(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、前記軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式ディスプレイと、
該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、
前記反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、
反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大された虚像を提供する撮像光学システムとを具備するディスプレイシステム。
【請求項２】
光が第一の偏光を有するように且つ光が前記ビームスプリッタ面によって反射式ディスプレイへと反射せしめられるように光源からの光を偏光させるための照明偏光子をさらに具備する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
前記ビームスプリッタ面は第一の偏光を有する光を反射させ且つ第二の偏光を有する光を通過させる偏光反射器を備える請求項２に記載のディスプレイシステム。
【請求項４】
前記反射式ディスプレイは、第一の偏光の光を第二の偏光の光に変えるように、反射式ディスプレイに入って反射式ディスプレイから出る光の偏光を変える請求項３に記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
前記プリズムは前記第一面から前記ビームスプリッタ面へと光を反射させるのに内部全反射を用いる請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
前記ビームスプリッタ面はプリズムの表面であり且つ前記第一面から反射式ディスプレイに光を反射させるのに内部全反射を用いる請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項７】
前記光学システムは屈折矯正するために前記第一のプリズムに近接して配置された第二のプリズムを有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項８】
マイクロディスプレイである反射式ディスプレイのための２８°以上の視野を有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項９】
対角線が１２．７ｍｍで鉛直対水平の縦横比が３／４である領域とほぼ同一かまたはそれより小さいディスプレイ表面領域を有する反射式ディスプレイのための２８°以上の視野を有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１０】
マイクロディスプレイである反射式ディスプレイのための３８°とほぼ同一かまたはそれ以上の視野を有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記光源は小型カラーディスプレイを提供するために複数の色の光発生器を有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記光学システムは色矯正用の回折面を備えるレンズを有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１３】
前記反射式ディスプレイは前記プリズムの第一面の第一の部分に近接して取付けられ、非軸線上の光が前記プリズムの第一面の第二の部分から前記ビームスプリッタ面へと反射せしめられるように前記プリズムの第一面の第二の部分が反射用コーティングを有し、前記ビームスプリッタ面が光を反射式ディスプレイへと軸線上に反射させる請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１４】
前記撮像システムは屈折矯正のための第二のプリズムと、負レンズと、少なくとも一つの正レンズとを有する請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１５】
前記負レンズは第二のプリズムの一体的な部分として第二のプリズム上の負レンズ面として形成される請求項１４に記載のディスプレイシステム。
【請求項１６】
複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式ディスプレイと、
該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、
反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、
色収差を最小限にするために前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置されたレンズと、
