砲床等に関る他の人達によって必要とされる訓練である。さらに、実世界のイメージを必要とする遠隔洞察システムは、ビューアの動きに応答する。
【０００９】
この問題に対する１つのアプローチは、イメージソースからの光を受け、その光を視準し、それによって、イメージソースが無限遠にあるように見せる、またはそれが少なくとも遠距離にあるように見せる、集束光学部品の使用である。遠距離にある光学部分から来る光は、実質的に並行であるため、ビューアの目に提示する以前のイメージソースの視準は、反射能力、反応等を訓練するのに有用であり得る効果的な実世界シミュレーションを、ビューアに提示するための効果的な対策である。
【００１０】
そのようなディスプレイは、通常、集束光学部品の焦点付近におけるイメージソースの配置を含む。例えば、イメージソースがブラウン管（ＣＲＴ）の面である場合、そのＣＲＴ面プレートは、集束光学部品の焦点面に位置し得る。従って、ブラウン管面から出、集束光学部品によって収集される全光は、視準された光、つまり、並行な光のバンドルとして提示される。原則的に、屈折光学部品がこの機能を為し得る一方、実質的に、屈折光学部品に関する重量、厚さ、および収差が、そのようなアプローチを非現実的なものにかえてしまう。従って、反射光学部品の使用が所望される。
【００１１】
しかしながら、反射光学部品は、多数の課題を与える。例えば、イメージは、通常、観察者と同一の、反射光学部品の側にソースを有することによって、形成され得る。イメージが、部分的反射型および部分的透過型の平面の光学部品の使用を以って、軸を折り返すことによって提示される場合、アセンブリは扱いにくく、隣接のアセンブリの提示は複雑であるか、不可能である。原則的に、凹光学部品が、半銀被膜凹部材、そのホログラフィックの均等物等によって置き換えられ得る一方、オリジナルイメージの直接的な視覚が、効果の有効性を壊し得る。
【００１２】
１９６０年代以来、上述の課題に対し、様々な程度の成果を有し、取り組んだシミュレータディスプレイが、利用可能である。例えば、Ｐａｎｃａｋｅ  Ｗｉｎｄｏｗという商標登録の下に販売されている視準シミュレーション光学部品は、この課題への解決法を提供する。
【００１３】
そのようなシステムは、特許文献１において記載され、イメージソースにつながるサンドイッチを備える。ここにおいて、そのサンドイッチは、縦偏光子、半銀被膜凹光学部品、４分の１波長板、平面ビームスプリッタ、４分の１波長板、および横偏光子を備える。
【００１４】
通常、この技術に従い、イメージソースは、縦偏光子を介して光を通過させ得る。縦偏光子からの光は、４分の１波長板を介してイメージソース光を通過させる凹半銀被覆集束光学部品を通過する。ここにおいて、４分の１波長板は、時計回り（すなわち、右）偏光特性を有する光を提供する。円偏光された光は、ビームスプリッタ（半銀被膜の平面鏡）において反射され、それによって、その光は、逆になった、すなわち反時計回り円偏光を有する。反時計回り（すなわち、左）方向において円偏光された光は、再度、４分の１波長板を通過し、横偏光された光として射出する。次に、その光は、凹反射光学部品において反射し、再度、４分の１波長板を通過し、それによって、光は、反時計回りに円偏光された光のバンドルとして回復する。次に、非変更偏光を以ってビームスプリッタを透過し、最終的に、４分の１波長板を通過する。この４分の１波長板は、横直線偏光特性を有する光を通過させる。次いで、出力イメージが横偏光子を通過される。
【００１５】
イメージソースから、縦偏光子を介して直接に通過してくる光、および様々な光学要素を介して通過してくる光は、縦偏光され得、横偏光された光のバンドルのみを通過させる最後の偏光子によってブロックされ得る。
【００１６】
そのようなシステムは、航空機シミュレータおよび宇宙飛行体シミュレータのような様々な車輌シミュレータを含む、バラエティに富んだアプリケーションにおいて見られる。そのようなシステムを用いるイメージソースは、ブラウン管ディスプレイ、モデル、ペイントされたディスプレイ等を含む。
【００１７】
しかしながら、理論的には、半銀被膜光学部品を介する全ての透過、それにおける反射、および偏光子を介するある特定の透過は、通常、５０パーセントの強度のロスを伴う。このロスは、集束光学部品において２回、ビームスプリッタにおいて２回、そして２つの偏光子の内の１つ目の偏光において１回起こる。従って、以下により完全に示されるように、かなりのロスが発生する。
【００１８】
原則的に、シミュレータの視準光学部材の一部の不利な点は、縦偏光子、４分の１波長板、凹半銀被膜集束光学部品、およびコレステリック偏光子を備える複数の要素のサンドイッチを含むシステムによってその解決が取り組まれ得る。例えば、特許文献２を参照されたい。コレステリック偏光子が、１つの方向に円偏光された光を通過させるが、反対の方向に円偏光された光を透過しない特性を有する故、そのようなシステムは、通常、機能する。しかしながら、そのようなシステムは、コレステリック偏光子の不適格さに痛手をこうむる。（その不適格さとは、比較的狭い範囲の反射率を有することや、例えば光学部品の３つの層の使用を必要とすること、そして、それによって、視準光学シミュレータ部材を形成するアセンブリが比較的、分厚くなること、および、お互いに、見当はずれの複数の色構成成分を有するイメージを表示すること、である。）。
【特許文献１】米国再発行特許発明第２７，３５６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８５９，０３１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（発明の概要）
