【発明の詳細な説明】 【０００１】 関連出願の相互参照 【０００２】 本出願は、１９９７年４月１８日に出願されたＵ． Ｓ． 特許出願番号０８／８
４４，０９８と１９９８年１０月１４日に出願されたＵ． Ｓ． 特許出願番号０９
／１７０，８８７の部分継続出願であって、ここでは、両出願の公開が参照によって組み込まれている。 【０００３】 本出願は、１９９６年１０月８日に出願された仮特許出願Ｕ． Ｓ． Ｎｏ． ６０
／０２７，９９８と１９９７年１０月３０日に出願された仮特許出願Ｎｏ． ６０
／０６４，４３０に関しては米国特許法３５Ｕ． Ｓ． Ｃ． §１１９（ｅ）に基付いて利益を請求していて、ここでは、両出願の開示が参照によって組み込まれている。 【０００４】 連邦政府保証の研究と開発に関する報告書 【０００５】 本発明は、米国軍部当局の軍組織指令から裁定された誓約番号Ｎｏ． ＤＡＡＫ
６０〜９６〜Ｃ−３０１８の基、政府援助で完成した。 政府は、本発明において幾つかの権利を持っている。 【０００６】 発明の背景 【０００７】 頭部装着の画像ディスプレイ（例として、超小型ディスプレイを組込んだヘルメット、ゴーグル及び眼鏡）及び、英数字で、ビデオ又グラフィク・フォームでデータを提供する他のコンパクトなディスプレイ・システムは、多くの他の分野における事と同様に、航空電子工学、医療、娯楽、携帯用コンピュータにアプリケーションを持っている。 例として、米国特許５，３４８，４７７，５，２８１
，９６０，４，８０６，００１及び５，１６２，８２８を参照する事。 従来技術の頭部装着ディスプレイ・システムには、主に、３つの原理的なタイプがあり；
それらは、表示された電子画像が、使用者よって両方の画像を見る事が出来るように外周像と混用されている「透視システム」と、表示画像が外周像の部分を遮光している「見まわしシステム」及び、全体周辺画像が、使用者によって電子造影像だけが見えるようにブロックされている「完全陥没システム」である。 ３タイプシステムの全部は、観視者の眼に画像を投影するように、レンズやその他、
いろいろの手段を用いている。 【０００８】 一番簡単なシステムには、電子ディスプレイの１個か、それ以上のレンズが装備されていて、更に、使用者の眼前に支持される見まわしタイプで構成されるものがある。 その装備の大きな制約は、使用者によって遮光フィールド中の周辺像が見えるように、頭部に対して、ディスプレイと光システムを移動しなければならなく、また、逆に頭部を移動しなくければならないことである。 遮光の重要な意味する処は、ディスプレイそのものにも依存するが、それと同様に、構造とハウジングとを支える事にも依存する。 そのようなデバイスの二番目の制約として、装備の重さがあり、頭部にたいして、思いもよらない荷重又トルクを加える要因となる処の、装備が頭部（ヘルメット帯、及び、他の頭にかかる負担）から吊されると言った制約がある。 デバイスには、三番目の制約として、光システムの突出する瞳孔部の位置において、その突出する瞳孔部が、使用中に起こる色々の動きを十分に収容できる大きさのものでなくてはならないと言った制約があり、
その制約の意味から、しっかり固定できない事も起きる。 【０００９】 完全陥没システムは、見まわしシステムと同じ制約を多く有している。 システム装着頭部は、どんな外周像も見ることが出来るように、取り外す事になる。 一般的に、システムは、見まわしディスプレイと同じような、ディスプレイとレンズ・システムで構成され、また、ディスプレイの単体、レンズ・システム及び、
反射スクリーンからも構成される。 これらのシステムは、大きい重量、トルクそしてボリュームを有する。 【００１０】 透視システムは、最も複雑な光システムである。 概して、透視システムは、ディスプレイ単体、レンズ・システム及び、観視用スクリーンか、または結合肢部から構成される。 透視ディスプレイの制約の全ては、外周像を見るために、頭部装着システムを除く必要性があり、この必要性を除いては、全く、透視システムに共通している。 しかしながら、この利点のため、更なる光素子を追加使用する必要が出て来て、結果として、システムに対して重量も増える。 【００１１】 上記頭部装着ディスプレイ型の三つ全ては、寧ろ、従来型光支持部（便利な眼鏡フレームで装備された最も簡単な支持部のようなもの）よりも、光システムが、ゴーグル、ヘルメット、バンド紐、バイザー及びそのようなものを有する、通常嵩張るサングラス・フレームに装着される処の更なる要求制約がある。 この制約は、使用者に対して、そのような装置の装着に慣れ親しむ事を要求する。 【００１２】 従来技術のディスプレイのもう一つの制約は、照明を装備する事の必要性である。 例えば、液晶ディスプレイを有する頭部装着ディスプレイ・システムは、ディスプレイを照明するランプが必要である。 これらのランプは、電力を消費し、
使用者の頭近辺に熱を発生して、システムの全体の容量と重量を増加させる。 【００１３】 従来技術の更なる鍵になる制約は、眼鏡システムに対し、外部で光路を使用する事である。 例えば、米国特許５，３４８，４７７において、Ｗｅｌｃｈは、画像用リレーと、眼鏡フレームと眼鏡レンズとに対し、外部で装着されるレンズとスクリーンのセットとを構成するシステムについて述べている。 自由空間光路、
結合肢部及びそのような物の使用は、型の超小型化で従来技術を全く難しくしている。 米国特許５，１６２，８２８で、Ｆｕｒｎｅｓｓ，その他は、透明陽画部の底部に位置して、固定化か、調整可能かになっている、ゴーグル又は眼鏡、及び鏡の上部に位置するディスプレイで以って、ゴーグルに見られるような、透明スクリーンを基調とする透視システムをもって、この制約に狙いを付けようとしている。 このアプローチは低減した複雑さを示しているが、システムは、透明陽画部の前後に、不便にも露出して位置する、少なくとも１個の鏡を尚も必要としている。 Ｐｅｒｅｒａ（米国特許４，８６７，５５１及び４，７５１，６９１）
とＢｅｔｔｉｎｇｅｒ（米国特許４，８０６，０１１）とによって公開された眼鏡も、また鏡を眼鏡フレームから支持する事を要求している。 機械的に支持した鏡を有する自由空間光システムの特定する制約は、鏡の光面が、使用中に傷ついたり、剥がれたり、突然起こる衝撃によって使用者の眼を傷つけると言った付帯事の発生が大きい確立を有している事態からして導かれている。 加えて、これらのシステムが異常な光の付帯事をもっているため、彼等は、従来型眼の装着に関する理想的な型を求めようとしない。 【００１４】 頭部、サングラス、眼鏡及びその類のものに装着されているディスプレイについて多くの事例がある。 規範的な正しい使い方があるかもしれない、使用者の既存の眼鏡を利用するディスプレイ・システムは、彼等が、ディスプレイ・システムに対して規範的な正しい使い方を加味する必要性を否定するため、自然に、更に、簡単になっている。 【００１５】 しかしながら、眼装着又は、頭部装着に装着される従来技術のディスプレイは、使用者の有効性のある視野の大きさをぼかしていると言った決定的制約を有している。 例えば、米国特許４，８６７，５５１で、Ｐｅｒｅｒａは，眼鏡に装着されるディスプレイについて、ディスプレイを越える使用者の視野に、高い割合の閉塞性があることの制約と、そして、乱視を誘発する非中軸光の使用の制約について述べている。 また、高い割合の閉塞性は、Ａｌｂａｃｏｍ Ｃｏｍｐｕｔ
ｅｒ Ｃｏｒｐによって販売された眼鏡装着ディスプレイに存在する。 Ｌｉｑｕ
ｉｄ Ｉｍａｇｅ又Ｖｉｒｔｕａｌ Ｖｉｓｉｏｎような他社は、使用者の片側か、両方の眼に、ケーブル、グースネック固定具又は、他の機械的支持具によって吊されるディスプレイを提供している。 同じように、Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙからのディスプレイは、移動型のコンピュータ・ディスプレイを提供するために、眼装着に装着されているが、このアプローチもまた、使用者の周囲の展望に大きい制約をしている。 【００１６】 そのような従来技術のディスプレイだけが、使用者の視野の大部分を、ただ、
不鮮明にしているだけでなく、そのディスプレイは、使用者の顔もはっきりさせない。 視界の不鮮明さは、ディスプレイを調整したり、移動したりする事に配慮しないで、手近で作業の焦点が自由になる使用者のアプリケーションに特に制約となる。 【００１７】 総体的に、頭部装着及び、ヘルメット装着のディスプレイは、対角線長が４ｃ