反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大された虚像を提供する撮像光学システムとを具備するディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記レンズは色収差を最小限にするために前記プリズムとは異なる屈折率を有する請求項１６に記載のディスプレイシステム。
【請求項１８】
前記レンズは負レンズである請求項１６に記載のディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記レンズは樽型歪曲を最小限にする請求項１６に記載のディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記レンズは糸巻き型歪曲を最小限にする請求項１６に記載のディスプレイシステム。
【請求項２１】
複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式ディスプレイと、
該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、
反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、
生成された画像における幾何学的歪曲を最小限にするために前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置されたレンズと、
反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大された虚像を提供する画像光学システムとを具備するディスプレイシステム。
【請求項２２】
前記レンズは色収差を最小限にするために前記プリズムとは異なった屈折率を有する請求項２１に記載のディスプレイシステム。
【請求項２３】
前記レンズは負レンズである請求項２２に記載のディスプレイシステム。
【請求項２４】
複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、画像を生成するために軸線上の光を反射させる反射式ディスプレイと、
該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、
反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリズムを有し、画像を生成するために前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射式ディスプレイの前面へと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、
拡大虚像を提供するために反射式ディスプレイからビームスプリッタを通過した光を受光する画像光学システムとをさらに具備するディスプレイシステム。
【請求項２５】
色収差を最小限にするために前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置されたレンズを有する請求項２４に記載のディスプレイシステム。
【請求項２６】
前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置された負レンズを有する請求項２３に記載のディスプレイシステム。
【請求項２７】
幾何学的歪曲を最小限にするために前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置されたレンズを有する請求項２４に記載のディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は反射式ディスプレイシステムに関し、より詳細には画像を生成するためにディスプレイの表面に対して垂直な光を必要とする反射式マイクロディスプレイを有するシステムに関する。
【０００２】
発明の背景
小型ディスプレイまたはマイクロディスプレイは公知であり、これらディスプレイは拡大光学部材の補助なしでは目で判別することのできない画像を生成する。これらマイクロディスプレイは、標準サイズのコンピュータ用ＣＲＴディスプレイにおいて生成せしめられることができるような英数字の情報の画像を生成するのに十分なだけの数のピクセルを有する。マイクロディスプレイの一つのタイプが米国特許第５７７１１２４号に示されている。この特許は画像を生成するために特定の角度でディスプレイに当たる垂直でない光に反応する反射式ディスプレイシステムを示している。光をディスプレイからユーザーの目に向けるためにビームスプリッタと、反射式拡大レンズと、第二の拡大レンズとが用いられ、これによりディスプレイに生成された画像の拡大虚像が認識される。
【０００３】