本発明は、視準イメージ形成装置を提供する。この視準イメージ形成装置は、第１の直線偏光子と、第１の偏光子に隣接し、第１の偏光子の偏光面に対して実質的に４５度にある速軸および遅軸を有する第１の４分の１波長板とを備える。ビームスプリッティング湾曲鏡は、第１の偏光子に隣接する凸面を有し、その凸面は第１の４分の１波長板に向かって面する。第２の４分の１波長板は、湾曲鏡の凹面に隣接する。第２の４分の１波長板は、第１の４分の１波長板の速軸および遅軸に対して、９０度の第１の整数倍数と実質的に同値の角度にある速軸および遅軸を有する。反射−透過偏光部材は、第２の４分の１波長板に隣接する。第２の直線偏光子は、反射−透過偏光部材に隣接する。第２の直線偏光子は、第１の直線偏光子の偏光面に対して、９０度の第２の整数倍数と実質的に同値の角度にある偏光面を有し、倍数の両方が奇数または偶数である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施は、本発明の数実施形態のみを示す添付の図と、本明細書に含まれる本発明の記載と共に、理解され得る。
【００２１】
図１を参照し、本発明に従い、コリメータ１０は、縦偏光方位を有する偏光子１２を備える。偏光子１２は４分の１波長板１４に光を伝え、その４分の１波長板は集束鏡１６へ右円偏光された光を出力する。集束凹面鏡１６は、凹面ガラス基板２０にコーティングされた半銀被膜表面１８を有する凹面鏡である。凹面鏡１６は、凹面鏡１６とパンクロ反射／透過偏光子２４との両方に光学的に接続される第２の４分の１波長板２２に、光学的に接続される。このパンクロの反射／透過偏光子は、４分の１波長板２２と横偏光子２６との両方に光学的に接続される。本発明に従い、横および縦偏光子は、お互いの角度が実質的に直角という条件で、異なった角度であっても良い。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態に従い、反射／透過偏光子２４は、基板に液晶および、基板上の複数の層にコーティングされた光イメージ化可能な配置（ｐｈｏｔｏｉｍａｇｅａｂｌｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）の材料を用いて作られる。そのような材料は、Ｒｏｌｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｌｔｄ．より入手可能である。反射／透過偏光子２４は、縦偏光された光を反射し、横変更した光を透過するという特性を有する。
【００２３】
所望の反射／透過特性を有する偏光子２４を提供する他の構造は、３Ｍ製造のＤＢＡＦ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ材料として知られる多層二軸構造である。
【００２４】
所望の反射／透過特性を有する偏光子２４を達成する他のアプローチは、ワイヤグリッド偏光子（例えば、Ｍｏｘｔｅｋ製）である。
【００２５】
本発明に従い、フルカラーであるパンクロの特性が、発明的な視準ディスプレイ１０における他の要素と同様に、偏光子２４に対して所望されることは、留意される。これに関連し、光学要素１４および２２が４分の１波長板として参照される一方、それらは、異なった周波数において異なった厚さを有し、フルカラー・シュミレーションを生成するために、可視スペクトルにわたるそれらの影響を提供するように機能することは、留意される。これは、本当の４分の１波長からの厚さにおける偏差が、光学要素１４および２２の両方において一致し、それによって生まれる影響が、後述されるように、フルカラー特性を以って機能するために、お互いを補い合うという事実に起因する。
【００２６】
米国再発行特許発明第２７，３５６号において記載される、従来技術の視準光学イメージ形成装置は、多様性のある光学ディスプレイおよびシミュレーションシステムにおいて、基本部品である。それにも関らず、米国再発行特許発明第２７，３５６号において記載される装置は、本発明の光学設計の結果、本発明の従い、改善される。特に、従来技術の光学設計は、通常、シミュレーションを作成するために使用されたイメージソースからの全体領域の光の２％、またはそれ以下の低透過スループットを提供する。ある程度まで、より明るいイメージソースを用いることによって、ロスが補償され得るが、よりパワフルなイルミネーションは、基本的な光学設計の特定の他の否定的な結果への認識を増加させる傾向にある。
【００２７】
より具体的には、一結果は、ディスプレイの視野においてカラーがシフトし、暗い領域の出現である。これらの領域は、通常、ディスプレイ視野にある角に位置する。本発明に従い、この問題は、４分の１波リターダ要素への様々な入射角の補償のための要素を組立てることによって解決される。従来技術において、入射角は、ディスプレイの視野の主軸から比較的に遠くにある光線のイメージを視準するために用いられる球面ビームスプリッティング光学要素によって変更される。
【００２８】
本発明の光学設計は、一部において、偏光状態がこれらの領域において変化するという結果の理解に起因する。ここにおいて、その偏光状態は、所望である均一直線偏光から、この所望の均一直線偏光に対して回転した直線偏光へ変更し、それによって、程度は異なるが、ディスプレイフィールドの主軸から最も距離のある領域において特に、楕円偏光の発生につながる。これが、表面上、問題ではないように思われる一方、特にこれらの領域における偏光状態の変化は、直線偏光子の対応する領域を介する透過の減少を結果的に導く。ここにおいて、その直線偏光子は、次に、システムを通過する光に当たる。
【００２９】
