(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させるための光学イメージングアセンブリ（100）であって、
第１の方向に偏光した光を通過させると共に、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に偏光した光を反射するための偏光ビームスプリッタ（120）と、
前記第２の方向に偏光した光を通過させるための直線偏光フィルタ（121）と、
一方の表面に部分反射コーティング（117）を施された第１の凹凸レンズ（116）、第１の四分の一波長板（115）、及び一方の表面に部分反射コーティング（114）を施された第２の凹凸レンズ（113）を含む折り返しイメージングアセンブリであって、前記第１と第２の凹凸レンズの一方の前記部分反射コーティングが、前記反射コーティングに当たる光の直線偏光の方向によって決まる反射率を有する材料からなる、折り返しイメージングアセンブリと、
第２の四分の一波長板（118）とを含み、
前記第１の四分の一波長板（115）が、前記第２の四分の一波長板（118）の複屈折軸に対して直交している複屈折軸を有し、
前記折り返しイメージングアセンブリと前記第２の四分の一波長板（118）が、前記偏光ビームスプリッタ（120）と直線偏光フィルタ（121）との間に配置されている、光学イメージングアセンブリ（100）。
【請求項２】
前記第１の凹凸レンズ（116）が、球状の凸面と凹面を有する、請求項１に記載の光学イメージングアセンブリ（100）。
【請求項３】
前記第１と第２の四分の一波長板が、同じ複屈折材料の層を含む、請求項１に記載の光学イメージングアセンブリ（100）。
【請求項４】
前記第１と第２の凹凸レンズによって、実質的にテレセントリックな光学イメージングシステムが提供される、請求項１に記載の光学イメージングアセンブリ（100）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイを見るための光システムに関するものであり、とりわけ、折り返し光路を利用して、ディスプレイと見る人との距離を最短にする光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下の説明を単純化するため、本発明は、頭部に装着するコンピュータ・ディスプレイにおいて利用されるディスプレイに関して述べることにするが、当該技術者には下記の論述から明らかになるように、本発明は、他のタイプのイメージング・システムにも適用することが可能である。頭部装着コンピュータ・ディスプレイは、ユーザが、コンピュータまたは他のイメージング源によって生じるイメージを見るために着用する「眼鏡」とみなすことが可能である。それぞれの目によって見えるイメージが、２次元ピクセル・アレイを備えたディスプレイ画面に生じる。
【０００３】
ディスプレイと見る人の間の距離を最短にして、見る人の顔から延びるディスプレイの部分を最小限に抑えるのは有利である。大形の突き出したディスプレイは、着用するのが不快である。さらに、ディスプレイを避けて見ることができるのは有利であり、従って、折り返し光学系及びディスプレイは、ユーザが見るまわりの眺めを遮ってはならない。
【０００４】
当該技術においては、ディスプレイと目の間の距離が短い反射光学素子を組み合わせた先行技術によるシステムが既知のところである。これらのシステムは、一般に、部分反射光学表面を利用して、見る人の目からディスプレイまでの距離が最短になるように、光路を折り返す。米国特許第５，６４４，４３６号には、こうしたシステムの記載がある。こうしたシステムが機能するためには、ディスプレイによって放射される直接光を遮断しなければならない。先行技術によるシステムでは、一般に、偏光フィルタ及び四分の一波長板を利用して、直接光が目に達しないようにする。あいにく、四分の一波長板は、特定の波長について、光の偏光ベクトルをちょうど９０度回転させるだけである。設計波長と異なる波長の光は、９０度をわずかに超えるか、または、９０度をわずかに下回る回転をする。従って、これら先行技術によるシステムによって、ディスプレイから直接入射する光の全てが遮られるわけではなく、見る人は、「ゴースト」・イメージを見ることになる。
【０００５】
