(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
像平面に位置する物体から受けた光を射出ひとみへと送って画像を形成する小型光学結像系の製造方法であって、
第一の面、第二の面及び第三の面を含み、前記第一の面と前記第二の面との間の角度がαであることを特徴とする第一のプリズムと、第一の面、第二の面及び第三の面を含み、前記第一の面と前記第二の面との間の角度がαであり、そして前記第一の面に取り付けられた、若しくは、前記第一の面と一体の回折光学素子を含む第二のプリズムと、反射性の凹面を含む集束性の反射・屈折素子とを設けるステップと、
前記第一のプリズムを前記第二のプリズムに、前記第二の面同士が接触し、前記第一の面同士が平行となるように取り付けるステップと、
前記集束性の反射・屈折素子を前記第一のプリズムに、前記反射性の凹面が前記第一のプリズムの前記第一の面に向くように取り付けるステップと、
前記射出ひとみと前記像平面との間に、前記第二のプリズムの前記第一の面が前記射出ひとみに向くように、そして前記第一のプリズムの前記第三の面が前記像平面に向くようにして、前記第一のプリズム、前記第二のプリズム、及び前記集束性の反射・屈折素子を設置するステップと、を含み、
前記角度αは、前記射出ひとみから発する光が前記回折光学素子、前記第二のプリズム及び前記第一のプリズムを通過し、前記集束性の反射・屈折素子で反射して前記第一のプリズムへと戻り、前記第一のプリズムの前記第二の面にて反射し、前記第一のプリズムの前記第一の面にて完全に内部反射し、前記第一のプリズムの前記第三の面を通過して前記像平面に至ることになるような範囲とし、
前記第一のプリズムを前記第二のプリズムに取り付けるステップが、
レーザー、平面ミラー、ビームスプリッタ及び黒スクリーンを用意するステップと、
前記ビームスプリッタが無い状態で、前記レーザーが発した第一の軸を画定する光が前記レーザーに戻るように前記ミラーの位置合わせを行うステップと、
前記ビームスプリッタを、前記レーザーと前記ミラーとの間に挿入し、前記ミラーにより反射した光を前記黒スクリーンへと向けるステップと、
前記黒スクリーン上の前記光の基準位置に印をつけるステップと、
前記ビームスプリッタと前記ミラーとの間に前記第一のプリズム及び前記第二のプリズムを、前記第二のプリズムの前記第一の面が前記光に対して垂直となるように、そして前記回折光学素子の中心に前記光が来るように挿入するステップと、
前記第一のプリズムを、前記第二のプリズムの前記第二の面に垂直な軸を中心として回転させることで、前記黒スクリーン上の前記光を前記基準位置へと戻すステップと、を含む製造方法。
【請求項２】
像平面に位置する物体から受けた光を射出ひとみへと送って画像を形成する小型光学結像系の製造方法であって、
第一の面、第二の面及び第三の面を含み、前記第一の面と前記第二の面との間の角度がαであることを特徴とする第一のプリズムと、第一の面、第二の面及び第三の面を含み、前記第一の面と前記第二の面との間の角度がαであり、そして前記第一の面に取り付けられた、若しくは、前記第一の面と一体の回折光学素子を含む第二のプリズムと、反射性の凹面を含む集束性の反射・屈折素子とを設けるステップと、
前記第一のプリズムを前記第二のプリズムに、前記第二の面同士が接触し、前記第一の面同士が平行となるように取り付けるステップと、
前記集束性の反射・屈折素子を前記第一のプリズムに、前記反射性の凹面が前記第一のプリズムの前記第一の面に向くように取り付けるステップと、を含み、
前記角度αは、前記射出ひとみと前記像平面との間に前記第一のプリズム、前記第二のプリズム、及び前記集束性の反射・屈折素子を設置したときに、前記射出ひとみから発する光が前記回折光学素子、前記第二のプリズム及び前記第一のプリズムを通過し、前記集束性の反射・屈折素子で反射して前記第一のプリズムへと戻り、前記第一のプリズムの前記第二の面にて反射し、前記第一のプリズムの前記第一の面にて完全に内部反射し、前記第一のプリズムの前記第三の面を通過して前記像平面に至ることになるような範囲とし、
前記第一のプリズムを前記第二のプリズムに取り付けるステップが、
レーザー、平面ミラー、ビームスプリッタ及び黒スクリーンを用意するステップと、
前記ビームスプリッタが無い状態で、前記レーザーが発した第一の軸を画定する光が前記レーザーに戻るように前記ミラーの位置合わせを行うステップと、
前記ビームスプリッタを、前記レーザーと前記ミラーとの間に挿入し、前記ミラーにより反射した光を前記黒スクリーンへと向けるステップと、
前記黒スクリーン上の前記光の基準位置に印をつけるステップと、
前記ビームスプリッタと前記ミラーとの間に前記第一のプリズム及び前記第二のプリズムを、前記第二のプリズムの前記第一の面が前記光に対して垂直となるように、そして前記回折光学素子の中心に前記光が来るように挿入するステップと、
前記第一のプリズムを、前記第二のプリズムの前記第二の面に垂直な軸を中心として回転させることで、前記黒スクリーン上の前記光を前記基準位置へと戻すステップと、を含み、
前記集束性の反射・屈折素子を前記第一のプリズムに取り付けるステップが、
前記反射・屈折素子を前記第一のプリズムと前記ミラーとの間に挿入するステップと、
前記反射・屈折素子を前記第一の軸に沿って移動させ、前記反射・屈折素子の前記反射面を前記第二のプリズムの前記第一の面から事前に決められた距離に配置するステップと、
前記反射・屈折素子を前記第一の軸に相互に直交する２つの軸を中心として回転させることにより、前記黒スクリーン上の前記光を前記基準位置に戻すステップと、を含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は像平面中に位置する物体の画像を形成する光学結像系に関し、より具体的には、相互の位置合わせが容易な小数の部品から構成される小型の光学結像系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの光学機器及び光学系には、物体からの光を集め、その光を人間の目に向けることで人間の目がその物体の画像を認識できるようにする結像系が含まれる。このような結像系の望ましい特性としては、高輝度、高解像度、低幾何的収差、低色収差、低歪み、広視野、そして適度な、臨界的ではないアイリリーフ等があげられる。更に結像系は構造が単純で製造が容易であることが望ましく、また、その部品調整も単純、容易に実行出来ることが望ましい。そして最後に、結像系は近視や遠視等の視力障害を持つユーザーに対しても鮮明に焦点の合った画像を提供出来るように調整可能であることが望ましい。このような性能基準は大きさと重量に制約がなければ容易に満たすことが出来る。上述の性能基準を満たす数多くの様々な光学装置が知られている。最近の市場においては、着用可能のディスプレイ、特に眼鏡に似た構造を持つ着用型ディスプレイに対するニーズが増している。このようなディスプレイは眼鏡型ディスプレイと呼ばれる。眼鏡型ディスプレイは携帯用コンピュータ、携帯用テレビ受像機、携帯用デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）プレイヤー、或は他のビデオ信号発生器に接続することでユーザーに非常にプライベートな高品質のデータ又は娯楽用のディスプレイを提供するものである。眼鏡型ディスプレイはまた、バーチャルリアリティ（仮想現実）システムの一部として利用することも出来る。