ｍか、それ以下の小型ディスプレイを標準にしている。 そのような小型ディスプレイを使用するディスプレイ・システムは、倍率を合わせるため、及び、近い距離で出来るだけ心地よい見方が出来るように、レンズを眼の近くに装着せねばならない。 眼の近くに装着するレンズ及び他の光に関係する物は、「接眼鏡」される事の条件がある。 また、先行技術の頭部装着システムの殆どは、接眼鏡のための支持固定具と、ディスプレイへの電子ケーブル誘導孔の両方を必要にしていて、眼の近くに良好に装着されるディスプレイ（例えば、超小型液晶フラット・パネル型ディスプレイ）である。 これ等に使用の素材（線材、液晶ディスプレイ及び他に必要な回路）は、眼の近くでハウジングされる不透明液内に配置される。
結果として、そのシステムは、使用者の視界の一部をブロックし、そして、使用者の顔を暈かす。 顔の不鮮明さは、社会事情で装備を使用する事の好ましさを低減する。 【００１８】 また、ヘルメット装着のディスプレイは、画像が、使用者の顔面に吊されるガラス固定具によって提供されることで知られている。 ガラス固定具は、ヘルメットに装着されていて、眼の近くで接眼鏡を含有している。 ガラス固定具は、ヘルメットに装着されるディスプレイに、画像誘導を良好にしながら、接眼鏡ために機械的支持具として機能している。 しかしながら、このシステムの制約は、大きさと重さに関係していて、ヘルメットとして構成される。 【００１９】 発明の要約 【００２０】 本発明は、使用者の眼と共に使用する、コンパクトで、軽量の頭部・ボーン（
頭部装着）画像ディスプレイに関する。 画像ディスプレイ・システムは、使用者の頭部で支持されるように構成した支持フレームを含む。 ディスプレイ組立体は、使用者の眼の前で、支持フレームで支持される。 ディスプレイ・組立体は、画像を外部照明と分離するように機能するディスプレイ素子から構成される。 二つの光面を有する光学リレーは、使用者の眼の方に向いている二つの光面を外部ライトが通過出来るように配置されている。 光路は、ディスプレイ素子から受光する光学リレー内で内部配置されている。 光路は、光学リレーの二つの光面に沿うように、又は、その間の何れか、少なくとも一方の方向をとるように配置される。 接眼鏡の組立体は、光学リレー内で内部配置され、そして、使用者の眼へ向かう光学リレーからの光路の少なくとも一部に沿って通過していたライトを方向変えするために配置されたインターフェイスを構成している。 【００２１】 光学リレー及びアイピース組立体は、内部全内反射面と、部分的銀メッキ鏡又は誘電コーティング面、又はホログラフィーあるいは回折面を含む１又はそれ以上のコンバイナー、及び偏向補正用の１又はそれ以上の光学面より形成され、その結果ディスプレイ要素からの画像はユーザーの視野内に位置する部分的又は完全な反射面により、ユーザーに中継される。 更に、光学リレーは少なくとも一部は外部光線に対し透明であることから、部分的には銀メッキ鏡又は誘電コーティングされているが周囲風景はユーザーに対して比較的妨げられてはいない。 これら光学要素は頭部装着型フレームに取り付けられるか、頑強フレーム又はレンズ内に埋め込まれ、その結果光学面（レンズ又は反射器）がシステムに加えられ、
ディスプレイに拡大能を追加するか、通常の頑強と同様にユーザーの視力を補正する。 従来技術に対する本法の主要優位点は、光学システムが頑強レンズ内に組み込める程、あるいはフェースマスク、ゴーグル又はヘッドセットの様なその他頭部装着型フレームに装着できる形状まで小型化され、通常の頑強では見られない様なアイピース近くの外部付属物、又は不便な大型の光学コンポーネントを排除することができることである。 【００２２】 ディスプレイ要素は眼鏡フレームの様なフレーム、レンズホルダー又はテンプル、又はフェースマスクフレーム、又はヘッドセットに、例えばブームを介して取り付けられるだろう。 ディスプレイ要素は、もし存在する場合には勾配インデックスコンジット、合着製ファイバー光束又はレンズイメージリレーの様な画像コンジットを利用することで、眼鏡レンズから遠方に位置してもよく、その結果ディスプレイは頭部に於けるシステム重量のバランスを取る必要がある場合、あるいは顔面から離して熱源（ディスプレイ又は非可視光）を配置しなおす場合、
あるいは美観上のその他の理由により後頭部に位置せしめることもできる。 【００２３】 イメージディスプレイシステムは、頭等位債フレームに据え替え可能に取り付けあれるコンパク装置を提供する。 例えば、ディスプレイ装置はユーザー視野外にある頭部装着型アイウエアに取り外し可能に取り付けるための取り付け装置を有するハウジング組立体を含むだろう。 ハウジング組立体内には、データ又はビデオシグナルを受け取るための回路が組み込まれているだろう。 ディスプレイ又は電子画像組立体は、ユーザー視野外にあるハウジング組立体により支持され、
ハウジング組立体内にある回路と連絡し画像を作り出す。 【００２４】 従ってディスプレイ装置は、ユーザーがユーザー視野内の好都合な場所に画像位置を設定できる様調節可能に作ることができる。 装置には眼鏡又はユーザーに不快感を殆ど与えないその他ヘッドギアを加え、あるいは取り除く事ができる。 【００２５】 本発明は、イメージリレーシステムと眼鏡又はその他ヘッドギアに適用可能な簡単な装着システムを持った機械的支持体とを組み合わせる、軽量、小型、人間光学的なディスプレイ装置に関する新しいアプローチを提供する。 ディスプレイ装置は、アイピースを目の近くに懸架する透明なオプトメカニック固定具と組み合わされた、眼鏡近くに取り付けられた小型のフラットパネルディスプレイの使用を含む複数の改良を従来技術に提供する。 ディスプレイ装置は、眼鏡又はその他のヘッドギアに取り付ける事ができるものであり、ユーザーの視野を大きく損なわず、ユーザーの顔面を隠すこともなく、大きな歪みのない表示画像及び周囲風景を提供し、そして軽量である。 同様に別の観察者に提供されるるユーザー視野も歪みのないものである。 ディスプレイ装置は、透視的な様式に画像を提供することができるため、ユーザーはディスプレイからの画像と周囲イメージとを重ね合わせ見る。 【００２６】 発明の詳細な説明 【００２７】 図１は従来のレンズ及びコンバイナーに基づく透視型頭部装着式ディスプレイシステムを例示している。 ディスプレイ１０及びバックライト２０は、レンズ５
０と共にユーザーの視線の上に取り付けられている。 ディスプレイからの光線８
０はレンズ５０を通りコンバイナー４０でユーザーの目に向かって反射される。
周囲風景からの光線６０はレンズ３０を通り、更にコンバイナー４０を通り、ディスプレイからの光線９０と合流する。 従ってユーザーはディスプレイからの光線と周囲風景からの光線の重なりを含むイメージを見ている。 このシステムのレンズは画像が所望位置で受け取られる様に、光線に適当なに輻輳を提供する。 一般的には本システムの各種パーツの大きさは０．５ないし２．０インチ程度であり、幼年者にとっては大型であり、システムを大型にするハウジングやフレームを必要とする。 更に重量はユーザーの頭部に不要の回転力が生じる如くに分布している。 【００２８】 図２は巡視技術を含む頭部装着型ディスプレイ法の別の従来技術を例示する。
ディスプレイ１０及びバックライト２０には、光線１００が適当な輻輳をもって目に伝えられる様にレンズ１１０が取り付けられている。 このディスプレイシステムはパーツ数が少なく透視型ディスプレイに比べ若干明るいが、周囲光を遮断する。 更に、防止又はヘッドバンドに取り付けられた巡視型及び透視型ディスプレイは環境内の物体に引っかかり易い。 【００２９】 本発明の好適実施態様の一つを図３に示す。 画像源又はディスプレイ３２０及びレンズ３３０は第２“レンズ群”又は今後“主レンズ”３００と称されるレンズシステム３００のヘリに取り付けられる。 主レンズ３００はより具体的には接眼レンズ（視力補正光学性能の有無に関係せず）及びインサート３０１としてここに示されている、例えば２焦点インサートの様な形のアイピース組立体の形状が考えられる。 従って、主レンズ３００は眼鏡フレームでは単一レンズ（又は２
焦点レンズの場合にはレンズシステム）に置き換わることが理解されるだろう。
主レンズ３００はより正確には埋め込み型レンズとその他光学コンポーネント及び表面を具備する光学システムとして参照されるが、ここでは簡便化を理由に主意レンズ３００と称する。 更に、ここでは一般的に用語“レンズ”は屈折、回折、反射又はその他特性の光学性能を持つ表面及び／又は光学性能を持つ複数の表面のセットを表していると考えるべきである。 【００３０】 主レンズ３００内のインサート３０１は、ｎ １がｎ ２より大きい異なる屈折率ｎ １及びｎ ２を持つ２種類の材料を具備しており、その結果画像源３２０から出てより高い屈折率をもった材料を通過し材料間の界面３０２に入射した光は第３
