(57)【要約】  本発明の一実施態様は、簡素化され、軽量の頭部装着ディスプレイを有し、この頭部装着ディスプレイは、軸外しコンバイナと、光路を形成する結像光学系と、を有している。結像光学系は、光路内の複数のレンズを有するレンズ群を有している。レンズ群は第１の光軸を有している。複数のレンズの各々は第１の光軸と同一直線上にある光軸を有している。結像光学系は、第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する単一のレンズ素子を光路内にさらに有している。単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、レンズ群とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である。
2008511874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する、前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。
【請求項２】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して偏心している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して傾斜している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して傾斜し偏心している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コンバイナは、前記第１の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コンバイナは、前記第２の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記コンバイナは、前記第１および第２の光軸とは異なる第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
結像光学系は、前記光路内に少なくとも１つの反射光学素子をさらに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記反射光学素子はフォールドミラーを有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは回折レンズ素子を有し、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記回折レンズ素子は、前記第１の光軸に一致する光軸を有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記レンズ群内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さず、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さない、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも、ほぼ平面状の前面および裏面を有する回折レンズ素子を有さない、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、各軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記各軸は前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、１本の軸が前記第１の光軸同一直線上にあり、１本の軸が第１の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記レンズ群内の前記レンズ素子は、各非球面レンズ素子が、前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を形成する非球面を有する、複数の非球面レンズ素子を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記単一のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。
【請求項２７】
光路を形成する結像光学系であって、
第１の光軸を有する前記光路内の単一の第１のレンズ素子と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する前記光路内の単一の第２のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一の第２のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一の第２のレンズ素子は、前記第１のレンズ素子と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。
【請求項２８】
前記単一の第１のレンズ素子は、前記少なくとも１つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記単一の第１のレンズ素子は、軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記非球面によって形成される前記光軸は前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の単一のレンズ素子は、１本の軸が前記第１の光軸と同一直線上にあり、１本の軸が前記第１の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記単一のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項２７に記載の装置。
【請求項３４】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３７】
前記単一のレンズ素子は、軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３８】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
第１の光軸を有する前記光路内の第１の単一のレンズ素子と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
前記画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。
【請求項３９】
前記単一の第２のレンズ素子は、前記画像形成装置と前記単一の第１のレンズ素子との間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外し反射器と、
前記画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に２枚以下のレンズが含まれる、画像を表示する頭部装着ディスプレイ。
【請求項４１】
前記結像光学系は２枚のレンズを有する、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４２】
前記２枚のレンズは、それぞれの異なる光軸を有する、請求項４１に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４３】
少なくとも１枚の前記レンズはプラスチックである、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４４】
前記レンズはどちらもプラスチックである、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４５】
前記レンズ上の各光学面は非球面である、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４６】
前記画像形成装置は空間光変調器を有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４７】
前記画像形成装置は放射型ディスプレイを有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４８】
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に配置された少なくとも１つの追加的な反射器をさらに有する、請求項４０に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項４９】
前記追加的な反射器はフォールドミラーを有する、請求項４８に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項５０】
光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外し反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持体と、
を有し、
前記光路内に２枚以下のレンズが含まれ、かつ光パワーを有する反射器が含まれない、頭部装着ディスプレイ用の装置。
【請求項５１】
前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する２枚のレンズを有する、請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記２枚のレンズはプラスチックを含む、請求項５０の記載の装置。
【請求項５３】
前記２枚のレンズはそれぞれ非球面を有する、請求項５０に記載の装置。
【請求項５４】
前記レンズの一方は回転対称であり、前記レンズの一方は非回転対称である、請求項５０に記載の装置。
【請求項５５】
光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、
非球面コンバイナを有する前記光路内の反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
２つの非球面反射光学面を有するレンズのみが前記光路内に含まれる、頭部装置ディスプレイ用の装置。
【請求項５６】
前記結像光学系は２枚以下のレンズを有する、請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】
結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する２枚のレンズを有する、請求項５５に記載の装置。
【請求項５８】
前記レンズの一方は、回折光学素子を有する面を有する、請求項５５に記載の装置。
【請求項５９】
前記各レンズはプラスチックを含む、請求項５５の記載の装置。
【請求項６０】
前記光路内に配置された少なくとも１つの反射器をさらに有する、請求項５５に記載の装置。
【請求項６１】
前記反射器はフォールドミラーを有する、請求項５５に記載の装置。
【請求項６２】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称的な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、
前記画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有する、画像を表示する頭部装着ディスプレイ。
【請求項６３】
前記非回転対称レンズはプラスチックを含む、請求項６２に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項６４】
回転対称レンズをさらに有する、請求項６２に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項６５】
画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、
前記画像形成装置に対して配置され、前記画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称的な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、
軸外しコンバイナと、
を有する光学系。
【請求項６６】
前記第１および第２の軸は互いに対して偏心している、請求項６５に記載の光学系。
【請求項６７】
前記軸外しコンバイナは、前記第１および第２の軸に対して傾斜した軸の周りで回転対称的な形状を有する、請求項６５に記載の光学系。
【請求項６８】
前記第１および第２の面は非球面である、請求項６５に記載の光学系。
【請求項６９】
人の目の中に画像を形成する方法であって、
複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、
第１および第２の軸の周りで回転対称的な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、
軸外し反射器から前記光を目の中に反射して目の中に画像を形成することと、
を含む方法。
【請求項７０】
前記第１および第２の軸は互いに対して傾斜している、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記第１および第２の軸は互いに対して偏心している、請求項６９に記載の方法。
【請求項７２】
前記屈折光学系によって前記空間光変調器からの光を集光することは、前記光を前記非回転対称レンズを通してほぼ反射なしに伝搬させることを含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７３】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外し反射器と、
を有し、
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に２枚以下のレンズが含まれる、画像を表示する光学系。
【請求項７４】
前記結像光学系は２枚のレンズを有する、請求項７３に記載の光学系。
【請求項７５】
前記２枚のレンズは、それぞれの異なる光軸を有する、請求項７４に記載の光学系。
【請求項７６】
前記レンズの少なくとも一方はプラスチックである、請求項７１の記載の光学系。
【請求項７７】
前記レンズはどちらもプラスチックである、請求項７１に記載の光学系。
【請求項７８】
前記レンズ上の各光学面は非球面である、請求項７１に光学系。
【請求項７９】
前記画像形成装置は空間光変調器を有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項７１に記載の光学系。
【請求項８０】
前記画像形成装置は放射型ディスプレイを有し、前記軸外し反射器は、部分的に反射性を有するコンバイナを有する、請求項７１に記載の光学系。
【請求項８１】
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に配置された少なくとも１つの追加的な反射器をさらに有する、請求項７１に記載の光学系。
【請求項８２】
前記追加的な反射器はフォールドミラーを有する、請求項７１に記載の頭部装着ディスプレイ。
【請求項８３】
少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、
前記光路内の軸外し反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記軸外し反射コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
前記光路内に２枚以下のレンズが存在し、光パワーを有する反射器は存在しない、画像を表示する装置。
【請求項８４】
前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する２枚のレンズを有する、請求項８３に記載の装置。
【請求項８５】
前記２枚のレンズはプラスチックを含む、請求項８３の記載の装置。
【請求項８６】
前記２枚のレンズはそれぞれ非球面を有する、請求項８３に記載の装置。
【請求項８７】
前記レンズの一方は回転対称であり、前記レンズの一方は非回転対称である、請求項８３に記載の装置。
【請求項８８】
少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、
非球面コンバイナを有する前記光路内の反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
２つの非球面屈折光学面を有するレンズのみが前記光路内に存在する、画像を形成する装置。
【請求項８９】
前記結像光学系は２枚以下のレンズを有する、請求項８８に記載の装置。
【請求項９０】
前記結像光学系は、それぞれの異なる光軸を有する２枚のレンズを有する、請求項８８に記載の装置。
【請求項９１】
前記レンズの一方は回折レンズ素子を有する、請求項９０に記載の装置。
【請求項９２】
前記レンズはそれぞれプラスチックである、請求項９０に記載の装置。
【請求項９３】
前記光路内に少なくとも１つの反射器をさらに有する、請求項９０に記載の装置。
【請求項９４】
前記反射器はフォールドミラーを有する、請求項９３に記載の装置。
【請求項９５】
物体領域内に画像を生成することと、
２枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって前記物体領域の画像を形成することと、
を含む、画像を形成する方法。
【請求項９６】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称的な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、
を有する、画像を表示する光学系。
【請求項９７】
前記非回転対称レンズはプラスチックを含む、請求項９６に記載の光学系。
【請求項９８】
回転対称レンズをさらに有する、請求項９６記載の光学系。
【請求項９９】
画像形成装置を結像する光学系であって、
前記画像形成装置に対して配置され、前記画像形成装置から光を受け取るように構成され、互いに対して傾斜している第１および第２の軸の周りで回転対称的な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、
軸外しコンバイナと、
を有する光学系。
【請求項１００】
前記第１および第２の軸は互いに対して偏心している、請求項９８に記載の光学系。
【請求項１０１】
前記軸外しコンバイナは、前記第１および第２の軸に対して傾斜している軸の周りで回転対称的な形状を有する、請求項９８に記載の光学系。
【請求項１０２】
前記第１および第２の面は非球面である、請求項９８に記載の光学系。
【請求項１０３】
複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、
互いに異なる第１および第２の軸の周りで回転対称的な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素から光を集光することと、
軸外し反射器から前記光を反射して画像を形成することと、
を含む、画像を形成する方法。
【請求項１０４】
前記第１および第２の軸は互いに対して傾斜している、請求項１０３に記載の光学系。
【請求項１０５】
前記第１および第２の軸は互いに対して偏心している、請求項１０３に記載の光学系。
【請求項１０６】
前記屈折光学系によって前記空間光変調器からの光を集光することは、前記光を前記非回転対称レンズを通してほぼ反射なしに伝搬させることを含む、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０７】
前記レンズ群内の前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０８】
前記レンズ群内の前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０９】
前記第１の単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項２７に記載の装置。
【請求項１１０】
前記第１の単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項２７に記載の装置。
【請求項１１１】
前記第２の単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項２７に記載の装置。
【請求項１１２】
前記第２の単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項２７に記載の装置。
【請求項１１３】
前記第１の光軸は、前記第２の光軸に対して偏心している、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１４】
前記第１の光軸は、前記第２の光軸に対して傾斜している、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１５】
前記第１の光軸は、前記第２の光軸に対して傾斜し偏心している、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１６】
前記コンバイナは、前記第１の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１７】
前記コンバイナは、前記第２の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１８】
前記コンバイナは、前記第１および第２の光軸と異なる第３の光軸を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１１９】
前記結像光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を前記光路内にさらに有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１２０】
前記反射光学素子はフォールドミラーを有する、請求項１１９に記載の装置。
【請求項１２１】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは回折レンズ素子を有し、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項２６に記載の装置。
【請求項１２２】
前記回折レンズ素子は、前記第１の光軸に一致する光軸を有する、請求項１２１に記載の装置。
【請求項１２３】
前記レンズ群内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さず、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項２６に記載の装置。
【請求項１２４】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さない、請求項１２３に記載の装置。
【請求項１２５】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも、ほぼ平面状の前面および裏面を有する回折レンズ素子を有さない、請求項１２３に記載の装置。
【請求項１２６】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１２７】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１２８】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、各軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記各軸は前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１２７に記載の装置。
【請求項１２９】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１３０】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、１本の軸が前記第１の光軸と同一直線上にあり、１本の軸が第１の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項１２９に記載の装置。
【請求項１３１】
前記レンズ群内の前記レンズ素子は、各非球面レンズ素子が、前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を形成する非球面を有する、複数の非球面レンズ素子を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１３２】
前記単一のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１３３】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項１３２に記載の装置。
【請求項１３４】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１３２に記載の装置。
【請求項１３５】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１３６】
前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記各軸同士が一致する、請求項２６に記載の装置。
【請求項１３７】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３８】
前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記各軸同士が一致する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３９】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された、前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する光学系。
【請求項１４０】
光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２００５年５月３日に出願され、"Simple Helmet Mounted Display With Plastic Element"という名称を有する米国特許出願第６０／６７７，６６６号（整理番号ORTRES.053PR）に対する優先権を主張する、２００５年５月３日に出願され、"Head Mount Display Device"という名称を有する米国特許出願第１１／１３４，８４１号（整理番号OPTRES.053A）の一部継続出願である。これらの米国特許出願はどちらも、引用によって本明細書に全体的に組み込まれ、本出願は、２００４年９月１日に出願され、"Compact Head and Helmet Mounted Display"という名称を有し、やはり引用によって本明細書に全体的に組み込まれる米国特許仮出願第６０／６０６，２１０号（整理番号OPTRES.046PR）に対する優先権を主張する。
【０００２】
さらに、本出願は、２００４年５月２４日に出願され、"Beamsplitting structures and methods in optical systems"という名称を有する米国特許出願第１０／８５２，７２８号（整理番号OPTRES.022A1）、２００４年５月２４日に出願され、"Apparatus and methods for illuminating optical systems"という名称を有する米国特許出願第１０／８５２，６７９号（整理番号OPTRES.022A2）、２００４年５月２４日に出願され、"Light distribution apparatus and methods for illuminating optical systems"という名称を有する米国特許出願第１０／８５２，６６９号（整理番号OPTRES.022A3）、および２００４年５月２４日に出願され、"Optical combiner designs and head mounted displays "という名称を有する米国特許出願第１０／８５２，７２７号（整理番号OPTRES.023A）も引用によって全体的に組み込んでいる。
【０００３】
背景
発明の分野
本発明は、例えば、頭部装着ディスプレイ、ヘルメット装着ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイなどのディスプレイおよび投射システムに用いることのできるディスプレイおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
情報を提示し画像を表示する光学装置はユビキタスである。このような光学装置の例には、コンピュータ画面、プロジェクタ、テレビジョンなどが含まれる。フロントプロジェクタは一般にプレゼンテーションに用いられている。フラットパネルディスプレイは、コンピュータ、テレビジョン、およびポータブルＤＶＤプレーヤに用いられ、場合によっては写真および芸術作品を表示するために用いられている。背面投射ＴＶも家庭に普及している。携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルアシスタント、および電子ゲームは、ディスプレイを含むハンドヘルド装置の他の例である。データが例えば自動車のフロントガラスや航空機のコックピットに投射されるヘッドアップディスプレイもますます普及している。ヘルメット装着ディスプレイも、装着者の顔の前方のバイザまたは他のめがね上に重ね合わせられた重要情報を表示するために軍隊で用いられている。この特定の構成によって、観察者は、場合によっては空中または地上の戦場である周囲の環境から注意をそらさずに表示された情報を容易に見ることができる。他の用途では、頭部装着ディスプレイは、観察者の顔の前方に位置する表示装置上にグラフィクスを表示することによってバーチャルリアリティを実現する。このようなバーチャルリアリティ機器は、娯楽、教育などで用いることができる。バーチャルリアリティは、高度なゲームだけでなく、パイロット、医師、運動選手、１０代のドライバーの訓練を助けることができる。
