JP3429320B2 - 眼鏡及びフェースマスクに対するイメージコンバイニングシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願についての相互参照 この出願は、1996年10月８日に出願の米国仮出願第60
/027,998号の利益を35U.S.C 119（ｅ）に基づいて要求
するものであり、前記出願の記述をここに参考文献とし
て組み入れるものである。

連邦援助の研究又は開発に関する記載 この発明は、契約第DAKK60−96−Ｃに基づき合衆国陸
軍のソルジャー・システムズ・コマンドにより与えられ
た政府援助によりなされたものである。政府は、この発
明にある権利を所有する。

発明の背景 頭部装着イメージディスプレイ類（例えば、ミニチュ
アのディスプレイを組み込んだヘルメット、ゴーグル及
び眼鏡類）及び文字と数字とを組み合わせ、ビデオ又は
グラフィックフォームでデータを提供する他のコンパク
トディスレイシステムは、エビオニクス、医薬品、娯楽
及び着用可能なコンピュータならびに数多くの他の分野
に実施できる。例えば、米国特許5,348,477、5,281,96
0、4,806,001及び5,162,828を参照。頭部装着のディス
プレイシステムの先行技術には、三つの主なタイプのも
のがある：“シースルー・システムズ”で、これは、デ
ィスプレイされた電子オメージが周囲のイメージと組み
合わされ、ユーザーは、両方のイメージを見ることがで
来るもおであり；“シーアラウンド・システムズ”で、
これは、ディスプレイされたイメージが周囲のイメージ
の一部を閉ざすものであり；そして“完全没頭システム
ズ”で、これは、周囲のイメージすべてが閉ざされ、こ
の結果ユーザーは、電子的に作られたイメージしか見る
ことができないものである。システムズのすべて三つの
タイプのものは、見る人の目にイメージを投射するレン
ズおよび類似品を含む種々の手段を使用している。

最も簡単なシステムのものは、シーアラウンドタイプ
のものを備え、このタイプにおいては、一つ又はそれ以
上のレンズに電子ディスプレイが設けてあり、ユーザー
の目の前にぶらさがるようになっている。このデバイス
の主な限界は、該ディスプレイと光学システムとを頭部
に対し動かすか、又は、頭部を動かして、収蔵された視
界における周囲の光景をユーザーが眺めることができる
ようにしなければならない。このようなデバイスの第２
の限界は、前記デバイスが頭部（又はヘルメット、スト
ラップ又は他の頭部に付ける支持具）から下げられてい
て、この結果、装置質量が頭部に対し不快な重量及び／
又はトルクを付加してしまう点である。前記デバイスの
第３の限界は、光学システムの射出瞳が正確に固定でき
ず、このことは、光学システムの射出瞳を十分に大きく
して使用時において起きるデバイスの種々の動きに適合
するようにしなければならないことを意味する。

完全没入システムは、シーアラウンドシステムと同様
な数多くの限界を有している。周囲の光景を見るには、
頭部装着システムを外さなければならない。一般的に言
って、このシステムは、前記シーアラウンドシステムに
類似したディスプレイとレンズシステムとを備えるか、
又は、ディスプレイ、レンズシステム及び反射スクリー
ンを備える。これらのシステムは、重く、負担がかか
り、嵩張る。

シースルーシステムズは、最も複雑な光学構造のもの
になる。一般に、シースルーシステムズは、ディスプレ
イ、レンズシステム及び見るスクリーン又はコンバイナ
ーを備える。シーアラウンドディスプレイの限界のすべ
ては、周囲の光景を見るのに頭部装着システムを外す点
を除き、シースルーディスプレイにも当てはまる。しか
しながら、この利点のためには、光学コンポーネンツを
さらに付加する必要があり、したがって、該システムが
重くなる。

上記した頭部装着ディスプレイの三つのタイプ全てに
おいては、よりコンベンショナルの光学支持具（コンベ
ンショナルの眼鏡フレーム類による更に簡単な支持具）
よりむしろ、大きなバイザーなどをもつゴーグル類、ヘ
ルメット類、つり下げバンド類、異常に嵩ばったサング
ラスフレーム類に光学システムズを取り付ける必要があ
るという更に別の限界がある。この限界は、そのような
デバイスにユーザーが慣れ親しむことを要求する。

従来技術のディスプレイの他の限界は、照明を行う必
要がある点である。例えば、液晶ディスプレイを使用す
る頭部装着ディスプレイシステムは、該ディスプレイを
照らすランプを必要とする。これらのランプは、電力を
消費し、ユーザーの頭部近くで発熱し、システム全体が
大きくなり、重くなる。

従来技術のさらにキイとなる限界は、眼鏡システムの
外側における光路を使用することである。例えば、米国
特許5,348,477においては、ウエルヒは、イメージリレ
イとレンズセット及び眼鏡フレームと眼鏡レンズとの外
部に装着されたスクリーンを備えたシステムを記載して
いる。フリースペース光路、コンバイナー及び類似もの
の使用は、コンベンショナルの眼鏡に近づくためのアプ
ローチにおける小形化を極めて困難なものにしている。
米国特許5,162,828におけるファーネス他は、ゴーグル
又は眼鏡のトップに位置させたディスプレイ及び固定又
は調節可能で、透明体の底部に位置するミラーをもつ、
ゴーグルに見られるような透明なスクリーンに基づくシ
ースルーシステムでこの限界にアドレスしようとしてい
る。このアプローチは、複雑性を低下させてはいるが、
このシステムは、それでも透明体の下又は背後のコンベ
ンショナルではない露出箇所に位置する少なくとも一つ
のミラーを必要とする。ペレラ（米国特許4,867,551及
び4,751,691）及びベッティンガー（米国特許4,806,01
1）により開示された眼鏡も眼鏡フレームにつり下げら
れたミラーを必要とする。機械的につり下げられたミラ
ー類をもつシステムの特定の限界は、そのような付属物
においては、ミラーの光学面が使用中ダメージを受けた
り、壊れたり、又は、偶発的に当たってユーザーの目を
損傷したりするおそれが多分にあることに起因する。さ
らに、これらのシステムは、特殊の光学付属物を含むか
ら、コンベンショナルな目に着用するものの理想的な形
にはならない。

発明の概要 この発明は、イメージソース又はイメージディスプレ
イ、レンズシステム及び眼鏡フレーム又はフェースマス
クを備える。該ディスプレイは、屈折率分布型レンズ導
管、コーヒレントファイバーオプティックバンドル又は
レンズイメージリレイのようなイメージ導管を用いて眼
鏡レンズから離れて前記ディスプレイが配置され、頭部
にかかる前記システムの重量をバランスさせるため、又
は熱源（前記ディスプレイ又はバックライト）を顔面か
ら離れるように場所を変えるため、又は、外見を装う理
由又は其の他の理由のために望ましいものであれば、前
記ディスプレイを頭部の背後に位置させることができる
ようになる。眼鏡レンズシステムは、全部が内部で内部
反射させる面、部分的にシルバーめっきされているミラ
ー、又は誘電コーティングス、又はホログラフィ面又は
回析面及び輻輳補正のための一つ又は複数の光学面をも
って形成されていて、前記ディスプレイからのイメージ
がユーザーの視界に位置する部分反射面又は全反射面へ
のレンズを介して内部的にユーザーの目へリレイされ
る。さらに、前記レンズシステムは、部分的にシルバー
めっきされたミラー又は誘電コーティングスで外部の光
線に対し部分的に透明であるから、周囲の情景は、コン
ベンショナルの眼鏡のように、比較的損なわれずにユー
ザーへ供給される。これらの光学要素は、眼鏡フレーム
又は眼鏡レンズ内に埋設でき、光学面（レンズ類又はリ
フレクター類）を前記システムに付加して前記ディスプ
レイを拡大させたり、コンベンショナルの眼鏡のように
ユーザーの視力を補正したりできるようになっている。
従来技術に優るこのアプローチの主たる利点は、前記光
学システムを小さくして、眼鏡レンズ内に集積できる形
にし、これでコンベンショナルの眼鏡には通常見られな
い外部の付属物及び異常に嵩張るフリースペース光学コ
ンポーネンツがなくなる結果になる。

したがって、この発明は、コンパクトな頭部装着ディ
スプレイシステムの光学機能を提供するシースルー、シ
ーアラウンド又は完全没入光学システムを提供する。こ
のシステムは、眼鏡又はフェースマスク内に一体化され
ることができる。このシステムは、また、前記ディスプ
レイを物理的に動かさずに、完全没入からシーアラウン
ド又はシースルーへスイッチングできる。

前記システムは、周囲の光を使って前記ディスプレイ
を照明し、したがって、従来技術のシステムよりも電力
消費が少ない。このシステムは、また、ユーザーの目の
前には、偶発的に衝撃を受けて目を傷つけるような機械
的付属物が位置していない点で有利である。さらに反射
面は、一切露出していないので、光学劣化を受けない。
本発明のさらなる実施例においては、イメージを捕捉
し、アイトラッキングできるようになっている。

図面の記述 添付の図面を参酌しながら以下の詳細な記述から発明
がより完全に理解されるものであり、図面において： 図１は、従来技術のシースルー頭部装着ディスプレイ
システム； 図２は、従来技術のシーアラウンド頭部装着ディスプ
レイシステム； 図３は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレ
ンズシステム； 図４は、本発明の頭部装着イメージコンバイニングレ
ンズシステムの別の実施例； 図5Aは、コンバイナーを外したイメージコンバイニン
グシステムのための眼鏡フレームの一部の正面図； 図5Bは、イメージソースから眼鏡フレームへ光路を設
けるマウントの側面図； 図5Cは、マウントを外した図5Aの眼鏡フレームの一部
の平面図； 図5Dは、マウントとコンバイナーとを外した図5Aの眼
鏡フレームの側面図； 図5Eは、マウントとコンバイナーとを外した図5Aの眼
鏡フレームの正面図； 図6Aは、両眼イメージコンバイニングシステムのため
の眼鏡フレームの正面図； 図6Bは、両眼イメージコンバイニングシステムのため
の眼鏡フレームの別の実施例の正面図； 図７は、本発明のイメージコンバイニングレンズシス
テムの別の実施例； 図８は、本発明のイメージコンバイニングレンズシス
テムのさらに別の実施例； 図９は、本発明のイメージコンバイニングレンズシス
テムのさらに別の実施例； 図10は、本発明によるイメージコンバイニングレンズ
システムとイメージソース及び光路がマウントされてい
る眼鏡フレームとの図解； 図11は、本発明によるイメージソースと、そこからの
光路とに関連するイメージコンバイニングレンズシステ
ムのさらに別の実施例； 図12は、本発明によるイメージソースと、そこからの
光路とに関連するイメージコンバイニングレンズシステ
ムのさらに別の実施例； 図13は、折り曲げられた光路をもつイメージコンバイ
ニングシステムのさらに別の実施例； 図14は、本発明による眼鏡に一体にしたイメージコン
バイニングシステムの平面図； 図15は、本発明によるイメージソースからイメージコ
ンバイニングレンズシステムへの光路を取り付けるチュ
ーブマウントの図解； 図16Aは、本発明のイメージコンバイニングレンズシ
ステムのさらに別の実施例； 図16Bは、本発明のイメージコンバイニングレンズシ
ステムのさらに別の実施例； 図17は、本発明によるイメージ獲得及びアイトラッキ
ングとに関連のイメージコンバイニングシステムのさら
に別の実施例； 図18は、フリースペースにおけるコンバイナーに基づ
く従来技術の反射屈折光学ディスプレイ； 図19Aは、本発明の反射屈折光学システム； 図19Bは、本発明の反射屈折光学システムの別の実施
例； 図20は、本発明によるマルティプル・コリメーション
ディスタンスを組み込んだイメージコンバイニングシス
テム； 図21は、本発明によるマルティプル・コリメーション
ディスタンスを組み込んだイメージコンバイニングシス
テムの別の実施例； 図22は、本発明による集積されたイメージコンバイニ
ングシステムとコンピュータ回路とをもつフェースマス
ク構造； 図23は、本発明によるアイトラッキングのためのスキ
ャニングミラーと関連のイメージコンバイニングシステ
ム； 図24は、アイトラッキングのためのスキャニングミラ
ーとフラットパネルディスプレイと関連のイメージコン
バイニングシステム； 図25Aは、本発明による増加された視野を有するイメ
ージコンバイニングレンズシステムの別の実施例； 図25Bは、光線を二つのパスに分けることを図解する
図25Aの実施例； 図26は、図25のイメージコンバイニングレンズシステ
ムの平面図； 図27は、本発明による光路と視野が増加したイメージ
ソースとに関連のイメージコンバイニングレンズシステ
ムの別の実施例； 図28Aは、本発明により作られた眼鏡の略図的斜視
図； 図28Bは、図28Aの眼鏡の一部を切断した平面図；そし
て 図29は、本発明による眼鏡の別の実施例の平面図であ
る。