レンズ３４０に向かって完全に内反射する。 周囲光線３０６は界面３０２を通過し第３レンズ３４０から離れる形で屈折するため、表示画像のコントラストが改善する。 ２枚のレンズ３３０及び３４０は、組み合わせた光学性能が顕微鏡を形成し、ディスプレイからの画像を所望の拡大で見ることができる様に選択される。 例えば２種類の材料は石英ガラス（ｎ ２ ＝１．４５８）及びＬａＳＦＮ ９ （ｎ １ ＝１．８５）を具備し、その結果５２度より大きな入射角で入った光線は完全に内部反射される。 あるいは材料の間に空気又はその他液体が充填されたギャップが提供されるか、又は低屈折率材料が空気を含むか、その他液体又は真空である場合には、石英ガラスを主レンズ３００に使用した全内部反射の臨界角は４３
度になるだろう。 界面３１０の入射角が全内反射の臨界角を越える条件を満たし、同時に観察対象画像を定位するための光学条件をも満たす様に設計されるだろう。 更にここに示される光学界面は平坦であるが、しかしそれは屈曲し光学性能を提供してもよい。 【００３１】 他の実施態様は、誘電ビームスプリッター及びコンバイナーに通常行われる様に、光路を結合させるために界面位置に薄膜界面コーティングを有する材料を部位置したインサート３０１の利用を含む。 この様な例では、屈折率ｎ １及びｎ ２は同一になるだろう（ｎ １ ＝ｎ ２ ）。 いずれの方法も機能する；しかし、透視型システムでは干渉コーティングが有用であるが、巡視型システムでは全内反射が所望光路に沿ったより大きな光スループットを提供するだろう。 金属コート表面も利用できる。 【００３２】 ディスプレイ３２０は小型のフラットパネルディスプレイ、陰極線管、又は本出願譲渡人を譲渡先とし、且つ参照されここに取り込まれている米国特許第５，
７１５，３３７号記載の様なスキャニングディスプレイを具備するだろう。 ディスプレイ３２０は実際の応用条件と利用可能な技術に応じてアナログ又はデジタルにＲＦリンクするＲＦビデオシグナルに反応するだろう。 【００３３】 図４は画像結合システムを形成する別の方法を例示する。 このシステムでは、
前記の全反射面に代わって、コンバイナーとして逆向きのキューブビームスプリッター８０１が使用されている。 キューブビームスプリッター、例えばＥｄｍｕ
ｎｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐａｒｔ Ａ４５，１１１は周囲光線の屈折を実質持ち込まない全内部反射面に比べ優れている；しかし、キューブビームスプリッターは周囲及びディスプレイ光線の約５０％しか目に通さない。 しかし、ビームスプリッター８０１が偏光ビームスプリッターを具備し、そしてディスプレイが偏光を提供する場合（例えば液晶ディスプレイからの光又はレーザースキャンディスプレイからの光）には、ディスプレイ発光の波長及びキューブ８０１内のコーティングの光学設計に依存し、７５ないし９９％の範囲で反射が得られる。
キューブはある偏光は効率的に通すが、別のものは通さないため液晶ディスプレイに関するアナライザーとしても機能する。 【００３４】 本実施態様では、ハウジング８２０はキューブ８０１に結合する２枚のガラス又はプラスチック製プレート、８１０プレート及び主レンズ３００を含むその他内部パーツを固定する手段を提供する。 画像源からの光線は穴８２１（図６Ａ）
を通りハウジング８２０内に入射する。 周囲光線は３つある光路の一つを通る。
第１光路８３０は光学偏光層８０４を通り、ガラス８１０、キューブ８０１、第２ガラス８１０を順に通り目に至る。 第２光路８３１は、光学偏光層８０４、ガラス８１０、随意の光学偏光層８０２、第２ガラス８１０の順に通り、目に至る。 光学偏光層の目的は、目に到達する周囲像の光レベルを調節してディスプレイと周囲風景間の光レベルのバランスを調整することであり、随意の偏光装置８０
４を回転式ベゼルに装着することで可能である。 【００３５】 第３光路８３２は随意の偏光層８０４、ガラス８１０、随意の偏光層８０２、
キューブ８０１を通り、次に第２ガラス８１０を通り目に致す。 光路８３２を通った光はキューブを軸外伝達するために若干の歪みを受ける。 この作用はビームスプリッターを円錐形にすること、そしてボイド内を光学的にキューブ８０１に適合した化合物で満たすことで減少させることができる。 【００３６】 キューブビームスプリッター８０１は前述の如く偏光に対し感受性である様に設計され、配置されており、そして偏光層８０２と一直線に並んだ場合には、キューブ８０１及び偏光装置８０２は光線８３０、８３２及び８３１を当量ずつ吸収する。 適当に並べられた場合、主レンズ３００を通過する偏光の正味量は均一であり、外部偏光装置８０４を回転させキューブ又はその他を通り観察される周囲風景の光レベルが調節されるだろう。 【００３７】 図５Ａ−５Ｅ及び６Ａは、図４に示した装置に適した眼鏡フレームの組立体の詳細を示している。 三角ブロック８２２は以下詳細記載するディスプレイからの光路が納められているパイプ８２３を受ける。 鏡８２４は光路上の光を角度９０
°で開口部８２１を通りコンバイナー８０１に反射する。 ブロック８２２はハウジング９２０に好適手段、例えばネジ８２５により取り付けられている。 ２個のハウジング９２０は組み立てられ図６Ａに示す様な眼鏡を形成する。 図３を参照すると、位置３０１のキューブ８０１、レンズ３４０及びディスプレイ３２０も主レンズ内に一体鋳物として形成され、続いて図６Ｂに示す様な通常の眼鏡フレームに取り付けられる。 【００３８】 図７は、レンズ３３０及び３４０が、主レンズ３００に接着され、あるいは例えばレンズが射出成形される場合には主レンズ３００の一部して形成されるレンズ３６０及び３７０によりそれぞれ置換されている別の実施態様を示している。
主レンズ３００は、光学部分を例えば光学セメント、ポリカーボネート、エポキシ、ポリメチルメタクリレート、又はガラスの様な透明又は着色された固体材料に埋め込むことで単一の固体片として形成することができる。 この場合、モールドには主レンズ上又は内部各所にて所望光学性能及び／又は反射を生ずる面が提供される。 主レンズ３００はまた複数のキャスト、モールド、又は機械加工部品より形成し、次に相互にこれを結合してソリッドユニットを形成するか、あるいは図４ないし６に示す手段で装着しても良い。 本発明の別の実施態様は、分離レンズ３４０を持つ一体式レンズ、又はその逆の利用を含む。 更に、レンズ３３０
と３４０、又は３６０と３７０、あるいは何れかの組合せは光学システム内の分散効果をいろ補正するための無色収差レンズ、又は画像の歪みを減じるためのその他レンズの組合せを含むだろう。 レンズ３６０は随意であり、単純な拡大光学を求めているシステムでは除かれることを理解すべきである。 【００３９】 レンズシステムの別の実施態様が図８に示されている。 この設計では、レンズ３６０及びディスプレイ３２０は主レンズ３００の後方位置に動かされる。 入射画像をインサート３０１に向かわせることを目的とし、反射面３２５が主レンズ３００内に第２インサート３２６の形で提供される。 反射面３２５は図５Ａに示す様に、それ自体がキューブ８０２を具備する、あるいは主レンズ３００に対し内側又は外側に取り付けられた鏡により置き換えられるインサート３０１内に装着されるタイプである。 第２インサート３２６が偏光ビームスプリッターの様な偏光装置である場合、インサート３０１又はインサート３２６はイメージ源３２
０が液晶ディスプレイである場合に分析偏光器（分析装置）として機能することができる。 【００４０】 ディスプレイ３２０が強力なイメージディスプレイを提供できる応用では、鏡はディスプレイ制御装置が故障する不測の事態に対応してユーザーの目を保護することを目的に設計されるだろう光学的融合装置として機能する。 鏡（表面３２