【０００５】
これらの様々な表示装置および投射装置は、小形で軽量で手ごろな価格であることが好ましい。光学系には多数の構成部材が含まれるため、製品は、多くの用途に望まれるよりも大形で、重く、かつ高価になる。しかしながら、そのような光学装置は、十分な明るさを有し、好ましくは、広い視野にわたって高品質の画像を表示して明確なテキストまたはグラフィック画像を観察者に示すと考えられる。例えば、ヘルメット装着ディスプレイや他の広範囲の頭部装着ディスプレイの場合、ディスプレイは、様々な頭部位置に適合し視線を変化させることが好ましい。投射ＴＶの場合、観察者が画面に対して広範囲の位置から明るく明確な画像を見ることができるように視野が広がることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、軽量で小形で高品質の光学系を手ごろな価格で製造するための照明・結像光学系が必要である。
【特許文献１】米国特許第５，４９９，１３９号明細書
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概要
ここで、様々な実施態様について説明する。本発明の一実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置において、光路を形成する結像光学系であって、光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、複数のレンズの各々が第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群、および第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、光路内の軸外しコンバイナとを有し、単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ単一のレンズ素子は、第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、レンズ群とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
【０００８】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着表示装置において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、複数のレンズの各々が第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群、および第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、結像光学系内の単一のレンズ素子が、第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、画像形成装置とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着表示装置を有する。
【０００９】
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置において、光路を形成する結像光学系であって、第１の光軸を有する光路内の単一の第１のレンズ素子、および第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する光路内の単一の第２のレンズ素子を有する結像光学系と、光路内の軸外しコンバイナとを有し、単一の第２のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ単一の第２のレンズ素子は、第１のレンズ素子とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
【００１０】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着表示装置において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、第１の光軸を有する光路内の第１の単一のレンズ素子、および第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する光路内の単一のレンズ素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、結像光学系内の単一のレンズ素子が、第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、画像形成装置とコンバイナとの間の光路内の唯一のレンズ素子である頭部装着表示装置を有する。
【００１１】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外し反射器と、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有し、画像形成装置と軸外し反射器との間の光路内に２枚以下のレンズが含まれる頭部装着ディスプレイを有する。
【００１２】
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイ用の装置であって、光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、光路内の軸外し反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持体とを有し、光路内に２枚以下のレンズが含まれ、かつ光パワーを有する反射器が含まれない頭部装着ディスプレイ用の装置を有する。
【００１３】
本発明の他の実施態様は、頭部装置ディスプレイ用の装置であって、光路を形成する少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する光路内の反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持構造とを有し、２つの非球面反射光学面を有するレンズのみが光路内に含まれる頭部装置ディスプレイ用の装置を有する。
【００１４】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
【００１５】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
【００１６】
本発明の他の実施態様は、人の目の中に画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、第１および第２の軸の周りで回転対称な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器から光を目の中に反射して目の中に画像を形成することとを含む方法を有する。
【００１７】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された光路内の軸外し反射器とを有し、画像形成装置と軸外し反射器との間の光路内に２枚以下のレンズが含まれる光学系を有する。
【００１８】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する装置であって、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、光路内の軸外し反射コンバイナと、結像光学系および軸外し反射コンバイナが固定された支持構造とを有し、光路内に２枚以下のレンズが存在し、光パワーを有する反射器は存在しない装置を有する。
【００１９】
本発明の他の実施態様は、画像を形成する装置であって、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、非球面コンバイナを有する光路内の反射コンバイナと、結像光学系およびコンバイナが固定された支持構造とを有し、２つの非球面屈折光学面を有するレンズのみが光路内に存在する装置を有する。
【００２０】
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を生成することと、２枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を形成することとを含む方法を有する。
【００２１】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナとを有する光学系を有する。
【００２２】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成され、互いに対して傾斜している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
【００２３】
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第１および第２の軸の周りで回転対称な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素から光を集光することと、軸外し反射器から光を反射して画像を形成することとを含む方法を有する。
【００２４】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイであって、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、２枚以下のレンズを有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された軸外しコンバイナと、画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
【００２５】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取り、２枚以下のレンズを有し、かつ光パワーを有する反射器を有さない結像光学系を有する光学系を有する。
【００２６】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取り、２枚の非球面屈折光学面を有するレンズのみを有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、頭部装着ディスプレイの着用者の目の中に画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を形成することと、２枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を着用者の目の中に形成することとを含む方法を有する。
【００２７】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する頭部装着ディスプレイにおいて、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、画像形成装置、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアとを有する頭部装着ディスプレイを有する。
【００２８】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を有する頭部装着ディスプレイ用の光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜した第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
【００２９】
本発明の他の実施態様は、人の目の中に画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第１および第２の軸の周りで回転対称な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器からの光を目の中に反射して目の中に画像を形成することとを含む方法を有する。
【００３０】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、２枚以下のレンズを有する結像光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成された軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
【００３１】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置上に形成された画像を表示する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成され、２枚以下のレンズを有し、かつ光パワーを有する反射器を有さない結像光学系と、軸外し反射コンバイナとを有する光学系を有する。
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系であって、画像形成装置に対して配置され、空間光変調器から光を受け取り、２枚の非球面屈折光学面を有するレンズのみを有する結像光学系と、非球面コンバイナを有する反射コンバイナとを有する光学系を有する。
【００３２】
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、物体領域内に画像を生成することと、２枚のレンズおよび軸外し反射コンバイナのみを有する光学系によって物体領域の画像を形成することとを含む方法を有する。
【００３３】
本発明の他の実施態様は、画像を表示する光学系において、空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、画像形成装置に対して配置され、複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、画像を表示できるように結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナとを光学系を有する。
【００３４】
本発明の他の実施態様は、画像形成装置を結像する光学系において、画像形成装置に対して配置され、画像形成装置から光を受け取るように構成された結像光学系であって、互いに対して傾斜した第１および第２の軸の周りで回転対称な第１および第２の形状を有する前面および裏面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する結像光学系と、軸外しコンバイナとを有する光学系を有する。
【００３５】
本発明の他の実施態様は、画像を形成する方法であって、複数の画素を有する画像形成装置を用いて画像を形成することと、互いに異なる第１および第２の軸の周りで回転対称な形状を有する第１および第２の面を有する非回転対称レンズを有する屈折光学系によって複数の画素からの光を集光することと、軸外し反射器から光を反射して画像を形成することとを含む方法を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
グラフィクまたは他の視覚的情報を観察者に提示するために、画像および／または記号、例えば、テキストや数字を、画面上に投射するか、または観察者の目の中に向けることができる。図１は、（目で表されている）観察者１２の前方に配置されたディスプレイ１０を模式的に示している。好ましい実施態様では、このディスプレイ１０は、ライト、すなわち光線１６によって照明され、結像または投射光学系１８によって結像される空間光変調器１４を含んでいる。空間光変調器１４は、反射型液晶ディスプレイのような反射型偏光変調器を有していてよい。この液晶空間光変調器は、各液晶セルを、文字および／または画像を含む高解像度パターンを生成するために信号、例えばアナログ信号またはデジタル信号によって個別に作動させることができる液晶セルのアレイを有するのが好ましい。より一般的には、空間光変調器は、光を変調するように選択的に調整することができる変調器または画素のアレイを有していてよい。投射光学系１８は、例えば、画像を無限遠（または比較的長距離）に投射することができ、または目を介して網膜上に結像することができる視覚画像を形成することができる。このようなディスプレイは、例えば、テレビジョンや頭部装着ディスプレイに用いることができる。
【００３７】
ＬＣＤの空間光変調器１４を照明するために、ビームスプリッタ２０がＬＣＤの前方に配置されている。ビームスプリッタ２０は、ビームスプリッタの側面２４を通して導入された光線１６をＬＣＤ１４の方へ反射する反射面２２を有している。ＬＣＤ１４からの反射は、別の経路を通って反射面２２を通過し、ビームスプリッタ２０の前面２６から出る。結像光学系１８は、ビームスプリッタ２０からの光を受け取り、好ましくは、ＬＣＤディスプレイ１４によって生成されたパターンを観察者１２の目の網膜上に結像する。
【００３８】
ビームスプリッタ２０の側面２４に入射する光が偏光であり、ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタを有するのが好ましい。このような場合、反射面２２は、１つの偏光状態の光を反射し、他の偏光状態の光を透過させる偏光依存反射面を有するのが好ましい。ＬＣＤの空間光変調器１４内のセルは、例えば、セルに入射した光の偏光を選択的に回転させるものであってもよい。したがって、ＬＣＤセルの状態によって、偏光をセルによって回転させるかどうかに基づいて、そのセルに入射した光を、第２の経路を通してビームスプリッタ２０の反射面を透過させるかどうかを決定することができる。他の種類の液晶空間光変調器を用いることもできる。
【００３９】
同様の種類の光学装置３０の斜視図が図２に示されている。この光学装置３０は、投射レンズ１８を含んでいてよく、空間光変調器１４の実画像をスクリーン３１上に投射するプロジェクタとして用いられてよい。ビームスプリッタ２０は、偏光ビーム分割プリズムのようなプリズムを有していてよく、ある好ましい実施形態では、ビームスプリッタは、当該技術分野でよく知られているように偏光を区別するコーティング層の積層体を有する多層被覆ビーム分割プリズムを有していてよい。約４５度の角度に傾斜した表面上に多層コーティングを有する、図１に示されているような立方体を有する複数のマックニール型偏光立方体を用いることができるが、視野が、多層の働きの、入射角に対する依存性によって制限されることがある。マックニールビーム分割立方体に用いられている在来の多層コーティングの代わりに、コーティング層が、入射角ではなく材料軸に基づいて偏光を分離する複数の複屈折層を有する場合、ｆ／１より高速のビームの性能を有効に得ることができる。このような複屈折多層は、ミネソタ州セントポールの３Ｍから入手することができる。
【００４０】
他のビームスプリッタ２０を用いることもできる。光を２つの偏光状態に分離する幾つかの他の偏光ビームスプリッタの例には、結晶偏光子およびプレート偏光子が含まれる。有利なことに、結晶偏光子は比較的高い吸光率を有しているが、結晶偏光子は、重量が重く、比較的効果であり、より大きいＦナンバー（Ｆ／＃）を有する比較的低速のビームに対して非常に良好に作用する。画質は、主として、１つの偏光で他よりも良好である。プレート偏光子は、立方体内ではなくプレートの一方の側のみに塗布された多層コーティングを有することができる。プレート偏光子は、軽量で比較的安価である。しかし、画質はやはり主として１つの偏光状態について比較的高く、プレート偏光子を用いた場合、画質は速度がｆ／１に近づくにつれてかなり低下する。フォトニック結晶偏光子やワイヤグリッド偏光子のような他の種類の偏光子を用いてもよい。フォトニック結晶偏光子は、偏光を区別するのに使用できるフォトニック結晶を形成する層の積層体を有する。フォトニック結晶偏光子は日本のフォトニックラティス社から入手することができる。フォトニック結晶偏光子は、理論的に優れた視野および波長許容性を有するが、フォトニック結晶偏光子は、高価なリソグラフィックプロセスを用いて作られる。ワイヤグリッド偏光子は、平面を横切ってほぼ平行に揃えられた複数のワイヤを有する。これらのワイヤグリッドも偏光を区別することができる。ワイヤグリッド偏光子は、例えばニュージャージー州サマーセットのNanoOpto Corporationやユタ州オレムのMoxtek, Inc.から入手することができる。ワイヤグリッド偏光子は、透過時に良好に吸光するが、このような偏光子は反射時に幾らか漏れが生じる。ワイヤグリッドを形成するのに用いられるアルミニウムは、誘電体材料よりも吸光率が高いという傾向もある。それにもかかわらず、ワイヤグリッド偏光子が本発明の様々な実施形態にとって好ましい。
【００４１】
上述のように、立方体偏光子内の複数の複屈折層を有する多層コーティングは、ｆ／１より速いビームに良好に作用し、両方の偏光に対して高い画質を実現する。好ましい実施形態では、ワイヤグリッド偏光子およびフォトニック結晶偏光子によって、ビームスプリッタ立方体内の複屈折多層を置き換えてもよい。しかし、立方体構成は、大きさに応じて重量が重い場合がある。図１および２に示されているビームスプリッタ２０は、複数の辺の長さが概ね等しいビームスプリッタ立方体を有している。同様に、ビームスプリッタ２０は、空間光変調器１４の幅ｗより大きい大きさ（例えば、厚さｔ）を有している。
【００４２】
図２に示されているように、光源３２が、偏光ビームスプリッタ２０に対して、光をビームスプリッタに導入して空間光変調器１４を照明するように配置されている。ビームスプリッタ２０は、光を受け取る１つのポートを含んでいる。光は側面２４を通ってビームスプリッタ２０内に導入される。反射面２２は、ビームスプリッタの側面２４を通って入力された光がＬＣＤディスプレイの方へ反射されるように、この側面２４とＬＣＤディスプレイ１４の両方に面するように傾斜している。この反射面２２は、ビームスプリッタの側面２４に対して約４０度から５０度の間の角度に傾斜した平面を有していてよいが、この範囲外の他の角度に傾斜させてもよい。照明されたＬＣＤディスプレイを結像光学系１８によって結像させることができる。結像光学系１８は、ビームスプリッタ２０の立方体を通って空間光変調器１４に至る十分に大きい後側焦点距離および十分に大きい有効口径に合うように、比較的大形で重量が重い投射レンズを有してよい。
【００４３】
他の寸法を有し、または他の形状および構成を有するビームスプリッタを用いてもよい。本明細書では、新規の様々なビームスプリッタ、およびビームスプリッタを用いた光学系について説明する。本発明の例示的な一実施形態では、例えば、２つまたは３つ以上のポートを含めることによって、ビームスプリッタの厚さを薄くすることができる。このような構成が図３に示されている。図３は、２つの光線４８，５０を受け取る２つのポート４４，４６を有するビームスプリッタ装置４２を有するディスプレイ４０を示している。ディスプレイ４０は、空間光変調器５２と、空間光変調器を結像する結像光学系５４とを有している。上述のように、空間光変調器５２は、液晶セルのアレイを有する液晶空間光変調器を有してよい。これらの液晶セルは、空間光変調器が受け取ったデータまたはビデオ信号に従って選択的に制御されてよい。
【００４４】
ビームスプリッタ装置４２は、入射光４８，５０に対して実質的に透過性のガラス、プラスチック、または他の材料からなるプリズム素子からなっていてよい。図示のプリズム素子４２は、２つの光線４８，５０をそれぞれ受け取る２つの入力面５６，５８を有している。図３に示されている実施形態では、これら２つの入力面５６，５８は互いに平行で反対向きになっており、プリズムの、互いに反対側の側面上に配置されている。同様に、２つの入力ポート４４、４６は、互いに反対側になっており、それらに対応する光線の光路が実質的に互いに逆の方向に沿って延びている。入力ポート４４，４６は、互いに１８０度の方向に向けられているが、例えば、両ポートが３０度、４０度、６０度、７２度、１２０度のような他の角度、およびこれらの間の角度やこれらの範囲外の角度に向けられた他の構成も可能である。２つの入力面５６，５８は、光を、プリズム４２を通して伝搬できるように光線４８，５０を実質的に光学的に透過させるのが好ましい。
【００４５】
プリズム４２は２つの反射面６０，６２も有しており、反射面６０，６２によって、２つのポート４４，４６で受け取られた光が第１の（中間の）出力面６４の方へ、そして空間光変調器５２上に反射される。２つの反射面６０，６２は、入力面を通して入力された光が出力面に反射されるように入力面５６，５８および出力面６４に対して傾斜している。好ましい一例では、反射面６０，６２は、入力面５６，５８に対して４０度から５０度の間の角度に、かつ第１の出力面６４に対して約４０度から５０度の角度に傾斜している。しかし、角度、傾斜角、すなわち傾斜はこれらの角度に制限されるものではない。
【００４６】
２つの反射面６０，６２は互いに逆方向に傾斜してもいる。図３に示されている例では、反射面６０，６２は、出力面６４の中央領域からそれぞれの互いに反対側の入力面５６，５８へと傾斜している。反射面６０，６２は、出力面６４の中央領域内の線または縁６６に沿って合わさっており、縁６６は出力面６４と一致していてよい。しかし、他の構成も可能であるので、この構成は、制限的な構成と解釈されるべきではない。プリズム４２は、互いに逆方向に傾斜しており、好ましくは出力面６４の中央領域内に位置する頂部（すなわち先端）６６に向かって収束している反射面６０，６２によって形成される「Ｖ字」形に基づいて、ここでは「Ｖ字形」プリズムと呼ぶこともある。
【００４７】
各反射面６０，６２は、１つの偏光を有する光を反射し、他の偏光状態を有する光を透過させる偏光依存反射面を有するのが好ましい。例えば、反射面６０，６２はそれぞれ、ｓ−偏光状態の光を反射し、ｐ−偏光状態の光を透過させてよく、あるいはｐ−偏光状態の光を反射し、ｓ−偏光状態の光を透過させてよい。他の構成も可能であり、反射面６０，６２は、他の状態の光を反射し透過させるように構成してもよい。様々な好ましい実施形態において、反射面６０，６２は、上述のように多層複屈折コーティングまたはワイヤグリッドを用いて形成されている。
【００４８】
したがって、「Ｖ字形」プリズム４２は、このプリズム装置が様々な偏光を有するビームを分割するので偏光ビームスプリッタと言うことができる。しかし、ビームスプリッタ４２の側面に入射する光は偏光であるのが好ましい。このような場合、反射面６０，６２としては、ビームスプリッタ４２のそれぞれの側面、すなわち入力面５６，５８を通して導入される光線４８，５０を反射するものを選択するのが好ましい。（図３に示されているように）互いに逆方向に向けられかつＹ軸に平行な経路に沿って伝搬する入力ビーム、すなわち光線４８，５０は、Ｚ軸に平行な同様に互いに逆方向に向けられた経路に沿ってＬＣＤ、すなわち空間光変調器５２の方へ方向を変えられる。空間光変調器５２も反射装置であるのが好ましい。したがって、液晶アレイ、すなわち空間光変調器５２の方へ進行した両入力ビームの光線４８，５０は、Ｚ軸に平行な経路に沿って逆方向に反射面６０，６２に戻るように反射されるのが好ましい。
【００４９】
ＬＣＤの空間光変調器５２内のセルは、やはり、セルに入射した光の偏光を選択的に回転させるのが好ましい。したがって、ＬＣＤ５２からの反射は、他の経路上で反射面６０，６２を通過してビームスプリッタ４２の前面６８から出る。このようにして、ＬＣＤセルの状態によって、そのセルに入射した光がビームスプリッタ４２を通る第２の経路上で反射面６０，６２を透過するかどうかを、それぞれのセルによって偏光が回転させられるかどうかに基づいて決定することができる。それによって、テキストや画像のような高解像度パターンを、例えば電気信号を用いて液晶セルを個々に作動させることによって生成することができる。他の種類の空間光変調器を用いてもよい。このような空間光変調器は、他の種類の信号によって制御されてよい。このような空間光変調器は、液晶を有していても有していなくてもよく、偏光依存であってもそうでなくもよく、かつ反射型であってもそうでなくてもよい。例えば、他の実施形態では透過型空間光変調器を用いてもよい。しかし、空間光変調器の種類は、ここに記載した種類に限定されるものではない。
【００５０】
結像光学系５４は空間光変調器５２を結像する。結像光学系５４によって、変調された液晶アレイ５２により生成されたパターンを観察者の網膜上、または他の実施形態では例えばスクリーン上や他の場所に形成することができる。
【００５１】
入力ポート４６およびそれに対応する反射面６２を追加することによって、ビーム分割素子４２の厚さｔを薄くすることができる。図１および３に示されているように、それぞれのプリズム素子２０，４２は幅ｗを有する。「Ｖ字形」プリズム４２では、所与のプリズム幅ｗに適合させるのに必要な厚さが比較的薄いので、厚さと幅の比（ｔ／ｗ）は比較的小さい。同様に、所与の幅ｗを有する空間光変調器１４，５２を照明する必要がある厚さｔが比較的薄い。
【００５２】
空間光変調器１４，５２の幅は、例えば、対角線上で１／２インチ〜１インチ（１３ｍｍ〜２５ｍｍ）であってよい。プリズム４２の厚さは、約１／４インチから１／２インチ（６ｍｍ〜１４ｍｍ）の間であってよい。したがって、入力面５６，５８および反射面６０，６２は、それぞれ、約１／３×１／２インチ（９×１２ｍｍ）から２／３×１インチ（１８×２４ｍｍ）の間であってよい。対角線が１インチ（２５ｍｍ）のビームを、空間光変調器１４，５２を照明するのに用いることができる。これらの範囲外の他の寸法を用いてもよく、ここに記載された範囲に限定されるものではない。さらに、空間光変調器４２の形状も入力ポート５６，５８および反射面６０，６２の形状も多くの実施形態では正方形または矩形であってよいが、他の形状も可能である。
【００５３】
上述のように、「Ｖ字形」プリズム４２でそうであるように、追加のポートを追加することによって、より小形でより軽量でよりコンパクトな照明システムを得ることができ、有利である。例えば、「Ｖ字形」プリズム偏光ビーム分割素子４２の厚さおよび質量は、空間光変調器１４，５２の、幅ｗによって決まる同じ大きさの領域を照明する場合、偏光ビーム分割立方体２０の約１／２であってよい。同様に、投射レンズ、すなわち結像光学系５４の後側焦点距離を短くしてもよい。その結果、「Ｖ字形」プリズムと組み合わせて用いられる結像光学系５４の大きさ（例えば、直径）を、同様のＦナンバーまたは開口数を有するディスプレイのプリズム立方体２０と組み合わせて用いられる結像光学系１８と比べて小さくすることができる。したがって、より小さい大きさ、より低いコスト、および場合によってはより高い性能を実現することができる。
