特許 6873061 偏光ビームスプリットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6873061

(24)【登録日】2021年4月22日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】偏光ビームスプリットシステム

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20210510BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20210510BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20210510BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   G03B21/14 Z

   G02B27/28 Z

   G02B27/02 Z

   G02B5/30

【請求項の数】6

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-567625(P2017-567625)

(86)(22)【出願日】2016年6月22日

(65)【公表番号】特表2018-523157(P2018-523157A)

(43)【公表日】2018年8月16日

(86)【国際出願番号】US2016038659

(87)【国際公開番号】WO2017003778

(87)【国際公開日】20170105

【審査請求日】2019年5月13日

(31)【優先権主張番号】62/186,944

(32)【優先日】2015年6月30日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】505005049

【氏名又は名称】スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154656

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 英彦

(72)【発明者】

【氏名】アウダーカーク， アンドリュー ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ユン， ジシェン

(72)【発明者】

【氏名】マクドウェル， エリン エー．

(72)【発明者】

【氏名】ウォン， ティモシー エル．

(72)【発明者】

【氏名】ボハノン， キャンディス エム．

【審査官】 植田 高盛

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０５５９６４５１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１２６９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２１７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７５１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０３１３２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５４４０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６６２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１７０７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１５６４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１８１０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０５９１２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／３０，２７／００−２７／６４

Ｇ０３Ｂ ２１／００−２１／１３，３３／００−３３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反射型偏光子と、
第１の体積を有する第１のプリズムであって、
入力面としての第１の面と、
前記第１の面に隣接した出力面としての第２の面と、９０度に実質的に等しい前記第１の面と前記第２の面との間の角度と、
前記角度と向かい合う第１の斜辺と、
前記第１の斜辺の外縁を規定するように前記第１及び第２の面から延びる部分と、
を含む第１のプリズムと、
前記第１の面に対向して配置された光源と、
第２の体積を有する第２のプリズムであって、第３及び第４の面を有し、第２の斜辺を有する直角三角プリズムであり、前記第２の斜辺が前記第１の斜辺に隣接して配置され、前記第１及び第２の斜辺が実質的に等しい表面積を有し、前記第３の面が前記第１の面と向かい合って前記第１の面に実質的に平行で、前記第４の面が前記第２の面と向かい合って前記第２の面に実質的に平行な、第２のプリズムと、
前記第４の面に対向して配置された画像形成装置と、を備えている、偏光ビームスプリットシステムであって、
前記光源からの光は、前記１及び第２の面から延びる前記部分を透過しないように前記入力面のみを通って前記入力面を透過することにより最初に前記第１のプリズムに入り、前記光は、前記１及び第２の面から延びる前記部分を透過しないように前記出力面のみを通って前記出力面を透過することによって最後に偏光ビームスプリットシステムを出、
前記反射型偏光子は、前記第１の斜辺と前記第２の斜辺との間に配置され、前記第１の体積は、前記第２の体積の半分以下である、偏光ビームスプリットシステム。

【請求項2】

前記第１の面が、前記第３の面の最大面積の半分未満、かつ、前記第４の面の最大面積の半分未満の最大面積を有する、請求項１に記載の偏光ビームスプリットシステム。

【請求項3】

前記第２の面が、前記第３の面の最大面積の半分未満、かつ、前記第４の面の最大面積の半分未満の最大面積を有する、請求項１に記載の偏光ビームスプリットシステム。

【請求項4】

前記光源によって放出された中心光線の光路によって定義された光軸上に中心を置き、前記光軸が前記第１の面と前記反射型偏光子との間の長さｄ１を有し、前記光軸が前記第４の面と前記反射型偏光子との間の長さｄ３’を有し、ｄ１がｄ３’未満である、請求項１に記載の偏光ビームスプリットシステム。

【請求項5】

前記反射型偏光子が、ｄ５の最大横寸法を有し、ｄ１が、ｄ５／４未満である、請求項４に記載の偏光ビームスプリットシステム。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載の偏光ビームスプリットシステムを備え、画像を観察者に提供するように構成された、ヘッドマウントシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

投影システムは、光源と、画像を生成するために光源によって提供される光の偏光を回転させることにより動作する偏光回転画像形成装置とを含む場合がある。直交する偏光状態を有する光を分離するために、偏光ビームスプリッタを含む場合がある。

【発明の概要】

【0002】

本明細書のいくつかの態様では、反射型偏光子と、第１及び第２のプリズムと、光源と、画像形成装置と、を含む偏光ビームスプリットシステムが提供される。第１のプリズムは、第１の体積を有し、第１の面、第１の面に隣接する第２の面、実質的に９０度に等しい第１の面と第２の面との間の角度、及びこの角度と向かい合う第１の斜辺を含む。光源は、第１の面に隣接して配置され、画像形成装置は、第２の面に隣接して配置される。第２のプリズムは、第２の体積を有し、第３及び第４の面並びに第２の斜辺を有する直角三角プリズムである。第２の斜辺は、第１の斜辺に隣接して配置される。第１及び第２の斜辺は、実質的に等しい表面積を有する。第３の面は、第１の面と向かい合って第１の面に実質的に平行であり、第４の面は、第２の面と向かい合って第２の面に実質的に平行である。反射型偏光子は、第１の斜辺と第２の斜辺との間に配置され、第１の体積は、第２の体積の半分以下である。

【0003】

本明細書のいくつかの態様では、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムが提供される。偏光ビームスプリットシステムは、光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、最大横寸法ｄ５を有する反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する、反射型偏光子と、光軸に実質的に垂直な出力面であって、出力面と反射型偏光子との間の長さｄ３’を有し、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出る出力面と、光軸に実質的に垂直なイメージャ面であって、光軸がイメージャ面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有するイメージャ面と、を含む。ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満である。

【0004】

本明細書のいくつかの態様では、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムが提供される。偏光ビームスプリットシステムは、光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する、反射型偏光子と、光軸に実質的に垂直な第１の反射構成要素であって、光軸が第１の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ２を有し、傾斜ダイクロイックプレートである第１の反射構成要素と、光軸に実質的に垂直な第２の反射構成要素であって、光軸が第２の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ３を有する第２の反射構成要素と、光軸に実質的に垂直な出力面であって、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出て、光軸が出力面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有する出力面と、を含む。ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ２及びｄ３のうちの小さい方より小さい。

【0005】

本明細書のいくつかの態様では、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムが提供される。偏光ビームスプリットシステムは、光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、最大横寸法ｄ５を有する反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する、反射型偏光子と、光軸に実質的に垂直な第１の反射構成要素であって、光軸が第１の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ２を有し、傾斜ダイクロイックプレートである第１の反射構成要素と、光軸に実質的に垂直な第２の反射構成要素であって、光軸が第２の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ３を有する第２の反射構成要素と、光軸に実質的に垂直な出力面であって、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出て、光軸が出力面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有する出力面と、を含む。ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】偏光ビームスプリッタの側面図である。

【図2】照明器の側面図である。

【図3】照明器の側面図である。

【図4A】照明器の側面図である。

【図4B】レンズの側面図である。

【図5A】照明器の側面図である。

【図5B】照明器の側面図である。

【図5C】反射型偏光子の上面図である。

【図6】照明器の概略側面図である。

【図7】照明器の概略側面図である。

【図8】ヘッドマウントシステムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下の説明では、本明細書の一部を形成し、例示を目的として各種実施形態が示される添付図面を参照する。図面は、必ずしも一定の比率の縮尺ではない。本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく、他の実施形態が想定され、実施され得る点を理解されたい。それゆえ、以下の「発明を実施するための形態」は、限定的な意味で理解されるべきではない。