【０００３】
ユーザーの利便性及び美的理由から、眼鏡型ディスプレイの重量及び大きさは可能な限り小さくなければならない。眼鏡型ディスプレイの重量と寸法を小さくする為に、ユーザーが見る画像を生成するディスプレイ素子は非常に小さく、ユーザーが見易い距離よりも著しくユーザーの目に近い位置に設けられる。結果的に、ユーザーはディスプレイ素子を直接的に見ることが出来ない。かわりに、光学結像系をディスプレイ素子とユーザーの目との間に挿入しなければならない。光学結像系はディスプレイ素子からの光を集め、その光をユーザーに目に向ける。光学結像系はディスプレイ素子の拡大画像を、ユーザーの目から見易い距離に形成する。この拡大により、画像の大きさを大型のコンピュータモニタを一般的な視距離（約５０ｃｍ）から見ているかのように感じさせることが出来る。重量及び寸法を小さくする為には光学結像系の重量及び寸法も小さくしなければならない。光学結像系の重量及び寸法を最小化しつつ、ごく容易に製造できるようにもしなければならないという条件下では、上述した性能基準を更に満たす光学結像系を設計することはより困難となる。
【０００４】
電子スチル／ビデオカメラ用の電子ビューファインダ等の他の種類の小型ディスプレイにおいても、眼鏡型ディスプレイ同様の性能条件がある。
【０００５】
図１に従来型の光学結像系の一例１０の平面図を示す。光学結像系１０はヘルメット搭載型のディスプレイシステム中に採用されているものであり、眼鏡型ディスプレイシステムの光学結像系と実質的に同じ機能を提供する。光学結像系１０は、平面ミラー１２、１４、５０−５０ビームスプリッタ１６、凹面ミラー１８及び４枚のレンズ２０、２２、２４、２５から構成される。像平面２６は射出ひとみ２８、又はその付近に位置するユーザーの目から横にずらされている。像平面から発散する光はレンズ２０を通過、平面ミラー１２で反射、レンズ２２、２４、２５を通過、平面ミラー１４で反射、ビームスプリッタで部分的に反射、凹面ミラー１８で反射・集束、そしてビームスプリッタを透過して射出ひとみに至る。この構造は像平面に位置する物体の直立した拡大画像を形成する。上述した性能条件を満たす為には光学結像系１０を構成する８つの主要部品を、位置及び少なくとも２軸を中心とした回転において相互に正確に配置されていなければならない。更に、レンズ２０及び２２は色収差を低減する為に出来れば図示のような二重レンズであることが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来型の光学結像系１０は複数の性能上の欠点を持っている。この光学結像系の視野は限られている。また、像平面２６に位置する物体が外部から照明されなければならないディスプレイ素子である場合、光学結像系の大きさを著しく大きくせざるを得ない。ディスプレイ素子が透過型ディスプレイ素子の場合、ディスプレイ素子を照明する背面の照明系により光学結像系のサイズが大きくなってしまう。ディスプレイ素子が反射型ディスプレイ素子の場合、ディスプレイ素子とレンズ２０との間に照明系を収容する為の充分な空間を設けなければならず、これにより光学結像系のサイズが増大する。従来型の光学結像系には小型の反射性照明光学素子を収容することが出来ず、別個の照明光学素子を設けなければならない。最後に、従来型の光学結像系ではディスプレイ素子がユーザーの目と同じ点水準ではあるが、そこからかなりの距離を水平にずらした位置にある。これに要する光学結像系の幅により、この眼鏡型ディスプレイはユーザーの周縁視界を大幅にさえぎることになる。
【０００７】
他の周知の光学結像系も同様の、或は更なる問題を抱えている。
【０００８】
よって必要とされるのは、高解像度で低歪みの物体画像を、ユーザーの目から見易い距離に形成する、可能な限り軽量で小型の光学結像系である。眼鏡型ディスプレイに利用された場合、光学結像系は大型のコンピュータモニタを一般的な視距離から見た場合に匹敵する見かけ上のサイズを持つ画像を形成し、そしてその画像を見易い視距離に作るものでなければならない。光学結像系はまた、反射型及び透過型ディスプレイ素子の両方に利用可能でなければならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、像平面に位置する物体から受光した光を射出ひとみへと送って画像を形成する小型の光学結像系を提供するものである。光学結像系は第一のプリズム、第二のプリズム、集束性の反射素子及び集束性の透過素子を含む。第一のプリズムは第一の面、第二の面及び第三の面を含む。その第三の面は像平面に向いている。第一のプリズムの第一の面と第二の面との間の角度はαである。第二のプリズムは射出ひとみに面し、第一のプリズムの第一の面と実質的に平行の第一の面と、第一のプリズムの第二の面に隣接する第二の面を含む。集束性の反射素子は第一のプリズムの第一の面に隣接している。集束性の透過素子は第二のプリズムの第一の面上、或はそれに隣接して設けられている。第一のプリズムの第一の面と第二の面との間の角度αは、射出ひとみから出る光が集束性の透過素子、第二のプリズム及び第一のプリズムを通過し、集束性の反射素子で反射して第一のプリズムへと戻り、第一のプリズムの第二の面で反射し、第一のプリズムの第一の面で完全に内部的に反射し、第一のプリズムの第三の面を通過して像平面へと至ることになるような範囲にある。
【００１０】
本発明は更に、第一のプリズム、第二のプリズム、集束性の反射・屈折素子及び集束性の回折光学素子を含む小型の光学結像系を提供するものである。第一のプリズムは第一の面、第二の面及び第三の面を含む。その第三の面は像平面に向いている。第一のプリズムの第一の面と第二の面との間の角度はαである。第二のプリズムは射出ひとみに向き、第一のプリズムの第一の面に実質的に平行な第一の面と、第一のプリズムの第二の面に隣接する第二の面を含む。集束性の反射・屈折素子は第一のプリズムに取り付けられており、第一のプリズムの第一の面に向く反射性の凹面を含む。集束性の回折光学素子は第二のプリズムの第二の面に取り付けられているか、或はそれと一体に成形されている。
【００１１】
角度αは、（Φc／２）＜α＜Φcの範囲にあり、ここでΦcは第一のプリズム材料の臨界角である。
【００１２】
光学結像系は更に、物体を第一のプリズムの第三の面から事前に決められた距離及び事前に決められた角度関係に自動的に配置するように構成された物体キャリアを含むものであっても良い。
【００１３】
物体キャリアは、物体を第一のプリズムの第三の面に実質的に平行に配置するように構成することが出来る。
【００１４】
物体キャリアは更に、ユーザーの視力障害に応じた矯正が可能となるように、第一のプリズムの第三の面からの物体の配置距離を調節可能に構成したものでも良い。
【００１５】
最後に、本発明は小型の光学結像系を製造する方法を提供するものである。この方法においては、第一のプリズム、第二のプリズム及び反射性の凹面を含む集束性の反射・屈折素子が作製される。第一のプリズムは第一の面、第二の面及び第三の面を含む。第一のプリズムの第一の面と第二の面との間の角度はαである。第二のプリズムは第一の面、第二の面、第三の面及びその第一の面に取り付けられた、或はそれと一体の回折光学素子を含む。第二のプリズムの第一の面と第二の面との間の角度もまた、αである。
【００１６】
