JP2000514204A - 浸漬式ビームスプリッタを備えた二段拡大方式のコンパクトな表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 浸漬式ビームスプリッタの使用により、一実施形態では、全反射の利用により薄型にされる虚像表示装置を提供する。この表示装置は、ソース物体が形成される結像面と、反射機能及び拡大機能をもつ第１の光学素子と、拡大機能をもつ第２の光学素子と、第１の光学素子と第２の光学素子との間に位置した浸漬式ビーム分割素子とを有し、浸漬式ビーム分割素子は、屈折率が空気よりも大きな光学的に透明な物質で包囲されたビームスプリッタを含む。照明源が、結像面に生じたソース物体を光学的に透明な物質を通してビームスプリッタに投射する。ビームスプリッタは、投射されたソース物体を第１の光学素子へ反射する。第１の光学素子は、投射したソース物体を拡大し、投射したソース物体の拡大された虚像をビームスプリッタへ反射する。拡大された虚像は、ビームスプリッタを横切って第２の光学素子に至り、この第２の光学素子は、拡大された虚像を拡大してソース物体の複合拡大虚像を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】 浸漬式ビームスプリッタを備えた 二段拡大方式のコンパクトな表示装置 発明の背景発明の分野 本発明は、一般にコンパクトな電子表示装置に関する。特に、本発明は、二段 拡大方式によりソース物体の複合拡大虚像をもたらすコンパクトな電子表示装置 に関する。関連技術の説明 エレクトロニクスの分野では相も変わらず、電子装置を小型化することが目的 になっている。大抵の電子装置は、ユーザに情報を提供する何らかの形態の表示 装置を有している。電子装置のサイズが小さくなるにつれ、益々小型化する装置 へ組み込むことができる表示装置が要望されている。かくして、これら表示装置 を納めるのに必要なスペースを小さくすることが重要である。特に、表示装置の 厚さを減少させることが望ましい。なお、表示装置の厚さは、表示装置により作 られる像の平面に垂直な表示装置の寸法のことである。 一般に、電子装置により作られる像は、実像か、虚像かの何れかである。表示 装置のサイズを小さくする一対策は、実像ではなく、虚像を作ることによってで ある。 実像とは、補助手段を利用しない人間の目、即ち肉眼によって直接見える像の ことである。もし観察面が所与の場所にあれば、肉眼により実像を観察できると き、実像はその所与の場所に存在する。写真は、実像の一例である。実像をもた らす電子表示装置の例としては、、液晶表示装置、ＣＲＴモニター、投影スクリ ーンが挙げられる。コンパクトな電子装置は小型なので、実像をもたらすべきそ の表面積は制限されている。人の目が単位面積当たりに解像できる細部又はディ テールの量は限られるので、実像をもたらす装置は、表示スクリーンごとに限定 された量の可読情報を提供できるに過ぎない。 実像表示装置とは対照的に、虚像表示装置は、虚像、即ち、もし観察面が虚像 の場所に位置しているとすれば、目によっては観察されないような像をもたらす 。定義上、虚像は、表示面の存在しない場所に存在できる。虚像の例は、拡大ガ ラスを通じて見えるファインプリントの像である。 虚像表示装置は、得られる虚像のもとであるソース物体よりも大きく見える像 をもたらす。その結果、ユーザにより知覚される虚像の大きさは、電子表示装置 のサイズではなく、表示装置の拡大方式によって制限される。これにより、虚像 表示装置は、スペースが同一であるとすれば、表示スクリーンごとに実像表示装 置よりも多量の可読情報をユーザに提供できる。また、それにより、小さなスペ ースでスクリーンごとに実像表示装置と同程度の情報量を提供する虚像表示装置 を設計できる。 一般に、虚像表示装置は、像平面に沿って虚像を作る一又は二以上の光学系に よって拡大されるソース物体を含む。表示装置の厚さ、即ち、虚像の像平面に垂 直な表示装置の寸法は、表示装置の構成部品相互間の離隔距離に依存している。 表示装置の構成部品相互間の離隔距離を減少させて薄型になった安価でコンパク トな虚像表示装置が要望されている。 虚像表示装置により作られる像の見えやすさと関連のあるパラメータは少なく とも４つある。第１のパラメータは、遠点であり、この遠点とは、表示装置によ り目で虚像全体が依然として見える状態で表示装置を保てる目からの最大距離で ある。表示装置から短い距離のところにある遠点をもたらす表示装置は、目を表 示装置と近接して配することと関連した不便さ及び不快感により、望ましくない 。したがって、拡大虚像を表示装置から快適且つ便利な距離範囲のところで見る ことができるほど十分に遠くに位置する遠点をもたらす虚像表示装置が要望され ている。 虚像の見やすさと関連した第２のパラメータは、虚像の見掛けの角度幅であり 、これは通常、虚像の視野と呼ばれている。最大視野は、虚像の見掛けの最大寸 法と虚像までの見掛けの距離との比として定義される。これは一般に、実像表示 装置の視野と等価である。広い視野をもたらす虚像表示装置が要望されている。 虚像の見やすさと関連した第３のパラメータは、表示装置を通じて目で依然と して虚像全体が見える状態で目が光学系に対して移動できる横方向距離である。 目が光学系に対して移動できる長い横方向距離をもたらす虚像表示装置が要望さ れている。 虚像の見やすさと関連した第４のパラメータは、照明である。この点に関し、 作られる虚像は、照明された画素と照明されない画素との間で強いコントラスト 比を備えることが重要である。したがって、明るい虚像をもたらす表示装置が要 望されている。虚像表示装置と関連のあるもう一つの問題は、ソース物体の照明 におけるばらつきである。したがって、全体にわたり照明具合が実質的に均一の 虚像をもたらす表示装置も要望されている。 発明の概要 表示装置により得られる視野又はアイレリーフを著しくは損なわないで厚さ（ 虚像の像平面に垂直な寸法）の減少したコンパクトな虚像表示装置が提供される 。表示装置の厚さの減少は、浸漬式ビームスプリッタ、一実施形態では、浸漬式 ビームスプリッタ内の全反射を用いて本発明により達成される。一実施形態では 、表示装置は、明るさ（ブライトネス）の向上した虚像を生じさせる。別の実施 形態では、表示装置は、位置調整可能な少なくとも一つの光学系を有する。この 光学系を動かすことは、表示装置の焦点合わせの助けとなり、それにより表示装 置を広範なユーザが使用できる。表示装置の設計に起因して、表示装置を焦点合 わせする上で、光学系のうち一つの位置決めの際にほんの僅かの調節を必要とす るに過ぎない。 本発明によれば、表示装置は、ソース物体が結像する結像面と、反射機能及び 拡大機能を備えた第１の光学素子と、空気よりも大きな屈折率を有する一又は二 以上の光学的に透明な物質により包囲されたビームスプリッタを含む浸漬式ビー ム分割素子（ビームスプリッティング素子）とを有する。照明源が、光を結像面 上に投射してソース物体を光学的に透明な物質を通してビームスプリッタに投射 させる。ビームスプリッタは、投射されたソース物体を第１の光学素子に向かっ て反射する。第１の光学素子は、その拡大機能により、投射されたソース物体を 拡大し、その反射機能により、投射されたソース物体の拡大虚像をビームスプリ ッタに向かって反射する。