DE60224635T2

DE60224635T2 - Optisches System, Bildanzeigegerät und Bildaufnahmeapparat

Info

Publication number: DE60224635T2
Application number: DE60224635T
Authority: DE
Inventors: Shoichi Yamazaki; Hideki Morishima; Kazutaka Inoguchi; Akinari Takagi; Motomi Matsunaga
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: CN1419149A; ATE384280T1; US7019909B2; US20030197943A1; EP1312968B1; CN1231787C; EP1312968A1; DE60224635D1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Anzeigesystem, das bevorzugt für Bildanzeigegeräte, wie z. B. eine kopfgetragene Anzeige und einen Projektor zum Vergrößern vorgesehen ist, um eine Originalabbildung anzuzeigen, die an einer Bildanzeigevorrichtung oder Ähnlichem angezeigt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf ein optisches Bildaufnahmesystem, das vorzugsweise für ein Bildaufnahmegerät vorgesehen ist.
Ein Bildanzeigegerät der kopfgetragenen Bauart (kopfgetragene Anzeige) ist gut bekannt, die eine Bildanzeigevorrichtung, wie z. B. einen CRT oder einen LCD verwendet, um zur Vergrößerung ein Bild anzuzeigen, das an der Anzeigevorrichtung über ein optisches System angezeigt wird.
Ein Bildanzeigegerät, wie z. B. die kopfgetragene Anzeige, soll insbesondere miniaturisiert und leichter ausgeführt werden, da das Gerät im Ganzen an dem Kopf getragen werden soll. Wenn zusätzlich ein Gewichtsabgleich, eine Erscheinung und dergleichen berücksichtigt werden, ist es zusätzlich erwünscht, die Vorrichtung in der Sichtachsenrichtung eines Betrachters dünn auszuführen. Darüber hinaus wird ein Bild wünschenswert so stark wie möglich vergrößert, um ein vergrößertes Bild leistungsstark anzuzeigen.
32 zeigt ein Bildanzeigegerät, das einen herkömmlichen koaxialen konkaven Spiegel verwendet. Bei diesem Gerät wird ein Lichtstrahl von einem Bild, das an einer Anzeigevorrichtung 101 angezeigt wird, an einem Halbspiegel 102 reflektiert und auf einen konkaven Spiegel 103 einfallen gelassen, und wird der Lichtstrahl, der an dem konkaven Spiegel 103 reflektiert wird, zu einem Auge E eines Betrachters über den Halbspiegel 102 geführt. Das an der Anzeigevorrichtung 101 angezeigte Bild wird als virtuelles Bild ausgebildet, das durch den konkaven Spiegel 103 vergrößert wird. Folglich kann der Betrachter das vergrößerte virtuelle Bild des an der Anzeigevorrichtung 101 angezeigten Bilds betrachten.
Zusätzlich ist unter anderem beispielsweise in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-333551 (entsprechendes Europäisches Patent Nr. EP 687 932 A2 ), der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-50256 (entsprechendes Europäisches Patent Nr. EP 687 932 A2 ), der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-160340 , der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-179238 (entsprechendes Europäisches Patent Nr. EP 687 932 A2 ) ein Bildanzeigegerät vorgeschlagen, das einen LCD (Flüssigkristallanzeige) als Bildanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bilds und ein dünnes Prisma als optisches Betrachtungssystem verwendet, um die dünnere Ausführung des gesamten Geräts zu verwirklichen.
33 zeigt ein Bildanzeigegerät, das in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-333551 vorgeschlagen ist. Bei diesem Gerät fällt von einem LCD 111 emittiertes Licht auf eine Einfallsfläche 113 eines kleinen exzentrischen Prismas 112. Dann wird ein Lichtstrahl zwischen einer inneren Totalreflexionsfläche 114 und einer Reflexionsfläche 115 umgekehrt, die in dem Prisma 112 ausgebildet sind und die Krümmungen aufweisen, und tritt darauf aus dem exzentrischen Prisma 112 durch die Fläche 114 aus und wird zu einem Auge E eines Betrachters geführt.