発明の詳細な記述 図１は、レンズとコンバイナー（組み合わせるもの）
とに基づく従来技術のシースルー頭部装着ディスプレイ
システムを図解するものである。ディスプレイ10とバッ
クライト20とがレンズ50と共にユーザーの視線の上に装
着されている。ディスプレイ10からの光線80は、レンズ
50を通過してコンバイナー40で反射されてユーザーの目
に向かう。周囲の情景からの光線60は、レンズ30を通
り、そして、またコンバイナー40を通過して前記ディス
プレイからの光線80と一致する。かくてユーザーは、前
記ディスプレイと前記周囲の情景とからの光線が重なり
合ったものからなるイメージを視認する。このシステム
のレンズは、前記光線に対し適当な輻輳を与え、前記イ
メージは、所望の深さで視認される。一般的には、この
システムの種々のパーツのサイズは、0.5から2.0インチ
のオーダーで、大きな出口孔になり、このシステムが嵩
張ってしまうハウジングとフレームとが必要になる。さ
らに、重量がユーザーの頭部に望ましくないトルクを生
んでしまうような配分になってしまう。

図２は、シーアラウンド技術を含む別の従来技術の頭
部装着ディスプレイのアプローチを図解する。ディスプ
レイ10とバックライト20とがレンズ110と共に装着さ
れ、光線100は、適当な輻輳をもって目に向かう。パー
ツが少なくなっているこのディスプレイシステムは、前
記シースルーディスプレイよりもいくらか軽いが、周囲
の光線が入らない。さらに、ハット類やヘッドバンド類
に取り付けのシーアラウンド及びシースルーディスプレ
イ両者は、周りのものに引っ掛かりやすい。

この発明の一つの好ましい実施例は、図３に示されて
いる。イメージソース又はディスプレイ320とレンズ330
とが以下“メインレンズ"300という第２の“レンズ”又
はレンズシステム300のエッジに装着されている。メイ
ンレンス300は、さらに詳しくは、眼鏡レンズ（視力矯
正光学パワーを有しているもの又は有していないもの）
及び例えば二焦点インサートの態様に作られているイン
サート301の構造のものである。かくして、メインレン
ズ300は、眼鏡フレームにおけるシングルレンズ（又は
二焦点レンズの場合におけるレンズシステム）に置き替
わるものとして理解される。メインレンズ300は、さら
に正確には、埋設されたレンズ群及び他の光学コンポー
ネンツ及び光学面からなる光学システムと言えるもので
あるが、ここでは、簡明のためにメインレンズ300と言
う。また、ここでの用語“レンズ”とは、一般的には、
屈折、回析、反射又は其の他のものいずれかの光学パワ
ーをもつ面（サーフェース）及び／又は屈折、回析、反
射又は其の他のものいずれかの光学パワーをもつ多数の
面の複数のセットものでを言う。

メインレンズ300におけるインサート301は、異なる屈
折率n₁,n₂で、n₁がn₂よりも大きい屈折率をもつ二つの
マテリアルズからなり、その結果、イメージソース320
からの光線308は、屈折率が高いマテリアルを通過して
前記マテリアルズの間の界面（以下、インターフェース
と呼ぶ）302に入射し、全てが内部反射されて第３のレ
ンズ340へ向かう。周囲の光線306は、インターフェース
302を通過し、第３のレンズ340から屈折され、かくてデ
ィスプレイされるイメージのコントラストを改善する。
二つのレンズ330,340は、組み合わされた光学パワーが
顕微鏡を形成し、ディスプレイからのイメージが所望の
倍率で見れるようにすることができるように選択され
る。前記二つのマテリアルズは例えば、融解石英（n₁＝
1.458）及びLaSFN₉（n₂＝1.85）からなるものでよく52
度よりも大きな入射角の光線がすべて内部反射されるこ
とになる。また代替として、空気又は他の流体が詰まっ
ているギャップを前記マテリアルズの間に設けるか、又
は、屈折率が低いマテリアルを空気、他の流体又はヴァ
キュウムから構成し、メインレンズ300に融解石英を使
用した場合、トータルの内部反射のクリティカルの角度
を43度にする。インターフェースの角度310は、入射角
度がトータルの内部反射のクリティカルの角度を越える
条件を満足させ、そいてまた、見るイメージの位置決め
の光学条件を満足させるように構成される。また、ここ
に示す光学インターフェースは、平面なものであるが、
カーブしていて光学パワーをもつようなものでもよい。

代替実施例は、インサート301を使用するもので、こ
れは、前記インターフェースに薄いフィルムの干渉コー
ティングを有するマテリアルズからなり、誘電ビームス
プリッター及びコンバイナーで通常達成されるように光
路を組み合わせる。このような場合、屈折率n₁,n₂は、
同じ（n₁＝n₂）である。いずれの方法でも働くものであ
る；しかしながら、干渉コーティングスは、シースルー
システムズにおいて有用であるが、トータルの内部反射
は、シーアラウンドシステムズにおいては、所望のパス
にそって大きな光学スループットを与える。メタルコー
トの面も使用できる。

ディスプレイ320は、小型のフラットパネルディスプ
レイ、陰極線管又はスキャンニングディスプレイからな
り、これは、本出願の譲受人に譲渡された代理人ドケッ
トナンバーMOP−101Jで確認される1996年９月19日出願
の名称コンパクトディスプレイシステムの米国特許出願
第08/716,103号に記載されもので、これを参考文献とし
てここに組み入れる。ディスプレイ320は、特定の応用
要件及び適用できる技術に応じてアナログ又はデジタル
であるRFリンクをもつRFビデオシグナルズに応答する。

図４は、前記イメージ組み合わせシステムを形成する
他の方法を図解するものである。このシステムにおいて
は、コンバイナーとして逆に使用されるキューブ・ビー
ムスプリッター801が先に述べた全反射面に置き替わ
る。例えば、エドモンド・サイエンティフィック・パー
トA45,111のキューブ・ビームスプリッターは、全内部
反射面にわたり周囲光線を実際に一切屈折させない利点
を有する；しかしながら、該キューブ・ビームスプリッ
ターは、約50％の周囲光線とディスプレイ光線とを目に
入れるのみである。しかしながら、ビームスプリッター
801が偏光ビームスプリッターで、ディスプレイ320が偏
光光線（液晶ディスプレイ又はレーザースキャンディス
プレイからのような）を与えるなる場合にとっては、前
記ディスプレイ放射電子の波長とキューブ801における
コーティングスの光学デザインとに応じて75〜99％の範
囲の反射が得られる。前記キューブは、また、液晶ディ
スプレイに対するアナライザーとしても機能し、これ
は、一つの偏光を効率よく通し、他のものは通さないか
らである。

この実施例において、ハウジング820は、キューブ801
に組みつけられる二枚のガラスまたはプラスチックのプ
レート810を保持する手段になり、前記プレートと其の
他の内部パーツがメインレンズ300を構成する。イメー
ジソースからの光線は、ハウジング820における孔821
（図６を参照）を介して入射される。周囲の光線は、三
つのパスの一つを通る。第１のパス830は、オプショナ
ルの偏光層804、ガラス810、キューブ801、第２のガラ
ス810を通り、目に達する。第２のパス831は、オプショ
ナルの偏光層804、ガラス810、オプショナルの偏光層80
2、第２のガラス810を通り、目に達する。前記オプショ
ナルの偏光層の目的は、目に達する周囲の情景の光レベ
ルを調節して、前記ディスプレイと周囲の情景との間の
光レベルをバランスさせるためで、これは、回転ベーゼ
ル803にオプショナルの偏光子804を取り付けることで可
能になる。

第３のパス832は、オプショナルの偏光層804、ガラス
810、オプショナルの偏光層802、キューブ801、そして
第２のガラス810を通り、目に達する。パス832を通る光
線は、前記キューブを通る通路の軸がずれているため、
やや歪んでしまう。この現象をなくすには、前記ビーム
スプリッターを円錐形に形作り、キューブ801に光学的
に合致したコンパウンドをボイド806に詰めればよい。

前記キューブ・ビームスプリッター801は、前記のよ
うに偏光にセンシティブであるように設計され、方向付
けされ、偏光層802に整合したときキューブ801と偏光子
802は、光線830、832,831を等量で吸収する。正しく整
合されていれば、メインレンズ300を通る偏光光線のネ
ットの透過は、均一であり、外側の偏光子804を回転し
て前記キューブ又はその他を介して見る周囲の情景の光
レベルを調節する。

図5A〜5E及び図6Aは、図４に示したデバイスに対する
眼鏡フレームのアッセンブリーの詳細のいくつかを示
す。三角形のブロック822で以下に述べる前記ディスプ
レイからの光路を内蔵するパイプ823を受ける。ミラー8
24が前記光路の光線を開口8211を介してコンバイナー80
1へ角度90度で反射させる。ブロック822は、例えばネジ
825のような適当な手段でハウジング820に取り付けられ
る。二つのハウジング820がアッセンブリーされて図6A
に示すような一対の眼鏡にされる。図３を参照すると、
位置301にあるキューブ801、レンズ340及びディスプレ
イ320は、ソリッドキャスティングとしてメインレンズ3
00内に形成されており、これを図6Bに示すように通常の
眼鏡フレーム830に取り付けることができる。