拡大された第１の虚像は次に、ビームスプリッタを横 切る。好ましい別の形態では、表示装置は、好ましくは拡大機能を有する第２の 光学素子を更に有する。この形態では、光はビームスプリッタを横切って第２の 光学素子に入射し、この第２の光学素子は、第１の拡大虚像を拡大してソース物 体の複合拡大虚像を生じさせる。 一実施形態では、ビームスプリッタ及び第１の光学素子はそれぞれ反射面を有 し、ビームスプリッタ及び第１の光学素子の反射面相互間の角度は約３０°〜４ ５°、別の実施形態では、３７°である。 一実施形態では、浸漬式ビーム分割素子は、第１の光学素子のほうに向いた裏 面を有し、この裏面に対する光の入射角が角度θ未満であるときにこの裏面によ り、これに差し向けられた光が光学的に透明な物質内で全反射するようになって いる。本発明のこの実施形態によれば、ソース物体は、結像面から浸漬式ビーム 分割素子の裏面に角度θ未満で投射され、裏面がこの光をビームスプリッタに向 かって反射するようになっている。このように全反射を利用することにより、ビ ームスプリッタ及び第１の光学素子の反射面相互間の角度を約１０°〜３０°に 減少させることができる。これにより、表示装置の全厚を減少させることができ る。 一実施形態では、浸漬式ビーム分割素子で用いられる光学的に透明な物質の屈 折率は、少なくとも約１．３である。光学的に透明な物質の例としては、ガラス 、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、メチルメタク リレートスチレン、スチレンアクリロニトリル及びアクリロニトリルブタジエン スチレンが挙げられるが、これらに限定されない。 本発明によれば、浸漬式ビーム分割素子は、例えば２つのプリズムを互いに接 着することにより光学的に透明な物質内に浸漬したビームスプリッタから成るの が良い。変形例として、浸漬式ビーム分割素子は、互いに隣接した２つのプリズ ムのうち一方の表面に取り付けられたビームスプリッタから成っていても良い。 ２つのプリズムは、これらの間に空隙が存在しないほど隣接していても、或いは これらの間に空隙が存在するほど隣接して位置しても良い。変形例として、浸漬 式ビーム分割素子は、互いに隣接して位置した２つのプリズムと、２つのプリズ ム相互間に位置した素子上のビームスプリッタとから成っていても良い。この変 形例では、ビームスプリッタを含む素子とプリズムの一方又は両方との間には空 隙が存在するのが良い。 表示装置の光効率を向上させるために偏光変更器を用いるのが良い。この実施 形態によれば、ビームスプリッタは、第１の偏光状態の光に対しては反射性であ り、第２の偏光状態の光に対しては透過性である。この実施形態では、ビームス プリッタに投射された光は、第１の偏光状態のものである。この実施形態では、 表示装置は、ビームスプリッタと第１の光学素子との間に位置した偏光変更器を 更に有し、光はビームスプリッタで反射された後、そして第１の光学素子により 反射された後、偏光変更器を横切るようになっている。偏光変更器は、光を第１ の偏光状態から第２の偏光状態に変更して、第１の光学素子で反射された拡大虚 像がビームスプリッタを横切るようになっている。一実施形態では、偏光変更器 は、四分の一波長板である。 結像面は、ソース物体を結像させることができる任意の表面であるのが良い。 たとえば、結像面は、マイクロディスプレイ、即ち、任意の形式のソース物体を 生じさせることができる電子的に作動される表示装置であるのが良い。マイクロ ディスプレイの例としては、液晶表示装置、空間光変調器、格子、ミラーライト バルブ又はＬＥＤ及びＦＥＤアレイが挙げられるが、これらに限定されない。一 実施形態では、マイクロディスプレイの表示面積は、約１００mm²以下である。 マイクロディスプレイは一般に、ソース物体を形成するアレイ状の画素を有する 。一実施形態では、これら画素の面積は、約４９μｍ²〜約２２５μｍ²であり、 別の実施形態では、約１４４μｍ²以下である。 結像面は、像を投射させる表面であっても良い。たとえば、結像面は、ソース 物体として役立つ実像を結像させることができる光透過性又は光反射性スクリー ンであっても良い。 一実施形態では、マイクロディスプレイは、光を反射するか、又は散乱させる よう変調可能なアレイ状の画素を有するマイクロディスプレイ及びマイクロディ スプレイにより散乱された光を浸漬式ビーム分割素子上に焦点合わせして散乱さ れた光の一層多くが光学系を通過してユーザまで伝送されるようにする光学格子 を有する高ブライトネスの表示装置が提供される。 一つの好ましい実施形態では、表示装置は、表示装置までのユーザの目の距離 を検出するアイポジションセンサを更に有する。アイポジションセンサは、光識 別素子に当たる光のタイプに関して光タイプ制御機構に指令を与える信号を出す 。また、ユーザはアイポジションセンサを用いて表示装置と対話でき、即ち、表 示装置のハウジングの作用だけでなく、結像面上に結像されるソース物体のタイ プを制御できる。 図面の簡単な説明 図１は、浸漬式ビームスプリッタを用いる表示装置を示す図である。 図２Ａは、表示装置のサイズを小さくするためにビーム分割素子の裏面による 全反射を利用した本発明による表示装置を示す図である。 図２Ｂは、照明源を結像面に対してほぼオンアキシス（軸線上）に位置決めし た本発明による表示装置を示す図である。 図３は、浸漬式ビームスプリッタを用いず、光学系により得られた視野中にマ イクロディスプレイを配置した表示装置を示す図である。 図４は、浸漬式ビームスプリッタを用いず、ビームスプリッタと光学素子との なす角φを大きくした表示装置を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｇは、少なくとも２つの互いに異なる光学的に透明な物質で作ら れた一連の浸漬式ビーム分割素子を示す図である。 図５Ａは、第１の光学素子のほうに向いた浸漬式ビーム分割素子の表面がスラ イドガラスによって覆われている浸漬式ビーム分割素子を示す図である。 図５Ｂは、第２の光学素子のほうに向いた浸漬式ビーム分割素子の表面がスラ イドガラスによって覆われている浸漬式ビーム分割素子を示す図である。 図５Ｃは、第１の光学素子のほうに向いた浸漬式ビーム分割素子の表面が、ビ ームスプリッタの組み込まれたスライドガラスによって覆われている浸漬式ビー ム分割素子を示す図である。 図５Ｄは、光学素子の表面全体がガラスによって覆われている浸漬式ビーム分 割素子を示す図である。 図５Ｅは、２つのプリズムで作られていて、ビームスプリッタが第１の光学素 子に隣接した第１のプリズムの表面上に位置している浸漬式ビーム分割素子を示 す図である。 図５Ｆは、２つのプリズムで作られていて、ビームスプリッタが第２の光学素 子に隣接した第２のプリズムの表面上に位置している浸漬式ビーム分割素子を示 す図である。 図５Ｇは、２つのプリズムで作られた浸漬式ビーム分割素子及び２つのプリズ ム間に位置したビームスプリッタを示す図である。 図６は、偏光弁別ビームスプリッタが用いられている本発明の表示装置を示す 図である。 図７Ａは、焦点合わせ機構を備えた本発明による表示装置を示す図である。 図７Ｂは、装置の焦点合わせのために、結像面が焦点合わせ機構により第１の 光学素子に対して移動できることを示す図である。 