スペクトルの一部分の光が、スペクトルの他の一部の光よりも大きく減衰する故、これらの領域において、色相のシフトも存在する。このタイプの装置の通常の実施形態における一般的な欠陥は、これらのデバイスの製造に従来使用される材料に関する。特に、用いる４分の１波リターダおよび直線偏光子は、通常、プラスチックフィルム材料であり、その理由としては、これまで、これら、プラスチックフィルム材料のみが、そのような装置の典型的なアプリケーションに必要とされる大きなデバイスを生産するのに十分大きなサイズを利用可能であったからである。そうであったとしても、大きなデバイスにとって、４分の１波の複数ピース、および直線偏光子材料は、様々なピース間の割れ目がディスプレイの視野内において目立つという結果を以って使用されなければならない。これら、プラスチックフィルムは、取り扱いの困難な様々な接着剤を用いて、他の要素へラミネートされなければならない。ここにおいて、それら、様々な接着剤は年月と共に劣化する可能性を有する。さらに、４分の１波リターダが作られている材料は、通常、引き伸ばされたプラスチックフィルムである。同様に、直線偏光子フィルムはまた、ディスプレイの視野において可視であるストレインマーク（ｓｔｒａｉｎ  ｍａｒｋ）を示す。これらの材料が、装置の構造内にて様々な角度において配置される故、結果は、「網目状」または「格子縞」パターンの不均一なイルミネーションになる。
【００３０】
この特許の主部である改善された装置は、プラスチックフィルム製の４分の１波および直線偏光子フィルムを、他の光学要素に直接にコーティングされる液晶材料に置き換えることによって、従来、使用されていた材料に関する問題に取り組む。ここにおいて、他の光学要素とは、後述されるように、この発明的なシステムに組み入れられている平坦なビームスプリッティング鏡等である。この技術によって形成される４分の１波リターダおよび直線偏光子は、大きなディスプレイデバイスにおいて、割れ目を有する必然性を回避し、「網目状」または「格子縞」パターンの不均一のイルミネーションを結果的に導く歪みが実質的にない。後述されるように、この発明的なシステムの光学要素を形成するためのこのような液晶材料の使用は、周知の技術であり、本発明の一部分たりとも形成しない。
【００３１】
本発明に従い、これら、液晶材料も用いて製作された４分の１波リターダは、本来の光学設計の結果に起因する暗い角の現象を補正するように合わせた特性を組み入れ得る。より詳しくは、本発明に従い、４分の１波リターダの特性は、複数の様式によって修正され得る。１つの可能性のある修正において、４分の１波リターダは、液晶材料の複数の層を作成することによって入射光の角度に対しての感度を鈍くし得、その場合、各層は、作成された表面に対して垂直である異なった角方位を有する。他の可能性のある修正は、特定の領域において液晶材料の厚さを変更することであり、それによって、これらの特定の領域におけるリターデーションの大きさが変化する。他の可能性のある修正は、特定の領域におけるリターデーション材料の速いアクセスおよび遅いアクセスのアライメントを変更することである。
【００３２】
そのような構造は、Ｒｏｌｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｌｔｄ．より入手可能な材料を用いて、形成され得る。
【００３３】
通常、これら３つの変更したリターダ特性の組み合わせは、ディスプレイ装置の如何なる特定の実施例の特別な光学設計に対する現象を補正するのに必要とされる。便宜上、新しい液晶材料を以って形成された要素と、従来の材料を以って形成された要素との任意の組み合わせは、最終的な装置に必要とされるものに応じて、使用され得る。さらに、液晶材料から形成される光学リターダおよび直線偏光子は、プラスチックフィルム基板上に生成され得る。改善されたディスプレイデバイスの特定の実施形態において、これは、より好都合なフォーマットであり得る。
【００３４】
通常、これら、３つの変更されたリターダの特性のうちの１つ以上のものの組み合わせを実施するに当たっての設計目標は、光学システムを介するパンクロ透過の均一性を最大限にすることである。
【００３５】
上に議論された改善は、米国再発行特許発明第２７，３５６号において記載されるディスプレイ装置の多数の欠陥に取り組む。さらに、図１の設計は、陰極線管面２８のようなイメージソースのシステム減衰に起因する低透過値にも取り組む。光学設計の基本的な変化は、理論上の透過において、約１２．５パーセントの結果的な増加と共にこの問題を処理するが、実際値は、様々な光学要素、特に、偏光光学要素１２および２６において内在するロスに起因し、若干低くなる。
【００３６】
図１において、コリメータ１０の改善された光学設計の基本的な配置は示される。システムは、陰極線管（ＣＲＴ）面２８、投射スクリーン、モデル、様々なタイプのプロジェクタ、それらの同等物、またはそれらの組み合わせを備え得る複数のイメージソースを利用し得る。例えば、イメージは、先ず、適切なスクリーンに投射され得る。ＣＲＴがイメージソースとして使用される場合、スクリーンの必要が無くなり得、ＣＲＴの面２８に投射されたイメージは、横成分および縦成分の両成分を有する光３０を生成する。スクリーンまたはＣＲＴの次の始めから２つ目の要素は、縦に偏光された光３２を出力する直線偏光子１２である。縦に偏光された光３２は、右すなわち時計回りの円偏光された光３４を出力する４分の１波リターダ１４へ進む。
【００３７】
直線偏光子１２および４分の１波リターダ１４の両方は、球面ビームスプリッティング鏡１６の凸側に位置する。第１の直線偏光子１２からの直線偏光された光３２は、第１の４分の１波リターダ１４を通過した後、右（すなわち時計回り）の円偏光された光３４に変換される。次に、この円偏光された光の一部分３６（通常は５０パーセント）は、球面ビームスプリッティング鏡１６を通過する。球面ビームスプリッティング鏡１６は、実際に球面の光学要素でも良く、または代替的に、米国特許第３，９４０，２０３号において記載されるものとホログラフィが均等の物であっても良い。
【００３８】