図７は、他の実施例を示し、この例では、レンズ330,
340がレンズ360,370それぞれに置き換えられており、こ
れらは、メインレンズ300に接着されているか、又は、
例えば射出成形でメインレンズ300の一部として成形さ
れる。メインレンズ300は、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
スのようなリッドのクリアー又は着色されたマテリアル
に光学パーツを埋めこむことで、シングルのソリッドピ
ースとして形成できる。このような場合、複数の面に型
を設け、メインレンズ300の上又は内部の種々の箇所に
所望の光学パワー及び／又は反射性を作る。メインレン
ズ300は、また、互いに接合してソリッドユニットにさ
れるか、又は、図４から図６に示す態様で取り付けられ
る複数の鋳造、成形又は機械研削パーツから作ることが
できる。この発明のさらなる実施例は、別体のレンズ34
0と一体のレンズ360又はその逆の使用を含む。さらに、
レンズ330,340又はレンズ360,370又は組み合わせは、光
学システムにおける色補正分散作用のための色消しレン
ズ又はイメージ収差を減らす他のレンズの組み合わせか
らなるものである。認識すべき点は、レンズ360は、オ
プショナルのもので、単純な拡大光学レンズ構成が必要
なシステムにおいては不要である点である。

レンズシステムにおける他の実施例を図８に示す。こ
の構成においては、レンズ360とディスプレイ320とがメ
インレンズ300の背後の位置へ動かされている。投射イ
メージをインサート301へ向けるために反射面325が第２
のインサート326の形態で設けられている。反射面325
は、インサート301に設けられているタイプのもので、
それ自体キューブ802からなるものか、又は、メインレ
ンズ300に対し内部に装着されたミラー又は図5Aに示す
ように外部に装着されたミラーに置き換えることができ
る。第２のインサート326が偏光ビームスプリッターに
おけるように偏光するものであれば、インサート301又
はインサート326は、イメージソース320が液晶ディスプ
レイである場合に対する分析偏光子（検光子）として作
用する。

ディスプレイ320が明暗度の強いイメージを表示でき
るような用途においては、ディスプレイ規制システムが
働かない好ましくない場合にユーザーの目を保護するよ
うに前記ミラーを構成する。光学フェーズとして機能す
るミラーは（面325において）、入射光をある程度吸収
するようにして、ユーザーに害を与えないように保護す
る。この目的のために、熱伝導が低いマテリアルの一層
又は複数層を前記ミラーの反射層の下に設ける。このよ
うな構成で、光ビームが目の網膜を熱するよりも早くミ
ラーを熱し、これによって目に傷害を与えるよりもさら
に早くミラーを損傷させる。前記ミラーの下側に低い熱
伝導の層の一つは、熱膨張率が高いマテリアルからな
り、網膜の損傷スレショールドより低いスレショールド
・エネルギーフラックスで前記ミラーにバブル又は他の
焦点を結ばないメカニズムが発生するようにしてある。
前記イメージソースは、また、赤外線（IR）を放射し
て、この作用を高めるようになっている。放射赤外線
は、前記システムのどこかにおけるフィルターにより除
去し、ユーザーの目に入らないようにできる。

前記ディスプレイは、前記のようにバックライトされ
るか、又は、周囲の光線401及び／又は402及び／又は40
3により照明される。このような構成は、全内部反射イ
ンサート326、又は、一部又は全部反射ミラー面325、又
は、誘電コーティングをもつ面と共に機能する。光線40
1,402,403のフラクションは、コンバイナー325を介して
ディスプレイへ伝播する。ついで、これらの光線は、デ
ィスプレイから目に達する光路へ反射される。この光学
システムには、集光レンズ又はコレクティングレンズが
設けてあり、光線401,402,403を集め、集光する。さら
に、利用できる周囲の光が不足のとき、見れるようにす
るために、メインレンズ300に対し光学的に取り付けた
ランプにより光線401,402,403を供給できる。ディスプ
レイ320が液晶ディスプレイの場合、インサート326は、
ディスプレイのための偏光子及び検光子として機能する
偏光ビームスプリッターを備える。この実施例は、さら
に、周囲の光景の光レベルを調節するための従来技術で
知られている偏光子のクロスした回転システムを付加す
ることで改善される。この手段において、前記ディスプ
レイと周囲光景光レベルとは、バランスされる。液晶シ
ャッターを使用することで、前記調節を電子的に行え、
前記イメージの相対輝度を自動的に補償したり、自動的
にバランスさせるためにセンサーを用いることができ
る。

図９に示すように、メインレンズ300の前面に第４の
レンズ410を付加して前記インサートを覆うようにする
ことで、記図面における構造を改良できる。概ね負のパ
ワーをもつレンズ410は、レンズ370の正のパワーに対抗
し、周囲のシーンからの光線306は、特に拡大されずに
見える一方、レンズ410を通過しないディスプレイから
の光線は、拡大されて見える。レンズ410は、ユーザー
の特定視力補正要求に応じてポジティブ又はネガティブ
の光学パワーをもつ。他のレンズ面をメインレンズ300
のいずれかの側に付加して、通常の眼鏡のようにユーザ
ーの視力を補正でき、顕微鏡レンズのレンズ倍率を調節
してユーザーの視力を補正できる。レンズ370,410を介
して更に視力を補正するために他のレンズを付加でき
る。又、これらのレンズをメインレンズ300内に実質的
に組み入れることもできる点に注目されたい。

射出成形又はソリッドのメインレンズに組みつけるパ
ーツセットの機械研削により、ソリッドのメインレンズ
300にレンズを設ける実施例においては、該レンズの屈
折率ｎ及び曲率半径は、ポッテイング、モールディング
又は研削された媒体内で、所望のレンズ倍率を得るため
にエアー中の値から補正されなければならい。コンパウ
ンズとレンズマテリアルとの屈折率は、光学ポリマー類
又はガラスに対しては1.4から1.6の範囲の屈折率、他の
種々の光学マテリアルズに対しては1.5から2.0の範囲の
屈折率をもつ多数のコンパウンズから選ばれる。成形コ
ンパウンドは、ガラスに合致する屈折率（ｎ＝1.46）を
もつ市販の多くのコンパウンズから選ばれ、前記レンズ
類は、例えば、LaSFN₉（ｎ＝1.85）から形成される。ま
た別に、光学倍率は、成形マテリアル内にエアーギャッ
プ又はヴァキュウムを存在させるか、又は、適切に設計
された曲率半径をもつ屈折率が低いマテリアルズにより
大きくされる。他の試みは、そのようなギャップに屈折
率が高い、又は、低い液体を詰めることである。さらに
別にはメインレンズ300内に回析レンズ要素又はホログ
ラフィレンズ要素を用いることである。

前記光学システムの重要をバランスさせ、ディスプレ
イ320を見る人の顔から離れた位置へ動かすために、図1
0に示すように、コヒーレント光ファイバー束又は屈折
率分布型（GRIN）レンズイメージ導管又はレンズから形
成されたリレイからなるイメージリレイ510によって眼
鏡のメインレンズへリレイされる。一つの実施例におい
ては、イメージリレイ510は、眼鏡の側部にそってディ
スプレイ320へ延びている。リレイ510は、ディスプレイ
からのイメージがメインレンズ300の正しい位置へ供給
されるように、所定の曲げがつけられて形成されてい
る。また別に、図11と図12の実施例に示すように、前記
メインレンズに補助インサート326（図11）を用いて、
所望の角度と所望の光学パワーでイメージが受け入れら
れ、該イメージがインサート301へリレイされるように
できる。

図11は、ディスプレイ320からのイメージをファイバ
ーオプティックテーパー部520を介してレンズ360へリレ
イするイメージ導管510を示す。前記ファイバーオプテ
ィックテーパー部の目的は、ディスプレイの寸法を前記
イメージ導管の寸法に合わせるためである。例えば、前
記ディスプレイは、その可視領域寸法が15.4mmx11.5mm
である小型フラットパネルのアクティブマトリックスエ
レクトロルミネッセント・ディスプレイからなり、イメ
ージ導管が6.4mmx6.4mm（できる限り軽量で、小さい断
面領域の導管を使用することが望ましい）であり；前記
ファイバーオプティックテーパー部がイメージのサイズ
を2.4:1の比率で縮小する。注目すべき点は、オメージ
導管リレイ510が機械的スリーブ500内に位置している点
である。このスリーブは、レイレイ510と眼鏡レンズ及
びフレームシステムとの間の機械的結合に強度を付与
し、また、リレイ510の端面511とレンズ360との間の距
離をユーザーが変えることができるようにして、焦点度
合いが調節できるようにしている。注目すべき点は、前
記機械的スリープは、精度ある位置調節のために、ねじ
こみ、摩擦ロック又は当業者に知られた他の方法で取り
付けられる点である。

図12は、他の構造を示すもので、イメージリレイにレ
ンズ530が取り付けられ、前記イメージシステムの光学
パワーをさらに変更するようになっている。さらに、こ
の実施例においては、ファイバーオプティックテーパー
部がハウジング540内に装着されたポジテジブ又はネガ
ティブの倍率をもつレンズ550と、イメージ導管に（又
は別にハウジング540に）装着されたレンズ560とに置き
換えられている。このレンズシステムは、イメージサイ
ズを縮小し、さらに、前記の態様で機械的スリーブ570
による焦点調節を可能にする。ハウジング540には、ま
た、ディスプレイ320、レンズ550,560及びイメージ導管
位置の相対位置を調節する手段を設けることもできる。

前記ディスプレイは、前記ファイバーオプティックテ
ーパー部520又は図12に示すレンズ550により、又は、こ
れら二つの組み合わせによりGRINレンズリレイに結合で
きる。前記レンズシステムの光路は、図13に示すよう
に、複数のミラー555を含み、この結果、光路を長く維
持しながら、光路を折り曲げてヴォリュウムを減らすこ
とができる。

図14は、一対の眼鏡に組み込んだ別のレンズシステム
の平面図を示す。この実施例は、イメージを拡大し、こ
れをコンバイナーを介して目へリレイするために、イメ
ージリレイアッセンブリーとベーシックな二枚レンズ複
合顕微鏡（対物レンズと対眼レンズ）とを各側に含む。
このような眼鏡は、両眼立体イメージをディスプレイす
ることができる。

前記イメージリレイアッセンブリーは、頭部の後に装
着のディスプレイ320を備え、高解像度イメージリレイ5
10は、GRINイメージ面を言う位置における出口端部511
近くのエアーイメージを与えるGRINレンズイメージリレ
イを備える。このGRINイメージ面の正確な位置は、入り
口端部512における焦点面の位置（前記ディスプレイの
位置により与えられる）に依存する。リレイ510がコー
ヒレントのファイバー束を備えている場合、前記イメー
ジ面は、端面511と一致する。

対物レンズ360と対眼レンズ370を複合顕微鏡に選択
し、位置を適切に選択することにより、焦点、拡大度合
い及びコリメーションディスタンスを調節できる。前記
した他の実施例と同様に、レンズ360,370は、レンズシ
ステムを備える。此のシステムの焦点は、ディスプレイ
320とテーパー部520とをGRINレンズ入り口端部512に対
し相対的に動かすことにより、対物レンズ3602をGRINレ
ンズイメージ面（出口仁尾ける）に対し相対的に動かす
ことにより、及び／又は、対物レンズを対眼レンズ370
に対し相対的に動かすことにより調節できる。対物レン
ズ360は、また、広い視野を与える視野レンズとして使
用できる。

