DE102008020858B4

DE102008020858B4 - Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät sowie Head-mounted Display mit einem solchen

Info

Publication number: DE102008020858B4
Application number: DE200810020858
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dobschal; Enrico Geissler; Karsten Lindig; Günter Rudolph; Klaus Rudolf
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2028-04-26
Also published as: DE102008020858A1

Abstract

Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät, welches umfasst: a) ein bilderzeugendes System (14) mit aa) einer ersten bilderzeugenden Anordnung (16) mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten (18), durch welche ein Bild wiedergebende Strahlung abstrahlbar ist; ab) einer zweiten bilderzeugenden Anordnung (20) mit einer Mehrzahl von zweiten Bildpunkten (22), welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung durchlässig sind; b) eine Abbildungseinheit (38; 56), mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20) leitbar ist, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) erzeugte Bild auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20) abgebildet wird; wobei c) die Abbildungseinheit (38; 56) insgesamt eine erste reflektierende Fläche (46) und eine zweite reflektierende Fläche (48) umfasst, mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung auf ihrem Weg zur zweiten bilderzeugenden Anordnung (20) insgesamt zweimal durch Reflexion umgelenkt wird,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem für ein optisches Anzeigesystem, welches umfasst

a) ein bilderzeugendes System mit
aa) einer ersten bilderzeugenden Anordnung mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten, durch welche eine Bild wiedergebene Strahlung abstrahlbar ist;
ab) einer zweiten bilderzeugenden Anordnung mit einer Mehrzahl von zweiten Bildpunkten, welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung durchlässig sind;
b) einer Abbildungseinheit, mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung leitbar ist, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild auf die zweite bilderzeugende Anordnung abgebildet wird; wobei
c) die Abbildungseinheit insgesamt eine erste reflektierende Fläche und eine zweite reflektierende Fläche umfasst, mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung auf ihrem Weg zur zweiten bilderzeugenden Anordnung insgesamt zweimal durch Reflexion umgelenkt wird.

Derartige Projektionssysteme werden insbesondere dazu genutzt, um in das vom Menschen mit seinen Augen erfasste Bild seiner Umgebung rechnergestützt erstellte Informationen einzuspielen. Beispielsweise können sie hierfür in so genannte Augmented oder Virtual Reality Displays (VRDs) integriert sein. Solche Displays, welche unter anderem als so genannte Head-Up Displays (HUDs) oder ähnlich einer Brille als so genannte Head-Mounted Displays (HMDs) oder ausgeführt sein können, überlagern das Bild eines bilderzeugenden Systems wie z. B. eines Flüssigkristall-Paneels, mit dem vom Betrachter erfassten Bild der realen Welt.
Bei der Einkopplung eines virtuellen Bildes in ein Display vor einem realen Hintergrund muss berücksichtigt werden, dass die Leuchtdichtepegel und die Raumfrequenzen realer Hintergrundbildszenen, die das Auge eines Betrachters erreichen, sehr unterschiedlich ausfallen und beliebig komplex sein können. Der Kontrast des virtuellen Bildes, welches das reale Bild überlagern soll, muss daher hinreichend groß sein, damit der Betrachter das eingespielte virtuelle Bild vor dem realen Bild ausreichend wahrnehmen kann.
Ein Ansatz, den Kontrast zu erhöhen, besteht darin, mittels einer eingangs genannten Abbildungseinheit das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild bildpunktgenau auf die zweite bilderzeugende Anordnung abzubilden.
Unter einem Bildpunkt ist hier einerseits ein bestimmter Bereich eines Bildes zu verstehen, andererseits jedoch auch ein bestimmter Bereich der bilderzeugenden Anordnung, der eine Strahlung emittiert, welche die Information für die Darstellung dieses bestimmten Bereichs des Bildes in sich trägt. Ein Bildpunkt kann auch die Bedeutung eines Objektpunktes haben, wenn dieser Bildpunkt durch ein optisches System abgebildet wird.
Für eine bildpunktgenaue Abbildung des Bildes der ersten bilderzeugenden Anordnung auf die zweite bilderzeugende Anordnung muss letztere Bildpunkte aufweisen, die den Bildpunkten der ersten bilderzeugenden Anordnung entsprechen. Die zweite bilderzeugende Anordnung erzeugt jeweils das gleiche Bild wie die erste bilderzeugende Anordnung. Die Strahlung von einem Bildpunkt der ersten bilderzeugenden Anordnung wird durch das Projektionssystem auf den entsprechenden Bildpunkt der zweiten bilderzeugenden Anordnung projiziert und durchstrahlt denselben. Anders ausgedrückt wird die zweite bilderzeugende Anordnung bildpunktgenau von derjenigen Strahlung beleuchtet, die von der ersten bilderzeugenden Anordnung stammt. Bildpunkte der ersten bilderzeugenden Anordnung, die im Gesamtbild dunkel erscheinen, emittieren Strahlung mit geringerer Intensität als Bildpunkte, die im Gesamtbild demgegenüber heller erscheinen. Folglich werden die entsprechenden Bildpunkte der zweiten bilderzeugenden Anordnung mit Strahlung geringerer oder höherer Intensität ausgeleuchtet. Im Ergebnis hat das durch die zweite bilderzeugende Anordnung erzeugte Bild ein höheres Kontrastverhältnis als das entsprechende Bild, welches durch die erste bilderzeugende Anordnung erzeugt wurde.
