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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE69531140 T2
Publication typeGrant
Application numberDE1995631140
Publication date8 Apr 2004
Filing date19 Dec 1995
Priority date19 Dec 1994
Also published asDE69531140D1, EP0718645A2, EP0718645A3, EP0718645B1, US6094242, US6304303
Publication number1995631140, 95631140, DE 69531140 T2, DE 69531140T2, DE-T2-69531140, DE1995631140, DE69531140 T2, DE69531140T2, DE95631140
InventorsAtsushi Chiba-shi Yamanaka
ApplicantSharp K.K.
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Optische Vorrichtung und diese verwendende am Kopf montierte Anzeige Optical device and use it on the head mounted display translated from German
DE 69531140 T2
Abstract  available in
Claims(14)  translated from German
  1. Optische Vorrichtung, bei der ein reflektierendes und brechendes Element ( An optical device wherein a reflecting and refracting element ( 1a 1a , . 1b 1b , . 1c 1c , . 1e 1e , . 1f 1f , . 1l 1l , . 1t 1t ) mit einer Vergrößerungslinse, deren Einfallslichtseite mit einer Halbspiegel-Beschichtung ( ) With a magnifying lens, the incident light side with a half-mirror coating ( 2a 2a , . 2b 2b , . 2c 2c , . 2e 2e , . 2f 2f , . 2t 2t ) versehen ist, und ein halbtransparenter Spiegel ( ) Is provided, and a semi-transparent mirror ( 3a 3a , . 3b 3b , . 6b 6b , . 6e 6e , . 6f 6f , . 6t 6t ) zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind. ) Are arranged for selecting circularly polarized light sequentially in the stated order from the incident light side.
  2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der halbtransparente Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht ( An optical device according to claim 1, wherein the semitransparent mirror for selecting circularly polarized light ( 3a 3a ) aus einer Viertelwellenplatte ( ) Of a quarter-wave plate ( 5 5 ), einem Halbspiegel ( ), A half mirror ( 2 2 ) und einem Polarisator ( ) And a polarizer ( 4 4 ) besteht, die in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind. ), Which are arranged in the stated order from the incident light side.
  3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der halbtransparente Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aus einem cholesterischen Flüssigkristall ( An optical device according to claim 1, wherein the semitransparent mirror for selecting circularly polarized light from a cholesteric liquid crystal ( 6b 6b , . 6e 6e , . 6f 6f , . 6t 6t ) besteht. ) Exists.
  4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein Glassubstrat ( An optical device according to claim 3, wherein a glass substrate ( 7b 7b .) so angeordnet ist, dass es den cholesterischen Flüssigkristall ( .) Is arranged so that it the cholesteric liquid crystal ( 6b 6b ) zwischen sich und der Vergrößerungslinse ( ) Between itself and the magnification lens ( 1b 1b ) einbettet. ) Embeds.
  5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vergrößerungslinse eine plankonvexe Linse ( An optical device according to claim 1, wherein said magnifying lens is a plano-convex lens ( 1b 1b , . 1e 1e , . 1f 1f , . 1t 1t ) ist und der halbtransparente Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aus einer cholesterischen Flüssigkristallschicht ( ), And the semitransparent mirror for selecting circularly polarized light from a cholesteric liquid crystal layer ( 6b 6b , . 6e 6e , . 6f 6f , . 6t 6t ) benachbart zur planen Fläche der plankonvexen Linse besteht. ) Adjacent to the plane surface of the plano-convex lens is.
  6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der cholesterische Flüssigkristall ein Dünnfilm eines cholesterischen Flüssigkristalls ( An optical device according to claim 5, wherein the cholesteric liquid crystal, a thin film of a cholesteric liquid crystal ( 6f 6f ) ist, der auf der planen Fläche der plankonvexen Linse ( ) Is formed on the plane surface of the plano-convex lens ( 1f 1f ) ausgebildet ist. ) Is formed.
  7. Display zur Anbringung am Kopf mit einer Bildanzeigevorrichtung mit einem Flüssigkristalldisplay ( Display for attachment to the head with an image display device having a liquid crystal display ( 9c 9c , . 9d 9d , . 9l 9l ), einer Hintergrundbeleuchtung ( ), A backlight ( 8c 8c , . 8d 8d , . 8l 8l ) für das Flüssigkristalldisplay, einer Viertelwellenplatte ( ) For the liquid crystal display, a quarter-wave plate ( 5c 5c , . 5d 5d ) mit einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Vergrößern eines Bilds des Flüssigkristalldisplays ( ) Having an optical device according to one of claims 1 to 6 for magnifying an image of the liquid crystal displays ( 9c 9c , . 9d 9d , . 9l 9l ). ).
  8. Optische Vorrichtung, bei der ein erster Polarisator ( An optical device wherein a first polarizer ( 4i 4i ), ein erster halbtransparenter Spiegel ( ), A first semi-transparent mirror ( 2i 2i ), eine erste Viertelwellenplatte ( ), A first quarter-wave plate ( 5i 5i ), ein zweiter halbtransparenter Spiegel ( ), A second semi-transparent mirror ( 2'i 2'i ), eine zweite Viertelwellenplatte ( ), A second quarter-wave plate ( 5'i 5'i ) und ein zweiter Polarisator ( ) And a second polarizer ( 4'i 4'i aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner eine Vergrößerungslinse ( are sequentially arranged in the stated order from the incident light side, and further comprising a magnifying lens ( 1i 1i ) zwischen den ersten halbtransparenten Spiegel ( ) Between the first semi-transparent mirror ( 2i 2i ) und den zweiten halbtransparenten Spiegel ( ) And the second semi-transparent mirror ( 2'i 2'i ) eingefügt ist. ) Is inserted.
  9. Optische Vorrichtung, bei der ein halbtransparenter Spiegel ( An optical device wherein a semitransparent mirror ( 3j 3y ) zum Auswählen polarisierten Lichts eine erste Viertelwellenplatte ( ) For selecting polarized light, a first quarter-wave plate ( 5j 5y ), ein zweiter halbtransparenter Spiegel ( ), A second semi-transparent mirror ( 2j 2j ) und eine zweite Viertelwellenplatte ( ) And a second quarter-wave plate ( 5'j 5'j ) aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner eine Vergrößerungslinse ( ) Are arranged sequentially in the stated order from the incident light side, and further comprising a magnifying lens ( 1j 1j ) zwischen den polarisierendes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel ( ) Selective between the polarized light semi-transparent mirror ( 3j 3y ) und den halbtransparenten Spiegel ( ) And the semi-transparent mirror ( 2j 2j ) eingefügt ist. ) Is inserted.
  10. Optische Vorrichtung, bei der ein erster halbtransparenter Spiegel ( An optical device wherein a first semitransparent mirror ( 3k 3k ) zum Auswählen polarisierten Lichts, eine die Polarisationsrichtung drehende Einrichtung ( ) For selecting polarized light, a polarization direction rotating device ( 60k 60k ) und ein zweiter halbtransparenter Spiegel ( ) And a second semi-transparent mirror ( 3'k 3'k ) zum Auswählen polarisierten Lichts aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner eine Vergrößerungslinse ( ) Are arranged for selecting polarized light sequentially in the stated order from the incident light side, and further comprising a magnifying lens ( 1k 1k ) zwischen den ersten halbtransparenten Spiegel ( ) Between the first semi-transparent mirror ( 3k 3k ) zum Auswählen polarisierten Lichts und den zweiten halbtransparenten Spiegel ( ) To select polarized light and the second semi-transparent mirror ( 3'k 3'k ) zum Auswählen polarisierten Lichts eingefügt ist. ) Is inserted for selecting polarized light.
  11. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der einer oder beide der zwei halbtransparenten Spiegel ( An optical device according to any one of claims 8 to 10, wherein one or both of the two semitransparent mirrors ( 2i 2i , . 2'i 2'i , . 2j 2j ), die zwei halbtransparenten Spiegel ( ), The two semi-transparent mirror ( 3j 3y , . 3k 3k , . 3'k 3'k ) zum Auswählen polarisierten Lichts oder der halbtransparente Spiegel ( ) To select polarized light or semi-transparent mirror ( 2i 2i , . 2'i 2'i , . 2j 2j ) und der halbtransparente Spiegel ( ) And the semi-transparent mirror ( 3j 3y , . 3k 3k , . 3'k 3'k ) zum Auswählen polarisierten Lichts gekrümmt ist/sind. ) Is curved for selecting polarized light / are.
  12. Optische Vorrichtung, bei der eine plankonvexe Linse ( An optical device wherein a plano-convex lens ( 1s 1s ), auf deren konvexer Eintrittsfläche ein Dünnfilm aus einem cholesterischen Flüssigkristall ( ), On the convex incident surface, a thin film of a cholesteric liquid crystal ( 12s 12s ) ausgebildet ist, eine erste Viertelwellenplatte ( ) Is formed, a first quarter-wave plate ( 5s 5s ), die an die plane Fläche der plankonvexen Linse ( ) Mounted on the plane surface of the plano-convex lens ( 1s 1s ) angrenzt, ein Faradayelement ( ) Adjacent, a Faraday ( 60s 60s ), eine zweite Viertelwellenplatte ( ), A second quarter-wave plate ( 5's 5's ) und ein cholesterischer Flüssigkristall ( ) And a cholesteric liquid crystal ( 6s 6s ) aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind. ) Are arranged sequentially in the stated order from the incident light side.
  13. Display zur Anbringung am Kopf mit einer Bildanzeigevorrichtung mit einem Flüssigkristalldisplay ( Display for attachment to the head with an image display device having a liquid crystal display ( 9n 9n ), einer Hintergrundbeleuchtung ( ), A backlight ( 8n 8n ) für das Flüssigkristalldisplay und einer optischen Vorrichtung ( ) For the liquid crystal display and an optical device ( 1n 1n , . 2n 2n , . 3n 3n , . 4n 4n , . 5n 5n , . 5'n 5'N ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 zum Vergrößern eines Bilds des Flüssigkristalldisplays. ) According to one of claims 8 to 12 for magnifying an image of the liquid crystal display.
  14. Display zur Anbringung am Kopf nach Anspruch 7 oder Anspruch 13, bei dem ein Paar der Bildanzeigevorrichtungen verwendet ist. Head-mounted display according to claim 7 or claim 13, wherein a pair of image display devices is used.
Description  translated from German
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
  • [0001] [0001]
    Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Verwendung in einer Bildanzeigevorrichtung, und insbesondere betrifft sie eine kleine, leichte optische Vorrichtung mit einem optischen System mit superweitem Winkel sowie ein mit dieser optischen Vorrichtung versehenes, am Kopf zu montierendes Display. The invention relates to an optical device for use in an image display apparatus, and more particularly to a small, lightweight optical device with an optical system provided with a super-wide angle, and an optical apparatus using this, at the head to be mounted display.
  • [0002] [0002]
    In jüngerer Zeit bestand zunehmendes Interesse an am Kopf zu montierenden Displayeinheiten als Einrichtungen zum Liefern visueller Information für Virtual Reality und zum Realisieren einer Fernsteuerung verschiedener Arten von Robotern. More recently, there was increasing interest in head-mounted display units to be assembled as a means for providing visual information for virtual reality and to realize a remote control of various types of robots. Die wesentlichen Erfordernisse derartiger Displayeinheiten sind die Folgenden: sie müssen über eine Erkennbarkeit innerhalb eines großen Winkelbereichs und hohe Auflösung verfügen, die dazu ausreicht, visuelle Information mit Echtheit und Umgebung zu liefern, und sie müssen hinsichtlich der Größe und des Gewichts ausreichend minimiert sein, um an einem Teil des Körpers, insbesondere dem Kopf, getragen zu werden. The main requirements of such display units are as follows: they must have visibility over a wide angular range and high resolution sufficient to provide visual information with authenticity and environment, and they must be sufficiently minimized in size and weight to on a part of the body, especially the head worn them to become. Ein am Kopf zu montierendes Display verfügt über ein brillenartiges Gehäuse, das am Kopf zu tragen ist. A head-to-mount display has a spectacles-like housing, which is worn on the head. Das Gehäuse enthält, in jedem seiner Linsenteile, eine Hintergrundbeleuchtung, eine Flüssigkristalltafel (Flüssigkristalldisplay) und eine Linse, die in der beschriebenen Reihenfolge von außen her angeordnet sind. The housing contains, in each of its parts lens, a backlight, a liquid crystal panel (liquid crystal display) and a lens which are arranged in the described order from the outside. Der Benutzer sieht auf der Flüssigkristalltafel innerhalb des genannten am Kopf zu montierenden Displays ein vergrößertes Bild in solcher Weise, als würde er das Bild auf einem großen Schirm sehen. The user sees on the liquid crystal panel to be mounted within said head displays a magnified image in such a manner as he would see the image on a large screen.
  • [0003] [0003]
    Einhergehend mit den schnellen Fortschritten bei der Entwicklung verschiedener Flüssigkristalle in den letzten Jahren wurden kleine Flüssigkristalltafeln hoher Qualität zur Verwendung in am Kopf zu montierenden Displayeinheiten geliefert. Along with the rapid advances in the development of various liquid crystals in recent years, small liquid crystal panels of high quality for use were delivered to be mounted head-mounted display units. Jedoch wurde hinsichtlich der Verringerung der Größe und des Gewichts eine optische Vorrichtung, die eine andere Hauptkomponente eines am Kopf zu montierenden Displays ist, unzureichend entwickelt. However, it was in reducing the size and weight of an optical device, which is another main component of a head to be mounted on displays, insufficiently developed.
  • [0004] [0004]
    Andererseits finden am Kopf zu montierende Displayeinheiten, wie sie bisher hauptsächlich bei industriellen Anwendungen und Versuchsanwendungen für Virtual Reality verwendet wurden, nun zunehmende Nachfrage bei Heim-Videospielen und VTR-Displayeinheiten. On the other hand, find the head to be mounted display units, as they have been used mainly in industrial applications and test applications for virtual reality, now increasing demand for home video games and VTR display units. Demgemäß wird ferner das Einsparen von Größe und Gewicht bei am Kopf zu montierenden Displayeinheiten energisch gefordert. Accordingly, the saving of size and weight also requires energetic to be mounted in head-mounted display units.
  • [0005] [0005]
    Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-59217 eine Technik vorgeschlagen. In order to solve the above problems, 6-59217 a technique has been disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. Proposed. Ein am Kopf zu montierendes Display verfügt über ein an seiner Oberseite angeordnetes Flüssigkristalldisplay, von dem aus Licht L läuft, das durch einen halbtransparenten Spiegel nach hinten reflektiert wird und dann durch einen Konkavspiegel vergrößert wird und zurück zum Auge des Betrachters reflektiert wird. A head-to-mount display has a valve disposed at its upper side liquid crystal display of the running out light L is reflected by a semi-transparent mirror to the rear and is then enlarged by a concave mirror and is reflected back to the eye of the viewer. Im obigen Fall wird das Licht zwischen dem halbtransparenten Spiegel und dem Konkavspiegel geknickt, wodurch die verwendete optische Vorrichtung verringerte Größe im Vergleich zu einer linear aufgebauten Vorrichtung aufweisen kann. In the above case, the light between the semi-transparent mirror and the concave mirror is folded, whereby the optical device used in the reduced size compared to a linear structure device may have.
  • [0006] [0006]
    Die bekannte Vorrichtung mit der oben angeordneten Flüssigkristalltafel zeigt jedoch den Nachteil, dass eine Größenverringerung nur bei verringertem Erkennbarkeitswinkel realisiert werden kann. However, the known apparatus with the above-arranged liquid crystal panel has the disadvantage that a size reduction can be realized only at reduced visibility angle. Dh, dass zum Erhöhen des Erkennbarkeitswinkels zum Erzielen visueller Information mit hohem Grad des Vertieftseins ein halbtransparenter Spiegel mit größeren Abmessungen vor der Flüssigkristalltafel verwendet werden muss, wodurch die Gesamtdicke des am Kopf zu montierenden Displays zunimmt und so den Größenverringerungseffekt der optischen Vorrichtung aufhebt. That is, to increase the visibility angle to obtain visual information with a high degree of Vertieftseins a semitransparent mirror must be used with larger dimensions before the liquid crystal panel, thereby reducing the overall thickness of the to be mounted at the top of the display increases, thus canceling the size reduction effect of the optical device. Im obigen Fall ist der Erkennbarkeitswinkel für einen Betrachter auf nicht mehr als 90° beschränkt, da die Augen des Betrachters nicht näher als es dem halbtransparenten Spiegel entspricht, zum Konkavspiegel hin gebracht werden können. In the above case the visibility angle for a viewer to not more than 90 ° is limited, as the eyes of the viewer as it does not match closer to the semi-transparent mirror, can be brought back to the concave mirror.
  • [0007] [0007]
    Um das Problem des Einsparens von Größe und Gewicht eines am Kopf zu montierenden Displays zu lösen, ist in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 1-133479 eine bekannte Vorrichtung offenbart. To solve the problem of saving the size and weight of the head to be mounted displays, 1-133479 is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No.. A known device is disclosed. Diese am Kopf zu montierende Vorrichtung verfügt über ein an seiner Oberseite angeordnetes Flüssigkristalldisplay, von dem Licht L durch einen planen Reflexionsspiegel nach außen abgelenkt wird, durch einen Konkavspiegel vergrößert und reflektiert wird und dann ins Auge eintritt. This to be mounted on the head device comprises a valve disposed at its upper side liquid crystal display, the light L is deflected by a planar reflection mirror by outwardly enlarged by a concave mirror and is reflected and then enters into the eye. In diesem Fall wird das Licht zwischen dem planen Reflexionsspiegel und dem Konkavspiegel geknickt, wodurch die verwendete optische Vorrichtung verringerte Größe im Vergleich mit einer linear aufgebauten Vorrichtung aufweisen kann. In this case, the light between the planar reflecting mirror and the concave mirror is folded, whereby the optical device used reduced size in comparison with a linear structure device may have.
  • [0008] [0008]
    Die bekannte Vorrichtung mit einer an der Oberseite angeordneten Flüssigkristalltafel zeigt jedoch den Nachteil, dass eine Größenverringerung nur mit verringertem Erkennbarkeitswinkel erzielt werden kann. However, the known device having a disposed on the upper side of liquid crystal panel has the disadvantage that a size reduction can be achieved only with reduced angle of visibility. Dh, dass zum Erhöhen des Erkennbarkeitswinkels zum Erzielen visueller Information mit hohem Grad des Vertieftseins ein halbtransparenter Spiegel mit größeren Abmessungen vor der Flüssigkristalltafel verwendet werden muss, wodurch die Gesamtdicke des am Kopf zu montierenden Displays zunimmt und demgemäß den Größeneinsparungseffekt der optischen Vorrichtung aufhebt. That is, to increase the visibility angle to obtain visual information with a high degree of Vertieftseins a semitransparent mirror must be used with larger dimensions before the liquid crystal panel, thereby reducing the overall thickness of the to be mounted at the top of the display increases and consequently abolishes the size reduction effect of the optical device.
  • [0009] [0009]
    Eine optische Vorrichtung zur Verwendung in einem am Kopf zu montierenden Display muss nicht nur kompakt und ausreichend leicht sein, um einfach am Kopf eines Benutzers getragen werden zu können, sondern es muss auch über einen großen Erkennbarkeitswinkel und eine kurze Brennweite verfügen, um den Betrachter mit einem lebendigen Bild zu versorgen. An optical device for use in a to be mounted at the top of the display must not only compact and sufficiently be easy to be easily worn on the head of a user can, but it must also have a large visibility angle and a short focal length have to face the viewer with like a painting supply. Eine bekannte Technik, die zum Lösen des oben genannten Problems vorgesehen ist, ist in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 1-126620 und in der Zeitschrift "VR news", Vol. 3, Ausgabe 2, März 1994 offenbart. A known technique that is provided to solve the above problem is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication no. 1-126620 and in the magazine "VR news", Vol. 3, Issue 2, March 1994. Diese Vorrichtung ist jedoch hinsichtlich ihre technischen Funktionsvermögens schlecht. This device, however, is poor in their technical function assets. Ein Display zeigt ein Bild an, von dem aus Lichtstrahlen durch ein Zirkularpolarisationsfilter und einen Konkavspiegel mit Halbspiegelbeschichtung laufen, wobei sie dann durch ein cholesterisches Flüssigkristallelement reflektiert werden. A screen displays an image, run by the rays of light through a circular polarizing filter and a concave mirror with a half-mirror coating, they are then reflected by a cholesteric liquid crystal element. Die reflektierten Lichtstrahlen werden durch den Konkavspiegel vergrößert und erneut reflektiert, und sie fallen auf das cholesterische Flüssigkristallelement, durch das die Strahlen zu den Augen des Betrachters durchgelassen werden. The reflected light rays are magnified by the concave mirror and reflected again, and they fall on the cholesteric liquid crystal element through which the rays are transmitted to the eyes of the beholder.
  • [0010] [0010]
    Bei der obigen Vorrichtung ist der Lichtpfad zwischen dem cholesterischen Flüssigkristallelement und dem Konkavspiegel mit Halbspiegelbeschichtung geknickt, wodurch die Vorrichtung verringerte Größe im Vergleich mit einer Vorrichtung unter Verwendung eines linear aufgebauten optische Systems aufweisen kann. In the above device, the light path between the cholesteric liquid crystal element and the concave mirror is folded by half-mirror coating, whereby the apparatus reduced in size in comparison with a device may include using a linear structure optical system.
  • [0011] [0011]
    Bei der oben genannten bekannten Technik liegen drei Probleme vor, die unten angegeben werden. In the prior art mentioned above, there are three problems that are given below.
  • [0012] [0012]
    Das erste Problem besteht darin, dass ein Bild große Krümmung zeigen kann, da es nur durch den Konkavspiegel vergrößert wird. The first problem is that an image can show large curvature, as it is increased only by the concave mirror. Wenn ein auf einem planaren Schirm eines Displays erzeugtes Bild durch ein optischen System mit großer Krümmung erzeugt wird, kann dieses Bild in seinem zentralen Teil fokussiert werden, jedoch ist es in seinem Umfangsteil defokussiert. When an image formed on a planar screen of a display image is generated by an optical system having a large curvature, this image can be focused in its central part, however, it is defocused in the peripheral portion thereof. Andererseits muss das optische System für ein am Kopf zu montierendes Display über hohe Verstärkungskraft und einen supergroßen Erkennbarkeitswinkel verfügen, um ein attraktives Bild mit erhöhtem Realitätsgrad zu erzeugen. On the other hand, the optical system must have a head-to-mount display on high gain power and a super large visibility angle to create an attractive appearance with increased realism. Das oben genannte optische System kann das Ausmaß, gemäß dem das Bild defokussiert ist, erhöhen, wenn es in der bekannten Vorrichtung verwendet wird. The above-mentioned optical system, the amount by which the image is defocused to increase, when it is used in the known device. Anders gesagt, ist die bekannte Technik dazu ungeeignet, das erforderliche am Kopf zu montierende Display zu realisieren. In other words, the known technique is unsuited to achieve the required head to be mounted on the display.