この実施例においては、対眼レンズ370は、メインレ
ンズ300内の位置へ動かすことができる。この位置にお
いては、対眼レンズ370は、最早、周囲の光景からの光
線パワーを作用させない。かくして、レンズ410（図
９）は、この実施例では不要である。この実施例におい
てもまた、眼鏡が頭部に位置するとき、前記ディスプレ
イは、頭部の後側に留まる。頭部の後にディスプレイを
置くことは、重心が改良され、美容外観に優れることを
含み、コンベンショナルな前頭部装着のアプローチに比
べて、いくつかの主要な利点を有する。GRINレンズイメ
ージリレイにより目にイメージが与えられ、その後、ミ
ラー325はプリズムにより光線が90度で反射されてメイ
ンレンズ300へ入る。光線は、対眼レンズ370とコンバイ
ナー301とを備えるメインレンズ300を斜めに通過する。
対眼レンズで前記リレイからのイメージが拡大され、ユ
ーザーがフォーカスできる深さにイメージ面が作られ
る。ついで、光線は、コンバイナーにより目に対し再び
90度に反射され、図10に示すように、眼鏡の前面の所望
の位置にバーチャルイメージが与えられる。前記リレイ
からの光線を周囲の光線と混合することにより、コンバ
イナーがシースルー操作を許容し、可視波長範囲にわた
り50％の透過にする誘電層被覆面を備える。また別に、
コンバイナーをリフレクターに置き換えて、ディスプレ
イされるイメージを100％反射するシーアラウンドディ
スプレイにすることができる。レンズ処方の補正を必要
とするユーザーには、メインレンズ300の面を曲げて眼
鏡を補正することができる。イメージ捕獲又はアイトラ
ッキング（視標追跡）のような他の特徴を、このベーシ
ックデザインに追加できる。

この実施例においては、GRINレンズイメージリレイの
直径は、3mm以下で有り、さらにmm当たり200ラインペア
ー（又は、約1200ライン）の透過解像度を与える。例え
ば、グラディエント・レンズ・コーポレイションのEG−
27は、対角線が2.5mmである矩形の800x600のイメージを
リレイすることができる直径2.61mmのロッドであり、こ
れは、VGAイメージをリレイするのに適している。この
高解像度GRINレンズリレイは、ボロスコープ用と内視鏡
用に開発されたものである。イメージをイメージリレイ
510を介して目へ送るために、ファイバーオプティック
テーパー部520でイメージが縮小されるから、以下に述
べるように、比較的大きなレンジにわたりコリメーショ
ンディスタンスが調節できる小型レンズシステムが使用
できる。この実施例は、レンズ処方レンズに匹敵するも
のであり、メインレンズアッセンブリーの接着でき、高
い周囲（シースルー）視野のものである。GRINレンズと
対物レンズとを図15に示すように位置が変わり、焦点距
離が調節できる単純な機械的入れ子式チューブマウント
620に取り付けることができる。GRINレンズ510は、摩擦
で保持されるが対物レンズ360が取り付けてあるチュー
ブ622内をスライドできるチューブ621内に取り付けられ
ている。チューブ622は、摩擦で保持されるがメインレ
ンズ300に固定のチューブ623内をスライドできる。前記
チューブマウントには、回転して調節できるようにねじ
を（図5B）きりこむことができる。類似の機構でGRINレ
ンズに対し前記ディスプレイを動かすことで第２の調節
ができる。両調節は、以下に述べるコリメーションディ
スタンスを変える効果がある。

図16Aは、いくつかの視野レンズ901,902をメインレン
ズ300内に設けた他の実施例を示す。このような視野レ
ンズは、光学パワーをこわけする有益な効果を有し、対
眼レンズに高倍率をもたせる必要性を減らす。この酔う
なレンズは、また、視野を広めるのに役立つ。これらの
レンズ及び他の光学パーツは、例えば多数のパーツを射
出成形や機械研削で形成され、続いて内面に金属層又は
誘電層をコーティングし、さらに前記パーツをアッセン
ブリーして光学面が埋設されたメインレンズ300を作
る。

図16Aを参照すると、眼鏡フレームへの組み込みにぴ
ったりのメインレンズ300を形成するために、メインレ
ンズ300の厚さ934をコンベンショナルの眼鏡の範囲（25
mm以下で、好ましくは、1mmから15mmの範囲内）に維持
することが望ましいことを認識すべきである。メインレ
ンズ300の面は、厚さ934に等しい寸法をもつ内部光路に
おける開口絞りを形成する。部分的に反射するイナーフ
ェース324も絞りを形成する。レンズの倍率に応じて、
これらの絞りが前記ディスプレイからのイメージの視野
を制限する。この発明は、視野レンズ901,902を使用し
て、これらの絞りの制限のいくつかを克服する。

メインレンズ300の厚さ934による絞りに打ち勝つ第２
の方法を図16Bに示す。インターフェース324,325が45度
以下の角度455,456でセットし、メインレンズ300の厚さ
934を薄くする。光路は、メインレンズ300の内部面から
の一つ又はそれ以上の反射を必要とし、それは、前記し
たようにトータルの内部反射により生じる。このような
場合、埋設されたレンズ901は、図に示されるように、
適切に斜めにされている。

上記オプティカルシステムは、シ／ーアラウンド、シ
ースルー又は完全没入システムに実施されることが分か
る。種々のデバイスを付加して一つのタイプから他のタ
イプへ変えたり、システムタイプでの自動チェンジオー
バーを行うようにできる。例えば、レンズ410（図11）
を不透明なディスクに変えてシースルーシステムをシー
アラウンドシステムにコンバートできる。また別に、イ
ンサート301を視野が拡大するようにし、メインレンズ3
00の前面に不透明なカバーを設けて完全没入システムを
形成できる。不透明なカバーは、いずれも液晶シャッタ
ーに置き換えることができ、このシャッターは、電子的
に調節されて周囲の光景の光レベルを減らしたり、これ
を完全にブロックしたりできる。周囲の光をコントロー
ルするために、フォトクロミックマテリアルズも利用で
きる。

さらにプリズム又はミターを用いてインサート301を
形成できる。このようなデバイスは、最早コンバイナー
ではなく、むしろシーアラウンドシステムにすべてが必
要とされている単純なリフレクターである。これは、他
のリフレクターシステムズに対し優位性をもつもので、
これは、メインレンズ300内に反射面が設けられ、した
がって、他のアプローチよりも安全で、耐久性がある利
点を有しているからである。

前記イメージコンバイナーを形成する別の態様は、複
式レンズを用いてメインレンズ300のベースに対する角
度310（図３）により最も単純なケースにされた面に形
成された複式面構造の回析光学要素を形成することであ
る。回析光学要素の利点は、レンズ340に光線を向けな
がら角度310を広くとれる一方、反射面においては、角
度が反射法則により固定されることである。これにより
レンズ340を介する視野が広がる一方、メインレンズ300
の厚さを比較的薄いものにしておくことができる。レン
ズ340と他のレンズは、また、回析光学要素を備える。
不利なことは、カラーシステムに存在する望ましくない
波長依存効果である。しかしながら、上記した完成され
たシステムの光学構成に固有の、カウンターバランスす
る回析光学要素を前記光路に挿入しやすいようなフレキ
シビリティにより、必要に応じ、クロマティックイフェ
クツに対する補償ができる。

インサート301は、面324にホログラムを位置させるこ
とによりホログラフィコンバイナーに置き換えられる
（図16A又は図16B参照）。このような場合、そして前記
回析光学要素に類似して、前記コンバイナーは、前記デ
ィスプレイから発する一つ又はそれ以上の主たる波長と
ともに働くように構成される。回析コンバイナーと共
に、前記ホログラフィコンバイナーは、光学パワーを付
加でき、該コンバイナー面に反射コンバイナーよりも広
い角度範囲がとれるようにする。

前記種々の実施例に記載のレンズは、レンズシステム
の種々のパーツに固有の色収差をなくす色消しレンズを
形成するように選択される。また、前記種々の実施例の
特徴を組み合わせることができることが分かる。さら
に、図面は一枚のレンズを示しているが、歪みをなく
し、視野の平坦性を改良し、又は、ユーザーが見るイメ
ージに対し改良を加えるように構成された多重のレンズ
を組み合わせたものにすることができる。

図17は、レンズシステムの他の応用を示すもので、こ
れは、イメージ捕捉及びアイトラッキングに使用され
る。この実施例においては、ディスプレイ320からの光
線321は、前記のようにレンズ360,300,370を通り目に達
する。目から反射された光線322は、光路にそってビー
ムスプリットインターフェース325へ戻り、レンズ720を
通りセンサー710へ入る。センサー710は、イメージ捕捉
に通常使用されているようなCCD又はCMOSセンサーアレ
イ又は別のタイプのイメージディテクター備える。この
ように集められた目のイメージは、ユーザーの目の位置
を確かめるのに使用でき、このようにしてユーザーの凝
視のロケーションが確かめられる。アイトラッキングの
使用は、二つの理由でいくつかのシステムズに有利であ
る。その一つは、アイトラッキングにより必要なディス
プレイピクセルのトータルの数を減らすことができ、こ
れは、網膜中心窩のロケーションが知られていれば、そ
の領域に高解像度イメージを表示するのみでよい。さら
に、アイトラッキングを用いて前記ディスプレイの射出
瞳を増やすことができる。さらに詳しくは、前記ディス
プレイの射出瞳をユーザーの瞳孔の位置変化の検知に応
答して最適なロケーションへ動かすことができる。アイ
トラッキングは、また、特定システムファンクションを
含う数多くの他の用途に有用でもある。

図17における実施例は、ユーザーの凝視からイメージ
を集めるようにもなっている。周囲の情景からの光線39
5は、一部がインターフェース324により反射されて光線
775によって表されるパスにそいレンズ780とイメージデ
ィテクター790へ向かう。表示されたイメージがセンサ
ーへ投射されないようにすることが必要でれば、ディス
プレイとセンサーとがシーケンシャルに働く。ディスプ
レイとディテクターとの数多くの組み合わせをこのシス
テムと合体し、眼鏡視力補正、情報のディスプレイ、可
視イメージと赤外線イメージを含めアイトラッキングイ
メージの収集又は周囲の情景の収集を行う。

眼鏡内にコンピューターディスプレイを形成するため
に本発明を使用する例として、目から67cm離れて見るコ
ンピュータースクリーンを創作するとする。所望のイメ
ージの高さが28cmであり、リレイ510のアウトプット511
において作られるイメージが高さ2.1mmとすると、拡大
倍率が133になるレンズ360,370のセットが必要になる。
この拡大は、例えば焦点距離が12mmのレンズ360と、焦
点距離が18mmのレンズ370とによって得られる。レンズ3
60は、リレイ510により作られたイメージから15.39mmの
距離におかれる。レンズ370は、レンズ360から72mm離さ
れて配置される。これによって、ヴァーチャルイメージ
67が目から67mm離れて作られる。光線は、発散するもの
である。前記レンズの位置を変えることにより、該レン
ズの相対位置に応じて、前記イメージが無限大又はどこ
かに形成されることができる。レンズ同士の間が空気で
あるスペースの場合に、この計算が成り立つ。例えばメ
インレンズ300のソリッドの例において屈折率ｎ＜１の
マテリアルを使用の場合、距離が応分に調節される。

