(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイからの光を結像する光学結像装置（１００）であって、
光の入射側に配置され、第１方向の直線偏光を透過する第１の直線偏光フィルタ（１０１）と、
前記第１の直線偏光フィルタ（１０１）を通過した光を受け取り、第１回転方向の円偏光に変換する第１の１／４波長板（１０２）と、
光の入射側から出射側に沿って配列された第１のビームスプリッタ（１０３）および第２の１／４波長板（１０４）および第２のビームスプリッタ（１０５）とを有する折り返し結像装置であって、前記第１のビームスプリッタ（１０３）は前記第１の１／４波長板（１０２）からの光を前記第２の１／４波長板（１０４）へと透過し、且つ前記第２の１／４波長板（１０４）からの第１回転方向の円偏光を反射して、前記第１回転方向とは反対の第２回転方向の円偏光を生成し、前記第１の１／４波長板（１０２）が、その複屈折軸が前記第２の１／４波長板（１０４）の複屈折軸と直交しており、前記第２のビームスプリッタ（１０５）は前記第１方向の直線偏光を反射すると共に、前記第１方向と直交する第２方向の直線偏光を透過する、折り返し結像装置と、
前記折り返し結像装置からの光を受け取り、前記第２方向の直線偏光を透過して出射する第２の直線偏光フィルタ（１０６）とを備える、光学結像装置。
【請求項２】
ディスプレイからの光を結像する光学結像装置（２００）であって、
光の入射側に配置され、第１方向の直線偏光を透過する第１の直線偏光フィルタ（２０１）と、
光の入射側から出射側に沿って配列された第１のビームスプリッタ（２０３）および第１の１／４波長板（２０４）および第２のビームスプリッタ（２０５）とを有する折り返し結像装置であって、前記第１のビームスプリッタ（２０３）は前記第１の直線偏光フィルタ（２０１）からの光を前記第１の１／４波長板（２０４）へと透過し、且つ前記第１の１／４波長板（２０４）からの、前記第１方向と直交する第２方向の直線偏光を反射し、前記第２のビームスプリッタ（２０５）は、前記第１の１／４波長板（２０４）からの第１回転方向の円偏光を反射して前記第１回転方向とは反対の第２回転方向の円偏光を生成し、且つ前記第１の１／４波長板（２０４）からの前記第２回転方向の円偏光を透過する、折り返し結像装置と、
前記折り返し結像装からの光を受け取る第２の１／４波長板（２０２）と、
前記第２の１／４波長板（２０２）からの光を受け取り、前記第２方向の直線偏光を透過して出射する第２の直線偏光フィルタ（２０６）とを備え、
前記第１の１／４波長板（１０２）が、その複屈折軸が前記第２の１／４波長板（１０４）の複屈折軸と直交している、光学結像装置。
【請求項３】
前記第１のビームスプリッタ（１０３、２０３）が、偏光に依存する部分反射曲面を備え、前記第２のビームスプリッタ（１０５、２０５）が、偏光に依存する部分反射平坦面を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学結像装置（１００、２００）。
【請求項４】
前記曲面が球面であることを特徴とする、請求項３に記載の光学結像装置（１００、２００）。
【請求項５】
前記第１および第２の１／４波長板（１０２、１０４：２０２、２０４）が、同一の複屈折材料からなる層を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学結像装置（１００、２００）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイを目視するための光学システムに関し、特に、折り返した光路を利用してディスプレイと目視者の距離を最小にする光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下の説明を簡略にするために、ヘッドマウントコンピュータディスプレイにおいて使用されるディスプレイについて本発明を説明していくが、以下の説明から、本発明を他のタイプのディスプレイに適用可能であることが当業者にとって明らかであろう。ヘッドマウントコンピュータディスプレイは、コンピュータまたは他のイメージソースにより作成される像を目視するためにユーザが着用する「眼鏡」とみなすことができる。片目で見る像が、二次元のピクセルアレイを有するディスプレイ画面上に生成される。
【０００３】