【００５４】
好ましい一実施形態では、「Ｖ字形」プリズム４２は、図３に示されているように、側面から見たときに三角形状を有する３つのより小さい三角形プリズムを有する正方形プリズム素子を有している。このような「Ｖ字形」プリズム４２を製造する方法について以下に図２７Ａ〜２７Ｇを参照して説明する。プリズム４２は、複数の偏光状態の光を分離する選択的な反射面６０，６２を形成する複数の複屈折層のような偏光ビーム分割コーティングを有していてよい。このような「Ｖ字形」プリズム４２は、約Ｆ／１より小さいＦナンバーの場合にうまく機能し、好ましい。他の実施形態では、偏光ビーム分割面６０，６２は、例えば、ワイヤグリッド偏光子またはフォトニック偏光層を有していてよい。
【００５５】
図４は、「Ｖ字形」プリズム４２を有する背面投射テレビジョン（例えば、ＨＤＴＶであってよい）用の照明装置５３を示している。「Ｖ字形」プリズム４２は一対の偏光ビーム分割立方体７０，７２を有し、偏光ビーム分割立方体７０，７２は、反射面６０，６２が互いに逆方向に傾斜し、したがって互いに異なる方向に面するように配置されている。したがって、上述のように、互いに反対側の入力ポート４４，４６から入力された光を、例えば各ビームスプリッタ７０，７２上の出力面６４を通して液晶空間光変調器５２へと反射させることができる。図４は、２つの照明源７４，７６が、プリズム素子４２の、互いに反対の両側に位置している互いに反対側の２つのポート４４，４６に光を結合しているのを示している。Ｙ軸に平行な互いに反対に延びる経路をたどった光は、傾斜した反射面６０，６２からＺ軸に平行な経路に沿って空間光変調器５２の方へ反射される。ビームスプリッタ装置４２内の２つの偏光ビームスプリッタ７０，７２は、オプティカルコンタクト、セメント、接着剤、クランプ、ファスナを用いるか、または、２つの立方体を適切に位置させる他の方法を用いることによって適切に固定されていてよい。これら２つの偏光立方体７０，７２は、反射面６０，６２が、２つの偏光立方体間に暗い領域を形成することなく空間光変調器５２を照明するのに十分な程度に近接して配置されるように、互いに隣接しているのが好ましい。「Ｖ字形」プリズム４２は、他の方法で形成されていてもよい。
【００５６】
図４に示されている照明装置５３は、「Ｖ字形」プリズムと照明源７４，７６とを支持する支持組立体５５をさらに含んでいる。この支持組立体５５は、実質的に平面状であるように示されているが、支持組立体はボードまたは平面基板を有している必要はない。様々な構成部材を支持する他の手法を用いてもよく、支持構造に固定されるかまたは取り付けられる具体的な構成部材は様々であってよい。支持構造５５は、例えば、光学系を保持して揃えるためのフレームを有していてよい。背面投射ＴＶの複数の壁または底部を支持構造５５として用いてもよい。しかし、ここに記載された例は、それぞれのシステムを支持するのに用いられる支持体の種類を制限するものと解釈すべきものではない。
【００５７】
これらの照明源７４，７６のそれぞれは、支持組立体５５上に取り付けられたＬＥＤアレイ５７と第１および第２のフライアイレンズ５９，６１とを有している。フライアイレンズ５９，６１は複数のレンズレットをそれぞれ有している。様々な好ましい実施形態において、第１および第２のフライアイレンズ５９，６１は、ＬＥＤアレイ５７から反射面６０，６２を介して空間光変調器５２に至る光軸に沿って、長手方向に適切な間隔を置いて配置されている。例えば、ＬＥＤアレイ５７は第１のフライアイレンズ５９によって第２のフライアイレンズ６１上に結像され、第１のフライアイレンズは、第２のフライアイレンズによって空間光変調器５２上に結像される。このような実施形態では、第１のフライアイレンズ５９は、第２のフライアイレンズ６１の各レンズレット内にＬＥＤアレイ５７の画像を形成することができる。第２のフライアイレンズ６１は、第１のフライアイレンズ５９内のレンズレットの重なり合った画像を空間光変調器５２上に形成する。好ましい様々な実施形態では、第１のフライアイレンズ５９は、空間光変調器５２の、ＬＥＤアレイ５７によって照明すべき部分に合った複数の細長いかまたは長方形のレンズレットを有している。
【００５８】
照明装置５３は、例えば、ＬＣＤ５２の画像をスクリーンまたはディスプレイ上に投射するかまたは目の中に直接投射する結像または投射光学系５４をさらに有している。図４に示されている照明装置５３は、平坦な投射スクリーン６３と、観察者が見ることができるようにスクリーン上に画像を形成する傾斜した反射器６５とを有する背面投射ＴＶの一部として示されている。１つまたは２つ以上の追加の反射器を、画像の向きを変え、または様々な方向に出力する照明装置５３にあうようにするために用いてもよい。「Ｖ字形」プリズム４２は、空間光変調器５２の同様の寸法の領域を照明する偏光立方体と比べて厚さを薄くすることができるので、同一のＦナンバーまたは開口数を有する系と比べて照明装置５３内の結像または投射光学系５４を小形にすることができる。
【００５９】
照明を行う他の構成および構造も可能である。例えば、図５は、プリズム装置８０が、「Ｖ字形」プリズム４２の反射面とは異なる方向に向けられた一対の反射面８２，８４を有しているのを示している。図示のプリズム素子８０は、ワイヤグリッド偏光子を用いて形成された反射面８２，８４を有する一対の偏光ビーム分割立方体８６，８８を有している。ただし、他の実施形態ではマックニール型プリズムを用いることもできる。ワイヤグリッド偏光子は、実質的に互いに平行に配置された細長いストリップまたはワイヤのアレイを有している。様々な好ましい実施形態において、これらの細長いストリップは、アルミニウムのような金属からなっている。ワイヤグリッド偏光子は、１つの直線偏光を反射し、それに直交する他の直線偏光を透過させる。他の実施形態においては、多重複屈折層コーティングから形成された偏光子やフォトニック結晶偏光子のような他の種類の偏光子を用いてもよい。
【００６０】
プリズム素子８０は、２つのポート９０，９２をプリズム素子の、互いに異なる側面に有している。ライトパイプ９５が、光源（不図示）からの照明を、偏光ビーム分割立方体８６，８８のそれぞれに１つで、２つの入力面９８，１００のそれぞれを通過させるように案内するように、図５に示されている。ライトパイプ９５は、光が伝搬する中空のチャネル９９を有する導管または伝達部を形成する複数の側壁９７を有していてよい。好ましくは、導管の内側部分１０１は反射性であり、ある好ましい実施形態では、光がライトパイプ９５の内部のチャネルを通って光源からプリズム素子８０の入力面９８，１００に伝搬するように拡散反射性であってよい。図５に示されているライトパイプ９５は、２つの入力面９８，１００の方へ続く２つのアーム１０３ａ，１０３ｂに分岐している。２つのアーム１０３ａ，１０３ｂは、２つの入力面９８、１００の所に実質的に等しい照明を生じさせるのに適した寸法および反射性のそれぞれの側壁９７を有するのが好ましい。様々な好ましい実施形態において、ライトパイプ９５は、他の構成部材に適合するように形作られ、あるいはヘルメット装着ディスプレイ、またはより広義には頭部装着ディスプレイのような装置内の特定の空間に嵌るように形作られていてよい。（ここで用いるように、ヘルメットが付随するヘルメット装着ディスプレイは、ヘルメットに取り付けられても取り付けられなくてもよい頭部装着ディスプレイの一種である。）
プリズム装置８０の反射面８２，８４はそれぞれ、入力面９８，１００および出力面１０２に対してある角度に向けられている。出力面１０２に対する角度は、例えば約４０度から５０度の間、またはこれらの範囲外であってよい。しかし、このプリズム素子８０の反射面８２，８４は、プリズム素子の、「Ｖ字形」プリズム４２の反射面６０，６２とは異なる側面に異なる方向に面している。例えば、一方の反射面８４は、Ｘ軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光を、Ｚ軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。他方の反射面８２は、Ｙ軸に平行な光路に沿って伝搬する光を受け取り、この光をＺ軸に平行な光路の方向に反射するように向きを設定されている。したがって、２つの反射面８２，８４は、この場合９０度離れた互いに異なる方向に面している。他の方向に向いたポートを用いてもよい。
【００６１】
一対の反射面が設けられた一連の他の構成も可能である。これらの反射面は、一方の側面からプリズム素子８０に入力された光を共通の方向に反射するように傾斜しているのが好ましい。様々な実施形態で、様々な入力側面を入力面として用いることができる。例えば、これらの側面は、互いに反対側に面していても、あるいは互いに対して９０度または互いに対して他の角度に向いていてもよい。反射面を、図５に示されているように平面状で正方形または矩形とすることができ、あるいは他の形状にしてもよい。両反射面を、実質的に同じ量だけ傾斜させることができ、あるいは互いに異なる量だけ傾斜させることもできる。各反射面を互いに異なる方向に傾斜させることもできる。他の構成も可能であると考えられ、ここに記載する示唆に整合する変形実施形態を適切に用いることができるので、ここに具体的に記載された構成に限定されるものではない。
【００６２】
図６は、正方形プリズムの、別々の４つの側面上に４つの入力ポート１１２を有する正方形プリズム素子１１０を示している。矩形の一体型ロッド１１６に連結された４つの光源１１４も示されている。矩形の一体型ロッド１１６は、反射性であり、場合によっては拡散反射性である内側側壁を有する中空の導管を有してよい。他の実施形態では、矩形の一体型ロッド１１６は中空ではなく、その代わりに、光学的に実質的に透過性であり、反射側壁を形成するように形作られたガラス、クリスタル、ポリマーのような材料からなっている。光は、この材料を通って、または中空の導管を通って伝搬し、一体型ロッド１１６の側壁によって複数回反射される。この複数回の反射によって、出力を均質化し、好ましくは明るいスポットまたは他の非一様性を除去する混合が行われることが好ましい。幾つかの実施形態では、一体型ロッド１１６の、長さ方向に延びるそれぞれの光軸に直交する断面が正方形または矩形である。そのような断面が、空間光変調器の、正方形または矩形の領域を照明するのに望ましい。他の形状も可能である。様々な好ましい実施形態において、断面は、矩形と同様に一方向に細長い。さらに、直線状の一体型ロッド１１６が示されているが、曲線状の構造を用いてもよい。例えば、湾曲させることができるファイバ束、ラージコアファイバ、および実質的に可とう性の他の線を含む、曲線経路を辿るライトパイプを用いてよい。あるいは、他の実施形態と同様に剛性であるが湾曲したライトパイプを用いてもよい。
【００６３】
４つの入力ポート１１２は、４つのそれぞれの反射面１２０のうちの１つへの光路をそれぞれ形成する入力面１１８をそれぞれ含んでいる。４つのポート１１２および入力面１１８は、正方形プリズム１１０の４つの側面から外向きに４つの異なる方向に面している。反射面１２０も、互いに異なる４つの方向に面している。これらの反射面１２０は、図６にプリズム素子１１０の下方または背後に示されている出力面１２４の方に傾斜している。したがって、４つの入力面１１８によって受け取られた光は、図６の下向きに、反射ＬＣＤモジュール（不図示）が配置されていてよい出力面１２４の方へ向きを変えられる。これらの反射面１２０は偏光分割面であるのが好ましく、入力された光は、その光が出力面１２４の方へ反射されるように偏光されているのが好ましい。プリズム素子１１０は、適切な方向に向けられた互いに隣接する４つのビーム分割立方体から形成されていてよい。
【００６４】
４つの偏光子が、光源１１４または一体型ロッド１１６と入力面１１８との間に挿入されていてもよい。これらの偏光子をここでは前置偏光子と呼ぶこともある。これらの偏光子によって、入力面１１８に到達した実質的に全ての光が、この光が偏光分割反射面１２０によって反射されるように適切な偏光を有するようにされるのが好ましい。
【００６５】
４つの入力ポート１５２を有する正方形のプリズム素子１５０の他の実施形態が図７に示されている。このプリズム素子１５０は、図７、８Ａ、および８Ｂに示されているように、光を入力することができる４つの面１６０と、三角形の４つの反射面１７０とを含んでおり、４つの反射面１７０は、入力面１６０を通して入力された光が上向きに反射され出力面１７８から出るように頂点領域１７５に向かって互いに同じように傾斜している。反射液晶アレイ装置や他の反射変調器組立体のような空間光変調器（不図示）が、光を、出力面１７８を介してプリズム１５０内に戻すように反射するように出力面１７８に隣接して配置されていてよい。側面断面図と平面図が図８Ａおよび８Ｂに示されている。互いに隣接する三角形の反射面１７０は、頂点領域１７５に向かって傾斜した縁部１８０に沿って互いに隣接しているのが好ましい。図７、８Ａ、および８Ｂに示されている構成では、４つの反射面１７０はピラミッド形の面を形成しているように見える。４つの入力面１５２は、正方形プリズム１５０から外向きに互いに異なる４つの方向に面している。三角形の４つの反射面１７０も互いに異なる４つの方向に面している。４つの反射面１７０は、ある偏光状態の光を反射し別の偏光状態の光を透過させる偏光分割面を有するのが好ましい。これら４つの面は互いに同じ、または互いに異なる偏光を反射するものであってよい。偏光された光は、その光が偏光分割反射面１７０によって反射されるように入力ポート１５２に結合されるのが好ましい。これらの偏光分割界面１７０は、上述のような多層コーティング、格子偏光子、およびフォトニック結晶を用いて形成されていても、公知の、およびこれから開発される他の種類の偏光子を用いて形成されていてもよい。互いに平行な金属ストリップのアレイを有する格子偏光子１９０が図７、８Ａ、および８Ｂに示されている。これらの格子偏光子１９０、およびこの偏光子を形成する金属ストリップの大きさは、提示した模式図では誇張されている。
【００６６】
複数の入力ポート１５２を有するプリズム素子１５０の他の実施形態が図９Ａに示されている。このプリズム素子１５０は、対称的な円形プリズムを有している。プリズム素子１５０は、図９Ａおよび９Ｂに示されているように、光を入力することができる複数の入力面１６０と、入力面１６０を通して入力された光が上向きに反射され出力面１７８から出るように頂点領域１７５に向かって互いに同様に傾斜した複数の反射面１７０とを含んでいる。反射型液晶変調器組立体のような空間光変調器（不図示）が、光を、出力面１７８を介してプリズム１５０内に戻すように反射するように出力面１７８に隣接して配置されていてよい。側面断面図が図９Ｂに示されている。反射面１７０は、頂点領域１７５に向かって傾斜しているのが好ましい。図９Ａ〜９Ｂに示されている構成では、反射面１７０は、円錐状面を形成しているように見える。反射面１７０は、頂点１７５を通る軸線１７９に関して円対称になっている。複数の入力ポート１５２は円形プリズム１５０から外向きに互いに異なる方向に面している。複数の反射面１７０も互いに異なる方向に面している。図９Ｂの断面図に示されているように、この反射面は軸線１７９に平行な方向に沿って湾曲している。曲率、勾配、および凹面を変化させてもよい。曲率の他の変更を含めてもよい。傾斜反射面を形成する他の種類の回転面を用いてもよい。図９Ｃおよび９Ｄは、円錐状の反射面１７０を有するプリズム１５０を示している。回転軸線に沿って変化した曲率を有するのではなく、勾配はほぼ一定になっている。この反射面１７０の直線状の傾斜は、図９Ｄに示されている断面に示されている。図９Ａおよび９Ｃに示されている反射面は、軸線１７９の周りの回転面の形状に一致する形状を有している。このような回転面の複数の部分に一致する形状の複数の部分を有する複数の偏光ビーム分割面も可能である。さらに、相応の形状の回転面を形成するように回転させられる曲線は、互いに異なる形状の複数の面を生じるようにむらのある曲線であってもよい。
【００６７】
反射面１７０は、１つの偏光状態の光を反射し、他の偏光状態の光を透過させる偏光分割面を有するのが好ましい。偏光された光は、その光が偏光分割反射面１７０によって反射されるように入力ポート１５２に結合されるのが好ましい。これらの偏光分割界面１７０は、上述のような多層コーティング、格子偏光子、およびフォトニック結晶を用いて形成されていてもよいし、公知の、およびこれから開発される他の種類の偏光子を用いて形成されていてもよい。
【００６８】
プリズム素子は、入力ポートに入力された光に対して実質的に透過性のガラス又は他の材料からなっているのが好ましい。用いてよい透光性の材料の例にはＢＫ７およびＳＦＬ５７ガラスが含まれる。他の材料を用いてもよいが、プリズムはここに具体的に記載する透過材料に限定されるものではない。これらのプリズム素子を、正方形の構成に限定する必要はない。例えば矩形、六角形などのような他の形状および大きさを用いてもよい。１つの偏光状態の光を反射し他の偏光状態の光を透過させる他の技術を用いることもできる。様々な実施形態において、これらの反射面は例えば、偏光板を有していてもよい。
【００６９】
上述のように、結果として得られる照明装置は、比較的薄く、したがって、比較的軽量でより小形の構成が得られる。比較的安いコストおよびより高い性能を実現することもできる。比較的短い後側焦点距離を有する比較的小形の投射光学系を用いてもよい。
【００７０】
第１および第２の入力ポート２０８，２１０への光ファイバライン２０６を介して発光ダイオード（ＬＥＤ）２０４のアレイに光学的に結合された「Ｖ字形」プリズム２０２を有する光学装置２００が図１０に示されている。このような光学装置２００は、ヘルメット装着ディスプレイのような頭部装着ディスプレイに含まれていてよく、ハウジング内に入れられ支持構造（不図示）上に支持されていてよい。ファイバライン２０６は、インコヒーレントファイバ束、コヒーレントファイバ束、ラージコア光ファイバ、中空の導管、または他の種類のライトパイプを含むライトパイプの特定の種類のものであると解される。光ファイバライン２０６は、可とう性を提供し、例えば、パッケージングの要求によって構成部材の大きさと配置が制限される小形の装置および構成に有利である。ＬＥＤアレイ２０４は、例えば、赤色、緑色、および青色のＬＥＤからなってよい３つのＬＥＤを有している。３つのＬＥＤ２１２は、３つのファイバライン２０６に結合されているように示されている。３つのファイバライン２０６のそれぞれは、一対の別個の第１および第２のファイバライン２０６ａ，２０６ｂに分割されている。３つのＬＥＤのそれぞれに結び付けられた第１のファイバライン２０６ａは、「Ｖ字形」プリズム２０２の第１の入力ポート２０８に光学的に結合されている。３つのＬＥＤ２１２のそれぞれに結び付けられた第２のファイバライン２０６ｂは、「Ｖ字形」プリズム２０２の第２の入力ポート２１０に光学的に結合されている。したがって、各ＬＥＤ２１２からの光を、「Ｖ字形」プリズム２０２の両方のポート２０８，２１０に分散させることができる。
【００７１】
様々な好ましい実施形態において、３つの光ファイバライン２０６はインコヒーレントファイバ束のようなファイバ束を有している。図１１は、１つの光源２２４、すなわち発光体に、光源からの光を受け取るように当接させられた１つの光ファイバ束２２２を模式的に示している。光ファイバ束２２２は、「Ｖ字形」プリズムのような光学装置２３０の、互いに向かい合う２つの端部への経路を辿る２つの部分２２６，２２８に分割されている。これら２つの部分２２６，２２８は、図１０に示されている第１および第２のファイバライン２０６ａ，２０６ｂに相当している。
【００７２】
ファイバ束２２２は、複数の光ファイバを有するのが好ましい。ファイバ束２２２は、例えば、束内の光ファイバを、第１の入力ポート２０８への第１のファイバライン２０６ａ用の１つの群と第２の入力ポート２１０への第２のファイバライン２０６ｂ用の１つの群との２つの群に分離することによって分割されていてよい。様々な好ましい実施形態において、無作為に選択された複数の第１のファイバが第１のファイバライン２０６ａとして用いられ、無作為に選択された複数の第２のファイバが第２のファイバライン２０６ｂとして用いられる。第１および第２の入力ポート２０８，２１０に延びる別個の第１および第２のライン２０６ａ，２０６ｂに光を概ね同等に分散させるために、ファイバの数は、別個の第１および第２のライン２０６ａ，２０６ｂの両方で実質的に同じであるのが好ましい。この分散を、第１または第２のファイバライン２０６ａ，２０６ｂのいずれかからファイバを取り除くことによって調整することができる。ディスプレイの様々な部分に向けられた照明の差に適応するように、スケーリングを用い、空間光変調器２３６による修正を導入することもできる。
【００７３】
好ましい一実施形態では、赤色、緑色、および青色の光源２１２によって放出された光が光ファイバ束２２２内に導入される。上述のように、このファイバ束２２２は、赤色の光、緑色の光、および青色の光が「Ｖ字形」プリズム２０２の、互いに反対の両側面に入力されるように分割される。よく知られているように、赤色、緑色、および青色を組み合わせることによって、白く見える光を生成することができる。さらに、赤色、緑色、および青色の色相を変化させることによって、広範囲の色を生成することができる。赤色、緑色、および青色のＬＥＤを有する３つの光源２１２が示されているが、より多くの、またはより少数の、互いに異なる色の光源を設けてもよい。例えば、高い色温度を得るために、青に近い色の放出体と濃い青色の放出体を含む４色の放出体を用いてもよい。さらに多くの色を用いてもよい。幾つかの実施形態では、８つまたは９つ以上の色を含めてもよい。ＬＥＤ以外の光源を用いてもよく、赤色、緑色、および青色以外の色の組合せを用いてもよい。蛍光灯および白熱灯（電球）やレーザダイオードが他の種類の光源の例である。他の種類の光源も可能である。他の色の組合せには、シアン、マゼンタ、黄色が含まれる。ただし、用いられる具体的な色は、ここに記載した色に限定されるものではない。様々な好ましい実施形態には、約３０００Ｋから８５００Ｋ（白色）の間の色温度を与える複数の互いに異なる色放出体が含まれる。ただし、この色温度の範囲は、制限的なものと解釈されるものではない。
【００７４】
ファイバ束２２２は、図１０では、「Ｖ字形」プリズム２０２の２つの入力ポート２０８，２１０に対応する２つの部分２２６，２２８に分割されるように示されているが、ファイバ束を、例えば入力ポートの数がより多い場合、さらに分割してもよい。様々な実施形態において、別々のファイバ束が、光源の所でまとめられていてよい。あるいは、各入力ポートごとに１つの、複数のファイバ束を、光を各入力ポートに結合するように位置させてもよい。これらのファイバ束を、複数の光放出体に光学的に結合された複数の端部に分割してもよい。したがって、様々な色放出体からの光がまとめられてプリズム２０２の２つの側面に入力される。他の様々な組合せが可能である。
【００７５】
他のある実施形態では、例えば、各ポート２０８，２１０ごとに１組の、２組以上の放出体が用いられていよい。別個のファイバ束を有する別個の光源を、別個のポート２０８，２１０に用いることができる。共通の赤色、緑色、または青色のＬＥＤあるいはＬＥＤアレイのような共通の光源を複数の入力ポートに用いることには、例えば光の波長のような光学特性が一様になるという利点がある。したがって、「Ｖ字形」プリズムの両側面が、同じ色を与えられ、好ましい。
【００７６】
一体型ロッド、他の形態のライトパイプのようなホモジナイザを、赤色、緑色、および青色の光を混合するのに用いることができる。さらに、拡散反射側壁によって形成される空洞のようなライトボックスを、光を混合し、および／または伝達するのに用いることができる。ファイバ束を導管や単一のラージ（または比較的小さい）コアファイバのようなライトパイプに光学的に接続することができる。他の実施形態では、ファイバ束を、ラージコアまたはスモールコアを有していてよい光ファイバまたは可とう性もしくは剛性のライトパイプ、あるいは光カプラで完全に置き換えることもできる。例えば、光源、ライトパイプ、光ファイバおよび光ファイバ束、および／または混合構成部材などの様々な組合せを用いてもよい。
【００７７】
ある好ましい実施形態では、赤色、青色、および緑色の各放出体からの、赤色、青色、および緑色の各伝達部を、互いに異なる色が組み合わされる混合ロッド、ライトボックス、または他のライトパイプのような混合構成部材に結合することができる。他の実施形態では、光導管を形成する成形された複数の壁のようなライトパイプは、様々な色放出体、例えば赤色、緑色、および青色のＬＥＤから、ライトパイプを介して、レンズまたは他の光学素子に出力をするものであってよいライトボックスのような混合領域に結合しているＬＥＤ収容カップを含んでいてよい。他の構成および組合せが可能であり、特定の構成が、ここに具体的に記載した例に限定されるものではない。
【００７８】
空間光変調器を用いて色画像を生成する場合、互いに異なる色の複数の放出体を、時分割して多重送信にし、すなわち、各色の放出体を所与の時間にわたって別々に作動させ、それによって、互いに異なる複数の色にわたる反復的な周期動作を行うことができる。空間光変調器は、色放出体の周期動作と同期し、各色ごとに特定の空間パターンを生成するように駆動できるのが好ましい。十分に高い周波数では、観察者は単一の複合色画像を認識することになる。以下により詳しく説明する他の実施形態では、３つの色を色選択フィルタによって分離し、３つの色のそれぞれの専用の３つの別々の変調器に送ることができる。それぞれの空間光変調器を通過した後、３つの色の光を、複合色画像を生じるように組み合わせることができる。色の多重送信を行う一例の装置には、「Ｘキューブ」または「フィリップスプリズム」が含まれる。他の実施形態では、例えば、時分割多重送信および／または追加の空間光変調器を用いることによってより多くの色に対処することができる。
【００７９】
図１０に示されているように、ビーム整形光学系２３２が「Ｖ字形」プリズムの第１の光ファイバライン２０６ａと第１の入力面２３４との間の光路に配置されている。ビーム整形光学系２３２は、例えば屈折レンズ素子や複数の屈折レンズ素子を有していてよい。あるいは、回折光学素子、鏡または反射器、グレーデッドインデックスレンズ、または他の光学素子を用いてもよい。様々な好ましい実施形態において、ビーム整形光学系２３２は、互いに異なる、例えば互いに直交する方向についてそれぞれ異なる光パワーを有している。ビーム整形光学系２３２は例えばアナモフィックであってよい。ビーム整形光学系２３２は、ビーム整形光学系２３２を通る光軸を含む互いに直交する子午面について互いに異なる光パワーを有するのが好ましい。例えば、ビーム整形光学系２３２は、アナモフィックレンズまたはアナモフィック光学面を有していてよい。ある好ましい実施形態ではシリンドリカルレンズを用いるのが適している。好ましい一実施形態において、ビーム整形光学系２３２は、一方の側に非球面を有し、他の側に円筒状の面を有している。円筒状の面は、光軸を通る１つの平面では曲率が比較的大きく、光軸を通る他の平面では曲率が比較的小さいかまたは無視できる大きさである。ビーム整形光学系２３２は、非対称的なビームまたは照明のパターンを生成するように構成されているのが好ましい。ビームは、矩形の領域を照明するために、例えば、楕円形または他の細長い形状であり、場合によってはほぼ矩形である。ビーム整形光学系２３２から出たビームに相当する光線は、１つの方向において別の方向より湾曲させられ（例えば、屈折させられ）てよい。したがって、これに対応する光線は、例えば、Ｙ−Ｚ平面におけるよりもＸ−Ｙ平面において広い角度に拡散させられてよい。幾つかの実施形態では、矩形の断面を有する一体型ロッドまたは矩形のレンズレットを有するフライアイレンズによって矩形の領域を照明してもよい。矩形以外の領域を照明するために、他の断面および形状を用いてもよい。ビーム整形光学系２３２は、アナモフィックであり、すなわち互いに異なる方向で互いに異なる光パワーを有するのが好ましいと説明したが、幾つかの実施形態では、ビーム整形光学系をそのように構成する必要はない。
【００８０】
ビーム整形光学系２３２を、所望の領域にわたって光を実質的に一様に分散させるように構成してもよい。この領域は、例えば、「Ｖ字形」プリズム２０２の反射面、または「Ｖ字形」プリズムの出力部に対して、「Ｖ字形」プリズムから光を受け取るように配置されたＬＣＤアレイ２３６の相応の部分に相当していてよい。輝度は、ＬＣＤ２３６の、照明すべき部分全体にわたって実質的に一定であってよい。ある実施形態では、光学系の瞳全体にわたって実質的に一様な輝度が得られるのが好ましい。この瞳は、例えば、頭部装着ディスプレイまたは他の投射装置もしくは表示装置において、結像光学系によって生成されるものであってよい。空間光変調器２３６の所望の部分での光分布についての調節が、ビーム整形光学系２３２によって行われてよい。
【００８１】
光学系２００は、図１０に示されているように、ビームを視準する視準素子２３８をさらに有しているのが好ましい。図１０に示されている視準素子２３８は、有利なことに厚さが薄く軽量で小形のフレネルレンズを有している。他の回折光学素子、鏡、および屈折レンズのような他の種類の視準素子２３８を用いてもよい。例えば、フレネルレンズは非球面レンズで置き換えることができるが、フレネルレンズの方が軽量にしやすい。図１０に示されている実施形態では、フレネルレンズは、「Ｖ字形」プリズム２０２の入力面２３４の近くに位置している。上述のように、ビーム整形光学系２３２が一様な光分布を生じるように構成されている場合、視準素子２３８の所の輝度はほぼ一定であり、好ましい。視準素子２３８は、楕円形のビームまたは細長いビームを視準するようにアナモフィックであってもよい。
【００８２】
拡散させる光学拡散体２４０もビームの光路に配置されており、光を散乱させる。様々な好ましい実施形態において、拡散体２４０は、結像または投射光学系５４（図３および４参照）の出射瞳のような所望の瞳にわたって光を拡散させる。拡散体２４０はまた、瞳の充填に役立つように構成するのが好ましい。瞳の形状は、拡散体による散乱分布とフレネル視準素子２３８による角度分布とのコンボリューションになる。