円偏光された光３６は、次に、第２の４分の１波リターダ２２を通過し、縦偏光された光線バンドル３８として射出する。図１に見られるように、４分の１波リターダ２２は、球面ビームスプリッティング鏡１６の凹側に位置する。第２の４分の１波リターダ２２を通過した結果として、円偏光された光３６は、直線偏光された光３８に変換され、次に、反射−透過偏光子２４に入射する。ここにおいて、第２の４分の１波リターダ２２は、縦偏光された光３８が反射−透過偏光子において反射され、それが光線バンドル４０として第２の４分の１波リターダ２２を通過する際、右円偏光された光４２として射出するように方位付けられる。従って、４分の１リターダ２２は、再度、直線偏光された光を円偏光された光に変換し、その円偏光された光は、次に、球面ビームスプリッティング鏡１６を部分的に透過し、部分的にそこにおいて反射する。
【００３９】
反射−透過偏光子は、反射−透過偏光子の特定の軸に対してアラインする直線偏光された光を反射し、反射−透過偏光子によって反射された直線偏光された光の偏光面に対して９０度の偏光面を有する直線偏光された光を透過する、光学要素である。
【００４０】
球面ビームスプリッティング鏡１６によって反射された光の一部４４は、焦点を無限遠に有するように視準されたイメージ（つまり、無限遠、または光学構成要素の値および位置次第の少なくとも比較的遠距離において、始まったように思わせる視準されたイメージ）を形成する。これが、光を放つＣＲＴスクリーンまたは面２８と、反射−透過偏光子２４との間の距離に、反射−透過偏光子２４と凸面鏡１６との間の距離を足した距離が、凸面鏡１６の焦点距離にほぼ同等である故に、真である。
【００４１】
この視準された左（すなわち半時計回り）円偏光された光４４は、第２の４分の１波リターダ２２を通過し、そこにおいて、横直線偏光された光４６として射出する。つまり、直線偏光の平面は、この時点において、球面ビームスプリッティング鏡１６を通過し、第２の４分の１波リターダ２２を一回通過した円偏光された光３８および４０に起因する直線偏光された光に対して９０度にある。この視準された横直線偏光された光４４は、ここで、光４８として反射−透過偏光子２４を通過し、その光は、見られるイメージを形成する。
【００４２】
所望の場合、オプションの偏光フィルタ２６が、ユーザの目５２に向かう光５０を生成するために、光を２回目のフィルタにさらし得る。偏光フィルタ２６は、所望しない迷光（ｓｔｒａｙ）およびフィードスルーイメージを除去する効果を有する。ここにおいて、除去される光は、例えば、面２８から光学要素１２、１４、１６、２２および２４を介して直接に伝わり得る縦偏光された光、および、ユーザ５２の方向から反射透過偏光子２４に向かって光学システムに入ってくる光である。
【００４３】
改善された装置は透過値が大きくなるうえに、ゴースト像の強度の削減がある。このゴースト像は、このタイプのディスプレイデバイスに固有なものであり、様々な偏光子によって不完全に退けられた本来の視準されていないイメージの「表面にじみ」によるものである。これらのゴースト像の影響は、米国特許第４，１６３，５４２号において記載されるように「軸からずれた」すなわち「傾いた」光学設計の代替的に用いることによって、または、図１に示されるように、反射−透過偏光子２４の出力を受けるように位置される最後の直線偏光子２６を追加的に利用することによって、より削減され得る。
【００４４】
この改善されたディスプレイ装置の製作に好まれる材料は、液晶材料である。これらの材料は、従来の材料に関する割れ目および他の問題を避ける一方、大型ディスプレイを実用的にするために十分なサイズと質を有する反射−透過偏光子の生成を可能にする。改善された装置における４分の１波リターダに対しての液晶材料の使用は、この改善される装置に適用される４分の１波リターダへの入射角に起因する暗い領域の補正のための上記の構造を製作の技術と同一の技術を使用可能にもする。一部のディスプレイデバイスにおいて、例えば、ワイヤグリッド型反射−透過偏光子等の液晶材料を用いて製作されない４分の１波リターダ、直線偏光子、および反射／透過偏光子を使用する方がより好都合であり得る。
【００４５】
図２において示されるように、光学要素１２、１４、１６、２２、２４および２６は、フレーム５４内に収容され得る。
【００４６】
液晶材料または他の類似した材料が、様々な光学要素に直接コーティングされ得る故、改善されたコリメータ１１０の代替的な実施形態、およびその、可能性的にはよりコンパクトな実施形態が、図３において示されるように生成され得る。図３の実施形態において、偏光子１１２、反射−透過偏光子１２４および偏光子１２６は、図１における実施形態の偏光子１２、反射−透過偏光子２４、および偏光子２６の機能と実質的に同一の機能を行う。しかしながら、４分の１波長板１４および２２は、凸鏡１１６に直接コーティングされる４分の１波コーティング１１４および１２２によって置き換えられる。
【００４７】
本発明に従い、コリメータ１０または１１０の出力の偏光特性を取り払うことが所望であり得る。これは、シミュレータが、ヘルメット装着前方ディスプレイ、偏光サングラス等の偏光特性を有するシステムを以って使用されることを可能にする。この目的のために、擬減偏光子（ｐｓｅｕｄｏ−ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｒ）が用いられ得る。お互いに対して様々な角度において直列的に配置される多数の複屈折リターダは、直線偏光された白色光の入射ビームに対して、異なった波長成分が別の偏光様式を以って射出するようにする効果を有する。射出ビームの偏光状態は、そのビームが非偏光ビームの多数の特性を有する程に多様である。リターダのそのようなスタックは、光を「減偏光」するために用いられ得る。光の任意の一波長が偏光されたままである一方、全波長の組み合わされた効果が減偏光をおおまかにシミュレートする。そのようなスタックは、従って、擬減偏光子として知られる。そのような擬減偏光子５６は、偏光特性または感度を有するような付属品を用いる発明的なシステムに順応するために用いられ得る。擬減偏光子５６は、数１００ミクロンの厚さのクロマティック・リタデーションプレートのスタックを備え、それによって、光出力は、非偏光の光に類する多数の偏光状態を含む。