第一のプリズムは第二のプリズムに、第二の面同士が接触するように、そして第一の面同士は実質的に平行となるように取り付けられている。集束性の反射・屈折素子は、その反射性の凹面が第一のプリズムの第一の面に向くように、第一のプリズムへと取り付けられている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２に本発明に基づく小型・軽量の光学結像系の第一の実施例１００の概略図を示した。光学結像系１００は眼鏡型ディスプレイや、それに類する性能条件を持つ他の種類の小型ディスプレイに好適なものである。光学結像系は、第一のプリズム１０２、第二のプリズム１０４、集束性の透過素子１０６及び集束性の反射素子１０８を含んでいる。光学結像系１００は像平面１２０に位置する物体からの光を受け、射出ひとみ１２２又はその付近に位置するユーザーの目（図示せず）が認識出来る直立の拡大した物体の仮想画像を形成するものである。光学結像系は射出ひとみからいずれの事前定義距離にでも画像を形成出来るように構成することが出来る。この距離は通常の近点距離から無限大の範囲である。
【００１８】
光学結像系１００においては、第一のプリズム１０２は、図の平面において実質的に三角形の断面を持ち、第一の面１３２、第二の面１３４及び第三の面１３６を含んでいる。第一の面１３２と第二の面１３４との間の角度はαである。第二の面は半反射性の層１３８を含む。この半反射性の層としては、適当な成膜工程により第二の面１３４上に設けた誘電体コーティングを用いても良い。
【００１９】
第二のプリズム１０４もまた、図の平面において実質的に三角形の断面を持ち、第一の面１４２、第二の面１４４及び第三の面１４６を含む。第二のプリズムの第一の面１４２と第二の面１４４との間の角度もまた実質的にαに等しい。半反射性の層１３８は、第二の面１３４のかわりにこの第二の面１４４に設けても良い。しかしながら、半反射性の層と集束性の透過素子１０６は通常、それぞれ異なる部品に設けた方が光学結像系の製造は容易である。よって半反射性の層は第一のプリズム１０２の第二の面１３２に設けることが推奨される。
【００２０】
第二のプリズム１０４は第一のプリズム１０２に、その第二の面１４４が第二の面１３４に接触するように隣接して配置される。これらのプリズムは、第三の面１３６が第三の面１４６と反対になるように配向される。これにより第一の面１３２は第一の面１４２に対して実質的に平行となる。出来れば第二のプリズムは、第二の面１４４と半反射性の層１３８との間に光学接着剤（図示せず）の薄い層を塗布することにより第一のプリズムに取り付けられることが望ましい。
【００２１】
光学結像系１００の一実施例においては、第一のプリズム１０２はペンシルバニア州ドゥリエー市のＳｃｈｏｔｔ  Ｇｌａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．が販売するＢＫ７型ガラスから作られたガラス製プリズムである。このガラスの屈折率は１．５２０である。第二のプリズム１０４は１．４９６の屈折率を持つアクリルプラスチックで成形したプラスチック製プリズムである。これに適したアクリルプラスチックは、例えばオハイオ州コロンバス市のＰｌａｓｋｏｌｉｔｅ、Ｉｎｃ．等、多数の業者から入手可能である。第二のプリズムをアクリルプラスチックで成形することにより、ガラスプリズムの場合と比較して重量や量産コストが大幅に削減され、更に後に説明するように集束性の透過素子１０６を第二のプリズムの一部として成形することが可能となる。第一のプリズムの材料として当初はガラスを利用することを選択していたが、これは完全内部反射を生じる第一の面１３２に必要な平坦性を得るにはその当時はプラスチックよりもガラスで作製した方が容易だった為である。
【００２２】
最近は必要な平坦度の面を持つ成形プラスチックプリズムを得ることが可能となった。この結果、現在はプリズム１０２及びプリズム１０４の両方の材料としてプラスチックが推奨される。しかしながら、材料の選択は本発明にとってあまり重要ではない。両プリズムをガラスプリズムとしても、両プリズムをプラスチックプリズムとしても、ガラスプリズムとプラスチックプリズムを取り混ぜて利用しても良い。更には、両プリズムとも同じ屈折率を持っていても良い。
【００２３】
光学結像系１００においては、光学軸１６０は折れ曲がっており、軸区分１６１、１６２、１６３、１６４を含んでいる。軸区分１６４は第一のプリズム１０２の第一の面１３２から直角に伸びており、更に第二のプリズム１０４の第一の面１４２にも直角である。軸区分１６３は集束性の反射素子１０８の反射面１４０の中央から垂直に出て第一のプリズム１０２の第二の面１３４まで伸びている。軸区分１６３は軸区分１６４からずれた位置に破線で描いたが、これは軸区分１６３を図に示す為にそうしたものである。実際には、軸区分１６３は軸区分１６４の一部に重なっている。軸区分１６２は第一のプリズムの第二の面１３４と第一の面１３２との間に伸びている。軸区分１６１は像平面１２０から垂直に出て第一のプリズムの第一の面１３２まで伸びており、これはまた第三の面１３６に対しても直角となっている。
【００２４】
集束性の反射素子１０８は軸区分１６４に中心を持ち、これに直交しており、そして第一のプリズム１０２の第一の面１３２に隣接して位置する。集束性の透過素子１０６は軸区分１６４に中心を持ち、これに直交している。集束性の透過素子は第二のプリズム１０４の第一の面１４２上に、又はこれに隣接して位置する。集束性の透過素子が第一の面１４２上に位置する場合、集束性の透過素子は第一の面１４２と一体であっても、第一の面１４２に取り付けた独立した素子であっても良く、これについては後に図３を参照しつつより詳細を説明する。集束性の反射素子及び集束性の透過素子は集合的に、像平面に位置する物体の垂直の仮想画像を形成する２要素拡大系を構成している。
【００２５】
集束性の透過素子１０６として従来型の球面又は非球面レンズを利用しても良いが、これは出来れば色収差を低減する為に複合レンズであることが望ましい。集束性の反射素子１０８としては従来型の球面又は放物面ミラーを利用しても良い。図３を参照しつつ後に説明するように、回折性の光学素子を集束性の透過素子１０６として、そして集束性の反射・屈折素子を集束性の反射素子１０８として利用することが望ましい。
【００２６】
像平面１２０は集束性の光学素子１０６及び１０８から数ｃｍの距離に位置し、光学結像系１００が必要な拡大倍率を提供し得るようになっている。光学結像系１００の大きさに対する悪影響を抑制しつつ像平面を集束性の光学素子からこのような距離に配置する為に、像平面１２０と集束性の反射素子１０８との間の光学軸１６０の一部が折畳まれる。光学軸の折畳まれた部分は、軸区分１６１〜１６３で構成される。
【００２７】
像平面１２０から射出ひとみ１２２までの間の光学軸１６０の形状は、射出ひとみ１２２から像平面１２０までの光学軸に沿って逆方向に移動する細い光線の経路を説明するとより容易に理解することが出来る。このような光は射出ひとみから軸区分１６４に沿って集束性の透過素子１０６及び第二のプリズム１０４を通過する。その光の一部（通常５０％）は半反射性の層１３８を通過し、軸区分１６４に沿って第一のプリズム１０２を通過して集束性の反射素子１０８に達する。
【００２８】
その光は集束性の反射素子１０８により反射し、軸区分１６３に沿って第一のプリズム１０２を通過して第一のプリズムの第二の面１３４に達する。軸区分１６３は上述したように軸区分１６４の一部に重なるものであり、軸区分１６４を示す実線から横にずらした位置に描いた点線として描いた。
【００２９】