さらに、‘４３６特許に教示の光学系は、テレセントリックではない。テレセントリック光学系は、主たる光線が、全て、ディスプレイに対して垂直なものである。ディスプレイは反射性であるため、非テレセントリック・ディスプレイは、ディスプレイの位置に応じて照射光の入射角を変動させて、光の強度が一様なイメージが得られるようにしなければならない。しかし、液晶ディスプレイが利用される場合、ディスプレイに対する非垂直入射光の存在によって、液晶ディスプレイ素子の最適化が困難になる。
【０００６】
最後に、‘４３６特許に教示の光学系は、その光の利用効率がよくない。光源から出射した光のうち、観測者の目に実際に到達するのは、１／１６未満である。従って、かなり大きい光源が必要になる。光源が大きくなるほど、ディスプレイのサイズ、及び、ディスプレイの駆動に必要な電力が増大する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、本発明の目的は、反射光学イメージング素子をベースにした、改良形の折り返し光学系を提供することにある。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、結像されるディスプレイからの光が、光の波長に関係なく、見る人の目に達しないようにする光学系を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらにもう１つの目的は、実質上テレセントリックな光学系を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらにもう１つの目的は、先行技術によるシステムよりも強度の低い光源を必要とする光学系を提供することにある。
【００１１】
本発明の以上の及びその他の目的については、当該技術者には本発明の下記の詳細な説明及び添付の図面から明らかになるであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ディスプレイからの光を結像するための光学イメージング・アセンブリである。光学アセンブリは、第１と第２の線形偏光フィルタ、凹凸レンズが望ましい第１と第２のレンズ、及び、第１と第２の四分の一波長板を備える。第１の直線偏光フィルタは、第１の方向に偏光した光を通過させ、第２の直線偏光フィルタは、第１の方向に対して直交する第２の方向に偏光した光を通過させる。折り返しイメージング・アセンブリは、第１と第２のレンズ、及び、第１の四分の一波長板を備える。第１と第２のレンズは、各レンズの一方の表面に部分反射コーティングが施されている。折り返しイメージング・アセンブリ及び第２の四分の一波長板が、第１と第２の直線偏光フィルタ間に配置されている。本発明の望ましい実施態様の場合、第１の四分の一波長板の複屈折軸は、第２の四分の一波長板の複屈折軸に対して直交しており、２つの四分の一波長板は、同じ材料から構成されている。第１と第２のレンズの一方の部分反射コーティングには、その反射率が反射コーティングに当たる光の直線偏光の方向によって決まる材料が含まれているのが望ましい。凹凸レンズの表面は、球状が望ましい。これらのレンズによって、実質的にテレセントリックな光学イメージング・システムが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明が先行技術のゴースト問題を回避する方法については、典型的な先行技術による折り返し光学アセンブリ２０のブロック図である図１を参照することによって容易に明らかになるであろう。光学アセンブリ２０は、イメージング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からの光を見る人１４の目に結像させる。アセンブリ２０は、交差偏光フィルタ２１及び２６を利用して、ディスプレイから直接進行する光が見る人１４に達するのを阻止する。
【００１４】