【００８３】
幾つかの実施形態では、拡散体２４０は、瞳全体にわたって光を一様に分散させるのにも役立つのが好ましい。例えば、拡散体によって、表示に斑点を生じさせたり他の影響を生じさせたりしがちな、瞳の充填不足を低減させることができる。以下により詳しく説明するように、観察者がその目を動かすと、観察者が目の各位置で見る光の量が変化する。様々な実施形態において、例えば、投射光学系または結像光学系によって集められる円錐状の光線のＦナンバーは位置（例えば、空間光変調器上の位置）に応じて様々である。空間光変調器内の幾つかの位置での充填不足によって、領域位置ごとに、結像光学系瞳の充填レベルが変化し、目の瞳を動かした時に観察者によって観測される変動が生じる。それによって一様性が低下する。結像系瞳は充填不足にならないことが好ましい。逆に、瞳が過充填である場合、光が無駄になる。フレネルレンズは、また、過充填および光の非効率的な損失を回避するのが好ましい。したがって、拡散体を、瞳が過充填にならないように充填を調整する構成にしてもよい。視準レンズを拡散体と組み合わせて用いると、充填不足の抑制に役立つ。
【００８４】
例えば、ホログラフィック拡散体のような様々な種類の拡散体を用いてもよいが、拡散体は特定の種類に限定されるものではない。拡散体２３８は、それに入射した光を散乱させる面構成を有してよい。他の実施形態では、拡散体は、光を散乱させる屈折率構成を有していてもよい。他の構成を用いてもよい。複数のレンズレットを有する１つまたは２つ以上のフライアイレンズのようなレンズアレイを用いることもできる。このような場合、レンズレットは、約ｆ／１．３以上のような高速光学系に適した非球面（例えば、円錐形状、またはゼロでない円錐定数によって定義される曲線）を有するのが好ましい。
【００８５】
拡散体２３８を偏光子またはフレネルレンズと組み合わせてもよく、あるいは偏光子および／またはフレネルレンズを拡散体と別体にしてもよい。しかし、ビームの光路内の、ビームスプリッタ２０２のビーム分割反射面の前に偏光子を含めるのが好ましい。したがって、この偏光子をここでは前置偏光子と呼ぶ。偏光に応じてある偏光を透過させるか、反射するか、または減衰させることによって偏光を分離する偏光子を含む、偏光の選択を行う様々な種類の偏光子を用いてよい。例えば、第１の偏光状態の光を透過させ第２の偏光状態の光を減衰させる偏光子、第１の偏光状態の光を透過させ、第２の偏光状態の光を反射する偏光子、および第１の偏光状態の光を反射し、第２の偏光状態の光を減衰させる偏光子を用いてよい。他の種類の偏光子および偏光選択的装置を用いてもよい。
【００８６】
前置偏光子は、それを通って伝搬した光が、プリズム２０２内の偏光ビーム分割面によって反射される偏光を有するように構成されるのが好ましい。入力ポート２０８，２１０に入射する光の実質的に全てが、ビーム分割面によって反射され、それによって光が偏光ビーム分割面を通って伝搬するのを避けるように偏光されるのが好ましい。このような光が、例えば第１の偏光ビーム分割面を通って漏れて第２の反射面に達した場合、この光は、第２の面によって反射される場合があり、引き続き出力上に導かれる場合がある。このような漏れは、場合によっては、ＬＣＤによって生成されたパターンを消し、および／または出力の２つの側を不釣合いにする場合がある。Ｖ字形プリズムの出力の所に配置された後置偏光子２４１により、第１の偏光ビーム分割面を通って漏れて、Ｖ字形プリズム２０２内の第２の偏光ビーム分割面によって反射された偏光を除去することによってこの効果を軽減してもよい。したがって、この後置偏光子２４１は、Ｖ字形プリズム２０２内の第１および第２の偏光ビーム分割面によって反射されるように選択された偏光を有する光を除去するのが好ましい。前置偏光子と後置偏光子２４１はどちらも、現在公知である偏光子を有していても、これから開発される偏光子を有していてもよい。偏光子の例には、複屈折偏光子、ワイヤグリッド偏光子、フォトニック結晶偏光子が含まれる。
【００８７】
図１０に示されている光学装置２００は、ビーム整形光学系２３２、視準素子２３８、拡散体２４０、および偏光子を各ポートに含んでいる。したがって、２つのポート２０８，２１０を有する「Ｖ字形」プリズム２０２では、これらの構成部材のそれぞれの対が示されている。より多くのポートを有する他の実施形態では、追加の入力ポートには、同様に、ビーム整形光学系、視準素子、拡散体、および偏光子が備えられてよい。場合によっては用途または構成に応じて、フィルタのような他の部材を含めることもでき、図示の任意の部材を無くすこともできる。このような部材の他の様々な組合せおよび配置も可能である。
【００８８】
上述のように、光源２０４のアレイからの光は、光ファイバライン２０６に結合され、プリズム２０２の入力ポート２０８，２１０に分散される。光ファイバ２０６からの光出力は、好ましくは、ビームを、実質的に、空間光変調器２３６の、照明すべき部分の大きさおよび形状に調整するビーム整形光学系２３２によって受け取られる。同様に、様々な好ましい実施形態では、ビームの大きさおよび形状は、光学系２００に関連する開口または瞳の大きさおよび形状に実質的に一致していてよい。ビームは、例えば、１つの方向に沿った幅が約５ｍｍから１９ｍｍの間であり、別の方向に沿った幅が約１０ｍｍから２５ｍｍの間であってよい。様々な実施形態において、ビーム整形光学系２３２は、光ファイバ２０６ａ，２０６ｂから放出された円形のビームを楕円形のビームに変換する。光ファイバ２０６から出射したビームの、ビームの伝搬方向に垂直な断面は概ね円形である。ビーム整形光学系２３２は、相応にビームを湾曲させて、概ね楕円形または細長い垂直断面を生じさせるのが好ましい。この形状は、幾つかの実施形態では実質的に矩形である。
【００８９】
ビーム整形光学系２３２は、空間光変調器２００全体にわたって比較的一様な分布を生じるのが好ましい。光ファイバ２０６から出射したビームは、ガウス関数に概ね一致する減衰を半径方向に有する実質的にガウス型の強度分布を有していてよい。このようなガウス強度分布では、ＬＣＤ２３６の所で光が顕著に減衰する場合がある。したがって、ビーム整形光学系２３２は、ＬＣＤ２３６の所で異なる分布を生じるのが好ましい。以下により詳しく説明するある好ましい実施形態では、ビーム整形光学系２３２は、ＬＣＤ２３６の所の光が、広い中央領域にわたって実質的に一定の「トップハット」または「フラットトップ」照度分布を有するように構成されている。
【００９０】
図１２および１３は、「Ｖ字形」プリズム２０２の第１および第２の入力ポート２０８，２１０のそれぞれについての空間光変調器２３４の所の照度分布を示している。この照度分布は実質的にガウス型である。図１２の線１４−１４に沿った断面におけるようなガウス照度分布が図１４に示されている。ガウス分布は、頂点を含むピークと、傾斜する側部とを有している。図示のように、このガウス分布はＺ軸に関して円対称である。図１２および１３は、出力面の周縁２４２の部分も示している。周縁の、１つの縁部２４４はプリズムの頂点に相当している。各側について、ピークは、プリズムの反射面および／またはＬＣＤ２３６の矩形部分の矩形領域内の中央に位置している。
【００９１】
図１５は、「Ｖ字形」プリズム２０２の、例えば空間変調器２３６の所で結合された２つの側面からの光束を模式的に示している。図１５は、出力面の、「Ｖ字形」プリズム２０２の２つの側面にそれぞれ結び付けられた２つの部分に相当する周縁２４２も示している。この周縁は、同様に空間光変調器２３６の２つの部分に相当していてもよい。照度分布内の２つのピークは、ＬＣＤ２３６の各矩形部分内の中央に位置している。
【００９２】
光線は、空間光変調器の、「Ｖ字形」プリズムの２つの側面に相当する２つの部分に入射した照明を示す図１６および１７に示されているように、ピークが中央から１つの方向にずれるように、ずらされてよい。図１６および１７は、空間光変調器２３６の、プリズム２０２内の反射面および／または出力面に一致する２つの部分を示す周縁２４２を示している。周縁２４２上の線２４４はプリズムの頂点に相当している。照明は、空間光変調器２３６の中央からＹ方向にずれたピークを有するガウス分布になっている。光線を、好ましくは、より一様な照明を生じるようにずらすかまたは他の方法で修正してよい。
【００９３】
ケーラー照明を用いる様々な例示的な実施形態では、光源角度分布の減衰は、「Ｖ字形」プリズム２０２の２つの出力部のコーナーと、例えば、それに対応する、空間光変調器２３６の部分に位置している。（ケーラー照明では、光源は、投射光学系の瞳において、例えば無限遠において結像される。）減衰が十分に遅く、かつそれほど大きくない場合、光レベルの観測可能な変化は重要ではないことがある。しかし、減衰が急で顕著である場合、「Ｖ字形」プリズム２０２の出力全体にわたる変動によって、例えば、特定の環境において目に達する光が顕著に変動することがある。
【００９４】
しかし、様々な実施形態において、プリズム２０２によって出力される照明は、ほぼ一定で一様であるのが好ましい。したがって、上述のように、ガウス分布上では「トップハット」または「フラットトップ」照度分布が好ましい場合がある。プリズム２０２の出力面２３４に入射した実質的に「トップハット」の照度分布が図１８に示されている。「トップハット」照度分布の、線１９−１９に沿った断面が図１９に示されている。「トップハット」分布は、中央領域２４６にわたって実質的に一定であり、実質的に一定の中央領域を越えると急に減衰する。実質的に一定の中央領域２４６の幅は、例えば、頭部装着ディスプレイやヘルメット装着ディスプレイのようなあるディスプレイの実施形態における目の瞳のような適切な領域を充填するのに十分な大きさであるのが好ましい。「トップハット」分布が中央部分２４６内で実質的に一定である場合、瞳全体にわたって実質的に一定の照明を得ることができる。この「トップハット」分布はＺ軸に関して円対称であるように示されているが、楕円形のような非対称的な形状が好ましい場合もある。図１８は、Ｖ字形プリズムの１つの側面、あるいはそれに対応する、プリズム２０２の反射面および／または出力面によって照明された、空間光変調器２３４の部分の周縁２４２も示している。周縁２４２の１つの縁部２４４はプリズム２０２の頂点に相当している。「トップハット」分布が示されているが、光レベル、例えば照明が実質的に一定である他の分布を用いてもよい。照明は、少なくとも、「Ｖ字形」プリズム２０２の出力の、ある実施形態の場合の目の瞳のような関連する瞳に相当する部分にわたって実質的に一定であるのが好ましい。
【００９５】
光ファイバ２０６ａ，２０６ｂからの出射強度は、「トップハット」または「フラットトップ」よりもガウス型に近く、減衰がより顕著であってよい。「Ｖ字形」プリズム２０２の頂点が「Ｖ字形」プリズムの出力の中心に相当しているので、上述のように、回転対称的な角度分布を、矩形領域で切り取ることによって、空間光変調器２３６の中央の近く、したがって、ディスプレイまたは投射スクリーンの中央でより顕著な減衰を生じさせることができる。したがって、ある実施形態では、ビーム整形光学系２３２は、空間光変調器２３６の所に実質的に「トップハット」の照度分布を生じさせるのが好ましい。少なくとも１つの光学面上で非球面であるレンズ２３２によって、このような分布を生じさせてもよい。一体型ロッドによって、急速に減衰するフラットトップ分布のような実質的に一定の照度分布を出力させてもよい。実質的に一定の照明を生じる一体型ロッドまたはライトパイプを用いる場合、ビーム整形光学系を、照度分布をさらに平坦化するのに用いてもよく、用いなくてもよい。（様々な実施形態では、例えば一様性を向上させるために、拡散体とコリメータを一体型ロッドまたはライトパイプと一緒に用いるのが好ましい。例えば、拡散体をよい長い一体型ロッドまたはライトパイプの代わりに用いえもよく、それによって装置がよりコンパクトになる。）
非対称的なビームを生成するのに非対称的なビーム整形光学系２３２を用いるのも好ましい。例えば、円筒形の面を有するシリンドリカルレンズによって、円形のピークを有する分布を、矩形の領域により適した卵形の中央部分を有する分布に変換するのが有利な場合がある。上述のように、ビーム整形光学系２３２は、非球面およびアナモフィック（例えば、円筒形の）面を有する１つまたは２つ以上の屈折素子を有していてよい。このような非対称的なビームパターンを生成するのに、上述のように、非対称的な（例えば、矩形の）断面を有する一体型ロッドまたは非対称的な形状の（例えば、矩形の）複数のレンズレットを有するフライアイレンズを用いてもよい。非対称的な分布を得る他の手法も可能である。
【００９６】
以下により詳しく論じるように、拡散体２４０はまた、実質的に一様な光レベルを生じさせるように構成されるのが好ましい。拡散体は、入射光を、図２０に示されているような円錐状の角度内に散乱させる複数の散乱部を含んでいてよい。拡散体を、この円錐状の角度θを実質的に制限するように構成してよい。さらに、拡散体を、強度が分布Ｉ（θ）にしたがって角度に応じて変化する特定の角度分布を生じるように構成してもよい。ある好ましい実施形態では、例えば、この角度分布は「トップハット」分布に実質的に一致している。トップハットおよびガウス角度分布２４８，２５０が図２１に示されている。（これらのような分布は、それらに対応する双方向散乱分布関数ＢＳＤＦに類似している。）ガウス分布２５０では、強度は、中心の角度θ0でピークになっているが、角度が中心角より大きくなるにつれて、および中心角より小さくなるにつれて徐々に減衰している。これに対して、「トップハット」分布２４８は、角度の一部２５２で、実質的に同じ強度レベルになっている。しかし、この領域２５２の外側の角度では、強度は急速に低下している。このような分布２４８は、不要で無駄な過充填無しで光を所望の領域に効率的に分散させるのに有用である場合がある。
【００９７】
空間光変調器２３６の大きさは、対角線上で約６ｍｍから４０ｍｍの間または約１２ｍｍから２５ｍｍの間であってよい。ある実施形態では、空間光変調器２３６は、正方形以外の形状を有していてよく、例えば、矩形であってよい。一例の実施形態では、照明される空間光変調器のアスペクト比は約３：４である。照明される領域を２つに分割すると、空間光変調器の、Ｖ字形プリズムの１つの側面によって照明される部分ではアスペクト比が約３：８になる。より広義には、出力ポートの半分によって照明される部分は約２ｍｍ×４ｍｍから１４ｍｍ×２８ｍｍの間であってよい。ただし、これらの範囲外の大きさも可能である。さらに他の形状、例えば三角形も可能である。したがって、空間光変調器２３６を照明するのに用いられるビームは、それぞれ約２ｍｍ×４ｍｍから１４ｍｍ×８ｍｍの長さおよび幅を有してよい。コリメータ開口、拡散体開口、偏光子開口、およびプリズム２０２の入力面２３４および反射面の開口サイズは、１つの方向で約２ｍｍから１４ｍｍの間であり、他の方向で約４ｍｍから２８ｍｍの間であってよい。しかし、これらの寸法はここで述べた寸法に限定されるものではない。
【００９８】
図２２は、頭部装着ディスプレイのようなディスプレイの、Ｖ字形プリズムによって生成された視野２６５を示している。黒い縞２６６が視野２６５の中央に見えている。この縞２６６は、図２３に示されているＶ字形プリズムのビーム分割反射面２６８の有限の厚さによって生じているものである。偏光ビーム分割が複数の複屈折層によって行われる場合、複屈折層を積層することによってこの厚さが生じる。偏光ビーム分割層がワイヤグリッドを有する場合、ワイヤの高さがこの厚さに寄与する。フォトニック結晶偏光子のような他の構造が有限の厚さを有し、そのため、この縞が見えることになる場合がある。Ｖ字形プリズムの出力の一部２７０が、ビーム分割面の性能が低下すると影響を受ける。この領域２７０もビーム分割層２６８の厚さも、この模式図では、誇張されており、したがって、正確な縮尺で描かれているわけではない。図２２に示されている縞２６６も同様に誇張されており、観察者に見えないことが好ましい。
【００９９】
縞２６６の大きさを小さくするために、偏光ビーム分割層２６８の厚さを薄くするのが好ましい。この厚さはシステムの瞳の所でのビームの数パーセント以下であるのが好ましい。様々な好ましい実施形態において、例えば、偏光ビーム分割構造２６８の厚さ、例えば多重複屈折層積層体またはフォニック結晶偏光子の厚さは、約５〜１００マイクロメートル未満である。しかし、この範囲外の厚さも可能である。場合によってはこの効果を低減するために後置偏光子２７２を含めてもよい。
【０１００】
図２４〜２６は、ワイヤグリッド偏光子２７５の断面図である。ワイヤグリッド偏光子２７５は、好ましくはアルミニウムのような金属からなる複数の細長いストリップ２７６を有している。細長いストリップ２７６は互いに平行に配置されている。ワイヤ２７６の高さは、約２０ナノメートルから６０ナノメートルの間であるが、様々な実施形態ではこれより大きいかまたは小さいストリップを用いてもよい。ストリップ２７６は、約１０ナノメートルから９０ナノメートルの間の幅と、約５０ナノメートルから１５０ナノメートルの間の周期を有してよい。ストリップ２７６同士は、約０．２５から０．７５の間のデューティサイクルを生じさせる距離だけ離されていてよい。周期は、複数のストリップ２７６が光を互いに異なるオーダーに回折しないように、用いられる波長に対して十分に小さいのが好ましい。したがって、光は、中央のオーダーまたはゼロオーダーに制限される。しかし、これらの範囲外の値も可能である。
【０１０１】
図２４では、基板２７８上に形成されたストリップ２７６同士は、エアギャップ２８０のような開き空間によって分離されている。スーパーストレート２８４をワイヤグリッド偏光子に固定するのに、にかわ層２８２または他の接着剤層が用いられている。このような実施形態では、にかわ２８２は粘性を有し、ストリップ２７６同士を分離する開き領域２８０内を満たさないのが好ましい。図２５では、にかわ２８２はこれらの開き領域２８０を満たしている。様々な好ましい実施形態において、にかわ２８２は、基板２７８および／またはスーパーストレート２８４の屈折率と同様の屈折率を有している。したがって、基板２７８およびスーパーストレート２８４がＢＫ７ガラスからなっている場合、にかわ２８２は約１．５７の屈折率を有するのが好ましい。図２５は、例えばアルミニウムからなる金属ストリップ２７６上に形成されていてよい酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）のような酸化物層２８６を示している。図２６は、ストリップのアレイ上に形成されたＭｇＦ層２８８を示している。このＭｇＦ層は、厚さが約０．５ミクロンから２０ミクロンの間の範囲であってよいが、この範囲外の他の厚さも可能である。ＭｇＦは、この例示的な実施形態では、ストリップ２７６同士を分離する領域にも示されている。本発明の他の実施形態では、例えばシリカのような、ＭｇＦ以外の他の材料を用いてもよい。
【０１０２】
Ｖ字形プリズム内のワイヤグリッド偏光子２７５を形成する一例の工程が図２７Ａ〜２７Ｇに示されている。例えば、図２７Ａに示されているように研磨によって、第１の三角形プリズム５０４上に実質的に滑らかな面５０２を形成するのが好ましい。このプリズム５０４は、ＢＫ７やＳＦ５７のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。ある好ましい実施形態では、このプリズム５０４は、斜辺５０６を有する直角三角形の形状の断面を有している。このプリズムの複数の面５０２の、少なくとも斜辺５０６に対応する面および断面図に示されている斜辺と向かい合う両辺の一方が、実質的に平面状であるのが好ましい。
【０１０３】
図２７Ｂに示されているようにプリズム５０４の側面上に第１のワイヤグリッド偏光子５０８が形成される。ワイヤグリッド偏光子５０８を有する互いに平行な金属ストリップのアレイを形成するのに金属蒸着およびパターニングを用いてよい。これらのストリップは、図２７Ｂに示されている断面で斜辺５０６に対応する面５０２上に形成されるように示されている。ある好ましい実施形態では、金属ストリップを、リソグラフィックプロセスを用いてガラスウェハ５１０上に形成してもよい。ウェハ５１０を、プリズム５０４に接着されるかあるいは取り付けられる各部材にダイシングすることができる。空き空間によって各ストリップを分離してもよい。例えばＭｇＦまたはシリカあるいは他の材料からなるオーバコート層を複数のストリップ上に形成してもよい。
【０１０４】
図２７Ｃに示されているように、第１のワイヤグリッド偏光子５０８を２つのプリズム間に挟んだ第１の三角形プリズムに、第１の三角形プリズム５０４と同様の第２の三角形プリズム５１４が取り付けられる。この第２のプリズム５１４も、ＢＫ７やＳＦ５７のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。同様に、この第２のプリズム５１４は、斜辺５１６を有する直角三角形の形状の断面を有している。少なくとも、断面図に示されている斜辺５１６に対応する面は実質的に平面状である。第２の三角形プリズム５１４を第１の三角形プリズム５０４に取り付けることによって、実質的に正方形の断面を有する実質的に円柱形の構造が形成される。
【０１０５】
第１および第２の三角形プリズム５０４，５１４が、それらの間に挟まれた第１のワイヤグリッド偏光子５０８と一緒に、図２７Ｄに示されているように第１の三角形プリズムを第２の三角形プリズムに取り付けることによって形成された正方形の断面の対角線に沿って切断および／または研磨される。それによって、実質的に三角形の断面を有する実質的に円柱形の構造５２４が形成される。この三角形の断面５２４は、好ましくは第１のワイヤグリッド偏光子５０８に実質的に直角な斜辺５２６を有する直角三角形である。
【０１０６】
図２７Ｅに示されているように、実質的に三角柱形の構造５２４に第２のワイヤグリッド偏光子５３８が加えられる。第２のワイヤグリッド偏光子５３８は、金属を蒸着しパターニングして複数の互いに平行な金属ストリップを形成することによって作製することができる。上述のように、ある好ましい実施形態では、リソグラフィックプロセスを用いてガラスウェハ５４０上に金属ストリップを形成してもよい。ウェハ５４０を、プリズム５０４に接着されるかあるいは取り付けられる各部材へとダイシングしてよい。例えばＭｇＦまたはシリカあるいは他の材料からなるオーバコート層を第２のワイヤグリッド５３８上に形成してもよい。図２７Ｅに示されているように、三角形断面の斜辺５２６に対応する実質的に円柱形の構造５２４の表面上に第２のワイヤグリッド偏光子５３８が配置される。したがって、第２のワイヤグリッド偏光子５３８は、第１のワイヤグリッド偏光子５０８に概ね直角であるのが好ましい。
【０１０７】
間にワイヤグリッド偏光子５３８を挟んだ第１の三角形プリズムおよび第２の三角形プリズムに、第１および第２の三角形プリズム５０４,５１４と同様の第３の三角形プリズム５３４が取り付けられる（図２７Ｆ参照）。この第３のプリズム５３４も、ＢＫ７やＳＦ５７のようなガラス、あるいは他のガラスまたは実質的に透光性の材料からなっていてよい。同様に、この第３のプリズム５３４は、斜辺５３６を有する実質的に直角三角形の形状の断面を有していてよく、少なくとも、この第３の三角形プリズム５３４の、斜辺に対応する面が、実質的に平面状であるのが好ましい。第３の三角形プリズムの斜辺５３６に対応する面は、第２のワイヤグリッド５３８またはその上に形成されたオーバコート層に隣接しているのが好ましい。それによって、第１および第２の三角形プリズム５０４，５１４に第３の三角形プリズム５３４を取り付けることによって、実質的に正方形の断面を有する実質的に円柱形の構造５４４が形成される。この正方形の断面は、４つの辺を有し、２つの辺が、それぞれ第１および第２の三角形プリズム５０４，５１４によって形成され、２つの辺が、第３の三角形プリズム５３４によって形成されている。第１のワイヤグリッド５０８は、この正方形断面の第１の対角線の一部に沿って延び、一方、第２のワイヤグリッド５３８は、正方形断面の、第１の対角線に直交する第２の対角線に沿って延びている。
【０１０８】
第３の三角形プリズムの一部および第１または第２の三角形プリズムの一部を概ね正方形の断面の１つの辺に沿って除去することによって、第１、第２、および第３の三角形プリズム５０４，５１４，５３４が、第２のワイヤグリッド偏光子５３８と一緒に切断され、および／または研磨される。図２７Ｇでは、第１の三角形プリズム５０４の一部が、第３の三角形プリズム５３４の一部と一緒に除去されている。ある好ましい実施形態では、切断および／または研磨によって実質的に平面状の面５４２が形成される。第１および第２のワイヤグリッド５０８，５３８の、後に残った部分は、この実質的に平面状の面５４２に向かって、この実質的に平面状の面に対して約４０度から５０度の角度でかつ互いに対して約８０度〜１００度の角度に延びているのが好ましい。さらに、第１および第２のワイヤグリッド５０８，５３８も好ましくはこの実質的に平面状の面５４２まで延びるように、切断および／または研磨によって十分な材料が除去される。こうしてＶ字形プリズム５５０が得られる。ＭｇＦコーティングを用いる場合、第１または第２の三角形プリズム５０４，５１４を第３の三角形プリズム５３４と一緒に研磨することによって材料を除去するかどうかに応じて、わずかな非対称性を生じさせてもよい。
【０１０９】
Ｖ字形プリズムを形成するプロセスの変形が可能である。例えば、ある実施形態では実質的に平面状の面を形成しなくてもよい。Ｖ字形プリズム上に、パワーを有する曲面を形成してもよい。ワイヤグリッド偏光子５１０，５３８を作製する他の方法も可能であり、ＭｇＦ層５１０，５４０の一方または両方を含めても含めなくてもよい。他の処理ステップを追加するか、あるいはあるステップを削除または変更するか、または異なる順序で実行してもよい。例えば、ある実施形態では、複数の金属ストリップを直接プリズム上に蒸着しパターニングするのではなく、ワイヤグリッドを備える平坦部材を三角形プリズムに接着してもよい。これから開発される技術を含む、Ｖ字形プリズムを形成する他の技術を用いてもよい。
【０１１０】
様々な好ましい実施形態において、光学系２００は、Ｖ字形プリズムを備える光学楔２５４をさらに有していてよい。この光学楔２５４を、例えば、図２８に示されているように「Ｖ字形」プリズムの（中間）外面と空間光変調器２３６との間に配置してよい。楔２５４は例えば、光に対して実質的に透光性のガラスのような材料のプレートからなっていてよい。しかし、このプレートは、一方の面が他方の面に対して傾斜している。したがって、楔２５４の厚さは領域全体にわたって変化している。光学楔２５４は、ビームが楔を通過するように焦点を合わされた時に非点収差およびコマ収差を生じさせる。この非点収差およびコマ収差を、結像光学系５４のような他の光学素子によって生じさせられる非点収差およびコマ収差を相殺するのに用いることができる。光学楔は例えば、Ｃｈｅｎに発行され、引用によって全体が本明細書に組み込まれる特許文献１に記載されている。
【０１１１】
図２８に示されている光学楔２５４は、エアバッグギャップであってよいギャップによってプリズム２０２から分離されている。これに対して、図２９は、楔がプリズムに組み込まれた楔形プリズム２５６を示している。楔形プリズム２５６は例えば、１つの出力面と、他の出力面に対して傾斜した中間出力面とを有してよい。このプリズム２５６も非点収差およびコマ収差を生じさせ、システム２００内の他の位置の構成部材によって生じさせられる非点収差およびコマ収差の効果に相殺するのに用いることができる。しかし、ある状況では、ギャップによってプリズム２０２から分離された楔２５４によって光学性能が向上する。
【０１１２】
楔形プリズム２５６を用いたある実施形態では、拡散体は、一様性を向上させる、図２１に示されているような「トップハット」角度分布２４８を有するのが好ましい。そうでなければ、照度分布の非一様性が高くなることがある。図３０は、楔形プリズム２５６を含む各実施形態での液晶空間光変調器２３６全体にわたる照度のグラフを示している。図２１に示されているようなガウス角度分布２５０を有する拡散体２４０によって、照度の低下部を有する第１のグラフ２５８によって示されている照度分布が生じる。図２１に示されているような「トップハット」角度分布２４８を有する拡散体２４０によって、領域全体にわたって実質的に一定の照度を有する第２のグラフ２６０によって示されている照度分布が生じる。楔形プリズム２５６は、ギャップによってプリズムと空間光変調器２３６が分離されている、図２８に示されているようなプリズム２０２と楔２５４の組合せで置き換えることができる。この結果、実質的に一定の照度が得られる。このような構成によって、拡散体２４０の角度の一様性の必要性が低減される。例えば、ガウス分布を有する拡散体２４０と「フラットトップ」分布を有する拡散体はどちらも適切に機能することができる。
【０１１３】
１．３度の楔を有する楔形プリズム２５６の場合の、空間光変調器２３６全体にわたる照度のマッピングが図３１に示されている。実質的な一様性が示されている。図３２は、単位面積当たりの光束（ルクス単位）のヒストグラムである。このグラフは、空間光変調器２３６上で受け取られた単位面積当たりの光束が狭い範囲内の値になっているのを示している。
【０１１４】
一様性は例えば、楔２５４がプリズム２０２から、それらの間のギャップによって分離されている例ではより高くなる。図３３は、このような場合の照度のマッピングを示している。ばらつきは±１２％以内である。図３４は、照度レベルのばらつきが、より小さい範囲になっているのを示している。照度レベルは、特定のシステム構成または用途に応じていてよい。これらの範囲外の値も可能である。
【０１１５】
楔形プリズム３５６の性能は、「Ｖ字」を、楔を形成する傾斜面に対して回転させた場合に向上することもある。このような構成では、楔の厚さは、「Ｖ字」形構成部材の頂点を形成する縁部に平行な方向に沿った位置に応じて厚くなっている（または薄くなっている）。
【０１１６】
ある実施形態では、色画像、グラフィクス、テキストなどを生成するために色分割プリズムをＶ字形プリズムに一緒に含めてもよい。図３５は、Ｖ字形プリズム６０２とＸ字形立法体６０４とを有するプロジェクタ用の光学系を示している。Ｖ字形プリズム６０２は、投射レンズ６０６とＸ字形立法体６０４との間に配置されている。Ｘ字形立法体はミネソタ州セントポールの３Ｍから入手することができる。
【０１１７】