  • [0013] [0013]
    Das zweite Problem besteht in der Unmöglichkeit, ein optische System zu realisieren, das über großen Durchmesser und kurze Brennweite verfügt. The second problem consists in the impossibility to realize an optical system that has large diameter and short focal length. Dies, da durch Erhöhen des Durchmessers des optischen Systems die Dicke des Konkavspiegels in solchem Ausmaß erhöht wird, dass der Brennpunkt im Konkavspiegel enthalten ist. This is because the thickness of the concave mirror is increased to such an extent by increasing the diameter of the optical system that the focal point is included in the concave mirror. Das am Kopf zu montierende Display muss ein Bild ausreichend vergrößern, um das Gesichtsfeld auszufüllen. To mount the head-mounted display must have a picture to enlarge sufficiently to fill the field. Daher kann die bekannte Technik nicht zu diesem Zweck angewandt werden. Therefore, the known technique can not be applied for this purpose.
  • [0014] [0014]
    Das dritte Problem besteht darin, dass das optische System der bekannten Technik über einen geringen Transmissionsfaktor (25% im Idealfall) verfügt, wodurch das Bild dunkel wird. The third problem is that the optical system of the prior art has a low transmission factor (25% ideally) has, the picture may appear dark. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es erforderlich, die Leuchtstärke des Displays auf das Vierfache oder mehr zu erhöhen, wodurch andere Nachteile hervorgerufen werden, wie eine Vergrößerung der Abmessungen der Vorrichtung und des elektrischen Energieverbrauchs. To overcome this disadvantage, it is necessary to increase the luminous intensity of the display at four times or more, whereby other disadvantages are caused such as an increase in the dimensions of the device and the electric power consumption.
  • [0015] [0015]
    FR-A-2693004 offenbart ein optisches System für ein Helmdisplay, bei dem Licht von einer Lichtquelle durch einen Linearpolarisator, einem halbreflektierenden Konkavspiegel und eine Viertelwellenplatte zu einem zirkular polarisierenden, halbreflektierenden Spiegel läuft, von wo es zum Konkavspiegel für weitere Reflexion und anschließende Transmission durch den zirkular polarisierenden, halbreflektierenden Spiegel zur Betrachtung durch den Betrachter zurückreflektiert wird. FR-A-2693004 discloses an optical system for a helmet display in which light passes from a light source through a linear polarizer, a semi-reflective concave mirror and a quarter-wave plate to form a circular polarizing, semi-reflective mirror to the concave mirror for further reflection and subsequent transmission of where it passes through the circularly polarizing, semi-reflecting mirror is reflected back for viewing by the viewer.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
  • [0016] [0016]
    Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine kleine (dünne), leichte optische Vorrichtung mit einem optischen System mit superweitem Gesichtsfeld und kurzer Brennweite zum Darbieten visueller Information unter einem großen Winkel sowie ein am Kopf zu montierendes Display zu schaffen, das auf Grundlage dieser optischen Vorrichtung konzipiert ist und das dem Be nutzer ein attraktives und realistisches Bild darbieten kann. The main objective of the invention is to provide a small (thin), light optical device with an optical system with a super-wide field of view and a short focal length for presenting visual information at a large angle and a tampering with the head to be mounted display that on the basis of this optical device is designed and can offer an attractive and realistic picture of the user-Be.
  • [0017] [0017]
    Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der ein reflektierendes und brechendes Element mit einer Vergrößerungslinse, deren Einfallslichtseite mit einer Halbspiegelbeschichtung versehen ist, und ein halbtransparenter Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind. According to a first aspect of the invention, an optical device is provided in which a reflecting and refracting element with a magnifying lens, the incident light side is provided with a half mirror coating, and a semitransparent mirror for selecting circularly polarized light sequentially forth in this order from the incident light side are arranged. Der auswählende halbtransparente Spiegel führt auf selektive Weise eine Reflexion oder Transmission einfallenden Lichts mit spezifizierter Zirkularpolarisation aus, wodurch dafür gesorgt wird, dass das Licht zwischen dem reflektierenden, brechenden Element und dem halbtransparenten Spiegel eineinhalb Umläufe ausführt, um dadurch für erhöhte optische Brechkraft (Vergrößerung) des Brechungssystems und für vergrößerten Gesichtswinkel sowie für Einsparungen der Größe (Dicke) und des Gewichts der optischen Vorrichtung zu sorgen. The selective semi-transparent mirror leads to selective way a reflection or transmission of the incident light with specified circular polarization from, thereby ensuring that the light between the reflective, refractive element and the semitransparent mirror performs a half rounds, thereby for increased optical power (magnification) the refractive system and for enlarged viewing angle and savings for the size (thickness) and weight of the optical device to provide.
  • [0018] [0018]
    Bei dieser ersten Erscheinungsform der Erfindung kann der halbtransparente Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aus einer Viertelwellenplatte, einem Halbspiegel und einem Polarisator bestehen, die in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind, um dadurch auf einfache Weise erhöhte optische Brechkraft (Vergrößerung) des Brechungssystems und einen vergrößerten Gesichtswinkel sowie Einsparungen der Größe (Dicke) und des Gewichts der optischen Vorrichtung zu erzielen, da die Viertelwellenplatte, der Halbspiegel und der Polarisator durch vorhandene Technologie alle so hergestellt werden, dass sie ausreichend flach sind. In this first aspect of the invention, the semitransparent mirror for selecting circularly polarized light from a quarter-wave plate, a half mirror and a polarizer may be arranged in the indicated order from the incident light side, thereby easily increased optical power (magnification) to obtain the refractive system and an enlarged viewing angle as well as savings on the size (thickness) and weight of the optical device, as the quarter-wave plate, the half mirror and polarizer are produced by existing technology all that they are sufficiently flat.
  • [0019] [0019]
    Bei dieser ersten Erscheinungsform der Erfindung kann der halbtransparente Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aus einem cholesterischen Flüssigkristalldisplay bestehen, bei dem das optische System über erhöhte Leuchtstärke verfügt. In this first aspect of the invention, the semitransparent mirror for selecting circularly polarized light may consist of a cholesteric liquid crystal display, wherein the optical system has increased luminance. Ferner kann ein Glassubstrat zum Einbetten des cholesterischen Flüssigkristalls zwischen ihm und der Vergrößerungslinse vorhanden sein, um einen integralen Block zu bilden, um dadurch die optische Vorrichtung kompakter zu machen. Further, a glass substrate for embedding the cholesteric liquid crystal between it and the magnifying lens be present to form an integral block, to thereby make the optical apparatus compact.
  • [0020] [0020]
    Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der eine plankonvexe Linse mit einer mit einem Halbspiegel beschichteten konvexen Fläche und ein cholesterischer Flüssigkristall angrenzend an eine ebene Fläche der plankonvexen Linse aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Erkennbarkeitswinkel her angeordnet sind, um dadurch die optische Vorrichtung kompakter zu machen. According to a second aspect of the invention an optical device is provided in which a plano-convex lens having a surface coated with a half mirror convex surface and a cholesteric liquid crystal are disposed adjacent to a planar surface of the planoconvex lens successively in the order indicated by the visibility angle forth to thereby make the optical device more compact.
  • [0021] [0021]
    Bei dieser zweiten Erscheinungsform der Erfindung kann der cholesterische Flüssigkristall ein Dünnfilm desselben sein, der auf der Oberfläche der plankonvexen Linse ausgebildet ist, um dadurch die optische Vorrichtung kompakter zu machen. In this second aspect of the invention, the cholesteric liquid crystal may be of the same, a thin film formed on the surface of the plano-convex lens, to thereby make the optical apparatus compact.
  • [0022] [0022]
    Gemäß einer dritten Erscheinungsform der Erfindung ist ein am Kopf zu montierendes Display mit einer Bildanzeigevorrichtung aus einem Flüssigkristalldisplay, einer Hintergrundbeleuchtung für dasselbe, einer Viertelwellenplatte und einer optischen Vorrichtung zum Vergrößern eines Bilds des Flüssigkristalldisplays geschaffen, wobei die optische Vorrichtung wie oben gemäß der ersten und zweiten Erscheinungsform ausgebildet ist, um dadurch den wesentlichen Erfordernissen zu genügen, die ein Montieren am Kopf eines Benutzers dank des Verwendens der dünnen, kompakten, leichten optischen Vorrichtung mit erweitertem Gesichtswinkel im Vergleich zum herkömmlichen am Kopf zu montierenden Display erlauben, wobei für ein Bild hoher Qualität ohne Krümmung gesorgt ist. According to a third aspect of the invention a head to be mounted display comprising an image display device of a liquid crystal display, a backlight for the same, a quarter wave plate and an optical device for magnifying an image of the liquid crystal display is provided, wherein the optical device as above according to the first and second appearance is formed, thereby to satisfy the essential requirements which allow mounting on the head of a user, thanks to of using the thin, compact and lightweight optical device with an extended face angle than the conventional to be mounted at the top of the display, wherein, for a high quality image is provided without any curvature.
  • [0023] [0023]
    Gemäß einer vierten Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der ein erster Polarisator, ein erster halbtransparenter Spiegel, eine erste Viertelwellenplatte, ein zweiter halbtransparenter Spiegel, eine zweite Viertelwellenplatte und ein zweiter Polarisator aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner ein Brechungselement zwischen den ersten halbtransparenten Spiegel und den zweiten halbtransparenten Spiegel eingefügt ist, um dadurch die optische Brechkraft (Vergrößerungsfaktor) des Brechungselements zu erhöhen und den Gesichtswinkel zu Vergrößern, wobei gleichzeitig Einsparungen der Größe (Dicke) und des Gewichts realisiert werden. According to a fourth aspect of the invention, an optical device is provided, wherein a first polarizer, a first semi-transparent mirror, a first quarter-wave plate, a second semi-transparent mirror, a second quarter-wave plate and a second polarizer are arranged consecutively in the order specified by the incident light side and further comprises a refractive element between the first semitransparent mirror and the second semitransparent mirror is inserted, thereby increasing the optical power (magnification) of the refractive element and the face angle to enlarge, while simultaneously saving the size (thickness) and weight can be realized.
  • [0024] [0024]
    Gemäß einer fünften Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der ein halbtransparente Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts, eine erste Viertelwellenplatte, ein halbtransparenter Spiegel und eine zweite Viertelwellenplatte aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner eine Vergrößerungslinse zwischen den polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel und dem halbtransparenten Spiegel eingesetzt ist, um das Verhältnis von Signallicht zu Störlicht zu verbessern, so dass die Transmissionseffizienz verbessert ist. According to a fifth aspect of the invention an optical device is provided in which a semitransparent mirror for selecting polarized light, a first quarter-wave plate, a semitransparent mirror and a second quarter-wave plate are arranged successively in the indicated order from the incident light side, and further comprising a magnifying lens between the polarized light selecting semitransparent mirror and the semitransparent mirror is used in order to improve the ratio of signal light to noise light, so that the transmission efficiency is improved.
  • [0025] [0025]
    Gemäß einer sechsten Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der ein erster halbtransparenter Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts, eine die Polarisationsrichtung drehende Einrichtung und ein zweiter halbtransparenter Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind und ferner eine Vergrößerungslinse zwischen dem ersten halbtransparenten Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts und den zweiten halbtransparenten Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts eingesetzt ist, so dass die Transmissionseffizienz stark erhöht ist und kein Störlicht zum Betrachter durchgelassen wird. According to a sixth aspect of the invention an optical device is provided which are arranged from the incident light side, wherein a first semitransparent mirror for selecting polarized light, a polarization direction rotating means and a second semitransparent mirror for selecting polarized light sequentially in the order indicated and further a magnifying lens between the first semitransparent mirror for selecting polarized light and the second semi-transparent mirror is used for selecting polarized light, so that the transmission efficiency is greatly increased and no stray light is transmitted to the viewer.
  • [0026] [0026]
    Bei der vierten bis sechsten Erscheinungsform der Erfindung ist einer oder sind beide der zwei halbtransparenten Spiegel, der zwei halbtransparenten Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts oder der halbtransparente Spiegel und der halbtransparente Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts gekrümmt, um dadurch eine Vergrößerung der optischen Brechkraft (Vergrößerung) des Brechungssystems und des Gesichtswinkels sowie eine Verringerung der Größe (Dicke) und des Gewichts der optischen Vorrichtung, eine Zunahme der Transmissionseffizienz und eine vollständige Beseitigung von Störlicht zu realisieren. In the fourth to sixth aspect of the invention one or both of the two semitransparent mirrors, the two semi-transparent mirror for selecting polarized light or the semitransparent mirror and the semitransparent mirror is curved for selecting polarized light, thereby increasing the optical power (magnification) the refractive system and the face angle and a reduction in size (thickness) and weight of the optical device to realize an increase in transmission efficiency and a total elimination of stray light.
  • [0027] [0027]
    Gemäß einer siebten Erscheinungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, bei der ein plankonvexer Spiegel mit einem auf seiner konvexen Eintrittsfläche ausgebildeten Dünnfilm eines cholesterischen Flüssigkristalls, eine an eine ebene Fläche des plankonvexen Spiegels angrenzende erste Viertelwellenplatte, ein Faraday-Element, eine zweite Viertelwellenplatte und ein cholesterischer Flüssigkristall aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind, um dadurch erhöhte optische Vergrößerung bei verkleinerter Krümmung des Bilds zu realisieren. According to a seventh aspect of the invention an optical device is provided in which a plano-convex mirror and having a formed on its convex incident surface thin film of a cholesteric liquid crystal, a layer adjacent to a flat surface of the plano-convex mirror first quarter-wave plate, a Faraday element, a second quarter-wave plate a cholesteric liquid crystal are arranged consecutively in the order specified by the incident light side to realize thereby increased optical magnification at a reduced curvature of the image.
  • [0028] [0028]
    Gemäß einer achten Erscheinungsform der Erfindung ist ein am Kopf zu montierendes Display mit einer Bildanzeigevorrichtung aus einem Flüssigkristalldisplay, einer Hintergrundbeleuchtung für dasselbe und einer optischen Vorrichtung zum Vergrößern eines Bilds des Flüssigkristalldisplays geschaffen, wobei die optische Vorrichtung dergestalt ist, wie es oben entsprechend einem der Gesichtspunkte According to an eighth aspect of the invention, a head-to-mount display with an image display device comprising a liquid crystal display, a backlight for the same and an optical device for enlarging an image of the liquid crystal display is provided wherein the optical device is such as above, according to one of the aspects 4 4 bis to 7 7 definiert ist, um dadurch wichtigen Erfordernissen zu genügen, gemäß denen eine Montage am Kopf eines Benutzers dank des Verwendens der dünnen, kompakten, leichten optischen Vorrichtung mit vergrößertem Gesichtswinkel im Vergleich zum herkömmlichen am Kopf zu montierenden Display möglich ist, wobei für ein Bild hoher Qualität ohne Krümmung gesorgt ist. is defined so as to satisfy important requirements, according to which a mounting head of a user, thanks to of using the thin, compact and lightweight optical device with an enlarged visual angle compared to the conventional to be mounted at the top of the display is possible, whereby a high quality image is provided without any curvature.
  • [0029] [0029]
    Bei der dritten und achten Erscheinungsform der Erfindung kann ein Paar der Bildanzeigeeinheiten verwendet werden, um ein Bild für Virtual Reality oder ein Bild für Fernsteuerung anzuzeigen. In the third and eighth aspect of the invention, a pair of image display units can be used to display an image for virtual reality or a picture of remote control.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • [0030] [0030]
    1 1 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen am Kopf zu montierenden Displays. shows an example of a conventional head to be mounted on the display.
  • [0031] [0031]
    2 2 zeigt ein anderes Beispiel eines herkömmlichen am Kopf zu montierenden Displays. shows another example of a conventional head to be mounted on the display.
  • [0032] [0032]
    3 3 ist eine Darstellung eines Bearbeitungszustands des bekannten Displays der is a representation of a processing state of the prior art displays of the 2 2 . ,
  • [0033] [0033]
    4 4 zeigt ein anderes Beispiel eines herkömmlichen am Kopf zu montierenden Displays. shows another example of a conventional head to be mounted on the display.
  • [0034] [0034]
    5 5 zeigt ein anderes Beispiel eines herkömmlichen am Kopf zu montierenden Displays. shows another example of a conventional head to be mounted on the display.
  • [0035] [0035]
    6 6 ist eine die Erfindung verkörpernde optische Vorrichtung. is an optical device embodying the invention.
  • [0036] [0036]
    7 7 veranschaulicht einen halbtransparenten Spiegel (C) zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht, wobei es sich um ein Element einer optischen Vorrichtung handelt, die die Erfindung realisiert, und sie beschreibt die Koordinaten (A) und die Drehung (B) des halbtransparenten Spiegels. illustrates a semi-transparent mirror (C) for selecting circularly polarized light, wherein it is an element of an optical device embodying the invention, and it describes the co-ordinates (A) and the rotation (B) of the semi-transparent mirror.
  • [0037] [0037]
    8 8 zeigt einen anderen halbtransparenten Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht. shows another semitransparent mirror for selecting circularly polarized light.
  • [0038] [0038]
    9 9 ist eine die Erfindung verkörpernde optische Vorrichtung. is an optical device embodying the invention.
  • [0039] [0039]
    10 10 ist eine Ansicht, die einen wesentlichen Teil eines am Kopf zu montierenden Displays mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zeigt. is a view showing an essential part of a display to be mounted on the head with an optical device according to the invention.
  • [0040] [0040]
    11 11 veranschaulicht ein am Kopf zu montierendes Display mit einem Paar der optischen Vorrichtung. illustrates a display on the head to be mounted with a pair of the optical device.
  • [0041] [0041]
    12A 12A veranschaulicht eine die Erfindung verkörperndes am Kopf zu montierendes Display. illustrating the invention embodying the head to be mounted display.
  • [0042] [0042]
    12B 12B veranschaulicht ein Beispiel eines herkömmlichen Displays (B). illustrates an example of a conventional display (B).
  • [0043] [0043]
    13A 13A ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion einer die Erfindung verkörpernden optischen Vorrichtung. is a view for explaining the function of an optical device embodying the invention.
  • [0044] [0044]
    13B 13B ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion eines Beispiels einer herkömmlichen optischen Vorrichtung. is a view for explaining the function of an example of a conventional optical device.
  • [0045] [0045]
    14A 14A ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion einer anderen die Erfindung verkörpernden optischen Vorrichtung. is a view for explaining the function of another optical device embodying the invention.
  • [0046] [0046]
    14B 14B ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion eines anderen Beispiels einer herkömmlichen optischen Vorrichtung. is a view for explaining the operation of another example of a conventional optical device.
  • [0047] [0047]
    15 15 ist eine Ansicht zum Erläutern einer erforderlichen Spezifikation eines am Kopf zu montierenden Displays. is a view for explaining a required specification to be mounted on a head-mounted display.
  • [0048] [0048]
    16 16 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen optischen Vorrichtung mit derselben erforderlichen Spezifikation. shows an example of a conventional optical device having the same required specification.
  • [0049] [0049]
    17 17 ist eine die Erfindung verkörpernde optische Vorrichtung. is an optical device embodying the invention.
  • [0050] [0050]
    18 18 zeigt ein am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung der in der shows a head-to-mount display using the 17 17 dargestellten optischen Vorrichtung. illustrated optical device.
  • [0051] [0051]
    19 19 ist eine nachahmende Ansicht zum Erläutern der Funktion eines optischen Systems gemäß der Erfindung. is an imitative view for explaining the function of an optical system according to the invention.
  • [0052] [0052]
    20 20 ist eine andere nachbildende Ansicht zum Erläutern eines optischen Systems gemäß der Erfindung. simulating is another view for explaining an optical system according to the invention.
  • [0053] [0053]
    21 21 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung (C), und sie beschreibt deren Koordinaten (A) und Drehung (B). illustrates an embodiment of the invention (C), and it describes the coordinates of (A) and rotation (B).
  • [0054] [0054]
    22 22 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. shows an embodiment of the invention.
  • [0055] [0055]
    23 23 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung (C), und sie beschreibt deren Koordinaten (A) und Drehung (B). illustrates an embodiment of the invention (C), and it describes the coordinates of (A) and rotation (B).
  • [0056] [0056]
    24 24 ist ein Beispiel einer optischen Vorrichtung, die nur aus einem herkömmlichen Linsensystem besteht. is an example of an optical device, which consists only of a conventional lens system.
  • [0057] [0057]
    25 25 veranschaulicht einen halbtransparenten Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts. illustrates a semitransparent mirror for selecting polarized light.
  • [0058] [0058]
    26 26 zeigt ein Drahtgitter aus Metall. shows a wire mesh of metal.
  • [0059] [0059]
    27 27 zeigt einen halbtransparenten Spiegel zum Auswählen polarisierten Lichts, der durch ein Fotolithografieverfahren hergestellt wird. shows a semi-transparent mirror for selecting polarized light, which is produced by a photolithography method.
  • [0060] [0060]
    28 28 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung (C), und sie beschreibt deren Koordinaten (A) und Drehung (B). illustrates an embodiment of the invention (C), and it describes the coordinates of (A) and rotation (B).
  • [0061] [0061]
    29 29 veranschaulicht ein Faradayrotationselement. illustrates a Faradayrotationselement.
  • [0062] [0062]
    30 30 zeigt eine Ausführungsform eines am Kopf zu montierenden Displays unter Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung. shows an embodiment of a display to be mounted on the head using an optical device of the invention.
  • [0063] [0063]
    31 31 veranschaulicht eine optische Vorrichtung (C) und sie beschreibt deren Koordinaten (A) und Drehung (B). illustrates an optical device (C) and it describes the coordinates of (A) and rotation (B).
  • [0064] [0064]
    32 32 ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion eines wesentlichen Teils der Vorrichtung der is a view for explaining the function of an essential part of the apparatus of 31 31 . ,
  • [0065] [0065]
    33 33 zeigt eine die Erfindung verkörpernde optische Vorrichtung. shows an optical device embodying the invention.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • [0066] [0066]
    In jüngerer Zeit bestand zunehmendes Interesse an am Kopf zu montierenden Displayeinheiten, zu denen ein Beispiel in der More recently, there was an increasing interest in the display to be mounted on the head units to which an example in the 1 1 dargestellt ist, als Einrichtungen zum Liefern visueller Information für Virtual Reality und zum Realisieren einer Fernsteuerung verschiedener Arten von Robotern. is shown as a means for providing visual information for virtual reality and to realize a remote control of various types of robots. Die wesentlichen Erfordernisse derartiger Displayeinheiten sind die Folgenden: sie müssen über eine Erkennbarkeit innerhalb eines großen Winkelbereichs und hohe Auflösung verfügen, die dazu ausreicht, visuelle Information mit Echtheit und Umgebung zu liefern, und sie müssen hinsichtlich der Größe und des Gewichts ausreichend minimiert sein, um an einem Teil des Körpers, insbesondere dem Kopf, getragen zu werden. The main requirements of such display units are as follows: they must have visibility over a wide angular range and high resolution sufficient to provide visual information with authenticity and environment, and they must be sufficiently minimized in size and weight to on a part of the body, especially the head worn them to become. Das in der The in 1 1 dargestellte am Kopf zu montierendes Display verfügt über ein brillenartiges Gehäuse, das am Kopf zu tragen ist. shown on the head-to-mount display has a spectacles-like housing, which is worn on the head. Das Gehäuse The housing 110 110 enthält, in jedem seiner Linsenteile, eine Hintergrundbeleuchtung contains, in each of its parts lens, a backlight 108a 108a , eine Flüssigkristalltafel (Flüssigkristalldisplay) A liquid crystal panel (liquid crystal display) 109a 109a und eine Linse and a lens 101a 101a , die in der beschriebenen Reihenfolge von außen her angeordnet sind. Which are arranged in the described order from the outside. Der Benutzer P sieht auf der Flüssigkristalltafel The user sees P on the liquid crystal panel 109 109 innerhalb des genannten am Kopf zu montierenden Displays ein vergrößertes Bild in solcher Weise, als würde er das Bild auf einem großen Schirm sehen. within said to be mounted at the top displays a magnified image in such a manner as if the image on a large screen view.