５の）は、事故による光の一部を吸収する様に設計されることで障害からユーザーを保護するだろう。 その為には、鏡反射層下に低熱伝導性材料の１又はそれ以上の層が提供されるだろう。 この様な配置により、光線は網膜より速くかがみを熱する様になり、それにより目より速くかがみを損傷することになる。 鏡下にある低伝導性層の一つは、気泡を誘導する熱拡張係数の大きな材料又を含んでいるか、又は網膜の損傷閾値より低い閾値エネルギーフラックスで機能する様に設計された脱焦点メカニズムを鏡に具備しているだろう。 画像源は上記作用を高める赤外（ＩＲ）放射も供給するだろう。 ＩＲ放射は、それがユーザーの目に到達することを防止するためにシステム内の別カ所に備えられたフィルターにより取り除かれるだろう。 【００４１】 ディスプレイは前記開示の如くバックライトにより照明されるか、又は周囲光線４０１及び／又は４０２及び／又は４０３により照明される。 この様な設計は完全内反射インサート３２６により、あるいは部分又は完全反射鏡面３２５により、あるいは誘電メッキによる表面を利用し機能できる。 光線４０１、４０２及び４０３は屈折しコンバイナー３２５を通りディスプレイに至る。 これら光線は次にディスプレイから目にいたイル光路に反射される。 光学システムには光線４
０１、４０２及び４０３を集め、集光する集光又は集合レンズが提供されるだろう。 更に、光線４０１、４０２及び４０３は、十分な周囲光線が利用できない場合に、可視化を目的として主レンズ３００に光学的に取り付けられたランプにより供給されてもよいディスプレイ３２０が液晶ディスプレイの場合には、インサート３２６は偏光器及びディスプレイ分析機として機能できる偏光ビームスプリッターを具備するだろう。 この実施態様は、当分野にて周囲風景の光レベルの調節に関し良く知られている交差回転システムを追加することで更に改良できるだろう。 この場合、ディスプレイからの光と周囲風景の光レベルのバランスが取られるだろう。 液晶シャッターを利用することで調節は電子的に行うことができ、
また画像の相対輝度管の自動補正又はバランス調整にはセンサーが利用されるだろう。 【００４２】 上記設計は、図９に示す様にインサート上の主レンズ３００の正面に第４レンズ４１０を追加することで更に改良することができる。 一般には負のパワーであるレンズ４１０がレンズ３７０の正の光学性能を相殺するため、周囲風景からの光線３０６は大きく拡大することなく見ることができるが、一方レンズ４１０を通過していないディスプレイからの光線は拡大し視覚化される。 レンズ４１０はユーザーの具体的な視力補正条件に依存し正又は負の高学力を持つだろう。 【００４３】 あるいはレンズ４１０の光学性能は精密科学ループの様式にて拡大される様選択されるだろう。 主レンズ３００の何れかの側に別レンズが加えられ、通常の眼鏡の様式にてユーザーの視力が補正され、そして顕微鏡レンズがユーザーの視力を補正する様に光学性能を調節されるだろう。 レンズ３７０及び４１０を通した視力を更に補正するために別のレンズが加えられるだろう。 これらレンズもまた主レンズ３００の容積内に実質組み込まれるだろう。 【００４４】 射出成形又はあるいはパーツのセットを機械加工し固体主レンズに組み立て上げることで提供された様な、固体レンズが主レンズ３００内に提供される実施態様では、空気中での屈折率ｎ及びレンズ曲半径は、ポッティング、モールディング、又は機械媒体中において所望する光学性能が得られる様に補正しなければならない。 化合物及びレンズ材料の屈折率は、光学ポリマー又はガラスに関しては１．４ないし１．６の屈折率を持つもの、そしてその他光学材料に関しては１．
５ないし２．０の屈折率を持つ多くの化合物より選択されるだろう。 モールディング化合物はガラスに適合した屈折率（ｎ＝１．４６）を持つ多くの市販化合物から選択され、レンズは例えばＬａＳＦＮ ９ （ｎ＝１．８５）から形成されるだろう。 あるいは光学性能は曲率半径が適当に設計された状態で、モールディング材料中に間隙又は真空を提供すること、あるいは低屈折率材料を利用することで作られるだろう。 別の方法は、間隙を高又は低屈折率の液体で満たすことである。 更に別の方法は、主レンズ３００内に回折型又はホログラフィックレンズ要素を使用することである。 【００４５】 図１０は、複数の視野レンズ９０１、９０２が主レンズ内に提供されている別の実施態様を示している。 これら視野レンズは光学性能の分布に有益な効果を有しており、従って接眼レンズに高い光学性能を持たせる必要性を小さくできる。
この様なレンズは視野拡大にも利用できる。 これらのレンズ及びその他光学パーツは、例えば射出成形により、あるいは複数のパーツを機械加工し、続いて内面を金属又は誘電層でコーチングし、続いてこれらパーツを組み立て、埋め込み型光学面を持つ主レンズ３００を形成することにより形成される。 更に、レンズ９
０１及び９０２の光学性能が十分な場合には、レンズ３７０及び４１０は必要ない。 【００４６】 図１０を参照すると、眼鏡フレーム内への統合に好適な主レンズ３００を形成するためには、主レンズ３００の厚さ９３４が通常の眼鏡の範囲（２５ｍｍ未満であり、好ましくは１ｍｍないし１５ｍｍである）にあることが望まれることが理解できる。 主レンズ３００の表面は、厚さ９３４に等しい寸法を持つ内部光路内に開口絞りを形成する。 部分反射面３２４もまた絞りを形成する。 レンズの倍率に応じ、これら絞りがディスプレイからの画像の視野を制限する。 本発明は、
視野レンズ３０１、９０２を利用することで、これら絞りに関する制限の幾つかを解決している。 【００４７】 厚み９３４の主レンズ３００により導入される絞りを克服する第２の方法が図１１に示されている。 インターフェース３２４、３２５は４５度未満の角度４５
５及び４５６にて接続され、その結果主レンズ３００の厚み９３４は薄くなる。
光路は、前記の如く全ての内部反射から生じた主レンズ３００の内面からの１又はそれ以上の反射を必要とする。 この様な場合、埋め込みレンズ９０１が図に示されるように僅かに傾斜している。 【００４８】 図１２は接眼部内の凹面鏡を用い主レンズ３００が製造できる様子が例示されている。 液晶ディスプレイの様なディスプレイ９７８からの直線偏光及び不可視光線９７７が光学レンズ９７９を通り主レンズ内に入り、鏡９６０により反射される。 光は主レンズ３００の表面間を通り、ある方向の直線偏光は通すが、直交方向の直線偏は反射する偏光スプリッターコーティング９８１に至る。 ディスプレイおよびのビームスプリッター表面の偏光は、ディスプレイからの光がビームスプリッター９８１を通過し、４分の１波長板９８２を通り凹面鏡９８３に至る様に配置される。 凹面鏡の光学性能は、光学レンズ９７９の高学力と結びついてディスプレイからの光の辺縁を、イメージが増幅され、見やすい距離に置く様に変更する。 光は鏡９８３により反射され、４分の１波長板９８２を通り後方に伝えられる。 ４分の１波長板は、プレートを２回通過した光の偏光性がコーティング９８１によって反射される方向に回転する様に配置されている。 観察者は鏡９
８３と９７９の光学性能により決定される距離にあるガラス正面内にある仮想画像を見ており、光学表面間の距離は画像工学分野で良く知られている方法により決定される。 同様に、鏡９８３及び４分の１波長板９８２は図１３に示すように光路に対し設置される。 図１３に示す例では、透過型ディスプレイが望ましい場合、鏡９８２は部分的に銀メッキされ、観察者の目まで周囲光が通過する様にしなければならない。 全内部反射を使い光線スプリッターコーティング上への入射角を変化させる図１１に示す方法は、図１２及び図１３に示す方法と共に視野拡大に利用される。 【００４９】 上記光学システムはせん望、透視、または完全液浸システムに応用できると考えられる。 ある型から別の型に設計を変更し、又は自動交換式のシステムにするために様々な装置を加えることができるだろう。 例えば、レンズ４１０（図９）
を凸型ディスクから凹型に変更し、透視型システムからせん望型システムに変えることができる。 あるいは、インサート３０１により視野を大きく拡げ、主レンズ３００の正面に不透明カバーが取り付けられ完全な液浸系を形成してもよい。
不透明カバーは電子的に調節され、周囲の風景の光レベルを下げるか、又は完全に遮断することができる液晶シャッターと交換することもできるだろう。 【００５０】 又は、前述の様な鏡又は完全に内部反射する斜面を持ったプリズムを使いインサート３０１を形成しても良い。 この様な装置はもはやコンビナーではなく、むしろせん望システムの全てに必要とされる簡単な反射器である。 この反射器は、
反射面が主レンズ３００内に提供され、従ってその他方法に比べ安全性及び耐久性上の利点を有していることから、他の反射システムに比べ優位である。 【００５１】 イメージコンビナーを形成する別の方法は、最も単純な例では主レンズ３００