【0008】

投影システムは小型であることが望ましい場合がある。例えば、ハンドヘルド式ピコプロジェクタ及びヘッドマウントディスプレイは、一般的に小型の投影システムを利用する。そのような小型のプロジェクタは、光源と、偏光ビームスプリッタと、画像を生成するために光源によって提供される光の偏光を回転させることにより動作する偏光回転画像形成装置とを含む場合がある。偏光ビームスプリッタは、多くの場合、２つの直角三角プリズムの間に配置された反射型偏光子を含む。両方のプリズムは、一般的に同じ体積を有し、偏光ビームスプリッタは、一般的に同じ面積を有する向かい合う面を有する。本開示によれば、従来の照明器より小型とすることができ、例えば、投影システムに使用するのに好適であり得る照明器が提供される。照明器は、異なる形状を有する第１及び第２のプリズムを有する偏光ビームスプリッタを含むことができる。例えば、第１のプリズムは、第２のプリズムより実質的に小さい体積を有することができる、及び／又は第２のプリズムの対応する面の面積より実質的に小さい面積を有する面を有することができる。本開示の照明器は、従来のシステムよりレンズ及び／又は光源を反射型偏光子に近く配置することができ、それによって、より小型の設計を実現することができる。いくつかの実施形態では、小型の設計は、画像形成装置からレンズにパターン化された収束光を提供する屈曲光路の照明器を利用することにより、実現することができる。

【0009】

図１は、第１のプリズム１１０と、第２のプリズム１２０と、反射型偏光子１３０とを含む、偏光ビームスプリッタ１００の概略側面図である。第１のプリズム１１０は、第１の面１１２、第２の面１１４、第１の斜辺１１６、及び第１及び第２の面１１２及び１１４から延びる部分１１８を含む。第１の斜辺は、部分１１８の主表面を含む。第２のプリズム１２０は、第３の面１２２、第４の面１２４、及び第２の斜辺１２６を含む。第２の斜辺１２６は、第１の斜辺１１６に隣接して配置され、反射型偏光子１３０は、第１の斜辺１１６と第２の斜辺１２６との間に配置される。偏光ビームスプリッタ１００は、偏光ビームスプリッタ１００を含み、例えば、１つ以上の反射構成要素などの１つ以上の追加の光学構成要素を含むことができる、偏光ビームスプリットシステムの一部とすることができる。偏光ビームスプリッタ１００は、偏光ビームスプリッタ１００を含み、例えば、光源及び／又は画像形成装置などの１つ以上の追加の光学構成要素を含むことができる、照明器の一部とすることができる。照明器に使用する場合、第１の面１１２は、光源からの光を受光するように配置された入力面とすることができ、第２の面１１４は、出力面とすることができ、第４の面１２４は、画像形成装置に隣接して配置されたイメージャ面とすることができる。他の実施形態では、照明器に使用する場合、第３の面１２２は、光源からの光を受光するように配置された入力面とすることができ、第２の面１１４は、出力面とすることができ、第４の面１２４は、画像形成装置に隣接して配置されたイメージャ面とすることができる。

【0010】

第２の面１１４は、第１の面１１２と第２の面１１４との間の角度αで第１の面１１２に隣接している。角度αは、例えば、８０〜１００度とすることができる、又は９０度に等しく若しくは実質的に等しくすることができる。第４の面１２４は、第３の面１２２と第４の面１２４との間の角度βで第３の面１２２に隣接している。角度βは、例えば、８０〜１００度とすることができる、又は９０度に等しく若しくは実質的に等しくすることができる。いくつかの実施形態では、第３の面１２２は、第１の面１１２と向かい合って、第１の面１１２に実質的に平行である。いくつかの実施形態では、第４の面１２４は、第２の面１１４と向かい合って、第２の面１１４に実質的に平行である。いくつかの実施形態では、第２のプリズム１２０は、実質的に直角三角プリズムである。いくつかの実施形態では、第１及び第２の斜辺１１６及び１２６は、実質的に等しい表面積を有する。方向は、方向間の角度が９０度の１０度以内（すなわち、８０〜１００度）である場合に実質的に垂直として説明することができる。そのような角度は、９０度に実質的に等しいとして説明することができる。同様に、方向は、方向間の角度が１０度以下である場合に実質的に平行として説明することができる。いくつかの実施形態では、実質的に平行として説明される方向は、５度以下の方向間の角度を有する。いくつかの実施形態では、実質的に垂直として説明される方向は、８５〜９５度の方向間の角度を有する。２つの面は、２つの面に垂直な方向が実質的に平行又は実質的に垂直である場合に、実質的に平行又は実質的に垂直として説明することができる。互いの１５パーセント以内の面積を有する表面は、実質的に等しい面積を有するとして説明することができる。いくつかの実施形態では、実質的に等しい面積を有するとして説明される表面は、１０パーセント以下又は５パーセント以下だけ異なる面積を有する。

【0011】

反射型偏光子と第４の面１２４との間の角度γは、例えば、約３０度又は約４０度〜約５０度又は約６０度の範囲とすることができる。本明細書の他の所で説明するように、偏光ビームスプリッタ１００を含む照明器は、第４の面１２４に実質的に平行な線分を有し、第４の面１２４に実質的に垂直な別の線分を有することができる屈曲光軸を有することができる。光軸と反射型偏光子との間の角度は、角度γに等しく、又は９０度マイナスγに等しくすることができる。いくつかの実施形態では、反射型偏光子と光軸との間の角度は、約４０度〜約６０度である。

【0012】

いくつかの実施形態では、第１のプリズム１１０は、第１の体積を有し、第２のプリズム１２０は、第２の体積を有し、第１の体積は、第２の体積の約半分以下である。いくつかの実施形態では、第１の体積は、第２の体積の３５パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は６０パーセント未満である。

【0013】

いくつかの実施形態では、第１の面１１２は、第３の面１２２の最大面積（第３の面１２２の合計面積）の約半分未満である、かつ／又は第４の面１２４の最大面積（第４の面１２４の合計面積）の約半分未満である、最大面積（第１の面１１２の合計面積）を有する。いくつかの実施形態では、第１の面１１２の最大面積は、第３の面１２２の最大面積の６０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は３５パーセント未満である。いくつかの実施形態では、第１の面１１２の最大面積は、第４の面１２４の最大面積の６０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は３５パーセント未満である。いくつかの実施形態では、第２の面１１４は、第３の面１２２の最大面積（第３の面１２２の合計面積）の約半分未満である、かつ／又は第４の面１２４の最大面積（第４の面１２４の合計面積）の約半分未満である、最大面積（第２の面１１４の合計面積）を有する。いくつかの実施形態では、第２の面１１４の最大面積は、第３の面１２２の最大面積の６０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は３５パーセント未満である。いくつかの実施形態では、第２の面１１４の最大面積は、第４の面１２４の最大面積の６０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は３５パーセント未満である。いくつかの実施形態では、第１の面１１２の最大面積及び第２の面１１４の最大面積のそれぞれは、第３の面１２２の最大面積及び第４の面１２４の最大面積の小さい方の約半分未満である。

【0014】

図１のプリズム及び反射型偏光子は、図で明瞭にするために、間隔を空けて示されている。しかし、様々な構成要素を、直接接触させる、又は、例えば、光学的に透明な接着剤を介して取り付けることができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、反射型偏光子１３０は、光学的に透明な接着剤（単数又は複数）を介して第１及び第２のプリズム１１０及び１２０のうちの１つ又は両方に接着される。