  • [0067] [0067]
    Einhergehend mit den schnellen Fortschritten bei der Entwicklung verschiedener Flüssigkristalle in den letzten Jahren wurden kleine Flüssigkristalltafeln hoher Qualität zur Verwendung in am Kopf zu montierenden Displayeinheiten geliefert. Along with the rapid advances in the development of various liquid crystals in recent years, small liquid crystal panels of high quality for use were delivered to be mounted head-mounted display units. Jedoch wurde hinsichtlich der Verringerung der Größe und des Gewichts eine optische Vorrichtung, die eine andere Hauptkomponente eines am Kopf zu montierenden Displays ist, unzureichend entwickelt. However, it was in reducing the size and weight of an optical device, which is another main component of a head to be mounted on displays, insufficiently developed.
  • [0068] [0068]
    Andererseits finden am Kopf zu montierende Displayeinheiten, wie sie bisher hauptsächlich bei industriellen Anwendungen und Versuchsanwendungen für Virtual Reality verwendet wurden, nun zunehmende Nachfrage bei Heim-Videospielen und VTR-Displayeinheiten. On the other hand, find the head to be mounted display units, as they have been used mainly in industrial applications and test applications for virtual reality, now increasing demand for home video games and VTR display units. Demgemäß wird ferner das Einsparen von Größe und Gewicht bei am Kopf zu montierenden Displayeinheiten energisch gefordert. Accordingly, the saving of size and weight also requires energetic to be mounted in head-mounted display units.
  • [0069] [0069]
    Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde eine in der In order to solve the above problems, a was in the 2 2 dargestellte Technik vorgeschlagen. The technique presented proposed. Das in der The in 2 2 dargestellte, am Kopf zu montierende Display verfügt über ein an seiner Oberseite angeordnetes Flüssigkristalldisplay shown to be mounted at the top of the display has a valve disposed on its upper liquid crystal display 109b 109b , von dem aus Licht L i läuft, das durch einen halbtransparenten Spiegel From which expires light L i passing through a semitransparent mirror 102b 102b nach hinten reflektiert wird und dann durch einen Konkavspiegel is reflected backwards and then through a concave mirror 120b 120b vergrößert wird und zurück zum Auge des Betrachters E reflektiert wird. is increased, and is reflected back to the eye E of the observer. Im obigen Fall wird das Licht zwischen dem halbtransparenten Spiegel und dem Konkavspiegel geknickt, wodurch die verwendete optische Vorrichtung verringerte Größe im Vergleich zu einer linear aufgebauten Vorrichtung aufweisen kann. In the above case, the light between the semi-transparent mirror and the concave mirror is folded, whereby the optical device used in the reduced size compared to a linear structure device may have.
  • [0070] [0070]
    Die bekannte Vorrichtung mit der oben angeordneten Flüssigkristalltafel The known apparatus with the above-arranged liquid crystal panel 109b 109b , wie in der As in the 2 2 dargestellt, zeigt jedoch den Nachteil, dass eine Größenverringerung nur bei verringertem Erkennbarkeitswinkel realisiert werden kann. shown, but has the disadvantage that a size reduction can be realized only at reduced visibility angle. Dh, dass zum Erhöhen des Erkennbarkeitswinkels zum Erzielen visueller Information mit hohem Grad des Vertieftseins ein halbtransparenter Spiegel mit größeren Abmessungen vor der Flüssigkristalltafel verwendet werden muss, wodurch die Gesamtdicke des am Kopf zu montierenden Displays zunimmt und so den Größenverringerungseffekt der optischen Vorrichtung aufhebt. That is, to increase the visibility angle to obtain visual information with a high degree of Vertieftseins a semitransparent mirror must be used with larger dimensions before the liquid crystal panel, thereby reducing the overall thickness of the to be mounted at the top of the display increases, thus canceling the size reduction effect of the optical device. Im obigen Fall ist der Erkennbarkeitswinkel für einen Betrachter auf nicht mehr als 90° beschränkt, da die Augen des Betrachters nicht näher als es dem halbtransparenten Spiegel entspricht, zum Konkavspiegel hin gebracht werden können. In the above case the visibility angle for a viewer to not more than 90 ° is limited, as the eyes of the viewer as it does not match closer to the semi-transparent mirror, can be brought back to the concave mirror.
  • [0071] [0071]
    Um das Problem des Einsparens von Größe und Gewicht eines am Kopf zu montierenden Displays zu lösen, wurde eine bekannte Vorrichtung offenbart, wie sie in der To solve the problem of saving size and weight to be mounted on a head-mounted display, a known device is disclosed, as in the 4 4 dargestellt ist. is shown. Das am Kopf zu montierende Display der To mount the head-mounted display 4 4 verfügt über ein an seiner Oberseite angeordnetes Flüssigkristalldisplay has disposed on its upper side a liquid crystal display 109c 109c , von dem Licht L durch einen planen Reflexionsspiegel From the light L by a plan reflecting mirror 119c 119c nach außen abgelenkt wird, durch einen Konkavspiegel is deflected outward by a concave mirror 120c 120c vergrößert und reflektiert wird und dann ins Auge E eintritt. is magnified and reflected and then enters the eye E. In diesem Fall wird das Licht zwischen dem planen Reflexionsspiegel In this case, the light between the planar mirror reflection 119c 119c und dem Konkavspiegel and the concave mirror 120c 120c geknickt, wodurch die verwendete optische Vorrichtung verringerte Größe im Vergleich mit einer linear aufgebauten Vorrichtung aufweisen kann. bent, whereby the optical device used reduced size in comparison with a linear structure device may have.
  • [0072] [0072]
    Die bekannte Vorrichtung mit einer an der Oberseite angeordneten Flüssigkristalltafel The known device with a liquid crystal disposed on the top panel 109b 109b , wie in der As in the 4 4 dargestellt, zeigt jedoch den Nachteil, dass eine Größenverringerung nur mit verringertem Erkennbarkeitswinkel erzielt werden kann. shown, but has the disadvantage that a size reduction can be achieved only with reduced angle of visibility. Dh, dass zum Erhöhen des Erkennbarkeitswinkels zum Erzielen visueller Information mit hohem Grad des Vertieftseins ein halbtransparenter Spiegel mit größeren Abmessungen vor der Flüssigkristalltafel verwendet werden muss, wodurch die Gesamtdicke des am Kopf zu montierenden Displays zunimmt und demgemäß den Größeneinsparungseffekt der optischen Vorrichtung aufhebt. That is, to increase the visibility angle to obtain visual information with a high degree of Vertieftseins a semitransparent mirror must be used with larger dimensions before the liquid crystal panel, thereby reducing the overall thickness of the to be mounted at the top of the display increases and consequently abolishes the size reduction effect of the optical device.
  • [0073] [0073]
    Eine optische Vorrichtung zur Verwendung in einem am Kopf zu montierenden Display muss nicht nur kompakt und ausreichend leicht sein, um einfach am Kopf eines Benutzers getragen werden zu können, sondern es muss auch über einen großen Erkennbarkeitswinkel und eine kurze Brennweite verfügen, für ein lebendiges Bild, das den Betrachter erfreut, zu sorgen. An optical device for use in a to be mounted at the top of the display must not only compact and sufficiently be easy to be easily worn on the head of a user can, but it must also have a large visibility angle and a short focal length feature, for vivid picture that the viewer pleased to provide. Die The 5 5 ist eine Konstruktionsansicht einer bekannten bekannten Technik, die dazu vorgesehen ist, das oben genannte Problem zu lösen. is a construction view of a known prior art technique, which is intended to solve the above problem. Ein an der linken Seite angeordnetes Display A valve disposed at the left side of display 109f 109f zeigt ein Bild an, von dem aus Lichtstrahlen durch ein Zirkularpolarisationsfilter displays an image from which light rays through a circular polarizing filter 104f 104f und einen Konkavspiegel and a concave mirror 102f 102f mit Halbspiegelbeschichtung laufen, wobei sie dann durch ein cholesterisches Flüssigkristallelement run with half mirror coating, then by a cholesteric liquid crystal element 106f 106f reflektiert werden. are reflected. Die reflektierten Lichtstrahlen werden durch den Konkavspiegel vergrößert und erneut reflektiert, und sie fallen auf das cholesterische Flüssigkristallelement, durch das die Strahlen zu den Augen des Betrachters durchgelassen werden. The reflected light rays are magnified by the concave mirror and reflected again, and they fall on the cholesteric liquid crystal element through which the rays are transmitted to the eyes of the beholder. Bei der dargestellten Vorrichtung ist ein Lichtpfad zwischen dem cholesterischen Flüssigkristallelement In the illustrated device is a light path between the cholesteric liquid crystal element 106f 106f und dem als Halbspiegel beschichteten Konkavspiegel and coated in semi-concave mirror 102f 102f geknickt, wodurch die Vorrichtung über verringerte Größe im Vergleich zu einer Vorrichtung aufweisen kann, in der ein linear aufgebautes optisches System verwendet ist. bent, whereby the device can have on reduced size in comparison with a device in which a linear structure and optical system is used.
  • [0074] [0074]
    Ausführungsformen der Erfindung sind auf das Design einer optischen Vorrichtung unter Verwendung reflektierter und transmittierter Lichtstrahlen und polarisierter Lichtstrahlen von einem halbtransparenten Spiegel und einem selektiv durchlassenden halbtransparenten Spiegel gerichtet, während die herkömmliche optische Vorrichtung auf den Gebrauch nur reflektierter Lichtstrahlen daran gerichtet ist. Embodiments of the invention are directed to the design of an optical device using reflected and transmitted beams and polarized light beams from a semitransparent mirror and a selectively transmitting semitransparent mirror, while the conventional optical device is directed to the use of only reflected light rays from.
  • [0075] [0075]
    Demgemäß wird als Erstes nachfolgend unter Bezugnahme auf die Accordingly, it is hereinafter referred to as First, with reference to the 7 7 und and 8 8 ein halbtransparenter Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht, wobei es sich um eine wesentliche Komponente der vorgeschlagenen optischen Vorrichtungen handelt, beschrieben, wobei diese Figuren für das Arbeitsprinzip dieses Spiegels veranschaulichend sind. a semitransparent mirror for selecting circularly polarized light, it is an essential component of the proposed optical devices described, wherein these figures for the operating principle of this mirror are illustrative.
  • [0076] [0076]
    Als Erstes wird ein Koordinatensystem, wie es in der weiteren Beschreibung verwendet wird, wie folgt definiert. First, a coordinate system as it is used in the further description, is defined as follows.
  • [0077] [0077]
    Gemäß der According to the 7(B) 7 (B) ist die Achse rechtwinklig zum Papier (Darstellung), die zur Vorderseite hin gerichtet ist, die x-Achse, die Achse parallel zum Papier, die nach oben gerichtet ist, ist die y-Achse, und die dritte Achse, die rechtwinklig zur x- und zur y-Achse verläuft und nach rechts entlang dem Papier gerichtet ist, ist die z-Achse. is the axis perpendicular to the paper (display) which is directed toward the front side, the x-axis, the axis parallel to the paper, which is directed upward, the y-axis and the third axis which is perpendicular to the x and extends to the y-axis and is directed to the right along the paper is the Z-axis. Ein Rotationswinkel ist ein Winkel in Bezug auf die y-Achse in der xy-Ebene, gesehen in der Richtung der z-Achse des dreidimensionalen Systems der A rotation angle is an angle with respect to the y-axis in the xy plane as seen in the direction of the z-axis of the three-dimensional system of 7(c) 7 (c) . , Eine Drehung in der Uhrzeigerrichtung ist als positiv definiert. Rotation in the clockwise direction is defined as positive.
  • [0078] [0078]
    Definitionen der Kristallachse sind die Folgenden. Definitions of the crystal axis are as follows.
  • [0079] [0079]
    Betreffend eine Viertelwellenplatte ist definiert, dass eine polarisierte Lichtkomponente normal zur Kristallachse als um eine Viertel Wellenlänge verzögert in Bezug auf eine polarisierte Lichtkomponente parallel zur Kristallachse definiert ist. On a quarter wave plate is defined as a polarized light component perpendicular to the crystal axis as a quarter wavelength delayed with respect to a polarized light component is defined parallel to the crystal axis.
  • [0080] [0080]
    Betreffend eine Polarisationsplatte ist definiert, dass die Platte eine polarisierte Lichtkomponente durchlässt, die parallel zu ihrer Kristallachse verläuft, und sie eine polarisierte Lichtkomponente absorbiert, die rechtwinklig zu ihrer Kristallachse verläuft. Concerning a polarizing plate is defined so that the plate transmits a polarized light component, which is parallel to its crystal axis, and absorbing a polarized light component that is perpendicular to its crystal axis.
  • [0081] [0081]
    Dieselben Definitionen werden nachfolgend in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, solange nichts anderes spezifiziert ist. The same definitions are hereinafter used in the drawings and the description, unless otherwise specified.
  • [0082] [0082]
    Wie es in der As in the 7(C) 7 (C) dargestellt ist, besteht in der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ein erster halbtransparenter Spiegel zum Auswählen von zirkular polarisiertem Licht aus einer Viertelwellenplatte is illustrated, in the optical device according to the invention, a first semitransparent mirror for selecting circularly polarized light from a quarter-wave plate 5 5 , einem Halbspiegel , A half mirror 2 2 und einer Polarisationsplatte and a polarizing plate 4 4 , die in der beschriebenen Reihenfolge von der Einfallslichtseite her angeordnet sind. Which are arranged in the described order from the incident light side. Es sei angenommen, dass die Kristallachse der Viertelwellenplatte It is assumed that the crystal axis of the quarter-wave plate 5 5 entlang der y-Achse (0°) ausgerichtet ist und die Kristallachse der Polarisationsplatte along the y-axis (0 °) is oriented and the crystal axis of the polarizing plate 4 4 in der Richtung von 45° gerichtet ist. is directed in the direction of 45 °. Wenn Einfallslicht von links (in der Darstellung) auf den zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel fällt, werden seine Strahlen dort teilweise reflektiert und teilweise mit einem Verhältnis durchgelassen, das von der Richtung der Drehbewegung des zirkular polarisierten Lichts abhängt. When incident light from the left (as shown) selective to the circularly polarized light semi-transparent mirror falls, its rays are there partially reflected and partially transmitted with a ratio depending on the direction of rotation of the circularly polarized light. Das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht wird durch die Viertelwellenplatte That in the clockwise circularly polarized light is transmitted through the quarter-wave plate 5 5 gestrahlt und gleichzeitig in linear polarisiertes Licht gewandelt, das in der Richtung von –45° abgelenkt wird. blasted and simultaneously converted into linearly polarized light, which is deflected in the direction of -45 °. Dieses linear polarisierte Licht fällt auf den Halbspiegel This linearly polarized light is incident on the half mirror 2 2 , der 50% desselben reflektiert und 50% desselben durchlässt. Which passes 50% of the same and reflects 50% thereof. Das reflektierte Licht tritt erneut in die Viertelwellenplatte The reflected light re-enters the quarter-wave plate 5 5 ein, durch die es in in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht gewandelt wird und zur Einfallsseite rückgeführt wird. a, by which it is converted into circularly polarized light in the clockwise direction and is returned to the incident side. Andererseits tritt das durchgelassene Licht in die Polarisationsplatte On the other hand, takes the transmitted light in the polarizing plate 4 4 ein, und es wird in dieser absorbiert, da es in der Richtung rechtwinklig zur Kristallachse der Polarisationsplatte , and it is in this absorbed because it in the direction perpendicular to the crystal axis of the polarizing plate 4 4 polarisiert ist. is polarized. Demgemäß wird das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht nur reflektiert, und es kann nicht durch den zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel laufen. Accordingly, in the clockwise circularly polarized light is reflected only, and it can not pass through the circularly polarized light selecting semitransparent mirror.
  • [0083] [0083]
    Wenn in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht von links her auf die Viertelwellenplatte When circularly polarized light in the counterclockwise direction from the left to the quarter-wave plate 5 5 fällt, wird es in linear polarisiertes Licht gewandelt, das in der Richtung von 45° abgelenkt wird. falls, it is converted into linearly polarized light, which is deflected in the direction of 45 °. Strahlen des Lichts werden gleichmäßig (mit 50%) in zwei Gruppen aufgeteilt, von denen die eine durch die Platte reflektiert wird und die andere durch sie hindurchgelassen wird. Rays of light are equally (50%) are divided into two groups, one of which is reflected by the plate and the other is allowed to pass through it. Das reflektierte Licht läuft erneut durch die Viertelwellenplatte The reflected light passes again through the quarter-wave plate 5 5 , wodurch es in in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht gewandelt wird und auf die Einfallsseite rückgeführt wird. , Whereby it is converted into circularly polarized light in the counterclockwise direction and returned to the incident side. Andererseits läuft das durchgelassene Licht, das in derselben Richtung wie die Kristallachse der Polarisationsplatte On the other hand, the transmitted light passes, in the same direction as the crystal axis of the polarizing plate 4 4 linear polarisiert wurde, durch sie hindurch, und es tritt an der rechten Seite derselben aus. was linearly polarized, through them, and it occurs on the right side of the same.
  • [0084] [0084]
    Die Eigenschaften des in der The properties of the 7 7 dargestellten, zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegels sind unten in der Tabelle 1 angegeben. shown, circularly polarized light selecting semitransparent mirror are set forth below in Table 1.
  • [Tabelle 1] [Table 1]
  • [0085] [0085]
    Wie es aus der Tabelle 1 erkennbar ist, verfügt der in der As can be seen from Table 1, the features in the 7(C) 7 (C) dargestellte, zirkular polarisiertes Licht auswählende halbtransparente Spiegel über verschiedene Reflexions-Transmissions-Eigenschaften abhängig von der Richtung der Zirkularpolarisation. shown, circularly polarized light selective semi-transparent mirror through various Reflection-Transmission characteristics depending on the direction of the circular polarization.
  • [0086] [0086]
    Die The 8 8 zeigt einen zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel, der sich in der Wirkung vom in der shows a circularly polarized light selecting semitransparent mirror, which in effect from in the 7 7 dargestellten halbtransparenten Spiegel unterscheidet. shown semi-transparent mirror is different. Dieser halbtransparente Spiegel This semi-transparent mirror 7 7 besteht aus einem cholesterischen Flüssigkristall consists of a cholesteric liquid crystal 6 6 , der dicht zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen ist. That is sealed between two glass plates. Während der in der While in the 8 8 dargestellte halbtransparente Spiegel zwei Glasplatten zum dichten Einschließen eines Flüssigkristalls benötigt, ist es auch möglich, einen festen Zustand des Flüssigkristalls zu nutzen, der keine Glasplatten benötigt. shown semi-transparent mirror requires two glass sheets for sealing a liquid crystal, it is also possible to use a solid state of the liquid crystal that does not require glass plates.
  • [0087] [0087]
    Der cholesterische Flüssigkristall verfügt selbst über die Fähigkeit, in der Uhrzeigerrichtung oder der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht selektiv zu reflektieren bzw. in der Gegenuhrzeigerrichtung oder der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht durchzulassen. The cholesteric liquid crystal itself has passing through the ability to selectively reflect circularly polarized light in the clockwise direction or the counterclockwise direction or in the counterclockwise direction or the clockwise circularly polarized light. Wenn der cholesterische Flüssigkristall so ausgebildet ist, dass er in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht reflektiert, kann er es ermöglichen, dass im Idealzustand 100% von in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertem Licht durch ihn laufen. When the cholesteric liquid crystal is formed such that it reflects circularly polarized light in the clockwise direction, it may make it possible that in the ideal state of 100% run in the counterclockwise circularly polarized light through it. Diese Eigenschaften des halbtransparenten Spiegels sind unten in der Tabelle 2 angegeben. These properties of the semi-transparent mirror are shown below in Table 2.
  • [Tabelle 2] [Table 2]
  • [0088] [0088]
    Wie es aus der Tabelle 2 erkennbar ist, verfügt der in der As can be seen from the table 2, has in the 8 8 dargestellte, zirkular polarisiertes Licht auswählende halbtransparente Spiegel über verschiedene Reflexions-Transmissions-Eigenschaften abhängig von der Richtung der Zirkularpolarisation, und daher kann er als effektives optisches Teil bei Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. shown, circularly polarized light selective semi-transparent mirror through various Reflection-Transmission characteristics depending on the direction of the circular polarization, and therefore it can be used as an effective optical part in embodiments of the invention.
  • [0089] [0089]
    Demgemäß kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung dafür sorgen, dass nur die gewünschte Lichtstrahlung den optischen Pfad zu einem halbtransparenten Spiegel und von diesem hin- und herläuft, wobei in adaptiver Weise die Reflexions-Transmissions-Eigenschaften des letzteren genutzt werden. Accordingly, the present invention optical device can ensure that only the desired light radiation to the optical path to a semi-transparent mirror and this is reciprocated, the reflection-transmission properties of the latter are used in an adaptive manner. Dh, dass die optische Vorrichtung, im Vergleich zu einer herkömmlichen, über eine um ein Mehrfaches verkürzte Länge des optischen Pfads und eine um ein Mehrfaches erhöhte optische Brechkraft (Vergrößerung) verfügen kann, da die Möglichkeit besteht, das Licht durch die vergrößernde Brechungseinrichtung hin- und herlaufen zu lassen, wodurch diese denselben Effekt wie meh rere derartige brechende Elemente ausüben kann. That is, the optical device, compared to a conventional, over a shorter by a multiple of the optical path length and an increased by a multiple of optical power can have (magnification), since the possibility of the light through the magnifying refracting means back and let fro, making this same effect can exercise such as meh rere refractive elements.
  • [0090] [0090]
    Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die einschlägigen Zeichnungen optische Vorrichtungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind. Optical devices are described below with reference to the relevant drawings which illustrate preferred embodiments of the invention.
  • [0091] [0091]
    Die The 6 6 ist für eine die Erfindung verkörpernde optische Vorrichtung veranschaulichend, die hauptsächlich aus einer Linse is illustrative of an optical device embodying the invention which mainly consists of a lens 1a 1a mit einer auf eine ihrer Flächen aufgetragenen Halbspiegelbeschichtung und einem zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel with a selective coated on one face half mirror coating and a circularly polarized light semi-transparent mirror 3a 3a besteht, der an der nicht beschichteten Fläche der Linse is coupled to the non-coated surface of the lens 1a 1a anliegend angeordnet ist. is located adjacent.