のベースに関しアングル３１０（図３）を特徴とする表面内に形成されたバイナリー面を有するバイナリー光学を使用する。 回折性光学要素の利点は、光をレンズ３４０に方向付けしながらアングル３１０を大きくできる一方で、反射面ではアングルが反射の法則に従い固定されることである。 これにより、レンズ３００
の厚さを比較的薄くすることができる。 レンズ３４０とその他レンズもまた回折光学要素を具備できる。 欠点は、色システム中に波長依存型の望ましくない作用が存在する可能性があることである。 しかし、光路中の別のカ所に拮抗的に機能する回折光学要素を挿入することが容易であるといった上記完全システムの光学設計に備わった柔軟性により、例え存在する場合でも色効果を補償することができる。 【００５２】 各種実施態様に記載されたレンズは、レンズシステムの各種パーツ固有の色収差を除く無色収差性の光学リレーを形成するように選択されるだろう。 更に各種実施態様の特徴がくみ合わさる事もあるだろう。 更に、図は単一レンズ系を示しているが、歪みを減じるために設計された複数のレンズ又は表面の組み合わせに交換し、視野の平坦度を改善し、又はユーザーが得る画像にその他改良を加えることもできるだろう。 【００５３】 主レンズは図１４に示す如く多様な形状を取ることができるだろう。 断面図は、光が鏡３２５により接眼部に中継される、想定される内部光学設計の一つを示している。 接眼部は光線偏光コンビナー９２０、４分の１波長板３９０及び凹面鏡９００を具備している。 内部光路は相互に同一の形であり、いずれも標準的なエッジグラインディング技術を使用し形成される。 主レンズの形状は光路を具備する長方形の断片を持つ単調な形状でよい。 これら各種形状のレンズは標準的な眼鏡フレーム、標準的眼鏡フレームに似せて形成された通常フレーム、又はその他ブーム、眼鏡クリップオン装置、又はその他装置を含むヘッドマウント型装置内に固定されてもよい。 【００５４】 前述考察は主に眼鏡型の光学応用に焦点を当てているが、光学装置はドイバー用マスク、消防士用顔面シールド、宇宙飛行士スーツマスク、危険物取り扱いようボディースーツ用フェースマスクの様なフルフェース型マスクシステム、音響伝達装置、又はマイクロフォンの様なその他装置を取り込んでいても良いヘッドセット等にも利用できるだろう。 図１５は光学システム８７０、フェースマスク構造体８７２、及び完全コンピューター回路８７４が統合され、フェースマスクシステム内に完全な統合されたコンピューターを形成する例を示している。 フェースマスクはその縁部分に統合回路の取り付けに適した十分な面積を提供するシステムで可能である。 統合回路の大きさが小さくなれば、眼鏡上にこの様式のディスプレイ及び回路の取り付けが可能になる。 図１５に示す如く、ディスプレイはレンズの縁に直接取り付けることができる。 潜水用マスクに関しては、回路及びディスプレイはフェースマスク内、その縁に直接取り付けることができ、水から密封性に保護することができる。 【００５５】 図１５は立体画像を作り出すことができる２個のディスプレイを示している。
コンバイナーは通常の視野内に直接配置（例示の如く）に取り付けることも、又はディスプレイを見るためには光学システムがどこに設置されているかにかかわらずユーザーが見上げ、見下ろし、あるいは横を見る必要がある様に通常視野外に取り付けることもできる。 フェースマスクに好適なディスプレイは共に市販されているアクティブマトリックスエレクトロルミネッセンスディスプレイ、又はアクティブマトリックス液晶ディスプレイである。 【００５６】 図１６は、内部光学リレー５１２及びソリッドフェースマスクバイザー５１６
内に埋め込まれた接眼部５１４を含むディスプレイ組立体を有するフェースマスク５１０又はゴーグルを例示する。 バイザーは、一般にＳＣＵＢＡマスク、スキーマスク及びその他フェースマスク内に提供される場合同様に、ゴム引きされたハウジング又はフェースマスクフレーム５１８により１カ所に固定されている。
バイザーは典型的には４ｍｍないし１２ｍｍの厚さを持つ。 ディスプレイ組立体は、バイザーに直接取り付けられるか、又はディスプレイがハウジング内の光学リレーと光学的に連絡する様にハウジング５２０内に設置されているディスプレイを含む。 【００５７】 図１７はディスプレイ組立体がフェースマスク内、例えば外部バイザー５１６
'の後方に提供される別実施態様を示す。 この例では、光学リレー５１２'は化フェースマスクフレーム５１８内の開口部５２２を通り延びる。 開口部は例示の如くに眼の上のフレーム頂部にあるか、又はその他の場所にある。 透明光学リレーを利用すれば視覚による妨害を最小化できる。 光学リレーはハウジング内を滑動可能であり、垂直調節ができる。 ディスプレイハウジング及びケーブルはフェースマスクフレームの形状に合わせ成形されるだろう。 光学リレー及び接眼部は外部フェースマスクバイザー後ろのキャビティ内に延びている。 この外部バイザーは紫外線フィルター又はその他の太陽光フィルター又はシェード、衝撃保護シールド、化学物質シールド、又はその他顔面保護を目的としたその他バイザーを含むだろう。 外部シールド後方に光学コンポーネントを置くことで、外部シールド上の光学コーティングは接眼部の可視性を干渉しなくなる。 更に、光学装置は外部バイザーにより保護される。 あるいは、装置は外部シールドの正面に配置することもできる。 装置は、フェースマスクフレームに据え替え可能にクリップ留めされており、ディスプレイ装置の迅速な取り付け、取り外しに有用である。 【００５８】 更に別の様態では、図１８に例示される如く外部バイザー５１６'及び内部バイザー５１６''の両方が利用される。 この場合、光学リレーは外部及び内部バイザーの間のキャビティ又は空間５２４内に位置するだろう。 内部バイザーは衝撃保護又はその他保護を強化することを目的として利用でき、同時に事故により顔面に対しフェースマスクが圧迫されたされた場合に、光学リレーに顔面が接触することを防ぐ役割もするだろう。 【００５９】 図１９は、図１７に示すディスプレイに関する考え得る調節メカニズムの一つの詳細を例示している。 光学リレーはフェースマスクフレーム５１８内に取り付けられたボール及びソケットジョイント５２６を通り延びる。 光学リレー５１４
'は前後に滑動し、接眼部位置の移動調節を可能にする。 更に、ボールはソケット内で回転することができ、接眼部５１４'の位置の角度調節に幅をもたらす。 【００６０】 ヘッドホンオーディオセット５３０（オーディオヘッドセット）上のディスプレイ装置が図２０に示されている。 ヘッドセットには、フレーム５３２、ユーザー頭部に被るためのヘッドパッド５３４及びユーザーの耳に適合するイヤーカップ５３６が含まれる。 ブーム５３８は、マイクブームに似た様式で装置のフレームに取り付けられ、ユーザーの口近くまで延びる。 ディスプレイハウジング５４
０はフレームに結合しているディスプレイブーム５４２上に取り付けられており、光学リレー及び接眼部は眼の正面に位置する。 ディスプレイブームはフレームに、調節可能なクランピングメカニズム５４４を提供する様なボルトとナットを使用した様な好適様式により取り付けられる。 【００６１】 図２１はディスプレイ組立体５５２が計量オーディオヘッドトランスデューサに通常使用されているヘッドバンドの様なヘッドバンド５５４に取り付けられる別実施態様を示す。 このタイプのヘッドバンドは１又は２個の耳用カップ５５６