Ｖ字形プリズム６０２は、好ましくは偏光された照明を受け取る第１および第２の入力ポート６０８を有している。Ｖ字形プリズム６０２は、第１および第２の入力ポート６０８を通して受け取った照明を反射する第１および第２の偏光ビーム分割面６１０をさらに有している。第１および第２の偏光ビーム分割面６１０は、第１および第２の入力ポート６０８を通して受け取った光をＸ字形立法体６０４の中央入出力ポート６１２に反射するように向きを設定されている。
【０１１８】
Ｘ字形立法体６０４は、ある波長の光を反射し、他の波長の光を透過させる第１および第２の反射色フィルタ６１４をさらに有している。第１および第２の反射色フィルタ６１４は、それぞれの波長特性を有し、それに応じて、それぞれ第１および第２の空間光変調器６１８が配置された第１および第２の色ポート６１６に、ある色の光を反射するように配置されるのが好ましい。Ｘ字形立法体６０４は、第１および第２の反射色フィルタ６１４を越えた位置に配置され、第１および第２の反射色フィルタによって反射されなかった光を受け取る第３の色ポート６２０をさらに有している。第３の空間光変調器６２２が、この第３の色ポート６２０からの光を受け取るように配置されている。様々な好ましい実施形態において、二次元空間パターンを生成するのに、光を選択的に反射する反射空間光変調器を用いてよい。第１および第２の空間光変調器６１８によって反射されてそれぞれのポート６１６を通った光は、それぞれ、第１および第２の反射色フィルタ６１４によって反射される。第３の空間光変調器６２２によって反射されて第３の色ポート６１４を通った光は、それぞれ、第１および第２の反射色フィルタ６１４を透過する。したがって、空間光変調器６１８，６２２によって返された光は、Ｘ字形立法体６０４およびＸ字形立法体の中央入出力ポート６１２を通過する。この光は引き続きＶ字形プリズム６０２を通過し、投射光学系６０６に入射しそれを通過してスクリーン６２４に達し、複合色画像が形成され視認される。
【０１１９】
例えば偏光子、拡散体、ビーム整形光学系のような他の構成部材を含めてもよい。ある実施形態では、Ｘ字形立法体６０４と空間光変調器６１８，６２２との間に光学楔を含めてもよい。他の構造、構成、および動作態様も可能である。
【０１２０】
他の種類の色装置を用いてもよい。図３６は、Ｖ字形プリズム６５２およびフィリップスプリズム６５４を有する背面投射テレビジョン用の光学系６５０を示している。Ｖ字形プリズム６５２は、投射レンズ６５６とフィリップスプリズム６５４との間に配置されている。フィリップスプリズムはマサチューセッツ州ウェイランドのRitcher Enterprisesから入手することができる。
【０１２１】
Ｖ字形プリズム６５２は、好ましくは偏光された照明を受け取る第１および第２の入力ポート６５８を有している。Ｖ字形プリズム６５２は、第１および第２の入力ポート６５８を通して受け取った照明を反射する第１および第２の偏光ビーム分割面６６０をさらに有している。第１および第２の偏光ビーム分割面６６０は、第１および第２の入力ポート６５８を通して受け取った光をフィリップスプリズムの中央入出力ポート６６２に反射するように向きを設定されている。
【０１２２】
フィリップスプリズム６５４は、ある波長の光を反射し、他の波長の光を透過させる第１および第２の反射色フィルタ６６４，６６５をさらに有している。第１および第２の反射色フィルタ６６４，６６５は、それぞれの波長特性を有し、それに応じて、第１および第２の空間光変調器６６８，６６９がそれぞれ配置された第１および第２の色ポート６６６，６６７に、ある色の光を反射するように配置されるのが好ましい。フィリップスプリズム６５４は、第１および第２の反射色フィルタ６６４，６６５を越えた位置に配置され、第１および第２の反射色フィルタによって反射されなかった光を受け取る第３の色ポート６７０をさらに有している。第３の空間光変調器６７２が、この第３の色ポート６７０からの光を受け取るように配置されている。
【０１２３】
様々な好ましい実施形態において、二次元空間パターンを生成するのに、光を選択的に反射する反射空間光変調器を用いてよい。第１および第２の空間光変調器６６８，６６９によって反射されそれぞれのポート６６６，６６７を通った光はそれぞれ、第１および第２の反射色フィルタ６６４，６６５によって反射される。第３の空間光変調器６７２によって反射され第３の色ポート６７０を通った光は、第１および第２の反射色フィルタ６６４，６６５を透過する。したがって、空間光変調器６６７，６６８，６７２によって返された光は、フィリップスプリズム６５４およびフィリップスプリズム６５４の中央入出力ポート６６２を通過する。この光は引き続きＶ字形プリズム６５２を通過し、投射光学系６５６に入射しそれを通過して一対の鏡（不図示）に至り、この鏡によって、複合色画像がスクリーン上に形成され視認される。上述のように、例えば偏光子、拡散体、ビーム整形光学系などのような他の構成部材を含めてもよい。さらに、ある実施形態では、フィリップスプリズム６５４と空間光変調器６６８，６６９，６７２との間に光学楔を含めてもよい。
【０１２４】
図３５および３６は、Ｖ字形プリズム６０２，６５２に光を結合するのに用いられる光学構成部材を示していない。しかし、上述のように、光が通る空洞を形成する複数の共形壁を含むライトパイプおよびライトボックスと、複数の鏡ならびに複数の他の屈折、反射、および回折光学構成部材を用いて照明を行ってよい。照を、光ファイバ、ファイバ束、剛性または可とう性の導波管などによって行ってもよい。小型化が考慮される場合には、このような構成は、全体の大きさを小さくするように光性されてよい。
【０１２５】
図３７は、システムの幅を短くするために、入力ビームを折り曲げる鏡２７０を光学系２００に含めてよい一例を示している。折り曲げ鏡２７０は、図示のように平面状鏡反射面を有していても、あるいは他の反射光学素子を有していてもよい。図３７に示されているように、このビーム折り曲げ鏡２７０は、照明器光路に容易に組み込むことができる。折り曲げ鏡２７０によって、ビームの光路が屈曲させられ、システムの幅が短くなり、それによってコンパクトなパッケージングが容易になる。様々な好ましい実施形態では、この光路は約９０度だけ屈曲しているが、他の角度も可能である。システムの幅に相当する寸法ｄが図３７に示されている。様々な好ましい実施形態において、この寸法ｄは、１〜３インチであってよく、約２インチであるのが好ましい。しかし、折り曲げ鏡は迷光の影響を増大させる。
【０１２６】
様々な実施形態において、空間光変調器２３６の所に調節された非一様な照明を当てるのが望ましい。例えば、ある場合には、（角度が大きくなるに従ってわずかにのみ減衰する強度分布を有する）空間光変調器２３６の所の照明が一様であると、光学系の出力の所に非一様な分布が生じる。上述のように、多くの光学系結像系では、例えば、Ｆナンバーまたは光学系によって集光された円錐状の光線は、歪みのために領域全体にわたって変化する。このような結像系の物体領域を一様に照明すると、物体領域内の様々な位置からそれぞれ異なる量の光が集まり、それに応じて、画像面で照度が変動する。空間光変調器の所の照明を非一様にすることによって、この影響を補償して画像領域で一様性を確保することができる。
【０１２７】
したがって、ディスプレイ全体にわたる空間照度分布が一様であることによって、観測者の見る一様性に明暗差が生じる場合、明暗差を補償するのに非一様な照度を用いることができる。照度の線形変化を補償する１つの方法は、図３８に示されているような軸外照明を用いることである。この実施形態では、ファイバ出力およびビーム整形光学系２３６の光軸は、フレネル視準レンズ２３８、拡散体２４０、偏光子、および「Ｖ字形」プリズム入力２３４を通る光軸に対して斜めに向けられている。光源およびビーム整形光学系２３６は、フレネルレンズ２３８および「Ｖ字形」プリズム２０２に対して適切に回転させられ、フレネルレンズ、拡散体２４０、および「Ｖ字形」プリズムは、ファイバ出力およびビーム整形光学系２３２に対して偏心させられている。同様に、ファイバ光学系２０６ａ，２０６ｂおよびビーム整形光学系２３２からフレネル視準レンズ２３８に伝搬する光線の光路は、フレネルレンズ、拡散体２４０、偏光子、および「Ｖ字形」プリズムの入力２３４を通るビームの光路に対して斜めに向けられている。図３８は、Ｚ軸に平行な軸線を中心としたビーム整形光学系の回転およびＸ方向における偏心を示している。Ｖ字形プリズムに対する光源のこの傾斜は、例えば、約５度から４５度の間の範囲であってよく、例えば約２６度であってよい。Ｖ字形プリズムを通る中心軸線に対する光源の偏心は、ある場合には約１１ｍｍから２５ｍｍの間であってよいが、これらの範囲外の値も可能である。
【０１２８】
この実施形態では、ビーム整形光学系２３２は、円筒形の面を有するレンズを有している。上述のように、この円筒形の面は、「Ｖ字形」プリズム２０２の矩形の入力面の集光効率を向上させる。結果として得られる効率は、一様な照明構成で実現される効率と実質的に同様である。光学系２００内の他の素子にも傾斜、偏心、および／または軸外しを行ってもよい。他の変形も可能である。
【０１２９】
傾斜および偏心の結果として、フレネル視準レンズ２３８、拡散体２４０、偏光子、プリズム２０２の入力２３４、および液晶空間光変調器２３６全体にわたって照明が非一様になる。特に、この実施形態では、「Ｖ字形」プリズム２０２および空間光変調器２３６の中間出力全体にわたる照度が、図３９および４０のグラフによって示されているように、徐々に変化している。この実施形態では、高照度から低照度までのこの明暗差は、「Ｖ字形」プリズムの頂点に平行なＸ方向に沿って延びている。図示のように、ビーム整形光学系２３２からフレネル視準レンズ２３８までの光路距離は、領域全体にわたって変化しており、それに応じて照度の変化が生じる。
【０１３０】
この構成は、光学系、例えば結像光学系５４の非一様性を相殺し、最終的に画像面に一様性を生じさせる物体領域の特定の照明であってよい所望の照明が得られるように選択されるのが好ましい。一例の構成は、軸外し結像系５４の非一様性を相殺し、画像領域に一様性をもたらすように適切に調整することができる、図３８に示されている軸外照明である。しかし、様々な方法で調整される他の構成を、所望の効果を得るために用いてもよい。例えば、透過性が徐々に変化しており、または透過率がプレートの幅に沿った位置に応じて変化している吸収板を用いてもよい。他の構成も可能である。さらに、照度は、空間光変調器２３６の幅に沿った位置Ｘに応じて、概して小さくなる値として示されているが、照明の変化は他の形態をとっていてもよい。光学系２００は、空間光変調器２３６全体にわたって所望の照明を行うように構成されるのが好ましい。ある場合には、所望の形状は、空間光変調器２３６の重要な部分全体にわたって概して減衰し、例えば、実質的に単調に減衰する照明である。例えば、照明の、一端と他端の比率は、約１５ｍｍから４５ｍｍの間の横方向距離にわたって約２：１から６：１の範囲であってよい。この距離は、空間光変調器が例えば、約１７ｍｍ×９ｍｍである場合、例えば約２６ｍｍであってよい。しかし、これらの範囲外の値も可能である。
【０１３１】
様々な実施形態において、拡散体２４０は横方向に徐々に変化している。拡散体２４０は、拡散体にわたる複数の位置に横方向に配置され、拡散体を通過する光を散乱させる複数の散乱部材（例えば、回折部材）を含んでいる。図４１および４２に示されているように、拡散体に入射した光は、これらの回折部材によって複数の方向に散乱させられ、拡散体内の回折部材によって決まる大きさを有する投影立体角を満たす。図示のように、光が散乱する投影立体角は、拡散体上の様々な位置に応じて異なる角度であってよい。拡散体内の散乱部材は、光が散乱する投影立体角が、拡散体上の横方向位置に応じて大きくなるように配置されるのが好ましい。したがって、第１の位置２６０に入射した光は、第１の投影立体角Ω1に散乱され、第２の位置２６２に入射した光は、第２の投影立体角Ω2に散乱され、第３の位置２６４に入射した光は、第３の投影立体角Ω3に散乱される。これらの位置は、図４２に、Ｘ方向に沿って順に配置されるように示されている。同様に、３つの位置２６０，２６２，２６４に結び付けられた投影立体角Ω1、Ω2、Ω3は、光が拡散体の一方の側での位置ではより小さい角度内に分散させられ、拡散体の他方の側での位置ではより大きい角度内に分散させられるように漸次大きくなっている。
【０１３２】
拡散体全体にわたる散乱特性の漸次的変化は、様々な用途において有用である場合がある。例えば、上述のように、結像光学系は、領域に応じて変化するＦナンバーまたは開口数およびそれに対応する集光角度を有していてよい。照明が液晶空間光変調器２３６によって一定の投影立体角内に反射される場合、照明の投影立体角は、結像光学系の各集光角度と合っていなくてもよい。液晶変調器２３６上の幾つかの領域点からの光は、結像光学系の開口を満たしてもよいが、他の領域点からの光は、それに対応する、結像光学系の開口を満たすことができなくてもよい。
【０１３３】
ヘルメット装着ディスプレイを含む頭部装着ディスプレイのようなディスプレイでは、結像光学系の開口が目１２の瞳に位置するのが好ましい。結像構光学系の開口が十分に充填されない場合、目の瞳のわずかな動きによって、網膜によって受け取られる光が大幅に減少することがある。したがって、観察者の目および頭部が横方向に移動して目の瞳上の位置がずれることがあるので、公差を大きくするのが望ましい。
【０１３４】
過充填が、可能な解決策である。空間光変調器が光を放射する投影立体角は、いずれの場合にも結像光学系の開口を満たし、幾つかの領域点については開口を過充填してよい。しかし、この手法は、開口の外側の光が捨てられるので効率的ではない。さらに、結像光学系の開口の外側の光は、吸収されない場合がり、散乱されて視野内に戻り、画像のコントラストを低下させる可能性がある。
【０１３５】
したがって、様々な好ましい実施形態において、光が空間光変調器２３６から伝搬する投影立体角は、それに対応する、結像光学系の集光角度に実質的に合わせられる。例えば、結像光学系のＦナンバーが領域位置に応じて変化している場合、液晶変調器２３６の出力に結びついた投影立体角も領域に応じて変化するのが好ましい。上述のような漸次変化した拡散体によってこの効果を生じさせることができる。拡散体２４０は、光を、拡散体にわたって大きさが大きくなっていく投影立体角内に反射するのが好ましい。この光によって、反射空間光変調器２３６が照明される。光は、液晶変調器２３６から、空間光変調器にわたって大きくなっていく投影立体角に反射される。これらの大きくなっていく投影立体角は、結像光学系の、やはり領域位置に応じて大きくなっていく集光角度と実質的に合っているのが好ましい。空間光変調器２３６上の様々な点での投影立体角が、結像光学系の各集光角度と実質的に等しければ、結像光学系の開口は、特定の各領域位置で効率的に充填される。
【０１３６】
様々な好ましい実施形態において、図３８に示されている軸外照明構成によって得られるような非一様で、より具体的には徐々に変化した照明が、拡散体にわたる横方向位置に応じて徐々に変化した散乱特性を有する漸次変化した拡散体と組み合わされる。漸次変化した照明が図３９および４０に示されている。拡散体全体にわたるこのような照度分布を、拡散体２４０が光を散乱させる、徐々に大きくなった投影立体角と組み合わせることができる。この組合せによって、より高い照度およびより広い投影立体角を選択してより低い照度と実質的に同じ輝度およびそれに対応する、より狭い投影立体角を生じさせることができるため、実質的に一定の輝度が得られ、好ましい。
【０１３７】
図４２に示されている例では、第１の位置２６０に入射した光は、照度Ｉ1を有し、第１の投影立体角Ω1に散乱させられ、結果として輝度Ｌ1を生じさせる。第２の位置２６２に入射した光は、照度Ｉ2を有し、第２の投影立体角Ω2に散乱させられ、輝度Ｌ2を生じさせる。第３の位置２６４に入射した光は、照度Ｉ3を有し、第３の投影立体角Ω3に散乱させられ、それにより結果として輝度Ｌ3を生じさせる。この場合、照度は、拡散体２４０にわたる横方向位置に応じて、Ｉ1＜Ｉ2＜Ｉ3のように徐々に高くなっている。同様に、３つの位置２６０，２６２，２６４に結びついた投影立体角Ω1，Ω2，Ω3は徐々に広くなっている。したがって、比較的少ない光が、比較的狭い角度範囲にわたって分散させられ、一方、比較的多い光が、比較的広い角度範囲にわたって分散させられる。ある実施形態では、例えば、投影立体角は拡散体全体にわたって０ラジアンからπラジアンに変化してよい。空間光変調器を照明するのに用いられる拡散体の一端での投影立体角と拡散体の他端での投影立体角との比率は例えば、２：１から６：１の範囲であってよい。しかし、これらの範囲外の値も可能である。それによって、照度（例えば、Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3）と投影立体角（例えば、Ω1、Ω2、Ω3）を適切に合わせれば、拡散体２４０の全体にわたって実質的に一定の輝度を実現することができる。したがって、Ｌ1、Ｌ2、およびＬ3は実質的に等しいのが好ましい。
【０１３８】
空間光変調器２３６の所の実質的に一定の輝度のグラフが図４３に示されている。空間光変調器２３６の輝度は例えば、場合によっては用途および／またはシステム構成に応じて、約１０ニトから１５０ニトであってよい。これらの値は、目における輝度に相当している。ＬＣＤにおける輝度は、結像光学系における損失を補償するためにより高いのが好ましい。図４４は、空間光変調器２３６上で受け取られる面積当たりステラジアン値当たりの光束がほぼ同様であるのを示す輝度（ニト単位）のヒストグラムである。照度のばらつきは、例えば、ディスプレイの狭い領域にわたっては１０％未満であり、ディスプレイの任意の２つの点間で５０％であってよい。様々な用途に応じて、このばらつきの、様々仕様を用いてよい。例えば、幾つかの実施形態では、ＬＣＤの所の輝度のばらつきは、約１．５より大きい係数だけ変化しないのが好ましい。したがって、空間光変調器２３６は、その様々な位置で一定の輝度を有するように見えるのが好ましい（液晶は画像やパターンを生成するように変調されないと仮定する）。この組合せを用いない場合、ディスプレイ、プロジェクタ、または他の光学系は、観察者には非一様に照明されているように見える。
【０１３９】
非一様な照明および一様な照明を生じる他の構成を用いてもよい。図４５では、例えば、ライトパイプ６８０によって、ライトボックスを横切って配置された複合放物型集光器（ＣＰＣ）６８４のような複数の角度面積変換器に光学的に結合されたライトボックス６８２に光が送り込まれる。このライトボックス６８２は通常、例えば、複数の拡散反射側壁またはテクスチャ加工された複数の面によって形成されたチャンバを有している。このようなライトボックスは、直接視認用途向けのＬＣＤバックライトとして用いられるものと同様である。角度面積変換器は、複数の側壁の１つに配置されている。２０個の例示的な角度面積変換器６８４、ここでは複合放物型集光器６８４が示されている。図示の実施形態では、これらの集光器６８４のそれぞれは、各角度面積変換器６８４を通る光軸６８８に沿って互いに向かい合って位置する一対の放物反射器６８６を有している。間隔を置いて配置された一対の放物反射器６８６によって、入力開口および出力開口６９０，６９２が形成され、開口数が定められている。図４５に示されている実施形態では、複数の角度面積変換器６８４の入力開口６９０および開口数は、ライトボックス６８２を横切る長手方向位置（Ｘ方向）に応じて大きくなっている。開口数も増えているが、出力開口は、複数の角度面積変換器６８４について実質的に同じである。
【０１４０】
図４５は断面図であり、したがって、ライトボックス６８２の側壁も角度面積変換器６８６もＺ方向にも延びている。したがって、角度面積変換器６８４は、図４５の断面図に示されている光軸６８８に対応する面に関して対称である。ライトボックス６８２および複数の角度面積変換器６８８は、Ｖ字形プリズムの１つの入力面の前方に配置されている。
【０１４１】
矢印で示されているように、ライトパイプ６８０は光をライトボックス６８２内に結合している。この光は、複数の角度面積変換器６８４を通ってライトボックス６８２から出射する。様々な開口数および様々な開口６９０によって、横（Ｘ）方向の照明と光が出力される投影立体角が調節される。
【０１４２】
したがって、角度面積変換器は、入力の所の、より広い面積を出力の所でより大きい開口数に変換する。出力の所の開口数を多くすることは、領域全体にわたって位置に応じて大きくなるＦナンバーに合わせるのに有用である。一定の輝度を得るために、出力の所のより多い開口数に適合するように入力開口を多くすることによってより多くの光が集められる。
【０１４３】
複合放物型集光器は、ライトボックス６８２を有する角度面積変換器６８４として良好に働く。複合放物型集光器に入る輝度は、複合放物反射器から出る輝度に等しい。Ｆナンバーは、複合放物反射器の入力の、様々な大きさを用いることによって調節される。入力の大きさがライトボックス６８２にわたって変化しているため、ＣＰＣ間のギャップによって、光がライトボックス６８２から直ちに出射するのが防止されるが、この光は、再びライトボックス内に反射され、再循環させられ、その後、複合放物型集光器を通って出射する。しかし、ＣＰＣの出力開口間のギャップによって、領域全体にわたって「平均」空間輝度が変化する可能性がある。
【０１４４】
したがって、複数の角度面積変換器６８４によって、Ｖ字形プリズムの入力面に達する照明を調節することができる。ある好ましい実施形態では、照度および投影立体角は、実質的に一定の輝度を生じるように変化している。非一様な照度および一様な輝度が得られるように複数の角度面積変換器６８４を選択してよいが、一様な照度および／または非一様な輝度が得られる他の構成が可能である。他の種類の構成を用いてもよい。他の実施形態では、ライトボックスおよび角度面積変換器以外の構成部材を用いてもよい。複合放物型集光器とは異なる他の種類の角度面積変換器を用いてもよい。ある実施形態では、開口数が増えていく複数のレンズを有するレンズアレイを用いてもよい。
【０１４５】
ディスプレイ、プロジェクタ、および他の光学系を照明するための手段は、ここに具体的に示す実施形態に限定されるものではない。例えば、具体的に説明した様々な構成部材を含めてもあるいは除外してもよく、各構成部材の相互関係を変更してもよい。例えば、拡散体２４０の所で非一様な照明を得る、図３８に示されている軸外し方式以外の構成を用いてもよい。拡散体２４０は、回折光学素子、ホログラフィック光学素子、ホログラフィック拡散体のような当技術分野で公知の装置からなっていても、これから開発される構造を有していてもよい。さらに、２つのポート２０８，２１０を有する「Ｖ字形」プリズム２０２を含む実施形態を示したが、他のビーム分割素子を用いてもよく、また入力ポートの数を２つに限定する必要はない。システムは、２つまたは３つ以上の入力ポートを含んでいてもよい。照明を空間光変調器２３６上に向ける他の技術を用いてもよい。ただし、「Ｖ字形」プリズムのような偏光ビームスプリッタ２０２によって幾つかの利点が得られる。複合色画像を得るために種々の構成および手法が可能である。
【０１４６】
さらに、様々な位置に可変散乱特性を有する拡散体２４０上に入射する照明を調節することが、ディスプレイ、プロジェクタ、および他の光学系の光学特性を向上させるうえで有力な手段となることがある。散乱については、ここでは一定の輝度を与えることに関連して説明したが、一定でない所望の輝度曲線を生じるように他の方法で散乱を調整してもよい。他の変形も可能である。したがって、照明と拡散器２４０の散乱構成または光分散構成は異なるものであってもよい。
【０１４７】
「Ｖ字形」プリズム３０２のような偏光ビームスプリッタを含むヘルメット装着ディスプレイ、またはより広義には頭部装着ディスプレイのような表示装置３００の一例が図４６に示されている。このディスプレイは、「Ｖ字形」プリズム３０２の近くに液晶空間光変調器３０４を有している。光路は、空間光変調器３０４から「Ｖ字形」プリズム３０２および結像または投射光学系３０６を通って延びており、コンバイナ３０８によって、瞳３１２を含む観察者の目３１０に反射される。コンバイナ３０８により、結像光学系３０６によって投射された画像が目３１０の中に折り曲げられる。コンバイナ３０８は、したがって、観察者が周囲の環境３１３と空間光変調器３０４によって生成された画像およびパターンとの両方を見ることができるように少なくとも部分的に透過性であってよい。コンバイナ３０８は、例えば、ヘルメット上に取り付けられたバイザからなっていてよい。コンバイナ３０８を、イマーシブバーチャルリアリティに用いられているような透過性ではない頭部装着ディスプレイに用いることができる。図４６に示されているコンバイナ３０８は実質的に平面状である。
【０１４８】
凹状のコンバイナ３０８を有するディスプレイ３００が図４７に示されている。このコンバイナ３０８は、投射光学系３０６の出射瞳を着用者の目の瞳３１２上に結像するための収束光パワーを有している。このようなコンバイナ３０８によって、図示のように、結像光学系３０６の開口の大きさ、したがって結像光学系３０６の大きさおよび重量を減らすことができる。光学リレーの一部としての倍率付きの光学的なコンバイナ３０８によって広い視野を生じさせてもよい。
【０１４９】
空間光変調器３０４によって生成された画像を無限遠（または近無限遠）に投射するディスプレイ３００が図４８に示されている。中間投射画像３０７が、投射光学系３０６とコンバイナ３０８との間に位置するように示されている。投射された画像３０７のバーチャル画像が、コンバイナ３０８によって無限遠（または近無限遠）、例えば、目３１０によって見るのに快適な遠く離れた位置に生成される。したがって、（破線で示されている）光線は実質的に視準されるように示されている。このコンバイナ３０８は部分的または全体的に反射性であってよい。
【０１５０】
目の瞳１１２に結像光学系３０６の出射瞳の画像を形成する倍率付き軸上コンバイナ３０８を有するディスプレイ３００が図４９に示されている。ビームスプリッタ３０９によって、プロジェクタ光学系３０６からのビームがコンバイナ３０８に向けられる。図示のコンバイナ３０８は、コンバイナ３０８を通過する光軸に関して円対称または回転対称であるように示されている。同様に、中央光線束は、軸上光学コンバイナ３０８に角度零で入射する。他の種類の軸上コンバイナは平坦である。図４７および４８のコンバイナ３０８は軸外しコンバイナであり、コンバイナ３０８を通る各光軸に関して円対称ではない。
【０１５１】
軸上コンバイナは、中央光線束に関して回転対称であるという利点を有している。したがって、コンバイナによって生じさせられる収差を、やはり中央光線束に関して回転対称な面を用いて投射光学系内で修正してもよい。軸上コンバイナの欠点は、ビームスプリッタも用いられ、したがって、構成の重量が重く大きさが大きくなることである。
【０１５２】
しかし、軸外しコンバイナは、光が倍率付き反射面から斜めに反射するので軽量であり、瞳の画像（図４７参照）と意図されたディスプレイ画像（図４８参照）との両方により多くの収差（主として非点収差）が生じる可能性がある。このような収差を低減するために、コンバイナ面を、非球面、例えば環状面や、アナモフィック面や、他の種類の面にすることができる。
【０１５３】
画像の収差と瞳の収差との両方を調節するのが好ましい。瞳画像をほとんど修正しない場合、例えば、瞳の近くの（光線が横切る領域）火面が大きくなり、したがって、光線を途中で受けるのに大直径の光学系を用いるのが好ましくなる場合がある。さらに、瞳の収差を画像の収差から完全に分離することはできない。例えば、幾つかの画像領域位置の光線束同士が結像光学系に達する前に交差し、他の光線束が交差しなかった場合、結像光学系に領域位置が「乱雑な」順序で生じ、画像の修正が困難になる可能性がある。
【０１５４】
好ましい一実施形態では、円錐面およびより具体的には回転楕円面を有するコンバイナを用いてもよい。この楕円面は、着用者の目の所に、またはその近くに位置する２つの円錐焦点のうちの１つを有し、他方の円錐焦点は投射光学系の瞳の所に、またはその近くに位置しているのが好ましい。
【０１５５】
このような構成によって幾つかの利点が得られる。円錐面は回転面であるので、この面を単一軸ダイヤモンド旋削によって作製することができる。部品を射出成形、圧縮成形、または鋳造を用いて大量生産する場合、型インサートを、射出成形によって製造してもよい。さらに、一方の円錐焦点が目の所にあり、他方の円錐焦点が投射光学系の瞳の所にある場合、瞳の非球面収差をかなり軽減するかまたは無くしてもよい。さらに、領域内の全ての点に対する中央光線が瞳の中心を横切るのが好ましく、それによって、上述の「乱雑さ」はかなり軽減されるかまたは無くなる。さらに、一方の焦点が瞳の所にある場合、円錐面によって非点収差が生じさせられることがないので、画像の非点収差が軽減される。
【０１５６】
図５０は、空間光変調器４０２と、空間光変調器を照明する「Ｖ字形」プリズムのようなビームスプリッタ４０４と、結像光学系４０６と、コンバイナ４０８とを有する一例の表示装置４００を示している。表示装置４００は、ヘルメット装着ディスプレイのような頭部装着ディスプレイを有していてよい。したがって、コンバイナ４０８は、空間光変調器４０２を用いて形成された画像を装着者の目の前方視野に結合する。「Ｖ字形」プリズム４０４は、システム４００の大きさおよび重量を減らすために高屈折率フリントからなっていてよい。表示装置４００は、上述のように「Ｖ字形」プリズム４０４と空間光変調器４０２との間に楔４０９をさらに含んでいる。楔４０９は、収差を効果的に抑制し、同時に、システム４００の大きさおよび重量を最低限に抑える高屈折率クラウンからなっていてよい。コンバイナ４０８は、（楕円４１４として断面図に示されている）楕円面の形状に合った「楕円形」コンバイナである。楕円の一方の焦点は、目の瞳に相当するのが好ましい絞りの所にある。
【０１５７】
表示装置４００の好ましい一実施形態についての仕様が、表１および２に示されており、これらには、光学素子Ａ１〜Ａ１３の光学パラメータが記載されている。これらの光学パラメータには、曲率半径、厚さ、材料、および、適宜、非球面曲率、傾斜、および偏心を示す用語が含まれている。曲率半径、厚さ、および偏心のデータはミリメータ単位である。よく知られているように、非球面は、以下の数式によって定義することができる。
Ａρ4＋Ｂρ6＋Ｃρ8＋Ｄρ10＋Ｅρ12＋Ｆρ14...