第一のプリズム１０２においては、第一の面１３２と第二の面１３４との間の角度αは第一のプリズム材料の臨界角Φcよりも小さいが、臨界角の２分の１よりも大きい［例：（Φc／２）＜α＜Φc］。幾何分析の結果、軸区分１６３に沿って移動する光の、第一のプリズム１０２の第二の面１３４への入射角θがαに等しいことが示された。第二の面１３４への入射角は臨界角度よりも小さい為、光は第二の面１３４を通過し、半反射性の層１３８に至る。
【００３０】
軸区分１６３に沿って移動する入射光の一部は、半反射性の層１３８により反射し、軸区分１６２に沿って第一のプリズムへと送り返される。この光は第一のプリズムの第一の面に向かって移動する。幾何分析では第一のプリズムの第一の面１３２への入射角Φは、αに等しいことが示された。第一のプリズム材料の臨界角度は２α未満である為、入射光は第一の面において完全に内部反射し、第一のプリズム中を軸区分１６１に沿って移動する。
【００３１】
第一のプリズム１０２の第三の面１３６と第一の面１３２との間の推奨される角度は２α（アルファ）である。この角度関係であれば、第三の面は軸区分１６１に直交する位置となり、これにより第三の面を通じた光の透過は最大化される。第三の面と第一の面との間の角度は２α以外でも良いが、そうすると光学結像系１００の構造が大幅に複雑化してしまう。
【００３２】
像平面１２０は軸区分１６１に中心を持ち、これに直交する。この為、像平面は第一のプリズムの第三の面１３６と平行である。
【００３３】
次に、図３、図４及び図５を参照しつつ、本発明に基づく光学結像系の第二の実施例２００を説明する。図３、図４及び図５に示したこの実施例の要素で、図２に示した実施例の要素に対応するものは同じ符号で示し、ここでは詳細を説明しない。
【００３４】
図３に示した光学結像系２００においては、集束性の反射素子１０８として集束性の反射・屈折素子１５０が、そして集束性の透過素子１０６として回折光学素子１５２が採用されている。従来型のミラー及び従来型のレンズと比べ、反射・屈折素子及び回折光学素子は本発明に基づく光学結像系の重量及びサイズをより低減するものである。反射・屈折素子及び回折光学素子はまた、光学結像系の製造を簡略化するものでもある。回折光学素子は第二のプリズム１０４の第一の面１４２に取り付けること（製造を簡略化）も出来るし、或は図３に示したように第一の面１４２と一体に作ること（製造を更に簡略化）も出来る。例えば、回折光学素子は第二のプリズムの成形の際に、第一の面１４２と一体に成形することが出来る。反射・屈折素子は第一のプリズム１０２に容易に取り付けることが可能であり、図６〜図８を参照しつつより詳細を説明するが、これもまた光学結像系の製造を簡略化するものである。
【００３５】
反射・屈折素子１５０は両凸面レンズ又は凹凸レンズ１５４から成り、その凸面には銀コーティングが施されて反射面１４０が形成されている。反射・屈折素子も従来型の凹面ミラーも球状の表面を有するものであるが、反射・屈折素子の方が球面収差は大幅に少ない。反射・屈折素子は球面を有する為に従来型の放物面ミラーよりも製造が容易である。従来より周知のマンジャンミラーは集束性の反射・屈折素子の一例である。
【００３６】
光学結像系１００の幾つかのアプリケーションにおいては、集束性の反射・屈折素子１５０の反射面１４０の反射率は１００％に近く、光学結像系１００が像平面１２０に位置する物体からの光を射出ひとみ１２２付近に位置するユーザーの目（図示せず）に送る効率を最大化することが可能である。実用においては、約９８％程度の高い反射率が得られる。このような実施例では反射面１４０はそれを保護するに好適な不透明のシーラントで封じられる。他のアプリケーションでは物体の画像をユーザーの周囲環境の光景に重ね合わせる光学結像系１００の実施例を採用しているものもある。このような実施例においては、反射面１４０の反射率を例えば５０％等の１００％よりも大幅に低い値に設定し、ユーザーの周囲環境からの光が反射・屈折素子１５０を透過出来るようにしている。反射・屈折素子の一部を構成する凸レンズ１５４と回折光学素子１５２とによって集合的に、像平面１２０に位置する物体の画像を重ねるユーザーの周囲環境の画像が形成される。この場合、反射面１４０を保護する為のシーラントには透明のものが使用される。
【００３７】
回折光学素子は従来より周知である。回折光学素子はたった数ミリの厚さに作ることが可能であり、集束レンズのような特性を提供する。従って回折光学素子は同等の従来型レンズよりも著しく小型・軽量であり、量産もより安価で出来る。所望の光学特性を持つ回折光学素子を供する「リング」と呼ばれる位相幾何的特徴の位置及びサイズの設計に使うコンピュータプログラムは市販されている。このようなプログラムがあれば、設計者はリングの位置、サイズ及び形状を精密に画定することが出来、回折光学素子から出る波面の形状を所望の光学性能を提供するように正確に作ることが出来る。この実施例においては、回折光学素子１５２を構成するリングのトポロジーは、必要とされる集束特性、そして更には反射・屈折素子１５０の色収差及び残留球面収差を修正する為の特性を提供し得るように設計される。
【００３８】
回折光学素子１５２は柔軟な又は硬質の薄膜素子として作製することが出来る。回折光学素子を含む部品は適当な屈折率整合接着剤を使って第二のプリズム１０４の第一の面１４２に取り付けることが出来る。第二のプリズム１０４を成形加工によって作製する場合は、かわりに、そして出来れば、回折光学素子の位相幾何学的特徴を第一の面１４２を画定する型の一部として画定することが望ましい。このようにすれば、回折光学素子を第二のプリズムと同じ製造工程において作成することが出来る。回折光学素子を第二のプリズムの第一の面と一体に作製することにより、回折光学素子のコストが抑えられ、また、回折光学素子と第二のプリズム間の位置合わせを行う必要がなくなる。
【００３９】
回折光学素子１５２は、表面から突出する、或は表面中に陥没する複数の同心リングから構成される。この図３に示す事例においては、リングは第二のプリズム１０４の第一の面１４２から突出している。回折光学素子の一部の断面図を図５に示したが、ここではリングをわかり易く説明する為にリングの高さを大幅に誇張してある。回折光学素子は凸状の中央リング１７０と複数の外部リングを含み、そのうちの一例を１７２に示した。各外部リングは概ね三角形の断面を有しており、これには軸区分１６４に対して実質的に平行な放射内面１７４と、傾斜をつけた放射外面１７６が含まれる。隣接するリング間の間隔は軸区分からの距離が増すに従って小さくなって行く。この実施例においては、第一の面１４２からのリング高さは１．０３５２μｍであり、リング数は４０、そして隣接リング間の最小間隔は５１μｍである。
【００４０】
次に図３に戻ると、回折光学素子は保護プレート１５６により保護されている。この保護プレートは、回折光学素子１５２を覆う、平行な主面を持つ平らな光学ガラスの薄片である。保護プレートは、その主面の一方を回折光学素子に接触させるようにして第二のプリズム１０４の第一の面１４２に取り付けられている。保護プレートは、回折光学素子の外周よりも外側の保護プレート上の箇所、或は第一の面１４２上の箇所に適当な接着剤を塗布することにより、第一の面１４２へと取り付けられる。
【００４１】