アセンブリ２０が適正に動作するためには、球面ビーム・スプリッタ２２によって平行化される光が、ディスプレイ１２から直接見る人１４の方に進む光に対してその偏光を９０度回転しなければならない。アセンブリ２０は、円偏光が反射によってその偏光方向を変化させるという観測結果を利用しているが、直線偏光が、反射によってその偏光方向を変化させることはない。四分の一波長板２３を通過する光は、円偏光のまま四分の一波長板２３を出てゆく。この光が右回りと仮定する。この光の偏光方向は、次に、ビーム・スプリッタ２４からの反射によって、左回りに変化する。再び、四分の一波長板２３を通過すると、光は、直線偏光になる。従って、光が球面ビーム・スプリッタ２２によって反射された場合、偏光方向は変化しない。この光は、次に、四分の一波長板２３を通過すると、変換されて、左回りの円偏光に戻る。ビーム・スプリッタ２４を通過する左回りの円偏光は、四分の一波長板２５によって変換されて、直線偏光に戻る。しかし、直線偏光の方向は、上述の右回りの偏光から左回りの偏光への変換のため、偏光フィルタ２１を出る光の偏光方向に対して９０度回転させられているであろう。従って、この光は、偏光フィルタ２６を通過することになる。
【００１５】
反射せずに、ディスプレイ１２から直接進行する光は、両方の四分の一波長板を通過する。両方の四分の一波長板は、理想の挙動を示すと、二分の一波長板の働きをし、光の偏光方向は、９０゜回転する。四分の一波長板は、その厚さが、高速偏光と低速偏光の間でπ／２の位相遅れが生じるように選択された複屈折材料である。光源の偏光軸が、波長板の低速軸と高速軸の間で４５゜になるようにアライメントがとられている場合、左回りの円偏光が生じる。角度が−４５゜の場合、出力は、右回りの円偏光になる。以下の論述を単純化するため、高速軸の配向を決める軸は、「複屈折軸」と呼ぶことにする。
【００１６】
四分の一波長板の厚さを正確に選択できるのは、光のスペクトル部分の特定の波長についてのみであるという点に留意すべきである。他の波長では、低速成分の遅延度に、わずかなエラーが生じる。このエラーによって、偏光フィルタ間において、ディスプレイ１２から見る人１４に向かって進む光の偏光に変化が生じることになる。偏光フィルタが、完全に光を遮断するのは、偏光フィルタ間において、偏光が正確に９０度回転する場合に限られるので、ディスプレイ１２を出射する光のわずかな部分が見る人に達することになる。この結果、見る人は、カラーと共に強度が変動するゴースト・イメージを見ることになる。
【００１７】
本発明によれば、第２の四分の一波長板が第１の四分の一波長板の作用を逆にする、四分の一波長板の構成を利用して、先行技術のシステムに関連したゴースト問題が回避される。例えば、第１の四分の一波長板によって、光信号の２つの成分偏光間にπ／２の遅延が生じる場合、第２の四分の一波長板によって、前記成分偏光間に−π／２の遅延が生じることになる。これは、第１の四分の一波長板の複屈折軸が、第２の四分の一波長板の複屈折軸に対して９０゜回転するように、四分の一波長板のアライメントをとることによって実現される。
【００１８】
本発明の望ましい実施態様では、四分の一波長板は、同じ材料から構成される。設計波長、すなわち、遅延が正確にπ／２になる波長とは異なる波長の光について考察することにする。第１の四分の一波長板によって、π／２未満の遅延が生じる場合、第２の四分の一波長板によって、やはり、同じ量の相殺遅延が生じる。従って、２つの四分の一波長板を通過する光の偏光は、四分の一波長板によって生じる実際の遅延とは関係なく、不変のままである。
【００１９】
上述のように、先行技術によるシステムは、図面には示されていない、光源の利用効率が極めて悪い。一般に、ディスプレイ１２は、非偏光光源によって照射される。ディスプレイ１２が液晶ディスプレイをベースにしたものであれば、ディスプレイに当たる光は、直線偏光されなければならない。従って、光源からの光の半分が失われる。偏光フィルタ２１は、ディスプレイ１２を出射する光を通過させるようにアライメントがとられており、従って、この場合、それ以上の損失は生じない。しかし、光の半分は、ビーム・スプリッタ２２を通過する際に失われる。残りの光がビーム・スプリッタ２４に当たる。もう一度、光の半分が反射され、残りが失われる。再び、ビーム・スプリッタ２２に当たると、光の半分だけが反射され、残りは失われる。反射した光は、ビーム・スプリッタ２４を通過しなければならないが、このビーム・スプリッタによって、光の半分は透過し、もう半分は反射される。従って、ディスプレイ１２を出射した光の１／１６だけしか見る人に到達しない。
【００２０】
図１に示す光学系に関するもう１つの問題は、像面の湾曲である。図１に示す光学系の像平面、すなわち、イメージが生じる見かけの表面が湾曲している。従って、ディスプレイ１２は、像表面に整合するように湾曲させる必要がある。結果として、イメージのさまざまな部分の焦点がずれることになる。