  • [0092] [0092]
    Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Linse In the illustrated embodiment, the lens 1a 1a eine plankonvexe Linse mit einem auf ihre konvexe Fläche aufgebrachten Halbspiegelfilm, der so konzipiert ist, dass er das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht, das von der linken Seite (siehe die Darstellung) her einfällt, wie folgt polarisiert. a plano-convex lens having a coated on their convex surface half mirror film which is so designed that it in the clockwise circularly polarized light traveling from the left (see the illustration) fro incident polarized as follows.
  • [0093] [0093]
    Wenn einfallendes Licht, das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiert ist, von der linken Seite her einfällt und auf die Halbspiegelbeschichtung When incident light is circularly polarized in the clockwise direction is incident from the left side and on the half mirror coating 2a 2a auf der konvexen Fläche der plankonvexen Linse on the convex surface of the plano-convex lens 1a 1a fällt, werden dort 50% des Lichts reflektiert, und 50% des Lichts werden durchgelassen. falls, there 50% of the light is reflected, and 50% of the light to pass through. Die reflektierten Strahlen werden nicht genutzt, und die durchgelassenen Strahlen werden an der konvexen Fläche der Linse The reflected beams are not used, and the transmitted beams are on the convex surface of the lens 1a 1a gebrochen und laufen durch die Linse. broken and run through the lens. Die gebrochenen Strahlen des in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierten Lichts laufen durch die ebene Fläche der Linse The refracted rays in the clockwise direction of the circularly polarized light passing through the planar face of the lens 1a 1a , und dann fallen sie auf den halbtransparenten Spiegel And then they fall to the semi-transparent mirror 3a 3a , der bei der dargestellten Ausführungsform das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht mit einem spezifizierten Reflexionskoeffizienten von 50% des halbtransparenten Spiegels der , Which in the illustrated embodiment, the in the clockwise circularly polarized light having a specified reflection coefficient of 50% of the half-transparent mirror of 7 7 (100% des Spiegels der (100% of the level of 8 8 ) reflektiert. ) Reflected.
  • [0094] [0094]
    Die reflektierten Strahlen erreichen erneut die konvexe Fläche der Linse The reflected rays reach again the convex surface of the lens 1a 1a , wo 50% der Strahlen an der Halbspiegelbeschichtung Where 50% of the rays at the half mirror coating 2a 2a reflektiert werden und 50% derselben durchgelassen werden. are reflected and 50% of the same will be heard. Die durchgelassenen Strahlen werden nicht genutzt, sondern es werden nur die reflektierten Strahlen genutzt, deren Polarisationsrichtung durch die Wirkung der Reflexion so geändert wurde, dass in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht erhalten ist. The transmitted beams are not used, but only used the reflected beams whose polarization direction has been changed by the effect of reflection so that in the counterclockwise circularly polarized light is obtained. Dann laufen die Lichtstrahlen durch die ebene Fläche der Linse Then, the light rays pass through the flat surface of the lens 1a 1a , und sie erreichen den halbtransparenten Spiegel And reaching the semi-transparent mirror 3a 3a . , Die Lichtstrahlen, die diesen durchlaufen haben, werden von der optischen Vor richtung emittiert. The light rays that have passed through them, are emitted from the optical ago direction. Der Transmissionskoeffizient des halbtransparenten Spiegels The transmission coefficient of the semi-transparent mirror 3a 3a beträgt im Fall der is in the case of 7 7 50% und im Fall der 50% and in the case of 8 8 100%. 100%.
  • [0095] [0095]
    Es ist bekannt, dass dann, wenn zwei gekrümmte Flächen mit demselben Krümmungsradius verwendet wird, eine für Reflexionswirkung und die andere für Brechungswirkung, die letztere eine ungefähr vierfach größere optische Brechkraft als die erstere haben kann. It is known that when two curved surfaces is used with the same radius of curvature, for a reflection effect and the other for refraction effect, the latter may have an approximately four-fold greater optical power than the former. Bei der oben genannten Ausführungsform wird einfallendes Licht einer Brechungswirkung und einer Reflexionswirkung der Halbspiegelbeschichtung In the above embodiment, incident light a refractive effect and a reflection effect of the half mirror coating 2a 2a der konvexen Fläche der Linse the convex surface of the lens 1a 1a unterzogen, während es zwischen den beiden zugehörigen Flächen subjected, while between the two associated surfaces 1 1 , . 5 5 Umläufe ausführt. Performs rounds. In diesem Fall übt die Linse In this case, the lens exerts 1a 1a eine 5-fach stärkere optische Brechkraft als eine einzelne Brechungslinse aus. a 5-fold greater optical power than a single refractive lens. Anders gesagt, kann die vorgeschlagene optische Vorrichtung im Vergleich mit der herkömmlichen Vorrichtung aus mehreren seriell angeordneten Linsen dieselbe optische Brechkraft bei einem um den Faktor 5 verkürzten optischen Pfad aufweisen. In other words, the proposed optical device may have the same optical power at a shortened optical path by a factor of 5 compared with the conventional apparatus from a plurality of serially arranged lenses. Dadurch können Einsparungen der Größe und des Gewichts der optischen Vorrichtung realisiert werden. Characterized savings of size and weight of the optical device can be realized.
  • [0096] [0096]
    Die in den The in 7 7 und and 8 8 dargestellten, zirkular polarisiertes auswählenden halbtransparenten Spiegel verfügen über verschiedene Werte der Einfallslicht-Effizienz. shown, circularly polarized selective semitransparent mirror have different values of the incident light efficiency. ZB verliert der in der For example, loses in the 7 7 dargestellte halbtransparente Spiegel der oben genannten Ausführungsform in jedem Reflexionsstadium die Hälfte des Lichts, so dass nur 1/16 (= 6,25%) des einfallenden Lichts durchlaufen. shown semi-transparent mirror the above embodiment through every stage of reflection half of the light, so that only 1/16 (= 6.25%) of the incident light. Der in der The in 8 8 dargestellte halbtransparente Spiegel nutzt die Hälfte des Lichts am Halbspiegel und das gesamte Licht im reflektierenden und brechenden Teil, und er lässt daher 1/4 (= 25%) des einfallenden Lichts durch. shown semi-transparent mirror uses half the light at the half mirror and all the light in reflecting and refracting part, and it can therefore 1/4 (= 25%) of the incident light. Demgemäß kann eine optische Vorrichtung unter Verwendung insbesondere des halbtransparenten Spiegels der Accordingly, an optical device using in particular the semi-transparent mirror the 8 8 ein Bild mit beträchtlich erhöhter Leuchtstärke erzeugen. create an image with significantly increased luminosity. Der halbtransparente Spiegel der The semi-transparent mirror the 7 7 kann unter Verwendung verfügbarer Materialien höchst einfach hergestellt werden. can be most easily made using available materials.
  • [0097] [0097]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 10 10 und and 11 11 wird ein am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung der oben genannten erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung wie folgt beschrieben. will be described using the above-mentioned optical device according to the invention as follows at the head to be mounted display.
  • [0098] [0098]
    Das am Kopf zu montierende Display ist ein brillenähnliches Gehäuse To mount the head-mounted display is a spectacles-like housing 10d 10d , in dem alle Komponenten enthalten sind. In which all components are contained. Das am Kopf zu montierende brillenähnliche Gehäuse To mount the head glasses similar housing 10d 10d enthält, in jedem von zwei Teilen, die zwei Linsen einer Brille entsprechen, eine Hintergrundbeleuchtung includes, in each of two parts corresponding to two lenses of a spectacle, a backlight 8d 8d , eine Flüssigkristallta fel A Flüssigkristallta fel 9d 9d , eine Viertelwellenplatte , A quarter-wave plate 5d 5d und eine optische Vorrichtung and an optical device 30d 30d in dieser Reihenfolge von der vorderen Außenseite her. in this order from the front outer side. Ein Benutzer P kann ein vergrößertes Bild der Flüssigkristalltafel sehen. A user P can see an enlarged image of the liquid crystal panel. In der In the 11 11 enthält die optische Vorrichtung including the optical device 30d 30d einen halbtransparenten Spiegel (nicht dargestellt), der in der a semi-transparent mirror (not shown), which in the 10 10 detailliert dargestellt ist. is shown in detail.
  • [0099] [0099]
    In der In the 10 10 kann als Flüssigkristalltafel can be used as liquid crystal panel 9c 9c eine allgemein verwendete Flüssigkristalltafel vom verdrillt-nematischen Typ verwendet werden, die Licht durchlässt, das in einer Richtung entlang der y-Achse linear polarisiert ist. a liquid crystal panel generally employed are used by the twisted nematic type, transmits the light that is linearly polarized in a direction along the y-axis. Es wird davon ausgegangen, dass die Kristallachse der Viertelwellenplatte It is assumed that the crystal axis of the quarter-wave plate 5c 5c in der Richtung von –45° liegt. is in the direction of -45 °. Die Ausbreitung des Lichts in der Vorrichtung wird nun beschrieben. The propagation of light in the apparatus will now be described.
  • [0100] [0100]
    Das von der Hintergrundbeleuchtung Launched by the backlight 8c 8c ausgehende Licht läuft durch die Flüssigkristalltafel outgoing light passes through the liquid crystal panel 9c 9c , wobei es in linear polarisiertes Licht gewandelt wird, das die Bildinformation transportiert. Wherein it is converted into linearly polarized light that carries the image information. Dann wird das Licht in in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht gewandelt, während es durch die Viertelwellenplatte Then, the light is converted into circularly polarized light in the clockwise direction while passing through the quarter-wave plate 5c 5c läuft. running. Strahlen des Lichts laufen zur in der Rays of light to run in the 10 10 dargestellten optischen Vorrichtung, die über eine plankonvexe Linse illustrated optical device, the plano-convex lens on a 1c 1c mit einer auf ihre konvexe Fläche aufgetragenen Halbspiegelbeschichtung with an applied on its convex surface half mirror coating 2c 2c und einen zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel and a circularly polarized light selecting semitransparent mirror 3c 3c verfügt, der an der ebenen Fläche der Linse has, on the flat surface of the lens 1c 1c angebracht ist. is attached. Der halbtransparente Spiegel The semi-transparent mirror 3c 3c besteht aus einem cholesterischen Flüssigkristall, der zwischen zwei Glassubstrate (oder Kunststoffsubstrate) eingebettet ist. consists of a cholesteric liquid crystal that is sandwiched between two glass substrates (or plastic substrates).
  • [0101] [0101]
    Der bei dieser Ausführungsform verwendete halbtransparente Spiegel The semi-transparent mirror is used in this embodiment 3c 3c wird dadurch hergestellt, dass Moleküle des cholesterischen Flüssigkristalls homöotrop auf einem behandelten Glassubstrat ausgerichtet werden und darauf das andere behandelte Glassubstrat aufgelegt wird. is prepared by the cholesteric liquid crystal molecules are homeotropically on a treated glass substrate and aligned on the other glass substrate treated is placed. Es ist auch möglich, einen halbtransparenten Spiegel integral mit einer plankonvexen Linse It is also possible to use a semi-transparent mirror integral with a plano-convex lens 1b 1b dadurch herzustellen, dass der cholesterische Flüssigkristall thereby establish that the cholesteric liquid crystal 6b 6b zwischen eine ebene Fläche der Linse between a flat surface of the lens 1a 1a und ein Glassubstrat and a glass substrate 7b 7b , wie in der As in the 9 9 dargestellt, eingebettet wird. shown, is embedded.
  • [0102] [0102]
    In der In the 10 10 fällt das von links her (wenn man die Darstellung betrachtet) einfallende, in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht Li auf die Halbspiegelbeschichtung the falls from the left (when looking at the view) incident, in the clockwise circularly polarized light Li on the half mirror coating 2c 2c auf der konvexen Fläche der Linse on the convex surface of the lens 1c 1c : Die Hälfte (50%) des Lichts wird dort reflektiert, und die andere Hälfte (50%) des Lichts läuft durch. : Half (50%) of the light is reflected there, and the other half (50%) of light passes through. Die reflektierten Strahlen werden nicht genutzt. The reflected beams are not used. Die durchgelassenen Strahlen werden an der konvexen Fläche der Linse The transmitted beams are on the convex surface of the lens 1c 1c gebrochen, und sie laufen in dieser. broken, and they run into this. Die gebrochenen Strahlen des in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierten Lichts laufen durch die ebene Fläche der Linse The refracted rays in the clockwise direction of the circularly polarized light passing through the planar face of the lens 1c 1c , und sie fallen dann auf den zirkular polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel And they then fall to the circularly polarized light selecting semitransparent mirror 3c 3c , der bei der dargestellten Ausführungsform das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht mit einem Reflexionskoeffizient von 100% reflektiert. , In the clockwise direction of the circularly polarized light is reflected in the illustrated embodiment with a reflection coefficient of 100%. Das reflektierte Licht erreicht erneut die konvexe Fläche der Linse The reflected light again reaches the convex surface of the lens 1a 1a , und 50% des Lichts werden an der Halbspiegelbeschichtung , And 50% of the light is at the half-mirror coating 2c 2c reflektiert, und 50% desselben laufen hindurch. reflected, and 50% of that run through it. Die durchgelassenen Strahlen werden nicht genutzt, und es werden nur die reflektierten Strahlen genutzt, deren Polarisationsrichtung durch den Reflexionseffekt umgekehrt wurde, so dass in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht erhalten ist. The transmitted beams are not used, and only used the reflected beams whose polarization direction was reversed by the reflection effect, so that in the counterclockwise circularly polarized light is obtained. Dann laufen die Lichtstrahlen durch die ebene Fläche der Linse Then, the light rays pass through the flat surface of the lens 1a 1a , und sie fallen auf den halbtransparenten Spiegel And they fall to the semi-transparent mirror 3c 3c . , Die Lichtstrahlen, die durch ihn durchgelaufen sind, werden von der optischen Vorrichtung emittiert. The light rays that have passed through him are emitted from the optical device.
  • [0103] [0103]
    Wie oben beschrieben, erfährt das einfallende Licht an der konvexen Fläche der Linse As described above, receives the incident light on the convex surface of the lens 1c 1c einen Brechungs- und einen Reflexionsvorgang, während es zwischen der konvexen Fläche der Linse a refraction and a reflection process, while between the convex surface of the lens 2c 2c und einer Fläche des halbtransparenten Spiegels and a surface of the half-transparent mirror 3c 3c 1,5 Umläufe ausführt. Exports 1.5 rounds. In diesem Fall übt die Linse In this case, the lens exerts 1c 1c eine 5-fach stärkere optische Brechkraft als eine einzelne Brechungslinse aus. a 5-fold greater optical power than a single refractive lens. Anders gesagt, kann die vorgeschlagene optische Vorrichtung im Vergleich mit einer herkömmlichen Vorrichtung aus mehreren seriell angeordneten Linsen dieselbe optische Brechkraft bei einem um den Faktor 5 verkürzten optischen Pfad aufweisen. In other words, the proposed optical device may have the same optical power at a shortened optical path by a factor of 5 compared with a conventional device of a plurality of serially arranged lenses. Dadurch können Einsparungen in der Größe und dem Gewicht der optischen Vorrichtung realisiert werden. As a result, savings in the size and weight of the optical device can be realized.
  • [0104] [0104]
    Nachfolgend wird das Design einer optischen Vorrichtung zur Verwendung beim oben beschriebenen am Kopf zu montierenden Display gemäß der Erfindung beschrieben. Subsequently, the design of an optical device for use in the above-described head-mounted display to be mounted according to the invention will be described.
  • [0105] [0105]
    In diesem am Kopf zu montierenden Display müssen zwei optische Vorrichtungen platziert werden, die vor dem jeweiligen Auge eines Benutzers angeordnet werden. In this head-mounted display to be mounted two optical devices must be placed, are disposed in front of each eye of a user. Es wird ein Paar von Linsen mit einem Durchmesser von 60 mm verwendet, da der mittlere Abstand zwischen den menschlichen Augen 63 mm beträgt. There is a pair of lenses with a diameter of 60 mm, since the average distance between the human eyes is 63 mm. Da standardmäßige Flüssigkristalldisplays Abmessungen im Bereich von 1,5 bis 2 Zoll aufweisen, ist die Spezifikation einer die optische Vorrichtung bildenden Einzellinse wie folgt gegeben: Since standard liquid crystal display having dimensions in the range of 1.5 to 2 inches, the specification of the optical device forming a single lens is given as follows:
    Form: plankonvexe Linse aus Glas Form: plano-convex lens made of glass
    Brennweite: 120 mm Focal length: 120 mm
    Krümmungsradius der konvexen Fläche: 60 mm Radius of curvature of the convex surface: 60 mm
    zentrale Dicke: 10 mm central thickness: 10 mm
  • [0106] [0106]
    Die The 12A 12A ist eine Designzeichnung der optischen Vorrichtung, die unter Verwendung der oben genannten Linsen hergestellt wurde und die bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. is a design drawing of the optical device was fabricated using the above-mentioned lenses and which is used in the illustrated embodiment of the invention. Die Spezifikation der optischen Vorrichtung ist die Folgende: The specification of the optical device is the following:
    sich ergebende Brennweite: 23 mm resulting focal length: 23 mm
    Gesichtsfeld: 120° Field of view: 120 °
    Dicke von der Displayfläche zur Linsenfläche: 17 mm Thickness of the display surface to the surface of the lens: 17 mm
    Gewicht: 48 gr Weight: 48 gr
  • [0107] [0107]
    In der In the 12B 12B ist zum Vergleich mit der is for comparison with the 12A 12A eine Designzeichnung einer herkömmlichen optischen Vorrichtung dargestellt, die über zwei parallel angeordnete Linsensysteme verfügt, von denen jedes aus fünf Einzellinsen besteht, die in Reihe angeordnet sind, um dieselbe Vergrößerung zu erzielen, über die die optische Vorrichtung der shows a design drawing of a conventional optical device which has two lens systems arranged in parallel, each of which consists of five lenses, which are arranged in series to achieve the same magnification, on the optical device of the 12A 12A verfügt. features. Die Spezifikation dieser herkömmlichen optischen Vorrichtung ist die Folgende: The specification of these conventional optical device is the following:
    sich ergebende Brennweite: 29 mm resulting focal length: 29 mm
    Gesichtsfeld: 100° Field of view: 100 °
    Dicke von der Displayfläche zur entferntesten Linsen Thickness of the display area to the most distant lenses
    fläche: 66 mm area: 66 mm
    Gewicht: 240 gr Weight: 240 gr
  • [0108] [0108]
    Ein Vergleich der A comparison of the 12A 12A und and 12B 12B macht es deutlich, dass die optische Vorrichtung der makes it clear that the optical device of the 12A 12A eine Dickeneinsparung von 49 m und eine Gewichtseinsparung von 192 Gr. a thickness reduction of 49 m and a weight reduction of 192 Gr. pro Auge (384 Gr. für beide Augen) bei erhöhter Vergrößerung und vergrößertem Gesichtsfeld im Vergleich mit der herkömmlichen optischen Vorrichtung realisiert. per eye (384 gr. for both eyes) when increased magnification and a larger field of view in comparison with the conventional optical device realized. Es war sehr schwierig, dafür zu sorgen, dass die herkömmliche optische Vorrichtung ein großes Gesichtsfeld von zB 120° aufwies, da dadurch die Dicke der Vorrichtung erhöht werden konnte. It was very difficult to ensure that the conventional optical device as a large field of eg 120 ° had, since thereby the thickness of the device could be increased. Andererseits kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung ein vergrößertes Gesichtsfeld bei minimaler Zunahme ihrer Dicke realisieren. On the other hand, the optical device according to the invention can realize an increased field of vision with minimal increase in its thickness. Dieses Merkmal ist ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen optische Vorrichtung in ihrer praktischen Anwendung. This feature is a significant advantage of the proposed optical apparatus in its practical application.
  • [0109] [0109]
    Dh, dass ein am Kopf zu montierendes Display so konzipiert werden muss, dass es dadurch bequem genutzt werden kann, dass seine Größe (mit minimalem Vorstehen des Linsenteils) und sein Gewicht (bei minimaler Belastung des Gesichts des Benutzers) verringert werden. This means that a head-to-mount display must be designed so that it can be used by comfortable that its size (with minimal protrusion of the lens part) and its weight is reduced (with minimal load on the user's face). Ein derartiges bequemes, dünnes und leichtes am Kopf zu montierendes Display kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung realisiert werden, die durch ihr großes Gesichtsfeld und verringerte Dicke (1/4 im Fall der Such a comfortable, thin and light on the head to be mounted display can be realized by using the optical device according to the invention, which because of their wide field of view and reduced thickness (1/4 in the case of 12A 12A im Vergleich zur herkömmlichen optischen Vorrichtung) gekennzeichnet ist. is marked in comparison to the conventional optical device).
  • [0110] [0110]
    Die The 13A 13A und and 14A 14A sind Ansichten zum Erläutern bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung und ihrer Merkmale. are views for explaining preferred embodiments of the invention and its features. Die The 13B 13B ist eine Ansicht eines herkömmlichen optischen Systems aus einem konkaven Halbspiegel is a view of a conventional optical system consisting of a concave half-mirror 12d 12d und einem cholesterischen Flüssigkristallelement and a cholesteric liquid crystal element 106d 106d , die einander unter Einhaltung eines Luftspalts gegenüberstehen. Which face each other while maintaining an air gap. Ein Bild eines Displays An image of a display 109d 109d kann vom Benutzer (E) als vergrößert betrachtet werden. can by the user (E) are considered to be increased. Das Bild wird jedoch im Allgemeinen dauernd nicht auf eine Ebene sondern auf eine als Petzval-Bildfläche IP bezeichnete gekrümmte Fläche fokussiert, deren Krümmungsradius als Petzvalradius bezeichnet wird, der das Krümmungsausmaß der gekrümmten Bildfläche repräsentiert. The image is, however, generally not permanently focused on a plane but on a called Petzval image surface IP curved surface whose radius of curvature is called Petzval radius, which represents the degree of curvature of the curved image surface. Wenn ein Bild auf eine Petzvalfläche mit kleinem Petzvalradius (dh mit stark gekrümmter Fläche) fokussiert wird, ist zwar sein zentraler Teil fokussiert, jedoch ist sein Umfangsteil wegen des zunehmenden Abstands zwischen der Petzval-Bildfläche und dem Display defokussiert. If an image on a Petzvalfläche small Petzval radius (ie, strongly curved surface) is focused, while its central part is in focus, but its peripheral part is out of focus due to the increasing distance between the Petzval surface image and display. Beim herkömmlichen optischen System verfügt die Petzval-Bildfläche über einen Petzvalradius von r/2, wie gemäß einer bekannten Formel berechnet, wobei der Krümmungsradius des Konkavspiegels In the conventional optical system, the Petzval image surface has a Petzval radius of R / 2, as calculated in accordance with a known formula, the radius of curvature of the concave mirror 102d 102d "r" beträgt. "R" is. Dieser Wert ist sehr klein. This value is very small.