【0015】

反射型偏光子１３０は、例えば、ポリマー多層反射型偏光子、ワイヤグリッド偏光子、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ反射型偏光子、又はコレステリック反射型偏光子などの任意の好適な種類の反射型偏光子とすることができる。好適なポリマー多層反射型偏光子は、例えば、米国特許第５，８８２，７７４号（Ｊｏｎｚａら）及び米国特許第６，６０９，７９５号（Ｗｅｂｅｒら）に記載されており、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能なＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｆｉｌｍ（ＡＰＦ）が挙げられる。

【0016】

第１及び第２のプリズム１１０及び１２０は、例えば、ガラス、セラミック、又は光学プラスチック（例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（polymethylmethacrylate）（ＰＭＭＡ）などのアクリレート、環状オレフィン、又は他のポリマー）などの任意の好適な材料から製造することができる。第１及び第２のプリズムは、例えば、成形、機械加工、研削、及び／又は研磨などの任意の好適なプロセスにより製造することができる。選択される材料は、光が第１又は第２のプリズム１１０及び１２０を透過する際に偏光状態が著しく変化しないように、低複屈折を有することができる。いくつかの実施形態では、反射型偏光子１３０のブロック軸に沿った偏光を有する光の約５パーセント、又は３パーセント、又は２パーセント、又は１パーセント以下が、偏光ビームスプリッタ１００を透過する。いくつかの実施形態では、第１及び第２のプリズム１１０及び１２０に接着された反射型偏光子１３０の複合反射率は、反射型偏光子１３０に対する透過軸に沿って偏光した光に対して、５パーセント未満、又は３パーセント未満、又は２パーセント未満、又は１パーセント未満である。

【0017】

図２は、偏光ビームスプリッタ２００と、第１及び第２の反射構成要素２３２及び２３４とを含む偏光ビームスプリットシステム２０４を含む、照明器２０２の概略側面図である。照明器２０２は、レンズ２４０と、光源２５０とを更に含む。偏光ビームスプリッタ１００に対応することができる偏光ビームスプリッタ２００は、第１及び第２のプリズム２１０及び２２０と、反射型偏光子２３０とを含む。第１のプリズム２１０は、入力面２１２、出力面２１４、及び第１の斜辺２１６を含む。入力面２１２は、入力作用面積２１３を有し、出力面２１４は、出力作用面積２１５を有する。レンズ２４０は、最大受光面積２４３を有する。第２のプリズム２２０は、イメージャ面２２４及び第２の斜辺２２６を有する。反射偏光子２３０は、第１の斜辺２１６と第２の斜辺２２６との間に配置される。光源２５０は、包絡面２５２、並びに第１、第２、第３、及び第４の線分２５７ａ〜２５７ｄを有する屈曲光軸２５７を定義する中心光線２５６を有する光線を生成する。第１の反射構成要素２３２は、光源２５０と向かい合う偏光ビームスプリッタ２００に隣接して配置され、第２の反射構成要素２３４は、レンズ２４０と向かい合う偏光ビームスプリッタ２００に隣接して配置される。

【0018】

第２の反射構成要素２３４は、最大作用面積２３６を有する。第２の反射構成要素２３４は、画像形成装置とすることができ、最大作用面積２３６は、画像形成装置の最大画像面積とすることができる。光は、包絡面２５４内に、第２の反射構成要素２３４から放出される（例えば、反射されることにより）。第１及び第２の反射構成要素２３２及び２３４のうちの１つ又は両方は、７０パーセントより大きい、又は８０パーセントより大きい、又は９０パーセントより大きい正反射率を有することができる。第１及び／又は第２の反射構成要素２３２及び２３４は、平坦とすることができる、又は１つ以上の軸内で湾曲することができる。

【0019】

いくつかの実施形態では、第２の反射構成要素２３４は、入射する光を変調するようになっている。例えば、第２の反射構成要素２３４は、空間的に変調された偏光状態を有する光を反射する画像形成装置とすることができる。第２の反射構成要素２３４は、画素化することができ、パターン化された光を生成することができる。包絡面２５４内に第２の反射構成要素２３４から反射された光は、パターン化された収束光とすることができる。第２の反射構成要素２３４として利用することができる好適な画像形成装置としては、シリコン上液晶（Liquid Crystal on Silicon）（ＬＣｏＳ）デバイスが挙げられる。ＬＣｏＳデバイスは、平坦とすることができる、又は１つ以上の軸内で湾曲することができる。

【0020】

図２の様々な構成要素は、図で明瞭にするために、間隔を空けて示されている。しかし、様々な構成要素を、直接接触させる、又は、例えば、光学的に透明な接着剤を介して取り付けることができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、反射型偏光子２３０は、光学的に透明な接着剤層を使用して、第１及び第２のプリズム２１０及び２２０のうちの１つ又は両方に取り付けられる。いくつかの実施形態では、レンズ２４０は、光学的に透明な接着剤で出力面２１４に取り付けられる。いくつかの実施形態では、光源２５０は、入力面２１２に直接隣接することができる、又は光学的に透明な接着剤層を介して入力面２１２に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、第１及び／又は第２の反射構成要素２３２及び２３４は、光学的に透明な接着剤で第２のプリズム２２０に取り付けることができる。

【0021】

屈曲光軸２５７は、光源２５０から第１の反射構成要素２３２へ第１の方向（正のｘ方向）に延びる第１の線分２５７ａ、第１の方向とは反対側を向いた第２の方向（負のｘ方向）に延びる第２の線分２５７ｂ、第３の方向（負のｙ方向）に延びる第３の線分２５７ｃ、及び第３の方向とは反対側を向いた第４の方向（正のｙ方向）に延びる第４の線分２５７ｄを含む。第１及び第２の線分２５７ａ及び２５７ｂは、説明を容易にするために図２でわずかに分離して示されているが、重なり合っている。同様に、第３及び第４の線分２５７ｃ及び２５７ｄは、説明を容易にするために図２でわずかに分離して示されているが、重なり合っている。第１及び第２の方向は、第３及び第４の方向に実質的に直交している。第１の反射構成要素２３２は、第１の線分２５７ａに実質的に垂直であり、第２の反射構成要素２３４は、第３の線分２５７ｃに実質的に垂直である。

【0022】

光源２５０は、包絡面２５２を有する光線を生成し、これにより、照明器２０２によって使用される光源２５０からの光で照明される入力面２１２の面積として、入力作用面積２１３を画定する。光源２５０は、包絡面２５２の外側の光を実質的に生成しないようにできる、又はこの包絡面の外側で生成されるあらゆる光が、レンズ２４０に入ることなく照明器から逃げる角度である、のいずれかである。