を含むだろう。 １耳用カップ型装置では、パッド５５８がヘッドバンドの一方の端に提供されている。 ブーム５６０がヘッドバンド５５４に取り付けられており、ハウジング５６０内のディスプレイ、光学リレー及びアイピース、そしてケーブル５５４を支持している。 ブームは望ましい場合にはヘッドバンドに着脱可能に取り付けられている。 別実施態様では、ヘッドバンドはトランスデューサを含まず、この場合には単純なパッドがヘッドバンドの各端部に取り付けられる。 【００６２】 ディスプレイハウジングはまた、図２２に示すように補聴器に通常使用されるマイクロホン５６６を含んでもよい。 マイクロホンは差別的雑音削除設計又はユーザーの口の方向からの音響シグナルを優先的に集める位置に配置された位相アレーを含むだろう。 図２２は頂部及び底部音響ポートを通り環境と音響連絡する差別的マイクロホンを示す。 音は上記２カ所のポートから入り、マイクロホンにより音響的に減算され、音響シグナルの鎖だけが電気シグナルに変換される。 マイクロホンはユーザーの口領域からの音を選別するが、前記音が頂部ポートに比べ下部ポートからの入力がより大きいのに対し、環境音は両ポートで等しい。 前記ポートはユーザーの声に関し最大の音響選択性をもたらす用に機械的に配置することができる。 この場合、ディスプレイハウジング５６０は雑音削除マイクロホン設計を取り込むことができる。 マイクロホンはコンピューター内の音響回路又はその他装置と、ケーブル中のワイヤーにより電気的に連絡している。 この様に、システムは分離式マイクロホンを必要としない。 【００６３】 図２３及び２４は、眼鏡に着脱可能に取り付けることに適したテンプルを示している。 テンプル５７４には一連のドリル穴又はねじ穴５７６が提供されており、これが着脱式ディスプレイ、カメラ、音響又はその他装置に関し接地面を提供している。 テンプルは断面長２ｍｍないし６ｍｍの正方断面を持つ金属製のストックを含むだろう。 あるいは、これらシステムの重量を軽くするため、図２５に示すように、取り付け穴位置を除き断面は最小（名目上１ｍｍ）であっても良い。 【００６４】 ここに記載の発明による眼鏡ディスプレイは図２６及び２７に例示されている。 本実施態様では、主レンズ３００は市販の眼鏡フレーム８３０内に取り付けられている。 主レンズ３００は埋め込み型偏光ビームスプリットキューブ８０１及び埋め込み型プリズム１１０を具備しており、これらはアクティブマトリックス液晶ディスプレイ３２０からの光を反射する。 ディスプレイはバックライト１１０
５により照射され、ディスプレイ及び光はハウジング１１０５内に含まれる。 ディスプレイは電気回路に電気的に連絡している（図２６又は２７には未提示）。
ディスプレイ３２０は工学的にスペーサー１１０１に取り付けられており、ディスプレイとレンズ表面３７０間の媒体の屈折率は内部反射を最小にすることに比較的よく適合しており、材料の屈折率は１．４ないし１．６の範囲である。 ディスプレイ３２０は、ディスプレイから発する光の偏光性がキューブ８０１から目に反射されるのに適した方向を向き、キューブ海面を通過する光が最小になる様に配置されている。 正の光学性能を持つ単一平凸レンズであるレンズ３７０はキューブ８０１からの光線の輻輳を減らし、その結果ユーザーに対し約５０ｃｍの位置に仮想画像を知覚させることができます。 負の光学性能を持つ単一平凹レンズであるレンズ４１０は周囲風景からの光を前補正し、その結果レンズ３７０及び４１０との組み合わせでは比較的輻輳のない状態で光りが伝達する。 レンズ４
１０及び３７０の相対性能と感覚を最適に選択すること、及び／又は本発明に関し提供される様に複数のレンズを利用すること（例えば二重レンズ系）で、キューブを通し見た場合の周囲画像の歪みは全体的に低下するだろう。 本実施例に於ける主レンズ３００の全厚（図１０の９３４）は６．２５ｍｍである。 【００６５】 バックライト１１０３及びディスプレイ３２０を配置し直し、眼鏡フレーム内のハウジング内に含まれる様にし、図１２に示す主レンズ設計を利用することで、眼鏡フレーム８３０内にあるディスプレイシステムを完全に隠蔽し、光学デザインを改善することができる。 図２８は眼鏡のテンプル１１１２内での第１バックライト１１１０、ディスプレイ３２０及びプリズム１１１１の再配置しディスプレイを隠蔽する法を例示している。 更に、鏡９８３及びプレート９８２、又はその他光学装置は図２８に示す如く、又はここに既に記載した様に主レンズ３０
０内に埋め込むことができる。 レンズ１２００を図２８に示すように正面に結合させるか、内面に結合させることで補正することができる。 あるいは、補正用曲率は主レンズ３００と一体に形成されるだろう。 視線追跡システムとして機能し、いずれもがここに既に記載されているセンサー及びレンズ（即ち、カメラシステム）を加えることができる。 本実施態様では、主レンズ３００の外観は二重焦点レンズに類似している。 図２８は単眼システムを示している；しかし、双眼システム用に左右、合計２枚の主レンズが使用されている。 また、左主レンズ３０
０はディスプレイシステムを収納しているが、一方右主レンズ３００はセンサーシステムを収納している。 サングラスの様式にて偏光、光互変性、淡彩、又は反射フィルムを利用することで、埋め込み型光学装置の存在を更に隠蔽することができる。 その結果通常のメガネの外観を持ち、通常の点検では、ディスプレイ、
カメラ又は視線追跡装置が見つからない眼鏡ディスプレイシステムができあがる。 【００６６】 眼鏡フレーム上に装着可能なディスプレイ装置が図２９に一般的に例示されている。 ディスプレイ装置２０１０はイメージ組立体２０１２（図３２−３４参照）、光学要素２０１４、及び眼鏡フレーム２０１８より着脱可能に装着されているハウジング組立体１６を具備する。 【００６７】 図２９−３４を参照すると、ハウジング組立体１６はデータ受け取り、そしてディスプレイ装置２０１０に画像を伝達するための回路構成２０２２イメージ組立体を含むため、及びイメージングアセンブリーを含むための密封容器２０２０
を含む。 回路構成はイメージング組立体に接続される一体型、又は分離型回路を含むだろう。 イメージング組立体からの光は、光学要素２０１４を介し、眼鏡レンズ２０２４を通りユーザーの目に伝えられる。 光学要素１４は透明の固定具又はリレー２０２６、及び図２９から３１に示す実施態様では鏡２０３０及びレンズ２０３２を含むアイピース組立体２０２８を具備している。 ハウジング組立体２０１６はユーザーの眼鏡２０１８のテンプル２０３４に、取り付け固定具２０
３８とクランプ２０４０により例示されているクランピング組立体２０３６により取り付けられている。 リレー２０２６及びアイピース組立体２０２８はユーザーの眼鏡レンズ正面に配置され、その結果画像はユーザーが見るのに好都合な位置にあるレンズ２０３２を通して視認される。 ハウジング組立体は実質的にユーザーの視野の外にあるため、ハウジング組立体はユーザーの主視野を妨げない。
矯正用レンズの場合、主視野はレンズを通しみることができるものと定義される。 矯正外レンズの場合、主視野は前方を向いたときのラインから側方に約４５°
、前を向いた時のラインから上下２０°の範囲の領域と規定される。 【００６８】 画像組立体２０１２は透過型、又は反射型の小型アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）、エレクトロルミネッセントディスプレイ、又はその他対角線が２ｃｍより小さい小型のフラットパネルディスプレイを具備するだろう。 例えば、Ｋｏｐｉｎ Ｃｙｂｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐ／Ｎ ＫＣＤ−Ｑ
ＭＯ２−ＡＡが好適である。 更に、イメージングコンポーネントは米国特許第５
，７１５，３３７号に記載の様な走査型ディスプレイ、又は液晶、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンス材料又はフィールド発光ディスプレイから形成されたその他画像要素を複数含むだろう。 図３２ないし３４では、バックライト２
０４２付きＡＭＬＣＤ画像作製装置２０４０が示されている。 バックライトは発光ダイオード、白熱灯、レーザー、又はその他発光装置の様な複数の発光体より形成されるだろう。 反射式ＡＭＬＣＯに関しては、バックライトは従来技術により正面光として再配置される。 【００６９】 光学要素１４は好ましくは５個の光学表面２０４４、２０４６、２０４８、２
０４９及び２０５０（図３４）を具備する。 光学要素２０１４は図３５に示す如く、方形の断面を持つことが好ましい。 表面２０５２及び２０５３は随意光学品質であるか、又は曇り処理されるか黒化処理され、光学的に平行でも、平行でなくとも良い。 好ましくは、ユーザー主視野中の光学リレー２０２６の断面は、光学的に透明であり、かつ屈折率は一様である。 表面２０４９及び２０５０は研磨され光学的に平行であることから、周囲風景からの光線を表す光線５０５４は伝達角度をほとんど、あるいは全く変えることなくリレーを通過する。 【００７０】 レンズ２０４５により随意形成される表面２０４４はイメージ組立体により作られた光線を受け取る。 光線はリレー２０２６を通り、図３０ないし３６に例示の実施態様中の鏡２０３０を具備する表面２０４６に伝達される。 リレー２０２
６の側部は屈折を最小にし、それにより画像内の変位を最小にするために平行であることが好ましい。 鏡２０３０は光をレンズ２０３２の表面２０４８に向けて反射する。 レンズ２０３２はイメージング組立体２０１２からの光の輻輳は、画像が拡大されレンズ位置と焦点距離に依存し約２５ｃｍから無限大の間の好適距離にて像形成され、見ることができる様に変更される。 レンズ２０４５及び２０