Aus der US 2006/0244921 A1 ist es bekannt, zu diesem Zweck als bilderzeugende Anordnungen ein erstes und ein zweites Flüssigkristall-Paneel zu verwenden, welche derart überlappend hintereinander angeordnet sind, dass das erste Flüssigkristall-Paneel zur bildpunktgenauen Ausleuchtung des zweiten Flüssigkristall-Paneels dient. Bei einem Flüssigkristall-Paneel werden einzelne Bildpunkte üblicherweise als Pixel bezeichnet.
Wenn das durch das erste Flüssigkristall-Paneel erzielbare Kontrastverhältnis L:1 beträgt, so ist das Kontrastverhältnis bei dem Bild, welches im Ergebnis von dem zweiten Flüssigkristall-Paneel erzeugt wird, auf L²:1 erhöht. Darauf wird weiter unten nochmals näher eingegangen.
Ein Projektionssystem der eingangs genannten Art, welches diesem Ansatz folgt, ist aus der WO 2007/005023 A1 bekannt. Dort ist zwischen zwei hintereinander angeordneten Flüssigkristall-Paneelen noch ergänzend eine Mikrolinsen-Anordnung vorgesehen, um eine pixelgenaues Ausleuchten des vorderen Flüssigkristall-Paneels zu erreichen.
Aus der US 5 978 142 A ist ein Projektionssystem bekannt, bei welchem sich eine Abbildungslinse zwischen zwei hintereinander angeordneten LCD-Einheiten befindet. Mittels der Abbildungslinse wird das von der ersten LCD-Einheit erzeugte Bild auf die zweite LCD-Einheit abgebildet. Eine Umlenkung durch Reflexion erfolgt dort nicht.
In der DE 195 46 746 B4 ist ein Zoom-System für stereoskopische Beobachtungsstrahlengänge beschrieben, bei dem insgesamt vier reflektierende Flächen vorgesehen sind.
Aus der WO 2004/102973 A1 ist ein Projektionssystem bekannt, bei welchem die beiden bilderzeugenden Anordnungen nicht hintereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind. Dort wird die von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung mittels einer einzigen reflektierenden Fläche auf die zweite bilderzeugende Anordnung geleitet und insgesamt ein einziges Mal durch Reflexion umgelenkt.
Insbesondere, wenn Projektionssysteme der eingangs genannten Art in HMDs verwendet werden sollen, ist es wünschenswert, dass das Projektionssystem insgesamt sehr flach bauend ist. Bei den bekannten Schichtstrukturen mit jeweils wenigstens zwei hintereinander angeordneten Flüssigkristall-Paneele oder der Verwendung von einer einzigen reflektierenden Fläche beim Stand der Technik benötigen die dort jeweils verwendeten Projektionssysteme jedoch einen nicht unerheblichen axialen Bauraum, d. h. in Richtung der optischen Achse der Flüssigkristall-Paneele.
Aus der WO 2006/036306 A1 ist ein weiteres Projektionssystem bekannt. Bei diesem wird die von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung über insgesamt drei reflektierende Flächen auf die zweite bilderzeugende Anordnung geleitet und dabei insgesamt dreimal durch Reflexion umgelenkt. Dabei wird von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung von der ersten reflektierenden Fläche auf die zweite reflektierende Fläche, von der zweiten reflektierenden Fläche auf die dritte reflektierende Fläche und von dieser auf die zweite bilderzeugende Anordnung gelenkt.