図４は、像平面１２０上の３つの異なる位置の各々から３つの異なる角度で出ている光線が、光学結像系１００を通る経路を示したものである。像平面上に位置する物体からの光は第三の面１３６を通過して第一のプリズム１０２に入るが、ここでは第一の面１３２において完全に内部反射し、第二の面１３４に含まれる半反射性の層１３８で反射した後、第一の面１３２を通過して反射・屈折素子１５０に至る。光は反射・屈折素子により反射、集束され、第一の面１３２を介して第一のプリズム中へと戻される。その後光は第一のプリズム、半反射性の層１３８及び第二のプリズム１０４を通過する。第一の面１４２を介して第二のプリズムを出た光は回折光学素子１５２により更に集束されている。そして光は射出ひとみ１２２付近に位置するユーザーの目（図示せず）へと送られる。
【００４２】
図６、図７及び図８は本発明に基づく光学結像系の第三の実施例３００の、それぞれ上面図、前面図、及び後面図である。光学結像系３００は、像平面に位置するディスプレイ素子２２０の拡大画像を形成する眼鏡型ディスプレイの２分の１の部分を構成するものとして図示してある。完全な眼鏡型ディスプレイは互いに対して鏡像である２つの光学結像系を含む。ユーザーの目の各々の前にそれぞれ１つの光学結像系が位置している。図６〜図８に示した眼鏡型ディスプレイの部分は、ユーザーの右目の前に来る部分である。
【００４３】
光学結像系３００は像平面に位置するディスプレイ素子２２０の拡大した直立の仮想画像を形成するものである。照明装置（図示せず）がディスプレイ素子を偏光で照明する。ディスプレイ素子の各画素は、光の偏光方向を選択的に回転させる。光学結像系３００では、第一のプリズム１０２の第三の面１３６がオプションの偏光子２２４を含むものとして図示した。照明装置はディスプレイ素子から受けた光の偏光方向の選択的回転を強度変化へと変換する偏光アナライザを含む。偏光子２２４は強度変化のダイナミックレンジを大きくする為の補助偏光アナライザとして作用する。必要でなければ偏光子２２４は省いても良い。
【００４４】
眼鏡型ディスプレイ用途においては、光学結像系３００はディスプレイ素子２２０の画像を射出ひとみから約１ｍの位置に作るように構成されている。この距離は一般的なコンピュータモニタの視距離よりも幾分大きいが、眼鏡型ディスプレイにおいては見易い距離である。ディスプレイ素子の寸法は、水平方向×垂直方向が約１２．３ｍｍ×９．２ｍｍである。「水平」及び「垂直」という語はディスプレイ素子２２０に関連して使用した場合、テレビやビデオのディスプレイと同じ感覚で使われる。光学結像系は、大型モニタを通常の視距離から観るに匹敵する見掛け上のサイズを持つディスプレイ素子の拡大画像を形成する。
【００４５】
図６〜図８に示した実施例３００の要素で、図２及び図３に示した要素に対応するものには同じ符号を付し、再度その詳細説明は行なわない。回折光学素子１５２の、図示したリングよりも中心から更に離れたリングに関しては、図を簡略化する為に図５Bから省略した。
【００４６】
光学結像系３００において、反射・屈折素子２５０は側面２０１を持つ形状とした。これらの側面は、反射・屈折素子の直径を挟んで対向する端部において平行に配された平坦面である。取付耳２０３が側面２０１の各々に取り付けられている。取付耳は、例えば好適な接着剤を用いて取り付けることが出来る。取付耳は図８に示したように第一のプリズムの側面２０５及び２０７に重なる。
【００４７】
反射・屈折素子２５０の位置を第二のプリズム１０４上に位置する回折光学素子１５２と合わせる前に、後にも説明するように、各取付耳２０３と第一のプリズム１０２の対応する側面２０５、２０７に接着剤（図示せず）を塗布する。反射・屈折素子の位置合わせを完了した後、反射・屈折素子を第二のプリズム１０４の第一の面１４２上に位置する回折光学素子に対して正しい位置及び角度関係に固定する為に接着剤をキュアする。
【００４８】
光学結像系３００は更に、ディスプレイ素子キャリア２１１も含む。ディスプレイ素子キャリアはディスプレイ素子２２０を第一のプリズム１０２に対して必要とされる位置的・角度的関係へと自動的に位置決めするように構成される。ディスプレイ素子キャリアは図示のように別個の要素であっても、或はそのディスプレイ素子と光学結像系を含む眼鏡型ディスプレイのハウジングと一体のものであっても良い。
【００４９】
ディスプレイ素子キャリア２１１は側部片２１５及び２１７とそれを接続する取付プラットフォーム２１３から構成される実質的にＵ字型の部品である。図６に示した、第一のプリズム１０２の側面２０５、２０７に向いた側部片の内面間のｚ方向の距離は、第一のプリズムの側面間の距離に等しいか、或は数ミクロン大きい。取付プラットフォームは外部リップ２１９を含む。外部リップは取付プラットフォームと側部片との両方に対して実質的に垂直であり、側部片間に伸びている。
【００５０】
ディスプレイ素子２２０は、ディスプレイ素子キャリア２１１に対して３方向において事前に決められた位置に来るように取付プラットフォーム２１３へと固定される。ディスプレイ素子の位置は、外部リップ２１９によりｘ方向において、取付プラットフォームによりｙ方向において、そして側部片２１５、２１７によりｚ方向において定義される。ディスプレイ素子が側部片間の距離よりも細い場合の実施例においては、取付プラットフォームに側部片に平行に伸びる更なるリップを設けても良い。これらのリップはディスプレイ素子のｚ方向の幅と等しい、或はそれよりも若干大きい距離分離れた対向する面を有する。
【００５１】
ディスプレイ素子キャリア２１１は第一のプリズム１０２に対して事前に決められた位置で第一のプリズム１０２へと取り付けられる。ディスプレイ素子キャリアは内部リップ２２１及びサイドレール２２３、２２５を含む。内部リップは側部片２１５、１２７に対して直角であり、側部片間に伸びており、その内部面が第一のプリズム１０２の第二の面１３４と嵌合する。この嵌合によりディスプレイ素子キャリアの第一のプリズムに対するｘ方向の位置が画定される。
【００５２】
サイドレール２２３、２２５はそれぞれ側部片２１５、２１７から内部へと直角に伸び、また、側部片に沿って取付プラットフォーム２１３と平行に伸びている。サイドレールは各々、取付プラットフォームに対して平行の面を有している。サイドレールの面は第一のプリズム１０２の第三の面１３６に含まれる偏光子２２４に嵌合する。この嵌合により、ディスプレイ素子キャリア２１１の第一のプリズムに対するｙ方向の位置が定義される。
【００５３】
上述したように、側部片２１５、２１７の内面間の距離は第一のプリズム１０２の側面２０５、２０７間の距離から数ミクロン以内にある。側部片と第一のプリズムの側面との嵌合はディスプレイ素子キャリア２１１の第一のプリズムに対するｚ方向の位置を画定する。
【００５４】
従って、ディスプレイ素子キャリア２１１を、その内部リップ２２１が第二の面１３４に接触するように、サイドレール２２３、２２５が第三の面１３６に含まれる偏光子２２４に接触するように、そして側部片が側面２０５、２０７と接触するように第一のプリズム１０２へと取り付けることにより、ディスプレイ素子キャリアの第一のプリズムに対する３方向全てにおける位置が自動的に画定される。上述したようにディスプレイ素子キャリアはディスプレイ素子２２０のキャリアに対する３方向全てにおける位置をも自動的に画定する為、ディスプレイ素子キャリアはディスプレイ素子の光学結像系３００に対する位置を自動的に画定するものである。
【００５５】