  • [0111] [0111]
    Gemäß der According to the 13A 13A verfügt eine optische Vorrichtung, die eine Ausführungsform der Erfindung ist, über eine plankonvexe Linse mit einer auf ihre konvexe Fläche aufgetragenen Halbspiegelbeschichtung has an optical device, which is an embodiment of the invention, a planoconvex lens having a coated on their convex surface half mirror coating 2e 2e und einem cholesterischen Flüssigkristallelement and a cholesteric liquid crystal element 6e 6e , das dicht bei der ebenen Fläche der plankonvexen Linse That close to the plane surface of the plano-convex lens 1e 1e angebracht ist. is attached. Diese optische Vorrichtung unterscheidet sich von der bekannten Vorrichtung dadurch, dass der Raum zwischen der konvexen Fläche und der ebenen Fläche mit Glas oder Kunststoffmaterial, das als Brechungseinrichtung dient, aufgefüllt ist. This optical device is different from the known device in that the space between the convex surface and the planar surface is glass or plastic material which acts as a diffraction means, replenished. Der Petzvalradius dieser optischen Vorrichtung wird zu "r" berechnet. The Petzval radius of this optical device is calculated to "r". Dh, dass das Krümmungsausmaß der Bildfläche unter Verwendung des brechenden Materials um 1/2 verringert werden kann. That is, the curvature amount of the image area can be reduced using the refractive index material by 1/2. Die so aufgebaute optische Vorrichtung kann eine besser fokussierte Bildfläche erzeugen. The so-constructed optical device can produce a more focused image surface.
  • [0112] [0112]
    Nun kann gemäß der Erfindung ein optisches System mit superweitem Winkel und kurzer Fokussierung zur Verwendung bei einem am Kopf zu montierenden Display realisiert werden, das bisher wegen der erhöhten Krümmung der Bild fläche nicht hergestellt werden konnte. Now can be implemented in accordance with the invention, an optical system with a super-wide angle and short focus to be mounted for use in a head-mounted display, which could not be made due to the increased curvature of the image surface. Ein am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung der durch die Erfindung geschaffenen optischen Vorrichtung kann Bilder mit erhöhtem Präsenzgrad für Benutzer erzeugen. A head-to-mount display using the optical device provided by the invention can produce images with a higher degree of presence for users.
  • [0113] [0113]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 14A 14A und and 14B 14B werden andere Effekte der oben genannten Ausführungsform der Erfindung wie folgt beschrieben. other effects of the above embodiment of the invention will be described as follows.
  • [0114] [0114]
    Die The 14B 14B betrifft eine bekannte Vorrichtung, bei der von einem Display relates to a known apparatus in which a display of 109e 109e emittiertes Licht in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht R ist (das in der Praxis dann erzeugt wird, wenn ein Filter für zirkular polarisiertes Licht oder eine Viertelwellenplatte vor dem Display Light emitted in the clockwise circularly polarized light R is (generated in practice, when a filter for circularly polarized light or a quarter-wave plate in front of the display 109e 109e angeordnet wird). is placed). Das Licht läuft als Erstes durch einen Konkavspiegel The light passes through the first thing a concave mirror 102e 102e mit Halbspiegelbeschichtung, und es erreicht ein cholesterisches Flüssigkristallelement with half-mirror coating, and it reaches a cholesteric liquid crystal element 106e 106e mit der Eigenschaft, das gesamte zirkular polarisierte Licht mit einer Polarisationsrichtung zu reflektieren und das gesamte zirkular polarisierte Licht mit der anderen Polarisationsrichtung durchzulassen. with the property of reflecting the entire circularly polarized light having a polarization direction and to transmit the entire circularly polarized light with the other polarization direction. Es wird davon ausgegangen, dass das cholesterische Flüssigkristallelement It is assumed that the cholesteric liquid crystal element 106e 106e so konzipiert ist, dass es das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht R reflektiert. is designed so that it reflects circularly polarized light in the clockwise direction R. Daher wird das Licht R dort totalreflektiert, und es langt erneut am Konkavspiegel Therefore, the light R is totally reflected there, and it arrived again at the concave mirror 102e 102e mit Halbspiegelbeschichtung an. with at half-mirror coating. Das Licht wird vergrößert, und gleichzeitig wird es dort reflektiert, wodurch sich seine Polarisationsrichtung auf die Gegenuhrzeigerrichtung ändert. The light is increased, and at the same time it is reflected therein, thereby changing its polarization direction to the counterclockwise direction. Das in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht L, das dort reflektiert wurde, erreicht das cholesterische Flüssigkristallelement The circularly polarized light in the counterclockwise direction L, which has been reflected there, reach the cholesteric liquid crystal element 106e 106e , das diesmal das gesamte Licht durchlässt, da es in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiert ist. , The time to pass through all of the light as it is circularly polarized in the counter clockwise direction. Dann fällt das Licht L auf das Auge (E) des Benutzers. Then, the light L is incident on the eye (E) of the user. Demgemäß kann der Benutzer, wenn das Display Accordingly, the user, when the display 109e 109e nahe dem Brennpunkt dieses optischen Systems angeordnet ist, auf dem Display near the focal point of this optical system is arranged on the display 109e 109e ein vergrößertes virtuelles Bild betrachten. consider an enlarged virtual image. In diesem Fall liegt die Brechkraft (der Kehrwert der Brennweite) des optischen Systems nur im Konkavspiegel In this case, the refractive power is situated (the reciprocal of the focal length) of the optical system only in the concave mirror 102e 102e mit einem Krümmungsradius "r", und der Wert entspricht 2/r. with a radius of curvature "r", and the value is 2 / r.
  • [0115] [0115]
    Die The 14A 14A zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der, wie im Fall der bekannten Vorrichtung, angenommen ist, das Licht von einem Display shows an embodiment of the invention, in which, as in the case of the known device, it is assumed that light from a display 9f 9f emittiertes zirkular polarisiertes Licht ist. is emitted circularly polarized light. Dieses Einfallslicht durchläuft die konvexe Fläche einer plankonvexen Linse This incident light passes through the convex surface of a plano-convex lens 1f 1f , es wird an dieser gebrochen und es läuft in ihr bis zu einem benachbarten cholesterischen Flüssigkristallelement It is broken at this and it runs in her up to an adjacent cholesteric liquid crystal element 6f 6f , wo das Licht zurückreflektiert wird. Where the light is reflected back. Das reflektierte Licht wird dann vergrößert und durch die interne konkave Fläche der plankonvexen Linse The reflected light is then magnified and by the internal concave surface of the plano-convex lens 1f 1f mit Halbspiegelbeschichtung reflektiert, und es erreicht erneut das cholesterische Flüssigkristallelement reflected by half mirror coating, and it again reaches the cholesteric liquid crystal element 6f 6f . , Dabei läuft das Licht durch das Element The light passes through the element 6f 6f , und es fällt auf die Augen E des Benutzers. And it falls on the eye E of the user. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich in den folgenden zwei Punkten vom Stand der Technik: Erstens wird das Einfallslicht durch die konvexe Linse der Linse The illustrated embodiment differs in the following two points from the prior art: First, the incident light by the convex lens of the lens 1f 1f gebrochen, wenn es das erste Mal durch diese läuft, und zweitens erfolgt die Reflexion von Licht an der inneren konvexen Fläche in Glas oder Kunststoff mit einem Brechungsindex über dem der Luft. broken when it runs for the first time by this and, secondly, the reflection of light takes place on the inner convex surface of glass or plastic having a refractive index higher than that of air. Dank dieser Merkmale verfügt das optische System der dargestellten Ausführungsform über erhöhte Brechkraft und verringerte Brennweite bei derselben Konfiguration wie der des bekannten Linsensystems. Thanks to these features, the optical system of the illustrated embodiment has increased power and reduced focal length in the same configuration as that of the known lens system.
  • [0116] [0116]
    Diese Vorteile können wie folgt bewertet werden. These advantages can be evaluated as follows.
  • [0117] [0117]
    Wenn die konvexe Fläche der plankonvexen Linse When the convex surface of the plano-convex lens 1f 1f über denselben Krümmungsradius "r" wie beim Stand der Technik verfügt und der Brechungsindex des Glases oder des Kunststoffmediums 1,5 entspricht, kann die Linse eine Brechkraft von 0,5/r ausüben, um das Licht zu brechen, und die optische Brechkraft 3/r, um das Licht an der inneren konkaven Fläche zu reflektieren. on the same radius of curvature "r" has as in the prior art and corresponds to the refractive index of the glass or the plastic medium is 1.5, the lens can exert a power from 0.5 / R to refract the light, and the optical power 3 / r to reflect the light on the inner concave surface. Demgemäß liegt die sich ergebende optische Brechkraft der Linse mit der Dicke t im Bereich von 3/r bis 3,5/r, wenn t ≥ r/4 gilt. Accordingly, the resulting optical power of the lens with the thickness t is in the range of 3 / r to 3.5 / r if t ≥ r / 4 applies. Dh, dass es gemäß der Erfindung möglich ist, ein optisches System zu schaffen, dessen optische Brechkraft das 1,5- bis 1,75-fache derjenigen eines ähnlich aufgebauten herkömmlichen optischen Systems ist und dessen Brennweite entsprechend verkürzt ist. That is, according to the invention that it is possible to provide an optical system whose optical power is 1.5 to 1.75 times that of a similarly constructed is conventional optical system and the focal length is shortened accordingly. Die Anwendung eines so konzipierten optischen Systems bei einem am Kopf zu montierenden Display ist besonders effektiv, um ein stark vergrößertes Bild mit supergroßem Winkel bei erhöhtem Realitätsgrad in einem Gehäuse zu erzeugen, das dieselbe Größe wie bei dem herkömmlichen optischen System aufweist. The use of an optical system so designed to be mounted in a head-mounted display is particularly effective to produce a strongly enlarged image with super large angle at an elevated degree of reality in a housing having the same size as in the conventional optical system. Für eine andere Ausführungsform der Erfindung wird ein Beispiel mit detaillierterer Auswertung angegeben. For another embodiment of the invention, an example of detailed analysis will be given.
  • [0118] [0118]
    Eine weiter verbesserte optische Vorrichtung kann dadurch erhalten werden, dass ein cholesterischer Flüssigkristall als Dünnfilm auf einer ebenen Fläche einer plankonvexen Linse hergestellt wird, anstatt dass ein cholesterisches Flüssigkristallelement verwendet würde. A further improved optical device can be obtained, that a cholesteric liquid crystal is prepared as a thin film on a planar surface of a plano-convex lens instead of a cholesteric liquid crystal element were used. Ein Verfahren zum Herstellen eines cholesterischen Flüssigkristallfilms auf der ebenen Fläche einer plankonvexen Linse wird wie folgt beschrieben: es wird eine Mischlösung aus einem cholesterischen Flüssigkristallmonomer und einem Starter hergestellt und gleichmäßig auf die ebene Fläche der plankonvexen Linse aufgetragen. A process for producing a cholesteric liquid crystal film on the planar surface of a plano-convex lens is described as follows: A mixed solution of a cholesteric liquid crystal monomer and a starter prepared and applied uniformly to the planar surface of the planoconvex lens. Die auf die ebene Fläche der Linse aufgetragene Mischlösung wird dann einer Bestrahlung durch ultraviolettes Licht unterzogen. The applied onto the planar surface of the lens mixed solution is then subjected to irradiation by ultraviolet light. Der cholesterische Flüssigkristall polymerisiert, um darauf einen festen Film auszubilden. The cholesteric liquid crystal is polymerized to form thereon a solid film.
  • [0119] [0119]
    Ein am Kopf zu montierendes Display, das so aufgebaut ist, wie es in der A head-to-mount display, which is so constructed as in the 11 11 dargestellt ist, muss insbesondere ein optisches System mit verringerter Größe und verringertem Gewicht verwenden, das über minimierte Verzerrung verfügt. shows an optical system with reduced size and weight must use particular that has minimal distortion. Ein erfindungsgemäßes optisches System, das zur Verwendung in einem am Kopf zu montierenden Display vorgesehen ist, wird nachfolgend beschrieben und mit einer herkömmlichen optischen Vorrichtung verglichen. An inventive optical system is provided for use in a head-mounted display to be mounted will be described below and compared with a conventional optical device.
  • [0120] [0120]
    Als Erstes wird die erforderliche Spezifikation der optische Vorrichtung wie folgt bestimmt. First, the required specification of the optical device is determined as follows.
  • [0121] [0121]
    Das Gesichtsfeld, das dazu erforderlich ist, dass sich ein Benutzer subjektiv in eine Szene vertiefen kann, wird im Bereich von 100° angenommen. The field of view, this requires that a user can subjectively delve into a scene, it is assumed in the range of 100 °. Demgemäß muss die Diagonale des Gesichtsfeld 100° betragen, um für ein im am Kopf zu montierenden Display angezeigtes Bild einen intensiven Realitätseindruck zu erzeugen. Accordingly, must be 100 °, the diagonal of the visual field to produce an intense impression of reality for a displayed to be mounted in the head-mounted display image. Die Augen benötigen eine Austrittspupille von 12 mm, um das gesamte Gesichtsfeld zu erkennen. The eyes need an exit pupil of 12 mm, to see the entire field of view. Das Augenrelief muss 20 mm betragen, um es einem Benutzer mit Brille zu ermöglichen, das Bild zu sehen. The eye relief shall be 20 mm, to allow a user with glasses to see the image. Um an Gewicht des Displays einzusparen, dessen Diagonalgröße 40 mm beträgt, wird eine kleine Flüssigkristalltafel vom 1,6-Zoll-Typ verwendet. In order to save on weight of the display, whose diagonal size is 40 mm, a small liquid crystal panel of the 1.6-inch type is used.
  • [0122] [0122]
    Die erforderlichen Werte des Linsendurchmessers und der Brennweite werden gemäß den oben genannten Bedingungen bestimmt. The required values of the lens diameter and focal length are determined according to the above conditions. Um für ein Gesichtsfeld von 100° von jedem Punkt der Austrittspupille aus zu sorgen, muss die Linse über einen Durchmesser von 60 mm verfügen, der entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt wird: In order to ensure a visual field of 100 ° from each point of the exit pupil from the lens through a diameter of 60 mm needs to have, which is determined according to the following equation: (Linsendurchmesser) = (Durchmesser der Austrittspupille + 2·(Augenrelief) tan[(Gesichtsfeldwinkel)/2] (1) (Nugget diameter) = (diameter of the exit pupil + 2 · (eye relief) tan [(visual field angle) / 2] (1)
  • [0123] [0123]
    Die Linse muss über eine kurze Brennweite von 16,8 mm verfügen, die gemäß der folgenden Gleichung (2) berechnet wurde: The lens needs to have a short focal length of 16.8 mm, which was calculated according to the following equation (2): (Brennweite) = (Diagonalgröße der Tafel)/ (2 * tan[(Gesichtsfeldwinkel)/2]) (2) (Focal length) = (diagonal size of the panel) / (2 * tan [(visual angle) / 2]) (2)
  • [0124] [0124]
    Die oben genannte Spezifikation ist unten in der Tabelle 3 aufgelistet. The above specification is listed in Table 3 below.
  • [Tabelle 3] [Table 3]
  • [0125] [0125]
    Es werden zwei optische Systeme konzipiert, die den oben beschriebenen Anordnungen genügen, das eine gemäß der Erfindung und das andere gemäß dem Stand der Technik, und sie werden hinsichtlich ihres Funktionsvermögens miteinander verglichen. There are two optical systems designed to meet the arrangements described above, the one according to the invention and the other according to the prior art, and they are compared with respect to their functional assets. Die bekannte Vorrichtung verfügt über einen mit einem Halbspiegel beschichteten Konkavspiegel 102 g und ein cholesterisches Flüssigkristallelement 106 g, wie in der The known device has a concave mirror coated with a half mirror 102 g and a cholesteric liquid crystal element 106 g, as in the 16 16 dargestellt. shown. Wie oben beschrieben, wird ein Anzeigebild durch die optische Brechkraft des Konkavspiegels 102 g vergrößert, um ein virtuelles Bild zu erzeugen, das der Benutzer sieht. As described above, a display image is determined by the optical power of the concave mirror magnified 102 g to produce a virtual image that the user sees. Der Konkavspiegel 102 g muss so konzipiert sein, dass er über einen Krümmungsradius von 33,6 mm verfügt, da die Brennweite des optischen Systems 16,8 mm betragen muss. The concave mirror 102 g must be designed so that it has a radius of curvature of 33.6 mm, since the focal length of the optical system must be 16.8 mm. Ein derartiges Design kann jedoch nicht realisiert werden, da der Konkavspiegel 102 g eine Dicke von 18,5 mm aufweisen muss, so dass der Brennpunkt F innerhalb des Spiegels liegt. However, such a design may not be realized since the concave mirror 102 g must have a thickness of 18.5 mm, so that the focal point F is located within the mirror. Dh, dass das Display nicht im Brennpunkt platziert werden kann. That is, the display can not be placed in focus. Demgemäß wird die kürzeste Brennweite bei der bekannten Vorrichtung gemäß der folgenden Gleichung (3) zu 22,7 mm bestimmt: Accordingly, the shortest focal distance in the known device according to the following equation (3) is determined to 22.7 mm: (Brennweite) = 2 * (Dicke des Konkavspiegels) (Krümmungsradius des Konkavspiegels = 2 * (Brennweite) (Dicke des Konkavspiegels) = (Krümmungsradius des Konkavspiegels) – (Dicke des Konkavspiegels) 2 – (Linsenradius)2 (3) (Focal length) = 2 * (thickness of the concave mirror) (radius of curvature of the concave mirror = 2 * (focal length) (thickness of the concave mirror) = (radius of curvature of the concave mirror) - (thickness of the concave mirror) 2 - (lens radius) 2 (3)
  • [0126] [0126]
    Der maximale Gesichtsfeldwinkel, den die bekannte Vorrichtung bei der kürzesten Brennweite erzielen kann, wird zu 83° bestimmt, wodurch der erfor derlichen Spezifikation nicht genügt werden kann. The maximum field angle that the known device can achieve at the shortest focal length is determined to be 83 °, making the neces sary specification can not be satisfied.
  • [0127] [0127]
    Ein denselben Erfordernissen genügendes optisches System wird gemäß der Erfindung konzipiert. A same requirements sufficient optical system is designed according to the invention. Die The 17 17 veranschaulicht das konzipierte optische System, das sich vom bekannten System dadurch unterscheidet, dass der Raum zwischen einem Konkavspiegel illustrates the designed optical system of the prior art system differs in that the space between a concave mirror 2t 2t und einem cholesterischen Flüssigkristallelement and a cholesteric liquid crystal element 6t 6t mit einem Acrylharz with an acrylic resin 1t 1t ausgefüllt ist, das als vergrößernde Lichtbrechungseinrichtung dient, deren Brechungsindex 1,49 beträgt. is filled, which serves as a magnifying light refracting means whose refractive index is 1.49. Wenn das optische System dieselbe Konfiguration wie das bekannte System mit maximalen Gesichtsfeld aufweist, kann es dank des vergrößernden Brechungseffekts der Brechungseinrichtung lt eine Brennweite von 15,2 mm und einen Gesichtsfeldwinkel von 106°, der zum Erfüllen des Erfordernisses ausreichend groß ist, erzielen. If the optical system has the same configuration as the known system with maximum field of view, it may due to the enlarging refractive effect of the refraction device according to a focal length of 15.2 mm and a field angle of 106 °, which is sufficiently large to satisfy the requirement to achieve.
  • [0128] [0128]
    Es werden Petzvalradien für die bekannte Vorrichtung und die erfindungsgemäße Vorrichtung berechnet, um das Ausmaß ihrer Bildflächenkrümmung IP zu berechnen. There are computed to calculate the extent of their image surface curvature IP Petzvalradien for the known device and the device according to the invention. Der Petzvalradius der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt 45,1 mm, während derjenige der bekannten Vorrichtung 22,5 mm beträgt. The Petzval radius of the device according to the invention is 45.1 mm, while that of the known device is 22.5 mm. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich der Bildqualität der bekannten Vorrichtung um den Faktor 2 überlegen ist. This means that the device of the invention is superior by a factor 2 with regard to the image quality of the known device. Die Tabelle 4 ist eine Vergleichstabelle zum Vergleichen von Eigenschaften der zwei optischen Systeme. Table 4 is a comparison chart for comparing properties of the two optical systems.
  • [Tabelle 4] [Table 4]
  • [0129] [0129]
    Wie es aus der Tabelle 4 erkennbar ist, kann durch die Erfindung eine optische Vorrichtung geschaffen werden, die bei derselben Größe wie der der bekannten Vorrichtung über einen supergroßen Betrachtungswinkel verfügt, wie er durch den Stand der Technik nicht realisiert werden kann und die das Doppelte der Bildqualität des Stands der Technik gewährleistet. As can be seen from Table 4, an optical device may be provided by the invention, which has a super wide viewing angle at the same size as that of the known device, as it can not be realized by the prior art and that of the double image quality of the prior art guaranteed. Demgemäß verfügt ein am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems, wie in der Accordingly has a head to be mounted on the display using the optical system of the invention, as in the 18 18 dargestellt, über ein brillenartiges Gehäuse, das eine Hintergrundbeleuchtung shown, an eyeglass-like housing, the backlighting an 81 81 , eine Flüssigkristall Tafel A liquid crystal panel 91 91 und eine optische Vorrichtung and an optical device 11 11 , 61 enthält, die in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, das ein Bild mit erhöhtem Realitätseffekt und erhöhter Intensität anzeigen kann, wie sie ein Benutzer durch beliebige herkömmliche am Kopf zu montierende Displays nicht erfahren konnte. 61 contains, which are arranged in the order named, which can display an image with a higher reality effect and increased intensity, as they could not learn a user by any conventional displays to be mounted on the head.
  • [0130] [0130]
    Die Erfindung ist auch auf das Konzipieren eines optischen Systems gerichtet, das eine Kombination von Strahlen transmittierten und reflektierten Lichts von einem halbtransparenten oder selektiv halbtransparenten Spiegel entsprechend deren Polarisationseigenschaften nutzen kann, im Gegensatz zur herkömmlichen Vorrichtung, die nur reflektiertes Licht nutzt. The invention is also directed to the designing of an optical system, the transmitted rays by a combination and can use reflected light from a semi-transparent or selectively semi-transparent mirror according to their polarization characteristics, in contrast to the conventional device using only reflected light. Die Realisationsart der Erfindung ist der der oben genannten Ausführungsform ähnlich. The Realisationsart of the invention is similar to the above embodiment.
  • [0131] [0131]
    Die The 19 19 und and 20 20 sind Diagramme zum Erläutern von Funktionsprinzipien optischer Systeme, wobei es sich jeweils um ein wesentliches Element handelt, das eine erfindunsgemäße optische Vorrichtung bildet. are diagrams for explaining operating principles of optical systems, where a product contains an essential element that forms a erfindunsgemäße optical device.