Folglich wird ein virtuelles Bild eines an der Anzeigevorrichtung (LCD) 111 angezeigten Bilds ausgebildet und betrachtet der Betrachter dieses virtuelle Bild.
Die Reflexionsfläche 115 des exzentrischen Prismas 112 wird durch eine exzentrische rotationsasymmetrische Fläche gebildet (eine Fläche, die in Abhängigkeit von einem Azimutwinkel eine unterschiedliche optische Brechkraft hat, eine so genannte Freiformfläche).
Eine Bauart eines in 33 gezeigten optischen Systems hat eine Charakteristik, dass es einfach ist, die gesamte Vorrichtung dünn auszuführen, und den Bildwinkel eines Betrachtungssichtfelds im Vergleich mit einer Bauart breit auszuführen, die den herkömmlichen koaxialen konkaven Spiegel verwendet, wie in 32 gezeigt ist.
In den vergangenen Jahren hat sich die Auflösung eines LCD oder Ähnlichem verbessert, der eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bilds ist, und wurde ein LCD oder Ähnliches entwickelt, der miniaturisiert ist, während er die gleiche Anzahl von Pixels hat. Wenn eine derartige miniaturisierte Bildanzeigevorrichtung verwendet wird, wird es notwendig, eine Vergrößerung eines optischen Systems zu erhöhen, um den gleichen Bildwinkel wie in der Vergangenheit zu erhalten, obwohl es für die Miniaturisierung einer Vorrichtung vorteilhaft ist.
Im Hinblick auf solche Umstände schlägt die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-153748 ein optisches System vor, bei dem ein exzentrisches Prisma und ein Übertragungslinsensystem kombiniert sind, und wird ein Zwischenbild einmal durch das Übertragungslinsensystem ausgebildet und wird dann ein an der Anzeigevorrichtung angezeigtes Bild zu einem Betrachter geführt. Folglich wird eine Vergrößerung weitergehend verbessert und wird ein Bildwinkel mit Bezug auf eine LCD-Abmessung verbreitert, während die Charakteristik aufrechterhalten wird, dass die gesamte Vorrichtung dünn ist, wie in 33 gezeigt ist.
Zusätzlich werden als optisches System mit einer stärker verbesserten optischen Leistungsfähigkeit im Vergleich mit dem optischen System, das in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-153748 vorgeschlagen ist, ein optisches System einer Bauart, bei der eine Anzahl von inneren Reflexionsflächen eines exzentrischen Prismas erhöht wird, um ein Zwischenbild nur durch das exzentrische Prisma auszubilden, und bei der das Bild zu einem Betrachter geführt wird, ein optisches System einer Bauart, bei der ein zweites exzentrisches Prisma zu einem ersten optischen exzentrischen Prismasystem hinzugefügt wird, und dergleichen, in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-066106 (entsprechendes US-Patent Nr. 6,310,736 BA ), in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-105338 , in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-131614 , in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-199853 (entsprechendes US-Patent Nr. 6,201,646 BA ), in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-227554 und in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-231060 vorgeschlagen.
Im Allgemeinen hat ein optisches System einer Bauart, bei der ein Zwischenbild einmal ausgebildet wird, ein Problem dahingehend, dass die Länge eines optischen Gangs vergrößert ist und ein Gerät groß wird. Jedoch wird bei dem optischen System, das in den jeweiligen vorstehend erwähnten Patentoffenlegungsschriften oder Patenten vorgeschlagen wird, eine Miniaturisierung durch Erfindungen angestrebt, wie z. B. die Verwendung einer Fläche zum Durchführen von sowohl einer Durchlassfunktion als auch einer Reflexionsfunktion, oder indem sich schneidende Lichtgänge vorgesehen werden.