図８は、液晶表示装置の反射及び散乱モードを示す図である。 図９は、散乱光を光学系中に焦点合わせする光学格子を備えた液晶表示装置を 示す図である。 図１０は、結像面が実像の生じるスクリーンである表示装置を示す図である。 図１１は、表示装置内に設けられていて、マイクロディスプレイを制御するエ レクトロニクスを示す図である。 図１２は、本発明の表示装置と関連して用いられるアイポジションセンサシス テムを示す図である。 好ましい実施の形態の説明 厚さの減少した虚像表示装置が提供され、表示装置の厚さは虚像平面に垂直な 表示装置の寸法をさしている。表示装置の厚さの減少は、浸漬式ビームスプリッ タを用いて、一実施形態では、浸漬式ビームスプリッタ内の全反射を用いて本発 明により達成される。本発明によれば、表示装置の他の人間工学的構成を変更せ ずに、即ち、表示装置によって得られる視野又はアイレリーフを減少させないで 表示装置の厚さを減少させる。一実施形態では、明るさの向上した虚像をも生じ させる表示装置が提供される。別の実施形態では、表示装置は、位置調整可能な 少なくとも一つの光学系を有する。この光学系を動かすことは、表示装置の焦点 合わせの助けとなり、それにより表示装置を広範なユーザが使用できる。表示装 置の設計に起因して、表示装置を焦点合わせする上で、光学系のうち一つの位置 決めの際にほんの僅かな調節を必要とするに過ぎない。 本発明の表示装置は、表示装置が使用される任意の電子的装置に組み込むこと ができる安価な部品として意図されている。一実施形態では、表示装置は、ポケ ットサイズの電子的装置に用いられるよう設計されている。かかる電子的装置の 例としては、ポータブルコンピュータ、パーソナルコンピュータ、パーソナルデ ィジタル式支援装置、モデム、ページャ（携帯用小型無線呼出し機、ポケットベ ル）、ビデオ及びカメラファインダ、携帯電話、テレビジョンモニター及び他の 手持ち機器が挙げられるが、これらには限定されない。 本発明の表示装置の一実施形態が図１に示されている。図示のように、表示装 置１０は、ソース物体１４を形成する結像面１２を有している。図１では、図示 の結像面１２は、ソース物体を形成するマイクロディスプレイである。結像面の 変形例が本明細書に説明されている。 照明源１６からの光１８は結像面１２上に投射され、それにより、光学的に透 明な物質２７中に浸漬されたビームスプリッタ２５を有する浸漬式ビーム分割素 子２２中へソース物体を投射する。ビームスプリッタ２５に到達する光の一部は 、ビームスプリッタ２５によって反射され、第１の光学素子２４に差し向けられ る。 第１光学素子２４は、反射機能及び拡大機能を備えている。第１光学素子２４ へ投射された光により作られる像は、この光学素子の拡大機能により拡大されて 拡大された第１の虚像９０が生じる。第１の拡大虚像９０からの光は、光学素子 の反射機能によって反射される。第１の拡大虚像９０を形成する光の少なくとも 一部は、ビーム分割素子２２を通る。一実施形態では、第１の虚像９０は観察者 によって視認される。変形例として、図１及び図２に示すように、表示装置は第 ２の光学素子２６を更に有している。第２光学素子２６は、光を横切って通過さ せる際に第１の虚像９０を拡大させ、観察者に見える複合拡大虚像９２を形成す る。第２光学素子２６は又、第１の虚像９０の収差を補正するのにも役立つ。 第２光学素子に対する第１の拡大虚像９０の見掛けの位置は、第２光学素子２ ６の焦点距離とほぼ等しいか又はこれ以下である。複合拡大虚像９２は、第１の 拡大虚像９０よりも一層遠くに、好ましくは少なくとも１０インチ（２５.４cm ） 離れて位置するように見える。一実施形態では、複合拡大虚像９２は、快適な視 認が得られるよう少なくとも約６フィート（１.８３ｍ）離れている。迷光が複 合拡大虚像９２に対する観察者の視認性を妨害するのを阻止するために、一実施 形態では、第２光学素子２６の外面３４上には反射防止膜が被着される。 図２Ａは、ビーム分割素子２２の裏面３２からの内面反射を用いて表示装置の 厚さを一段と減少させた表示装置の変形例を示している。図示のように、表示装 置１０は、ソース物体１４が形成される結像面１２を有している。照明源１６は 光１８を結像面１２上に投射する。 結像面１２上に投射された光１８により、ソース物体はビーム分割素子２２の 裏面３２の方へ投射される。結像面１２に角度をもたせて投射されたソース物体 に対応する光が全反射の生じる角度よりも小さな角度θでビーム分割素子２２の 裏面３２に当たるようにすることによって、投射ソース物体を形成する光をビー ム分割素子２２の裏面３２で反射させてこれをビームスプリッタ２５に向ける。 次に、光はビームスプリッタ２５で反射されて第１光学素子２４に差し向けられ る。 全反射を生じさせる角度θは、浸漬式ビーム分割素子２２を構成する材料２７ の屈折率やビーム分割素子２２の裏面３２上にフィルムが施されているかどうか で決まる。一実施形態では、角度θは、約６０°未満である。 図２Ｂは、表示装置の別の実施形態を示している。図示のように、表示装置１ ０は、ソース物体１４を形成する結像面１２を有している。照明源１６がビーム 分割素子２２、光学コーティング（光学被膜）２３及び第１光学素子２４の後ろ に配置されていて、光１８がビーム分割素子２２、光学コーティング２３及び第 １光学素子２４を透過して結像面１２に当たるようになっている。結像面１２上 に投射された光１８により、ソース物体を反射させて光学コーティング２３に戻 し、この光学コーティングはこの光を反射してビームスプリッタ２５に向ける。 次に、この光をビームスプリッタ２５で発射させて第１光学素子２４に差し向け 、この第１光学素子は光を拡大虚像として反射する。すると、拡大虚像に対応す る光は、ビームスプリッタ２５を横切り、第２光学素子２６によって拡大される 。 上記実施形態は、反射防止膜を施す必要のある表面の数が少なくなるという利 点を有し、そして又、オンアキシス（軸線上の）手法で表示装置の照明を行うの にあたって融通性を大きくすることができる。光学コーティングを透過性又は非 透過性であるよう制御することは、種々のコーティング、例えば当業者に知られ ている偏光膜を用いて達成できる。たとえば、コーティング２３は偏光ビームス プリッタ膜であるのが良く、拡大光学系に設けられる反射鏡面を、大きな入射角 でも非常に透明度の高いものであるよう設計するのが良い。 図１に示す実施形態のように、第１光学素子２４は、反射機能及び拡大機能を 有している。第１光学素子２４上に投射された光により形成された像は、第１光 学素子の拡大機能によって拡大され、拡大された第１の虚像９０が生じる。拡大 された第１の虚像９０からの光は、第１光学素子の反射機能により反射される。 拡大された第１の虚像９０を形成する光の少なくとも一部は、ビーム分割素子２ ２を通過して第２光学素子２６に至る。第２光学素子２６上に投射された光によ り形成される拡大された第１の虚像９０は、光が第２光学素子２６を横切る際に 第２光学素子の拡大機能によって拡大され、観察者２８により複合拡大虚像９２ として見える。 図１及び図２に示すように、ビームスプリッタ２５は、結像面１２からの光を 第１光学素子２４上に投射するように、第１光学素子２４の平面３０に対して位 置決めされている。第２光学素子に対する第１の拡大虚像の見掛けの位置は、第 ２光学素子の焦点距離にほぼ等しいか、或いはこれよりも小さい。