Zwar kann auf diese Weise der in axialer Richtung benötigte Bauraum für das Projektionssystem gegenüber den aus der WO 2007/005023 A1 und der WO 2004/102973 A1 bekannten Projektionssystemen verringert werden. Dies wird jedoch mit einem verhältnismäßig großem baulichen Aufwand und der nicht unerheblichen Schwierigkeit erkauft, das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild pixelgenau über drei reflektierende Flächen auf die zweite bilderzeugende Anordnung abzubilden, da dort drei reflektierende Flächen sorgfältig zueinander ausgerichtet werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Projektionssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem der erforderliche Bauraum an die abhängig vom Einsatzzweck vorhandenen Gegebenheiten angepasst und insbesondere in Richtung einer optischen Achse einer bilderzeugenden Anordnung klein gehalten werden kann und die pixelgenaue Abbildung des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes auf die zweite bilderzeugende Anordnung ohne größere Schwierigkeiten erreichbar ist, wobei der bauliche Aufwand insgesamt reduziert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Projektionssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

d) die Abbildungseinheit ein optisches Element umfasst, welches die erste und die zweite reflektierende Fläche umfasst;
e) das optische Element eine Lichteintrittsfläche umfasst, welche auf diese treffende Strahlung, die von ein und demselben Bildpunk der ersten bilderzeugenden Anordnung stammt, auf die erste reflektierende Fläche kollimiert.

Die Anzahl der reflektierenden Flächen, die notwendig ist, um eine ausreichend geringe axiale Baugröße zu erhalten, ist gegenüber dem Stand der Technik verringert, wo dazu insgesamt wenigsten drei reflektierende Flächen erforderlich sind. Durch die obigen Maßnahme d) kann eine Abbildungseinheit auf günstige Weise gefertigt werden. Als gutes Material für ein derartiges optisches Element hat sich das an und für sich bekannte Material BK7 erwiesen. Durch die obige Maßnahme e) wird zudem ein gleichförmiger Strahlungsverlauf innerhalb der Abbildungseinheit erreicht.
Es ist insbesondere günstig, wenn die erste reflektierende Fläche derart angeordnet ist, dass sie von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung auf die zweite reflektierende Fläche reflektiert. Dadurch kann die Baugruppe zur Umlenkung der Strahlung kompakt gehalten werden.
Es ist insbesondere günstig, wenn die Abbildungseinheit so eingerichtet ist, dass von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung derart umgelenkt wird, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild um einen Winkel von 45° bis 180°, bevorzugt von 90° bis 180°, bevorzugter von 135° bis 180° und besonders bevorzugt von 180° verdreht auf die zweite bilderzeugende Anordnung abgebildet wird.
Insbesondere in letzterem Falle kann als bilderzeugendes System auch ein einzelnes Flüssigkristall-Paneel verwendet werden, welches in zwei Bereiche unterteilt ist, mittels welchen jeweils zeitgleich ein identisches Bild erzeugt wird. In Richtung der optischen Achse dieses bilderzeugenden Systems weist das Projektionssystem dann insgesamt lediglich eine Erstreckung auf, die durch die Dicke des bilderzeugenden Systems und die Abbildungseinheit vorgegeben ist. Ein weiteres bilderzeugendes System in dieser Richtung wird nicht benötigt.
Es hat sich gezeigt, dass es insbesondere günstig ist, wenn die erste und/oder die zweite reflektierende Fläche plan ist. So kann eine gute Abbildungsqualität erzielt werden.
Gute Abbildungseigenschaften können erzielt werden, wenn die Lichteintrittsfläche konkav gekrümmt ist.
Die Kollimation der auf die Lichteintrittsfläche treffenden Strahlung kann auf vorteilhafte Weise dadurch erzielt werden, dass an der Lichteintrittsfläche ein Beugungsgitter ausgebildet ist. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein geblazetes Gitter.
Im Hinblick auf ein bildpunktgenaues Abbild des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes auf der zweiten bilderzeugenden Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die Abbildungseinheit eine Lichtauntrittsfläche umfasst, welche auf diese treffende Strahlung, die von ein und demselben Bildpunkt der ersten bilderzeugenden Anordnung stammt, auf einen einzigen Bildpunkt der zweiten bilderzeugenden Anordnung fokussiert.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Lichtaustrittsfläche konkav gekrümmt ist.
Eine gute Fokussierung kann erzielt werden, wenn an der Lichtaustrittsfläche ein Beugungsgitter ausgebildet ist. Dieses ist vorteilhaft als geblazetes Gitter ausgebildet.
Es ist vorteilhaft, wenn das optische Element der Abbildungseinheit, welches die erste und die zweite reflektierende Fläche umfasst, auch die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche umfasst. So kann die Abbildungseinheit beispielsweise als einstückiges optisches Element ausgebildet werden. Dieses kann z. B. aus dem oben erwähnten Material BK7 gefertigt sein. Bei einem einstückigen optischen Element müssen keine separaten Bauteile zueinander ausgerichtet werden, was den Aufbau des Projektionssystem insgesamt vereinfacht.
Besonders kontrastreiche Bilder lassen sich erzielen, wenn die Bildpunkte der ersten und/oder der zweiten bilderzeugenden Anordnung durch Flüssigkristallzellen gebildet sind.