【0023】

光源２５０からの光の少なくとも一部分は、順に、第１のプリズム２１０を透過し、反射型偏光子２３０を透過し、第２のプリズム２２０を透過し、第１の反射構成要素２３２から反射し、第２のプリズム２２０を透過して戻り、反射型偏光子２３０から反射し、第２のプリズム２２０を透過し、第２の反射構成要素２３４上に入射し、第２の反射構成要素２３４から反射し、第２のプリズム２２０及び反射型偏光子２３０及び第１のプリズム２１０を透過し、最終的にレンズ２４０を通って照明器を出る。中心光線２５６に関して、これを図２に示す。いくつかの実施形態では、第１の反射構成要素２３２は、１／４波長位相差板とすることができる偏光回転子を含む。反射型偏光子２３０の透過軸に沿った偏光を有する光源２５０からの光は、反射型偏光子２３０を透過し、次に第１の反射構成要素２３２から反射して反射型偏光子２３０に向かって戻るであろう。第１の反射構成要素２３２が１／４波長位相差板を含む実施形態では、そのような光は、反射型偏光子２３０に向かって反射して戻ると、１／４波長位相差板を２回透過する。この光は、その後、反射型偏光子２３０の透過軸に実質的に直交する偏光を有し、そのため、反射型偏光子２３０から、空間的に変調された光を反射型偏光子２３０に向かって戻して放出（例えば、反射）することができる第２の反射構成要素２３４に向かって反射する。空間的に変調された光は、空間的に変調された偏光を有することができる。反射型偏光子２３０の透過軸に沿った偏光を有する空間的に変調された光の部分は、画像化された光として反射型偏光子２３０を透過し、出力作用面積２１５を通って第１のプリズム２１０を出て、レンズ２４０を通って照明器を出るであろう。

【0024】

照明器２０２によって、屈曲光路の照明器２０２を通して画像形成装置（第２の反射構成要素２３４）上に光線（包絡面２５２内の）を向けて、パターン化された収束光（包絡面２５４内の）を画像形成装置から反射させることにより、画像を投影することができる。屈曲光路の照明器２０２を通して光線を向けるステップは、偏光ビームスプリッタ２００を通して第１の反射構成要素２３２に光を向けることと、この光の少なくとも一部を偏光ビームスプリッタ２００に向かって戻して反射させることと、この光の少なくとも一部を偏光ビームスプリッタ２００から画像形成装置に向かって反射させることとを含む。パターン化された収束光の少なくとも一部分は、偏光ビームスプリッタ２００及びレンズ２４０を透過する。

【0025】

光が第１の反射構成要素２３２及び反射型偏光子２３０から反射された後で、光源２５０からの光は、第２の反射構成要素２３４の最大面積を照明する。この最大面積は、最大作用面積２３６と等しくすることができる。あるいは、最大作用面積２３６は、反射する第２の反射構成要素２３４の最大面積とすることができる。例えば、第２の反射構成要素２３４は、最大画像面積を有する画像形成装置とすることができる。最大画像面積の外側の画像形成装置上に入射する光はなんら、レンズ２４０に向かって反射されなくてよい。この場合、最大作用面積２３６は、画像形成装置の最大画像面積であるであろう。光は、実質的に出力作用面積２１５内のみの出力面２１４を照明し、実質的に最大受光面積２４３内のみのレンズ２４０を照明する包絡面２５４内で最大作用面積２３６からレンズ２４０に向かって反射されるため、最大作用面積２３６は、出力面２１４上の出力作用面積２１５、及びレンズ２４０の最大受光面積２４３を画定する。照明器２０２は、第２の反射構成要素２３４から反射されてレンズ２４０を透過する包絡面２５４内の光が、第２の反射構成要素２３４とレンズ２４０との間で収束するように構成される。これにより、結果として最大作用面積２３６より小さな出力作用面積２１５より小さな最大作用面積２３６となる。

【0026】

いくつかの実施形態では、入力作用面積２１３及び／又は出力作用面積２１５は、最大画像面積とすることができる最大作用面積２３６の約６０パーセント未満、又は約５０パーセント未満（すなわち、約半分未満）、又は約４０パーセント未満、又は約３５パーセント未満である。いくつかの実施形態では、入力面２１２の最大表面積（入力面２１２の合計面積）は、最大画像面積の約半分未満である。いくつかの実施形態では、出力面２１４の最大表面積（出力面２１４の合計面積）は、最大画像面積の約半分未満である。

【0027】

光源２５０、又は本開示の光源の任意のものは、１つ以上の実質的に単色の発光素子を含むことができる。例えば、光源２５０は、赤色、緑色、及び青色の発光ダイオード（light emitting diodes）（ＬＥＤ）を含むことができる。シアン、黄色などの他の色もまた、含めることができる。あるいは、又は加えて、広域スペクトル（例えば、白色、又は実質的に白色）の光源を利用することができる。いくつかの実施形態では、光源２５０は、青色発光体及び蛍光体を含む。いくつかの実施形態では、光源２５０は、個別の光源からの光を組み合わせるために利用することができる積分器（例えば、積分器は、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤからの光を組み合わせることができる）を含む。光源２５０は、実質的に単一の偏光状態を有する光が反射型偏光子２３０に向かって第１のプリズム２１０内に向けられるように、偏光素子を含むことができる。いくつかの実施形態では、光源２５０は、ＬＥＤ、有機発光ダイオード（organic light emitting diode）（ＯＬＥＤ）、レーザー、レーザーダイオード、白熱照明要素、及びアーク灯のうちの１つ以上とすることができる、又はそれらを含むことができる。光源２５０はまた、ＬＥＤ（単数又は複数）などの発光素子（単数又は複数）に加えて、集光レンズなどのレンズを含むことができる。

【0028】

いくつかの実施形態では、第１又は第２のプリズムは、所望の屈折力を提供する１つ以上の曲面を有することができる。図３は、偏光ビームスプリッタ３００と、第１及び第２の反射構成要素３３２及び３３４とを含む偏光ビームスプリットシステム３０４を含む、照明器３０２の側面図である。照明器３０２は、投影レンズ３４４の要素とすることができるレンズ３４０と、光源３５０とを更に含む。偏光ビームスプリッタ３００は、第１及び第２のプリズム３１０及び３２０と、反射型偏光子３３０とを含む。第１のプリズム３１０は、入力面３１２及び出力面３１４を有する。第２のプリズム３２０は、イメージャ面３２４及び第２の面３２２を有する。反射偏光子３３０は、第１及び第２のプリズム３１０及び３２０の第１の斜辺と第２の斜辺との間に配置される。

【0029】

第２のプリズム３２０は、例えば、１つ以上の光学的に透明な接着剤を介して第２のプリズム３２０の本体３６４に取り付けることができる、１つ以上の構成要素３６０及び１つ以上の構成要素３６２を含む。いくつかの実施形態では、構成要素３６０及び３６２は、本体３６４から分離することができる（例えば、空気間隙で）。いくつかの実施形態では、本体３６４は、直角三角プリズムであってよい。いくつかの実施形態では、構成要素３６０及び３６２のうちの１つ又は両方は、例えば、射出成形により、又は任意の他の好適な成形プロセスにより、本体３６４と一体に形成することができる。いくつかの実施形態では、入力面３１２及び／又は出力面３１４は、第１のプリズム３１０の本体に取り付けられた曲面（単数又は複数）を有する１つ以上の構成要素を同様に含むことができる、又は第１のプリズム３１０と一体に形成された曲面を含むことができる。

【0030】

例示した実施形態では、第１の反射構成要素３３２は、第２のプリズム３２０の第２の面３２２に適用された反射コーティングであり、１／４波長位相差板３６５は、本体３６４と構成要素３６２との間に配置される。他の実施形態では、構成要素３６２は、本体３６４と一体に形成することができ、１／４波長位相差板は、第２の面３２２に適用することができ、反射コーティングは、その後に１／４波長位相差板に適用することができる。