複合拡大虚像 ９２は、第１の拡大虚像９０よりも一層遠くに、好ましくは少なくとも１０イン チ （２５.４cm）離れて位置するように見える。一実施形態では、複合拡大虚像９ ２は、快適な視認が得られるよう少なくとも約６フィート（１.８３ｍ）離れて いる。 ビームスプリッタ２５と平面３０とのなす角度φは、第１光学素子２４及び第 ２光学素子２６を互いに対してどれほど近接配置できるか（図１及び図２では距 離ｔとして示されている）を制限し、それ故に、表示装置の全厚Ｔを制限してい る。 本発明によれば、浸漬式ビームスプリッタ２２、即ち、空気よりも屈折率の大 きな一又は二以上の光学的に透明な物質２７の中に納められたビームスプリッタ ２５を用いることにより第１光学素子２４と第２光学素子２６との間に必要な離 隔距離を減少させる。浸漬式ビームスプリッタを用いることにより、光が、屈折 率の大きな媒体を通って結像面１２とビーム分割素子２２との間を通過する。屈 折率の大きな媒体により、結像面１２から投射されたソース物体は、空気を通っ て結像面１２とビーム分割素子２２との間を通過するソース物体の像と比較して 拡大される。ビーム分割素子２２により行われる拡大により、より小さなビーム 分割素子２２を表示装置に用いることができ、それによりビーム分割素子２２を 一層小さな角度φに位置決めできる。ビーム分割素子２２が位置決めされる角度 φを減少させることにより、第１光学素子２４と第２光学素子２６とのなす距離 ｔは減少する。 表示装置の一実施形態では、図１に示すように、ビームスプリッタ２５と平面 ３０との間の角度φは、約３０°〜４５°であり、別の実施形態では、３７°で ある。図２Ａに示すようにビーム分割素子２２内の全反射を利用する表示装置の 別の実施形態では、ビームスプリッタ２５と平面３０のなす角度θは、約１０° 〜３０°、別の実施形態では、２５°である。かくして、図２Ａに示す実施形態 で用いられる全反射により、ビームスプリッタ２５と平面３０との間の角度φ、 それ故に、第１光学素子２４と第２光学素子２６との間に必要な離隔距離は、減 少する。 また、浸漬式ビームスプリッタを用いることにより、より小さな結像面１２を 用いることができると共に、或いは結像面１２を、もしソース物体を結像面１２ から空気を介してビームスプリッタ２５に投射した場合よりも、ビームスプリッ タ２５から一層遠くに位置決めできる。これは、本発明の表示装置のコンパクト な設計にとって重要である。というのは、これにより結像面を光学素子２４と光 学素子２６との間から外に、かくして光学系により得られる視野から外れて位置 決めできるからである。 図３及び図４は、図１に示す表示装置と類似したレイアウトの表示装置を示し ており、この場合、ビームスプリッタ２５は、空気よりも屈折率の大きな光学的 に透明な物質２７中に浸漬されていない。図３に示すように、第２光学素子２６ の後方、約ｆ₁（ｆ₁は、第１光学素子２４の焦点距離である）の点にソース物 体１４の第１の虚像９０を生じさせるためには、結像面を１／ｎ_imm倍、第１光 学素子２４に接近させる必要がある。なお、ここでｎ_immは、浸漬用媒体の屈折 率である。これにより、結像面１２は、光学素子２４と光学素子２６との間に、 且つ、光学系により得られる視野の中に位置する。 図４に示すように、ビームスプリッタ２５が空気よりも屈折率の大きな光学的 に透明な物質２７中に浸漬されておらず、しかも結像面１２が第１光学素子２４ に近接配置されていない場合、浸漬式ビームスプリッタ２２を用いた場合に対す る複合虚像９２の拡大率は１／ｎ_immの倍率だけ減少する。ここで、１／ｎ_immは 、浸漬用媒体の屈折率である。浸漬式ビームスプリッタを用いた場合に対する等 価倍率をもつ複合虚像９２を生じさせるためには、より大きな結像面を用いるこ とが必要である。しかしながら、これは、図４に示すようにビームスプリッタ２ ５と第１光学素子の平面３０との間の角度φを大きくしなければならないという 欠点を有している。これにより、光学素子２４，２６相互間の離隔距離ｔは大き くなり、かくして表示装置の全厚Ｔは図１に示す表示装置に対して大きくなる。 ビーム分割素子２２内の浸漬用媒体として種々の光学的に透明な物質を使用す ることができ、かかる材料としては、ガラス及び成形プラスチック、例えば、ポ リメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、メチルメタクリレ ートスチレン、スチレンアクリロニトリル及びアクリロニトリルブタジエンスチ レンが挙げられる。一実施形態では、光学的に透明な物質２７の屈折率は、少な くとも約１.３である。 ビームスプリッタ２５は、表示装置において反射と透過の両方の光学素子とし て役立つ。一実施形態では、ビームスプリッタ２５は、ビームスプリッタ２５に 差し向けられた光の一部を反射し、一部を透過させるだけであり、代表的には約 ５０％を反射させ、約５０％を透過させる。これらのタイプのビームスプリッタ は、照明源よりも広い帯域幅をもつコーティングを備えるべきである。このタイ プのビームスプリッタに使用できるコーティングのタイプとしては、誘電体コー ティング、金属／誘電体コーティング、及び金属コーティングが挙げられるが、 これらには限定されない。ハイブリッドの金属／誘電体コーティングが好ましい 。その理由は、これらの光吸収度は適度であり、偏光の影響を殆ど受けないから で ある。これらコーティングは又、入射角に対しても相対的に鈍感である。 図５Ａ〜図５Ｄに示す別の実施形態では、ビーム分割素子２２は、それぞれが 空気よりも大きな屈折率を有する２種類の光学的に透明な物質を組み合わせたも のの中に浸漬されたビームスプリッタ２５を有するのがよい。一般に、第１の光 学的に透明な物質５１は、好ましくは、当業者が浸漬式ビーム分割素子の一又は 二以上の表面に被着することを望んでいる種々の光学コーティングのうち１つで 被覆されるようになっている。ガラスが、第１の光学的に透明な物質として特に 好ましい。というのは、他の材料、例えばプラスチックと比較してガラスを被覆 することの方がコストが安いからである。 ビーム分割素子の全コストを減少させるためには、第２の光学的に透明な物質 ６１は、好ましくは、第１の光学的に透明な物質５１よりもコストの安い材料で ある。例えば、プラスチック又は透明な液体を第２の光学的に透明な物質６１と して用いるのがよい。また、第２の光学的に透明な物質を用いて第１の光学的に 透明な物質では形成されていない表面インターフェースを形成してもよい。これ らの材料を組合せて用いることにより、浸漬式ビーム分割素子のコストを最小限 に抑えることができる。 この実施形態によれば、第１の光学的に透明な物質５１は、浸漬式ビームスプ リッタ２５の表面のうち一又は二以上を覆い、この表面を通して、表示システム 内の光が入ると共に、或いは浸漬式ビームスプリッタ２５から出る。これら表面 としては、照明源１６と反対側のビームスプリッタ表面５３、結像面１２と向い 合ったビームスプリッタ表面５５、第１光学素子２４と反対側のビームスプリッ タ表面５７及び第２光学素子２６と向い合ったビームスプリッタ表面５９が挙げ られるが、これらには限定されない。 ２種類の光学的に透明な物質の組合せを有するビームスプリッタを形成する種 々の方法が当業者に知られている。