Besonders flach kann das Projektionssystem ausgebildet sein, wenn, wie bereits oben erwähnt, die erste bilderzeugende Anordnung ein erster Bereich eines Flüssigkristall-Paneels und die zweite bilderzeugende Anordnung ein zweiter Bereich dieses Flüssigkristall-Paneels ist, welches dem ersten Bereich benachbart angeordnet ist.
Dabei ist es besonders günstig, wenn der zweite Bereich des Flüssigkristall-Paneels an den ersten Bereich des Flüssigkristall-Paneels angrenzend angeordnet ist.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Head-Mounted Display zu schaffen, bei welchem ein kontrastreiches Bild in das von dem Benutzer des Head-Mounted Displays real wahrgenommene Bild eingespielt wird.
Diese Aufgabe wir durch ein Head-Mounted Display mit dem oben erläuterten Projektionssystem gelöst.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigen:
1 schematisch ein Head-Mounted Display mit einem Projektionssystem, welches eine Abbildungseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst, wobei der Strahlungsverlauf durch die Abbildungseinheit hindurch veranschaulicht ist;
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abbildungseinheit, wobei auch dort der Strahlungsverlauf durch die Abbildungseinheit hindurch veranschaulicht ist;
3 schematisch eine dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende Abbildungseinheit mit veranschaulichtem Strahlungsverlauf;
4 schematisch eine den 2 und 3 entsprechende Darstellung einer Abbildungseinheit, welche das Verständnis der Erfindung erleichtern soll;
5 schematisch eine den 2 bis 4 entsprechende Darstellung einer Abbildungseinheit, welche das Verständnis der Erfindung erleichtern soll; und
6 schematisch eine den 2 bis 5 entsprechende Darstellung einer Abbildungseinheit, welche das Verständnis der Erfindung erleichtern soll.
In 1 ist mit 1 insgesamt ein Head-Mounted Display (HMD) bezeichnet, welches der Übersichtlichkeit halber lediglich in Form eines Abschnitts einer äußeren Begrenzungslinie angedeutet ist. Das Head-Mounted Display umfasst ein Projektionssystem 10 zum Anzeigen eines Bildes. Letzteres kann auch in so genannten Head-Up Displays verwendet werden. Das Projektionssystem 10 umfasst ein bilderzeugendes System 12, welches beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Flussigkristall-Paneel 14 umfasst. Dieses wird nachstehend als LCD-Paneel 14 bezeichnet.
Das LCD-Paneel 14 umfasst in einem ersten Bereich eine erste Anordnung 16 mit einer Mehrzahl von Flussigkristallzellen 18, von denen in 1 lediglich vier Flussigkristallzellen 18.1, 18.2, 18.3 und 18.4 mit einem Bezugszeichen versehen sind.
In einem an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich umfasst das Flüssigkristall-Paneel 14 eine zweite Anordnung 20 mit einer Mehrzahl von Flüssigkristallzellen 22, von denen lediglich vier Flüssigkristallzellen 22.1, 22.2, 22.3 und 22.4 mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Bei den Flüssigkristallzellen 18 und 22 kann es sich beispielsweise um TFT-Zellen handeln, welche jeweils einen Kondensator und einen Dunnschichttransistor umfassen. Aber auch alle anderen bekannten Techniken im Hinblick auf Flüssigkristallzellen sind geeignet. Bei dem LCD-Paneel 14 handelt es sich beispielsweise um ein LCD-Paneel mit einer Fläche von 4 × 3 mm² mit 640 × 480 Flüssigkristallzellen. Jede Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und 20 umfasst in diesem Fall 320 × 480 Flussigkristallzellen 18 bzw. 22 auf einer Fläche von jeweils 2 × 3 mm².
Die Flüssigkristallzellen 18 und 22 werden mittels einer Steuereinheit 24 derart angesteuert, dass bei jeder Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und 20 sich in ihrer Position entsprechende Flüssigkristallzellen 18 und 22 identisch angesteuert werden, so dass ein Betrachter, welcher auf das LCD-Paneel 14 schauen würde, auf jeder Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und 20 das gleiche Bild erkennen würde. Jede Flüssigkristallzelle 18 bzw. 22 der Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16 und 20 bildet dabei einen Bildpunkt.
Auf einer ersten Seite 26 des LCD-Paneels 14 kann dieses im Bereich der Flussigkristallzellen-Anordnung 16 mit den Flussigkristallzellen 18 mit polarisiertem Licht ausgeleuchtet werden. Dazu ist auf der ersten Seite 26 des LCD-Paneels 14 eine Lichtquelle 28 mit einem Polarisationsfilter 30 angeordnet, welche die Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 abdeckt. Das auf das LCD-Paneel 14 treffende polarisierte Licht ist in 1 durch Pfeile 32 angedeutet. Die Lichtquelle 28 wird ebenfalls mittels der Steuereinheit 24 angesteuert.