前述の通り、ディスプレイ素子キャリア２１１の取付プラットフォーム２１３、側部片２１５、２１７、外部リップ２１９、内部リップ２２１及びサイドレール２２３、２２５は、光学結像系３００及びディスプレイ素子２２０を含む眼鏡型ディスプレイのハウジング（図示せず）と一体であっても、或はハウジングにより支持されるものであっても良い。このケースの場合、ディスプレイ素子２２０はハウジングの取付プラットフォーム２１３を構成する部分に取り付けられており、ディスプレイ素子の一部はハウジングの外部リップ２１９を構成する部分に接触している。第一のプリズム１０２、第二のプリズム１０４、回折光学素子１５２、及び反射・屈折素子１５０から成る光学サブアセンブリ１８０は、第二の面１３４がハウジングの内部リップ２２１を構成する部分に、第三の面１３６に含まれる偏光アナライザがハウジングのサイドレール２２３、２２５を構成する部分に、そして第一のプリズム１０２の側面２０５、２０７がハウジングの側部片２１５、２１７を構成する部分にそれぞれ接触した状態で、ハウジング中に取り付けられている。ディスプレイ素子と光学サブアセンブリが上述したようにハウジングに嵌合していれば、ハウジングは光学結像系に対するディスプレイ素子の位置を自動的に画定するのである。
【００５６】
図６〜図８に示した眼鏡型ディスプレイにおいては、光学結像系３００は反射型ディスプレイ素子２２０の画像を形成する。照明装置（図示せず）が光源（図示せず）からの偏光を取付プラットフォーム２１３から離れた位置から反射型ディスプレイ素子の主面へと向ける。反射型ディスプレイ素子はこの光の偏光を選択的に回転させ、反射光は偏光子２２４を通過して光学結像系へと入る。これに好適な反射型ディスプレイ素子が、米国特許出願第０９／０７０、４８７号及び第０９／０７０、６６９号に記載されており、これらの開示内容は参考となる。放物面反射器を採用し、充分に小型でディスプレイ素子キャリア２１１中のディスプレイ素子２２０と第一のプリズム１０２との間の空間に配置出来る照明装置は、米国特許出願第０９／１３９、９６２号に記載されている。
【００５７】
図６〜図８に示した光学結像系３００に図示した反射型ディスプレイ素子のかわりに透過型ディスプレイ素子を採用する場合は若干の変更を加えなければならない。透過型ディスプレイ素子を収容する為に、照明装置（図示せず）からの偏光が通過して取付プラットフォームに隣接する透過型ディスプレイ素子の表面を照明するように、取付プラットフォーム２１３は窓を設けた構造に作られる。透過型ディスプレイ素子は透過する光の偏光方向を選択的に回転させ、透過した光は偏光アナライザ（図示せず）及びオプションの偏光子２２４を通過し、第三の面１３６を介して第一のプリズム１０２へと入る。
【００５８】
光学結像系３００を透過型ディスプレイ素子と共に利用する場合、反射・屈折素子１５０及び回折光学素子の特性を変え、透過型ディスプレイ素子の位置を反射型ディスプレイ素子２２０の場合よりも第一のプリズム１０２の第三の面１３６に近づけて配置出来るようにすれば良い。透過型ディスプレイ素子の位置を第三の面により近づけて配置することにより、光学結像系３００を利用した眼鏡型ディスプレイの大きさを著しく増大させることなく照明装置と第一のプリズム１０２とを透過型ディスプレイ素子の反対側に配置することが出来る。
【００５９】
本発明に基づく光学結像系の最大の利点は、これがたった４個の光学部品により構成されるという点である。更に、実施例においては、４個の光学部品のうちの２個、具体的には第二のプリズム１４２及び回折光学素子１５２は一体化して単一の光学部品にすることが出来る。このような一体化は回折光学素子を第二のプリズムの第一の面１４２の一部に形成することにより、或は回折光学素子を第二のプリズムの第一の面の事前に決められた位置に固定することにより実現される。第二のプリズム及び回折光学素子を一体化することで互いに対して光学的に位置を合わせなければならない光学部品が３個のみとなり、従って本発明に基づく光学結像系の製造が更に簡略化される。
【００６０】
本発明に基づく光学結像系は、次のように組み立てられる。第一のプリズム１０２が、回折光学素子１５２を含む第二のプリズム１０４に対して角度的に合わせられ、その後第二のプリズムへと固定される。次に反射・屈折素子１５０が回折光学素子及び両プリズムに対して位置的、角度的に合わせられ、第一のプリズムに固定される。角度合わせは光学的に行われ、位置合わせは基準面間の距離を事前に決められた値に設定することにより行われる。ディスプレイ素子キャリアを含む光学結像系の実施例の組み立ては、ディスプレイ素子キャリア２１１を第一のプリズム１０２に固定し、ディスプレイ素子２２０の第一のプリズムに対する位置を自動的に合わせることで完了する。
【００６１】
図９、図１０及び図１１は、本発明に基づく光学結像系を組み立てる為に採用し得る工程を説明したものである。位置合わせ工程は、図９に示した位置合わせ機構を用いることにより行うことが出来る。この位置合わせ機構は、レーザー２４１、ピンホール２４３、ビームスプリッタ２４５、平面ミラー２４７及び黒スクリーン２４９から構成される。これらの要素は光学ベンチ２５１又はこれら要素の相互位置を正確に画定することが可能の同様の装置上に取り付けられている。レーザーはヘリウム−ネオンレーザーであることが望ましい。
【００６２】
始めはビームスプリッタ２４５は除かれている状態にある。レーザー２４１により生じた光はピンホール２４３を通過し、ミラー２４７により反射してピンホールに向かって戻る。ミラーに向かって移動する光２５３は実線で、ミラーにより反射した光２５５は点線で示した。点線は、この点線がわかるように実線から横にずらして描いた。実際には、光線はミラーが正しく位置合わせをされている場合には重なり合う。ミラーは、反射光２５５がピンホールを通り、レーザーへと戻るように合わせられる。その後ビームスプリッタが光２５５を黒スクリーン２４９へと向けるように光２５５に対して約４５°に合わせられる。光２５５は黒スクリーン上にスポットを形成する。スポットの位置２５７が基準点としてマーキングされる。
【００６３】
次に、図１０に示すように回折光学素子１５２を含む第二のプリズム１０４がビームスプリッタ２４５とミラー２４７との間の光学経路に導入される。第二のプリズムは位置合わせ用のプラットフォーム２５９上に取り付けられている。このプラットフォームは光学ベンチ２５１上に取り付けられたものである。プラットフォームは、回折光学素子１５２の中心を光２５３に正確に合わせ、第二のプリズムの第一の面１４２を光２５３に対して直角にして第二のプリズムの位置決めを行うように構成されている。第二のプリズムの位置及び角度合わせを画定する為に、プラットフォームは第二のプリズムの第一の面１４２、第三の面１４６及び側面２６１（図７参照）と嵌合させる３つの基準面を含む。光学接着剤（図示せず）が第二のプリズムの第二の面１４４に塗布される。
【００６４】
その後、第一のプリズム１０２がピームスプリッタ２４５とミラー２４７との間の光学経路中へと導入される。第一のプリズムの第二の面１３４は第二のプリズム１０４の第二の面１４４に隣接して置き、第二の面１３４に含まれる半反射性の層１３８を第二の面１４４に接触させ、第一のプリズムの側面２０５（図８参照）をプラットフォーム２５９の基準面２６３に接触させる。第一のプリズムと第二のプリズムの図１０に示したｙ方向における位置合わせは相対的にあまり重要ではない。しかしながら、ｘ軸を中心とした角度誤差があると、第一のプリズムの第一の面１３２は第二のプリズムの第一の面１４２に対して平行ではなくなってしまう。これらの面が平行ではない場合、光２５５は黒スクリーン２４９上の基準位置２５７とは異なる位置に戻ることになる。プリズムを光学経路中へと導入した後に光２５５により生じた黒スクリーン上のスポットが基準位置以外の場所に来た場合、第一のプリズムのｘ軸を中心とした角度位置が調整され、スポットを基準位置上へと戻す。この条件が満たされた場合、第一のプリズムの第一の面１３２は第二のプリズムの第一の面１４２と正確に平行となり、光学接着剤がキュアされる。