別の、公知のタイプの反射式マイクロディスプレイは画像を生成するのに軸線上の光を必要とする。なお、本明細書で用いられる軸線上の光とはディスプレイの表面に対してほぼ垂直な光である。このタイプの反射式マイクロディスプレイでは、非アクティブモードにあるピクセルが光を吸収し、アクティブモードにあるピクセルが画像を生成するように軸線上の光を反射する。このタイプの公知の反射式マイクロディスプレイでは、非軸線上の光源からの光をディスプレイ表面に反射するように部分反射用コーティングを有する複合ビームスプリッタが使用される。しかしながら、このタイプの複合ビームスプリッタは概してシステムの光効率を悪化させ、生成される画像の輝度が小さくなり、よって画像を判別するのが困難になってしまう。
【０００４】
発明の簡単な概要
本発明によれば、軸線上の光を必要とする従来の反射式ディスプレイシステムの欠点が克服される。本発明のディスプレイシステムは、小型ディスプレイと最小限の数の光学部材で、これまで小さいディスプレイシステムでは実現されていなかった輝度が高く且つ視野が広い虚像を提供する。
【０００５】
より詳細には、本発明のディスプレイシステムは複数のピクセルを有する反射式ディスプレイを備え、各ピクセルはアクティブモードにおいてディスプレイの表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、画像を生成するように軸線上の光を反射させる。反射式ディスプレイによって生成される画像の如何なる部分をも遮断してしまうことのないようにディスプレイに対して非軸線上に光源が配置される。光源からの光をディスプレイに向けるために単一のビームスプリッタを備える照明システムが提供される。照明システムは光源からの光をビームスプリッタ面に反射させるための第一の面を備えるプリズムを有する。次に、ビームスプリッタ面は画像を生成するために光がディスプレイの表面に対してほぼ垂直になるようにプリズムの第一の面からの光を反射式ディスプレイへと反射させる。ビームスプリッタはディスプレイから反射された光を撮像光学システムへと通過させる。撮像光学システムは拡大された虚像を提供するようにディスプレイからビームスプリッタを通過した光を受光する。
【０００６】
本発明の一つの実施例では、プリズムの第一の面からビームスプリッタ面へと光を反射させるのに、および／またはビームスプリッタ面から反射式ディスプレイへと光を反射させるのにプリズムは内部全反射を使用する。ビームスプリッタ面から内部全反射が使用されるため、表面における光の損失がほとんどなく、画像の輝度が非常に高められる。
【０００７】
本発明の別の実施例では、照明システムはプリズムの第一の面に向けられた光源からの光を偏光するための偏光子を有する。プリズムの第一の面からビームスプリッタ面へと光を反射させるのに、および／またはビームスプリッタ面から反射式ディスプレイへと光を反射させるのにプリズムは内部全反射を用いてもよい。
【０００８】
本発明の更なる実施例では、ビームスプリッタ面はプリズムの第一の面から受光した第一の偏光の光を反射させ、ディスプレイから受光した第二の偏光の光を通過させる第二の偏光子として形成される。プリズムの第一の面は内部全反射を用いてもよいし、光源からビームスプリッタへと光を反射させるのに反射用コーティングを用いてもよい。一つ以上の偏光子を用いることで、従来のシステムよりも光効率が良くなり、画像の輝度が増大する。
【０００９】
本発明の撮像光学部材は反射式マイクロディスプレイ用の２８°以上の、場合によっては約３８°の広い視野を備えた虚像を提供する。
【００１０】
本発明のディスプレイシステムは極端に小さく、高さが約２５ｍｍであるが、視野の広い明るい画像を提供する。本発明のディスプレイシステムは典型的には標準サイズのコンピュータ用ＣＲＴディスプレイに表示されるような多数の英数字の情報を表示することができる。しかしながら、ディスプレイシステムのサイズが小さいため、携帯型コンピュータまたは手持ち型コンピュータおよび／またはポケットベルまたはそれとは別の伝言システムのような連絡装置のディスプレイに適する。またこのディスプレイシステムは頭部取付型ディスプレイシステムで使用するのにも適する。本発明のディスプレイシステムは、最小限の光学要素を用いて装置が非常に小さいながらも、ユーザーに対して表示可能な情報量が実質的に増大する。
【００１１】
以下の説明および図面より、本発明の上記利点およびそれとは別の利点および新規特性、および図示した実施例の詳細が完全に理解される。
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明のディスプレイシステム１０は多数のピクセルを有する反射式マイクロディスプレイ１２を備える。ピクセルは非アクティブモードでは光を吸収し、アクティブモードではディスプレイ１２の表面１４に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して画像を生成するために軸線上の光を反射させる。ディスプレイ１２によって生成された画像は拡大しないと眼１６で判別することができない程小さい。ディスプレイ１２の高さおよび幅は約１２ｍｍ×１２ｍｍである。しかしながら、ディスプレイ１２は標準サイズのＮＴＳＣ方式コンピュータディスプレイと同様な情報を映し出すことができるように十分に多くのピクセルを有する。ディスプレイシステムの全高ｈはたった２５ｍｍである。