【００２１】
次に、本発明による折り返し光学アセンブリ１００の断面図である図２を参照する。光学アセンブリ１００は、上述のところと同様の働きをする。先行技術のシステムのゴースト問題は、四分の一波長板１１８の作用を逆にする第２の四分の一波長板１１５を利用して、以下のように解決される。図１に示すビーム・スプリッタ２４は、球状に湾曲した２つの表面を備えるガラス素子１１３に部分反射コーティングを施すことによって構成される、球面ビーム・スプリッタ１１４に置き換えられている。同様に、図１に示すビーム・スプリッタ２２は、ガラスの凹凸レンズ１１６に部分反射コーティングを施すことによって構成される、球面ビーム・スプリッタ１１７に置き換えられている。本発明の望ましい実施態様の場合、湾曲表面は球面形状である。
【００２２】
ディスプレイ画面１２１は、ＬＣＤシャッタとリフレクタから構成される。ディスプレイは、偏光ビーム・スプリッタ１２０を利用して、ある偏光をディスプレイに向けるオフ軸光源１１９によって照射される。直交偏光が、ビーム・スプリッタ１２０を通過して、失われる。ビーム・スプリッタ１２０は、ある偏光を反射するが、直交偏光を透過する。こうした材料は、当該技術にとって既知のところである。例えば、３Ｍは、ＤＵＡＬ  ＢＲＩＧＨＴＮＥＳＳ  ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ  ＦＩＬＭ（ＤＢＥＦ）の商標名でこうした材料を市場に出している。
【００２３】
ビーム・スプリッタ１１４は、同様に、ＤＢＥＦのような材料から構成されている。材料には、偏光Ｐが、ビーム・スプリッタによって通過させられ、偏光Ｓが反射されるような配向が施される。光のほぼ１００％が、反射されるか、透過させられるので、図１に示すビーム・スプリッタ２４に関連して上述の損失が、本発明によって解消される。従って、本発明によれば、４倍多くの光がユーザの目に到達可能になる。
【００２４】
表面の曲率半径及び位置を適正に選択して、２つの反射湾曲表面を組み合わせると、完全なテレセントリック光学系を得ることが可能になる。さらに、反射光学素子は、レンズ材料によって導入される収差がないので、レンズよりも望ましい。あいにく、構造的に十分に完全な薄い反射表面は、何らかの形態の支持がなければ製作が困難である。従って、本発明では、各レンズの一方の表面に反射コーティングを施した、２つの薄い凹凸レンズを利用している。本発明の望ましい実施態様の場合、湾曲が球状になり、結果生じる光学系が実質的にテレセントリックになるが、像面の湾曲が最小限に抑えられる条件に合わせて、最高の画質が得られるように、レンズ材料及び表面曲率を最適化される。凹凸レンズを利用することによって、総合画質に対するレンズの影響は大幅に低下し、従って、透過光学素子に関連した問題は最小限に抑えられる。
【００２５】
原理上、平凹または平凸レンズのような他のレンズ形状を利用することが可能である。しかし、こうしたレンズは、より重くなる。さらに、全光学系に対するレンズの影響がはるかに大きくなり、従って、さまざまなレンズ収差に補正を施す設計は、いっそう構成が困難になる。
【００２６】
本発明の望ましい実施態様の場合、偏光ビーム・スプリッタ１２０は、やはり、ＤＢＥＦから構成される。従って、光源からの光の半分は、ディスプレイ・スクリーンに送られる。ディスプレイで反射されると、光の偏光が、９０度回転する。従って、ディスプレイから戻る光は、全て、ビーム・スプリッタ１２０を通過する。
【００２７】
光源１１９は、線光源であることが望ましい。ビーム・スプリッタ１２０は、放物断面を備えるのが望ましい円筒形表面を形成しており、円筒形表面の軸は、線光源に対して平行である。線光源は、線光源からの光が、リフレクタによって平行化されて、ディスプレイ・スクリーン１２１の反射ピクセル・アレイに送り込まれるように、リフレクタに対して配置されている。
【００２８】
本発明の上述の実施態様では、球面ビーム・スプリッタが利用された。球面光学素子は、他の形状の光学素子よりもはるかに製作費が安い。しかし、他の幾何学形状は、本発明の教示を逸脱することなく利用可能である。
【００２９】