ここで、ρは半径方向の寸法である。面が非球面である場合は、これらの定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄなどのうちの１つまたは２つ以上の、ゼロでない値が記載されている。さらに、表面が円錐面である場合は、円錐定数ｋを与えることができる。表ＩＩの表面の幾つかのについては、Ｙ軸を中心とした傾斜とＹおよびＺ方向の偏心も含まれている。
【０１５８】
結像光学系４０６は、各々がガラスからなる１０個の屈折レンズＡ２〜Ａ１１を有している。結像光学系４０６は２つの群を有している。第１の群は単一のレンズＡ２を有している。第２の群は残りのレンズＡ３〜Ａ１１を有している。楕円形コンバイナＡ１からの領域収差は、第１の群のレンズＡ２によって部分的に打ち消され、レンズＡ２は、低屈折率メニスカスレンズであり、第２の群のレンズＡ３〜Ａ１０の群軸線もコンバイナの軸線も共有していない。特に、メニスカスレンズＡ２は、光学系内の残りのレンズＡ３〜Ａ１１およびＶ字形プリズムＡ１２に対して傾斜させられ、および／または偏心させられている。したがって、この傾斜したレンズＡ２は第１の光軸を有し、このレンズは第１の光軸に関して回転対称である。同様に、第２の群の複数のレンズＡ３〜Ａ１１は、それらに対応する第２の光軸を有し、これらのレンズは第２の光軸に関して回転対称である。しかし、２本の光軸は互いに異なり、平行ではない。（第１の群の）１枚のレンズのみが（第２の群の）他のレンズに対して傾斜しているのが好ましいが、他の実施形態では、第１の群は、第１の光軸に沿って揃えられた２つ以上のレンズを有している。
【０１５９】
結像光学系４０６を構成するこれらのレンズのうちの１つＡ４は、非球面状の面を有している。この非球面は、球面収差を修正するために、中間瞳の近くに位置している。接着されたダブレットＡ５／Ａ６、Ａ８／Ａ９、およびＡ１０／Ａ１１によって色修正が行われる。
【０１６０】
このシステムの入射瞳の直径は１５．０ｍｍである。視野は、水平軸線に沿って５０度から−１５度の間、鉛直軸線に沿って２５度から−２５度の間と評価される。結像光学系４０６は出射瞳を有しており、この出射瞳は、コンバイナ４０８によって結像され、目の瞳（不図示）が位置することのできる共役瞳４１２を形成している。
【０１６１】
図５１は、表示装置４００の他の実施形態を示している。この表示装置４００の好ましい一実施形態についての仕様が表３および４に示されている。９つの光学素子Ｂ１〜Ｂ９の光学パラメータが記載されている。光学素子の１つＢ１は反射コンバイナ４０８に相当している。光学素子の１つＢ８はＶ字形プリズム４０８に相当し、光学素子の１つＢ９は楔４１０に相当している。結像光学系４０６は、各々が屈折レンズである残りの６つの光学素子Ｂ２〜Ｂ７を有している。結像光学系４０６は、第１のレンズＢ２を有する第１の群と、残りの５枚のレンズＢ３〜Ｂ７を有する第２の群とに分割されている。
【０１６２】
図５０のシステム４００と同様に、コンバイナ４０８は、楕円面（断面図に楕円４１４として示されている）の形状に合った「楕円形」コンバイナである。しかし、この実施形態では、２枚のレンズＢ３およびＢ６はプラスチックである。これらの素子は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能なZeonex 1600R (Z-1600R)からなってる。プラスチックレンズは、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、比較的軽量でもある。残りの屈折光学素子Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ８、Ｂ９は光学ガラスからなっている。「Ｖ字形」プリズム４０４（Ｂ８）は、システム４００の大きさおよび重量を減らすために高屈折率のフリントからなっている。「Ｖ字形」プリズム４０４と空間光変調器４０２との間の楔４０９は、収差を効果的に抑制し、同時に、システム４００の大きさおよび重量を最低限に抑えるために高屈折率のクラウンからなっている。プラスチックレンズＢ３、Ｂ６はどちらも非球面を有している。１つのレンズＢ２は、他のレンズＢ３〜Ｂ９に対して傾斜し偏心してもいる。図５１のシステム４００と同様に、第１の群のレンズＢ２、すなわちメニスカスレンズは、第１の光軸に関して対称である。第２の群における残りのレンズＢ３〜Ｂ９は、第２の光軸に関して対称である。しかし、これら２つの光軸は互いに異なる。有利なことに、この光学系も、９つの光学素子Ｂ１〜Ｂ９しか有さず、そのうち６つがレンズである。結像系４０６は、色修正用の接着されたダブレットＢ４／Ｂ５を有している。Ｂ６上の非球面は、非点収差およびコマ収差を修正するために「Ｖ字形」プリズムの近くにある。Ｂ３上の非球面は、球面収差を修正するために中間瞳の近くにある。楕円形コンバイナＢ１からの領域収差は、上述したのと同様に第１の群のレンズＢ３〜Ｂ７の軸線もコンバイナの軸線も共有しない低屈折率メニスカスレンズＢ２によって部分的に打ち消される。幾つかのレンズＢ３、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ７の幾つかの縁部は、システム４００の重量を減らすために切り取られている。このシステムの入射瞳の直径は１５．０ｍｍである。視野は、水平軸に沿って５０度から−１５度の間で、鉛直軸に沿って２５度から−２５度の間と評価される。
【０１６３】
図５２は、表示装置４００の他の実施形態を示している。この表示装置４００の好ましい一実施形態の仕様が表５および６に示されている。この光学系は、光学素子の数が少なくなっている。９つの光学素子Ｃ１〜Ｃ９の光学パラメータが記載されている。光学素子の１つＣ１は反射コンバイナ４０８に相当している。光学素子の１つＣ６はＶ字形プリズム４０８に相当し、光学素子の１つＣ７は楔４１０に相当している。結像光学系４０６は、各々が屈折レンズである残りの４つの光学素子Ｃ２〜Ｃ５を有している。レンズＣ２〜Ｃ５の数が減っていることによって、有利なことに光学系４００の重量およびコストが低減されている。レンズＣ２〜Ｃ５は第１の群と第２の群にグループ分けされている。第１の群は第１のレンズＣ２を有し、第２の群は残りの３枚のレンズＣ３〜Ｃ５を有している。他の実施形態では、第１の群は２つ以上のレンズを有してよいが、単一のレンズが好ましい。
【０１６４】
図５０および５１のシステム４００と同様に、コンバイナ４０８は、楕円面（断面図に楕円４１４として示されている）の形状に合った「楕円形」コンバイナである。しかし、この実施形態では、４つの倍率付き素子Ｃ２〜Ｃ５のそれぞれはプラスチックである。これらの素子Ｃ２〜Ｃ５は、アクリル（PMMAO）、Zeonex 480R（Z-480R）、およびZeonex 1600R（Z-1600R）を有している。Z-480RおよびZ-1600Rは、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能である。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは比較的軽量でもある。「Ｖ字形」プリズムは、システムの大きさおよび重量を減らすために高屈折率フリントからなっている。「Ｖ字形」プリズム４０４と空間光変調器４０２との間の楔は、収差を効果的に抑制し、同時に、システムの大きさおよび重量を最低限に抑えるために高屈折率クラウンからなっていてよい。
【０１６５】
結像系内の各レンズＣ２〜Ｃ５は、単色収差を修正するために非球面である。レンズの１つＣ２は、他の３枚のレンズＣ３〜Ｃ５に対して傾斜し偏心してもいる。図５０および５１のシステム４００と同様に、第１の群のレンズＣ２、すなわちメニスカスレンズは、第１の光軸に関して対称である。第２の群における残りのレンズＣ３〜Ｃ５も、第２の光軸に関して対称である。第１および第２の光軸は互いに異なる向きに向けられている。第２の群の光学素子Ｃ３〜Ｃ５はそれぞれ、プラスチックフリントからなっている。第２の群のレンズＣ４のみが色修正用の回折素子を有している。この回折素子、すなわちホログラムは、以下の数式によって特徴付けられる。
φ＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4...
ここで、φは、この光学素子Ｃ４上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、ｃ1およびｃ2は定数である。ｃ1およびｃ2の値はそれぞれ、７．２８５×１０-4および−１．６７７×１０-7である。回折光学素子は、波長が約５１５ナノメートルの一次モード（ｍ＝+１）を用いるように構成されている。楕円形コンバイナからの領域収差は、結像光学系４０６の第２の群のレンズの光軸もコンバイナ４０８の光軸も共有しない、第１の群の低屈折率レンズによって部分的に打ち消される。このシステムの入射瞳の直径は１５．０ｍｍである。視野は、水平軸に沿って５０度から−１５度の間で、鉛直軸に沿って２５度から−２５度の間と評価される。
【０１６６】
他の構成を用いてもよい。例えば、数、形状、厚さ、材料、位置、および向きを変更することが可能である。ホログラフィックまたは回折光学素子、屈折および／または反射光学素子を様々な構成で用いることもできる。他の多数の変形が可能であり、具体的な構成は、ここに含まれる厳密な仕様に限定されるものではない。
【０１６７】
しかし、様々な好ましい実施形態では、円錐面の形の形状のコンバイナが用いられる。円錐面は、円錐部、すなわち特定の種類の曲線を生成し、その曲線を軸線の周りに回転させて三次元面を描くことによって形成される。円錐面の形状はその円錐定数ｋによって決定される。円錐定数ｋは、三次元面を形成するように回転させられる二次元における円錐曲線の離心率ｅの２乗の負の数に等しい。円錐面は、よく知られており、例えば、"Aspheric Surfaces", Chapter 3 of Applied Optics and Optical Engineering, Vol. VIII, R. Shannon and J. Wyant, ed., Academic Press, New York NY 1980に記載されている。
【０１６８】
長軸と呼ばれている、２つの円錐焦点を結ぶ軸線を中心として楕円を回転させることによって楕円面（長球面とも呼ばれる）が形成される。楕円面の円錐定数は、０から−１の間の値を有する。球は、円錐定数がゼロである、楕円面の特殊な場合である。双曲面も同様に形成されるが、円錐定数の値は−１よりも小さい。放物面は、ちょうど−１の円錐定数を有し、放物線の準線と呼ばれる線に直角な軸線、およびその軸線上の点である、放物線の焦点を中心として放物線を回転させることによって形成される。偏球面は、正の円錐定数を有している。様々な好ましい実施形態では、円錐定数は、約−０．２５から０の間または０から＋０．６０の間であり、約−０．３６から０の間または０から＋０．４４の間であってよい。
【０１６９】
瞳の球面収差を無くすための様々な好ましい実施形態では、一方の円錐焦点４１８は厳密に目４１２の所に位置し、他方の円錐焦点４２０は厳密に投射光学系４０６の瞳４１６の所に位置している。このコンバイナ４０８の円錐定数は、０から−１の間であり、したがって、面は楕円面である。（目の瞳と投射光学系の瞳が物理的に分離されているため、面は球面ではない）。
【０１７０】
図５３は、楕円面（楕円４１４として示されている）と、楕円面の形状に実質的に合ったコンバイナ４０８とを示す断面図である。この楕円面は、２つの焦点４１８、４２０と、２つの焦点を通る長軸４２２とを含んでいる。観察者の目の瞳４１２、および結像光学系４０６の出射瞳４１６が、楕円面の２つの焦点４１８、４２０の所に示されている。様々な実施形態において、コンバイナ４０８の形状は楕円面４１４の一部に実質的に一致している。さらに、楕円面４１４は、目の瞳４１２および結像光学系４０６の出射瞳４１６に対して、瞳４１２、４１６がコンバイナ４０８の形状を定義する相応の楕円面の焦点４１８、４２０の位置に実質的に一致するように位置している。このような構成では、楕円面コンバイナ４０８によって、好ましいことに、投射瞳４１６が概ね目の瞳４１２上に結像される。
【０１７１】
図５４は、コンバイナ４０８が楕円面の形状に一致し、観察者の目の瞳４１２および結像光学系４０６の出射瞳４１６が楕円面の焦点４１８、４２０の位置に実質的に一致している他の例を示している。図５４は、結像または投射光学系４０６を構成する複数のレンズも示している。コンバイナ４０８の形状は、楕円４１４の一部に合ったものからずれていてもよく、瞳４１２、４１６は焦点４１８、４２０に対してずれていてもよい。楕円面４１４の長軸４２２は、２つの焦点４１８、４２０と交差している。コンバイナ４０８から反射されるビーム経路の、楕円面を通る長軸４２２に対する位置によって示されているように、コンバイナは軸外しコンバイナである。
【０１７２】
好ましい一実施形態では、視野の中心の所の球面収差を無くすために、（放物線をその対称軸線を中心として回転させることによって形成される）放物面の形状を有する反射面が用いられてよい。反射面を形成する放物面のこの回転軸線は、領域の中心の所の目の視線に実質的に平行であるのが好ましい。さらに、放物面の円錐焦点は、その領域の画像点に位置させるのが好ましい。
【０１７３】
図５５は、例えば、物体面４５４、結像光学系４５６、およびコンバイナ４５８を有する他の表示システム４５０を示している。光路は、物体面４５４から結像光学系４５６を通り、コンバイナ４５８で反射して、瞳４６２を有する目４６０に入るように延びている。図５５は、放物面（放物線４６４として示されている）および放物面の形状に実質的に合ったコンバイナ４５８を示す模式的な断面図である。放物面４６４は、焦点４６６および準線４６８によって決定されている。中間画像４６７が放物線４６４の焦点４６６の所に位置している。様々な実施形態において、コンバイナ４５８の形状は放物面４６４の一部に実質的に合っている。さらに、放物線４６４は、コンバイナ４５８の形状を決めている放物面４６４の焦点４６６が中間画像４６７と実質的に重なり合うように配置されている。このような構成によって、中間画像４６７は、観察者が快適に見ることのできるように、近無限遠、例えば、数ｍから数ｋｍまでの、十分に遠い距離、およびこの範囲外の距離に再生される。上述のように、この構成によって瞳４６２の所の球面収差を低減することができる。
【０１７４】
幾つかの実施形態では、瞳の所の収差および画像の収差を同時に軽減する目標によって、楕円面を形成する円錐定数が、０から−１になる。この楕円面の円錐焦点は、目および投射光学系瞳の近くに位置するが、これらに一致しないのが好ましい。焦点との関係の近接性は、例えば、様々な構成を評価するのに用いられるメリット関数に反映して、瞳および画像の収差を軽減するように選択することができる。様々な好ましい実施形態において、出射瞳は、一方の焦点から、楕円面の、焦点同士を分離する長軸に沿った距離の約４分の１より短い距離の所に位置している。
【０１７５】
図５６は、例えば、コンバイナ４０８が楕円面４１４を有し、観察者の目および結像光学系の出射瞳４１６が、コンバイナの形状を決めている楕円の焦点４１８、４２０からずれている実施形態を示している。より具体的には、焦点の一方４２０は、結像光学系４０６の出射瞳４１６と結像光学系によって形成される中間画像４０７との間に位置している。コンバイナ４０８は、結像光学系４０６および物体４０４と、結果として得られる中間画像４０７に対して、中間画像を無限遠または近無限遠（例えば、数ｍから数ｋｍまでの、観察者が快適に見ることのできる十分に遠い距離）に投射するように配置されている。したがって、（破線で示されている）光線は、実質的に視準されるように示されている。さらに、瞳の所の収差と画像の所の収差との両方が軽減される。目と投射光学系との距離は、画像および瞳収差の値が小さくなるような距離であるのが好ましい。
【０１７６】
他の構成は、コンバイナおよび一対のプラスチックレンズを有する簡素化された軽量の頭部装着ディスプレイを有している。レンズの１つは回転対称な光学素子であり、レンズの１つは非回転対称な光学素子である。この非回転対称の光学素子は、互いに対して傾斜し偏心している第１および第２のレンズ面を有している。一方のレンズ面は、色修正用の回折またはホログラフィック光学素子を有してもよい。有利なことに、どちらもプラスチックからなる２枚のレンズのみを有する投射光学系を有していることによって、システムのコストおよび重量が軽減される。
【０１７７】
図５７は、このような表示装置５００の一例の実施形態を示している。表示装置５００の好ましい一実施形態の仕様が表７および８に示されている。この光学系５００では、光学素子の数が減らされている。３つの光学素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の光学パラメータが記載されている。
【０１７８】
光学素子の１つＤ１は反射コンバイナ５０８に相当している。このコンバイナ５０８は、上述のように部分的に反射性を有する軸外しコンバイナであってよい。図５０および５１のシステム５００と同様に、コンバイナ５０８は、楕円面（断面図に楕円４１４として示されている）の形状に合った「楕円形」コンバイナである。
【０１７９】
コンバイナ５０８に加えて、装置５００は結像光学系５０６も有している。結像光学系５０６は、各々が屈折レンズである残りの２つの倍率付き光学素子Ｄ２およびＤ３を有している。（図示していないが、表示装置５００は、例えば、光源からの光で照明される空間光変調器を用いる実施形態において上記したようなＶ字形プリズムおよび楔を含んでいてよい。）レンズの数が減っていることによって、有利なことに光学系５００の重量およびコストが軽減される。
【０１８０】
さらに、この実施形態では、２枚のレンズＤ２、Ｄ３のみがそれぞれプラスチックである。これらの素子Ｄ２およびＤ３は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から入手可能なZeonex 480R（Z-480R）からなっている。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは比較的軽量でもある。
【０１８１】
各光学素子Ｄ１〜Ｄ３上の各光学面５２０、５２２、５２４、５２６、５２８は非球面である。コンバイナ５０８上の反射面５２０は楕円面であり、したがって、非球面である。レンズＤ２上の面５２２、５２４（表７および８における面４および５）もそれぞれ非球面である。同様に、レンズＤ３上の面５２６、５２８（表７およびＶ８における面６および７）もそれぞれ非球面である。各非球面５２０、５２２、５２４、５２６、５２８は互いに異なっている。
【０１８２】
さらに、レンズＤ２上の面５２２、５２４（表７および８における面４および５）は互いに対して傾斜し偏心している。どちらの屈折光学面５２２、５２４も、それぞれの光軸に関して回転対称な形状（非球面）を有している。しかし、これらの光軸は、互いに対して傾斜し偏心している。この結果、非回転対称光学素子、すなわち、それ自体が光軸に関して回転対称ではない光学素子となっている。
【０１８３】
様々な好ましい実施形態において、定義上、レンズＤ２はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、実質的に反射することなくＤ２を通って伝搬する。同様に、レンズＤ３はレンズであり、光は、実質的に反射することなくＤ３を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態において、反射は１０％未満に下げられている。
【０１８４】
しかし、レンズＤ３は光軸に関して回転対称である。レンズＤ３上の屈折光学面５２６、５２８はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状（非球面形状）を有している。しかし、レンズＤ３を通る光軸は、レンズＤ２上の２つの面５２２、５２４のどちらの光軸とも異なっている。さらに、これらの光軸の全てが、楕円形コンバイナＤ１の光軸と異なっている。
【０１８５】
このように自由度の変化、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状によって、高性能な光学装置５００を、比較的少ない光学素子を用いて構成することができる。したがって、３つの光学素子、すなわちレンズＤ１およびＤ２、および反射コンバイナＤ３上の５つの光学面（１つの反射面５２０と、４つの屈折面５２２、５２４、５２６、５２８）のみを用いて単色収差を修正することが可能である。
【０１８６】
どちらのレンズも同じ材料からなっているので、色収差は、レンズＤ３上の回折素子によって実質的に修正される。特に、表面の１つ５２６（表７および８における面６）は、回折素子を形成する回折部材を含んでいる。回折素子、すなわちホログラムは以下の数式によって特徴付けられる：
φ＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4＋ｃ3ρ6...