【0031】

光源３５０は、中心光線３５６、並びに外側包絡面光線３５２ａ及び３５２ｂを生成する。光線３５２ｂ（並びに同様に光線３５２ａ及び中心光線３５６に関して）は、反射型偏光子３３０の透過軸に沿った偏光を有する光源３５０から放出される。光線３５２ｂは、順に、第１のプリズム３１０を透過し、反射型偏光子３３０を透過し、第２のプリズム３２０の本体３６４を透過し、１／４波長位相差板３６５を透過し、構成要素３６２を透過し、第１の反射構成要素３３２によって反射され、構成要素３６２を透過して戻り、その後１／４波長位相差板３６５を透過して戻り、本体３６４を通って反射型偏光子３３０に向かって戻る。光線３５２ｂは、２回１／４波長位相差板を透過したため、反射型偏光子３３０の透過軸に実質的に直交する偏光を有する。したがって、光線３５２ｂは、反射型偏光子３３０から反射し、本体３６４及び構成要素３６０を透過し、その後第２の反射構成要素３３４から反射して構成要素３６０及び本体３６４を通って反射型偏光子３３０に向かって戻る。第２の反射構成要素３３４は、第２の反射構成要素３３４から反射された光の偏光を空間的に変調する画像形成装置とすることができる。そのような場合では、第２の反射構成要素３３４から反射した光の一部分は、反射型偏光子３３０の透過軸に沿った偏光を有することができる。これが、第２の反射構成要素３３４から反射した後に反射型偏光子３３０を透過する光線３５２ｂの場合である。光線３５２ｂは、その後、第１のプリズム３１０を透過し、出力面３１４を通って出る。光線３５２ｂは、その後、投影レンズ３４４を透過し、照明器３０２を出る。

【0032】

場合により、より小さいプリズムではなく、より大きなプリズムに隣接して光源を有することが有用であることがある。例示的な実施形態を、第１のプリズム４１０と、第２のプリズム４２０と、反射型偏光子４３０と、光源４５０と、投影レンズ４４４の要素であるレンズ４４０と、光源４５０と第２のプリズム４２０の面４２２との間に配置されたレンズ４６２とを含む、照明器４０２の側面図である図４に示す。第２のプリズム４２０はまた、面４２４を有しており、第２のプリズム４２０の本体と一体に形成することができる、又は、例えば、光学的に透明な接着剤で第２のプリズム４２０の本体に取り付けることができる構成要素４６０を含む。レンズ４６２は、第１及び第２の表面、それぞれ４６６及び４６８を有する。光源４５０は、本明細書の他の所で説明する光源のいずれかに対応することができる。

【0033】

いくつかの実施形態では、図４Ｂに示すように、第１の表面４６６は、第１の表面４６６上に配置された１／４波長位相差板４６５、及び１／４波長位相差板４６５上に配置された反射体４３２（例えば、反射コーティング）を含む。いくつかの実施形態では、１／４波長位相差板は、第１の表面４６６に隣接して（多分だが必須ではなく、直接隣接して）配置することができ、反射体は、第１の表面４６６と向かい合って、１／４波長位相差板に隣接して（多分だが必須ではなく、直接隣接して）配置することができる。反射体は、光源４５０から放出された光がレンズ４６２内を通るように、光源４５０の放出面の上に開口部４３３を含む。開口部は、任意選択的に、１／４波長位相差板４６５内に延びることができる。反射型偏光子４３９は、第２の表面４６８に取り付けることができる。代替の実施形態では、反射型偏光子４３９は、第２の表面４６８に隣接するが、必ずしも直接隣接してではなく、配置することができる。

【0034】

反射体４３２、１／４波長位相差板４６５、及び反射型偏光子４３９の配置は、光源４５０に対する偏光変換器を提供する。反射型偏光子４３９に対する透過方向に沿った偏光を有する、反射型偏光子４３９上に入射する光は、レンズ４６２を出て第２のプリズム４２０に入る。直交偏光を有する光は、反射型偏光子４３９から反射され、レンズ４６２及び１／４波長位相差板４６５を透過し、その後反射体４３２から反射し、１／４波長位相差板４６５を透過して反射型偏光子４３９に向かって戻る。この光は、１／４波長位相差板４６５を２回透過したため、反射型偏光子４３９の透過軸に沿って偏光されており、そのため、反射型偏光子４３９を透過して第２のプリズム４２０に入る。

【0035】

図５Ａ及び５Ｂは、第１及び第２のプリズム５１０及び５２０と、第１及び第２のプリズム５１０及び５２０の斜辺の間に配置された反射型偏光子５３０と、第１及び第２の反射構成要素５３２及び５３４と、投影レンズの要素とすることができるレンズ５４０と、光源５５０とを含む、照明器５０２の側面図である。第１のプリズム５１０は、入力面５１２及び出力面５１４を有する。第２のプリズム３２０は、第１の表面５２２及び第２の表面５２４を有する。光源５５０によって放出された中心光線は、中心光線２５６が屈曲光軸２５７を定義するのと同様に、屈曲光軸５５７を定義する。屈曲光軸５５７は、入力面５１２と反射型偏光子５３０との間の長さｄ１、第１の反射構成要素５３２と反射型偏光子５３０との間の長さｄ２、第２の反射構成要素５３４と反射型偏光子５３０との間の長さｄ３、及び出力面５１４と反射型偏光子５３０との間の長さｄ４を有する。いくつかの実施形態では、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、又はｄ２及びｄ３の小さい方の０．９倍未満である、又はｄ２及びｄ３の小さい方の０．８５倍未満である。いくつかの実施形態では、反射型偏光子５３０は、ｄ５の最大横寸法（本明細書の他の所で更に説明する）を有し、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満、又はｄ５の０．２倍未満、又はｄ５の０．１５倍未満である。偏光ビームスプリッタ５００は、第１及び第２のプリズム５１０及び５２０と、反射型偏光子５３０とを含む。

【0036】

他の実施形態では、レンズ５４０は、空間光変調器によって置き換えられ、第２の反射構成要素５３４は、レンズによって置き換えられる。そのような実施形態では、光源５５０からの光は、反射型偏光子５３０から空間光変調器（レンズ５４０の位置の）に向かって反射され、そこで、画像化された光として反射されて、反射型偏光子を通りレンズ（反射構成要素５３４の位置の）を通る。またそのような実施形態では、第１の反射構成要素５３２は、省略することができる。いくつかの実施形態では、レンズが空間光変調器によって置き換えられ、第２の反射構成要素がレンズによって置き換えられる場合に、偏光ビームスプリッタ５３０の形状は、図５Ａ〜図７に関連して説明するものから変更されない。