【００１３】
ディスプレイシステム１０は光源１８を備え、この光源１８はディスプレイ１２に対して非軸線上に配置され、すなわちディスプレイ１２からユーザーの眼１６までの光路の如何なる部分をも遮断してしまうことのないようにディスプレイ１２の前方には配置されない。光源１８は単一のＬＥＤである。あるいは、光源１８はカラーディスプレイシステム用に例えば赤ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、および青ＬＥＤのような複数の色付きＬＥＤで形成されてもよい。
【００１４】
光源１８からの光は、アクティブピクセルによる反射のためにレンズ２２、偏光子２４、およびプリズム２６を有する照明システム２０によってディスプレイ１２の前面１４に向けられる。ディスプレイのアクティブピクセルによって反射せしめられた光は投射システムを通過する。一つの実施例では、撮像システムは第二のプリズム３０、視野レンズ３２、および撮像レンズ３４の形態である屈折矯正器（refraction corrector）を備える。
【００１５】
図２に詳細に示したように、光源１８からの光は照明レンズ２２を通過する。照明レンズ２２は光を平行にし且つ光を偏光子２４に向けるためのフレスネルレンズまたはその均等物である。偏光子２４は、光が例えばプリズム２６のビームスプリット面３６に対してＳ偏光になるように光を偏光させる。偏光はプリズム２６に入り、プリズム２６の面３８からプリズム２６のビームスプリット面３６へと反射せしめられる。ビームスプリット面３６は、Ｓ偏光が軸線上にあるように、すなわちディスプレイ１２の表面に対して垂直になるようにＳ偏光をマイクロディスプレイ１２へと反射する。反射式マイクロディスプレイ１２は、光がディスプレイ１２に入った時にビームスプリッタからの直線偏光を円偏光またはほぼ楕円偏光に変える４分の１波長板（quarter-wave plate）を備える。マイクロディスプレイ１２のアクティブピクセルによって反射された光は再びディスプレイ１２の４分の１波長板を通過し、プリズム２６の面３６から反射せしめられた初期の偏光から９０°である直線偏光となる。特に、面３６がＳ偏光をディスプレイへと反射させると、４分の１波長板を備えるディスプレイ１２はＰ偏光を面３６へと戻す。Ｐ偏光はビームスプリッタ面３６を通過して撮像システム２８のプリズム３０へ入る。
【００１６】
好適な実施例では、プリズム２６の角度は、光が面３８において内部全反射によって面３６へと反射せしめられるように、および／または光が面３６において内部全反射によってディスプレイ１２へと反射せしめられるように選択せしめられる。面３８の内部全反射によって光効率が最大になるようにエアーギャップ４０がディスプレイ１２と面３８との間に保持される。同様に、光がディスプレイ１２に対して軸線上にあるように面３６からの光を反射させるのに内部全反射を用いる場合、エアーギャップ４２またはその均等物が面３６と第二のプリズム３０との間に保持される。面３８において光源１８からの光を反射させるために全反射を用いる代わりに、ディスプレイ１２の縁部４４までの面３８に反射用コーティングを用いてもよい。この場合、面３８の残りの部分に屈折率が適切な流体または接着剤でディスプレイ１２が取付けられる。同様に、軸線上の光をディスプレイに反射させるために面３６において内部全反射を用いる代わりに、偏光反射器または部分反射ミラーコーティングを用いてもよい。偏光反射器は３Ｍ社のＤＢＥＦフィルムのようなコーティングを備えたガラスシートまたはプラスチックシートで形成される。偏光反射器は、片側または両側にエアーギャップを備えた別個の構成要素として形成されてもよいし、プリズム２６の面３６にまたはプリズム３０の面４６にまたはこれら両表面にラミネートされてもよい。
【００１７】
図３は照明光がディスプレイ１２のアクティブピクセルで反射せしめられるようなディスプレイシステムの画像光線の経路を示す。ディスプレイ１２から反射せしめられた光はプリズム２６およびビームスプリッタ面３６を通過してプリズム３０へと入る。プリズム３０は屈折によってディスプレイ１２で生成された画像を矯正する。光学部材３０と一体的な部分としてまたは別体のレンズとして形成された視野レンズ３２は、画像光線を撮像レンズ３４に向ける。画像光線が撮像レンズ３４を出ると、これら光線はこれら光線がユーザーの眼１６の角膜表面４８と交差するまでほぼ平行である。角膜は光線を網膜５０上に焦点あわせする。ユーザーには、ディスプレイシステム１０よりユーザーから離れ且つユーザーの前方にある虚像位置５２で光線が生じるように見える。虚像５２はユーザーがディスプレイ１２によって生成された画像の詳細を明確に判別することができるようにレンズ３４によって拡大される。