【００６５】
次に図１１に示すように、取付耳２０３を既に取り付けた反射・屈折素子２５１が第一のプリズム１０２とミラー２４７との間の光学経路中へと導入される。取付耳には好適な接着剤が塗布される。光学経路中に導入される前に、反射・屈折素子２５０は取付台２６５上に取り付けられる。この取付台は反射・屈折素子の反射面１４０と接触する基準面２６７と、更には反射・屈折素子の側面２０１を含む外周部と嵌合させるグリップ部品２６９とを含んでいる。基準面２６７及びグリップ部品は集合的に、反射・屈折素子の取付台２６５に対する３方向全ての位置を画定するものである。取付台は光学ベンチ２５１上に位置するプラットフォーム２７１上に取り付けられる。プラットフォームは、反射・屈折素子の中心が光線２５３に正確に合うような位置に取付台を配置する。取付台２６５のプラットフォーム２７１に対する角度位置はｙ及びｚ軸を中心に調節可能である。
【００６６】
プラットフォーム２７１は、取付台２６５の基準面２６７がプラットフォーム２５９から事前に決められた距離に来るまで光学ベンチ２５１に沿って進められる。事前に決められた距離は機械的手段により、又は干渉計により、或は他の好適な手段により決定することが出来る。この条件が満たされると、反射面１４０は第二のプリズム１０４の第一の面１４２から事前に決められた距離に位置していることになる。これにより、反射・屈折素子２５０の回折光学素子１５２からの距離が設計通りの距離となる。反射・屈折素子が解析性光学素子から設計距離に位置している場合、取付耳２０３は第一のプリズム１０２の側面２０５、２０７（側面２０７は図８に図示）に重なり合い、取付耳に塗布された接着剤により取付耳と第一のプリズムの側面との間の隙間が埋められる。
【００６７】
反射・屈折素子２５０と第二のプリズム１０４の第一の面１４２との間に角度誤差があると、黒スクリーン２４９に戻った光２５５は基準位置２５７とは異なる位置に来る。反射・屈折素子を光学経路へと導入した後に光２５５が黒スクリーン上の基準位置２５７以外の場所にスポットを生じた場合、取付台２６５の角度位置が図８に示すｙ及びｚ軸を中心に調整され、スポットを基準位置へと戻す。この条件が満たされると、反射・屈折素子の反射面１４０の中心に対する垂線は正確に光２５３と平行に並ぶ。調整が完了すると、取付耳２０３と第一のプリズムの側面との間にある光学接着剤がキュアされる。
【００６８】
本発明に基づく光学結像系は高品質画像を小さなパッケージで提供する。、ＸＧＡ解像度（１０２４×７６８画素）を持つ１２．３ｍｍ×９．２ｍｍディスプレイ素子２２０を作動させるように構成した図６〜図８の実施例３００においては、第一のプリズム１０２の第一の面１３２の長さは約３３ｍｍである。光学結像系のこの実施例には２８°の広さの斜めの視野を持たせることが出来る。本発明に基づく光学結像系の一実施例の測定結果を示した図１２〜図１４により明らかなように、光学結像系はその高い変調伝達関数（ＭＴＦ）、低非点収差及び低歪み故に優良な画像品質を提供するものである。図１２はこの実施例の回折限界、及び３つの異なる画角における変調伝達関数を示したものである。ここでは空間周波数に対する変調をグラフ化した。図１３は非点収差視野曲線を示しており、非点収差に起因する焦点シフトを画角に対してグラフ化したものである。図１４は歪み曲線であり、歪みを画角に対して表わしたものである。
【００６９】
光学結像系の実施例３００においては、ユーザーの目と回折光学素子１５２との間のアイリリーフは約２５ｍｍである。これはアイリリーフとしては相対的に大きい値であり、ユーザーは眼鏡を着用したままこの光学結像系を組み込んだ眼鏡型ディスプレイを使用することが出来る。しかしながら、この光学結像系はユーザーの軽い視力障害を矯正するように修正が出来る為、この光学系を組み込んだ眼鏡型ディスプレイの使用においてユーザーは眼鏡を着用する必要は無い。
【００７０】
本発明に基づく光学結像系３００はディスプレイ素子２２０の画像を射出ひとみから約１ｍ離れた位置に形成するように構成されている。遠視のユーザーにとってはこの距離に位置する画像を完全に鮮明に感じことが出来ない可能性もある。本発明に基づく光学結像系は、ユーザーの視力障害の矯正機能を更に提供するように構成することが容易である。この矯正機能はディスプレイ素子２２０と第一のプリズム１０２の第三の面１３６との間の距離を調節可能とすることにより提供される。この距離を１ｍｍ変えると約１ジオプトリーの矯正が得られる。ディスプレイ素子と第三の面との間の距離を調節可能とすることにより、更に近点距離や無限距離（無限遠）のような他の距離で画像を形成する実施例においてユーザーの視力障害に対する矯正が提供される。
【００７１】
図１５及び図１６に本発明に基づく光学結像系の第四の実施例４００を示す。この実施例においては、ディスプレイ素子２２０と第一のプリズム１０２の第三の面１３６との間の距離はユーザーの視力障害を矯正する為に調節可能である。図１５及び図１６に示した実施例の要素で図２、図３及び図６〜図８に示した実施例の要素に対応するものには同じ符号を付し、再度その詳細は説明しない。
【００７２】
図１５及び図１６に示す実施例においては、ディスプレイ素子キャリア３１１は図６〜図８に示したディスプレイ素子キャリア２１１と実質的に同様のＵ字型構造である。ディスプレイ素子キャリアは側部片３１５、３１７及び底部片３１３を含む。サイドレール３２３、３２５は図６〜図８に示した実施例中のサイドレール２２３、２２５と同様の構造で、側部片３１５、３１７から内側に向かって突き出ている。サイドレール３２５は図１５及び図１６に示す視野においては見えない。内部リップ３２１は側部片の間に伸びている。前述したように、サイドレール、側部片及び内部リップが集合的に、第一のプリズム１０２とディスプレイ素子キャリア３１１との間の３方向全てにおける位置的関係を画定している。
【００７３】
ディスプレイ素子キャリア３１１は更にディスプレイ素子２２０を載せるディスプレイ素子トレイ３８１を含む。ディスプレイ素子トレイの一方の主面３８４は、ディスプレイ素子と同様の寸法を持つ窪み３８３を画定する形状に作られている。窪みは図６〜図８に示した実施例においてディスプレイ素子の位置が画定された方法と同様の方法で、ディスプレイ素子のディスプレイ素子トレイに対する位置を３方向全てにおいて画定するものである。ディスプレイ素子トレイはその窪み３８３がサイドレール３２３、３２５に向いた状態で側部片３１５、３１７間にスライド可能に取り付けられる。ディスプレイ素子トレイはｙ方向には自由に移動可能であるが、ｘ及びｚ方向には固定され、サイドレールに対して正確に平行に、従って第一のプリズム１０２の第三の面１３６に対して正確に平行に保たれるように、スライド可能に取り付けられている。
【００７４】