【００４８】
上記の新しい光学設計における他の改善は、直線偏光された投射ソースの使用である。この場合において、投射スクリーンは、プロジェクタからの偏光された光を拡散し、結果的に偏光されていない光を生成する典型的なスクリーン材料製であり、拡散方位をコントロールするような液晶材料製のスクリーンと置き換えられる。それにより、プロジェクタの直線偏光の大部分を維持する。そのような液晶スクリーンの製作は、従来の技術に従って為され、本発明の一部を形成するわけではない。このアプローチはまた、球面ビームスプリッタの凸面側にある第１の直線偏光子の除外を可能にし、それによって、そのようなシステムにおいて、全体的に優れた透過値が最終的に得られる。液晶材料を利用して改善された投射スクリーンを製作する事が最も好都合であるが、プロジェクタの偏光の大部分を維持するのに十分にコントロールされた拡散方位を用いてのスクリーンの製作の任意方法が、用いられ得る。
【００４９】
図１〜３において示される本発明の実施形態は、ソースの視準されたイメージ、またはソースのほぼ視準されたイメージを形成するために、光学的にアクティブな部材として、コレステリック球面鏡（図示された実施例においては球面ビームスプリッタ）を使用する。球面鏡は、（例えば、クロマティックに）一部の収差を補正するが、この解決法は、（フィールド湾曲等の）他の収差を補正しない。
【００５０】
球面鏡が使用され、目が曲率中心に位置する場合、コマ等の様々な収差が、最小限になり、または、排除される。この場合、イメージ面が平面である場合、歪みはゼロになり、フィールドは、フィールド湾曲によって焦点ぼけになる。イメージ面が湾曲する場合、歪みは補正されない。重要なことは、両方の場合において、球面収差は補正されないことである。さらに、非点収差およびコマ等の他の収差を結果的に生み出す曲率中心に、目を置くことは、常時、所望されるわけではない。
【００５１】
図４の実施形態は、光学収差を扱うことに目的を置かれる。光学収差の減少に加え、図４の実施形態において取り扱われる他の要因が存在する。それらは、設計の頑丈さに関する。球面ビームスプリッタは、その表面において光の約半分が反射するように、金属層または誘導体層を以ってコーティングされる。これらのコーティングは、時間をかけた、空気および／または紫外線放射への曝し、または、水等の要素への曝しによって、破壊され得る。
【００５２】
図１〜３の設計はまた、お互いに対して移動し得る様々な個別の分離可能な構成要素を備える。同様に、それらの構成要素間の空間は、白カビ、低透過率、歪み等の多様な問題を引き起こす、水またはほこり等の要素によって汚染され得る。図１の設計が、これらの環境的な問題に取り組めために、Ｏリング、または、シーリング材と窒素除去を用いて密封され得るが、そのようなアプローチは、上記される収差の改善に対して何もしない。
【００５３】
ガラスの裏側に、（家庭用の鏡等の非光学的タイプの）最も一般的な通常の鏡は、銀を用いてコーティングされる。銀は、化学的に堆積され得、銀コーティングの背面全体に塗料を適用することによって保護され得る。これらは、一般的に、裏面鏡（ｒｅａｒ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｍｉｒｒｏｒ）と呼ばれる。このアレンジメントは、反射器としても機能する要素の裏面に使用される場合、そのような鏡は、その鏡の発明者の名前を取って、マンジャンミラーと呼ばれる。このような鏡は、一部の収差補正を行うために、望遠鏡に用いられる。
【００５４】
図４に示される本発明の実施形態に従い、一部反射性のコーティングまたは層２２４は、一部反射性の層２２４と反射層２２４の反対側の屈折性媒体との間の全空間を充填する光学接着剤（ｃｅｍｅｎｔ）によってカバーされる、要素２１６の凸面上に、または要素２１８の凹面上に、完全に堆積される。反射層は接着剤に浸される、と言われ得るが、それは、当該技術において使用される用語であり、機能するデバイスの接着剤は、固定され、固体であることを留意する。図１〜３の実施形態において、エンドプレート、偏光子、４分の１波長板、および平坦なビームスプリッタのアセンブリは、複屈折サンドイッチアセンブリ型を形成するように、共に接着（ｃｅｍｅｎｔ）される。図４の実施形態において、複屈折サンドイッチアセンブリは、球面ビームスプリッタに接着される。図１〜３の実施形態において、直線偏光子は、２つのエンドプレートの間において接着される。本発明の図４の実施形態において、直線偏光子は、Ｅｐｏｘｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓの３０１ＦＬ等の光学接着剤を用いて、複屈折サンドイッチおよび球面ビームスプリッタに接着される。従って、３つの構成要素が、モノリシック構造になる。
【００５５】
本発明において利用される球面鏡の最も望ましい特質の１つは、全色を均一に反射し、従って、色収差が生じないことである。球面鏡もまた、効果的な２の光学指数を有する。これは、多くの収差が、一般的な光学ガラス製の同様の屈折率の要素と比較して、低いことを意味する。
【００５６】