ここで、φは、この光学素子Ｄ３上の回折部材を通過する波面に与えられる位相ずれであり、ρは半径方向の寸法であり、ｃ1、ｃ2、およびｃ3は定数である。ｃ1、ｃ2、およびｃ3の値はそれぞれ、−１．７４８×１０-3、１．２８３×１０-6および６．５６９×１０-9である。回折光学素子は、波長が約５１５ナノメートルの一次モード（ｍ＝+１）を用いるように構成されている。
【０１８７】
他の実施形態では、Ｄ２およびＤ３に互いに異なるレンズ材料を用いることによって色修正を行ってもよい。例えば、互いに異なる拡散特性を有する互いに異なるプラスチックまたは高分子材料を用いてよい。ある実施形態では、非プラスチック材料を用いてもよいが、プラスチックは、非球面の場合であっても製造コストが安くなるという利点を生じ、またプラスチックは軽量である。他の実施形態では、レンズの１つはプラスチックで他のレンズはガラスであってよい。他の構成も可能である。
【０１８８】
表７および８に示されている仕様では、このシステムの入射瞳の直径は１０．０ｍｍである。視野は、水平軸線に沿って＋８度から−８度の間で、鉛直軸線に沿って＋６度から−６度の間と評価される。
【０１８９】
図５８は、コンバイナ８０８と、少なくとも２つの光軸を有する結像光学系８０６とを有する軽量の他の頭部装着表示装置８００を示している。装置８００は、結像光学系４０６およびコンバイナ８０８によって結像される、例えば放射ディスプレイや空間光変調器を有する画像形成装置８０２を含んでいる。この表示装置８００の一実施形態の仕様が表９および１０に示されている。この光学系８００は、詳細が表９および１０に記載されている複数の光学素子Ｅ１〜Ｅ６を含んでいる。
【０１９０】
光学素子の１つＥ１は反射コンバイナ８０８である。このコンバイナ８０８は、部分的に反射性を有するコンバイナである。図５０および５１のシステム６００と同様に、コンバイナ８０８は、楕円面（断面図に楕円８１４として示されている）の形状に合った「楕円形」コンバイナである。図５８に示されている実施形態では、この楕円面は、目の瞳が位置する画像瞳または絞り８１２を通る軸線を有している。特に、この実施形態では、画像瞳または絞り８１２は楕円面の一方の焦点の所に位置している。コンバイナ８０８は、例えば目から見える視野がコンバイナの対称軸線に揃っていないので軸外しコンバイナである。したがって、領域全体にわたって分散させられるように示されている光線束は、光軸に関して実質的に対称に配置されていない。この特定の例において、表９および１０における仕様は、絞りを中心として−６８．０３度傾斜した軸外しコンバイナを示している。
【０１９１】
コンバイナ８０８に加えて、装置８００は、結像光学系８０６も有している。結像光学系８０６は、複数の倍率付き光学素子、すなわち、第１のレンズ素子Ｅ２、第２のレンズ素子Ｅ３、第３のレンズ素子Ｅ４、および第４のレンズ素子Ｅ５を有している。図５８に示されている実施形態では、第１および第４のレンズ素子Ｅ２，Ｅ５はプラスチックである。第５のレンズ素子Ｅ５は、プラスチックに形成された非球面を含んでいる。第２および第３のレンズ素子Ｅ３、Ｅ４は、互いに異なるガラスからなり、ダブレットを形成している。
【０１９２】
第１のレンズ素子Ｅ２は、第１および第２の面８２２，８２４（表９および１０における面４および５）を有している。これらの面８２２および８２４は共通の光軸を共有している。図５８に示されている実施形態では、どちらの屈折光学面８２２，８２４も、この共通の光軸に関して回転対称な形状を有している。この第１のレンズ素子Ｅ２は正の光パワーを有している。この実施形態では、この第１のレンズ素子Ｅ２は、上述のようにプラスチックからなっている。
【０１９３】
第１のレンズ素子Ｅ２は、表９および１１に記載されている仕様によって示されるようにコンバイナＥ１に対して傾斜し偏心している。通常、表９および１１に記載されている傾斜および偏心は、その前の面に対して測ったものである。しかし、コンバイナ８０８の後の面（面３）の場合、傾斜および偏心は、本明細書の表における各仕様の場合と同様に、絞り８１２に対して測ったものである。コンバイナ８０８の後の最初の面である面３の傾斜および偏心によって、やはり本明細書の表における各仕様の場合と同様に、第１のレンズ素子Ｅ２の第１の面８２２の傾斜および偏心が決まる。したがって、コンバイナ８０８（Ｅ１）と第１のレンズＥ２の第１の面８２２との両方について表９および１０に記載されている傾斜および偏心は、絞り８１２に対するものである。したがって、これらの第１のレンズＥ２とコンバイナ８０８（Ｅ１）との間の相対的な傾斜および偏心は、コンバイナと面３との傾斜および偏心の差を計算することによって得られる。その結果、図５８に示されている実施形態では、第１の面８２２は、コンバイナ８０８に対して測ると、約６８．０８度−６２．３８度、すなわち５．６５度傾斜している。したがって、第１のレンズ素子Ｅ２は、コンバイナＥ１とは異なる光軸を有している。
【０１９４】
第２のレンズ素子Ｅ３は、さらに他の光軸に関して回転対称である。第２のレンズ素子Ｅ３上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状を有している。しかし、第２のレンズ素子Ｅ３を通る光軸は、第１のレンズ素子Ｅ２上の２つの面８２２、８２４の光軸とは異なり、コンバイナ８０８（Ｅ１）の光軸とも異なっている。
【０１９５】
さらに、第３のレンズ素子Ｅ４は、第３のレンズ素子Ｅ３と同じ光軸に関して回転対称である。第３のレンズ素子Ｅ４上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状を有している。しかし、第３のレンズ素子Ｅ４を通る光軸は、第１のレンズ素子Ｅ２上の２つの面８２２、８２４の光軸とは異なっている。上述のように、第２のレンズ素子Ｅ３と第３のレンズ素子Ｅ４はダブレットを形成している。第２のレンズ素子Ｅ３は、ダブレットが色収差を軽減するように選択された、第３のレンズ素子Ｅ４とは異なるガラスからなっている。
【０１９６】
第４のレンズ素子Ｅ５も、第２および第３のレンズ素子Ｅ３およびＥ４と同じ光軸に関して回転対称である。第４のレンズ素子Ｅ５上の両屈折光学面はどちらも、やはり実質的に同じ光軸に関して回転対称な形状（一方は非球面）を有している。しかし、第４のレンズ素子Ｅ５を通る光軸は、第１のレンズ素子Ｅ２上の２つの面８２２、８２４のどちらの光軸とも異なっている。上述のように、この第４のレンズ素子Ｅ５はプラスチックからなっている。
【０１９７】
様々な好ましい実施形態では、定義上レンズＥ２はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、ほぼ反射なしにＥ２を通って伝搬する。同様に、レンズＥ３、Ｅ４、およびＥ５はレンズであり、光は、ほぼ反射なしにＥ３、Ｅ４、およびＥ５を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態では、反射は、各レンズ素子ごとに１０％未満に低下する。
【０１９８】
図５８に示されているように、装置８００は、他の非レンズ素子、すなわち楔Ｅ６をさらに有している。この楔Ｅ６は、非点収差やコマ収差などの収差を軽減するのに用いることができる。楔Ｅ６は、結像光学系８０６と、物体、例えば画像形成装置８０２との間に位置している。上述のように、この画像形成装置８０２の画像は、結像光学系８０６およびコンバイナ８０８によって目の所に形成される。この画像形成装置８０２は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のアレイなどの放射光源を有してよい。８５２ｘ６００有機発光ダイオードを有する例示的なアレイは、ワシントン州ベルビューに所在するEmagin社から市販されている。他の画像形成装置が用いられる。例えば、画像形成装置が放射性の装置ではない場合、照明を施してもよい。
【０１９９】
上述のように、このシステム８００では、レンズ素子Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、およびＥ５は１本より多くの軸を含んでいる。特に、第２のレンズ素子Ｅ３、第３のレンズ素子Ｅ４、および第４のレンズ素子Ｅ５を有する一群のレンズ素子は、単一のレンズ素子、すなわち第１のレンズ素子Ｅ２の軸とは異なる共通の光軸を共有している。図５８の実施形態では、第１のレンズ素子Ｅ２は、他のレンズ素子Ｅ３、Ｅ４、およびＥ５の単一の光軸に対して傾斜し偏心した単一の光軸を有している。さらに、すべてのこれらの光軸は、楕円形コンバイナＥ１の光軸とは異なっている。
【０２００】
光軸および対応するレンズの傾斜および偏心は、収差を抑制し性能を向上させる追加的な自由度をもたらす。（例えば、コンバイナ８０８や第１のレンズ素子Ｅ５の）このような可変自由度、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状は、比較的少ない光学素子を有する高性能光学装置８００を構成するのを可能にする。したがって、５つの光学素子、すなわちコンバイナＥ１およびレンズＥ２〜Ｅ５上の８つの光学面（１つの反射面および７つの屈折面）のみで収差を修正することが可能である。レンズ素子の数が少ないため、有利なことに、光学系８００の重量およびコストが少なくなる。
【０２０１】
さらに、この実施形態では、２枚のレンズＥ２、Ｅ５はプラスチックである。これらの素子Ｅ２およびＥ５は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から市販されているZeonex 480R（Z-480R）を含んでいる。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、より軽量でもある。
【０２０２】
その結果、結像光学系８０６およびプリズム８０８を含む頭部装着ディスプレイの屈折部は、それぞれの目に対して約３０ｇ未満である。有利なことに、光学系の重量の大部分が後方に配置されているため、重心は頭部の中心の近くに位置している。このようなシステムは装着しても安全である。
【０２０３】
このシステムでは、結像光学系８０６の第１のレンズＥ２も正であり、したがって、有利なことにより小形の装置８００が得られる。これに対して、第１のレンズＥ２が負である場合、結像光学系８０６は、残りのレンズ素子Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５が共に正のパワーを有するため、逆望遠システムを形成する。逆望遠システムは、逆望遠システムの有効焦点距離より長い長さを有する。逆に、正の第１のレンズＥ２を、残りのレンズ素子Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５から得られる正のパワーと組み合わせると、逆望遠リレーより短い結像光学系が形成される。このように長さが短くなると、システムが小形になる。
【０２０４】
システム８００は、光学性能も良好である。得られる視野は約３０ｘ２２度であり、２つの目の間で完全に重なり合う。出射瞳は、この実施形態では直径が１０ｍｍである。変調伝達関数は、１０ｍｍの瞳の場合、１ｍｍ当たり３３条線対で０．４である。
【０２０５】
広範囲の変形実施形態が可能である。用いるレンズは、上記より多くてもあるいは少なくてもよい。しかし、様々な実施形態では、結像光学系８０８は、第１の光軸を有する複数のレンズ素子と、第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する別の単一のレンズ素子とを有している。共通の光軸を有するレンズ群は、２枚、３枚、４枚、５枚、またはそれより多くのレンズを有してよい。レンズの数を減らすと、有利なことに、重量、コスト、および複雑さが低減する。同様に、結像光学系に含まれる他のレンズは１枚だけであり、このレンズは異なる光軸を有する。このレンズは、システムを小形にできるように正であってよい。
【０２０６】
しかし、図５７に関して論じたように、この単一のレンズは、各々が互いに異なる光軸を有する２つの面（例えば、非球面）を有する非回転対称レンズであってよい。単一のレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が結像光学系内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、第１のレンズ素子の少なくとも１つの面および光軸は、レンズの他に他の種類の光学素子を含んでもよい結像光学系の他の複数のレンズに対して傾斜および／または偏心している。単一のレンズは、非回転対称な１つの面と、回転対称な１つの面とを有してもよい。
【０２０７】
同様に、他のレンズはどれも、それぞれが互いに異なる光軸を有する２つの面（例えば、非球面）を有する非回転対称レンズであってよい。このようなレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が群内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、レンズ素子の少なくとも１つの面は、共有される共通の光軸に一致する光軸を有している。例えば、一実施形態では、Ｅ３、Ｅ４、およびＥ５の各々上の１つの面のみが共通の光軸を共有し、他の面は他の光軸を有している。幾つかの実施形態では、これらのレンズはどれも、非回転対称な１つの面と、回転対称な１つの面とを有してもよい。
【０２０８】
他の変形実施形態も可能である。例えば、１つまたは２つ以上のレンズ面またはレンズ素子を、本明細書では回折レンズまたは回折レンズ素子と呼ぶ透過回折光学素子で置き換えることができる。例えば、第２および第３のレンズ素子Ｅ３、Ｅ４を有するダブレットによって行われる色修正は、その代わりに回折光学レンズによって行うことができる。回折光学レンズは、レンズの面ならびに面平行プレートまたはシート上に配置された回折部材を有してよい。回折部材は、透過回折光学素子にパワーを与えるように配置することができる。パワーを有するこのような透過回光学素子は、光軸を有し、したがって、設計自由度を高める複数の光軸を有するシステムに用いることができる。例えば、共通の光軸を共有する第２、第３、または第４の光学素子Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５のうちの１つまたは２つ以上（場合によっては各光学素子）を回折光学レンズで置き換えることができる。同様に、残りの光学素子とは異なる光軸を有する単一の光学素子Ｅ２は回折光学レンズを有してよい。
【０２０９】
レンズ素子Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５に用いられる形状および材料はそれぞれ異なるものでよい。ほぼ平坦な反射面を有するフォールドミラーを、装置の、例えば第１のレンズ素子Ｅ２とコンバイナ８０８との間に挿入することができる。このような平坦なフォールドミラーは、パワーを有さないが、例えば、結像光学系８０６が頭部のより近くに位置し、かつ頭部装着ディスプレイが頭部により適合した形状を有するように、結像光学系８０６をコンバイナ８０８に対して斜めにかつ異なる位置に位置させるのを可能にする。他のフォールドミラーを他の場所に含めてもよい。他の種類の反射構成部材を装置に含めてもよい。例えば、結像光学系のレンズの他に反射器を含めてもよい。
【０２１０】
レンズ素子の順序は変更してよい。例えば、第１のレンズ素子を最初に配置する必要はなく、他のレンズ同士の間であってよい。この場合、例えば、Ｅ２は、Ｅ３とＥ４との間に位置しても、Ｅ４とＥ５との間に位置しても、あるいはＥ５と画像形成装置との間に位置してもよい。Ｅ３、Ｅ４、およびＥ５の順序も変更してよい。一実施形態では、結像光学系８０６はコンバイナ８０８と画像形成装置８０２との間に位置し、単一の正のレンズ（例えば、Ｅ２）が画像形成装置の最も近くに位置し、残りのレンズ（例えば、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５）がコンバイナの最も近くに位置している。したがって、コンバイナに最も近いレンズを傾斜および／または偏心させてよい。あるいは、傾斜および／または偏心させる素子を結像光学系内の他の素子の中央のどこかに挿入することができる。この傾斜および／または偏心させる素子は正のパワーを有してもあるいは負のパワーを有してもよい。
【０２１１】
他の光学素子（例えば、反射器、フォールドミラー、楔、フィルタなど）を光学系内の任意の場所に挿入することができる。他の種類の光学素子をコンバイナ８０８と画像形成装置８０２との間の光路の任意の場所に含めることができる。
【０２１２】
コンバイナ８０８は異なるものであってもよい。コンバイナは例えば、ほぼ全体的に反射性を有するものであってよい。さらに、コンバイナ８０８は、軸上コンバイナを有してよい。コンバイナ８０８は、目の瞳を通過する光軸を有する必要はない。コンバイナ８０８は、軸の周りで回転対称である必要はない。アナモフィック非球面または環状面を用いてもよい。コンバイナ８０８の面は、例えば、概ね左右対称なＸＹ多項式によって形成することができる。他の形状および構成も可能である。
【０２１３】
さらに、図５８に示されている結像光学系８００は、残りの素子Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５によって共有される光軸とは異なる光軸を含む少なくとも１つの面を有する単一のレンズ素子Ｅ２を有しているが、残りのレンズ素子がそれぞれ同じ光軸を共有する必要はない。例えば、１つまたは２つ以上のこれらのレンズ素子Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５を傾斜および／または偏心させることもできる。したがって、単一のレンズ素子Ｅ２は、共通の軸を共有することのない追加のレンズ素子を結像光学系８０８に含めることができるにもかかわらず、２つまたは３つ以上のレンズ素子によって共有される共通の光軸とは異なる光軸を有してよい。
【０２１４】
ある実施形態では、単一のレンズ素子Ｅ２は、図５７に示されているように２枚のレンズのみを有する結像光学系８０８内の他の１つのレンズ素子の光軸とは異なる光軸を有している。結像光学系８０８は、反射器やフォールドミラーのような他の非レンズ型素子を含んでよい。
【０２１５】
さらに、上述のように、残りのレンズＥ３、Ｅ４、Ｅ５はどれも、他とは異なる光軸を有する少なくとも１つの面を有してよい。この光軸は、第１のレンズＥ２の光軸とは異なるものであってよい。
【０２１６】
図５９は、コンバイナ９０８と、少なくとも２本の光軸を有する結像光学系９０６とを有する軽量の頭部装着表示装置９００を示している。装置９００は、結像光学系９０６およびコンバイナ９０８によって結像される、空間光変調器９１２などの画像形成装置９０２を含んでいる。この表示装置９００の一実施形態の仕様が表１１および１２に示されている。この光学系８００は、詳細が表１１および１２に記載されている複数の光学素子Ｆ１〜Ｆ５を含んでいる。
【０２１７】
１つの光学素子Ｆ１は反射コンバイナ９０８を有している。このコンバイナ８０８は、部分的に反射性を有するコンバイナであり、楕円面（断面図に楕円９１４として示されている）の形状に一致する「楕円形」コンバイナである。図５９に示されている実施形態では、この楕円面は、目の瞳が配置される画像瞳または絞り９１２を通過する軸を有している。さらに、この実施形態では、画像瞳または絞り９１２は楕円面の一方の焦点の所に位置している。コンバイナ９０８は、例えば目から見える視野がコンバイナの対称軸に揃っていないので軸外しコンバイナである。したがって、視野全体にわたって分散させられる光線束が、コンバイナ９０８の光軸の周りにほぼ対称に配置されることはない。特定に、表１１および１２内の仕様は、絞り９１２の周りで−６８．９６度傾斜した軸外しコンバイナを示している。
【０２１８】
装置９００は、コンバイナ９０８だけでなく、結像光学系９０６も有している。結像光学系９０６は、複数の倍率付き光学素子、すなわち、第１のレンズ素子Ｆ２、第２のレンズ素子Ｆ３、および第３のレンズ素子Ｆ４を有している。各レンズ素子Ｆ２、Ｆ３、およびＦ４は、少なくとも１つの非球面を有し、かつプラスチックを含んでいる。第１のレンズ素子Ｆ２は２つの非球面を有し、一方、他の２枚のレンズはそれぞれ、１つの非球面を有している。
【０２１９】
第１のレンズ素子Ｆ２は、共通の光軸を共有する第１の面９２２および第２の面９２４（表１１および１２内の面２および３）を有している。図５９に示されている実施形態では、どちらの屈折光学面９２２、９２４も、この共通の光軸の周りで回転対称な形状を有している。上述のように、どちらの面９２２、９２４も非球面である。この第１のレンズ素子Ｆ２も正の光パワーを有している。
【０２２０】
図５７に示されている構成とは異なり、第１のレンズ素子Ｆ２は、表１１および１２に記載されかつ図５９に示されているようにコンバイナＦ１に対して傾斜も偏心もしていない。表９および１１に記載されている傾斜および偏心は一般に、その前の面に対して測定される。しかし、コンバイナの後の面（面３）の場合、傾斜および偏心は、本明細書の表内の各仕様の場合と同様に、絞り９１２に対して測定される。コンバイナ９０８の後の最初の面である面３の傾斜および偏心は、やはり本明細書の表内の各仕様の場合と同様に、第１のレンズ素子Ｆ２の第１の面９２２の傾斜および偏心を形成する。したがって、コンバイナ９０８と第１のレンズＦ２の第１の面９２２との両方について表１１および１２に記載されている傾斜および偏心は、絞り９１２に対するものである。したがって、これらの第１のレンズＦ２とコンバイナＦ１との間の相対的な傾斜および偏心は、コンバイナ９０８と面３との傾斜および偏心の差を算出することによって得られる。その結果、図５９に示されている実施形態では、第１の面９２２は、コンバイナ９０８の焦点に対して測定すると、約６８．９８度＋６８．９８度、すなわち０度傾斜し、０−６８．０５５ｍｍ、すなわち−６８．０５５ｍｍ偏心している（Ｚ方向）。したがって、第１のレンズ素子Ｆ２は、コンバイナＦ１と同じ光軸を有している。
【０２２１】
第２のレンズ素子Ｆ３は、他の光軸の周りで回転対称である。第２のレンズ素子Ｆ３上の屈折光学面はどちらも、やはりほとんど同じ光軸の周りで回転対称な形状を有している。しかし、第２のレンズ素子Ｆ３を通る光軸は、第１のレンズ素子Ｆ２上の２つの面９２２、９２４の光軸とは異なっている。第２のレンズ素子Ｆ３を通る光軸は、コンバイナＦ１の光軸とも異なっている。
【０２２２】
第２のレンズ素子Ｆ３は、色収差を軽減する回折光学レンズを有している。回折光学レンズは、ガラスレンズ上に配置された、パワーを有する透過回折光学面を有している。この回折面、すなわち、ホログラムは、以下の数式で特徴付けられる。
φ＝ｃ1ρ2＋ｃ2ρ4、、、
φは、この光学素子Ｆ３上の回折部材を通過する波面にかけられる位相ずれであり、ρは半径方向寸法であり、ｃ1、ｃ2、およびｃ3は定数である。ｃ1、ｃ2、およびｃ3の値はそれぞれ、−７．５８０ｘ１０-4、１．０４４ｘ１０-6および−４．０８１ｘ１０-9である。回折光学素子は、波長が約５５５ナノメートルの一次モード（ｍ＝+１）を用いるように構成されている。
【０２２３】
第３のレンズ素子Ｆ４も、第３のレンズ素子Ｆ２と同じ光軸の周りで回転対称である。第３のレンズ素子Ｆ４上の屈折光学面はどちらも、やはりほとんど同じ光軸の周りで回転対称な形状を有している。しかし、第３のレンズ素子Ｆ４を通る光軸は、第１のレンズ素子Ｆ２上の２つの面９２２、９２４のどちらの光軸とも異なっている。
【０２２４】
様々な好ましい実施形態では、定義上レンズＦ２はレンズであり、プリズムでもコンバイナでも反射屈折光学素子でもない。光は、ほぼ反射なしにＦ２を通って伝搬する。同様に、レンズＦ３およびＦ４はレンズであり、光は、ほぼ反射なしにＦ３およびＦ４を通って伝搬する。様々な好ましい実施形態では、反射は１０％未満に低下する。
【０２２５】
図５９に示されているように、装置９００は、他の非レンズ素子、すなわち任意の楔Ｆ５をさらに有している。この楔Ｆ５は、非点収差やコマ収差などの収差を軽減するのに用いることができる。楔Ｆ５は、結像光学系９０６と、物体、例えば空間光変調器９０２との間の光路に位置している。上述のように、この空間光変調器９０２の画像は、結像光学系９０６およびコンバイナ９０８によって目の所に形成される。この空間光変調器９０２は、例えば、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）を有してよい。上述のようにＶ字形プリズムおよび／または他の照明構成部材を含めてもよいが、図５９には示されていない。他の種類の空間光変調器を用いてもよく、放射ディスプレイのような他の種類の表示素子を空間光変調器の代わりに用いてよい。
【０２２６】
このシステム９００では、レンズ素子Ｆ２、Ｆ３、およびＦ４は１本より多くの軸を含んでいる。特に、一群のレンズ素子、すなわち第２のレンズ素子Ｆ３および第３のレンズ素子Ｆ４は、単一のレンズ、すなわち第１のレンズ素子Ｆ２とは異なる共通の光軸を共有している。図５９の実施形態では、第１のレンズ素子Ｆ２は、他の２つのレンズ素子Ｆ３およびＦ４の単一の光軸に対して傾斜し偏心した単一の光軸を有している。しかし、この実施形態では、第１のレンズＦ２はコンバイナ９０８と共通の光軸を共有しているが、第３および第４のレンズ素子Ｆ３およびＦ４は共有していない。
【０２２７】
他のレンズＦ３、Ｆ４に対する第１のレンズＦ２の傾斜および偏心は、収差を抑制し性能を向上させる追加的な自由度をもたらす。（例えば、倍率付き光学素子、すなわち、コンバイナ９０８ならびに第１、第２、および第３のレンズ素子Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４のそれぞれの）このような可変自由度、様々な傾斜および偏心、ならびに様々な非球面形状は、比較的少ない光学素子を有する高性能光学装置９００を構成するのを可能にする。したがって、４つの倍率付き光学素子、すなわちコンバイナＦ１およびレンズＦ２〜Ｆ４上の７つの光学面（１つの反射面、１つの回折屈折面、および他の５つの屈折面）のみで収差を修正することが可能である。レンズ素子Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の数が少ないため、有利なことに、光学系９００の重量、コスト、複雑さが低減する。
【０２２８】
さらに、この実施形態では、レンズ素子Ｆ２、Ｆ３、およびＦ４はそれぞれプラスチックである。これらのレンズＦ２、Ｆ３、Ｆ４は、ケンタッキー州ルイズビルのZeon Chemicals L.P.から市販されているZeonex 480R（Z-480R）を含んでいる。他のプラスチックおよび非プラスチック材料を用いてもよい。しかし、プラスチックレンズは、有利なことに、ガラスレンズより低コストで大量に製造することができる。プラスチックレンズは、より軽量でもある。
【０２２９】
その結果、画像形成装置９０２、結像光学系９０６、およびコンバイナ９０８を含む頭部装着ディスプレイのアイピースは、低コストで軽量である。有利なことに、光学系の重量の大部分が後方に配置されているため、重心は鼻の後方に位置している。このようなシステム９００は装着しても安全であり、より快適である。
【０２３０】
このシステムでは、結像光学系９０６の第１のレンズＦ２も正であり、したがって、有利なことにより小形の装置が得られる。これに対して、第１のレンズＥ２が負である場合、結像光学系９０６は、残りのレンズ素子Ｆ３、Ｆ４が共に正のパワーを有するため、逆望遠システムを形成する。逆望遠システムは、逆望遠の有効焦点距離よりも長い。逆に、正の第１のレンズＦ２を、残りのレンズ素子Ｆ３、Ｅ４から得られる正のパワーと組み合わせると、結像光学系９０６の有効焦点距離より短い長さを有する望遠レンズにより近いシステムが形成される。このように長さが短くなると、システムが小形になる。
【０２３１】
システム９００は、光学性能も良好である。得られる視野は約３０ｘ２２度であり、２つの目の間で完全に重なり合う。出射瞳は、この実施形態では直径が１０ｍｍである。変調伝達関数は、１０ｍｍの瞳の場合、１ｍｍ当たり３３条線対で０．３を超える。このシステムはテレセントリック光学系でもある。
【０２３２】
広範囲の変形実施形態が可能である。用いるレンズは、上記より多くてもあるいは少なくてもよい。しかし、様々な実施形態では、結像光学系８０８は、第１の光軸を有する複数のレンズ素子と、第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する別の単一のレンズ素子とを有している。共通の光軸を有するレンズ群は、２枚、３枚、４枚、５枚、またはそれより多くのレンズを有してよい。レンズの数を減らすと、有利なことに、重量、コスト、および複雑さが低減する。同様に、結像光学系に含まれる他のレンズは１枚だけであり、このレンズは異なる光軸を有する。このレンズは、システムを小形にできるように正であってよい。
【０２３３】
しかし、図５７に関して論じたように、この単一のレンズは、各々が互いに異なる光軸を有する２つの面（例えば、非球面）を有する非回転対称レンズであってよい。単一のレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が結像光学系内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、第１のレンズ素子の少なくとも１つの面および光軸は、レンズの他に他の種類の光学素子を含んでもよい結像光学系の他の複数のレンズに対して傾斜および／または偏心している。単一のレンズは、非回転対称な１つの面と、回転対称な１つの面とを有してもよい。
【０２３４】
同様に、他のレンズはどれも、それぞれが互いに異なる光軸を有する２つの面（例えば、非球面）を有する非回転対称レンズであってよい。このようなレンズは、それぞれ回転対称であり、一方が群内の他のレンズと共通の光軸を共有し、一方が異なる光軸を有する一対の面を有してよい。このような実施形態では、レンズ素子の少なくとも１つの面は、共有される共通の光軸に一致する光軸を有している。例えば、一実施形態では、Ｆ３およびＦ４の各々上の１つの面のみが共通の光軸を共有し、他の面は他の光軸を有している。幾つかの実施形態では、これらのレンズはどれも、非回転対称な１つの面と、回転対称な１つの面とを有してもよい。
【０２３５】
他の変形実施形態も可能である。例えば、１つまたは２つ以上のレンズまたは面を、本明細書では回折レンズまたは回折レンズ素子と呼ぶ透過回折光学素子で置き換えることができる。上述のように、回折光学レンズは、レンズの面ならびに面平行プレートまたはシート上に配置された回折部材を有してよい。回折部材は、透過回折光学素子にパワーを与えるように配置することができる。例えば、光パワーを有する透過回折面を第２のレンズＦ３と同様にレンズの一面上に配置するか、あるいは面平行プレートまたはシート上に配置することができる。光パワーを有するこのような透過回光学素子は、設計自由度を高め収差抑制を強化する複数の光軸を有するシステムに用いることができる。例えば、共通の光軸を共有する第２および第３の光学素子Ｆ３、Ｆ４のうちの１つまたは２つ以上（場合によっては各光学素子）を回折光学レンズで置き換えることができる。同様に、残りの光学素子とは異なる光軸を有する単一の光学素子Ｅ２は回折光学レンズを有してよい。
【０２３６】
レンズ素子Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に用いられる形状および材料はそれぞれ異なるものでよい。ほぼ平坦な反射面を有するフォールドミラーを、装置の、例えば第１のレンズ素子Ｆ２とコンバイナ９０８との間に挿入することができる。このような平坦なフォールドミラーは、パワーを有さないが、例えば、結像光学系９０６が頭部のより近くに位置し、かつ頭部装着ディスプレイが頭部により適合した形状を有するように、結像光学系９０６をコンバイナ９０８に対して斜めにかつ異なる位置に位置させるのを可能にする。他のフォールドミラーを他の場所に含めてもよい。他の種類の反射構成部材を装置に含めてもよい。例えば、結像光学系のレンズの他に反射器を含めてもよい。