【００１８】
撮像システム２８の別の実施例では、光線がディスプレイ１２からレンズ３４および６２を通って角膜１３内へと通過してユーザーの眼の網膜に画像を形成するときに画像光線の角度６０が増加するように、図４に示したような付加的なレンズ６２が用いられると共にレンズ３４の光パワーが減少せしめられる。ユーザーが読みとる視野は地点６５と地点６６との間において網膜１４上に形成される画像の光線角度６０によって決定されるので、レンズ６２を加えて角度６０を増加させることにより少なくとも２８°のオーダーにまで視野が増加する。色を矯正するために、レンズ３４の表面６７または６８またはレンズ６２の表面６９は回折表面として形成されてもよい。なお、視野レンズ３２は光学部材３０とは別体の光学要素としてまたは光学部材３０と一体的な部分として形成されてもよい。さらに、虚像５２の焦点または位置を変更するために、レンズ３４がレンズ３２に対して移動可能であってもよい。あるいは、一対のレンズ６２および３４は視野レンズ３２に対して共に移動可能であってもよい。好ましくはないが、この特性は光学システムに対してディスプレイを移動させることによって遂行されてもよい。
【００１９】
図５に示した実施例によれば、眼鏡と共に使用するのに十分な眼のレリーフを維持しながら視野がさらに増加せしめられる。図４に示したように正視野レンズを使用するのとは反対に、図５の実施例は負レンズ６４を用いる。負レンズ６４は別個の要素として形成されてもよいし、図５に示したように光学部材３０の表面に形成されてもよい。負レンズ６４は図４の角度６０と比べて光線間の角度６０’が増加するようにディスプレイ１２からの光線を発散させる。角度６０’が増加することによって、視野は３８°のオーダーにまで増加せしめられる。
【００２０】
本発明の別の実施例では、図６に示したように、色を矯正するため、或るタイプの歪曲（distortion）を最小限にするため、および撮像システムと眼とを正確に整列させる必要性を除去することのために、図１〜図３に示したシステムのディスプレイ１２とプリズム２６との間にレンズ５５が配置される。より詳細には、レンズ５５はアクロマートと同様な方法で色収差を最小限にするように、プリズム２６の屈折率とは異なる屈折率を有するのが好ましい。例えば、プリズム２６および３０はＢＫ７ガラスのようなガラスで形成され、負レンズ５５はスチレンで形成される。しかしながら、当業者には明らかなように、プリズム２６、３０およびレンズ５５を同様に別の種類の材料で形成してもよい。レンズ５５は負レンズとして形成される。負レンズ５５は画像の周囲における幾何学的歪曲、例えば樽型歪曲および糸巻き型歪曲を最小限にする。さらに、負レンズ５５は、眼１６を撮像レンズ３４の中心線と正確に整列させる必要性がなくなるように、ディスプレイ１２からの光を僅かに発散させる。なお、この実施例では、撮像レンズ３４はアクリルまたはその均等物で形成された非球面レンズであってもよい。非球面撮像レンズ３４を用いることによって、少ない光学要素を用いて最小限の歪曲で高解像度の画像が生成され、よって軽いディスプレイシステムが提供される。
【００２１】
本発明の光学システムは非常に小さなディスプレイ２８において視野を２８°に、またはそれ以上に広げることができる。この視野は対角線が１２．７ｍｍ（０．５インチ）で鉛直対水平の縦横比が３／４であるマイクロディスプレイに提供される。図示したような最小限の撮像用光学部材でこの大きな視野を得ることができる。さらに、上述したような本発明の照明システムはディスプレイシステムを日光内で使用するのに適するように輝度が増加した画像を提供する。
【００２２】
上述した技術に関して本発明の修正および変更が可能である。そして、特許請求の範囲内で本発明は上述したのとは別の形態で実施されてもよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の反射式マイクロディスプレイシステムの一つの実施例の側面図である。
【図２】  図１の反射式マイクロディスプレイシステムの側面図であり、光源からマイクロディスプレイへの照明光の経路を示す。
【図３】  図１の反射式マイクロディスプレイシステムの側面図であり、反射式マイクロディスプレイからの画像の経路を示す。
【図４】  視野を広げるための反射式マイクロディスプレイシステムの第二の実施例の側面図を示す。
【図５】  本発明の別の実施例の側面図であり、視野がさらに広げられる。
【図６】  図１の反射式マイクロディスプレイシステムの側面図であり、ディスプレイと第一のプリズムとの間にレンズが加えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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