Das polarisierte Licht 32 tritt durch solche Flüssigkristallzellen hindurch, die mittels der Steuereinheit 24 auf jeweils eine benötigte Durchlässigkeit für dieses Licht geschaltet sind und in 1 durch die Flussigkristallzellen 18.1 bis 18.4 dargestellt sind. Auf der der ersten Seite 26 des LCD-Paneels 14 gegenüberliegenden zweiten Seite 34 des LCD-Paneels 14 wird dieses Licht 32 als Licht 36 abgegeben, welche ein von der ersten Flussigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugtes Bild wiedergibt. Die Intensität von Licht 32 der Lichtquelle 28, das durch die auf Sperren geschalteten Flüssigkristallzellen 18 (in 1 dunkel dargestellt) hindurch tritt, ist nach seinem Durchtritt durch diese Flüssigkristallzellen entsprechend stark verringert.
Die Intensität des jeweiligen von einer Flüssigkristallzelle 18 der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 durchgelassenen Lichts und damit das erzielbare Kontrastverhaltnis Leuchtdichte_max:Leuchtdichte_min oder einfacher L_max:L_min ist in 1 bildhaft durch die hell, jedoch nicht weiß, dargestellten Flüssigkristallzellen 18.1 bis 18.4 und die dunkel, jedoch nicht schwarz, dargestellten übrigen Flussigkristallzellen 18 veranschaulicht. Ublicherweise wird das Kontrastverhältnis in der Form L:1 angegeben. In diesem Fall ist L = L_max/L_min.
In dem Strahlungsweg des auf der zweiten Seite 34 des LCD-Paneels 14 abgegebenen Lichts 36 ist eine Abbildungseinheit 38 angeordnet, mittels welcher das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des LCD-Paneels 14 erzeugte Bild auf die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 des LCD-Paneels 14 abgebildet wird.
Die Abbildungseinheit 38 umfasst ein prismenähnliches optisches Element 40, welches aus dem Glasmaterial BK7 gefertigt ist. Andere bekannte optische Materialien sind jedoch ebenfalls für das optische Element 40 geeignet.
Das optische Element 40 weist eine konkav gekrümmte Lichteintrittsfläche 42 auf, welche in Richtung auf die erste Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des LCD-Paneels 14 weist. Neben der Lichteintrittsfläche 42 weist das optische Element 40 eine konkav gekrummte Lichtaustrittsfläche 44 auf, welche gegenüber der zweiten Flussigkristallzellen-Anordnung 20 des LCD-Paneels 14 angeordnet ist. Auf der von dem LCD-Paneel 14 abliegenden Seite der Lichteintrittsfläche 42 und der Lichtaustrittsfläche 44 des optischen Elements 40 sind eine erste reflektierende Fläche 46 und eine zweite reflektierende Fläche 48 vorgesehen. Durch die Lichteintrittsfläche 42 in das optische Element 40 eintretendes Licht 36 wird von der ersten reflektierenden Fläche 46 auf die zweite reflektierende Fläche 48 und von dieser in Richtung auf die Lichtaustrittsfläche 44 reflektiert, von wo sie auf die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 des LCD-Paneels 14 abgestrahlt wird.
Dabei wird Licht, das von ein und derselben Flüssigkristallzelle 18 der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des LCD-Paneels 14 stammt, durch die Lichteintrittsfläche 42 auf die erste reflektierende Flache 46 kollimiert, wodurch dieses Licht im Inneren des optischen Elements 40 einen parallelen Verlauf hat.
Durch die Lichtaustrittsfläche 44 wird die jeweils von ein und derselben Flüssigkristallzelle 18 der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 stammendes Licht auf eine einzige Flussigkristallzelle 22 der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 des LCD-Paneels 14 fokussiert. Die jeweilige ”Ziel”-Flüssigkristallzelle 22 entspricht dabei in ihrer Position innerhalb der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 derjenigen Flüssigkristallzelle 18 in der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16, von welcher das fokussierte Licht stammt.
An der Lichteintrittsflache 42 ist ein Beugungsgitter 50 gebildet, welches als an und fur sich bekanntes geblazetes Gitter ausgebildet ist. Optische Elemente mit derartigen geblazeten Gittern werden auch als holographische optische Elemente (HOE) bezeichnet. Durch das Beugungsgitter 50 wird das auf die Lichteintrittsfläche 42 auftreffende Licht 36 kollimiert.
Auch an der Lichtaustrittsfläche 44 ist ein Beugungsgitter 52 ausgebildet, welches ebenfalls in Form eines geblazeten Gitters vorliegt. Durch dieses wird das parallele Licht, das von der zweiten reflektierenden Fläche 48 auf die Lichtaustrittsflache 44 trifft, wieder wie oben erlautert fokussiert.