球面鏡を浸すことによって、システムは、実質的に、完全な色補正を失うが、そのロスを上回る利益を結果的に生む。色の補正をするために、色補正要素が導入される。それらは、フリントガラスまたはフリング（ｆｌｉｎｇ）ガラスである。フリントガラスは、色収差をバランスするためにクラウンガラスと組み合わされる。各面は、ペッツヴァルの和に寄与する。面の曲率と組み合わされた屈折率は、全体フィールド湾曲に関連するペッツヴァルの和をコントロールするように順応され得る。接眼レンズの球面補正は、一般的に、補正不足のままである。しかしながら、この収差は、目が光軸に対する中心から逸れる場合、非点収差のように思われるものを導き得る。さらに、非点収差は、接線方向と矢状軸方向との間において集束する中間焦点が、観察されるイメージの最大周波数の明確な表示に相応な程度まで補正されなければならない。コマもまた、補正され、非点収差補正とのバランスが取られる。
【００５７】
偏光子を組み込む光学材料、および４分の１波材料において、平面を有することが望ましい。
【００５８】
図４は、本発明の一実施形態を示すデバイス２１０を示す。本実施形態において、全ての湾曲する面は球面である。反射防止膜２１１は、反射透過偏光子２１４と間接的に光学的につながる平凸要素２１２に堆積される。反射透過偏光子２１４は、横方位に直線偏光された光を透過し、縦方位に直線偏光された光を反射する。平凸要素２１２と反射透過偏光子２１４との間において、反射透過偏光子を通過する任意の表面にじみ光を「クリーンアップ」するために横に方位付けられる直線偏光子２１３は、反射透過偏光２１４に堆積、または構成される。平凸要素２１６は、反射透過偏光子２１４から光を間接的に受ける。反射透過偏光子２１４と平凸要素２１６との間にあるのは、縦軸に対して４５度の遅軸を有する４分の１波長板２１５である。平凸レンズ２１６の後にあるのは、凹ビームスプリッタ２１７であり、その後は、凹−凹要素２１８である。ビームスプリッタ２１７は、凹−凹要素２１８または平凸要素２１６いずれかの隣接面に堆積され得る。凹−凹レンズ２１８は、平凸要素２１９の前にある。平凸要素２１９は、４分の１波長板２１５の遅軸に対して９０度の回転をした遅軸を有する４分の１波長板２２０の前にある。４分の１波長板２２０は、保護平坦プレート２２２の前にある直線偏光子２２１の前にある。この保護平坦プレート２２２には、反射防止膜２１１に類似する反射防止膜２２３が提供され得る。
【００５９】
発明的な光学部品のオペレーションの間、光はソース２２８によって放たれる。そして、光は、フィルタ２２９によって平面偏光され、その後、キューブ２２６に入る。キューブ内には、平面偏光された光の一部を反射する部分反射面２３０があり、それによって、光は、画素化されたイメージソース空間光変調器（ＳＬＭ）２２４に向かう。本発明に従い、好ましいＳＬＭは、シリコンタイプＳＬＭ上の液晶（ＬＣｏＳ）である。
【００６０】
キューブを射出し、ＳＬＭ  ２２４へ入射する光は、平面偏光された光であり、それは、お互いに直角を成す２つの平面偏光ベクトルにコード化される。ＳＬＭタイプのデバイスにおいて、光の振幅は通常、変更されない。それどころか、偏光面は、ＳＬＭ上の特定の画素を射出する光へ情報を与えるために変更される。原則的に、偏光が変更される程度は、光振幅のアナログインジケータであり得るが、通常、そのようなデバイスは、偏光をオン−オフパルスのシリーズとしてコード化することによって作動する。より具体的には、偏光は、画素を射出する信号の振幅を示すデジタル番号をコード化するために用いられる。つまり、画素を射出する光の振幅は、時間領域のデジタル信号にコード化される。
【００６１】
これに関連し、所定の画素を射出する光の実際の強度は一定であるが、コード化された信号が、偏光情報として、および、より具体的には、信号を形成する１と０のシリーズとして、または、例えば、振幅情報をデジタルにコード化する、縦偏光された光（例えば、これが１を示し得）と横偏光された光（例えば、これが０を示し得る）のシリーズとして、コード化されることは、留意されたい。
【００６２】
ＳＬＭを反射する光は、従って、画素化された写真でコード化される。ＳＬＭから反射された光は、キューブ２２６に入射した路と同一路に沿って、キューブ２２６に再入射するが、ＳＬＭ  ２２４から離れて進む。光は、再度、部分反射面２３０に直面し、このコード化された情報を含む光の一部は、コーティングを通過し、左に向かって進み続ける。コード化された光は、キューブ２２６を射出し、発明的なレンズアセンブリ２１０に向かって進む。コード化された光は、反射防止膜２２３および保護平坦プレート２２２を介して、発明的なレンズアセンブリ２１０に入射する。
【００６３】
コード化された光は直線偏光子２２１に入射し、そこで、そのコード化された光は、平面偏光ベクトルの一つによる吸収によってデコードされる。通過したベクトルは、縦平面に透過軸を有する。そして、光は、４分の１波長板２２０に入射し、円偏光される。次に、その光は、平凸レンズ２１９および凹レンズ２１８を通過する。次いで、球面ビームスプリッタ２１７の部分反射面に入射する。光の一部分は、球面ビームスプリッタ２１７および平凸レンズ２１６を通過し、４分の１波長板２１５に入射する。この光は、直線偏光子２２１を射出した際に有していた方位と実質的に同一の方位を有する偏光ベクトルを備えて戻る。
【００６４】
次に、光は、横向きに透過ベクトル、および縦向けに反射ベクトルが、方位付けられた透過反射偏光子２１４に入射する。光は、透過反射偏光子２１４によって反射され、４分の１波長板２１５に入射し、円偏光される。その円偏光された光は、次に、平凸レンズ２１６を介して進み、球面ビームスプリッタ２１７に入射する。この円偏光された光の反射部分は、球面ビームスプリッタ２１７において反射する。円偏光された光のこの反射部分は、平凸レンズ２１６を介して進み、４分の１波長板２１５に入射する。４分の１波長板２１５を通過した後、光は、横方位を有する透過ベクトルを備えて直線偏光される。次に、直線偏光された光は、透過反射偏光子２１４に入射し、それを通過し、透過反射偏光子２１４の透過ベクトルと同一にアラインされた透過ベクトルを備えて直線偏光子２１３に入射し、その直線偏光子２１３を通過する。そして、光は平凸要素２１２、反射防止膜２１１を介して通過し、発明的なレンズアセンブリ２１０を射出する。イメージを含む光は、次に、観察者の目２３２に進む。