例えば、第１の光学的に透明な物質は、第２ の光学的に透明な物質の一又は二以上の表面に接着されるスライドガラスである のがよい。ビームスプリッタを、ビーム分割素子の第１の光学的に透明な物質又 は第２の光学的に透明な物質のいずれかに組み込んでもよい。 ２つの互いに異なる光学的に透明な物質の組合せを有する浸漬式ビーム分割素 子の幾つかの実施形態が図５Ａ〜図５Ｄに示されている。これら実施形態は、２ 又は３以上の光学的に透明な物質の組合せを用いて構成できる浸漬式ビーム分割 素子の種類を限定するものではないことを理解すべきである。 図５Ａには、プラスチック６１でできた浸漬式ビーム分割素子２２が示されて おり、かかる素子２２では、スライドガラス５１が第１光学素子に向いた浸漬式 ビーム分割素子２２の表面５７上に配置されている。図５Ｂには、プラスチック ６１で作られた浸漬式ビーム分割素子２２が示されており、第２光学素子２６に 向いた浸漬式ビーム分割素子２２の表面５９上にはスライドガラス５１が配置さ れている。図５Ｃには、プラスチック６１で作られた浸漬式ビーム分割素子２２ が示されており、第１光学素子２４のほうに向いた浸漬式ビーム分割素子２２の 表面５９上にはスライドガラス５１が配置されている。この実施形態では、ビー ムスプリッタ２５は、プラスチック６１に対向した状態でスライドガラス５１内 に組み込まれている。図５Ｄには、表面全体がガラス５１で被覆された浸漬式ビ ーム分割素子２２が示されている。この実施形態では、ガラス内には容積部が形 成されている。ガラスが実質的にこの容積部を包囲しているので、この浸漬式ビ ーム分割素子は設計上、液体を第２の光学的に透明な物質６１として用いるよう になっている。 図５Ｅ〜図５Ｇは、対をなすプリズムとビームスプリッタで作られた浸漬式ビ ーム分割素子を示している。図５Ｅは、２つのプリズム６３，６５で作られた浸 漬式ビーム分割素子を示しており、ビームスプリッタ２５は第１光学素子２４に 隣接したプリズム６３の表面上に配置され又はこの中に組み込まれている。図５ Ｆは、２つのプリズム６３，６５で作られた浸漬式ビーム分割素子を示しており 、ビームスプリッタ２５は、第２光学素子２６に隣接して位置したプリズム６５ の表面上に配置され又はこの中に組み込まれている。図５Ｇは、２つのプリズム ６３，６５及び２つのプリズム６３，６５の間に位置した独立の素子、例えばス ライドガラス上に設けられたビームスプリッタ２５で作られた浸漬式ビーム分割 素子を示している。 図５Ｅ〜図５Ｇに示す浸漬式ビーム分割素子に関して、２つのプリズム及び任 意的に用いられるスライドガラスを互いに固定するのがよいことは注目されるべ きである。変形例として、例えば図５Ｅ及び図５Ｆに示す実施形態の場合、プリ ズム相互間に空隙が存在してもよく、或いは例えば図５Ｇに示す実施形態の場合 ビームスプリッタを含む素子とプリズムのうち一方又は両方との間に空隙があっ てもよい。空隙のあることは、装置の構成を単純化する上で有利である。空隙が 小さい限り、プリズムと関連した色収差は最小限に抑えられる。別の実施形態で は、反射及び透過特性が偏光状態に依存したビームスプリッタ２５が用いられ、 このビームスプリッタ２５は、第１の偏光状態では反射性が高く、別の偏光状態 では透過性が高い。５０：５０のビームスプリッタが用いられる場合、光の７５ ％は本発明の表示装置で失われる。しかしながら、偏光状態依存性ビームスプリ ッタを偏光変更器と組合せて用いることにより、非弁別型ビームスプリッタと関 連した光の喪失が生じることなく、光を光学系内で差し向けることができる。 図６に示すように、偏光変更器２９、例えば四分の一波長板が、この実施形態 ではビームスプリッタ２５と反射性の第１光学素子２４との間に配置されている 。偏光変更器２９は、第１光学素子２４で反射される前又は反射された後で偏光 変更器を横切る光の偏光状態を変えるのに役立つ。偏光変更器２９を用いること により、マイクロディスプレイ１２からの偏光は、ビームスプリッタ２５によっ て反射され、偏光変更器２９を横切るときに変えられ、第１光学素子２４によっ て反射され、そして偏光変更器２９によって再び変えられて光が第１光学素子２ ４で反射された後にビームスプリッタ２５を横切るようになる。 人が最も良く物体に焦点合わせすることができる位置は、その人の視力で決ま る。例えば、ある人は、遠視である場合、遠くの距離のところに位置するように 見える像をより良く見ることができる。これとは対照的に、近視の人は目に近い ところに位置するように見える像をより良く見ることができる。潜在的なユーザ の視力におけるこのような差に対応するために、ユーザに対する複合虚像の見掛 けの位置を変化させることができる表示装置の実施形態が提供される。ユーザに 対する複合虚像の見掛けの位置を調整すること（これは焦点合わせとも言う）は 、第１光学素子２４をビームスプリッタ２５に対して移動させる機構によって達 成される。 図７Ａに示すように、第１光学素子２４と第２光学素子２６の両方又はいずれ か一方を、焦点合わせ機構６７によってビームスプリッタ２５に対して移動させ ることができる。第１光学素子２４をビームスプリッタ２５に対して移動させる ことにより、複合拡大虚像９２は観察者の目から別々の距離のところに見えるよ うになる。例えば、第１光学素子は、観察者の目から非常に遠い距離のところに 向かって観察者の目の数インチ以内の位置に複合拡大虚像９２が見えるように移 動させることができる。第２光学素子２６をビームスプリッタ２５に対して移動 させることにより、第１の拡大虚像９０は観察者に対して別々の距離のところに 位置するように見える。光学系の全体設計に起因して、表示装置のこの広範囲に わたる焦点合わせを、ビームスプリッタ２５に対する第１光学素子２４及び／又 は第２光学素子２６の僅かな移動によって達成することができる。 表１は、ソース物体と第１光学素子との間の一連の離隔距離（ｄ_sep）につい て複合拡大虚像（ｄ_cmvi）と観察者との間の知覚距離を示すデータを記載してい る。このデータの根拠となる表示装置では、第１光学素子の半径は６０mm、第２ 光学素子の焦点距離は６０mm、浸漬媒体の屈折率は１．５である。表１のデータ によって示されているように、離隔距離が２７.５mmの場合、複合拡大虚像は、 観察者から約１.５フィート（約４５.７２cm）のところに見える。しかしながら 、第１光学素子を２８.９mmの離隔距離となるように１.４mm移動させることによ り、複合拡大虚像は、観察者から約７９フィート（約２４．０８ｍ）のところに 見える。かくして、このデータから分かるように、第１光学素子をビームスプリ ッタに対してほんの僅か移動させることにより、複合拡大虚像は、観察者の目に 対して相当な距離動いているように見える。 表１ Ｄ_sep Ｄ_cmvi ２７.５mm 1.53フィート（約０.４７ｍ） ２７.７mm 1.8フィート（約０.５５ｍ） ２７.９mm 2.1フィート（約０.６４ｍ） ２８.１mm 2.7フィート（約０.８２ｍ） ２８.３mm 3.5フィート（約１.０７ｍ） ２８.５mm 5.2フィート（約１.５８ｍ） ２８.７mm 9.8フィート（約２.９９ｍ） ２８.９mm 9.9フィート（約３.０２ｍ） Ｄ_cmviは、複合拡大虚像と観察者との間の距離。 Ｄ_sepは、ソース物体と第１光学素子との間の距離。 