Wie oben erwähnt, sind sich in ihrer Position innerhalb der Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16 und 20 entsprechenden Flussigkristallzellen 18 und 22 bei der Erzeugung eines Bildes jeweils in einen fur das polarisierte Licht 32 durchlassigen Zustand oder in einen dafür undurchlassigen Sperrzustand geschaltet. Die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 wird durch die Lichtaustrittsflache 44 des optischen Elements 40 verlassendes Licht von der Seite 26 des LCD-Paneels 14 her ausgeleuchtet. Dabei werden die auf Durchlass geschalteten Flüssigkristallzellen 22 mit Licht hoherer Intensität beleuchtet, wogegen die in ihrem Sperrzustand befindlichen Flüssigkristallzellen 20 nur mit bereits sehr stark abgeschwachtem Licht beaufschlagt werden.
Auf der ersten Seite 26 des LCD-Paneels 14 strahlt die zweite Flussigkristallzellen-Anordnung 20 über ihre auf Durchlass geschalteten Flüssigkristallzellen 22 das Bild mit nun erhöhtem Kontrastverhältnis auf eine Optik 54, mittels welcher dieses Bild in einen für den Benutzer des HMDs oder HUDs visuell erfassbaren Bereich eingeblendet wird.
Dadurch, dass das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugte Bild mit einem Kontrastverhältnis von L:1 durch die Abbildungseinheit 38 bildpunktgenau auf die zweite Flussigkristallzellen-Anordnung 20 abgebildet wird und letztere wie die erste Flussigkristallzellen-Anordnung 16 angesteuert wird, ist das mit der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 erzielbare Kontrastverhältnis auf L²:1 erhöht. Dies ist in 1 dadurch veranschaulicht, dass die auf Durchlass geschalteten Flussigkristallzellen 22.1, 22.2, 22.3 und 22.4 der zweiten Flussigkristallzellen-Anordnung 20 weiß und die ubrigen sich im Sperrzustand befindlichen Flüssigkristallzellen 20 schwarz dargestellt sind.
Da das von der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 erzeugte Bild auf der Seite 26 des LCD-Paneels 14 abgegeben wird, erscheint es fur einen Benutzer, der das LCD-Paneel 14 von dieser Seite 26 her betrachtet, spiegelverkehrt gegenüber dem von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugten Bild. Daher werden die Flüssigkristallzellen 18, 22 der beiden Flussigkristallzellen-Anordnungen 16, 20 mittels der Steuerung 24 derart angesteuert, dass auf der Seite 34 des LCD-Paneels ein Bild erzeugt wird, welches einem Betrachter auf der Seite 34 des LCD-Paneels 14 spiegelverkehrt erscheint. Das auf der Seite 26 mittels der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 erzeugte Bild wird so fur den das HMD 1 nutzenden Betrachter korrekt dargestellt.
Alternativ kann auch die Optik 54 so eingerichtet sein, dass sie das abzubildende Bild für den Betrachter mit korrigiertem Seitenverhaltnis in den für den Benutzer visuell erfassbaren Bereich des HMDs oder HUDs einblendet.
Bei dem in 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bleiben die Größenverhältnisse des von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugten Bildes und des auf die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 mittels der Abbildungseinheit 38 abgebildeten Bildes gleich.
Bei einem in 2 schematisch gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Abbildungseinheit 38 ist diese so ausgebildet, dass das auf die zweite Flussigkristallzellen-Anordnung 20 abgebildete Bild gegenüber dem von der ersten Flussigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugten Bildes verkleinert ist. Dementsprechend sind die Flüssigkristallzellen 22 der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 in ihrer Größe und Anordnung an diese Maßstabsverkleinerung angepasst. In diesem Fall können z. B. zwei baulich unterschiedliche LCD-Paneels 14a und 14b nebeneinander angeordnet sein, wobei dann das LCD-Paneel 14a die erste Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und das zweite LCD-Paneel 14b die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 bildet. Die LCD-Paneels 14a und 14b sind in 2 nur schematisch angedeutet.
Bei einer hier nicht gezeigten Abwandlung kann auch das von der Lichtaustrittsfläche 44 des optischen Elements 40 abgestrahlte Bild wieder auf die ursprungliche Größe vergrößert werden. Dazu kann beispielsweise zwischen der Lichtaustrittsflache 44 des optischen Elements und der zweiten Flussigkristallzellen-Anordnung 20 eine geeignete Optik angeordnet sein.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des optischen Elements 40 weist dessen konkave Lichteintrittsfläche 42 einen Radius von 7,167 mm auf, wogegen die Lichtaustrittsfläche 44 konkav mit einem Radius von 8,6 mm ausgebildet ist.