  • [0132] [0132]
    Das in der The in 19 19 dargestellte optische System ist so konzipiert, dass zwei halbtransparente Spiegel shown optical system is designed so that two semi-transparent mirror 2g 2g und and 2'g 2'g , die einander gegenüberstehend angeordnet sind und ein Strahl Li unter Lichtstrahlen dazwischen eineinhalb Umläufe ausführt, wobei er vom strahlungsseitigen halbtransparenten Spiegel ausgeht, wobei die Wirkung der Transmission und Reflexion des Strahls unter Ändern seiner Polarisationsrichtung adaptiv konzipiert wird. Which are arranged opposite to each other and a beam of light rays Li therebetween executes rounds one and a half, whereby it emanates from the radiation-side semi-transparent mirror, wherein the effect of the transmission and reflection of the beam with changing its polarization direction is adaptively designed. Dh, dass ein derartig konzipiertes optisches System im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung über einen um den Faktor 3 verkürzten Lichtpfad und eine dreifach erhöhte optische Brechkraft (Vergrößerungsfaktor) seiner Brechungseinrichtung verfügt, da der Strahl denselben Brechungswirkungen unterzogen wird, wie wenn er durch drei einzelne Brechungseinrichtungen That is, that such a designed optical system of its refractive means has in comparison with the conventional apparatus has a shorter by a factor of 3 light path and a three-fold increase in optical power (magnification) because the beam is subjected to the same refraction effects, such as it passes through three single refractive means 1g 1g laufen würde. would run.
  • [0133] [0133]
    Das in der The in 20 20 dargestellte optische System verfügt über zwei halbtransparente Spiegel illustrated optical system has two semi-transparent mirror 2h 2h und and 2'h 2'H , die einander gegenüberstehend angeordnet sind, wobei einer der beiden oder beide ein gekrümmter Spiegel ( Which are arranged opposite to each other, wherein one or both of a curved mirror ( 2h 2h in diesem Fall) sein können. in this case) can be. Diese Spiegel These mirrors 2h 2h , . 2'h 2'H sind unter Berücksichtigung der Polarisationsrichtung von Licht im optischen System adaptiv konzipiert. are adaptively designed in consideration of the polarization direction of light in the optical system. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, die Belastung der zwischen den halbtransparenten Spiegeln By doing so, it is possible that the load between the semi-transparent mirrors 2h 2h , . 2'h 2'H verwendeten Brechungseinrichtung refraction device used 1h 1h zu verringern. to decrease. Das optische Design wird flexibler. The optical design is flexible. Es kann an Gewicht des optischen Systems eingespart werden (im Wesentlichen dadurch, dass die halbtransparenten Spiegel It can be saved in weight of the optical system (mainly the fact that the semi-transparent mirror 2h 2h und and 2'h 2'H anstelle der Brechungseinrichtung instead of refracting means 1f 1f die erforderliche Krümmung erhalten). the required curvature condition).
  • [0134] [0134]
    Jedoch sind die optischen Systeme der However, optical systems are the 19 19 und and 20 20 der Zweckdienlichkeit der Erläuterung ihrer Grundwirkungen wegen schematisch dargestellt, und sie können daher in der Praxis nicht als solche verwendet werden, da außer den erforderlichen Strahlen andere Strahlen vorhanden sein können, die direkt durch die halbtransparenten Spiegel laufen und mehr als 2,5 Umläufe ausführen, wodurch es zu Geisterbildern und Halobildung im Bild kommt. for the explanation of their fundamental effects due illustrated schematically and may therefore not in practice be used as such, because in addition to the required radiation other beams may be present, which run directly through the semi-transparent mirror and run more than 2.5 revolutions, thereby causing ghosting and halo formation in the image. Nachfolgend werden optische Systeme gemäß Ausführungsformen der Erfindung, mit denen die oben genannten Probleme gelöst sind, detailliert beschrieben. Subsequently, optical systems will be described in accordance with embodiments of the invention with which the abovementioned problems are solved, in detail.
  • [0135] [0135]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 21(C) 21 (C) wird ein die Erfindung nutzendes optisches System als Erstes entsprechend denselben Definitionen zu Koordinatenachsen und Rotationswinkeln, wie oben bestimmt (siehe die The invention is an optical-use system firstly according to the same definitions of coordinate axes and rotation angles, determined as above (see 21(A) 21 (A) und and 21(B) 21 (B) ) beschrieben. ) Described.
  • [0136] [0136]
    Das optische System der The optical system of the 21(C) 21 (C) verfügt über eine erste Polarisationsplatte has a first polarization plate 4i 4i , eine erste halbtransparente Platte A first semi-transparent plate 2i 2i , eine Vergrößerungslinse , A magnifying lens 1i 1i , eine erste Viertelwellenplatte A first quarter-wave plate 5i 5i , eine zweite halbtransparente Platte A second semi-transparent plate 2'i 2'i , eine zweite Viertelwellenplatte A second quarter-wave plate 5'i 5'i und eine zweite Polarisationsplatte and a second polarizing plate 4'i 4'i , die in der genannten Reihenfolge von links her (Einfallsseite, wie in der Darstellung gesehen) auf solche Weise angeordnet sind, dass jeweilige optische Elemente in einer xy-Ebene enthalten sind und normal auf einer optische Achse Ax des optischen Systems stehen. Which. In the order named from the left side (incident side, as seen in the figure) are arranged in such a manner that respective optical elements are contained in an xy plane and are normal to an optical axis Ax of the optical system Die erste und die zweite Polarisationsplatte The first and the second polarizing plate 4i 4i und and 4'i 4'i sind so angeordnet, dass durch sie laufendes polarisiertes Licht in der Richtung der y-Achse liegt, und die erste und die zweite Viertelwellenplatte are arranged so that through it running polarized light in the direction of the y-axis, and the first and second quarter-wave plate 5i 5i und and 5'i 5'i sind so angeordnet, dass ihre Kristallachsen einen Winkel von –45° mit der y-Achse bilden. are arranged so that their crystal axes form an angle of -45 ° with the y-axis.
  • [0137] [0137]
    Reflexions- und Transmissionsvorgänge für einen Strahl einfallenden Lichts im dargestellten optischen System sind die Folgenden. Reflection and transmission operations for an incident light beam in the optical system illustrated are as follows.
  • [0138] [0138]
    Licht, das von der linken Seite in die erste Polarisationsplatte Light emitted from the left side in the first polarization plate 4i 4i eingetreten ist, wird in linear polarisiertes Licht in der Richtung der y-Achse gewandelt. has occurred, is converted into linearly polarized light in the direction of the y-axis. Das polarisierte Licht durchläuft den ersten halbtransparenten Spiegel The polarized light passes through the first semitransparent mirror 2i 2i und die Linse and the lens 1i 1i (erster Durchlauf). (First pass). Wenn das Licht weiter durch die erste Viertelwellenplatte When the light continues through the first quarter-wave plate 5i 5i läuft, wird es in zirkular polarisiertes Licht gewandelt, das dann durch den zweiten halbtransparenten Spiegel running, it is converted into circularly polarized light which then passes through the second semitransparent mirror 2'i 2'i in zwei Gruppen von Strahlen aufgeteilt wird: eine Gruppe Li, die direkt dort austritt, und eine andere Gruppe L'i, die dort reflektiert wird. is divided into two groups of beams: a group Li emitting directly there, and another group L'i reflected there. Das direkt durchgelassene Licht Li wird erneut durch die zweite Viertelwellenplatte The directly transmitted light Li is again through the second quarter-wave plate 5'i 5'i in linear polarisiertes Licht gewandelt. converted into linearly polarized light. Da die optische Achse der ersten und der zweiten Viertelwellenplatte Since the optical axis of the first and second quarter-wave plate 5i 5i und and 5'i 5'i in derselben Richtung liegen, ist das direkt durchgelassene Licht derselben Polarisation unterzogen, die es beim Durchlauf durch eine Halbwellenplatte aufweisen würde, und die endgültige Richtung dieses linear polarisierten Lichts ist um 90° verdreht, um mit der Richtung der x-Achse übereinzustimmen. lie in the same direction, the directly transmitted light of the same polarization is subjected to that would have it as it passes through a half wave plate, and the final direction of this linearly polarized light is rotated by 90 ° to coincide with the direction of x-axis. Dh, dass das linear polarisierte Licht seine Polarisationsrichtung um 90° ändert, wenn es durch zwei Viertelwellenplatten hindurchläuft, und daher wird es durch die zweite Polarisationsplatte That is, the linearly polarized light by 90 ° its polarization direction changes as it passes by two quarter-wave plates, and therefore, it is through the second polarizing plate 4'i 4'i absorbiert. absorbed. So kann eine Beeinträchtigung des Anzeigebilds durch direkt durchgelassenes Licht Li verhindert werden. Thus, deterioration of the display image can be prevented by directly transmitted light Li.
  • [0139] [0139]
    Andererseits läuft das durch den zweiten halbtransparenten Spiegel On the other hand runs by the second semi-transparent mirror 2'i 2'i reflektierte Licht L'i erneut durch die erste Viertelwellenplatte reflected light L'i again through the first quarter-wave plate 5i 5i , um in der Richtung der x-Achse linear polarisiertes Licht gewandelt zu werden. To be converted, linearly polarized light in the direction of the x-axis. Das linear polarisierte Licht durchläuft dann erneut (zweiter Durchlauf) die Linse The linearly polarized light passes through again (second pass) the lens 1i 1i , und es erreicht den ersten halbtransparenten Spiegel And it reaches the first semi-transparent mirror 2i 2i , durch den es erneut als linear polarisiertes Licht in derselben Richtung der x-Achse reflektiert wird (da seine Polarisationsrichtung nicht durch Reflexion geändert werden kann). By which it is reflected again as linearly polarized light in the same direction of the x-axis (because its direction of polarization can not be changed by reflection). Das Licht durchläuft die Linse The light passes through the lens 1i 1i (dritter Durchlauf), und dann durchläuft es die Viertelwellenplatte (Third cycle), and then it passes through the quarter-wave plate 5i 5i , wobei es in zirkular polarisiertes Licht gewandelt wird, dessen Strahlen dann durch den zweiten halbtransparenten Spiegel Wherein it is converted into circularly polarized light whose rays then through the second semitransparent mirror 2'i 2'i in zwei Gruppen aufgeteilt wird: eine Gruppe L'i läuft durch ihn hindurch, und die andere Gruppe wird dort reflektiert. is divided into two groups: one group L'i runs through it, and the other group is reflected there. Das durchlaufende Licht L'i wird durch die zweite Viertelwellenplatte The light passing through L'i is determined by the second quarter-wave plate 5'i 5'i in linear polarisiertes Licht gewandelt, dessen Richtung mit der y-Achse übereinstimmt, da das Licht zweimal mehr als das direkt durchgelassene Licht durch die Viertelwellenplatte converted into linearly polarized light whose direction coincides with the y-axis coincides, since the light twice more than the directly transmitted light through the quarter-wave plate 5i 5i gelaufen ist. went.
  • [0140] [0140]
    Demgemäß durchläuft das Licht L'1 die zweite Polarisationsplatte Accordingly, the light passes through the second polarizer plate L'1 4'i 4'i , und es wird von einer optischen Vorrichtung oder einem Betrachter genutzt. And it is used by an optical device or a viewer. Da am zweiten halbtransparenten Spiegel Since the second semi-transparent mirror 2'i 2'i reflektierte Licht (wie das zuvor reflektierte Licht) läuft zwischen den halbtransparenten Spiegeln und kehrt zum zweiten halbtransparenten Spiegel reflected light (like the previously reflected light) passes between the semi-transparent mirrors and returns to the second semi-transparent mirror 2'i 2'i zurück, und läuft durch diesen. back, and runs through it. Das Licht ist zweimal durch die Viertelwellenplatte The light is twice through the quarter-wave plate 5i 5i gelaufen, und es ist in der Richtung der x-Achse polarisiert, und demgemäß wird es durch die zweite Polarisationsplatte gone, and it is polarized in the direction of the x-axis, and accordingly, it is through the second polarizing plate 4'i 4'i absorbiert. absorbed. So kann eine Beeinträchtigung eines Anzeigebilds durch das Licht mit 2,5 Umläufen verhindert werden. Thus, an impairment of a display image by the light can be prevented with 2.5 rounds.
  • [0141] [0141]
    Das vom dargestellten optischen System zur weiteren Nutzung in einer optischen Vorrichtung emittierte Licht wird als Signallicht definiert, und anderes Licht, das ein Bild beeinträchtigen kann, wird als Störlicht definiert. The emitted for further use in an optical device from the optical system shown light is defined as a signal light, and other light that can affect an image is defined as a stray. Die Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse ein weiteren Untersuchung von Lichtstrahlen, die durch die halbtransparenten Spiegel des optischen Systems laufen. Table 5 shows the results of a further study of light rays passing through the semi-transparent mirror of the optical system.
  • [Tabelle 5] [Table 5]
  • [0142] [0142]
    Wie es aus der Tabelle 5 erkennbar ist, werden Lichtstrahlen, die 0,5, 2,5 und 4,5 Umläufe ausführten, alle in der Polarisationsplatte As can be seen from Table 5, light rays, which exported 0.5, 2.5 and 4.5 rounds, all in the polarizing plate 4'i 4'i absorbiert, und Lichtstrahlen, die 1,5 und 3,5 Umläufe ausführten, laufen ohne Absorption durch sie hindurch. absorbed, and rays of light which exported 1.5 and 3.5 rounds to run without absorption through them. Licht, das 1,5 Durchläufe ausgeführt hat, ist es erforderliches Signallicht, und Licht, das 3,5 Umläufe ausgeführt hat, ist Störlicht, das während seiner Umläufe gestreut wird und im Ausmaß 1/16 in Beziehung zur Signallichtintensität geschwächt wird. Light that has executed 1.5 passes, it is required signal light, and light that has executed 3.5 revolutions, disturbance light is scattered during its revolutions and is weakened in relation to the extent of 1/16 in signal light intensity. Dh, dass das stärkste Störlicht in seiner Intensität auf 1/16 des Signallichts beschränkt ist. That is, the strongest flare is limited in its intensity to 1/16 of the signal light. So kann der Effekt von Störlicht auf ein Anzeigebild minimiert werden. Thus, the effect of stray light can be minimized to a display image.
  • [0143] [0143]
    Ein ähnliches erfindungsgemäßes optisches System kann unter Verwendung von Dünnfilmen eines cholesterischen Flüssigkristalls realisiert werden, wie es in der A similar optical system according to the invention can be realized by using thin films of a cholesteric liquid crystal, as disclosed in 22 22 dargestellt ist. is shown. Beim dargestellten System ist ein cholesterischer Flüssigkristall Film In the depicted system, a cholesteric liquid crystal film 6m 6m dazu vorgesehen, in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht R zu reflektieren und in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht L durchzulassen. provided for this purpose, circularly polarized light to reflect R in the clockwise direction and pass in the counterclockwise circularly polarized light L. Linear polarisiertes Einfallslicht von der linken Seite (wie in der Darstellung gesehen) gelangt in das optische System, in dem es durch eine Viertelwellenplatte Linearly polarized incident light from the left side (as seen in the illustration) enters the optical system in which it through a quarter-wave plate 5m 5m in in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht R gewandelt wird, 1,5 Umläufe zwischen einem Halbspiegel is converted into in the clockwise circularly polarized light R, 1.5 rounds between a half mirror 2m 2m und einem cholesterischen Flüssigkristallfilm and a cholesteric liquid crystal film 6m 6m ausführt und schließlich den letzteren nach rechts durchläuft. executes and finally passes through the latter to the right. Das Licht durchläuft die Linse The light passes through the lens 1m 1m dreimal, um denselben vergrößernden Brechungseffekt zu erhalten, wie es ihn erhalten kann, wenn es drei einzelne Brechungseinrichtung durchläuft. three times to get the same magnification refraction effect, as it can get it, if it goes through three distinct diffraction means. Es ist möglich, die beschriebene Richtung des polarisierten Lichts und die beschriebene Rotationsrichtung des zirkular polarisierten Lichts zu ändern. It is possible to change the direction of the polarized light as described, and the rotation direction of the circularly polarized light as described.
  • [0144] [0144]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 23(C) 23 (C) und and 24 24 wird nachfolgend eine die Erfindung verkörperndes optisches System beschrieben, wobei dieselben Definitionen zu Koordinatenachsen und Rotationswinkeln wie zuvor bestimmt (siehe die describes an optical system embodying the invention below, with the same definitions of coordinate axes and rotation angles as previously determined (see 21(A) 21 (A) und and 21(B) 21 (B) ) verwendet werden. ) Be used.
  • [0145] [0145]
    Das optische System der The optical system of the 23(C) 23 (C) verfügt über ein Flüssigkristalldisplay has a liquid crystal display 9j 9y , einen polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel A polarized light selecting semitransparent mirror 3j 3y , eine Vergrößerungslinse , A magnifying lens 1j 1j , eine erste Viertelwellenplatte A first quarter-wave plate 5j 5y , eine halbtransparente Platte A semi-transparent plate 2j 2j , eine zweite Viertelwellenplatte A second quarter-wave plate 5'j 5'j und eine Polarisationsplatte and a polarizing plate 4j 4y , die in der angegebenen Reihenfolge von links her (Einfallsseite, wie aus der Darstellung erkennbar) auf solche Weise angeordnet sind, dass jeweilige optische Elemente in einer xy-Ebene enthalten sind und sie normal auf einer optischen Achse Ax des optischen Systems stehen. Which. In the stated order from the left side (incident side, as seen from the illustration) are arranged in such a manner that respective optical elements are contained in an xy plane and are normal to an optical axis Ax of the optical system In der In the 23(C) 23 (C) bezeichnet E die Augen eines Betrachters. E denotes the eyes of an observer. Der polarisiertes Licht auswählendes halbtransparente Spiegel The polarized light Picking semi-transparent mirror 3j 3y und die Polarisationsplatte and the polarizing plate 4j 4y sind so angeordnet, dass durch sie laufendes polarisiertes Licht in der Richtung der y-Achse liegen kann, und die erste und die zweite Viertelwellenplatte are arranged so that through it running polarized light in the direction of the y-axis may be, and the first and second quarter-wave plate 5j 5y und and 5'j 5'j sind so angeordnet, dass ihre Kristallachsen einen Winkel von –45° zur y-Achse bilden können. are arranged so that their crystal axes can form an angle of -45 ° to the y-axis.
  • [0146] [0146]
    Dieses optische System unterscheidet sich vom optischen System der This optical system is different from the optical system of the 21 21 dadurch, dass es den polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel in that it the polarized light selecting semitransparent mirror 3j 3y anstelle der ersten Polarisationsplatte instead of the first polarizing plate 4'j 4'j und des halbtransparenten Spiegels and the semi-transparent mirror 2i 2i des Systems der of the system of 21 21 verwendet. used. Wie es in der As in the 25 25 dargestellt ist, ist der polarisiertes Licht auswählende Spiegel is shown, the polarized light is selective mirror 3j 3y ein Spiegel, der 100% von Licht durchlässt, das in einer spezifizierten Richtung polarisiert ist, und 100% des Lichts reflektiert, das linear in der dazu rechtwinkligen Richtung polarisiert ist. a mirror that transmits 100% of light which is polarized in a specified direction, and 100% of the light reflected, which is linearly polarized in the direction perpendicular thereto. ZB lässt der Licht auswählende halbtransparente Spiegel For example, does the light selective semi-transparent mirror 3j 3y der the 25 25 horizontal polarisiertes Licht Li durch, und er reflektiert vertikal polarisiertes Licht L'i, bezogen auf die Darstellung. horizontally polarized light by Li, and it reflects vertically polarized light L'i, based on the representation.
  • [0147] [0147]
    Dieser polarisiertes Licht auswählende halbtransparente Spiegel This polarized light selective semi-transparent mirror 3 3 kann unter Verwendung desselben Prinzips hergestellt werden, gemäß dem ein Metalldrahtgitter hergestellt wird, bei dem es sich um ein rahmenartiges Element mit eng gleich beabstandeten, parallelen Metalldrähten can be prepared using the same principle, according to which a metal wire mesh is prepared which is closely spaced equal to a frame-like member having parallel metal wires 40 40 handelt. is. Es wurde zur Verwendung zu Versuchen zur Polarisation von Radiowellen entwickelt. It is designed for use on experiments on polarization of radio waves. Das Metalldrahtgitter wirkt als Polarisationselement, wenn der Abstand zwischen Metalldrähten deutlich kürzer als die Radiowellenlänge ist und das Drahtmaterial Reflexionseigenschaften für Radiowellen zeigt. The metal wire mesh acts as a polarization element, if the distance between metal wires is significantly shorter than the radio wavelength and the wire material shows reflection characteristics for radio waves. Das Gitter reflektiert polarisiertes Licht, dessen Richtung parallel zur Reihe der Metalldrähte verläuft, und es lässt polarisiertes Licht durch, dessen Richtung rechtwinklig zur Reihe der Metalldrähte verläuft. The grating reflects polarized light whose direction is parallel to the row of the metal wires, and it is possible by polarized light whose direction is perpendicular to the row of the metal wires. Ein anderes Element kann in ähnlicher Weise mit Licht arbeiten, wenn es über eine Reihe paralleler Metalldrähte mit einem Abstand verfügt, der deutlich kürzer als die Lichtwellenlänge ist. Another element can operate in a similar way with light when it has a series of parallel metal wires having a pitch which is significantly shorter than the wavelength of light. Es kann als polarisiertes Licht auswählender halbtransparenter Spiegel dienen, der polarisiertes Licht reflektiert, dessen Richtung parallel zur Reihe der Drähte verläuft, und der polarisiertes Licht durchlässt, dessen Richtung rechtwinklig zur Reihe der Drähte verläuft. It can serve as a polarized light selective semitransparent mirror that reflects the polarized light whose direction is parallel to the row of wires, and transmits the polarized light whose direction is perpendicular to the row of wires.
  • [0148] [0148]
    Es existieren zwei praxisgerechte Verfahren zum Herstellen des oben genannten, polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegels. There are two practical method for producing the above-polarized light selecting semitransparent mirror. Das erste Verfahren besteht im Herstellen eines dünnen Films mit einer Reihe darauf parallel angeordneter Metallwhiskers (sehr feine Drähte). The first method consists in producing a thin film having thereon a series of parallel Metallwhiskers (very fine wires). Dieses Verfahren wurde bereits zum Herstellen von Polarisationsplatten für Infrarotstrahlung verwendet. This method has already been used for the production of polarizing plates to infrared radiation. Das zweite Verfahren besteht im Einätzen eines Gittermusters mit einer Reihe feiner Drähte in. ein Substrat unter Verwendung einer Fotolitho grafietechnik, wie sie zur Herstellung von ICs und Flüssigkristalltafeln entwickelt wurde. The second method consists in etching a grating pattern with a number of fine wires in. A substrate using a photolithography grafietechnik, as developed for the production of integrated circuits and liquid crystal panels. Derzeit ist es möglich, mit diesem Verfahren Linien von jeweils 20 nm Breite zu ätzen. Currently, it is possible to etch with this method lines of 20 nm width. Demgemäß kann ein Muster gleich beabstandeter paralleler Drähte mit einem Abstand erhalten werden, der deutlich kürzer als die Wellenlänge sichtbaren Lichts ist. Accordingly, a pattern of equally spaced parallel wires are obtained with a distance which is much shorter than the wavelength of visible light. Die The 27 27 ist eine vergrößerte Ansicht eines polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegels, der durch das Fotolithografieverfahren hergestellt wurde. is an enlarged view of a polarized light selecting semitransparent mirror which has been prepared by the photolithography method. Feine Metalldrähte Fine metal wires 51 51 aus Metall, zB Aluminium, sind auf einem lichtdurchlässigen Glassubstrat made of metal, such as aluminum, are situated on a light-transmissive glass substrate 50 50 ausgebildet. formed. Der Abstand D zwischen Metalldrähten The distance D between metal wires 51 51 darf nicht größer als 100 nm sein, da er kürzer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sein muss. must not be greater than 100 nm, since it must be shorter than the wavelength of visible light.