【００６５】
図５および６において、図４に示される実施形態の機能に類似する機能を行う部分は、図４の対応するパートを除き、それぞれ１００および２００という所定の番号である。
【００６６】
図５の実施形態のオペレーションは、デバイスのセクションの順序が逆になったことを除いて、システムのオペレーションの妥協無しに、図４のオペレーションと実質的に同一である。これは、ＳＬＭの焦点面に光学的に近接する所に球面ビームスプリッタを配置することによって、後部焦点距離を長くするという利点を与える。より具体的には、直線偏光３２１、反射透過偏光子３１４、４分の１波長板３２０、平凹屈折要素３１６、球面ビームスプリッタ３１７、平凸屈折要素３１８、４分の１波長板３１５、および直線偏光子３１３が逆になる。反射防止膜は、本実施形態においても、使用され得、図４の実施形態に示されるものと類似する位置に、同一のものが配置される。
【００６７】
図６に示される実施形態は、図４に示される実施形態の全ての収差に対して補正される。しかし、システムは、非球面光学部品の使用によって、歪みを補正する。これは、一対の非球面の使用を通して達成される。原則的に、解決法は、多数の非球面を備えることにより得られうる。
【００６８】
図６に示される実施形態のオペレーションは、図４に示される実施形態に関連して説明されたものと同一である。しかし、図６において達成された歪みの補正は、図６の設計に関して所望された追加的な補正を導入する一方、本目的が図４の設計の補正を維持することであることを考慮することによって、理解され得る。より特定に、図４の非球面でない設計において、非点収差に対する補正は可能であるが、歪みが大きくなる。同様に、歪みに対する補正は可能であるが、非点収差が問題になる。非球面が組み入れられ得る可能性を設計に導入することにより、歪みおよび非点収差の大幅な減少を同時に解決することが可能になる。そのような解決は、Ｚｅｍａｘプログラムのような従来のレンズ設計ソフトウェアを用いてなされる。
【００６９】
図６は、本発明の一実施形態を示すデバイス４１０を示す。反射防止膜４１１は、反射透過偏光子４１４と間接的に光学的につながる非球面平凸要素４１２に堆積される。反射透過偏光子４１４は、横方位に直線偏光された光を透過し、縦方位に直線偏光された光を反射する。平凸要素４１２と反射透過偏光子４１４との間において、反射透過偏光子を通過する任意の表面にじみ光を「クリーンアップ」するために横に方位付けられる直線偏光子４１３は、反射透過偏光４１４に堆積、または構成される。平凸要素４１６は、反射透過偏光子４１４から光を間接的に受ける。反射透過偏光子４１４と平凸要素４１６との間にあるのは、縦軸に対して４５度の遅軸を有する４分の１波長板４１５である。平凸レンズ４１６の後にあるのは、凹ビームスプリッタ４１７であり、その後は、凹−凹要素４１８である。ビームスプリッタ４１７は、凹−凹要素４１８または平凸要素４１６いずれかの隣接面に堆積され得る。凹−凹レンズ４１８は、平凸要素４１９の前にある。平凸要素４１９は、４分の１波長板４１５の遅軸に対して９０度の回転をした遅軸を有する４分の１波長板４２０の前にある。４分の１波長板４２０は、保護非球面レンズ４２２の前にある直線偏光子４２１の前にある。この保護非球面レンズ４２２は、反射防止膜４１１に類似する反射防止膜４２３を用いて提供され得る。
【００７０】
発明的な光学部品のオペレーションの間、光はソース４２８によって放たれる。そして、光は、フィルタ４２９によって平面偏光され、その後、キューブ４２６に入る。キューブ内には、平面偏光された光の一部を反射する部分反射面４３０があり、それによって、光は、画素化された空間光変調器（ＳＬＭ）４２４に向かう。本発明に従い、好ましいＳＬＭは、シリコンタイプＳＬＭ上の液晶（ＬＣｏＳ）である。しかし、キューブなしですます裏面照射されたＬＣＤも、用いられ得る。
【００７１】
キューブを射出し、ＳＬＭ  ４２４へ入射する光は、平面偏光された光であり、それは、お互いに直角を成す２つの平面偏光ベクトルにコード化される。ＳＬＭタイプのデバイスにおいて、光の振幅は通常、変更されない。それどころか、偏光面は、ＳＬＭ上の特定の画素を射出する光へ情報を与えるために変更される。原則的に、偏光が変更される程度は、光振幅のアナログインジケータであり得るが、通常、そのようなデバイスは、偏光をオン−オフパルスのシリーズとしてコード化することによって作動する。より具体的には、偏光は、画素を射出する信号の振幅を示すデジタル番号をコード化するために用いられる。つまり、画素を射出する光の振幅は、時間領域のデジタル信号にコード化される。
【００７２】
これに関連し、所定の画素を射出する光の実際の強度は一定であるが、コード化された信号が、偏光情報として、および、より具体的には、信号を形成する１と０のシリーズとして、または、例えば、振幅情報をデジタルにコード化する、縦偏光された光（例えば、これが１を示し得）と横偏光された光（例えば、これが０を示し得る）のシリーズとして、コード化されることは、留意されたい。
【００７３】
ＳＬＭを反射する光は、従って、画素化された写真でコード化される。ＳＬＭから反射された光は、キューブ４２６に入射した路と同一路に沿って、キューブ４２６に再入射するが、ＳＬＭ  ４２４から離れて進む。光は、再度、部分反射面４３０に直面し、このコード化された情報を含む光の一部は、コーティングを通過し、左に向かって進み続ける。コード化された光は、キューブ４２６を射出し、発明的なレンズアセンブリ４１０に向かって進む。コード化された光は、反射防止膜４２３および保護非球面レンズ４２２を介して、発明的なレンズアセンブリ４１０に入射する。