【0037】

いくつかの実施形態では、第１の反射体５３２は、傾斜ダイクロイックプレートである。傾斜ダイクロイックプレートは、ダイクロイック反射体が光軸５５７に垂直でもなく平行でもないように光軸５５７に対して傾斜した、少なくとも１つのダイクロイック反射体を含む反射体である。傾斜ダイクロイックプレートは、傾斜ダイクロイックプレートの外面が光軸５５７に垂直だが、ダイクロイック反射体（単数又は複数）は垂直ではないように、一体に積層されたダイクロイック反射体（単数又は複数）を含むことができる。いくつかの実施形態では、傾斜ダイクロイック反射体は、互いに対して傾斜した複数のダイクロイック反射体を含む。傾斜ダイクロイックプレートは、光軸５５７からの着色光源のオフセットを補償するために使用することができる。いくつかの実施形態では、傾斜ダイクロイックプレートは、第１の色の光を反射して他の色の光を透過することができる第１のダイクロイック反射体、及び第２の色の光を反射することができる第２の反射体を含む。第１のダイクロイック反射体及び第２の反射体は、第１及び第２の色の光が両方とも反射して屈曲光軸５５７に沿って混合した色の光線としてプリズム５２０に戻るように、それぞれ傾斜している。いくつかの実施形態では、傾斜ダイクロイックプレートは、第１の色の光を反射して第２及び第３の色の光を透過することができる第１のダイクロイック反射体、第２の色の光を反射して第３の色の光を透過することができる第２のダイクロイック反射体、及び第３の色の光を反射することができる第３の反射体を含む。第１のダイクロイック反射体、第２のダイクロイック反射体、及び第３の反射体は、第１、第２、及び第３の色の光がそれぞれ反射して屈曲光軸５５７に沿って混合した色の光線としてプリズム５２０に戻るように、それぞれ傾斜している。いくつかの実施形態では、反射型偏光子５３０は、互いに対して傾斜した複数のダイクロイック反射型偏光子で置き換えられる。そのような傾斜ダイクロイックプレート及び傾斜ダイクロイック反射型偏光子は、例えば、ＰＣＴ国際公開第２０１３／０６２９３０号（Ｓｃｈａｒｄｔら）、並びに米国特許出願公開第２０１３／０１６９９３７号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）、同第２０１３／０１６９８９３号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）、同第２０１３／０１６９８９４号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）、及び同第２０１４／０２５３８４９号（Ｐｏｏｎら）に記載されており、それらの文献は、それらが本明細書と矛盾しない範囲で参照により本明細書に組み込まれる。

【0038】

照明器５０２の形状を説明するのに有用であり得る他の長さを、図５Ｂに示す。屈曲光軸５５７は、光源５５０と反射型偏光子５３０との間の長さｄ１’、第２の表面５２４と反射型偏光子５３０との間の長さｄ２’、第１の表面５２２と反射型偏光子５３０との間の長さｄ３’、及びレンズ５４０と反射型偏光子５３０との間の長さｄ４’を有する。いくつかの実施形態では、ｄ１’及びｄ４’のうちの１つ又は両方は、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、又はｄ２及びｄ３の小さい方の０．９倍未満である、又はｄ２及びｄ３の小さい方の０．８５倍未満である。いくつかの実施形態では、ｄ１’及びｄ４’のうちの１つ又は両方は、ｄ２’及びｄ３’の小さい方より小さい、又はｄ２’及びｄ３’の小さい方の０．９倍未満である、又はｄ２’及びｄ３’の小さい方の０．８５倍未満である。いくつかの実施形態では、反射型偏光子５３０は、ｄ５の最大横寸法を有し、ｄ１’及びｄ４’のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満、又はｄ５の０．２倍未満、又はｄ５の０．１５倍未満である。

【0039】

図５Ｃに示すように、反射型偏光子５３０は、最大横寸法ｄ５を有することができる。反射型偏光子が寸法Ｌ及びＷを有する側面を有する矩形形状である場合、反射型偏光子５３０の最大横寸法ｄ５は、ｄ５＝（Ｌ^２＋Ｗ^２）^１／２により与えられる。最大横寸法ｄ５は、ｄ１の４倍若しくは５倍より大きくすることができる、及び／又はｄ４の４倍若しくは５倍より大きくすることができる。最大横寸法ｄ５は、ｄ１’の４倍若しくは５倍より大きくすることができる、及び／又はｄ４’の４倍若しくは５倍より大きくすることができる。いくつかの実施形態では、第２のプリズムは、直角三角プリズムであり、Ｌ及びＷは、実質的に等しい。長さｄ２’及びｄ３’は、次に、おおよそ、２√２で割ったＬ（又はＷ）とすることができ、ｄ５は、ｄ２’の４倍におおよそ等しく、又はｄ３’の４倍におおよそ等しくすることができる。

【0040】

ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５のいずれかの間で説明される相対関係のいずれかはまた、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４のいずれか１つ以上がそれぞれｄ１’、ｄ２’、ｄ３’、ｄ４’で置き換えられる場合にも当てはまる。同様に、ｄ１’、ｄ２’、ｄ３’、ｄ４’、ｄ５’のいずれかの間で説明される相対関係のいずれかはまた、ｄ１’、ｄ２’、ｄ３’、ｄ４’のいずれか１つ以上がそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４で置き換えられる場合にも当てはまる。

【0041】

いくつかの実施形態では、屈曲光学設計により、第１のプリズムが第２のプリズムより実質的に小さい体積を有することができる。他の実施形態では、第１及び第２のプリズムは、実質的に同じ体積を有することができ、小さな受光面積を有するレンズと共に、及び／又は小さな放出面積を有する光源と共に、屈曲光学設計を使用することができる。これを、第１及び第２のプリズム６１０及び６２０と、第１のプリズム６１０と第２のプリズム６２０との間に配置された反射型偏光子６３０と、第１及び第２の反射構成要素６３２及び６３４と、放出面積６５１を有する光源６５０とを含む、照明器６０２の側面図である図６に示す。第１のプリズム６１０は、第１及び第２の表面６１２及び６１４を含み、第２のプリズム６２０は、第１及び第２の表面６２２及び６２４を含む。照明器６０２は、光学的に透明な接着剤層６４１で任意選択的に第１のプリズム６１０に接着することができる、レンズ６４０を更に含む。第１の反射構成要素６３２は、本明細書の他の所で説明するような１／４波長位相差板を含むことができ、第２の反射構成要素６３４は、本明細書の他の所で説明するような、パターン化された収束光をレンズ６４０に向かって放出することができる画像形成装置とすることができる。光源６５０の放出面積６５１及び／又はレンズ６４０の受光面積は、第２の反射構成要素６３４の最大作用面積若しくは最大画像面積の６０パーセント未満、又は５０パーセント未満、又は４０パーセント未満、又は３５パーセント未満とすることができる。

【0042】

図７は、光源７５０と、光源７５０と光学的に連通する反射型偏光子７３０と、反射型偏光子と光学的に連通するレンズ７４０と、を含む照明器７０２の側面図である。反射型偏光子７３０は、反射型偏光子７３０全体を包含し、光源７５０によって放出される中心光線７５６に垂直な表面（表面７７２及び７７４）を有する、最小仮想矩形平行六面体７７０を画定する。光源７５０の少なくとも一部分、又はレンズ７４０の少なくとも一部分は、仮想矩形平行六面体７７０の内側に配置される。いくつかの実施形態では、光源７５０の少なくとも一部分、及びレンズ７４０の少なくとも一部分は、仮想矩形平行六面体７７０の内側に配置される。いくつかの実施形態では、光源７５０のすべて若しくは実質的にすべて、又はレンズ７４０のすべて若しくは実質的にすべては、仮想矩形平行六面体７７０の内側に配置される。いくつかの実施形態では、光源７５０のすべて又は実質的にすべて、及びレンズ７４０のすべて又は実質的にすべては、仮想矩形平行六面体７７０の内側に配置される。

【0043】

いくつかの実施形態では、レンズ７４０は、投影レンズの要素である。いくつかの実施形態では、照明器７０２はまた、仮想矩形平行六面体７７０の表面（表面７７２及び７７４）に実質的に垂直な画像形成装置７３４を含む。いくつかの実施形態では、照明器７０２は、本明細書で説明する実施形態のいずれかの第１及び第２のプリズムに対応する第１及び／若しくは第２のプリズムを含む、並びに／又は、例えば、図２〜図５Ｂのいずれかに示すような表面７７２に近接する反射構成要素を含む。