３２の典型的な焦点距離は２０ないし１００ｍｍの範囲内である。 レンズ表面２
０４４及び２０４８はイメージング組立体からの光の輻輳を変え、ユーザー正面に２５ｃｍ（接近時）ないし無限大の距離に仮想像を造り出す。 仮想像の距離は、レンズ表面２０４４及び２０４８の焦点距離を選択すること、及びレンズ表面２０４４と２０４８とイメージング組立体との距離を調節することで設定される。 ミラーを利用したその他屈曲を光路に加え、必要に応じて光を別の光路に伝えても良く、あるいは光はリレー２０２６の側部に沿って生じる全内反射により伝えられるだろう。 【００７１】 本発明のディスプレイ装置は主として透明リレー光学装置を利用する。 図２９
−３１は特に発明の“巡視型”実施態様を例示している。 リレー２０２６は、画像をアイピース組立体に伝達するためのメカニズムとして機能すると共に、ユーザーの視野の中にアイピースを支持するための構造要素としても機能する。 リレー２０２６は透明であるためユーザーの視野閉塞は最小であるか、又は特定の透視型設計に関しては（例えば図３８）ゼロであり、ユーザー顔面の隠蔽も最小である。 あるいはカバーは、必要に応じて光学要素を通過してくる周囲光を遮断し、キラメキ又はその他不要な反射を減じるために光学要素上に配置替えするか、
又は要素内に形成することができる。 更に、ユニット内にヒンジが提供される場合には、以下更に論ずるように光学要素２０１４は使用していない場合にはユーザーの視野から跳ね上げ、好都合に隠蔽を排除することもできる。 これにより発明は、ディスプレイの存在によりユーザー視野が大きく妨害されることの無い小型で透明な光学要素２０１４を供給することができる。 更に、本発明はイメージング組立体をユーザーの眼鏡の側部に配置することから非常に小型にすることができ、それによりユーザーの目前にある構造物の大きさを最小にすることができる。 【００７２】 図３２ないし３４を参照すると、ハウジング組立体２０１６は本体２０６０、
好ましくは１又はそれ以上のカバープレートにより覆われる解放側部２０６２を持つ本体を具備する。 例示実施態様では、２枚のカバープレート２０６４、２０
６６が用いられている。 データを受け取り、そして／又はディスプレイを駆動するコンポーネントは本体内のキャビティ２０６８内に取り付けられている。 データ又はイメージは本体の一端にある開口部２０７２から本体２０６０内に入るケーブル２０７０により装置に伝えられる。 ケーブルはワイヤー、１またはそれ以上の米国特許第５，７１５，３３７号に記載の光学ファイバー又はファイバー合着束画像コンジットを具備するだろう。 あるいは、データ又は画像は無線（ＲＦ
）伝達により装置に伝達されるだろう。 【００７３】 カバープレート２０６４及び２０６６は、コンポーネント挿入後に本体２０６
６にネジ、又は接着剤のような既知手段により取り付けられる。 好適実施態様では、コンポーネントはラプトンまたはその他当分野既知の材料により作られた柔軟回路２０７４を含み、その上には金属コンダクター、又は入力ケーブルにつながる終末レジスター２０７６、２０７８の様な各種コンポーネントに接続するトレースが提供される。 柔軟回路はケーブルを更にバックライト２０４２を形成する１またはそれ以上のＬＥＤ、及びシステムをディスプレイに接続する第２柔軟回路２０８０に接続している。 【００７４】 図３４を参照すると、光学要素２０１４はカバープレート２０６６にカラー２
０８４の位置に取り付けられる。 カラーは何れかの既知手段にてカバープレートに取り付けられるか、又はモールディングの様にカバープレートと一体化して形成されるだろう。 光学要素２０１４は摩擦により所定位置に保持されるため、焦点の調節はユーザー自身によって化ａ−２０８４内にある光学要素をスライドさせ、光学要素２０１４をイメージング組立体に対し単に移動させることにより行われるだろう。 イメージング組立体に対し所望位置に光学要素を固定する為に、
当業者既知の如くに摩擦ロックが追加されてもよい。 この場合、カラー内での光学要素２０１４の位置は組立体中に調節され、光学要素の光学面とイメージング組立体間に所望距離が提供される。 典型的にはこの距離は１０ないし１５ｍｍであるが、イメージング組立体と光学要素２０１４の入射面２０４４間のキャビティが屈折率適合エポキシで充填されている場合には距離はゼロである。 【００７５】 クランピングアセンブリー２０３６は好適手段によりハウジング組立体に取り付けられるだろう。 例えば、取り付け固定具２０３６はカバープレート２０６４
に接着性又はその他方法により固着されるだろう。 クランプ２０４０はディスプレイ装置がテンプルに対し各種高さに位置取りできる様に配置されるだろう。 別の変形では、本体２０６０は取り付け固定具２０３８に、図４４に例示の様な円盤２６５０及び２６６０により形成された回転式ジョイントにより取り付けられる。 これら円盤はそれぞれに対し中心転心付近を回転し、そしてその中には当業者既知の如くに眼鏡テンプルに対し各種所定角度で装置を保持するためのクリックストップを有している。 【００７６】 他実施態様では、光学要素２０１４は図３６ないし３７に示す様なスイベル固定具２０９０上に取り付けられる。 スイベル固定具２０９０はピン２０９３を中心とし旋回するため、装置は眼鏡に取り付けたまま保存し、又は便利のためコンパクトに納めることができる。 【００７７】 他実施態様は、図３８に示す様な非閉塞式設計の光学要素２３１４を含む。 この設計では、アイピース組立体２１２８は、偏光ビームスプリッターコーティング２１２９、４分の１波長プレート２１３１及び焦点鏡２１３０を具備する。 ディスプレイからの偏光はビームスプリッターコーティング２１３１により通過させられ、４分の１波長プレート２１３１を通り反射鏡２１３０に至る。 反射光は再度４分の１波長プレートを通り、適当な指向性をもった４分の１波長プレートを２回通過した光は元の偏光に対し斜め方向に回転させ得られた偏光を有しており、従って光は光線２１３５により示される如くコーティング２１２９により目に向かって反射される。 装置を越え周囲から入り、ビームスプリッター２１２９
に関し適当に回転させられた偏光を有する、光線２１３７により示される光はアイピースを通過する。 【００７８】 更に別の実施態様が図３９に示されている。 イメージはハウジング２２２６内のイメージ組立体より、累進屈折率レンズ２２１１及び鏡２２１５と２２２８を具備する画像リレーにより接眼レンズ２２３２に伝えられる。 あるいは、リレーは合着ファイバー束又は通常のレンズリレーを具備するだろう。 この様な画像リレーは、不鮮明さを減らし周囲視覚を改善するために、研磨ガラスから作られる。 本実施態様では、更にユーザー顔面から不明瞭表面を取り除く。 装置は次の様に機能する。 画像は前述の如くにディスプレイにより提供される。 画像はリレー２２１１の焦点面に配置される。 累進屈折率リレーの場合、これは鏡２２１３での反射を通し実施されるため、対象画像はリレーシステムの入射ひとみにある。
リレーは画像をその端部に形成し、鏡２２１５によりアイピース組立体２２２８
に伝えられる。 【００７９】 図４０は着脱可能ディスプレイ装置の別実施態様を例示する。 本実施態様では、光はハウジング２３６６内のイメージング組立体から光学コンジット２３１３
に沿って反射表面２３１５に伝えられる。 反射表面は、その中で全内反射による反射が起こる研磨ガラス面を持つか、又はディスプレイハウジング内イメージング組立体からの光線を光路２３１７に沿ってアイピース組立体２３１９に反射する金属又はその他コーティングを具備する。 このタイプの複数の屈曲が取り込まれることで、アイピース及びハウス組立体は好都合、人間工学的、又は審美的な位置に配置される。 例えば、便利さに関してはハウジング組立体は装置に容易に取り付け、取り外しできる位置でフレーム２３１６に固定される。 人間光学的配慮には、ハウジング及び光学コンジットのパーツをフレーム全体に配置し、装置重心がフレーム上に来る様に装置内のバランスを取ることが含まれる。 審美的配慮には、ユーザー顔面付近の装置の表面積を最小にすることが含まれる。 【００８０】 図４１及び４２はイメージング組立体と光学要素２４１４をハウジング組立体２４１６に接続するリンク要素２４１１を持つディスプレイ装置の別実施態様を例示する。 ハウジング組立体はケーブル及び柔軟回路に関する接続及び電子コンポーネントを含む本体２４６０を含む。 別のボディー２４６６はイメージング組立体を支える。 リンク要素２４１１は本体２４６０及び別ボディー２４６６を接続し、イメージング組立体を持つ本体内にコンポーネントを接続するワイヤーに支えを提供する。 リンク要素は、ユーザーの眼鏡のテンプルにハウジングを取り付ける取り付けメカニズムを調節することなく、図１２に示す様に光学要素を視野外に折りたたむ様にすることができる。 リンク要素はまた、眼鏡レンズの正面にある光学要素の位置の調節をある程度可能にする。 【００８１】 図４３は、装置を眼鏡フレーム正面２７００に着脱可能に取り付ける方法を例示している。 点２７１０で蝶番取り付けされ、スプリング２７０３により一緒に牽引されるクランピング装置２７０１は、レンズ下方正面のフレームの底部に取り付けられる。 クランプはフレームの曲率に類似の様式に成型され、クランプとフレーム正面の接触面積を大きくするだろう。 スプリング２７０３に対し力を加え、クランプを開放するために小型ハンドル２７２０が提供される。 クランプ２