  • [0149] [0149]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 23 23 wird nun die Reflexion und Transmission von Licht im halbtransparenten System detailliert wie folgt beschrieben. will now detail the reflection and transmission of light in the semi-transparent system, described as follows.
  • [0150] [0150]
    Licht vom Flüssigkristalldisplay Light from the liquid crystal display 9j 9y wird als in der Richtung der y-Achse polarisiert angenommen. is assumed to be polarized in the direction of the y-axis. Das linear polarisierte Licht durchläuft als Erstes den polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel The linearly polarized light passes through the first thing the polarized light selecting semitransparent mirror 3j 3y und dann die Linse and then the lens 1j 1j (erster Durchlauf). (First pass). Wenn das Licht weiter durch die erste Viertelwellenplatte When the light continues through the first quarter-wave plate 5j 5y läuft, wird es in zirkular polarisiertes Licht gewandelt, das dann durch den zweiten halbtransparenten Spiegel running, it is converted into circularly polarized light which then passes through the second semitransparent mirror 2'j 2'j in zwei Gruppen von Strahlen aufgeteilt wird: eine Gruppe Li läuft direkt hindurch, und die andere Gruppe L'i wird an ihm reflektiert. is divided into two groups of beams: a group Li runs right through it, and the other group L'i reflected on him. Das direkt durchgelassene Licht Li wird erneut durch die zweite Viertelwellenplatte The directly transmitted light Li is again through the second quarter-wave plate 5'j 5'j in linear polarisiertes Licht gewandelt. converted into linearly polarized light. Da die Kristallachsen der ersten und der zweiten Viertelwellenplatte Since the crystal axes of the first and second quarter-wave plate 5j 5y und and 5'j 5'j in derselben Richtung ausgerichtet sind, ist das direkt durchgelassene Licht derselben Polarisation unterzogen wie dann, wenn es durch eine Halbwellenplatte gelaufen wäre, und die abschließende Richtung dieses linear polarisierten Lichts ist um 90° gedreht, um mit der Richtung der x-Achse übereinzustimmen. are aligned in the same direction, the directly transmitted light of the same polarization is subjected as if it would be passed through a half wave plate, and the final direction of this linearly polarized light is rotated by 90 ° to coincide with the direction of x-axis. Dh, dass das linear polarisierte Licht seine Polarisationsrichtung um 90° ändert, wenn es durch zwei Viertelwellenplatten durchläuft, weswegen es dann durch die zweite Polarisationsplatte That is, the linearly polarized light by 90 ° its polarization direction changes as it runs through by means of two quarter-wave plates, so it then through the second polarizing plate 4'j 4'j absorbiert wird. is absorbed. So kann eine Beeinträchtigung eines Anzeigebilds durch direkt durchgelassenes Licht Li verhindert werden. Thus, an impairment of a display image can be prevented by directly transmitted light Li.
  • [0151] [0151]
    Andererseits läuft das durch den zweiten halbtransparenten On the other hand runs by the second semi-transparent 2'j 2'j reflektierte Licht L'i erneut durch die erste Viertelwellenplatte reflected light L'i again through the first quarter-wave plate 5j 5y , um in linear polarisiertes Licht in der Richtung der x-Achse gewandelt zu werden. To be converted into linearly polarized light in the direction of the x-axis. Dann läuft das linear polarisierte Licht erneut (zweiter Durchlauf) durch die Linse Then, the linearly polarized light again (second pass) passes through the lens 1j 1j , und es erreicht den polarisierte Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel And reaches the polarized light selecting semitransparent mirror 3j 3y , durch den es erneut reflektiert wird, da es in der Richtung der x-Achse linear polarisiert ist (da die Richtung seiner Polarisation durch Reflexion nicht geändert werden kann). By which it is reflected again, since it is linearly polarized in the direction of the x-axis (as the direction of its polarization by reflection can not be changed). Das Licht durchläuft die Linse The light passes through the lens 1j 1j (dritter Durchlauf) und dann durchläuft es die erste Viertelwellenplatte (Third pass) and then it goes through the first quarter-wave plate 5j 5y , wobei es in zirkular polarisiertes Licht gewandelt wird, dessen Strahlen dann durch den zweiten halbtransparenten Spiegel Wherein it is converted into circularly polarized light whose rays then through the second semitransparent mirror 2'j 2'j in zwei Gruppen aufgeteilt wird: eine Gruppe L'i durchläuft ihn, und die andere Gruppe wird an ihm reflektiert. is divided into two groups: one group L'i passes through it, and the other group is reflected at it. Das durchlaufende Licht L'i wird durch die zweite Viertelwellenplatte The light passing through L'i is determined by the second quarter-wave plate 5'j 5'j in linear polarisiertes Licht gewandelt, dessen Richtung mit der y-Achse übereinstimmt, da das Licht zweimal mehr als das direkt durchgelassene Licht Li durch die Viertelwellenplatte converted into linearly polarized light whose direction coincides with the y-axis coincides, since the light twice more than the directly transmitted light Li through the quarter-wave plate 5j 5y gelaufen ist. went. Demgemäß läuft das Licht durch die zweite Polarisationsplatte Accordingly, the light passes through the second polarizing plate 4'j 4'j , und es fällt auf die Augen E eines Betrachters. And it falls on the eye E of an observer. Das am zweiten halbtransparenten Spiegel The semi-transparent mirror on the second 2'j 2'j reflektierte Licht (wie das zuvor reflektierte Licht) läuft zum polarisierte Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel reflected light (like the previously reflected light) runs to the polarized light selecting semitransparent mirror 3j 3y , und es durchläuft diesen, da es in der Richtung der y-Achse polarisiert ist, und es wird demgemäß durch das Flüssigkristalldisplay , And passes through this, since it is polarized in the direction of the y-axis, and it is accordingly through the liquid crystal display 9j 9y absorbiert. absorbed. So kann eine Beeinträchtigung eines Anzeigebilds durch übermäßig reflektiertes Licht verhindert werden. Thus, an impairment of a display image can be prevented by excessive reflected light.
  • [0152] [0152]
    Wie oben beschrieben, läuft bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung Licht dreimal durch die Linse As described above, light travels in the illustrated embodiment of the invention three times through the lens 1j 1j , die daher eine dreifache optische Brechkraft ausüben kann. Which can exert a triple optical power therefore. In der Praxis muss ein herkömmliches optisches System unter Verwendung nur eines optischen Elements drei Linsen enthalten, wie es in der In practice, must be a conventional optical system using only an optical element containing three lenses, as in the 24 24 dargestellt ist, um dieselbe optische Brechkraft des optischen Systems der is shown to have the same optical power of the optical system of the 23 23 zu erzielen. to achieve. Im Vergleich mit dem herkömmlichen optischen System der In comparison with the conventional optical system of the 24 24 , das Licht von einem Flüssigkristalldisplay empfängt, und es durch drei einzelne optische Linsen , The light from a liquid crystal display receives and it through three separate optical lenses 101f 101f , . 101'f 101'f und and 101''f 101''f schickt, kann das erfindungsgemäße optische System der sends to the invention of the optical system can 23 23 eine beträchtliche Einsparung der Länge des optischen Pfads und eine Gewichtseinsparung um den Faktor 3 dank des Effekts einer verringerten Anzahl von Linsen erzielen. achieve a considerable saving of the length of the optical path and a weight reduction by a factor of 3 due to the effect of a reduced number of lenses. Dieser Vorteil wird bei einem optischen System mit vergrößertem Gesichtsfeldwinkel unter Verwendung einer Linse größeren Durchmessers realisiert. This advantage is realized in an optical system with an enlarged visual field angle using a lens of larger diameter. Demgemäß ist das erfindungsgemäße optisches System besonders effektiv, um ein kompaktes und leichtes Display mit großem Betrachtungswinkel zu erzeugen. Accordingly, the inventive optical system is especially effective to produce a compact and lightweight display with wide viewing angle.
  • [0153] [0153]
    Die Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse einer weiteren Untersuchung der Transmissionseffizienz für Lichtstrahlen, die zwischen dem polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel Table 6 shows the results of a further study of the transmission efficiency for light beams selective between the polarized light semi-transparent mirror 3j 3y und dem halbtransparenten Spiegel and the semi-transparent mirror 2j 2j des optischen Systems hin- und herlaufen, sowie die Intensität des Störlichts. of the optical system running to and fro, and the intensity of stray light.
  • [Tabelle 6] [Table 6]
  • [0154] [0154]
    Wie es aus der Tabelle 6 erkennbar ist, sind Vorteile dieser Ausführungsform gegenüber der vorigen, in der As can be seen from Table 6, are advantages of this embodiment over the preceding one, in the 21 21 dargestellten Ausführungsform die Folgenden: Der erste Vorteil besteht darin, dass das Verhältnis von Signallicht zu einfallendem Licht (dh die Transmissionseffizienz für das Signallicht) unter Verwendung eines polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegels anstelle eines halbtransparenten Spiegels erhöht wird. illustrated embodiment, the following: The first advantage is that the ratio of signal light to the incident light (ie, the transmission efficiency of the signal light) using a polarized light selecting semitransparent mirror is increased instead of a semi-transparent mirror. Das Signalverhältnis dieser Ausführungsform ist 1/4, während dasjenige der in der The signal ratio of this embodiment is 1/4, while that of the 21 21 dargestellten vorigen Ausführungsform 1/16 ist. previous embodiment shown is 1/16. Dh, dass die Transmissionseffizienz dieser Ausführungsform viermal höher als die der in der That is, the transmission efficiency of this embodiment, four times higher than that of in the 21 21 dargestellten Ausführungsform ist. embodiment illustrated. Der zweite Vorteil besteht darin, dass diese Ausführungsform das gesamte Störlicht beseitigen kann, wohingegen es die in der The second advantage is that this embodiment can eliminate the entire disturbance light, whereas in the the 21 21 dargestellte Ausführungsform erlaubt, das Störlicht im Verhältnis 1/16 zum Signallicht verbleibt. illustrated embodiment allows the flare in the ratio 1/16 remains the signal light.
  • [0155] [0155]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 28(B) 28 (B) wird ein die Erfindung verkörperndes optisches System wie folgt beschrieben. describes an optical system embodying the invention as follows.
  • [0156] [0156]
    Das optische System der The optical system of the 28(B) 28 (B) verfügt über einen ersten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel has a first polarized light selecting semitransparent mirror 3k 3k , eine Vergrößerungslinse , A magnifying lens 1k 1k , eine die Polarisationsebene drehende Einrichtung , A polarization plane rotating means 60k 60k und einen zweiten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel and a second polarized light selecting semitransparent mirror 3'k 3'k , die in der angegebenen Reihenfolge von der Einfallsseite her (der linken Seite bei Betrachtung der Darstellung) angeordnet sind. Which are arranged in the stated order from the incidence side (the left side as viewed in the diagram). Es sei angenommen, dass die Polarisationsebene von durch den ersten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel It is assumed that the plane of polarization of selective polarized light through the first semitransparent mirror 3k 3k gelaufenen Lichts auf die Richtung der y-Achse eingeschränkt ist ( overflowed light is limited to the direction of the y-axis ( 28(A) 28 (A) ) und die Polarisationsebene von durch den zweiten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel ) And the plane of polarization of selective by the second polarized light semi-transparent mirror 3'k 3'k laufenden Lichts auf diejenige Richtung eingeschränkt ist, die einen Winkel von 135° mit der Richtung der y-Achse bildet. is restricted to that of the current light direction which forms an angle of 135 ° with the direction of the y-axis. Die die Polarisationsebene drehende Einrichtung The polarization plane rotating device 60k 60k soll die Polarisationsebene von Licht um 45° in der Uhrzeigerrichtung um die optische Achse, gesehen entlang der Richtung des Lichtpfads, drehen. If the plane of polarization of light by 45 ° in the clockwise direction around the optical axis, as viewed along the direction of the light path, rotate.
  • [0157] [0157]
    Die Drehung der Polarisationsebene kann dadurch realisiert werden, dass zB ein Faraday-Rotationselement verwendet wird, das ein Element aus einem isotropen Medium wie homogenem Bleiglas The rotation of the plane of polarization can be realized, for example, that a Faraday rotation element is used, which is a member made of a homogeneous isotropic medium, such as lead glass 71 71 ist, das in einem Magnetfeld platziert ist, wie in der is, which is placed in a magnetic field, as in the 29 29 dargestellt, und das die Polarisationsebene linear polarisierten, darauf fallenden Lichts parallel zum Magnetfeld drehen kann, wobei das Ausmaß proportional zur Stärke des Magnetfelds ist. shown, and the linearly polarized, the polarization plane, the light incident on it can rotate parallel to the magnetic field, wherein the extent is proportional to the strength of the magnetic field.
  • [0158] [0158]
    In der In the 28(B) 28 (B) läuft von der linken Seite der Darstellung her einfallendes Licht durch den ersten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel runs from the left side of the diagram ago incident light through the first polarized light selecting semitransparent mirror 3k 3k , in dem es in linear polarisiertes Licht gewandelt wird, dessen Polarisationsebene auf die Richtung der y-Achse eingeschränkt ist. In which it is converted into linearly polarized light whose plane of polarization is limited to the direction of the y-axis. Das linear polarisierte Licht durchläuft die Linse The linearly polarized light passes through the lens 1k 1k (erster Durchlauf) und dann die die Polarisationsebene drehende Einrichtung (First run), and then the polarization plane rotating device 60k 60k , wodurch seine Polarisationsebene so gedreht wird, dass sie einen Winkel von 45° zur y-Achse bildet. , Whereby its plane of polarization is rotated so that it forms an angle of 45 ° to the y-axis. Dann wird das Licht durch den zweiten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel Then the light selecting through the second polarized light semi-transparent mirror 3'k 3'k vollständig reflektiert, da der Letztere so eingestellt ist, dass er polarisiertes Licht durchlässt, dessen Polarisationsebene einen Winkel von 135° zur y-Achse bildet. totally reflected, because the latter is adjusted so that it transmits polarized light whose plane of polarization makes an angle of 135 ° to the y-axis. Daher wird kein direktes Licht durchgelassen. Therefore, no direct light is transmitted. Das reflektierte Licht Li läuft erneut durch die die Polarisationsebene drehende Einrichtung The reflected light Li passes again through the polarization plane rotating device 60k 60k , wodurch seine Polarisationsebene auf einem Winkel von 90° gedreht wird. , Whereby its plane of polarization is rotated to an angle of 90 °. Das Licht durchläuft die Linse The light passes through the lens 1k 1k (zweiter Durchlauf) und es kehrt zum ersten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel (Second pass) and it returns to the first polarized light selecting semitransparent mirror 3k 3k zurück, durch den es vollständig reflektiert wird, da dieser Spiegel back, by which it is totally reflected, because these mirrors 3k 3k so ausgebildet ist, dass er Licht durchlässt, dessen Polarisationsebene einen Winkel von 0° bildet. is formed so as to transmit light whose plane of polarization makes an angle of 0 °. Daher kommt es dort zu keinen Lichtverlusten. Hence it is not there to light losses. Das reflektierte Licht durchläuft die Linse The reflected light passes through the lens 1k 1k (dritter Durchlauf) und die die Polarisationsebene drehende Einrichtung (Third cycle) and the polarization plane rotating device 60k 60k , wodurch seine Polarisationsebene auf 135° gedreht wird. , Whereby its plane of polarization is rotated to 135 °. Dann wird das Licht durch den zweiten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel Then the light selecting through the second polarized light semi-transparent mirror 3'k 3'k gestrahlt. blasted. Die Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse einer weiteren Untersuchung der Transmissionseffizienz von Lichtstrahlen, die zwischen den zwei polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegeln Table 7 shows the results of another investigation of the transmission efficiency of light beams, the polarized light selective between the two semi-transparent mirrors 3k 3k und and 3'k 3'k des optischen Systems hin- und herlaufen, und die Intensität von Störlicht. of the optical system back and forth, and the intensity of disturbance light.
  • [Tabelle 7] [Table 7]
  • [0159] [0159]
    Wie es aus der Tabelle 7 erkennbar ist, sind Vorteile dieser Ausführungs form gegenüber den zuvor beschriebenen, in den As can be seen from Table 7, are advantages of this form of execution with respect to those previously described in the 21 21 und and 23 23 veranschaulichten Ausführungsformen die folgenden: Der erste Vorteil besteht darin, dass das Verhältnis von Signallicht zu einfallendem Licht (dh die Transmissionseffizienz des Signallichts) auf 1 (100%) verbessert ist, während das Signalverhältnis bei den in den illustrated embodiments, the following: The first advantage is that the ratio of signal light to the incident light (ie, the transmission efficiency of the signal light) is enhanced to 1 (100%), while the signal at the ratio in the 21 21 und and 23 23 dargestellten Ausführungsformen 1/16 bzw. 1/4 beträgt. illustrated embodiments is 1/16 or 1/4. Der zweite Vorteil besteht darin, dass diese Ausführungsform das gesamte Störlicht beseitigen kann, wie die in der The second advantage is that this embodiment can eliminate the entire disturbance light, such as in the 23 23 dargestellte Ausführungsform. illustrated embodiment.
  • [0160] [0160]
    Die Merkmale der optischen Systeme bei den Ausführungsformen sind dergestalt, dass die Linse das Dreifache der optischen Brechkraft ausüben kann, wodurch eine dünne und leichte Vorrichtung mit hoher optischer Brechkraft auf einfache Weise dadurch realisiert werden kann, dass in ihr ein angemessenes der vorgeschlagenen optischen Systeme verwendet wird. The characteristics of the optical systems in the embodiments are such that the lens can perform three times of the optical power, whereby a thin and lightweight device having a high optical power can be realized in a simple manner by used in her a reasonable of the proposed optical systems will. Da Licht von einem Flüssigkristalldisplay linear polarisiertes Licht ist, kann es dadurch effektiv genutzt werden, dass die einfallsseitige Polarisationsplatte oder der polarisiertes Licht auswählende Spiegel mit ihrer Transmissionsrichtung so ausgerichtet werden, dass Übereinstimmung mit der Polarisationsebene des Lichts vom Flüssigkristalldisplay besteht. Since light of a liquid crystal display is linearly polarized light, it can be used effectively, that the incident side polarizing plate or the polarized light selective mirrors are aligned with its transmission direction so that consistence with the plane of polarization of light from the liquid crystal display.
  • [0161] [0161]
    Diese Ausführungsform ist der Struktur nach den in den This embodiment is the structure according to the in 21 21 , . 23 23 und and 28 28 dargestellten Ausführungsformen ähnlich, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein für polarisiertes Licht halbtransparenter Spiegel mit der Funktion eines halbtransparenten Spiegels oder ein halbtransparenten Spiegel selbst mit gekrümmter Fläche ausgebildet ist. embodiments shown similar, and it is characterized in that a semitransparent mirror polarized light is designed with the function of a semi-transparent mirror or a semi-transparent mirror itself with a curved surface. Diese Ausführungsform ist den in den This embodiment is in the 1 1 bis to 4 4 dargestellten Ausführungsformen auch dahingehend ähnlich, dass eine gekrümmte Fläche einer Linse (Brechungseinrichtung) mit einer Halbspiegelbeschichtung versehen ist und durchzulassendes Licht durch einen polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel ausgewählt wird. illustrated embodiments also similar in that a curved surface of a lens (refractive means) is provided with a half mirror coating and durchzulassendes light is selected by a polarized light selecting semitransparent mirror. Demgemäß sind in den Accordingly, in the 1 1 bis to 4 4 dargestellte gemeinsame Elemente auch bei dieser Ausführungsform anwendbar. common elements shown in this embodiment also applicable. Die Effekte der oben genannten Merkmale dieser Ausführungsform sind aus der Beschreibung ersichtlich, die für die in der The effects of the above-mentioned features of this embodiment are apparent from the description, for the 1 1 dargestellte Ausführungsform erfolgte. illustrated embodiment occurred.
  • [0162] [0162]
    Demgemäß ist ein kleines optisches System dieser Ausführungsform zur Verwendung in einem am Kopf zu montierenden Display besonders geeignet. Accordingly, a small optical system of this embodiment for use in a display to be mounted on the head is particularly suitable. Die The 30 30 veranschaulicht ein am Kopf zu montierendes Display, in dem die erfindungsgemäße optische Vorrichtung verwendet ist. illustrates a head-to-mount display, in which the inventive optical apparatus is used.
  • [0163] [0163]
    Das am Kopf zu montierende Display ist ein brillenartiges Gehäuse To mount the head-mounted display is a spectacles-like housing 10a 10a , in dem alle Komponenten enthalten sind. In which all components are contained. Das am Kopf zu montierende brillenartige Gehäuse To mount the head of spectacle-type housing 10n 10n enthält, in jedem von zwei Teilen, die den zwei Linsen einer Brille entsprechen, eine Hintergrundbeleuchtung includes, in each of two parts corresponding to the two lenses of a spectacle, a backlight 8n 8n , eine Flüssigkristalltafel A liquid crystal panel 9n 9n , einen polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel A polarized light selecting semitransparent mirror 3n 3n , eine Linse , A lens 1n 1n , eine erste Viertelwellenplatte A first quarter-wave plate 5n 5n , einen halbtransparenten Spiegel , A semi-transparent mirror 2n 2n , eine zweite Viertelwellenplatte A second quarter-wave plate 5'n 5'N und eine Polarisationsplatte and a polarizing plate 4n 4n in der angegebenen Reihenfolge von der vorderen Außenseite her. in the stated order from the front outer side. Ein Bild vom Flüssigkristalldisplay erreicht über das oben genannte optische System die Augen eines Betrachters. An image of the liquid crystal display accessed via the above optical system, the eyes of the beholder. Das am Kopf zu montierende Display muss so konzipiert werden, dass es für den Gebrauch bequem ist, was durch Verringern seiner Größe (bei minimalem Vorstehen des Linsenabschnitts) und des Gewichts (bei minimaler Belastung des Gesichts des Benutzers) erfolgt. To mount the head-mounted display must be designed so that it is convenient for use, which (with minimal protrusion of the lens portion) and the weight is by reducing its size (at minimum load on the user's face). Ein derartiges bequemes, dünnes und leichtes am Kopf zu montierendes Display kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung realisiert werden, die durch ihr weites Gesichtsfeld und eine Dicke gekennzeichnet ist, die um den Faktor 3 im Vergleich zum Fall einer herkömmlichen optischen Vorrichtung verringert ist. Such convenient, thin and light display on the head to be mounted can be realized by using the optical device of the invention, which is characterized by its wide field of view and a thickness which is reduced by a factor of 3 compared to the case of a conventional optical device.
  • [0164] [0164]
    Die folgende Beschreibung benutzt dieselben Definitionen für Koordinatenachsen und Rotationswinkel, wie sie oben bestimmt wurden. The following description uses the same definitions of coordinate axes and rotation angle, as determined above.