目視者の顔から伸ばしたディスプレイの部分を最小にするべく、ディスプレイと目視者の目の距離を最小にすることが好ましい。大型の懸架ディスプレイは、着用するには不快である。さらに、反射材(reflector)を基にした光学システムは、かかるシステムがレンズを基にするシステムよりはるかに低コストで光学結像を高品質に提供するため、好ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディスプレイと目との距離を短くしたものに、反射光学部品を組み合わせた従来のシステムは、当該技術において周知である。これらのシステムは、部分反射光学表面を利用して光路を折り返し、目視者の目からディスプレイまでの距離を最小にするよう構成したものが典型である。かかるシステムが米国特許第５，６４４，４３６号に記載されている。上記のシステムを動作させるためには、ディスプレイが発光した直接光を遮蔽しなければならない。従来のシステムでは、典型として、偏光フィルタおよび１／４波長板を用いることで直接光が目に届かないようにしていた。残念ながら、１／４波長板は、特定の波長に対して精確に９０度で光の偏光ベクトルを回転させるにすぎない。設計波長と異なる波長を有する光は、９０度を僅かに上回るか、あるいは９０度を僅かに下回って回転する。このため、これらの従来のシステムは、ディスプレイから直接やってくる光をすべて遮蔽するわけではなく、目視者には、「ゴースト」イメージが見えていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
広義において本発明は、反射光学結像素子を基にした改良型折り返し光学システムを提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、本発明は、結像されているディスプレイからの光が、光の波長に関わらず直接目視者の目に届かないようにした光学システムを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明のこれらおよび他の目的は、本発明の以下の詳細な説明および添付図面から当業者にとって明らかとなろう。
【０００８】
本発明は、ディスプレイからの光を結像する光学コリメート組立体である。該光学組立体は、第１および第２の各直線偏光フィルタを含み、その偏光方向が互いに直角となっている。第１のビームスプリッタと、第１の１／４波長板と、第２のビームスプリッタとを含む折り返し結像装置は、上記の偏光フィルタ間に配置される。偏光フィルタ間には、第２の１／４波長板も配置されている。第１の１／４波長板は、その複屈折軸が第２の１／４波長板の複屈折軸と直交する。本発明の好ましい実施形態において、１／４波長板は、同一の複屈折材から構成される。反射材（ビームスプリッタ）の一方は、反射率がそのビームスプリッタに当たる光の直線偏光の方向に依存する材料から構成されることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
典型的な従来の折り返し光学装置２０のブロック図である図１を参照することで、本発明がその利点を獲得する態様をより容易に理解し得る。光学装置２０は、結像素子として球面ビームスプリッタ２２を用いて、ディスプレイ１２からの光を目視者１４の目の中に結像する。ディスプレイ１２から目視者１４に直接進む光は遮蔽されることが理想である。光学装置２０は、ディスプレイ１２と目視者１４との間に偏光面が平行な２つの偏光フィルタ２１および２６を配置し、これらの間で通過する光の偏光面を９０度回転させることによって、ディスプレイ１２から直接進む光が目視者１４に届かないようにする。光学装置２０は、偏光面が平行な偏光フィルタ２１および２６と、２枚の１／４波長板２３および２５と、ビームスプリッタ２４とで構成される。２枚の１／４波長板２３および２５は、偏光フィルタ２１および２６間に配置される。１／４波長板２３と２５の間には、ビームスプリッタ２４が配置されている。２枚の１／４波長板２３および２５は、偏光フィルタ２１から直接やってくる光の偏光を９０度回転させることで該光を偏光フィルタ２６で遮蔽するような１／２波長板として一元的に作用する。このため、ディスプレイ１２から直接進む光は、目視者１４に届くことがなくなる。
【００１０】