図18は、フリースペースコンバイナーに基づく従来技
術の反射屈折光学デザインを示すもので、このデザイン
においては、ディスプレイ901により発生したイメージ
は、目に向け光を後方へ反射するカーブしたミラー又は
コーティングされた反射要素900に向け平らな半透過ミ
ラー又は誘電被膜面920により反射される。要素900がカ
ーブしていれば、それから反射した光の輻輳が変わり、
これによって、目の前に快適な距離のスペースをおいて
ヴァーチャルイメージが目に入る。この要素900は、図
８におけるレンズ370と同じ光学作用を行う。周囲の情
景からの光線910のように、要素900を通過する光は、そ
の輻輳になんらの変化無く通過する。かくして、光線91
0により描かれる情景がディスプレイを見る光学レンズ
の光学パワーにより輻輳を損なうことなく見られること
になる。要素900は、吸収を導入しているため、面900を
通過する光線は、減衰してしまう。

本発明の方法を用いる改良されたシステム図19Aに示
す。要素900は、サイズを小さくされ、メインレンズ300
に納めてある。コンバイナー920は、ハーフシルバーめ
っきのミラー又は前記したビームスプリッターキューブ
からなるか、又は、偏光ビームスプリッターからなる。
偏光ビームスプリッターの場合については、正しい軸で
偏光された光の大部分が要素900へ反射される。四分の
一波長板又は他の偏光ローテーター930を２回通過する
とき、回転軸により、光線は、偏光ビームスプリッター
を効率的に通過して目に入る。干渉フィルターの技術で
知られている光学コーティングをコンバイナー920と要
素900に用いて、周囲の光線とディスプレイイメージが
効率的に通過できるようにする。例えば、ディスプレイ
イメージがレーザーソースからのスペクトル帯域が狭い
三色（レッド、グリーン及びブルー）からなる場合、前
記光学コーティングは、要素900の面がこれらの狭い波
長レンジに対し反射性を高めるようにする一方、該要素
を通過する光線910は、これらの狭いレンジにおいての
み妨げられ、かくて、前記イメージは、色歪みなしに広
く見れる。図19Bは、同じ性質の代替例を示し、光線910
がミラー900により妨げられないような向きになってい
る偏光と要素900をもつ。

従来技術の頭部装着ディスプレイズは、一つのコリメ
ーションディスタンス（焦点に基づきイメージが知覚さ
れる距離）に限られている。ステレオ頭部装着ディスプ
レイにおいてしばしば、この距離は、目の輻輳で知覚さ
れる距離とコンフリクトしてしまう。この発明は、異な
るコリメーションディスタンスで多重のイメージをディ
スプレイさせることで、この問題を解決する。

多重コリメーションディスタンスディスプレイは、二
つ以上はそれ以上のディスプレイソースからのイメージ
を融合して、異なる焦点距離にある背景イメージと前景
イメージとをユーザーに与える。GRINロッドイメージと
対物レンズとの間の距離をｘとする（図20）。図20にお
いて、GRINレンズから三つの別個の距離にあるディスプ
レイが三つのｘの値及び三つのｙ軸が一つで各ディスプ
レイに対するものに導く。ｘが僅かに調節されると、コ
リメーションディスタンスは、大幅に変わる。以下の表
は、一つの光学構成に対する対物レンズからの距離をフ
ァンクションとしてのコリメーションディスタンスの計
量を示す。

この表は、計算が行われた特定の光学構成について、
イメージと対物レンズとの間の距離が186μｍ変化する
と、コリメーションディスタンスが12.7cmから254M（エ
ッセンシャルに無限大）に変わることを示している。二
つ又はそれ以上のディスプレイ940を用い、コンバイナ
ーキューブ945を介して結合（LCDプロジェクターにおい
てレッド、グリーン及びブルーのイメージを結合すると
き一般に行われているように）する場合、そして、これ
らディスプレイをGRINイメージリレイからの距離を異に
して（図20に0mm、ｔ、及びｕとして図解）設定する
と、図20に示すように、ユーザーは、イメージを見るの
に異なる面に焦点を合わせなければならない（丁度リア
ルイメージを見るきに目が行うように）。距離の相違
は、前記キューブと前記ディスプレイとの間に薄いガラ
ス層を介在させて得ることができる。

重要なことは、作られたイメージが前景、中間及び背
景に相当する三つの分離した同時存在面を有することが
できることである。これがコリメーションディスタンス
の問題とハードウエアからの目の輻輳の不同を効率よく
除去する。必要なだけ数多くの（又は頭部装着システム
において実用に合った数多くの）面を作る光学技術が存
在する。

代替アプローチにおいては、ディザーを行うメカニズ
ムが対物レンズを所望の位置へ動かす。このようなアプ
ローチを毎秒180フレームで動くフラットパネルディス
プレに同期させ、三つの分離したイメージ面を与える。
必要なレンズ移行をさきにはたったの180μｍと示した
点に注目されたい。他のアプローチは、図21の態様にお
けるスタッキングからなるもので、これは、減法混色の
原色LCDに使用されているものである。減法混色の原色
ディスプレイシステムにおいては、三つのディスプレイ
955がスタッキングされ、各ディスプレイがファイナル
のイメージから一つの色を除く。これらディスプレイ
は、偏光子956により分離されている。この発明におい
ては、カラーディスプレイを用いて該ディスプレイの間
のスペースに応じて、種々のコリメーション深さにある
多重イメージ面を特徴とするイメージが提供できる。

注目すべき点は、減法混色の原色ディスプレイにおい
て、面の間のコリメーションディスタンスのバリエーシ
ョンは、有害な人為ものとみなす点である。しかしなが
ら、この発明においては、コリメーション深さのバリエ
ーションを用いてイメージを改善することができる。さ
らなる利点は、背景に解像度が低いディスプレイを用い
てシステムコストを下げることができる点である。

ミラー又は導波管を用いてシングルのピクセルをスキ
ャンするスキャンアプローチにおいては、いくつかの方
法でコリメーションディスタンスを調節できる。第１の
ものは、ビームスキャンニングシステムの入り口瞳孔か
らの距離を異にするいくつかのピクセルを用いる。この
アプローチは、幾本かの光学ファイバーを用い、それら
ファイバー各々が定まっている異なった分だけ入り口瞳
孔からずれていて、各ファイバーを異なるコリメーショ
ンディスタンスに導くことによって達成される。ついで
表示しようとする複数の光子を所望のコリメーションデ
ィスタンスに相当するファイバーを越させる。

第２の方法は、マイクロメカニカルミラーを使用して
シングルファイバーから対物レンズへのパスレングスを
調節することである。距離を調節することにより、各ピ
クセルに対するコリメーションディスタンスが設定でき
る。外部の力で変えられる屈折率をもつ媒体に光線を通
すことで光学ディスタンスを調節できる。

前記の議論は、眼鏡形態に光学機構を適用する点に的
を絞ったものであるが、光学機構は、ダイバーのマス
ク、消防士の顔覆い、宇宙飛行士の宇宙服マスク、危険
物ボディスーツフェースマスクなどのようなフルフェー
スマスクシステムにも適用できるものである。図22は、
光学システム870、フェースマスク構造体872及びコンピ
ューター回路874をまとめ、フェースマスクシステム内
に全部がまとめられたコンピューターを形成した例を示
す。これによって、このシステムにおいては、フェース
マスクが集められた回路を縁部に装着のための十分な領
域を供給することができる。まとめられた回路類のサイ
ズを小形にすれば、このようにしてディスプレイと回路
類とを眼鏡に取り付けることができる。図22に示すよう
に、ディスプレイをレンズの縁部に直接取り付けること
ができる。ダイビングマスクの場合には、回路とディス
プレイとをフェースマスクの縁部内にポッティングし、
防水にすることができる。

図22は、二つのディスプレイを示し、これによりステ
レオイメージが作られる。コンバイナーを通常の視野内
に直接配置したり、（図示のように）通常の視野外に直
接配置したりして、ディスプレイを見るためには、光学
システムが置かれている場所に応じて、ユーザーが見上
げたり、見下ろしたり、横を見たりしなければならない
ようにすることができる。フェースマスクに適したディ
スプレイ類は、アクティブ・マトリックス・エレクトロ
ルミネッセント・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り、これらは、市場で入手
できる。

第23図を参照すると、ビームスキャンニングデバイス
が設けられていて、前記したように、レンズの使用と折
り曲げにより、光学レンズ類を埋設した面に極めて小さ
なイメージ面が作られ、これがユーザーの目に向けられ
る。このイメージ面は、オプティカルファイバーからの
光を小形化された面を構成する複数のポイントにわたっ
てスキャニングすることにより形成される。このスキャ
ンされたピクセルは、回析制限スポットであるから、イ
メージ面は、極めて小さくなる。スキャンされたピクセ
ルは、前記ファイバーに供給されたグレイレベルデータ
及び／又はカラーデータと同期していて、小形イメージ
面における各ポイントは、適当な光子ストリームでペイ
ントされ、所望のイメージを前記スクリーンに作る。フ
ァイバーにより前記スキャナーへ供給された光学データ
は、コンピュータ内で作られ、そのためグラフィック回
路の光学ソース（レーザーなどの）セットをドライブし
て、所望の照度でレッド、グリーンおよびブルーの所望
のコンビネーションを作るようにしなければならない。

前記ビームスキャナーは、マイクロ−エレクトロメカ
ニカル・シリコン・マシニング（MEMS）により形成でき
る。前記スキャンニングシステムを形成する最もダイレ
クトの方法は、図23に示すように、光子らを所望のポイ
ントに向けるために使用の水平方向及び垂直方向ミラー
970,971を作ることによるものである。垂直方向及び水
平方向スキャンニングミラーは、接近させて作られ、リ
レイオプティックスを複雑にしないようにする。垂直方
向スキャンニングミラー971は、コンベンショナルのフ
レームレートとして60Hzで振動することができる。マイ
クロマシニングされた導波管もまた作られる。

ビームステアリングデバイスをオプティカルファイバ
ーズで作ることができる。しかしながら、そのようなデ
バイスでの問題は、利用できるオプティカルファイバー
の機械特性に拘束される点である。これに対し、本発明
によるマイクロマシニングされたスキャンナーの利点
は、薄いフィルムを使用して、溶解石英ファイバー類で
は達成できない機械的共振周波数と構造における導波管
ジオメトリーとが調整できる点である。

上記したMEMSをベースとするスキャナーは、イメージ
収集デバイスとしても働く。頭部装着ディスプレイにお
ける実施においては、アイトラッキングに使用できる目
のリターンイメージをトランスミットするのに表示する
オプティックスが使用できる。MEMSディスプレイと一緒
になったアイトラッカーの場合においては、スキャンニ
ングシステムを含むディスプレイオプティックスは、図
23に示すようにシステムからディテクターへ戻ることが
できるイメージの表示と目のイメージの収集両者に使用
できる。

光子類を目へ供給することは、レシプロ光学プロセス
を有し、前記システムが軸方向に整合していれば、網膜
からの軸方向反射は、同じ光路にそって戻ることにな
る。リターンシグナルを最大にする位置に前記ミラーセ
ットを配置することにより、網膜の角度位置、したがっ
て、凝視の方向が決定される。