【０２３７】
レンズ素子の順序は変更してよい。例えば、第１のレンズ素子を最初に配置する必要はなく、他のレンズ同士の間であってよい。この場合、例えば、Ｆ２は、Ｆ３とＦ４との間に位置しても、Ｆ４とＦ５との間に位置しても、あるいはＦ５と画像形成装置との間に位置してもよい。Ｆ３およびＦ４の順序も変更してよい。一実施形態では、結像光学系９０６はコンバイナ９０８と画像形成装置９０２との間に位置し、単一の正のレンズ（例えば、Ｆ２）が画像形成装置の最も近くに位置し、残りのレンズ（例えば、Ｆ３、Ｆ４）がコンバイナの最も近くに位置している。したがって、コンバイナ９０８に最も近いレンズを傾斜および／または偏心させてよい。あるいは、傾斜および／または偏心させる素子を結像光学系９０８内の他の素子の中央のどこかに挿入することができる。この傾斜および／または偏心させる素子は正のパワーを有してもあるいは負のパワーを有してもよい。
【０２３８】
他の光学素子（例えば、反射器、フォールドミラー、楔、フィルタなど）を光学系内の任意の場所およびコンバイナ９０８と画像形成装置９０２との間の光路の任意の場所に挿入することができる。
【０２３９】
コンバイナ９０８は異なるものであってもよい。コンバイナは例えば、ほぼ全体的に反射性を有するものであってよい。さらに、コンバイナ９０８は、軸上コンバイナを有してよい。コンバイナ９０８は、目の瞳を通過する光軸を有する必要はない。コンバイナ９０８は、軸の周りで回転対称である必要はない。アナモフィック非球面または環状面を用いてもよい。コンバイナ９０８の面は、例えば、概ね左右対称なＸＹ多項式によって形成することができる。他の形状および構成も可能である。
【０２４０】
さらに、ある実施形態では、単一のレンズ素子Ｆ２は、図５７に示されているように２枚のレンズのみを有する結像光学系９０８内の他の１つのレンズ素子の光軸とは異なる光軸を有している。結像光学系９０８は、反射器やフォールドミラーのような他の非レンズ型素子を含んでよい。
【０２４１】
さらに、上述のように、残りのレンズＦ３、Ｆ４はどちらも、他とは異なる光軸を有する少なくとも１つの面を有してよい。この光軸は、第１のレンズＦ２の光軸とは異なるものであってよい。
【０２４２】
図示していないが、表示装置９００は、上記に、例えば、光源からの光で照明される空間光変調器を用いる実施形態で説明したようなＶ字形プリズムおよび楔を含んでよい。例えば、上述のような他の照明および表示装置および方法と、本明細書に記載されていないかあるいはまだ開発されていない他の照明および表示装置および方法を用いてよい。
【０２４３】
一般に、広範囲の他の構成も用いてよい。示されたレンズ仕様は例示的なものに過ぎず、限定的なものではない。例えば、光学素子の数、形状、厚さ、材料、位置、および向きを変更することが可能である。ホログラフィックまたは回折光学素子、屈折および／または反射光学素子を様々な構成で用いることができる。他の多数の変形実施形態が可能であり、特定の構成を本明細書に含まれる特定の仕様に限定すべきではない。
【０２４４】
様々な画像形成装置を用いて画像を生成することができる。例えば、ある場合には有機発光ダイオード（ＯＬＥＤＳ）のアレイを用いることができる。この種の画像形成装置は、ＯＬＥＤＳが光を発生させるため放出型である。幾つかの実施形態では空間光変調器を用いることもできる。空間光変調器は別個の光源によって照明することができる。上述のような手法を用いて光源からの光を空間光変調器へ向けることができる。
【０２４５】
様々な好ましい実施形態では、画像形成装置は、画像または記号（例えば、テキスト、数字、文字など）を生成するように別個に活動化させることのできる複数の画素を有している。複数の画素は二次元アレイを構成することができる。この画像形成装置は、結像光学系によって結像される物体領域内に位置させることができる。例えば、画像形成装置の画像は、幾つかの実施形態では有限または無限距離に形成することができ、他の実施形態ではバーチャル画像であってよい。他の構成も可能である。
【０２４６】
照明および結像用の様々な構成および方法を頭部装着ディスプレイやヘルメット装着ディスプレイなどのディスプレイに関連して示したが、このような技術を用いるとヘッドアップディスプレイのような他のディスプレイや非表示用途にも有利である。この技術を組み込むことのできる装置の例には、プロジェクタ、フラットパネルディスプレイ、逆投影ＴＶ、コンピュータ画面、携帯電話、ＧＰＳシステム、電子ゲーム、パームトップ、パーソナルアシスタントなどが含まれる。この技術は、航空、自動車、航海計器および構成部材、科学装置および機器、ならびに軍事および製造機器および機械に特に有用である場合がある。公知のものとこれから開発されるものとの両方を含む、ホームエレクトロニクスおよび電気器具から、商業および産業ツール用のインタフェース、ならびに医療装置および計器や、他の電子および光学ディスプレイおよびシステムまでの範囲である。例えば、製造などの産業における他の用途、例えば、部品検査や品質管理も可能である。用途は本明細書に記載されたものに限定すべきではない。他の用途も可能である。
【０２４７】
同様に、本明細書に記載された構成以外の構成も可能である。構造、装置、システム、および方法は、他の構成部材、部材、およびステップを含んでよく、これらの構成部材、部材、およびステップのうちのどれでも除外することができ、それらを他の構成部材、部材、およびステップと交換してもしなくてもよい。各構成は異なるものであってもよい。
【０２４８】
さらに、本発明の様々な実施形態を上記に説明した。本発明はこれらの特定の実施形態を参照して説明したが、この説明は本発明を例示するものであり、限定するものではない。当業者には、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の真の要旨および範囲から逸脱せずに様々な修正実施形態および用途が考えられよう。
【０２４９】
【表１】
2008511874.tif 000003
【０２５０】
【表２】
2008511874.tif 000004
【０２５１】
【表３】
2008511874.tif 000005
【０２５２】
【表４】
2008511874.tif 000006
【０２５３】
【表５】
2008511874.tif 000007
【０２５４】
【表６】
2008511874.tif 000008
【０２５５】
【表７】
2008511874.tif 000009
【０２５６】
【表８】
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【０２５７】
【表９】
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【０２５８】
【表１０】
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【０２５９】
【表１１】
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【０２６０】
【表１２】
2008511874.tif 000014
【図面の簡単な説明】
【０２６１】
【図１】空間光変調器の前方に配置され、光線を空間光変調器に向けて空間光変調器を照明するビームスプリッタを有する表示装置の模式図である。
【図２】図１に模式的に示されている光学装置と同様の光学装置を有する投射システムの斜視図である。
【図３】空間光変調器を照明する「Ｖ字形」プリズムを有する好ましい表示装置の模式図である。
【図４】空間光変調器を照明する一対の光源間に配置された図３に示されているような「Ｖ字形」プリズムを有する背面投射ＴＶ用の光学系の斜視図である。
【図５】光が光伝播伝達路を介してプリズムに結合される、ディスプレイを照明する一対の反射面を有するプリズム装置の斜視図である。
【図６】４本の一体型ロッドから光を受け取る４つの入力ポートと、４つの入力ポートを通して入力された光を反射する４つの反射面とを有するプリズム素子の斜視図である。
【図７】光を受け取る４つの入力ポートと、入力ポートに入力された偏光を反射するワイヤグリッド偏光子を有する４つの反射面とを有する他のプリズム構造の斜視図である。
【図８Ａ】線８Ａ−８Ａに沿った、図７に示されているプリズム構造の断面図である。
【図８Ｂ】プリズム構造の４つのポートに入力された偏光を反射する４つの三角形面およびワイヤグリッド偏光子を示す、図７および８Ａに示されているプリズム構造の上面図である。
【図９Ａ】光を受け取る複数の入力ポートと、入力ポートに入力された偏光を反射する反射面とを有する他のプリズム構造の斜視図である。
【図９Ｂ】線９Ｂ−９Ｂに沿った、図９Ａに示されているプリズム構造の断面図である。
【図９Ｃ】光を受け取る複数の入力ポートと、入力ポートに入力された偏光を反射する反射面とを有する他のプリズム構造の斜視図である。
【図９Ｄ】線９Ｄ−９Ｄに沿った、図９Ｄに示されているプリズム構造の断面図である。
【図１０】複数の光源をさらに有する「Ｖ字形」プリズムと、２つの入力ポートのそれぞれのビーム整形光学系および拡散体とを有する照明システムの模式図である。
【図１１】図１０に示されているプリズムなどの照明装置の一対の入力ポートに光を当てるように分割された光ファイバ束の模式図である。
【図１２】空間光変調器のある部分に入射した、ガウス分布を有する照明の模式図である。
【図１３】空間光変調器のある部分に入射した、ガウス分布を有する照明の模式図である。
【図１４】ガウス分布を示す位置（Ｙ）および照明の軸上のグラフである。
【図１５】「Ｖ字形」プリズムのそれぞれの反射面から反射された光によって照明された空間光変調器の２つの部分を横切る照度分布の模式図である。
【図１６】「Ｖ字形」プリズムの空間光変調器のある部分に入射し、中央ピークが空間光変調器のその部分に対してずれている照明の模式図である。
【図１７】「Ｖ字形」プリズムの空間光変調器のある部分に入射し、中央ピークが空間光変調器のその部分に対してずれている照明の模式図である。
【図１８】空間光変調器のある部分に入射した「フラットトップ」分布を有する照明の模式図である。
【図１９】「トップハット」分布を示す位置（Ｙ）および照明の軸上のグラフである。
【図２０】光を円錐状の角度に散乱させる拡散体の概略断面図である。
【図２１】様々な種類の拡散体によって与えることのできるそれぞれの異なる角度強度分布を示す角度θおよび強度の軸上のグラフである。
【図２２】Ｖプリズムによって生じる視野の中心の所のストライプの形をした非一様性を示すディスプレイの視野の模式図である。
【図２３】図２２に示されているストライプ状の視野非一様性を生じさせるＶ字形プリズムの反射面の有限の厚さを模式的に示すＶ字形プリズムの断面図である。
【図２４】エアギャップによって間隔を置いて配置された複数のストリップを有するワイヤグリッド偏光子の断面図である。
【図２５】ストリップ同士の間ににかわが充填された複数のストリップを有するワイヤグリッド偏光子の断面図である。
【図２６】複数のストリップとストリップ上に形成されたＭｇＦオーバコートとを有するワイヤグリッド偏光子の断面図である。
【図２７Ａ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｂ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｃ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｄ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｅ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｆ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２７Ｇ】一対のワイヤグリッド偏光ビームスピリッティング面を有するＶ字形プリズムを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２８】「Ｖ字形」プリズムと空間光変調器との間に配置された、非点収差およびコマ収差を修正する楔形光学素子の断面図である。
【図２９】非点収差およびコマ収差の修正を含む楔形を有する「Ｖ字形」プリズムの断面図である。
【図３０】様々な種類の拡散体と組み合わせて用いられる楔形プリズム用の空間光変調器上の位置（Ｙ）対照明の軸上のグラフである。
【図３１】楔形「Ｖ字形」プリズムから得られる空間光変調器を横切る照度分布のグラフである。
【図３２】空間光変調器上で受け取られる面積当たり光束が狭い範囲内の値であることを示す、面積当たり光束（ルックス単位）のヒストグラムである。
【図３３】図２８に示されているようなエアギャップによって、「Ｖ字形」プリズムと「Ｖ字形」プリズムから分離された楔部との組合せから得られる空間光変調器を横切る照度分布のグラフである。
【図３４】空間光変調器上で受け取られる面積当たり光束が狭い範囲内の値であることを示す、面積当たり光束（ルックス単位）のヒストグラムである。
【図３５】Ｖ字形プリズムとＸ字形立方体との模式図である。
【図３６】Ｖ字形プリズムとフィリップスプリズムとの模式図である。
【図３７】コンパクトなパッケージングを容易にする小さい寸法を有する構成の模式図である。
【図３８】空間光変調器の所の照明を一定にする構成の模式図である。
【図３９】空間光変調器を横切る段階的な照明を示す図である。
【図４０】空間光変調器を横切る照明が一方の側から別の側に強くなることを示す、照明対位置（Ｙ）の軸上のグラフである。
【図４１】拡散体上の様々な位置でそれぞれの異なる量の光を散乱させる拡散体の断面図である。
【図４２】様々な照度値（Ｉ1、Ｉ2、およびＩ3）に対応するそれぞれの異なるレベルの光束を受け取り、拡散体上の３つの位置での照明（Ｌ1、Ｌ2、およびＬ3）がほぼ一定になるようにそれぞれの異なる大きさのコーン角度（(1、(2、および(3）に光を散乱させる拡散体上の３つの位置を示す図である。
【図４３】一方の側から別の側までほぼ一定である、空間光変調器を横切る輝度のグラフである。
【図４４】空間光変調器上で受け取られる立体角当たり面積当たり光束がほぼ同様であることを示す立体角当たり面積当たり光束（ニト単位）のヒストグラムである。
【図４５】ライトボックス、およびライトボックスに光学的に連結され、ライトボックスからの光を結合する複数の複合放物型集光器を模式的に示す断面図である。
【図４６】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図４７】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図４８】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図４９】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５０】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５１】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５２】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５３】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５４】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５５】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５６】頭部装着ディスプレイなどのディスプレイの模式図である。
【図５７】コンバイナと一対のプラスチックレンズとを有する簡略化された頭部装着ディスプレイの模式図である。
【図５８】コンバイナと、傾斜しおよび／または偏心した正レンズと組み合わされた複数のレンズを有する結像光学系とを有する小形頭部装着ディスプレイの模式図である。
【図５９】コンバイナと、傾斜しおよび／または偏心した正レンズと組み合わされた複数のレンズを有する結像光学系とを有する小形頭部装着ディスプレイの模式図である。
【図１】
2008511874.tif 000015
【図２】
2008511874.tif 000016
【図３】
2008511874.tif 000017
【図４】
2008511874.tif 000018
【図５】
2008511874.tif 000019
【図６】
2008511874.tif 000020
【図７】
2008511874.tif 000021
【図８Ａ】
2008511874.tif 000022
【図８Ｂ】
2008511874.tif 000023
【図９Ａ】
2008511874.tif 000024
【図９Ｂ】
2008511874.tif 000025
【図９Ｃ】
2008511874.tif 000026
【図９Ｄ】
2008511874.tif 000027
【図１０】
2008511874.tif 000028
【図１１】
2008511874.tif 000029
【図１２】
2008511874.tif 000030
【図１３】
2008511874.tif 000031
【図１５】
2008511874.tif 000032
【図１６】
2008511874.tif 000033
【図１７】
2008511874.tif 000034
【図１８】
2008511874.tif 000035
【図２０】
2008511874.tif 000036
【図２２】
2008511874.tif 000037
【図２３】
2008511874.tif 000038
【図２４】
2008511874.tif 000039
【図２５】
2008511874.tif 000040
【図２６】
2008511874.tif 000041
【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
2008511874.tif 000043
【図２７Ｃ】
2008511874.tif 000044
【図２７Ｄ】
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【図２７Ｅ】
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【図２７Ｆ】
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【図２７Ｇ】
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【図２８】
2008511874.tif 000049
【図２９】
2008511874.tif 000050
【図３１】
2008511874.tif 000051
【図３３】
2008511874.tif 000052
【図３５】
2008511874.tif 000053
【図３６】
2008511874.tif 000054
【図３７】
2008511874.tif 000055
【図３９】
2008511874.tif 000056
【図４１】
2008511874.tif 000057
【図４２】
2008511874.tif 000058
【図４３】
2008511874.tif 000059
【図４５】
2008511874.tif 000060
【図４６】
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【図４７】
2008511874.tif 000062
【図４８】
2008511874.tif 000063
【図４９】
2008511874.tif 000064
【図５０】
2008511874.tif 000065
【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
2008511874.tif 000068
【図５４】
2008511874.tif 000069
【図５５】
2008511874.tif 000070
【図５６】
2008511874.tif 000071
【図５７】
2008511874.tif 000072
【図５８】
2008511874.tif 000073
【図５９】
2008511874.tif 000074
【図１４】
2008511874.tif 000075
【図１９】
2008511874.tif 000076
【図２１】
2008511874.tif 000077
【図３０】
2008511874.tif 000078
【図３２】
2008511874.tif 000079
【図３４】
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【図３８】
2008511874.tif 000081
【図４０】
2008511874.tif 000082
【図４４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月4日(2007.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する、前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。
【請求項２】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して偏心している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して傾斜している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の光軸は前記第２の光軸に対して傾斜し偏心している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コンバイナは、前記第１の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コンバイナは、前記第２の光軸と同じ第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記コンバイナは、前記第１および第２の光軸とは異なる第３の光軸を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
結像光学系は、前記光路内に少なくとも１つの反射光学素子をさらに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記反射光学素子はフォールドミラーを有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは回折レンズ素子を有し、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記回折レンズ素子は、前記第１の光軸に一致する光軸を有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記レンズ群内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さず、前記回折レンズ素子は、光パワーを有する透過光学素子である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも回折レンズ素子を有さない、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記光路内の前記レンズ素子はどれも、ほぼ平面状の前面および裏面を有する回折レンズ素子を有さない、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、各軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記各軸は前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記レンズ群内の前記レンズ素子のうちの前記少なくとも１つは、１本の軸が前記第１の光軸同一直線上にあり、１本の軸が第１の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記レンズ群内の前記レンズ素子は、各非球面レンズ素子が、前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を形成する非球面を有する、複数の非球面レンズ素子を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記単一のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する形状を有する前面および裏面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記単一のレンズ素子は、各軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。
【請求項２７】
光路を形成する結像光学系であって、
第１の光軸を有する前記光路内の単一の第１のレンズ素子と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する前記光路内の単一の第２のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一の第２のレンズ素子は、正の光パワーを有し、かつ前記単一の第２のレンズ素子は、前記第１のレンズ素子と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、頭部装着ディスプレイ用の装置。
【請求項２８】
前記単一の第１のレンズ素子は、前記少なくとも１つのレンズの光軸を形成する非球面を有する、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記単一の第１のレンズ素子は、軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有し、前記軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記非球面によって形成される前記光軸は前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の単一のレンズ素子は、１本の軸が前記第１の光軸と同一直線上にあり、１本の軸が前記第１の軸と同一直線上にない軸を形成する非球面を有する前面および裏面を有する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記単一のレンズ素子は、少なくとも１つの非球面を有し、前記非球面軸は光軸を形成する、請求項２７に記載の装置。
【請求項３４】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にない、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記非球面によって形成される前記光軸は、前記第１の光軸と同一直線上にある、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記単一のレンズ素子は、それぞれの異なる光軸を形成する非球面形状を有する前面および裏面を有する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３７】
前記単一のレンズ素子は、軸を形成する形状を有する前面および裏面を有し、前記軸同士が一致する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３８】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
第１の光軸を有する前記光路内の第１の単一のレンズ素子と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外しコンバイナと、
前記画像形成、結像光学系、およびコンバイナを支持するヘッドギアと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子が、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する頭部装着表示装置。
【請求項３９】
前記単一の第２のレンズ素子は、前記画像形成装置と前記単一の第１のレンズ素子との間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成し、少なくともレンズまたは他の種類の光学素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された前記光路内の軸外し反射器と、
を有し、
前記画像形成装置と前記軸外し反射器との間の前記光路内に２枚以下のレンズが含まれる、画像を表示する光学系。
【請求項４１】
少なくともレンズまたは他の種類の光学素子を有し、光路を形成する結像光学系と、
非球面コンバイナを有する前記光路内の反射コンバイナと、
前記結像光学系および前記コンバイナが固定された支持構造と、
を有し、
２つの非球面屈折光学面を有するレンズのみが前記光路内に存在する、画像を形成する装置。
【請求項４２】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成する光学系であって、互いに対して傾斜しかつ偏心している第１および第２の軸の周りで回転対称的な第１および第２の形状を有する第１および第２の面を有する少なくとも１枚の非回転対称レンズを有する光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成されたコンバイナと、
を有する、画像を表示する光学系。
【請求項４３】
空間パターンを生成するように選択的に調整可能な複数の画素を有する画像形成装置と、
前記画像形成装置に対して配置され、前記複数の画素から光を受け取ってその画像を形成し、前記画像形成装置と一緒に光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有し、正の光パワーを有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記画像を表示できるように前記結像光学系からの光を反射するように構成された、前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記結像光学系内の前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記画像形成装置と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する光学系。
【請求項４４】
光路を形成する結像光学系であって、
前記光路内に複数のレンズ素子を有し、第１の光軸を有し、前記複数のレンズの各々が前記第１の光軸と同一直線上にある光軸を有するレンズ群と、
前記第１の光軸とは異なる第２の光軸を有する前記光路内の単一のレンズ素子と、
を有する結像光学系と、
前記光路内の軸外しコンバイナと、
を有し、
前記単一のレンズ素子は正の光パワーを有し、かつ前記単一のレンズ素子は、前記第２の光軸と同一直線上にある光軸を有する、前記レンズ群と前記コンバイナとの間の前記光路内の唯一のレンズ素子である、画像を表示する装置。