光学装置２０を適切に動作させるためには、球面ビームスプリッタ２２によりコリメートされる光は、ディスプレイ１２から目視者１４に直接進む光が受けるような偏光面の９０度回転を受けてはならない。光学装置２０では、円偏光が反射の際にその偏光方向を変えるという性質を利用している。ビームスプリッタ２２によりコリメートされた光は、１／４波長板２３を通過し、円偏光となって該１／４波長板２３を出る。この円偏光の回転方向が右方向であるとすると、この光は、ビームスプリッタ２４において反射するとその円偏光の回転方向は左方向に変化する。再び１／４波長板２３を通過すると、光は直線偏光になるが、偏光方向は、偏光フィルタ２１により加えられた偏光方向に対して９０度だけ回転する。この光が球面ビームスプリッタ２２により反射される時は、その偏光方向は変わらない。この光が１／４波長板２３をもう一度通過すると、このときその偏光は左方向の円偏光に変換されている。この円偏光の回転方向は、右方向であるディスプレイ１２から直接やってくる円偏光の回転方向と違って左方向なので、１／４波長板２５は、この光を直線偏光に変換する。しかしながら、この直線偏光の偏光方向は、ディスプレイ１２から直接やってくる光の偏光方向により受ける９０度の回転を受けていない。したがって、この光は、偏光フィルタ２６を通過する。
【００１１】
反射せずにディスプレイ１２から直接進む光は、両方の１／４波長板を通過する。これらの１／４波長板は、理想的状態であれば１／２波長板として作用し、光の偏光方向は９０°だけ回転する。１／４波長板は、複屈折材であって、その厚みは、高速偏光と低速偏光との間にπ／２の位相遅れをもたせるように選定される。光源の偏光軸が波長板の低速および高速軸間で４５°に合わされると、左方向の円偏光が出現する。その角度が−４５°の場合、出力は右方向の円偏光となる。以下の説明を簡略にするために、高速軸の方位を画定する軸は、いずれも「複屈折軸」と称する。
【００１２】
なお、１／４波長板の厚みは、スペクトルの光成分おけるある特定の波長に対してのみ正確に選定され得ることに留意されたい。他の波長においては、低速成分の遅れの程度に僅かな誤差が生じる。この誤差は、偏光フィルタ間をディスプレイ１２から目視者１４に直接進む光の偏光に変化をもたらす。偏光フィルタは、その間の偏光に正確に９０°の回転がある場合にのみ光を完全に遮蔽するので、ディスプレイ１２を出る僅かな光が目視者に届くことになる。この結果、目視者には、強度がばらついたゴーストイメージがカラーで見えてしまう。
【００１３】
本発明は、従来のシステムが持つゴースト発生の問題を、第２の１／４波長板の作用が第１の１／４波長板の作用と逆であるような１／４波長板の配置を用いることで回避する。たとえば、第１の１／４波長板が光信号の２つの偏光成分間にπ／２の遅れを与えるものとすると、第２の１／４波長板は、これらの成分の間に−π／２の遅れを与えるものにする。これは、第１の１／４波長板の複屈折軸を第２の１／４波長板の複屈折軸に対して９０°だけ回転させるようにしてこれらの１／４波長板を整列させることで達成される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、１／４波長板は同一材料から構成される。設計波長と異なる波長、すなわち、位相遅れが正確にπ／２である波長の光を想定する。第１の１／４波長板がπ／２を下回る遅れを与えると、同様に第２の１／４波長板は、相殺する同一量の遅れを与える。したがって、２枚の１／４波長板を通過する光の偏光は、これら波長板によって与えられる実際の遅れに関わらず変化しないままとなる。
【００１５】
次に図２を参照すると、本発明に係る、ディスプレイ１２からの光をコリメートする折り返し光学装置１００の断面図が描かれている。本説明の目的のため、ディスプレイ１２を出た光は偏光されていないものとする。したがって、ディスプレイ１２を出た光は、２個の直線偏光を有する光源から発するものとして見え、一方の偏光の発生源を図中「Ｓ」で示し、もう一方の偏光の発生源を「Ｐ」で示す（ここで、ＰはＳと直交する）。偏光Ｐを除去するために第１の偏光フィルタ１０１が配置され、偏光Ｓを通す。この光を第１の１／４波長板１０２が右方向の円偏光に変換し、図中これを「Ｒ」で示す。この光は、球面ビームスプリッタ１０３および第２の１／４波長板１０４を通過する。波長板１０４は、右方向の円偏光を変換して、偏光Ｓと同方向の直線偏光に戻す。この光は、平坦ビームスプリッタ１０５に当たり、光の一部を反射して球面ビームスプリッタ１０３方向に戻る。