EP-A-0 945 748 offenbart ein Bildanzeigegerät, bei dem eine erste optische Fläche Licht von einer Lichtquelle auf eine Flüssigkristallvorrichtung reflektiert, Licht von der Flüssigkristallvorrichtung dann von einer zweiten Fläche zurück auf die erste Fläche reflektiert wird, um zu dem Auge eines Betrachters gerichtet zu werden.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten und andere Nachteile gemacht, und es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein kleines optisches Anzeigesystem zu schaffen, das eine Anzeige mit einem weiten Bildwinkel erzielen kann, während eine kleine Anzeigevorrichtung verwendet wird, und wobei diese insgesamt klein ist, und ein optisches Bildaufnahmesystem zu schaffen, das einen breiten photographischen Bildwinkel mit einer geringen Abmessung erzielen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Anzeigesystem gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Erfindung der Ausdruck „der Hauptstrahl an dem mittleren Bildwinkel" einen Strahl bezeichnet, der von der Mitte einer Objektebene austritt und durch die Mitte einer Pupille verläuft, oder einen Strahl, der durch die Mitte einer Pupille tritt und auf die Mitte einer Bildebene einfällt.
Es wird nämlich verursacht, dass das Licht im Allgemeinen zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche hin- und hergerichtet wird, um die optischen Gänge im Wesentlichen zu duplizieren (Umkehren der optischen Gänge in einen optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang), wodurch ein langer optischer Gang trotz der Tatsache sichergestellt werden kann, dass das optische System klein ist. Folglich kann ein breiter Anzeigebildwinkel oder ein breiter photographischer Bildwinkel erhalten werden, während ein kleines Originalbild verwendet wird (ein Bild oder Ähnliches, das an einer Bildanzeigevorrichtung angezeigt wird), und dann wird es möglich, ein optisches System zu verwirklichen, das im Ganzen klein ist.
Zusätzlich wird, nachdem er an der zweiten Fläche reflektiert wird und erneut an der ersten Fläche reflektiert wird, der Lichtstrahl von dem Originalbild zur Seite des Auges oder der Fläche reflektiert, um das Licht auf eine dritte Fläche zu projizieren, die exzentrisch mit Bezug auf einen Lichtstrahl ist. Das ist zum Einrichten eines Lichtstrahls vorgesehen, der von dem optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang, der durch die erste und zweite Fläche ausgebildet wird, zu einer Richtung projiziert wird, die von einer Richtung eines Lichtstrahls verschieden ist, der auf den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang einfallen gelassen wird (zu der Seite des Auges oder der Fläche, an die das Licht projiziert wird) auf die dritte Fläche vorgesehen, um eine Störung mit Licht zu vermeiden, das auf den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang einfallen gelassen wird.
Andererseits wird, nachdem es an der dritten Fläche reflektiert wird, die exzentrisch mit Bezug auf einen Lichtstrahl ist, das Licht von dem Gegenstand an der ersten Fläche reflektiert und erneut an der zweiten Fläche reflektiert, und wird dann an der ersten Fläche erneut reflektiert und verläuft so, dass er zu einer Bildaufnahmefläche geführt wird. Das ist zur Vermeidung einer Störung von Licht von dem Gegenstand vorgesehen, das auf den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang einfallen gelassen wird, der durch die erste und zweite Fläche ausgebildet wird, und austretenden Lichts, das zu der Bildaufnahmefläche geführt wird, aufgrund der Reflexion an der dritten Fläche.
Ein optisches System, das im Einzelnen in einem nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiel beschrieben wird, hat eine Umkehrfläche, die nur eine Reflexionsfunktion hat, an der ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel umgekehrt und im Allgemeinen an der entgegengesetzten Seite reflektiert wird. Das entspricht einem Umkehrpunkt bei einem Marathonlauf. Ein Vorwärtsgang und ein Rückwärtsgang duplizieren sich im Wesentlichen mit der Umkehrreflexionsfläche als Grenze, wobei ein optischer langer Vorwärts- und Rückwärtsgang einschließlich von Flächen ausgebildet wird, die andere als die erste und zweite Fläche sind, und wird eine weitergehende Miniaturisierung des optischen Systems möglich.
Darüber hinaus ist die Umkehrreflexionsfläche die erste Fläche oder die zweite Fläche. Auf diesem Weg kann eine Miniaturisierung des optischen Systems verwirklicht werden, da ein optisches System mit der notwendigen minimalen Anzahl von Flächen gebildet werden kann.