  • [0165] [0165]
    Die Kristallachse einer Viertelwellenplatte ist wie folgt definiert: Eine Polarisationslichtkomponente normal zur Kristallachse wird als gegenüber einer Polarisationslichtkomponente, die parallel zur Kristallachse verläuft, als um eine Viertel Wellenlänge verzögert definiert. The crystal axis of a quarter-wave plate is defined as follows: a polarized light component perpendicular to the crystal axis is used as compared to a polarized light component that is parallel to the crystal axis, defined as delayed by one-quarter wavelength.
  • [0166] [0166]
    Die The 31(C) 31 (C) veranschaulicht eine Anordnung mit einem Konkavspiegel illustrates an arrangement with a concave mirror 12p 12p , der mit einer Schicht eines cholesterischen Flüssigkristalls beschichtet ist, einer ersten Viertelwellenplatte That is coated with a layer of a cholesteric liquid crystal, a first quarter-wave plate 5p 5p , einem Faradayelement , A Faraday 60p 60p , einer zweiten Viertelwellenplatte , A second quarter-wave plate 5'p 5'P und einem Dünnfilm eines cholesterischen Flüssigkristalls and a thin film of a cholesteric liquid crystal 6p 6p , die in der angegebenen Reihenfolge von links her angeordnet sind. Which are arranged in the stated order from the left. Nun werden die folgenden Bedingungen angenommen. Now, the following conditions are assumed. Der cholesterische Flüssigkristall lässt in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht durch, und er reflektiert in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht. The cholesteric liquid crystal can be in the clockwise circularly polarized light, and reflects it in the counterclockwise circularly polarized light. Die Kristallachse der ersten Viertelwellenplatte The crystal axis of the first quarter-wave plate 5p 5p ist in der x-Achse (90°) ausgerichtet, und die Kristallachse der zweiten Viertelwellenplatte is aligned in the x-axis (90 °), and the crystal axis of the second quarter-wave plate 5'p 5'P ist unter einem Winkel von 135° ausgerichtet. is oriented at an angle of 135 °. Das Faradayelement The Faraday 60p 60p soll die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht um 45° drehen. to rotate by 45 ° the polarization plane of linearly polarized light. Einfallslicht vom Display ist in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht. Incident light from the display is circularly polarized light in the clockwise direction. Diese Bedingungen werden jedoch nur der Er läuterung halber angenommen, und sie beseitigen nicht die Möglichkeit, dass eine Kombination verschiedener Parameter verwendet wird, die im Prinzip ähnlich funktionieren kann. These conditions, however, only the purification He believed sake, and they do not eliminate the possibility that a combination of parameters is used, which can work similar in principle. Obwohl die Although the 31(C) 31 (C) der Erläuterung halber die Elemente getrennt voneinander darstellt, können sie in engem Kontakt miteinander zusammengebaut sein, um eine dünne, integrale Einheit zu bilden. of explanation, showing the elements separated from each other, they may be assembled in close contact with each other to form a thin, integral unit.
  • [0167] [0167]
    Licht tritt von links in das dargestellte optische System ein. Light enters from the left in the illustrated optical system. Dieses Einfallslicht ist in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisiert, und es durchläuft daher einen Konkavspiegel This incident light is circularly polarized in the clockwise direction, and therefore, it passes through a concave mirror 12p 12p , der mit einem cholesterischen Flüssigkristall beschichtet ist und dann die erste Viertelwellenplatte Coated with a cholesteric liquid crystal and then the first quarter-wave plate 5p 5p . , Es tritt aus diesem als linear polarisiertes Licht aus, dessen Polarisationsebene unter einem Winkel von 45° verläuft. It exits from this polarized light as a linearly whose plane of polarization extends at an angle of 45 °. Das linear polarisierte Licht wird einer weiteren Drehung seiner Polarisationsebene um 45° unterzogen, und es tritt aus ihr mit einer Polarisationsebene aus, die einen Winkel von 90° bildet. The linearly polarized light is subjected to further rotation of its polarization plane by 45 °, and it exits from its having a polarization plane forming an angle of 90 °. Dann wird das linear polarisierte Licht in in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht gewandelt, wenn es die zweite Viertelwellenplatte Then, the linearly polarized light is converted into circularly polarized light in the counterclockwise direction when the second quarter-wave plate 5'p 5'P durchläuft, deren Kristallachse unter 135° ausgerichtet ist. passes through whose crystal axis is oriented at 135 °. Dieses Licht wird durch das cholesterische Flüssigkristallelement This light is transmitted through the cholesteric liquid crystal element 6p 6p reflektiert, und es tritt als in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht in die zweite Viertelwellenplatte reflected, and it occurs in the counterclockwise direction as circularly polarized light in the second quarter-wave plate 5'p 5'P ein, aus der es als linear polarisiertes Licht mit einer unter 90° ausgerichteten Polarisationsebene austritt, das durch das Faradayelement a, from which it exits as linearly polarized light having an aligned polarization plane at 90 °, which through the Faraday element 60p 60p weiter in linear polarisiertes Licht gewandelt wird, dessen Polarisationsebene unter 135° verläuft. is further converted into linearly polarized light whose plane of polarization extends at 135 °. Das Licht durchläuft die erste Viertelwellenplatte The light passes through the first quarter-wave plate 5p 5p , um in in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht gewandelt zu werden. To be converted into circularly polarized light in the counterclockwise direction.
  • [0168] [0168]
    Das in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht von der ersten Viertelwellenplatte That in the counterclockwise circularly polarized light from the first quarter-wave plate 5p 5p wird durch den mit dem cholesterischen Flüssigkristall beschichteten Konkavspiegel is determined by the concave mirror coated with the cholesteric liquid crystal 12p 12p vergrößert und reflektiert, und es tritt dann als in der Gegenuhrzeigerrichtung zirkular polarisiertes Licht in die erste Viertelwellenplatte enlarged and reflected, and then passes in the counterclockwise direction as circularly polarized light in the first quarter-wave plate 5p 5p ein. a. Dieses Licht wird durch die optischen Wirkungen der ersten Viertelwellenplatte This light is transmitted through the optical effects of the first quarter-wave plate 5p 5p , des Faradayelements , The Faradayelements 60p 60p und der zweiten Viertelwellenplatte and the second quarter-wave plate 5'p 5'P in in der Uhrzeigerrichtung polarisiertes Licht gewandelt, und es erreicht das cholesterische Flüssigkristallelement converted into polarized light in the clockwise direction, and it reaches the cholesteric liquid crystal element 6p 6p , das in diesem Fall das in der Uhrzeigerrichtung zirkular polarisierte Licht durchlässt. That which passes in this case in the clockwise circularly polarized light. Das Licht durchläuft das Element The light passes through the element 6p 6p , und es fällt auf die Augen des Benutzers. And it falls on the user's eyes. Der Benutzer kann ein vergrößertes virtuelles Bild des Displays sehen. The user can see an enlarged virtual image of the display.
  • [0169] [0169]
    Unter Bezugnahme auf die With reference to the 32 32 wird der oben genannte Prozess wie folgt analysiert. Analyzing the above process as follows.
  • [0170] [0170]
    Die Funktion eines zusammengesetzten Elements aus einer ersten Viertelwellenplatte The function of a composite element from a first quarter-wave plate 5r 5r ( ( 5p 5p in der in the 31 31 ), einem Faradayelement ), A Faraday 60r 60r ( ( 60p 60p ) und einer zweiten Viertelwellenplatte ) And a second quarter-wave plate 5'r 5 'R ( ( 5'p 5'P ) kann so betrachtet werden, dass die Rotationsrichtung von zirkular polarisiertem Licht umgekehrt wird, das dort von links her durchtritt, wobei die Rotationsrichtung von zirkular polarisiertem Licht aufrecht erhalten wird, das dort von rechts her durchtritt. ) May be considered that the rotation direction of circularly polarized light is reversed, the passage therein from the left, where the direction of rotation of circularly polarized light is maintained, the through there from the right. Die Kombination einer optischen Einheit mit dieser Funktion mit dem cholesterischen Flüssigkristallelement The combination of an optical unit with this function with the cholesteric liquid crystal element 6p 6p ( ( 31 31 ) kann die folgenden Effekte erzeugen. ) Can produce the following effects.
  • [0171] [0171]
    Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung läuft Licht einmal durch den Konkavspiegel mit Halbspiegelbeschichtung, und es wird dort einmal reflektiert, wodurch jedesmal die Hälfte verloren geht. In the conventional apparatus described above, light passes once through the concave mirror with a half-mirror coating, and it is reflected there once, so each half is lost. Demgemäß beträgt die Transmissions-Gesamteffizienz der Vorrichtung selbst bei idealen Bedingungen (ohne weitere Lichtverluste) 25%. Accordingly, the overall transmission efficiency of the device even in ideal conditions (without loss of light) of 25%. Andererseits kann die oben beschriebene Anordnung eine vollständige Transmissionseffizienz von 100% erzielen, da in einem idealen cholesterischen Flüssigkristallelement keine Lichtverluste auftreten. On the other hand, can achieve a complete transmission efficiency of 100%, the arrangement described above, since no light losses occur in an ideal cholesteric liquid crystal element. Dh, es kann für ein optisches Bild sorgen, dessen Helligkeit das 4-Fache derjenigen der herkömmlichen Vorrichtung ist. That is, it can provide an optical image, whose brightness is 4 times that of the conventional device. Die Anwendung des optischen Systems dieser Ausführungsform bei einem am Kopf zu montierenden Display kann es ermöglichen, die Helligkeit des Displays um den Faktor 4 im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung zu verringern, und entsprechende Einsparungen der Größe und des Gewichts des am Kopf zu montierenden Displays zu realisieren. The application of the optical system of this embodiment in a head-mounted display can be mounted to make it possible to reduce the brightness of the display by a factor of 4 compared to the conventional device, and to realize savings corresponding to the size and weight of the head to be mounted displays ,
  • [0172] [0172]
    Dh, dass ein am Kopf zu montierendes Display so konzipiert werden muss, dass es dadurch für den Gebrauch bequem ist, dass Größe (bei minimalem Vorstehen des Linsenteils) und Gewichts (bei minimaler Belastung des Gesichts eines Benutzers) erzielt werden. This means that a head-to-mount display must be designed so that it is comfortable for use by that size (with minimal protrusion of the lens part) and weight are achieved (at minimum load on the face of a user). Ein derartiges bequemes, dünnes und leichtes am Kopf zu montierendes Display kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung realisiert werden, die durch ihr großes Gesichtsfeld und verringerte Dicke (1/4 im Fall der Such a comfortable, thin and light on the head to be mounted display can be realized by using the optical device according to the invention, which because of their wide field of view and reduced thickness (1/4 in the case of 12(A) 12 (A) im Vergleich zur herkömmlichen optischen Vorrichtung) gekennzeichnet ist. is marked in comparison to the conventional optical device).
  • [0173] [0173]
    Die The 33 33 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung. illustrates an embodiment of the invention. Diese Ausführungsform verfügt über eine plankonvexe Linse This embodiment has a plano-convex lens 1s 1s mit einer Besichtung eines cholesterischen Flüssigkristalls, der auf ihre konvexe Fläche with an opportunity to explore a cholesteric liquid crystal which on its convex surface 12s 12s aufgetragen ist, eine erste Viertelwellenplatte is applied, a first quarter-wave plate 5s 5s , die der ebenen Fläche der Linse That the planar surface of the lens 1s 1s zugewandt ist. faces. Ein Faradayelement A Faraday 60s 60s , eine zweite Viertelwellenplatte A second quarter-wave plate 5's 5's und ein cholesterisches Flüssigkristallelement and a cholesteric liquid crystal element 6s 6s . , Dh, dass diese Ausführungsform die Einrichtung der Anordnung der That is, this embodiment, the device of the arrangement of 31 31 mit den vorigen Ausführungsformen kombiniert und über zusätzliche Vorteile verfügt. combined with the previous embodiments, and has additional advantages. Die Verwendung der plankonvexe Linse The use of the plano-convex lens 1s 1s verringert die Krümmung einer Bildebene, bringt deren Umfangsabschnitt in den Brennpunkt und erhöht die Vergrößerung und den Gesichtsfeldwinkel des optischen Systems. reduces the curvature of an image plane, bringing their peripheral portion in the focal point, and increases the magnification and the visual field angle of the optical system. Die Verwendung des Faradayelements The use of Faradayelements 60s 60s erhöht die Transmissionseffizienz des optischen Systems, was für ein helles Bild sorgen kann. increase the transmission efficiency of the optical system, which can make for a bright image. Insbesondere kann ein am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung des optischen Systems mit diesen Merkmalen Bilder mit beträchtlich erhöhtem Präsenzgrad erzeugen. In particular, a head-to-mount display using the optical system produce images with significantly increased degree of presence with these features.
  • [0174] [0174]
    Die beschriebene Ausführungsform der Erfindung realisiert die ideale Transmissionseffizienz von nahezu 100%, und sie kann ein Bild erzeugen, dessen Helligkeit das Vierfache derjenigen beim herkömmlichen System ist. The described embodiment of the invention realizes the ideal transmission efficiency of almost 100%, and it can generate an image whose brightness is four times that in the conventional system.
  • [0175] [0175]
    Bei den vorigen Ausführungsformen wird ein Dünnfilm aus einem cholesterischen Flüssigkristall durch das folgende Verfahren statt dessen auf der konvexen Fläche der plankonvexen Linse hergestellt. In the foregoing embodiments, a thin film of a cholesteric liquid crystal is manufactured by the following method instead of the convex surface of the planoconvex lens.
  • [0176] [0176]
    Ein Lösungsgemisch aus einem cholesterischen Flüssigkristallmonomer und einem Starter zur Polymerisation durch Ultraviolettstrahlung wird hergestellt und gleichmäßig auf die konvexe Fläche der plankonvexen Linse aufgetragen. A mixed solution of a cholesteric liquid crystal monomer and an initiator for polymerization by ultraviolet radiation is produced and then applied onto the convex surface of the plano-convex lens. Dann wird ein dünner Überzug des Gemischs einer Bestrahlung durch Ultraviolettstrahlung unterzogen. Then, a thin coating of the mixture is subjected to irradiation by ultraviolet radiation. Der cholesterische Flüssigkristall polymerisiert, um auf der konvexen Fläche der Linse einen festen Film auszubilden. The cholesteric liquid crystal is polymerized to form on the convex surface of the lens a solid film.
  • [0177] [0177]
    Das Faradayelement The Faraday 60s 60s wird dadurch realisiert, dass ein Dickfilm eines ferromagnetischen Materials in einem Magnetfeld platziert wird. is realized in that a thick film of a ferromagnetic material is placed in a magnetic field. Das so aufgebaute Faradayelement The Faraday thus constructed 60s 60s wird hauptsächlich in einem sogenannten "Isolator"element verwendet, das es einem Laserstrahl ermöglicht, in einer Richtung durchzulaufen, wobei jedoch ein Laserstrahl in der umgekehrten Richtung ausgeblendet wird. is mainly used in a so-called "insulator" element, which allows a laser beam to go through in one direction, but a laser beam in the opposite direction disappears.
  • [0178] [0178]
    Eine in der A in the 21 21 dargestellte optische Vorrichtung ist dazu in der Lage, einfallendes Licht durch eine erste Polarisationsplatte linear zu polarisieren, das linear polarisierte Licht durch eine zweite Polarisationsplatte entsprechend der Richtung der Polarisationsebene selektiv durchzulassen und dafür zu sorgen, dass das Licht zwischen zwei halbtransparenten Spiegeln aufgrund der Wirkung von zwei Viertelwellenplatten 1,5 Umläufe ausführt, bevor es durch die zweite Polarisationsplatte läuft. illustrated optical device is capable to polarize incident light through a first polarizing plate linear, selectively passing linearly polarized light through a second polarizing plate according to the direction of the polarization plane and to ensure that the light between two semi-transparent mirrors because of the effect of two quarter-wave plates exports 1.5 revolutions before it passes through the second polarizing plate. Die so aufgebaute optische Vorrichtung zeigt erhöhte optische Brechkraft (Vergrößerungsfaktor) des Brechungselements sowie ein vergrößertes Gesichtsfeld, wobei gleichzeitig Einsparungen der Größe (Dicke) und des Gewichts erzielt werden. The so-constructed optical device exhibits enhanced optical power (magnification) of the refractive element and an enlarged visual field, while simultaneously saving the size (thickness) and weight can be achieved.
  • [0179] [0179]
    Eine in der A in the 23 23 dargestellte optische Vorrichtung verwendet einen polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel anstelle der Polarisationsplatte sowie einen ersten halbtransparenten Spiegel in der in der illustrated optical device using a polarized light selecting semitransparent mirror instead of the polarizing plate and a first semi-transparent mirror in the 21 21 dargestellten Ausführungsform, und sie kann, zusätzlich zu den Effekten der in der embodiment shown, and it can, in addition to the effects of the 21 21 dargestellten Ausführungsform ein verbessertes Verhältnis des Signallichts zum einfallenden Licht (Transmissionseffizienz) erzielen und Störlicht beseitigen, wie es durch die in der achieve embodiment shown an improved ratio of the signal light to the incident light (transmission efficiency) and eliminate stray light, as defined by the in 21 21 dargestellte Vorrichtung erzeugt wird. illustrated apparatus is generated.
  • [0180] [0180]
    Eine in der A in the 23 23 dargestellte optische Vorrichtung ist dazu in der Lage, einfallendes Licht mittels eines ersten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegels in spezifiziertes linear polarisiertes Licht zu wandeln und durch einen zweiten polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel entsprechend der Richtung der Polarisationsebene selektiv 100% des linear polarisierten Lichts durchzulassen, wodurch ihre Transmissionseffizienz stark im Vergleich zu der der in den illustrated optical device is capable of converting incident light by means of a first polarized light selecting semitransparent mirror in specified linearly polarized light and selectively passing through a second polarized light selecting semitransparent mirror according to the direction of the plane of polarization 100% of the linearly polarized light, whereby their transmission efficiency significantly compared to that of the 21 21 und and 23 23 dargestellten Vorrichtungen erhöht ist und kein Störlicht erzeugt wird. illustrated devices is increased and no stray light is generated.
  • [0181] [0181]
    Eine optische Vorrichtung, bei der eine gekrümmte Fläche einer Linse (Brechungseinrichtung) mit einer Halbspiegelbeschichtung versehen ist und durchzulassendes Licht durch einen polarisiertes Licht auswählenden halbtransparenten Spiegel ausgewählt wird, zeigt dieselben Effekte wie die in den An optical device wherein a curved surface of a lens (refractive means) is provided with a half-mirror coating and durchzulassendes light is selected by a polarized light selecting semitransparent mirror, showing the same effects as those in the 6 6 und and 7 7 dargestellten Vorrichtungen, jedoch mit der Ausnahme, dass sie erwartete Effekte mit beliebigem Einfallslicht realisieren werden kann, ohne dass eine Bedingung für dessen Polarisationszustand bestünde, wie bei den in den illustrated devices, but with the exception that they can be expected to realize effects of any incident light, without a condition for the state of polarization would be, as with the 21 21 , . 23 23 und and 28 28 dargestellten Vorrichtungen, wohingegen bei den in den devices shown, whereas in the 6 6 und and 7 7 dargestellten Ausführungsformen Einfallslicht als zirkular polarisiert definiert ist. illustrated embodiments incident light is polarized defined as circular.
  • [0182] [0182]
    Eine in der A in the 31 31 dargestellte optische Vorrichtung verfügt über einen Konkavspiegel mit einer auf seiner Einfallsfläche ausgebildeten Dünnfilm eines cholesterischen Flüssigkristalls, der als zirkular polarisiertes Licht auswählender halbtransparenter Spiegel dient, wenn einfallendes Licht zirkular polarisiertes Licht ist, und einem cholesterischen Flüssigkristall auf der Austrittsseite zum selektiven Reflektieren oder Durchlassen von 100% des Lichts, wodurch das zugehörige optische System hohe Helligkeit erzielt. illustrated optical device comprises a concave mirror with a formed on its incident surface thin film of a cholesteric liquid crystal which is selective as circularly polarized light semi-transparent mirror, when incident light circularly polarized light, and a cholesteric liquid crystal on the exit side for selectively reflect or transmit 100 % of the light, so that the associated optical system achieves high brightness.
  • [0183] [0183]
    Eine in der A in the 33 33 dargestellte optische Vorrichtung verfügt über einen plankonvexen Spiegel mit einem Dünnfilm eines cholesterischen Flüssigkristalls anstelle des obigen Konkavspiegels der in der illustrated optical device includes a plano-convex mirrors with a thin film of a cholesteric liquid crystal instead of the above the concave mirror in the 31 31 dargestellten Vorrichtung. device shown. Sie kann bei verringerter Krümmung des Bilds im Vergleich zum Fall bei der in der It can with a reduced curvature of the image compared to the case in which in the 31 31 dargestellten Vorrichtung eine erhöhte optische Vergrößerung zeigen. apparatus illustrated show an increased optical magnification.
  • [0184] [0184]
    Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen am Kopf zu montierenden Displays können dadurch geschaffen werden, dass ein Flüssigkristalldisplay und eine beliebige der obigen, als Ausführungsformen der Erfindung beschriebenen optischen Vorrichtungen kombiniert werden. According to the invention embodiments one to be mounted on the head displays can be provided by that a liquid crystal display and any of the above described embodiments of the invention as optical devices to be combined. Das so aufgebaute am Kopf zu montierende Display kann den wichtigen wesentlichen Erfordernissen genügen, die ein Anbringen am Kopf eines Benutzers erlauben, und zwar Dank des Verwendens der dünnen, kompakten, leichten optischen Vorrichtung. The thus constructed to be mounted on the head display can satisfy the major essential requirements that allow a mounting on the head of a user, thanks to of using the thin, compact and lightweight optical device. Es verfügt über einen erweiterten Gesichtswinkel im Vergleich zum herkömmlichen am Kopf zu montierenden Display, und es kann für ein Bild hoher Qualität ohne Krümmung sorgen, das die Aufmerksamkeit des Betrachters so auf sich ziehen kann, als würde er miteinbezogen. It has a wider viewing angle compared to the conventional to be mounted at the top of the display, and it can provide a high quality image without curvature, which can attract a viewer's attention as he would be involved.
  • [0185] [0185]
    Ein erfindungsgemäßes am Kopf zu montierendes Display unter Verwendung eines Paars von Bildanzeigeeinheiten, wie bei einer der Ausführungsformen der An inventive head-to-mount display by using a pair of image display units, as in one of the embodiments of the 11 11 und and 30 30 veranschaulicht, kann am geeignetsten dazu verwendet werden, ein Bild gemäß Virtual Reality oder ein Bild für Fernsteuerungszwecke zu zeigen. illustrates, can be used the most appropriate to show an image according to virtual reality or image for remote control purposes.
Classifications
International ClassificationG02B27/00, G02B27/28, G09F9/00, G02F1/13, G02B27/02, H04N5/64, G02B27/01, G02B5/30
Cooperative ClassificationG02B2027/0132, G02B27/0172, G02B2027/0178, G02B27/28, G02B5/30, G02B5/3016
European ClassificationG02B27/28, G02B27/01C1, G02B5/30L