【００１６】
反射せずに透過した光１１１は、偏光Ｓと同方向の直線偏光を遮蔽するように設けられた偏光フィルタ１０６に当たる。これが、ディスプレイから直接やってくる光である。上記のように、波長板１０４は、その作用が波長板１０２の作用と逆になるように配向される。したがって、ディスプレイからの光はすべて、光の波長に関わらず遮蔽される。
【００１７】
ビームスプリッタ１０５により反射される光は、１／４波長板１０４を通って戻り、再び右方向の円偏光に変換される。この光は、球面ビームスプリッタ１０３により反射される。反射後、この円偏光は、その偏光方向が逆になる。このため、球面ビームスプリッタ１０３を出た光は、左方向の円偏光となり、図中「Ｌ」で示される。この光は、１／４波長板１０４を通過して変換され、直線偏光する光に戻る。しかし、偏光方向は、この場合Ｐである。この光には、不完全な１／４波長板の複合効果により多少のＳ偏光が加わるが、これは、スループットをごく僅かに低下させるだけである。この光の半分は、ビームスプリッタ１０５を通過し、Ｐ方向の偏光を有する光を進めるように設定された偏光フィルタ１０６を介して本装置を出る。
【００１８】
もう一方の光の半分は、再び球面ビームスプリッタ１０３から反射されるが、この光はＳ偏光となって戻ってくるため、ビームスプリッタ１０５における次の反射を逃れて透過する光があっても、いずれもフィルタ１０６によって遮蔽される。したがって、ビームスプリッタ１０５を通過せずに反射して戻るＰ偏光のうち、球面ビームスプリッタ１０３から２度の反射を受けた分のみが偏光フィルタ１０６から外へ逃れることができる。ビームスプリッタ１０５からの各反射は、光強度を半減させる。加えて、球面ビームスプリッタ１０３から反射された光はもはや、観察する目視者へコリメートされない。したがって、球面ビームスプリッタ１０３からの最初の反射の後に逃れなかった光は、強度が１６倍も減少し、焦点がずれる。この背景は、十分に拡散されて、強度が減少するので、ディスプレイ１２を見る人を満足させる。
【００１９】
次に図３を参照すると、本発明に係る、折り返し光学装置の別の一実施形態の断面図が描かれている。以下の説明を簡略にするために、図２に示す要素と同一の機能を果たす装置２００の要素に、図２において用いられたものと１００だけ違う数字を付した。光学装置２００は、２つのビームスプリッタの間に置かれた１／４波長板の作用を補償するもう一つの１／４波長板の配置が、図２に示す光学装置１００と異なる。装置１００において、補償用１／４波長板１０２は、２つのビームスプリッタの前方に配置されていた。装置２００では、補償用１／４波長板である１／４波長板２０２は、２つのビームスプリッタの後方に配置される。ここで再び、１／４波長板は、該波長板の低速光学軸が互いに直交するように配列される。
【００２０】
本発明の上述の実施形態では、球面ビームスプリッタおよび平坦ビームスプリッタを用いて、その間に１／４波長板を挟んで配置している。しかしながら、ディスプレイからの光を結像する２個のビームスプリッタの構成であれば、いずれの構成も利用し得ることは、当業者であれば先行の説明から自明であろう。本発明の好ましい実施形態では、これらの反射材の生成が容易であることから、平坦および球面ビームスプリッタを使用している。
【００２１】
本発明の上述の実施形態では、ビームスプリッタを構成するのに、部分反射表面を用いている。半鍍銀を用いると、各反射ごとに光の半分が損失される。これでは、ディスプレイの明るさが実質的に減少してしまう。この光の損失を、反射率が入射する光の偏光に依存する部分反射表面を用いることにより、実質的に軽減することが可能である。本発明の結像装置は、２つの反射材を該２つの反射材の間に配置した１／４波長板と組み合わせることによるものである。反射材の一方は円偏光を反射し、他方の反射材は直線偏光を反射する。たとえば、光学装置１００において、反射材（ビームスプリッタ）１０５は直線偏光を反射し、反射材（球面ビームスプリッタ）１０３は円偏光を反射する。光学装置２００において、反射材（平坦ビームスプリッタ）２０５は円偏光を反射し、反射材（球面ビームスプリッタ）２０３は直線偏光を反射する。
【００２２】