Ferner ist es vorzuziehen zu verursachen, dass Licht sich an einem optischen System (beispielsweise einem transparenten Körper) zwischenfokussiert. In dem Fall des optischen Anzeigesystems ist nämlich das optische Anzeigesystem als Zwischenfokussierbauart zum Vergrößern zur Anzeige einer Zwischenfokussierfläche für ein kleines Originalbild gebildet, wodurch ein Freiheitsgrad der Auslegung sich vergrößert, wodurch es möglich wird, ein Originalbild an einem großen Bildschirm anzuzeigen, und wird es gleichzeitig möglich, das optische Anzeigesystem klein auszubilden, auch wenn eine Länge eines optischen Gangs relativ lang ausgeführt ist.
Zusätzlich wird in dem Fall des optischen Bildaufnahmesystems das optische Bildaufnahmesystem als Zwischenfokussierbauart zum Verringern einer Zwischenfokussierfläche eines Gegenstands gebildet, um diese zu einer photographischen Fläche zu führen, wodurch ein Freiheitsgrad der Auslegung sich vergrößert, wobei es möglich wird, ein Gegenstandsbild eines breiten Bildwinkels ausreichend zu verringern und dieses zu einer photographischen Fläche zu führen, und wobei es gleichzeitig möglich wird, das optische Bildaufnahmesystem auch dann klein auszubilden, wenn eine Länge eines optischen Gangs eher lang ausgeführt ist.
Zusätzlich wird es möglich, eine weitergehende dünne Ausführung eines optischen Systems zu verwirklichen, indem verursacht wird, dass eine optische Fläche, die das optische System bildet, exzentrisch mit Bezug auf einen Lichtstrahl ist. Es wird ebenso möglich, indem eine Krümmung auf eine optische Fläche aufgeprägt wird, eine unnötige Fläche in dem optischen System zu entfernen und eine Verringerung der Abmessung zu verwirklichen. Darüber hinaus können durch Ausbilden einer optischen gekrümmten Fläche als rotationsasymmetrische Fläche (Freiformfläche) verschiedenartige Aberrationen befriedigend korrigiert werden, wodurch es möglich wird, ein Seitenverhältnis eines Originalbilds und ein Seitenverhältnis eines angezeigten Bilds nahe aneinander zu bringen, wenn eine Vielzahl von Freiformflächen angenommen werden, und wird es möglich, ein mit hoher Qualität angezeigtes Bild oder photographiertes Bild zu erhalten.
Ferner ist dieses optische Anzeigesystem für eine Bildanzeigevorrichtung vorzuziehen, wie z. B. eine kopfgetragene Anzeige (HMD), die ein Betrachter an dem Kopf trägt, um ein Bild zu betrachten, oder für eine Projektionsbildanzeigevorrichtung (einen Projektor) zum Vergrößern zum Projizieren eines Bilds an einer Fläche, um ein Bild daran zu projizieren, wie z. B. ein Bildschirm. Das optische Bildaufnahmesystem ist vorzuziehen für eine Bildaufnahmevorrichtung, wie z. B. eine digitale Filmkamera oder eine Videokamera.
Zusätzlich ist die rotationsasymmetrische Fläche vorzugsweise eine ebenensymmetrische Gestalt mit einem Lokalmeridianschnitt nur als symmetrische Fläche. Folglich wird es möglich, die Verarbeitung und Herstellung des optischen Systems im Vergleich mit dem Fall einfacher auszuführen, in dem das optische System keine Symmetrie hat.
Zusätzlich ist es möglich, einen Verlust einer Lichtmenge auch in einem langen optischen Gang zu verringern, indem die optischen Flächen an einem transparenten Körper ausgebildet werden, und das Licht einer inneren Totalreflexion an einer der optischen Flächen unterzogen wird. Wenn insbesondere angenommen wird, dass die erste Fläche eine innere Reflexionsfläche ist, können das optische Anzeigesystem und das optische Bildaufnahmesystem kompakt angeordnet werden.