図７Ｂに示すように、装置を焦点合わせするためには、結像面１２を焦点合わ せ機構６９によって移動させてもよい。第１光学素子２４に対する結像面の移動 を利用することにより、結像面を第１光学素子２４の焦点面内へ至らしめること ができる。 この表示装置で用いられた結像面１２は、ビーム分割素子２２に投射されるソ ース物体の源として用いられている。広義には、結像面は、実像を生じさせるこ とができる任意の表面又は装置であるのがよい。一実施形態では、結像面はマイ クロディスプレイである。マイクロディスプレイは、任意のタイプのソース物体 を生じさせることができる電子式ディスプレイであるのがよい。例えば、マイク ロディスプレイは、液晶表示装置、空間光変調器、格子、ミラーライトバルブ又 はＬＥＤアレイであるのがよい。本発明の表示装置に用いることができるマイク ロディスプレイのもっと特定な例として、光透過性液晶表示装置、コレステリッ ク液晶表示装置、ＰＳＣ液晶表示装置、及び空間光変調器が挙げられるが、これ らには限定されない。好ましい実施形態では、マイクロディスプレイは、光透過 性のシリコン上に設けられた液晶から成る表示装置又は光透過性液晶シリコン表 示装置である。 本発明の一実施形態によれば、マイクロディスプレイの表示面積は、約１００ mm²以下である。一実施形態では、マイクロディスプレイは、サイズが約４９μ ｍ²〜約２２５μｍ²の画素を有している。別の実施形態では、画素は、約１４４ μｍ²よりも小さい。これらの画素及び表示サイズの範囲では、マイクロディス プレイは、高分解能のコンピュータモニターの画素数と同程度の画素数を有して いる。 可視範囲内の光を生じさせる任意の照明源を本発明の表示装置に用いることが できる。本発明で用いることができる照明源の例としては、白熱灯、レーザ及び 発光ダイオードが挙げられるが、これらには限定されない。 マイクロディスプレイは一般に、２つのカテゴリ、即ち反射ディスプレイと光 透過ディスプレイに分けることができる。反射マイクロディスプレイは、変調に よりソース物体を形成し、画素が入射光を反射又は散乱させる。これとは対照的 に、光透過ディスプレイは、変調によりソース物体を形成するが、ピクセルは透 過性又は不透明である。したがって、マイクロディスプレイが光透過マイクロデ ィスプレイである場合、照明はマイクロディスプレイの後部から得られる。マイ クロディスプレイがマイクロディスプレイであるとき、照明は、これがマイクロ ディスプレイの結像面で反射されてビーム分割素子に向かって進むように得られ る。 一実施形態では、表示装置に用いられる照明源１６は、マイクロディスプレイ と連携して設計され、したがって照明源からの光がマイクロディスプレイによっ て形成されたソース源を均一に照明するようになっている。マイクロデイスプレ イへの均一の照明を与えることにより、ユーザの目が視野内で動いても均一に照 明される表示装置によって虚像が作り出される。 表示装置に用いられるマイクロディスプレイに応じて、種々の形態の照明が、 均一の照明をもたらすのに特に適している。例えば、透過性液晶表示装置及びコ レステリック液晶表示装置については、表示装置をビーム分割素子によりオンア キシスで背後から照明することが好ましい。反射空間光変調器及びＰＳＣ液晶表 示装置の場合、例えば発光ダイオードにより表示装置のペースの照明をオフアキ シス（軸線の外）で行うことが好ましい。 液晶シリコン表示装置と組合せて使用されるオンアキシス照明装置の一例が図 ８に示されている。図８に示すように、液晶表示装置は、２つのモード３８とモ ード４０との間で変調できる画素３７を有している。第１のモード３８は、反射 モードであり、この反射モードでは、液晶表示装置に入射した光は、画素を横切 り、光学系４１から遠ざかる方向で画素３７の下に位置した反射表面４３で反射 される。反射モードにおいて画素によって反射された光は、光学系４１には入ら ず、ユーザの目には届かない。その結果、反射モードにおける画素は、ユーザに は暗４２に見える。第２のモード４０は、散乱モードであり、この散乱モードで は、液晶表示装置に入射した光は、表示装置によってあらゆる方向に散乱される 。散乱モードで散乱された光の一部は、光学系４１に入ってユーザの目に届く。 その結果、散乱モードにおける画素は、ユーザにとっては明４４に見える。 図９は、マイクロディスプレイ画素によって散乱された光を表示装置の視野の 中に焦点合わせするのに光学格子が用いられる表示装置の変形例を示している。 図９に示すように、液晶表示装置は、各画素３７の下に位置した反射表面４３を 覆う光学格子３９を有している。光学格子３９は、マイクロディスプレイを横切 って反射表面に向かう光を光学系４１の方向に焦点合わせするのに役立つ。その 結果、散乱モードで画素によって散乱された光のうち多くは光学系を通してユー ザに差し向けられる。より多くの散乱光は、格子３９を用いる場合にはユーザに 到達するので、図９の表示装置によって得られる像は、図８に示す表示装置によ って得られる像よりも明るい。 結像面はまた、実像が結像される表面であってもよい。図１０に示すように、 表示装置は、ミラー７５で反射された像を、表示装置のソース物体１４として役 立つ結像面１２上へ投射する実像発生機構７３を有している。実像発生機構７３ としては例えば、像を作る上述したようなマイクロディスプレイ及び像を投射し 、任意的にこれを拡大する光学系が含まれる。 図１０に示すように、結像面１２は、実像（ソース物体）が形成される光透過 スクリーンであるのがよい。また、結像面は、ソース物体に対応する光がビーム 分割素子２２に向かって反射される場合、実像（ソース物体）が形成される反射 スクリーンであってもよいことを理解すべきである。 本発明の表示装置で用いられる第１光学素子２４及び第２光学素子２６は、光 学系が互いに相補してこれらが各光学系によって別々に持ち込まれた収差の多く を無くすように選択されている。その結果、第１の光学系及び第２の光学系によ って作られる複合拡大虚像は、実質的に収差の無いものである。必要な光学的補 正に応じて、第１光学素子２４及び第２光学素子２６は、球面又は非球面を有す るのがよい。第１光学素子２４及び第２光学素子２６のペアリングによって補正 できる収差の例としては、像面湾曲、コマ収差、非点収差及びディストーション が挙げられるが、これらには限定されない。 第１光学素子２４及び第２光学素子２６は、ガラス及びプラスチックを含む種 々の材料で作ることができる。コスト面を考えると、光学系は好ましくは成形プ ラスチックで作られる。多種多用な光学的設計を第１光学素子及び第２光学素子 に採用することができる。例えば、光学素子はそれぞれ、単一光学素子又は多光 学素子で形成してもよい。各光学系の拡大機能は、多種多用なレンズ設計を用い て実行でき、かかるレンズ設計としては、フレネルレンズ、ホログラフィーレン ズ又は回折光学レンズが挙げられるが、これらには限定されない。一実施形態で は、光学系に反射機能を与えるために照明波長のＨＲコーティング（ＨＲ被膜） が第１光学素子上に用いられる。一実施形態では、第１光学素子２４の倍率は約 ５〜１０であり、別の実施形態では約６である。一実施形態では、第２光学素子 ２６の倍率は約２〜５であり、別の実施形態では約３である。 