Das an der Lichteintrittsfläche 42 ausgebildete Beugungsgitter 50 wurde holographisch unter Blaze-Belichtungsbedingungen bei einer Belichtungswellenlänge von 457,9 nm mit LC = 4,07 mm (divergent) und LD = 17,15 mm (divergent gegenläufig) erstellt, wobei LC und LD die Abstände der Belichtungslaserquellen von dem Gitterscheitel bedeuten.
Das Beugungsgitter 52 an der Lichtaustrittsfläche 44 wurde unter Blaze-Belichtungsbedingungen mit einer Belichtungswellenlänge von 457,9 nm mit LC = 19,41 mm (konvergent) und LD = 19,41 mm (divergent gegenläufig) erstellt.
Innerhalb des Projektionssystems 10 ist das optische Element 40 gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Abstand von etwa 2,6 mm zur Seite 34 des LCD-Paneels 14 angeordnet. Der Abstand der reflektierenden Flächen 46 und 48 zur Lichteintrittsflache 42 bzw. zur Lichtaustrittsflache 44 beträgt entlang deren jeweiliger optischer Achse jeweils 2,58 mm.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des optischen Elements 40 weisen sowohl die konkav gekrummte Lichteintrittsfläche 42 als auch die konkav gekrümmte Lichtaustrittsfläche 44 einen Radius von 7,11 mm auf.
Das an der Lichteintrittsfläche 42 ausgebildete Beugungsgitter 50 wurde holographisch unter Blaze-Belichtungsbedingungen bei einer Belichtungswellenlänge von 457,9 nm mit LC = 3,8 mm (divergent) und LD = 13,78 mm (divergent gegenlaufig) erstellt.
Das Beugungsgitter 52 an der Lichtaustrittsfläche 44 wurde unter Blaze-Belichtungsbedingungen mit einer Belichtungswellenlänge von 457,9 nm mit LC = 36,99 mm (konvergent) und LD = 36,99 (divergent gegenläufig) erstellt.
Innerhalb des Projektionssystems 10 ist das optische Element 40 gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Abstand von etwa 2,52 mm zur Seite 34 des LCD-Paneels 14 angeordnet. Der Abstand der reflektierenden Flachen 46 und 48 zur Lichteintrittsfläche 42 bzw. zur Lichtaustrittsflache 44 betragt entlang deren jeweiliger optischer Achse jeweils 2,58 mm.
In 4 ist schematisch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Projektionssystems 10 gezeigt, welches eine mehrteilige Abbildungseinheit 56 aufweist, die nicht wie die Abbildungseinheit 38 einstückig aus einem optischen Element 40 aufgebaut ist. Die mehrteilige Abbildungseinheit 56 umfasst vielmehr ein Reflexionselement 58, welches reflektierende Flachen 60 und 62 analog dem optischen Element 40 zur Verfugung stellt. Außerdem umfasst die mehrteilige Abbildungseinheit 56 ein holographisches optisches Element 64, welches zwischen dem Reflexionselement 58 und dem LCD-Paneel 14 angeordnet ist. Dieses weist auf einer der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des LCD-Paneels 14 zugewandten planen Lichteintrittsfläche 66 ein Beugungsgitter 68 und auf einer der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 des LCD-Paneels 14 zugewandten planen Lichtaustrittsfläche 70 ein Beugungsgitter 72 auf. Der Begriff Lichteintritt bzw. Lichtaustritt bezieht sich hier auf die Anordnung relativ zum LCD-Paneel 14. Die Beugungsgitter 68, 72 sind als oben erläuterte geblazete Gitter ausgebildet. Oberflachen 74 und 76 des holographischen optischen Elements 64, welche dessen Lichteintrittsfläche 66 bzw. Lichtaustrittsfläche 70 gegenuberliegen, sind ebenfalls plan ausgebildet.
Bei der in 5 gezeigten Abwandlung sind die Oberflächen 66, 70, 74 und 76 des holographischen optischen Elements 64 nicht plan ausgebildet. Dort sind dessen Lichteintrittsfläche 66 und Lichtaustrittsfläche 70 konkav gekrummt, wogegen die gegenüberliegenden Oberflächen 74 und 76 konvex gekrümmt sind. Die geometrischen Daten können beispielsweise den oben zu den 2 und 3 genannten geometrischen Daten entsprechen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemaß 6 umfasst die mehrteilige Abbildungseinheit 56 anstelle des Reflexionselements 58 zwei Spiegel 78 und 80 mit jeweils einer Spiegelflache 82 bzw. 84. Das in den oben erläuterten Abwandlungen (vgl. 4 und 5) einsetzbare holographische optische Element 64 ist der Einfachheit halber lediglich als gestrichelte Linie angedeutet.