７０１には前述のディスプレイ装置のハウジング２０９０が取り付けられる。 光学リレー２０２６は、ユーザー主視野内に延び、画像を提供する。 見やすい位置に画像位置を設定するために、前述のいずれかの調節及び軸旋回が実施されるだろう。 【００８２】 本発明は図４５に示す如く、反射型液晶ディスプレイを利用し、使用されるだろう。 小型照明装置は偏光ビームスプリッターキューブ３１０５又はその他偏光スプリッター光学要素から形成される。 ＬＥＤ３１４０又はその他照明源は、単純化を目的として単一光線３１４１により表された光を、ビームスプリッターインターフェース３１０６からの反射を利用しディスプレイに提供する。 このインターフェースはある直線偏光は反射し、単純化のために光線３１４２により表されているその他の偏光は黒面３１０７に通過させる。 黒面は通過光を吸収する。
反射光は更にブライトピクセルの偏光を回転し、その結果インターフェースが当分野公知の手段による分析装置として機能するディスプレイ３１００により反射される。 画像の均一性を改善するためにフィルムを用いても良い。 フィルム３１
２０は例えば不要の偏光を前吸収し、反射を減らしてコントラストを改善する直線偏光子を含むだろう。 ディスプレイ及び照明システムは、光線３２００により表される光軸に沿って見られる画像を生む。 図４５はディスプレイ近くに設置された照明装置を示すが、これは視覚光学装置の各種コンポーネントと組合せてもよく、そして別の場所に配置してもよい。 【００８３】 本発明はまた視覚化のための方法として、高倍率、高解像度のディスプレイを含む。 ディスプレイが小型であり、拡大率が大きい場合には、当分野で良く知られている技術により画像を拡大し、且つ歪みを小さくするか、又は除くために追加の光学表面が導入されるだろう。 本発明は、拡大、焦点調整、収差制御及びその他前述説明に一致する特徴を提供するために、複数のレンズ、鏡、ストップ及びその他光学表面を含む。 【００８４】 別実施態様は、各種形態の合いピース、照明光学装置及び取り付け固定具を含む。 双眼ディスプレイが望まれる場合には、眼鏡の２枚のレンズの各正面に１つづつ配置され、協調して作動する２個のディスプレイ装置を利用することができる。 コンポーネントは各種好適材料より形成されるだろう。 例えば光学リレーはガラス、又はポリカーボネート樹脂、アリルジグリコールカーボネートモノマー、ポリメチルメタクリレート又はエポキシ樹脂の様なプラスチック材料から形成されるだろう。 【００８５】 発明は添付のクレームによる指示を除く、具体的な例示及び既述に限定されるものではない。 【図面の簡単な説明】 発明は添付図面と結びつけた下記詳細な説明よりより完全に理解できるだろう。 【図１】従来の透視型頭部装着式ディスプレイシステムである。 【図２】従来の巡視型頭部装着式ディスプレイ装置である。 【図３】本発明の頭部装着式イメージ結合レンズシステムである。 【図４】本発明による頭部装着式イメージ結合レンズシステムの別の実施態様である。 【図５Ａ】コンバイナーを持つイメージ結合システム様眼鏡フレームの一部の正面図である。 【図５Ｂ】イメージ源から眼鏡フレームに至る光路取り付けようマウントの側面図である。 【図５Ｃ】マウントを取り除いた状態の図５Ａの眼鏡グラスの部分上面図である。 【図５Ｄ】マウント及びコンバイナーを取り外した状態の図５Ａの眼鏡フレームの部分側面図である。 【図５Ｅ】マウント及びコンバイナーを取り外した状態の図５Ａの眼鏡フレームの部分正面図である。 【図６Ａ】双眼式イメージ結合システム様眼鏡フレームの正面図である。 【図６Ｂ】双眼式イメージ結合システムに適した眼鏡フレームの別実施態様の正面図である。 【図７】本発明のイメージ結合レンズシステムの別実施態様である。 【図８】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図９】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図１０】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図１１】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図１２】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図１３】本発明のイメージ結合レンズシステムの更に別の実施態様である。 【図１４】各種形状のレンズ形状の平面図のＡ−Ａに沿って取った本発明の実施態様の断面図である。 【図１５】本発明による統合式イメージ結合システム及びコンピューター回路を備えたフェースマスク構造体である。 【図１６】内部光学リレー及びアイピース組立体を組み込んだフェースマスクの側面図である。 【図１７】内部光学リレー及びアイピース組立体を組み込んだフェースマスクの別実施態様の側面図である。 【図１８】内部光学リレー及びアイピース組立体を組み込んだフェースマスクの更に別の実施態様側面図である。 【図１９】調節メカニズムの略図である。 【図２０】本発明のヘッドセットお帯ディスプレイ組立体の側面図である。 【図２１】ヘッドセット及びディスプレイ組立体の別実施態様の正面図である。 【図２２】ディスプレイ組立体及びマイクロフォンを例示する略図である。 【図２３】本発明による眼鏡テンプルの側面図である。 【図２４】図２３の眼鏡テンプルの平面図である。 【図２５】本発明による眼鏡テンプルの別実施態様側面図である。 【図２６】本発明に従い作られた眼鏡の模式透視図である。 【図２７】図２６の眼鏡より部分的に切り取りされた眼鏡の上平面図である。 【図２８】本発明による眼鏡の別実施態様の平面図である。 【図２９】本発明による眼鏡に取り付けられたディスプレイ装置の平面図である。 【図３０】図２９のディスプレイ装置の平面図である。 【図３１】図２９のディスプレイ装置のイメージング組立体及び光学要素の平図である。 【図３２】図２９のディスプレイ装置のハウジング組立体展開図である。 【図３３】図３２のハウジング組立体の断面図である。 【図３４】図２９のディスプレイ装置の断面図である。 【図３５】図３４のラインＥ−Ｅに沿って得られる断面図である。 【図３６】スイベル固定具を利用したディスプレイ装置の別実施態様の平面図である。 【図３７】図３６のディスプレイ装置の平面図である。 【図３８】光学要素の別実施態様の平面図である。 【図３９】勾配インデックスレンズを利用したディスプレイ装置の別実施態様平面図である。 【図４０】別光路及び光学要素を例示するディスプレイ装置の更に別な実施態様の平面図である。 【図４１】リンク要素を利用したディスプレイ装置の別実施態様の平面図である。 【図４２】図４１のディスプレイ装置の平面図である。 【図４３】眼鏡フレームの外側底ヘリに沿ったマウントを利用するディスプレイ装置に関する別実施態様の側面図である。 【図４４】回転式調節メカニズムを有する他の実施態様の平面図である。 【図４５】反射式液晶ディスプレイ及びディスプレイルミネーターを有する更に別の実施態様である。 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. 7識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｒ 1/10 １０１ Ｈ０４Ｒ 1/10 １０１Ａ |