【0044】

本明細書の照明器は、例えば、小型の投影が望ましい場合に有用である。本明細書のいくつかの態様では、ヘッドマウントディスプレイなどのヘッドマウントシステムが提供される。ヘッドマウントシステムは、例えば、ＰＣＴ国際公開第２０１５／０３４８０１号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋ）及び米国特許仮出願第６１／９７７１７１号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）に記載されており、これらの文献のそれぞれは、それらが本明細書と矛盾しない範囲で参照により本明細書に組み込まれる。

【0045】

図８は、第１及び第２のレンズ８８２及び８８４を含むフレーム８８０に搭載されたユニット８０９を含む、ヘッドマウントシステム８０１の概略図である。ユニット８０９は、第１のレンズ８８２に光を提供する及び／又は第１のレンズ８８２からの光を受光するように配置される。いくつかの実施形態では、第１のレンズ８８２に光を提供する及び／又は第１のレンズ８８２からの光を受光するように、第２のユニットがフレーム８８０に搭載される。ユニット８０９は、本明細書の照明器、偏光ビームスプリッタ、若しくは偏光ビームスプリットシステムのいずれかとすることができる、又はそれらを含むことができる。

【0046】

ヘッドマウントシステム８０１は、ユニット８０９に含めることができる眼球監視システムを含むことができる。システムは、眼球の正面に配置された第１のレンズ８８２を介して撮像センサ及びプロセッサで瞳の直径及び位置を監視することができる。第１のレンズ８８２は、第１のレンズ８８２に隣接するか又は埋め込まれたかのいずれかの部分的に透明な反射体を含むことができ、その場合、反射体は、センサ上に瞳の画像を生成する。システムは、周囲光条件を考慮して瞳孔反射に基づいて、システムのユーザの疲労及び認知処理負荷を定量化することができ、履歴データに基づいてユーザにパーソナライズすることができる。定量化された情報は、従業員管理プログラム又はスマートフォン用アプリケーションなどのソフトウェアアプリケーションにより、通知して視覚化することができる。

【0047】

眼球監視システムが検出することができる眼球のこれらの特性としては、以下のうちの１つ以上を挙げることができる：眼球の見ている方向、瞳の直径及び瞳の直径の変化、まぶたのまばたき、視線で追跡している物体、並びに衝動性運動。視線追跡のパラメータとしては、眼球回転の速度、及び物体の移動と眼球の移動との間の遅延又は位相を挙げることができる。衝動性運動としては、移動の持続時間、速度、及びパターンを挙げることができる。

【0048】

いくつかの実施形態では、ヘッドマウントシステム８０１は、ユニット８０９に含めることができ、眼球の画像をキャプチャすることができるカメラ（例えば、赤緑青（red−green−blue）（ＲＧＢ）カメラ又は赤外線（infrared）（ＩＲ）カメラ）を含む。眼球画像の平均ＩＲ輝度が周囲光レベルを示すので、ＩＲカメラを使用して、周囲光条件を判定することができる。いくつかの実施形態では、ヘッドマウントシステム８０１は、ユニット８０９に含めることができる組込システム上で稼働する、コンピュータ視覚アルゴリズムを実行するようになっている。

【0049】

いくつかの実施形態では、ヘッドマウントシステムは、瞳サイズの変化を検出し、その情報を使用してユーザの疲労及び認知処理負荷を定量化するようになっている、視線追跡システムを含む。いくつかの実施形態では、ヘッドマウントシステム８０１は、以下のステップのうちの１つ以上又はすべてを実行するようになっている（例えば、組込プロセッサ上で稼働するアルゴリズムを使用して）。
ステップ１：眼球のグレースケール画像をキャプチャする。
ステップ２：ノイズを除去する（例えば、ガウシアンフィルタを使用して）。
ステップ３：眼球の画像内のそれぞれの画素に対する勾配の大きさ及び方向を計算する。
ステップ４：より高い勾配の大きさを有する画素を識別する（これらは、物体の縁部であると考えられる）。
ステップ５：例えば、人間の視覚のヘルムホルツの原理に従って前のステップで識別された画素を接続することにより、縁部を識別する。
ステップ６：楕円の方程式又は多項式により定義された他の形状と縁部の線分を比較する。最小の楕円状の形状を、瞳として識別することができる。虹彩の面積もまた、判定することができ、精度を向上させるために使用することができる。閃光などの画像内に存在することがある他の楕円形状は、除去することができる。
ステップ７：先に行った線適合及び眼球とカメラとの間の距離に基づいて、瞳サイズ（例えば、直径又は面積）を計算する。
ステップ８：周囲光条件を考慮するために計算した瞳サイズに対して調整係数を判定して適用する。周囲光条件は、ヘッドマウントシステムに含まれた追加のセンサを使用して、又はキャプチャした画像の輝度分析により、判定することができる。
ステップ９：履歴比較並びに認知処理負荷及び疲労レベルの分析のために、安全なデータベースとすることができるデータベースに調整した瞳サイズを保存する。そのようなデータベースは、多分、ユーザの精神状態を更に分析するためにセンサ融合アルゴリズムに使用することができる他の生体データ（心拍数、皮膚導電率、脳波（electroencephalographs）（ＥＥＧ）などの）を保持することができる。瞳サイズは、時間の関数として記録することができ、時系列（経時的に取られた一連のデータ点）として記憶することができる。

【0050】

疲労及び認知負荷分析の方法は、履歴データを利用して、現在のレベルが閾値を上回っているか否かを判定することができる。この閾値は、個人毎に異なることがあり、上述したシステム及び手順によって十分な履歴データが収集されたなら機械学習アルゴリズムを使用して判定することができる。疲労レベル又は認知処理負荷の閾値を上回る場合、ソフトウェアアプリケーションを利用して、例えば、ユーザ又は中央の業務マネージャに警告することができる。更に、履歴データ（例えば、時系列の瞳直径）は、現在の認知状態の迅速な通知のために、ソフトウェアアプリケーション内で視覚化することができる（例えば、経時的な瞳サイズの線グラフに）。視線追跡システムはまた、経時的にシステムによってキャプチャした画像内の瞳の位置を記憶することにより、眼球の移動を追跡することができる。この時系列の瞳の位置を含めることにより、どれほど素早く眼球が移動しているかの情報を提供することができ、それにより、素早く移動する眼球より遅く移動する眼球がより疲労しているので、疲労を測定することができる別の方法を提供する。

【0051】

以下は、例示的な実施形態のリストである。

【0052】

実施形態１は、
反射型偏光子と、
第１の体積を有する第１のプリズムであって、
第１の面と、
第１の面に隣接した第２の面と、９０度に実質的に等しい第１の面と第２の面との間の角度と、
この角度と向かい合う第１の斜辺と、を含む第１のプリズムと、
第１の面に隣接して配置された光源と、
第２の面に隣接して配置された画像形成装置と、
第２の体積を有する第２のプリズムであって、第３及び第４の面を有し、第２の斜辺を有する直角三角プリズムであり、第２の斜辺が第１の斜辺に隣接して配置され、第１及び第２の斜辺が実質的に等しい表面積を有し、第３の面が第１の面と向かい合って第１の面に実質的に平行で、第４の面が第２の面と向かい合って第２の面に実質的に平行な、第２のプリズムと、を備えている偏光ビームスプリットシステムであって、
反射型偏光子は、第１の斜辺と第２の斜辺との間に配置され、第１の体積は、第２の体積の半分以下である、偏光ビームスプリットシステムである。

【0053】

実施形態２は、第１の面が、第３の面の最大面積の半分未満、かつ、第４の面の最大面積の半分未満の最大面積を有する、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0054】