リターンシグナルの強度をいくつかの方法で増大でき
る。MEMSアプローチにおいては、レッド、グリーン及び
ブルーの波長を前記光路にそって組み合わせ、カラー表
示にする。さらにユーザーには知覚されない赤外線（I
R）波長を第４のバンドとして付加する。この手段にお
いては、赤外線パターンが目に映し出され、戻りのパタ
ーンを検知することにより目の位置が測定される。

図23は、そのようなデバイスがどのように動作するか
を図解する。可視光線とIR光線がスキャンニングミラー
970へ同期して送られ、眼鏡のオプティカルシステムへ
投射曝れ、そこから目へ投射される。目が前記射出瞳と
整合していれば、リターンシグナルが前記光路へ反射さ
れる。このリターン（反射された）シグナルは、カプラ
ー972へ伝播され、そこからディテクター974へ伝播され
る。照明光線がコンスタント（ブラックスクリーン）で
あれば、ついでピクセルズの反射ストリームは、実際に
は、目のピクセル化されたイメージであり、これは、コ
ンピュータ976により目のイメージへリフォームされる
ことができる。しかしながら、照明光線がイメージそれ
自体であれば、ピクセルズの反射されたストリームは、
オリジナルのイメージと反射されたイメージとが渦巻き
状になったものからなる。この場合にも、前記コンピュ
ータは、前記イメーを巻きほぐし（目へ送られたイメー
ジは知られているから）、目のイメージを創る。他の方
法は、目へ送られたイメージについて変調した可視光線
とコンスタントなIRを用い、目を照らしてリターンIRイ
メージを創る。これらの方法のすべては、網膜のイメー
ジをクリエートし、それから凝視の方向が測定できる。

図23に示したシステムは、図24に示すような眼鏡又は
頭部装着ディスプレイ構造へのスタンダードなフラトパ
ネルアプローチにも使用できる。このような場合、MEMS
システムが目のイメージのみを集め、ディスプレイイメ
ージを作るのには用いられない。ディスプレイイメージ
は、フラットパネルディスプレイによりコンバイナーを
介して提供される。

図25Aと図25Bとは、さらなる実施例を示し、そこで
は、メインレンズ300の厚さ934を全く厚くせずに視野を
広げることができる。さきに述べたように、コンバイナ
ーインターフェース（図16の324）により導入される開
口ストップの幅1003を増やすことにより広げられる。

図25Aは、対向する光路1001,1002から光線を受ける二
つの組み合わされたインターフェース922,921の使用を
示す。注目すべき点は、図19に示した全屈折アプローチ
には、シングルのインターフェースとシングルの光路と
が示されていた；この実施例は、開口ストップ1003を倍
にして二つのそのような光路を組み合わせて使用してい
る点である。

図25Bは、光がどのようにして二つの光路1001,1002に
分かれるかを示す。この特定の実施例においては、ディ
スプレイ320とレンズ360とが反射インターフェース923,
924に光線を当て、再組み合わせのインターフェース92
1,922と対称になる態様で光線を二つの光路1001,1002へ
スプリットする。図26は、メインレンズ300を平面図で
示す。光線は、メインレンズ300へ入り、インターフェ
ース923,924で反射されて前記二つの光路にそう。メイ
ンレンズ300内に埋設された四つのミラー925が面921,92
2へ光線を反射する。埋設されたミラー925は、それらの
反射面がメインレンズ300の面に対しほぼ直交するよう
に、したがって、メインレンズ300を経てユーザーの目
へ送られる周囲の光景からの光線とほぼ平行に形成され
ている。したがって、ミラー925は、メインレンズ300を
介してはちょっと見ただけでは見えない。さらに、イン
ターフェース921,922,923,924は、ディスプレイ32から
出された特定範囲の波長を反射し、他の波長を反射しな
いようになされた誘電コーティングスを備え、この方法
で、メインレンズ300内の迷反射光がなくなる。

図25Aと図25Bとにおける実施の特定の例は、直角のプ
リズムの側面で形成された二つの垂直な面921,922から
形成されたコンバイナーを備える。前記のように、上か
らの光線1001と下からの光線1002とが外部の光線306と
組み合わされてイメージを作り、メインレンズ300を厚
くせずにディスプレイされるイメージの最大視界を倍に
する。この方法で、コンバイナーの高さ1003をメインレ
ンズ300の厚さの倍にできる一方、ビームスプリッター
キューブにとって必要な角度45度を保つ。この実施例に
おいては、図26の平面図に示すように、イメージを二つ
の光路からコンバイニングシステムに供給しなければな
らない。イメージを形成する光線は、面923,924を介し
てメインレンズ300へ入り、これら面は、また直立面を
形成するようになっている。これらの面で入光光線を逃
つの光路にスプリットする。下側の面923を介して入る
光線は、光線1002によって示される光路を辿る。上側の
面を介して入る光線は、光線1001によって示される光路
を辿る。四つのミラー925が前記光路を折り曲げ、全体
構成がメインレンズ300内に納まる。これらの例は、全
屈折レンズをもつこのミラーシステムの使用を示してい
るが、さきに述べた他の実施例も使用できる。

前記光学構造に複数のイメージ面を配置することによ
り、面921,922の頂点及び面923,924の頂点を含む面が出
ないようにする改良がさらになされる。この方法におい
て、前記光線がスプリットされることによるファイナル
のイメージにおける人為的なことを無くすことができ
る。これを達成する１つの方法は、前記オプティカルシ
ステムに必要なレンズ（例えば、360,370又はミラー900
のような）をこれらの面の近くに配置して、他の面にイ
メージを形成するようにすることである。

この発明は、四角なコンバイナーに限定されるもので
はなく、前記改良によりコンバイナーの幅1004に限定が
加えられない。視野のアスペクトレシオは、必要に応じ
インターフェース920,921をワイドにすることで単純に
変えられる。

図27は、例えば、拡散スクリーン、マイクロレンズア
レイ、ファイバーオプティック・フェースプレート又は
回析光学要素からなる光学要素515を介入させることに
より光学リレイ520から放射された光線の視野が増大さ
れる実施例を示す。要素515は、イメージ面が一致する
ように面511に相対で配置され、要素515にイメージが形
成される。リレイ510がコーヒレントのファイバーバン
ドルである場合については、要素515は、端部511に直接
接着されるか、又は、該端面にエッチングされる。リレ
イ510がGRINイメージリレイである場合には、要素515
は、リレイ510により作られるイメージの位置に配置さ
れる。リレイ510がレンズである場合、要素515は、レン
ズシステムの焦点面におかれる。この方法においては、
使用される要素又は要素の組み合わせのタイプに応じ
て、拡散、屈折又は回析メカニズムの一つ又は一つ以上
によりピクセルズの視界を要素515が増大する。光学要
素515がファイバーオプティック・フェースプレートで
ある場合については、該フェースプレートの一方の面又
は両面をカーブさせ、表示されるイメージのフィールド
平坦性を改善する。

ここに記載した発明により、図28Aと図28Bとに示す眼
鏡を作った。この実施例においては、メインレンズ300
は、市販の眼鏡フレーム830内に内蔵させてある。メイ
ンレンズ300は、埋設された偏光ビームスプリットキュ
ーブ801と、埋設されたプリズム1100とを備え、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
の光線を反射する。このディスプレイは、バックライト
1103でバック照明され、該ディスプレイとバックライト
は、ハウジング1103に納められている。該ディスプレイ
は、電子回路（図28A,28Bには図示されていない）と電
気的に接続されている。ディスプレイ320は、スペーサ
ー1101に光学的に取り付けられ、該ディスプレイとレン
ズ370の面との間の媒体の屈折率が内部反射をなくすよ
うに比較的具合良くマッチングしているもので、該マテ
リアルズの屈折率は、1.4から1.6のレンジにある。ディ
スプレイ320は、該ディスプレイからの偏光光線が前記
キューブのインターフェースを殆ど通過せずにキューブ
801による目への反射にとり良好な方向を向くように配
置されている。正のパワーをもつシングルの平凸レンズ
であるレンズ370により、キューブ801からの光線の輻輳
を下げ、かくしてユーザーが約50cmにあるヴァーチャル
イメージを知覚できるようにする。負のパワーをもつシ
ングルの平凹レンズであるレンズ410が周囲の光景から
の光線を予め補正し、組み合わされたレンズ370,410が
輻輳が比較的なしに光線を送る。レンズ410,370の相対
パワーと間隔及び／又はこの発明において規定されてい
るような多重レンズ（例えば、ダブレット）を最適に選
択することにより、前記キューブを介して見る周囲の光
景の全体の歪みを減らすものである。この実施例におけ
るメインレンズ300（図16Aにおける934）の全体の厚さ
は、6.25mmである。

眼鏡フレーム830内にディスプレイシステムを完全に
隠蔽させることは、バックライト1103とディスプレイ32
0とをハウジング内に納め、眼鏡フレームに内蔵させる
ため、これらをリパッケージングすることにより可能で
ある。図29は、フラットなバックライト1110、ディスプ
レイ320及びプリズム1111を眼鏡のテンプル1112に内蔵
し、ディスプレイを隠す方法を示す。さらに、レンズ37
0、410又は他の光学レンズ類は、図29に示すように、又
は、前記のようにメインレンズ300内に埋設できる。セ
ンサーとレンズ（すなわちカメラシステム）をアイトラ
ッキングシステムでできるように、付加できるもので、
両者については、すでに述べてある。この実施例におい
ては、メインレンズ300の外観は、二焦点レンズに似て
いる。図29は、単眼用機具を示す；しかしながら、左と
右の二つのメインレンズ300は、両眼システムに用いら
れる。また、左のメインレンズ300は、ディスプレイシ
ステムを内蔵し、右のメインレンズ300は、センサーシ
ステムを内蔵できる。埋設された光学レンズ類は、サン
グラスのように、偏光フィルム、フォトクロミックフィ
ルム、濃淡に色づけされたフィルム又は反射フィルムを
使用して、存在を隠すことができる。その結果、眼鏡デ
ィスプレイシステムは、ちょっと調べた限りでは、ディ
スプレイ、カメラ又はアイトラッカーがないこれまでの
眼鏡の外観美をもつ。

この発明は、添付の請求の範囲に指示されたものを除
き、特に示され、記載されたものに限定されるものでは
ない。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−98281（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−140414（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−304645（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297516（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/02 H04N 5/64