図１１は、結像面として役立つマイクロディスプレイを制御するために表示装 置内に設けられた電子光学装置（エレクトロニクス）を示している。図１１に示 すように、マイクロディスプレイ１２は、制御装置５６に接続されていて、電気 信号を、発生したソース物体を制御するマイクロディスプレイに伝送する。制御 装置５６もまたロジックプロセッサ５８に接続するのがよく、この論理プロセッ サも、外部データソース６２を通して制御できる外部記憶装置６０に接続されて いる。好ましい実施形態では、マイクロディスプレイ１２の画素は、これら画素 をオン状態とオフ状態との間で変調させる２値入力によってアドレス指定される 。マイクロディスプレイ１２は、制御装置５６、例えばタイミング及びデコーデ ィ ングロジックを備えた文字発生器に接続されている。本発明によるシステムで用 いるのに適した制御装置５６の一例が図１１に示されている。適当な制御装置の 市販の例は、ＳＭＯＳによって販売されているＶＧＡコントローラ、プロダクト 番号ＳＢＣ８１０８Ｆ_ocである。 制御装置５６は、外部記憶装置６０からのデータを操作するプロセッサ５８に より制御される。外部記憶装置は、外部データ送信装置、例えば外部無線レシー バからの情報を受け取る。外部データ送信装置６２は又、別のコンピュータ、Ｌ ＡＮシステム、又はアナログ又はディジタル通信を可能にする他の任意の装置へ の赤外発光ダイオードデータリンクであっても良い。好ましい実施形態では、外 部記憶装置６０及び外部データ送信装置６２は、コンピュータ又は通信システム に接続できる別個のＰＣＭＣＩＡカードである。 さらに別の好ましい実施形態では、表示装置は、アイポジション（目の位置） センサシステムを有する。このセンサシステムにより、ユーザは、自分の目を用 いて制御装置と対話できる。アイポジションセンサシステムをユーザが利用する ことにより表示装置で得られる像を制御することができる。アイポジションセン サシステムを用いると、電子装置により実行される種々の機能を制御することも でき、例えば、プリンターに指示を与えて文書を印刷させたり、或いはファクシ ミリ機に指示を与えてメッセージを送ることができる。この実施形態によれば、 観察者の目の位置が検出され、そして、この観察者の目の位置は、制御装置と対 話してマイクロディスプレイにより得られるソース物体を制御するようカーソル と非常に良く似た仕方で用いられる。 目の位置を検出する装置、例えばアイトラッカー（目の追跡装置）及び眼球運 動計測器が当該技術分野で周知である。たとえば、仮想マウスセンサシステムと 連携して使用できる適当な装置として、米国特許第４，５１３，３１７号に記載 されている装置が挙げられる。なお、この米国特許をここに援用する。 図１２に示す一実施形態では、アイポジションセンサシステムは、ユーザの目 の方向に照明を行うように、第２光学素子２６の周囲の周りに配置できる発光ダ イオード（ＬＥＤ）７２を有する。好ましくは、照明は赤外領域にある。アイポ ジションセンサシステムは、ＬＥＤ７２からの照明が目２８の網膜７８から反射 したことを検出する検出器アレイ７６を更に有し、かかる反射は、目２８の方向 だけでなく目の位置を指示する上で役立つ。アイポジションセンサシステムは制 御機構８０を更に有し、観察者は、この制御機構を検出器アレイ７６と組み合わ せて用いて制御装置と対話し、それによりマイクロディスプレイで生じるソース 物体１４を制御する。 制御機構８０は例えば、ユーザが押すと観察者が選択されたアイテム、例えば コンピュータソフトウエアアイコンを見ていることが分かるようにするボタンで あっても良い。また、制御機構８０は、観察者が特定の方向を見ている時間に基 づいてユーザがアイテムを選択したかどうかを判定する時限装置であっても良い 。 本発明の好ましい実施形態の上記説明は、例示を目的とするものである。かか る説明は、これ以外には無いというものではなく、すなわち、本発明を開示した 形態そのものに限定するものではない。当業者であれば、多くの設計変更例及び 変形例を想到できることは明らかである。上記の実施形態は、本発明の原理及び その実用的用途を最も良く説明するために選択したものであり、それにより当業 者は本発明を種々の実施形態及び意図した特定の用途に合う種々の設計変更例に 関して理解できる。本発明の範囲は、特許請求の範囲の請求項に記載された技術 的事項及びその均等物（均等の範囲）により定められる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．虚像表示装置であって、 ソース物体を結像させる結像面と、 反射機能及び拡大機能を備えた第１の光学素子と、 拡大機能を備えた第２の光学素子と、 第１の光学素子と第２の光学素子との間に位置していて、空気よりも大きな 屈折率を有する光学的に透明な物質により包囲されたビームスプリッタを含む 浸漬式ビーム分割素子と、 結像面に結像したソース物体を光学的に透明な物質を通してビームスプリッ タに投射する照明源とを備え、ビームスプリッタは、投射されたソース物体を 第１の光学素子に向かって反射し、第１の光学素子は、投射されたソース物体 を拡大すると共に投射されたソース物体の拡大虚像をビームスプリッタに向か って反射し、拡大虚像は、ビームスプリッタを横切って第２の光学素子に至り 、第２の光学素子は、拡大虚像を拡大してソース物体の複合拡大虚像を生じさ せる、 ことを特徴とする虚像表示装置。 ２．光学的に透明な物質の屈折率は、少なくとも約１.３であることを特徴とす る請求項１に記載の虚像表示装置。 ３．光学的に透明な物質は、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン 、ポリカーボネート、メチルメタクリレートスチレン、スチレンアクリロニト リル及びアクリロニトリルブタジエンスチレンから成る群から選択されること を特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。 ４．ビームスプリッタは、第１の偏光状態の光に対しては反射性であり、第２の 偏光状態の光に対しては透過性であり、マイクロディスプレイからビームスプ リッタに投射された光は、第１の偏光状態のものであり、表示装置は、ビーム スプリッタと第１の光学素子との間に位置した偏光変更器を更に有し、光はビ ームスプリッタで反射された後、そして第１の光学素子により反射された後、 偏光変更器を横切るようになっており、偏光変更器は、光を第１の偏光状態か ら第２の偏光状態に変更して、第１の光学素子で反射された拡大虚像がビーム スプリッタを横切るようになっていることを特徴とする請求項１に記載の虚像 表示装置。 ５．偏光変更器は、四分の一波長板であることを特徴とする請求項４に記載の虚 像表示装置。 ６．ビームスプリッタ及び第１の光学素子はそれぞれ反射面を有し、反射面相互 間の角度は約３０°〜４５°であることを特徴とする請求項１に記載の虚像表 示装置。 ７．結像面は、マイクロディスプレイであることを特徴とする請求項１に記載の 虚像表示装置。 ８．マイクロディスプレイは、シリコン上に光透過性液晶が配置されたディスプ レイであることを特徴とする請求項７に記載の虚像表示装置。 ９．マイクロディスプレイの表示面積は、約１００mm²以下であることを特徴と する請求項７に記載の虚像表示装置。 10．