実施形態３は、第２の面が、第３の面の最大面積の半分未満、かつ、第４の面の最大面積の半分未満の最大面積を有する、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0055】

実施形態４は、第１の面の最大面積及び第２の面の最大面積のそれぞれが、第３の面の最大面積及び第４の面の最大面積の小さい方の半分未満である、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0056】

実施形態５は、第１及び第２の側面から延びる部分を更に備え、第１の斜辺がこの部分の主表面を含む、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0057】

実施形態６は、反射型偏光子が、ポリマー多層反射型偏光子、ワイヤグリッド偏光子、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ反射型偏光子、又はコレステリック反射型偏光子である、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0058】

実施形態７は、反射型偏光子が、ポリマー多層反射型偏光子である、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0059】

実施形態８は、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された光軸上に中心を置き、光軸が第１の面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有し、光軸が第４の面と反射型偏光子との間の長さｄ３’を有し、ｄ１がｄ３’未満である、実施形態１の偏光ビームスプリットシステムである。

【0060】

実施形態９は、ｄ１が、ｄ３’の０．９倍未満である、実施形態８の偏光ビームスプリットシステムである。

【0061】

実施形態１０は、反射型偏光子が、ｄ５の最大横寸法を有し、ｄ１が、ｄ５／４未満である、実施形態８の偏光ビームスプリットシステムである。

【0062】

実施形態１１は、ｄ１が、ｄ５の０．２倍未満である、実施形態１０の偏光ビームスプリットシステムである。

【0063】

実施形態１２は、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムであって、
光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、
最大横寸法ｄ５を有する反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する、反射型偏光子と、
光軸に実質的に垂直な出力面であって、出力面と反射型偏光子との間の長さｄ３’を有し、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出る出力面と、
光軸に実質的に垂直なイメージャ面であって、光軸がイメージャ面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有する、イメージャ面と、を備え、
ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満である、偏光ビームスプリットシステムである。

【0064】

実施形態１３は、ｄ１が、ｄ５／４未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0065】

実施形態１４は、ｄ４が、ｄ５／４未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0066】

実施形態１５は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ５／４未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0067】

実施形態１６は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ５の０．２倍未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0068】

実施形態１７は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ３’未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0069】

実施形態１８は、ｄ１が、ｄ３’未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0070】

実施形態１９は、ｄ４が、ｄ３’未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0071】

実施形態２０は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ３’未満である、実施形態１２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0072】

実施形態２１は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ３’の０．９倍未満である、実施形態２０の偏光ビームスプリットシステムである。

【0073】

実施形態２２は、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムであって、
光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、
反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する、反射型偏光子と、
光軸に実質的に垂直な第１の反射構成要素であって、光軸が第１の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ２を有し、
傾斜ダイクロイックプレートである第１の反射構成要素と、
光軸に実質的に垂直な第２の反射構成要素であって、光軸が第２の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ３を有する、第２の反射構成要素と、
光軸に実質的に垂直な出力面であって、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出る出力面と、を備え、
光軸が、出力面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有し、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、偏光ビームスプリットシステムである。

【0074】

実施形態２３は、ｄ４が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0075】

実施形態２４は、ｄ１が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0076】

実施形態２５は、ｄ１及びｄ４の両方が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0077】

実施形態２６は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ２及びｄ３の小さい方の０．９倍未満である、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0078】

実施形態２７は、反射型偏光子が、ｄ５の最大横寸法を有し、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ５／４未満である、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0079】

実施形態２８は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ５／４未満である、実施形態２７の偏光ビームスプリットシステムである。

【0080】

実施形態２９は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ５の０．２倍未満である、実施形態２７の偏光ビームスプリットシステムである。

【0081】

実施形態３０は、第２の反射構成要素が、入射する光を変調するようになっている、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0082】

実施形態３１は、第２の反射構成要素が、画素化された、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0083】

実施形態３２は、反射型偏光子と光軸との間の角度が、４０〜６０度である、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0084】

実施形態３３は、第１の反射構成要素が、８０％より大きな正反射率を有する、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0085】

実施形態３４は、第２の反射構成要素が、８０％より大きな正反射率を有する、実施形態２２の偏光ビームスプリットシステムである。

【0086】

実施形態３５は、光源からの光を受光するようになっており、光源によって放出された中心光線の光路によって定義された屈曲光軸上に中心を置いた、偏光ビームスプリットシステムであって、
光軸に実質的に垂直な入力面であって、光が入力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムに入る入力面と、
最大横寸法ｄ５を有する反射型偏光子であって、光軸が入力面と反射型偏光子との間の長さｄ１を有する反射型偏光子と、
光軸に実質的に垂直な第１の反射構成要素であって、光軸が第１の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ２を有し、
傾斜ダイクロイックプレートである第１の反射構成要素と、
光軸に実質的に垂直な第２の反射構成要素であって、光軸が第２の反射構成要素と反射型偏光子との間の長さｄ３を有する、第２の反射構成要素と、
光軸に実質的に垂直な出力面であって、光が出力面を透過することにより偏光ビームスプリットシステムを出る出力面と、を備え、
光軸が、出力面と反射型偏光子との間の長さｄ４を有し、
ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方は、ｄ５／４未満である、偏光ビームスプリットシステムである。

【0087】

実施形態３６は、ｄ１が、ｄ５／４未満である、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0088】

実施形態３７は、ｄ４が、ｄ５／４未満である、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0089】

実施形態３８は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ５／４未満である、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0090】

実施形態３９は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ５の０．２倍未満である、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0091】

実施形態４０は、ｄ１及びｄ４のうちの１つ又は両方が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0092】

実施形態４１は、ｄ１が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態４０の偏光ビームスプリットシステムである。

【0093】

実施形態４２は、ｄ４が、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態４０の偏光ビームスプリットシステムである。

【0094】

実施形態４３は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ２及びｄ３の小さい方より小さい、実施形態４０の偏光ビームスプリットシステムである。

【0095】

実施形態４４は、ｄ１及びｄ４のそれぞれが、ｄ２及びｄ３の小さい方の０．９倍未満である、実施形態４３の偏光ビームスプリットシステムである。

【0096】

実施形態４５は、第１の反射構成要素が、８０％より大きな正反射率を有する、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0097】

実施形態４６は、第２の反射構成要素が、８０％より大きな正反射率を有する、実施形態３５の偏光ビームスプリットシステムである。

【0098】

実施形態４７は、実施形態１〜４６のいずれかの偏光ビームスプリットシステムを備え、画像を観察者に提供するように構成された、ヘッドマウントシステムである。

【0099】

実施形態４８は、視線追跡システムを更に含む、実施形態４７のヘッドマウントシステムである。

【0100】

実施形態４９は、視線追跡システムが、瞳サイズを判定するようになっている、実施形態４８のヘッドマウントシステムである。

【0101】

実施形態５０は、視線追跡システムが、時系列の瞳の直径を記録するようになっている、実施形態４９のヘッドマウントシステムである。

【0102】

実施形態５１は、視線追跡システムが、時系列の瞳の位置を記録するようになっている、実施形態５０のヘッドマウントシステムである。

【0103】

図における要素に関する記載は、別段の指定がない限り、他の図の対応する要素に等しく適用されると理解すべきである。以上、本明細書において具体的な実施形態を図示し説明したが、本開示の範囲を逸脱することなく、図示及び説明された具体的な実施形態を、様々な代替的かつ／又は均等な実現形態で置き換えることができることは、当業者であれば認識されるであろう。本出願は、本明細書において説明した具体的な実施形態のいかなる適合例又は変形例をも包含することを意図している。したがって、本開示は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】