Claims (112)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ユーザーの目を使用するユーザーの頭部に
   装着する頭部装着イメージコンバイニング・レンズシス
   テムであり、以下を備える頭部装着イメージコンバイニ
   ング・レンズシステム： ユーザーの頭部により支持されるように構成された支持
   フレーム； 少なくとも以下を備え、ユーザーの目の前に前記支持フ
   レームにより支持されるレンズシステム： 周囲の光が通過するように構成された二つの光学面を有
   する第１のレンズ； 前記周囲の光から離れたイメージソースから光を受ける
   ために前記第１のレンズ内に内部的に設定され、前記第
   １のレンズの二つの光学面に沿い、且つその間に少なく
   とも一部を位置させた光路；及び 前記第１のレンズ内に内部的に配置され、少なくとも前
   記光路の一部に沿って通過する光を前記第１のレンズか
   らユーザーの目へ向け直す界面を有するインサート；及
   び 前記イメージソースから、前記第１のレンズの内部に設
   定された前記光路の一部へ、光を向けるために設定され
   た前記光路の別の部分。
2. 【請求項２】前記インサートは、前記界面により分けら
   た屈折率の異なる二つのマテリアルズからなる請求項１
   のシステム。
3. 【請求項３】前記界面は、前記二つのマテリアルズの間
   にエアーギャップを備える請求項２のシステム。
4. 【請求項４】前記インサートはビームコンバイナーから
   なる請求項１のシステム。
5. 【請求項５】前記ビームコンバイナーは、逆ビームスプ
   リッターからなる請求項４のシステム。
6. 【請求項６】前記インサートは、偏光ビームスプリッタ
   ーからなる請求項１のシステム。
7. 【請求項７】前記界面は、全部が内部反射する請求項１
   のシステム。
8. 【請求項８】前記インサートは、半透過ミラーからなる
   請求項１のシステム。
9. 【請求項９】前記界面は、平らである請求項１のシステ
   ム。
10. 【請求項１０】前記界面は、カーブしていて、予め選ん
    だ光学パワーを提供する請求項１のシステム。
11. 【請求項１１】見ようとするイメージを正しく位置させ
    るために予め選択された角度で前記界面が配置されてい
    る請求項１のシステム。
12. 【請求項１２】前記界面は、光路をスプリットする干渉
    コーティングを含む請求項１のシステム。
13. 【請求項１３】前記インサートは、ホログラフィコンバ
    イナーからなる請求項１のシステム。
14. 【請求項１４】前記レンズシステムは、さらに、前記界
    面とユーザーの目との間の光路に配置された第２のレン
    ズを備え、予め選択された拡大を行う請求項１のシステ
    ム。
15. 【請求項１５】前記第２のレンズは、前記インサートか
    らエアーギャップを介し離れている請求項14のシステ
    ム。
16. 【請求項１６】前記第２のレンズは、前記第１のレンズ
    と一体になっている請求項14のシステム。
17. 【請求項１７】前記第２のレンズは、前記第１のレンズ
    に接着している請求項14のシステム。
18. 【請求項１８】前記第２のレンズは、前記第１のレンズ
    にモールドされている請求項14のシステム。
19. 【請求項１９】前記第２のレンズは、色収差を補正した
    レンズである請求項14のシステム。
20. 【請求項２０】付加のレンズを備え、このレンズは、前
    記周囲の光線の一部をインサート通して導きそれから第
    ２のレンズを通るように配置され、前記周囲の光線が所
    望の拡大倍率をもつように前記第２のレンズの光学パワ
    ーと協働するように選択された光学パワーをもつ請求項
    14のシステム。
21. 【請求項２１】前記レンズシステムは、さらに、前記界
    面とイメージソースとの間の光路に配置され、所望の拡
    大倍率になるように予め選択されている付加のレンズを
    備える請求項１のシステム。
22. 【請求項２２】前記付加のレンズは、前記第１のレンズ
    からエアーギャップを介して離れている請求項21のシス
    テム。
23. 【請求項２３】前記付加のレンズは、前記第１のレンズ
    と一体になっている請求項21のシステム。
24. 【請求項２４】前記付加のレンズは、前記第１のレンズ
    に接着している請求項21のシステム。
25. 【請求項２５】前記付加のレンズは、前記第１のレンズ
    にモールドされている請求項21のシステム。
26. 【請求項２６】前記付加のレンズは、色収差を補正した
    レンズである請求項21のシステム。
27. 【請求項２７】前記レンズシステムは、さらに別のレン
    ズセットを備え、この別のレンズセットは、前記光路に
    配置され、所望の拡大を行い、所望のンズ収差に補正す
    るように、且つ予め選択されている請求項１のシステ
    ム。
28. 【請求項２８】別のインサートが前記第１のレンズの内
    部に配置され、この別のインサートは、前記インサート
    とイメージソースとの間に配置されて、前記イメージソ
    ースからの光線を前記光路の一部へ向け直す別の界面を
    有する請求項１のシステム。
29. 【請求項２９】前記別の界面は、全部が内部反射する請
    求項28のシステム。
30. 【請求項３０】前記別のインサートは、ビームコンバイ
    ナーからなる請求項28のシステム。
31. 【請求項３１】前記別のインサートは、ミラーからなる
    請求項28のシステム。
32. 【請求項３２】前記別のインサートは、周囲の光線で前
    記イメージソースの照明を助けるように配置されている
    ビームスプリッターからなる請求項28のシステム。
33. 【請求項３３】前記別の界面と前記イメージソースとの
    間の光路に配置されて、予め選択された拡大を行う別の
    レンズを備える請求項28のシステム。
34. 【請求項３４】前記インサートと前記イメージソースと
    の間に配置され、前記イメージソースからの光線を前記
    光路の一部へ向け直すようにするミラーを備える請求項
    28のシステム。
35. 【請求項３５】前記ミラーが前記第１のレンズのエッジ
    に取り付けられている請求項34のシステム。
36. 【請求項３６】前記光路における強烈なビームにより損
    傷されるように予め選択された熱伝導性をもつマテリア
    ルの層をさらに含む請求項34のシステム。
37. 【請求項３７】前記ミラーは、更に、強烈なビームが前
    記光路に焦点を結ばないように予め選択された熱膨張係
    数をもつマテリアル層を含む請求項34のシステム。
38. 【請求項３８】少なくとも一つの視野レンズが前記イン
    サートと前記イメージソースとの間の光路の一部にそっ
    て前記第１のレンズ内に配置されている請求項１のシス
    テム。
39. 【請求項３９】前記インサートに近接して前記概ね対向
    の面の一方に配置されて、前記インサートを周囲の光線
    が通過するのを防ぐ不透明のディスクを備える請求項１
    のシステム。
40. 【請求項４０】前記第１のレンズ内で、前記インサート
    と前記光学面の一方との間に配置されている反射要素を
    さらに備え、前記界面は、前記イメージソースからの光
    線を前記反射要素へ向け直すように反射し、さらに、前
    記反射要素から反射又は透過した光線を前記対向の面の
    他方へ透過させるように透過性であり、これによって、
    ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する請求
    項１のシステム。
41. 【請求項４１】前記反射要素は、カーブしていて、前記
    反射要素からの反射光線の輻輳を変更するようになって
    いる請求項40のシステム。
42. 【請求項４２】前記インサートは、銀めっきされたハー
    フミラー又はビームスプリッターキューブからなる請求
    項40のシステム。
43. 【請求項４３】前記インサートが偏光ビームスプリッタ
    ーからなり、偏光ローテーターが前記反射要素と前記イ
    ンサートとの間に配置されている請求項40のシステム。
44. 【請求項４４】前記界面上に光学コーティングをさらに
    備える請求項40のシステム。
45. 【請求項４５】前記反射要素上に光学コーティングをさ
    らに備える請求項40のシステム。
46. 【請求項４６】前記第１のレンズ内で、前記インサート
    に近接して配置されている反射要素をさらに備え、前記
    界面は、前記イメージソースからの光線を透過および前
    記反射要素へ反射し、前記反射要素からの光線を反射し
    て、前記対向の面の一方へ光線を向け直し、これによっ
    て、ユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚する
    請求項１のシステム。
47. 【請求項４７】前記反射要素は、カーブしていて、前記
    反射要素からの反射光線の輻輳を変更するようになって
    いる請求項46のシステム。
48. 【請求項４８】前記インサートは、銀めっきされたハー
    フミラー又はビームスプリッターキューブからなる請求
    項46のシステム。
49. 【請求項４９】前記インサートが偏光ビームスプリッタ
    ーからなり、偏光ローテーターが前記反射要素と前記イ
    ンサートとの間に配置されている請求項46のシステム。
50. 【請求項５０】前記界面上に光学コーティングをさらに
    備える請求項46のシステム。
51. 【請求項５１】前記反射要素上に光学コーティングをさ
    らに備える請求項46のシステム。
52. 【請求項５２】ビームスキャニングアッセンブリーをさ
    らに含み、前記レンズシステムと光学信号で通じるよう
    配置されている請求項１のシステム。
53. 【請求項５３】前記インサートは、前記対向する光路の
    光をユーザーの目への一対の対応する光路へ向け直し、
    視界角度を広くするように配置された二対の界面を備え
    る請求項１のシステム。
54. 【請求項５４】前記第１のレンズの光学面の少なくとも
    一方にユーザーの視力を補正すうように予め選択された
    曲率が設けられている請求項１のシステム。
55. 【請求項５５】前記光路の別の部分の光線を前記光路の
    一部に向け直す別の界面をさらに備える請求項１のシス
    テム。
56. 【請求項５６】前記光路の別の部分がイメージリレイか
    らなる請求項１のシステム。
57. 【請求項５７】前記イメージリレイがレンズリレイから
    なる請求項１のシステム。
58. 【請求項５８】前記イメージリレイがコーヒレントのオ
    プティカルファイバーバンドルからなる請求項56のシス
    テム。
59. 【請求項５９】前記イメージリレイが屈折率分布型レン
    ズイメージ導管からなる請求項56のシステム。
60. 【請求項６０】前記光路の別の部分を前記光路の一部に
    結合するために、前記イメージリレイと前記レンズシス
    テムとに取り付けられる焦点位置調節用マウントを更に
    備える請求項56のシステム。
61. 【請求項６１】前記焦点位置調節用マウントは、前記支
    持フレームに取り付けられた第１のチューブと、前記イ
    メージリレイの端部に摩擦係合して前記第１のチューブ
    内にスライド自由に受けられている第２のチューブとを
    備え、これによって、前記光路の別の部分が前記光路の
    一部に対し調節可能になっている請求項60のシステム。
62. 【請求項６２】前記焦点位置調節用マウントは、前記支
    持フレームに取り付けられる内部にねじがきってあるチ
    ューブと、前記イメージリレイの端部に取り付けられ、
    前記内部にねじがきってあるチューブに螺合される外部
    にねじがきってあるチューブとを備え、これによって、
    前記光路の別の部分が前記光路の一部に対し調節可能に
    なっている請求項60のシステム。
63. 【請求項６３】前記イメージリレイは、出口端部を含
    み、該出口端部に近接して別のレンズが配置され、予め
    選択された光学パワーを供給するようになっている請求
    項56のシステム。
64. 【請求項６４】前記イメージソースは、ユーザーの頭部
    の背後近くで前記支持フレームにより支持されている請
    求項１のシステム。
65. 【請求項６５】前記イメージソースは、フラットパネル
    ・アクティブマトリックス・エレクトロルミネッセント
    ディスプレイからなる請求項64のシステム。