マイクロディスプレイは、約４９μｍ²〜約２２５μｍ²のサイズの画素を 有していることを特徴とする請求項７に記載の虚像表示装置。 11．マイクロディスプレイは、約１４４μｍ²以下のサイズの画素を有している ことを特徴とする請求項１０に記載の虚像表示装置。 12．照明源は、白熱灯、レーザ、、発光ダイオード及び導波路から成る群から選 択されることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。 13．照明源は、結像面に結像したソース物体を均一に照明することを特徴とする 請求項１に記載の虚像表示装置。 14．マイクロディスプレイは、光を反射するか、又は散乱させるよう変調される アレイ状の画素を有し、表示装置は、マイクロディスプレイにより散乱された 光を浸漬式ビーム分割素子上に焦点合わせする光学格子を更に有していること を特徴とする請求項７に記載の虚像表示装置。 15．虚像表示装置であって、 ソース物体を結像させる結像面と、 反射機能及び拡大機能を備えた第１の光学素子と、 拡大機能を備えた第２の光学素子と、 第１の光学素子と第２の光学素子との間に位置した浸漬式ビーム分割素子と を備え、浸漬式ビーム分割素子は、空気よりも大きな屈折率を有する光学的に 透明な物質により包囲されたビームスプリッタを含み、浸漬式ビーム分割素子 は、第１の光学素子のほうに向いていて、光学的に透明な物質内からθ未満の 角度で差し向けられた光を全反射させる裏面を有し、 前記虚像表示装置は、結像面に結像したソース物体をθ未満の角度で光学的 に透明な物質の裏面に投射する照明源を更に有し、裏面は、光をビームスプリ ッタに向かって内面反射し、ビームスプリッタは、投射されたソース物体を第 1の光学素子に向かって反射し、第１の光学素子は、投射されたソース物体を 拡大すると共に投射されたソース物体の拡大虚像をビームスプリッタに向かっ て反射し、拡大虚像は、ビームスプリッタを横切って第２の光学素子に至り、 第２の光学素子は、拡大虚像を拡大してソース物体の複合拡大虚像を生じさせ ることを特徴とする虚像表示装置。 16．光を浸漬式ビーム分割素子の裏面に差し向ける角度θは、約６０°以下であ ることを特徴とする請求項１５に記載の虚像表示装置。 17．光学的に透明な物質の屈折率は、少なくとも約１.３であることを特徴とす る請求項１５に記載の虚像表示装置。 18．ビームスプリッタは、第１の偏光状態の光に対しては反射性、第２の偏光状 態の光に対しては透過性であり、マイクロディスプレイからビームスプリッタ に投射された光は、第１の偏光状態のものであり、表示装置は、ビームスプリ ッタと第１の光学素子との間に位置した偏光変更器を更に有し、光はビームス プリッタで反射された後、そして第１の光学素子により反射された後、偏光変 更器を横切るようになっており、偏光変更器は、光を第１の偏光状態から第２ の偏光状態に変更して、第１の光学素子で反射された拡大虚像がビームスプリ ッタを横切るようになっていることを特徴とする請求項１５に記載の虚像表示 装置。 19.偏光変更器は、四分の一波長板であることを特徴とする請求項１８に記載の 虚像表示装置。 20．ビームスプリッタ及び第１の光学素子はそれぞれ反射面を有し、反射面相互 間の角度は約１０°〜３０°であることを特徴とする請求項１５に記載の虚像 表示装置。 21．結像面は、マイクロディスプレイであることを特徴とする請求項１５に記載 の虚像表示装置。 22．マイクロディスプレイは、シリコン上に光透過性液晶が配置されたディスプ レイであることを特徴とする請求項２１に記載の虚像表示装置。 23．マイクロディスプレイの表示面積は、約１００mm²以下であることを特徴と する請求項２１に記載の虚像表示装置。 24．マイクロディスプレイは、約４９μｍ²〜約２２５μｍ²のサイズの画素を有 していることを特徴とする請求項２１に記載の虚像表示装置。 25．マイクロディスプレイは、約１４４μｍ²以下のサイズの画素を有している ことを特徴とする請求項２４に記載の虚像表示装置。 26．照明源は、白熱灯、レーザ、発光ダイオード及び導波路から成る群から選択 されることを特徴とする請求項１５に記載の虚像表示装置。 27．照明源は、結像面に結像したソース物体を均一に照明することを特徴とする 請求項２１に記載の虚像表示装置。 28．マイクロディスプレイは、光を反射するか、又は散乱させるよう変調される アレイ状の画素を有し、表示装置は、マイクロディスプレイにより散乱された 光を浸漬式ビーム分割素子上に焦点合わせする光学格子を更に有していること を特徴とする請求項２１に記載の虚像表示装置。 29．虚像表示装置であって、 ソース物体を結像させる結像面と、 反射機能及び拡大機能を備えた第１の光学素子と、 拡大機能を備えた第２の光学素子と、第１の光学素子と第２の光学素子との 間に位置していて、空気よりも大きな屈折率を有する光学的に透明な物質によ り包囲されたビームスプリッタを含む浸漬式ビーム分割素子と、 結像面に結像したソース物体を光学的に透明な物質を通してビームスプリッ タに投射する照明源とを備え、ビームスプリッタは、投射されたソース物体を 第１の光学素子に向かって反射し、第１の光学素子は、投射されたソース物体 を拡大すると共に投射されたソース物体の拡大虚像をビームスプリッタに向か って反射し、拡大虚像は、ビームスプリッタを横切って第２の光学素子に至り 、第２の光学素子は、拡大虚像を拡大してソース物体の複合拡大虚像を生じさ せ、 前記虚像表示装置は、第１の光学素子、第２の光学素子及び浸漬式ビーム分 割素子から成る群から選択された２つの素子を互いに移動させる焦点合わせ機 構を更に有する、 ことを特徴とする虚像表示装置。 30．第１の光学素子と浸漬式ビーム分割素子を互いに移動させることを特徴とす る請求項２９に記載の虚像表示装置。 31．焦点合わせ機構は、複合拡大虚像が観察者に対して複数の位置に見えるよう 調節可能であり、各位置は、観察者から約１.５フィート〜１０フィート（約 ０.４６ｍ〜３.０５ｍ）の距離のところにあることを特徴とする請求項２９に 記載の虚像表示装置。 32．焦点合わせ機構は、複合拡大虚像が観察者から約１.５フィート（約０.４６ ｍ）の距離のところ及び観察者から約１０フィート（約３.０５ｍ）の距離の ところに見えるよう調節可能であることを特徴とする請求項２９に記載の虚像 表示装置。 33．第２の光学素子と浸漬式ビーム分割素子を互いに移動させることを特徴とす る請求項２９に記載の虚像表示装置。 34．浸漬式ビーム分割素子であって、 ビームスプリッタと、 空気よりも大きな屈折率を有するビームスプリッタで包囲された第１の光学 的に透明な物質と、 空気よりも大きな屈折率を有し、第１の光学的に透明な物質の少なくとも一 部を覆う第２の光学的に透明な物質と、 を含むことを特徴とする浸漬式ビーム分割素子。 35．第１の光学的に透明な物質は、プラスチックであることを特徴とする請求項 ３４に記載の浸漬式ビーム分割素子。 36．第１の光学的に透明な物質は、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリス チレン、ポリカーボネート、メチルメタクリレートスチレン、スチレンアクリ ロニトリル及びアクリロニトリルブタジエンスチレンから成る群から選択され ることを特徴とする請求項３５に記載の浸漬式ビーム分割素子。