Der in den 4 bis 6 gezeigte Strahlungsverlauf soll lediglich der Veranschaulichung dienen und muss nicht mit dem tatsächlichen Strahlungsverlauf übereinstimmen, der bei entsprechenden Ausfuhrungsbeispielen der Abbildungseinheit 56 jeweils vorliegt.
Das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugte Bild wird bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Abbildungseinheiten 38 oder 56 um 180° verdreht auf die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 abgebildet. Auf diese Weise kann das Projektionssystem 10 trotz der Verwendung mehrerer bilderzeugender Anordnungen verhaltnismäßig flach ausgebildet werden.
Bei hier nicht gezeigten Abwandlungen können die erste Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 auch in einem Winkel zueinander angeordnet sein, wobei dann die Abbildungseinheit 56 derart eingerichtet ist, dass das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugte Bild um einen entsprechenden Winkel verdreht bildpunktgenau auf die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 abgebildet wird. Unter anderem können dazu können die reflektierenden Flächen 46, 48 oder 60, 62 oder 82, 84 auch einen von 90° abweichenden Winkel einschließen.
Auf diese Weise kann das Projektionssystem 10 an die individuellen Abmessungen eines bestimmten HMDs oder HUDs und den zu Verfugung stehenden Bauraum angepasst werden.

Claims

Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät, welches umfasst: a) ein bilderzeugendes System (14) mit aa) einer ersten bilderzeugenden Anordnung (16) mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten (18), durch welche ein Bild wiedergebende Strahlung abstrahlbar ist; ab) einer zweiten bilderzeugenden Anordnung (20) mit einer Mehrzahl von zweiten Bildpunkten (22), welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung durchlässig sind; b) eine Abbildungseinheit (38; 56), mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20) leitbar ist, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) erzeugte Bild auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20) abgebildet wird; wobei c) die Abbildungseinheit (38; 56) insgesamt eine erste reflektierende Fläche (46) und eine zweite reflektierende Fläche (48) umfasst, mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung auf ihrem Weg zur zweiten bilderzeugenden Anordnung (20) insgesamt zweimal durch Reflexion umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Abbildungseinheit (38; 56) ein optisches Element (38; 56) umfasst, welches die erste und die zweite reflektierende Fläche (46, 48) umfasst; e) das optische Element (38; 56) eine Lichteintrittsfläche (42) umfasst, welche auf diese treffende Strahlung, die von ein und demselben Bildpunkt (18) der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) stammt, auf die erste reflektierende Fläche (46) kollimiert.
Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste reflektierende Fläche (46) derart angeordnet ist, dass sie von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung auf die zweite reflektierende Fläche (48) reflektiert.
Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit (38; 56) so eingerichtet ist, dass von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) abgestrahlte Strahlung derart umgelenkt wird, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) erzeugte Bild um einen Winkel von 45° bis 180°, bevorzugt von 90° bis 180°, bevorzugter von 135° bis 180° und besonders bevorzugt von 180° verdreht auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20) abgebildet wird.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite reflektierende Fläche (46, 48) plan ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (42) konkav gekrümmt ist.
Projektionssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lichteintrittsfläche (42) ein Beugungsgitter (50) ausgebildet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (50) an der Lichteintrittsfläche (42) ein geblazetes Gitter (50) ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit (38; 56) eine Lichtaustrittsfläche (44) umfasst, welche auf diese treffende Strahlung, die von ein und demselben Bildpunkt (18) der ersten bilderzeugenden Anordnung (16) stammt, auf einen einzigen Bildpunkt (22) der zweiten bilderzeugenden Anordnung (20) fokussiert.
Projektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (44) konkav gekrümmt ist.
Projektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lichtaustrittsfläche (44) ein Beugungsgitter (52) ausgebildet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (52) an der Lichtaustrittsfläche (44) ein geblazetes Gitter (52) ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (38) die Lichteintrittsfläche (42) und die Lichtaustrittsfläche (44) umfasst.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte (18, 22) der ersten und/oder der zweiten bilderzeugenden Anordnung (16, 20) durch Flüssigkristall-Zellen (18, 22) gebildet sind.
Projektionssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bilderzeugende Anordnung (16) ein erster Bereich eines Flüssigkristall-Paneels (14) und die zweite bilderzeugende Anordnung (20) ein zweiter Bereich dieses Flüssigkristall-Paneels (14) ist, welcher dem ersten Bereich benachbart angeordnet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich des Flüssigkristall-Paneels (14) an den ersten Bereich des Flüssigkristall-Paneels (14) angrenzend angeordnet ist.
Head-Mounted Display mit einem Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15.