66. 【請求項６６】前記イメージソースは、液晶ディスプレ
    イからなる請求項64のシステム。
67. 【請求項６７】前記インサートは、前記液晶ディスプレ
    イのアナライザーとして機能するように配置された偏光
    ビームスプリッターからなる請求項66のシステム。
68. 【請求項６８】前記第１のレンズ内に配置されて、前記
    イメージソースからユーザーの目へ前記光路の一部にそ
    って光線を向け直す偏光ビームスプリッターをさらに備
    え、前記ビームスプリッターは、前記液晶ディスプレイ
    のアナライザーとして機能するようにさらに配置された
    請求項66のシステム。
69. 【請求項６９】前記イメージソースは、フラットパネル
    ・フィールドエミッションディスプレイからなる請求項
    64のシステム。
70. 【請求項７０】前記イメージソースは、陰極線管からな
    る請求項64のシステム。
71. 【請求項７１】前記イメージソースは、発光ダイオード
    アレイからなる請求項64のシステム。
72. 【請求項７２】前記イメージソースは、前記別の光路の
    入り口端部から異なる距離に位置する多重ディスプレイ
    からなる請求項64のシステム。
73. 【請求項７３】前記イメージソースと前記光路の別の部
    分との間のファイバーオプティックテーパー部が前記イ
    メージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の部
    分にマッチさせるようになっている請求項64のシステ
    ム。
74. 【請求項７４】前記イメージソースと前記光路の別の部
    分との間に付加のレンズシステムをさらに備え、前記イ
    メージソースからのイメージの寸法を前記光路の別の部
    分にマッチさせるようになっている請求項64のシステ
    ム。
75. 【請求項７５】前記付加のレンズシステムがハウジング
    内に装着され、該ハウジングは、前記イメージソース、
    前記光路の別の部分及び前記レンズシステムの相対位置
    を調節して、イメージのフォーカシングを行うように調
    節可能である請求項74のシステム。
76. 【請求項７６】前記光路の別の部分は、少なくとも一つ
    のミラーを含み、これで前記別の部分を折り曲げ可能に
    した請求項１のシステム。
77. 【請求項７７】前記光路の一部に沿って第１のレンズ内
    に配置された対眼レンズと、前記光路の別の部分に沿っ
    て配置された対物レンズとを含み、前記対眼レンズと対
    物レンズの光学パワー及び位置が所望の焦点、拡大度合
    い及びコリメーションディスタンスを得られるように予
    め選択さている請求項１のシステム。
78. 【請求項７８】前記別の界面は、ミラー又はプリズムに
    より構成される請求項55のシステム。
79. 【請求項７９】前記光路の別の部分に配置されていて、
    拡散または、回折により視界角度を広めるようになって
    いる光学要素をさらに含む請求項１のシステム。
80. 【請求項８０】前記光学要素が拡散スクリーン、マイク
    ロレンズアレイ、ファイバーオプティック・フェースプ
    レート又は回折光学要素からなる請求項79のシステム。
81. 【請求項８１】前記光学要素は、一方の面又は両面にお
    ける曲率が前記イメージのフィールド平坦性を改良する
    ように予め選択されているファイバーオプティック・フ
    ェースプレートを有する請求項79のシステム。
82. 【請求項８２】前記光路にそってユーザーの目から戻る
    光線を受けるように位置しているセンサーをさらに備え
    る請求項１のシステム。
83. 【請求項８３】ユーザーの周囲をとりまくものからの光
    線を受けるように位置しているセンサーをさらに備える
    請求項１のシステム。
84. 【請求項８４】前記支持フレームは、眼鏡からなる請求
    項１のシステム。
85. 【請求項８５】前記支持フレームは、フェースマスクで
    ある請求項１のシステム。
86. 【請求項８６】前記支持フレームは、ダイバーのマス
    ク、消防士の面覆い、宇宙飛行士の宇宙服マスク又は危
    険物ボディスーツのフェースマスクからなる請求項１の
    システム。
87. 【請求項８７】コンピュータ回路が前記支持フレームに
    取り付けられ、前記イメージソースと通じていて、前記
    イメージソースが前記支持フレームのエッジに装着され
    ている請求項１のシステム。
88. 【請求項８８】前記コンピュータ回路と前記イメージソ
    ースとを隠すように配置されたハウジングをさらに備え
    る請求項87のシステム。
89. 【請求項８９】以下の構成を備える頭部装着イメージコ
    ンバイニングシステム： ユーザーの頭部に支えられる輪郭になっている一対のレ
    ンズホルダーと一対のテンプルとを有する眼鏡フレー
    ム； 前記眼鏡フレームに取り付けられたイメージソース； ユーザーの一方の目の前で前記一対のレンズホルダーの
    一方に眼鏡フレームで支持されている以下の構成のメイ
    ンレンズ； 周囲の光線が通過するように構成されている二つの光学
    面；前記メインレンズ内に埋設されて、前記二つの光学
    面間に前記イメージソースからの光線を向けるプリズ
    ム；及び 前記メインレンズ内の、前記プリズムからユーザーの目
    へ光線を向ける位置に埋設されたビームスプリッティン
    グキューブ；及び ユーザーの他方の目の前で前記一対のレンズホルダーの
    他方に前記眼鏡フレームにより支持されている第２のレ
    ンズシステム。
90. 【請求項９０】前記ビームスプリッティングキューブが
    偏光型ビームスプリッティングキューブである請求項89
    のシステム。
91. 【請求項９１】前記イメージソースがアクティブマトリ
    ックス液晶ディスプレイからなる請求項89のシステム。
92. 【請求項９２】前記アクティブマトリックス液晶ディス
    プレイを照らすように配置されているバックライトをさ
    らに備える請求項91のシステム。
93. 【請求項９３】前記メインレンズは、前記ビームスプリ
    ッティングキューブとユーザーの目との間に配置された
    正のパワーを有するレンズと、前記ビームスプリッティ
    ングキューブと周囲の光景との間に配置された負のパワ
    ーを有するレンズとを備える請求項89のシステム。
94. 【請求項９４】前記対のテンプルの一方に取り付けられ
    たハウジングをさらに備えており、前記イメージソース
    が前記ハウジング内に配置されている請求項89のシステ
    ム。
95. 【請求項９５】前記メインレンズは、モールディング、
    キャスティング又はマシニングにより一体成形されてい
    る請求項89のシステム。
96. 【請求項９６】一対のレンズホルダーの一方にイメージ
    ソースを収納するようになっている眼鏡フレーム用のレ
    ンズシステムであり、以下を備える該レンズシステム： ユーザーの目の前で、一対のレンズホルダーの一方にお
    ける眼鏡フレームにより支持されるメインレンズであっ
    て、以下を備える該メインレンズ； 周囲の光が通過するように構成されている二つの光学
    面； 前記メインレンズの内部に設定され、周囲の光から分離
    されているイメージソースから光を受け、少なくとも一
    部が前記光学面にそい、かつ、それらの間に設定されて
    いる光路； 前記ユーザーの目へ前記光路の一部から光を投射する位
    置で前記メインレンズ内に埋設され、前記光路の一部に
    おける光が透過および反射要素へ反射する界面を含む第
    １のインサート； 前記第１のインサートに近接して前記メインレンズ内に
    埋設されている反射要素であって、前記界面が前記反射
    要素からの光を反射して前記光学面の一方に投射し、こ
    れによりユーザーが空間にヴァーチャルイメージを知覚
    するようになる前記反射要素；及び 前記メインレンズ内に埋設されていて、前記イメージソ
    ースから前記二つの光学面の間の光路の一部へ光を投射
    するようになっている第２のインサート。
97. 【請求項９７】前記第１のインサートが半透過ミラー、
    ビームスプリッターキューブあるいは偏光ビームスプリ
    ッターからなる請求項96のレンズシステム。
98. 【請求項９８】前記複数の界面上に光学コーティングを
    さらに備える請求項96のレンズシステム。
99. 【請求項９９】前記界面は、偏光ビームスプリッターか
    らなり、前記メインレンズは、前記界面と前記反射要素
    との間に配置された偏光ローテーターをさらに含む請求
    項96のレンズシステム。
100. 【請求項１００】前記反射要素は、前記反射要素から反
     射された光線の輻輳を変えるようにカーブしている請求
     項96のレンズシステム。
101. 【請求項１０１】前記反射要素上に光学コーティングを
     さらに備える請求項96のレンズシステム。
102. 【請求項１０２】前記第２のインサートが別の界面を備
     える請求項96のレンズシステム。
103. 【請求項１０３】前記第２のインサートが偏光ビームス
     プリッター、ミラー又はプリズムである請求項96のレン
     ズシステム。
104. 【請求項１０４】以下を備える眼鏡： ユーザーの目の前で一対のレンズを保持するように形成
     されたホルダー； 前記ホルダーに取り付けられ、各々がユーザーの耳にか
     けられるように形成されている一対のテンプル； 前記テンプルの一方に取り付けられているハウジング；
     及び 前記ハウジングに設定され、イメージソースからのイメ
     ージを前記ホルダーの一対のレンズの一方内に支持され
     たレンズシステムに向け前記ホルダー内の一対のレンズ
     の一方へ光学要素を介さず透過させるように機能する光
     路。
105. 【請求項１０５】前記光路は、イメージリレイを含む請
     求項104の眼鏡フレーム。
106. 【請求項１０６】前記イメージリレイは、レンズリレ
     イ、コヒーレントオプティカルファイバーバンドル又は
     屈折率分布型レンズイメージ導管からなる請求項105の
     眼鏡フレーム。
107. 【請求項１０７】前記ハウジングが焦点調節できるよう
     に調節可能である請求項105の眼鏡フレーム。
108. 【請求項１０８】以下を備える頭部装着イメージコンバ
     イニングシステム： 一対のレンズホルダーと、ユーザーの頭部に支持される
     ように形成されている一対のテンプルとを有する眼鏡フ
     レーム； 前記眼鏡に取り付けられたイメージソースからの光路； ユーザーの目の前に前記一対のレンズホルダーの一方に
     おいて前記眼鏡フレームにより支持されるメインレンズ
     で、以下を備えるメインレンズ； 周囲の光を通過させるように構成されている二つの光学
     面； 前記メインレンズ内に埋設されていて、前記メインレン
     ズを介して前記イメージソースからの前記光路の光を前
     記二つの光学面の間に向けるインサート； 前記メインレンズ内に埋設されて、前記インサートから
     の光をユーザーの目へ投射する位置にある別のインサー
     トであり、このインサートは、前記インサートからの光
     を透過および前記反射要素へ反射する界面を含むもので
     あり； 前記別のインサートに近接して前記メインレンズに埋設
     された反射要素で、前記界面は、さらに前記反射要素か
     らの光を反射して、前記光学面の一方へ光を再投射し、
     これによって、ユーザーが空間におけるヴァーチュアル
     イメージを知覚するもの；及び ユーザーの目の前で前記一対のレンズホルダーの他方に
     おいて、前記眼鏡フレームにより支持されている第２の
     レンズシステム。
109. 【請求項１０９】前記別のインサートは、部分透過ミラ
     ー、ビームスプリッターキューブまたは、偏光ビームス
     プリッターからなる請求項108のシステム。
110. 【請求項１１０】前記界面は、偏光ビームスプリッター
     により構成され、前記メインレンズは、前記界面と前記
     反射要素との間に配置された偏光ローテーターをさらに
     含む請求項108のシステム。
111. 【請求項１１１】前記反射要素は、前記反射要素から反
     射された光の輻輳を変えるようにカーブしている請求項
     108のシステム。
112. 【請求項１１２】前記インサートは、全反射ミラーから
     なる請求項１のシステム。