【００７４】
コード化された光は直線偏光子４２１に入射し、そこで、そのコード化された光は、平面偏光ベクトルの一つによる吸収によってデコードされる。通過したベクトルは、縦平面に透過軸を有する。そして、光は、４分の１波長板４２０に入射し、円偏光される。次に、その光は、平凸レンズ４１９および凹凹レンズ４１８を通過する。次いで、球面ビームスプリッタ４１７の部分反射面に入射する。光の一部分は、球面ビームスプリッタ４１７および平凸レンズ４１６を通過し、４分の１波長板４１５に入射する。この光は、直線偏光子４２１を射出した際に有していた方位と実質的に同一の方位を有する偏光ベクトルに戻る。
【００７５】
次に、光は、横向きに透過ベクトル、および縦向けに反射ベクトルが、方位付けられた透過反射偏光子４１４に入射する。光は、透過反射偏光子４１４によって反射され、４分の１波長板４１５に入射し、円偏光される。その円偏光された光は、次に、平凸レンズ４１６を介して進み、球面ビームスプリッタ４１７に入射する。この円偏光された光の反射部は、球面ビームスプリッタ４１７において反射する。円偏光された光のこの反射部分は、平凸レンズ４１６を介して進み、４分の１波長板４１５に入射する。４分の１波長板４１５を通過した後、光は、横方位を有する透過ベクトルを備えて直線偏光される。次に、直線偏光された光は、透過反射偏光子４１４に入射し、それを通過し、透過反射偏光子４１４の透過ベクトルと同一にアラインされた透過ベクトルを備えて直線偏光子４１３に入射し、その直線偏光子４１３を通過する。そして、光は平凸要素４１２、反射防止膜４１１を介して通過し、発明的なレンズアセンブリ４１０を射出する。イメージを含む光は、次に、観察者の目４３２に進む。
【００７６】
本発明に従い、光学システム４１０のような発明的な光学システムが、携帯電話４５０のケース４５２内に含まれるようにして、携帯電話４５０等の多数のデバイスの内の任意の１つに含まれ得ることは、熟慮される。そのような使用の場合において、ユーザは、カメラのファインダーを使用する際の様式とほぼ類似する様式において、図６において示されるように、光学システム４１０に対して目を近くに置く。他の使用は、仮想リアリティ眼鏡、ヘッドアップディスプレイ等を含む。
【００７７】
図４〜６の全実施例において、接触面は、光学接着剤を用いて結合される。その接着剤の屈折率の範囲は、１．４８と１．６５との間である。接着剤は、Ｄｏｗ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４のような２パートＲＴＶ、Ｓｕｍｍｅｒｓ  Ｌａｂｓ  Ｃ−５９のような２パート光学接着剤、または、Ｎｏｒｌａｎｄ  ＵＶ−６３エポキシ樹脂、Ｅｐｏｘｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ３０１ＦＬのようなＵＶ硬化接着剤であり得る。接着剤の屈折率の数値は、当該技術者に周知の様式において、内部境界の反射率を変更するために、ｎ−ビニルカルバゾール等の化学物質を加えることによって変化し得る。
【００７８】
多様なシート偏光子がアセンブリにおいて用いられ得る。これらは、Ｐｏｌａｒｉｏｄ／３Ｍシート偏光子であり、また、ヨードシート偏光子および染料ヨード偏光子という主要な２つのカテゴリに当てはまる、他の製造業者によって製作された偏光子である。これらは、ＯｐｔｉＧｒａｐｈｉｃｓ（米国）またはＮｉｔｔｏ（日本）等によって作られた、ストレッチされたプラスチックの４分の１波材料と組み合わされる。２つのプラスチック層を接着する際、ＵＣ硬化接着以外の接着剤が使用されなければならない。
【００７９】
本発明に従い、多数の発明的なコリメータは、単一のコリメータによってカバー可能な領域よりも大きな領域をカバーするために、タイル状に張られ得、または、積み重ねられ得る。成果は、そうすることによって可能な大きなコリメータを合成することである。
【００８０】
本発明の例示的な実施形態が記載される一方、多様な修正が、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、規定される発明の精神および範囲から逸脱することなく、為され得る。例えば、１つ以上の光学部材が、ホログラフィック光学要素に組み入れられる平坦シートによって置き換えられ得、全アセンブリが、非常に薄いパッケージを形成するように、お互いにサンドイッチされる。加えて、追加的なイメージソースからの追加的なイメージは、ビームスプリッティング鏡の使用による発明的なシステムによって生成されたシミュレーションに導入され得る。ここにおいて、そのビームスプリッティング鏡は、そのシミュレータの光路に対して４５度に置かれ、それによって、ビームスプリッティング鏡は、追加的なイメージソースからの光を、光路に沿い、観察者に向かって反射する。そのような修正は、本発明を規定する添付の特許請求の範囲の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】ソースおよび観察者の位置を示す、発明的なコリメータの好ましい実施形態の概略拡大透視図である。
【図２】図１に示される発明的なコリメータの概略断面図である。
【図３】図２の図と類似する発明的なコリメータの代替的な実施形態の概略断面図である。
【図４】発明的なコリメータの代替的な実施形態を示す概略断面図である。
【図５】発明的なコリメータの代替的な実施形態を示す概略断面図である。
【図６】発明的なコリメータの代替的な実施形態を示す概略断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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