留意すべきは、四分の一波長板１１８の位置は、システム全体の性能を変えることなく、レンズ１１３、四分の一波長板１１５、及び、レンズ１１６を含む光学アセンブリに対して移動させることができるという点である。例えば、四分の一波長板１１８は、レンズ１１３と偏光フィルタ１１２の間に配置することが可能である。
【００３０】
当該技術者には、以上の説明及び添付の図面から、本発明に対するさまざまな修正が明らかになるであろう。従って、本発明は、付属の請求の範囲による制限だけしか受けないものとする。
【００３１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００３２】
（実施態様１）
ディスプレイからの光を結像させるための光学イメージング・アセンブリ［１００］であって、
偏光を第１の方向に通すための第１の直線偏光フィルタ［１１２］と、
偏光を前記第１の方向に対して直交する第２の方向に通すための第２の直線偏光フィルタ［１２１］と、
その一方の表面に部分反射コーティング［１１７］を施された第１の凹凸レンズ［１１６］、及び、第１の四分の一波長板［１１５］、及び、その一方の表面に部分反射コーティング［１１４］を施された第２の凹凸レンズ［１１３］を含む折り返しイメージング・アセンブリと、
第２の四分の一波長板［１１８］と
を含み、前記折り返しイメージング・アセンブリと前記第２の四分の一波長板［１１８］が、前記第１と第２の直線偏光フィルタの間に配置されていることを特徴とする、光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３３】
（実施態様２）
前記第１の四分の一波長板［１１５］の複屈折軸が、前記第２の四分の一波長板［１１８］の複屈折軸に対して直交していることを特徴とする、実施態様１に記載の光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３４】
（実施態様３）
前記第１と第２の凹凸レンズの一方の前記部分反射コーティングに、その反射率が前記反射コーティングに当たる光の直線偏光方向によって決まる材料が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載の光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３５】
（実施態様４）
前記第１の凹凸レンズ［１１６］が、球状の凸面と凹面を備えることを特徴とする、実施態様１に記載の光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３６】
（実施態様５）
前記第１と第２の四分の一波長板に、同じ複屈折材料の層が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載の光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３７】
（実施態様６）
前記第１と第２の凹凸レンズによって、ほぼテレセントリックな光学イメージング・システムが得られることを特徴とする、実施態様１に記載の光学イメージング・アセンブリ［１００］。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明を用いると、反射光学イメージング素子をベースにした、改良形の折り返し光学系を提供することができる。また、結像されるディスプレイからの光が、光の波長に関係なく、見る人の目に達しないようにする光学系を提供することができる。さらに、実質上テレセントリックな光学系を提供することができる。さらに、先行技術によるシステムよりも強度の低い光源を必要とする光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による折り返しイメージング・アセンブリの断面図である。
【図２】本発明による折り返しイメージング・アセンブリの実施態様の１つに関する断面図である。
【符号の説明】
１００：光学イメージング・アセンブリ
１１２：偏光フィルタ
１１３：レンズ
１１４：球面ビーム・スプリッタ
１１５：四分の一波長板
１１６：レンズ
１１７：球面ビーム・スプリッタ
１１８：四分の一波長板
１２１：偏光フィルタ（ディスプレイ・スクリーン）
【図１】
0004961071.tif 000002
【図２】
0004961071.tif 000003