直線偏光する光を反射する反射材が、一方の直線偏光を反射しかつ他方の直線偏光を透過する材料から構成されている場合、目視者に達する光の強度は４倍になる。たとえば、装置１００において、反射材（平坦ビームスプリッタ）１０５は、一方の直線偏光を反射して、これと直交する他方の直線偏光を透過するような材料から構成される。かかる材料は、当該技術において周知である。かかる材料は、たとえば、３ＭがDUAL BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM（DBEF）の商標名で販売している。本発明の好ましい実施形態において、反射材（平坦ビームスプリッタ）１０５は、Ｓ偏光を反射し、かつＰ偏光を透過するように構成されている。したがって、反射材１０５に当たる光はすべて、反射材（球面ビームスプリッタ）１０３の方向に反射する。反射材１０３に当たる光の半分は反射して、目視者に戻る。この光は、反射材１０３により反射した光すべてが反射材１０５に達したときにＰ偏光されることになるため、すべて目視者に届く。
【００２３】
本発明の上述の実施形態では、平坦および球面ビームスプリッタをともに用いていた。しかしながら、本発明の教示から逸脱しない限り他のジオメトリを用いることも可能である。たとえば、両方のビームスプリッタを湾曲させてもよく、その湾曲したものは必ずしも球面である必要はない。
【００２４】
上述した説明および添付図面から、当業者にとって本発明の様々な変形例が明らかとなろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によりのみ限定されるものである。
【００２５】
〔実施態様〕
なお、本発明の実施態様の例を以下に示す。
【００２６】
〔実施態様１〕ディスプレイからの光を結像する光学結像装置（１００、２００）であって、
第１方向の偏光を透過する第１の直線偏光フィルタ（１０１、２０１）と、
前記第１方向と直交する第２方向の偏光を透過する第２の直線偏光フィルタ（１０６、２０６）と、
第１のビームスプリッタ（１０５、２０５）および第１の１／４波長板（１０４、２０４）および第２のビームスプリッタ（１０３、２０３）とを有する折り返し結像装置と、
第２の１／４波長板（１０２、２０２）と
を備え、前記折り返し結像装置および前記第２の１／４波長板（１０２、２０２）は、前記第１および第２の各直線偏光フィルタの間に配置され、かつ前記第１の１／４波長板（１０４、２０４）は、その複屈折軸が前記第２の１／４波長板（１０２、２０２）の複屈折軸と直交することを特徴とする光学結像装置。
〔実施態様２〕前記第１および第２のビームスプリッタの一方は、反射率が前記ビームスプリッタに当たる光の直線偏光の方向に依存する材料から構成されることを特徴とする、実施態様１記載の光学結像装置（１００、２００）。
〔実施態様３〕前記第１のビームスプリッタ（１０５、２０５）は、部分反射平坦面を備え、前記第２のビームスプリッタ（１０３、２０３）は、部分反射曲面を備えることを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の光学結像装置（１００、２００）。
〔実施態様４〕前記曲面は球面であることを特徴とする、実施態様３記載の光学結像装置（１００、２００）。
〔実施態様５〕前記第１および第２の１／４波長板は、同一の複屈折材料からなる層を備えることを特徴とする、実施態様１乃至実施態様４のいずれか一項に記載の光学結像装置（１００、２００）。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の折り返し光学結像装置の断面図である。
【図２】本発明に係る折り返し光学結像装置の一実施形態の断面図である。
【図３】本発明に係る折り返し光学結像装置の代替実施形態の断面図である。
【符号の説明】
１００：光学結像装置
１０１：第１の直線偏光フィルタ
１０２：第２の１／４波長板
１０３：第２のビームスプリッタ
１０４：第１の１／４波長板
１０５：第１のビームスプリッタ
１０６：第２の直線偏光フィルタ
２００：光学結像装置
２０１：第１の直線偏光フィルタ
２０２：第２の１／４波長板
２０３：第２のビームスプリッタ
２０４：第１の１／４波長板
２０５：第１のビームスプリッタ
２０６：第２の直線偏光フィルタ
【図１】
0004408159.tif 000002
【図２】
0004408159.tif 000003
【図３】
0004408159.tif 000004