図示の例においては、側部片３１５、３１７に隣接するディスプレイ素子トレイの側辺の各々を少なくとも１本の溝３８５を画定する形状に作ることにより、また、各側部片３１５、３１７に各溝に対応する形状、位置及び寸法を持つ内側に突出したガイド３８７を持たせることにより、ディスプレイ素子トレイ３８１は側部片３１５、３１７間にスライド可能に取り付けられる。各ガイドは図１６に示した断面において対応する溝としっかり嵌合する形状及び寸法に作られる。溝は方形の断面形状を持つものとして図示したが、他の好適な断面形状としても良い。溝は、ディスプレイ素子トレイの窪み３８３を画定する主面に対して垂直に伸びている。ガイドは底部片３１３から側部片を上に向かってサイドレール３２３、３２５に対して垂直方向、即ちｙ方向に伸びている。ガイドは側部片に取り付けた独立した部品としても良い。ガイドの位置及び方向、そしてこのガイドの溝への嵌合により、ディスプレイ素子トレイ３８１をｙ方向には自由に移動可能であるがｘ及びｚ方向には固定された位置に保持することが可能となり、ディスプレイ素子はｙ方向のあらゆる位置においてサイドレール３２３、３２５に対して平行に維持される。
【００７５】
ディスプレイ素子をｙ方向には自由に可動、そしてｘ及びｚ方向には固定位置に保持することによりディスプレイ素子をサイドレール３２３、２３５に対して正確に平行に保つことが出来るようにディスプレイ素子トレイ３８１を取り付ける他の好適な機構は従来より周知であり、それらを図示の構造のかわりに利用しても良い。
【００７６】
図１５及び図１６に示した例においては、ディスプレイ素子トレイ３８１のｙ方向の位置は図１５に示されるねじ機構３９０を調節することにより設定される。調整ねじ機構の部分をより明確に示すために、図１５においては側部片３１５の一部は切り取られている。
【００７７】
調整ねじ機構３９０においては、調整ねじ３８９にねじ山が切られており、その一端に調整ノブがはめ込まれている。調整ねじのねじ山は底部片３１３の中央に取り付けられたねじ穴を持つブシュ３９３にはめ込まれる。調整ねじは底部片の穴３９５を貫通して伸びる。調整ねじの調整ノブから離れた方の端部はディスプレイ素子トレイ３８１の下面に取り付けられたブシュ３９７に嵌合する。調整ねじはブシュ３９７に対して回転することが出来る。調整ねじの端部近くにある溝３９９がブシュ３９７にはめ込まれており、これにより調整ねじがｙ方向に移動すると、ブシュ３９７に、よってディスプレイ素子トレイ３８１にもこの方向における等しい移動を生じる。
【００７８】
ユーザーは調整ノブ３９１を回すことにより光学結像系４００を自分の視力に合わせて調整する。調整ノブを回すと調整ねじ３８９が回転する。調整ねじの回転はねじ穴付きブシュ３９３により、調整ねじのねじ穴付きブシュに対するｙ方向の移動に変換される。調整ねじの動きによりディスプレイ素子トレイ３８１は上述したようにｙ方向に移動する。ユーザーが調整ノブを回す方向により、ディスプレイ素子トレイがサイドレール３２３、３２５に対して、よって第一のプリズム１０２の第三の面１３６対して寄るか離れるかが決まる。
【００７９】
実用的な実施例においては、ディスプレイ素子トレイ３８１のｙ方向における移動範囲は約２．５ｍｍであり、これは２ジオプトリの視力調整を提供するものである。
【００８０】
本発明に基づく光学結像系を主に小型眼鏡型ディスプレイに用いる実施例に関連させて説明してきた。しかしながら、本発明に基づく光学結像系は、製造が容易な小型、軽量、高性能の光学結像系を要する他のアプリケーションにも利用することが出来る。
【００８１】
本明細書における開示は本発明の実施の形態を詳細にわたって説明したものであるが、本発明は説明した特定の実施の形態や実施例に限られたものではなく、特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内において様々な変更を加えることが可能であることは言うまでもない。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、軽量で小型の光学結像系によって、高解像度で低歪みの物体画像を、ユーザーの目から見易い距離に形成することができる。また、眼鏡型ディスプレイに利用された場合、光学結像系は大型のコンピュータモニタを一般的な視距離から見た場合に匹敵する見かけ上のサイズを持つ画像を形成し、そしてその画像を見易い視距離に作る。光学結像系はまた、反射型及び透過型ディスプレイ素子の両方に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヘルメット搭載型ディスプレイシステムに利用される従来型の光学結像系例の平面図である。
【図２】本発明に基づく光学結像系の第一の実施例を上面から見た概略図である。
【図３】本発明に基づく光学結像系の第二の実施例の上面図である。
【図４】図３に示した光学結像系の実施例中を通る、像平面上の３つの異なる位置の各々から３つの異なる角度で発する光線の経路である。
【図５】図３の線４−４に沿って切断した回折光学素子の部分的な断面図である。
【図６】本発明に基づく光学結像系の第三の実施例の上面図である。
【図７】本発明に基づく光学結像系の第三の実施例の前面図である。
【図８】本発明に基づく光学結像系の第三の実施例の後面図である。
【図９】本発明に基づく光学結像系を作製する本発明に基づく方法において、位置合わせを行う為に採用し得る位置合わせ機構の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明に基づく光学結像系を作成する本発明に基づく方法における、第二のプリズムに対する第一のプリズムの位置合わせを説明する図である。
【図１１】本発明に基づく光学結像系を作成する本発明に基づく方法における、反射・屈折素子の第一及び第二のプリズムに対する位置合わせを説明する図である。
【図１２】本発明に基づく光学結像系の一例の変調伝達関数（ＭＴＦ）を表わしたグラフである。
【図１３】本発明に基づく光学結像系の一例の非点収差を表わしたグラフである。
【図１４】本発明に基づく光学結像系の一例の歪みを画角に対してグラフ化したものである。
【図１５】本発明に基づく光学結像系の第四の実施例の上面図であり、ここではディスプレイ素子と第一のプリズムとの間の距離が調節可能であり、ユーザーの視力障害に対する矯正機能が提供される。
【図１６】図１５の線８Ｂ−８Ｂに沿って切断したディスプレイ素子キャリアの断面図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００  光学結像系
１０２  第一のプリズム
１０４  第二のプリズム
１０６  集束性の反射素子
１０８  集束性の透過素子
１２０  像平面
１２２  射出ひとみ
１３２  第一のプリズムの第一の面
１３４  第一のプリズムの第二の面
１３６  第一のプリズムの第三の面
１３８  反射面
１４２  第二のプリズムの第一の面
１４４  第二のプリズムの第二の面
１４６  第二のプリズムの第三の面
１５０  集束性の反射・屈折素子
１５２  集束性の回折光学素子
２１１  ディスプレイ素子キャリア
２４１  レーザー
２４５  ビームスプリッタ
２４７  平面ミラー
２４９  黒スクリーン
２５３  第一の軸（レーザー−ミラー間）
２５７  基準位置
３１１  調節可能のディスプレイ素子キャリア
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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