Darüber hinaus ist es sowohl bei dem optischen Anzeigesystem als auch bei dem optischen Bildaufnahmesystem vorzuziehen, eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts an einer Fläche mit einer optischen Brechkraft auszuführen, die die geringste im Positiven an einer Reflexionsfläche der dritten Fläche zum Reflektieren von Licht von einem Originalbild für eine Vielzahl von Malen an der ersten Fläche ist, um zur Seite eines Auges oder einer Fläche reflektiert zu werden, um das Licht daran zu projizieren, oder eine Reflexionsfläche der dritten Fläche zum Reflektieren des Lichts von einem Gegenstand zu der ersten Fläche. Wenn eine starke Brechkraft auf eine exzentrische Fläche aufgeprägt wird, ergibt sich eine zweimal so große exzentrische Aberration an dem Lokalmeridianschnitt, da es einen Vorwärtsgang und einen Rückwärtsgang des Lichts gibt. Somit wird es möglich, das Auftreten der exzentrischen Aberration an dem Lokalmeridianschnitt zu steuern, indem eine starke positive Brechkraft auf die dritte Fläche zum nur einmaligen Reflektieren des Lichts aufgeprägt wird.
Zusätzlich ist es sowohl bei dem optischen Anzeigesystem als auch bei dem optischen Bildaufnahmesystem vorzuziehen, die Fläche zum Reflektieren und Umkehren des Lichts als gekrümmte Fläche auszubilden. Wenn die Umkehrreflexionsfläche eine Ebene ist, würde das optische System dazu tendieren groß zu werden, da die Richtungen der Lichtstrahlen der Bilder herum nicht entsprechend zum Zeitpunkt der Reflexion gesteuert werden können. Wenn die Umkehrreflexionsfläche eine rotationsasymmetrische Fläche ist, ist es möglich, das optische System weitergehend zu miniaturisieren als in dem Fall einer gekrümmten Fläche, da Richtungen der Lichtstrahlen von Bildern herum frei gesteuert werden können.
Hier ist die Umkehrreflexionsfläche vorzugsweise eine Fläche, die nur eine Reflexionsfunktion hat, und wird auf eine Metallspiegelbeschichtung zum Reflektieren von nahezu 100% des Lichts angewendet, um einen Verlust der Lichtmenge so gut wie möglich zu verringern.
Ferner kann die Umkehrreflexionsfläche in dem optischen Anzeigesystem und dem optischen Bildaufnahmesystem ebenso als exzentrische Reflexionsfläche verwendet werden. In diesem Fall kann das optische System miniaturisiert werden, da eine optische Fläche verringert werden kann. Wenn insbesondere die erste Fläche oder die zweite Fläche ebenso als Umkehrreflexionsfläche verwendet werden, ist eine Miniaturisierung am besten möglich.
Wenn zusätzlich das optische Anzeigesystem als kopfgetragene Anzeige (HMD) verwendet wird, ist es vorzuziehen, Originalbilder (Bildanzeigevorrichtungen) und optische Anzeigesysteme unabhängig voneinander für beide Augen vorzusehen. Zwei Originalbilder (identisch) und zwei optische Anzeigesysteme (identisch) entsprechend den Originalbildern sind nämlich vorgesehen, wodurch ein angezeigtes Bild, das heller als ein angezeigtes Bild des HMD zum Teilen des Lichts zum rechten und linken optischen Anzeigesystem durch ein Originalbild angezeigt wird.
Zusätzlich ist es bei diesem optischen Anzeigesystem vorzuziehen, Lokalmeridianabschnitte anzuordnen, die exzentrische Abschnitte sowohl für ein linkes Auge als auch ein rechtes Auge sind, nämlich in einer vertikalen Richtung eines menschlichen Gesichts (zum Umkehren eines Lichtstrahls in der vertikalen Richtung). Da üblicherweise ein angezeigtes vergrößertes Bild einen breiten Bildwinkel in der horizontalen Richtung eines menschlichen Gesichts hat und einen engen Bildwinkel in der vertikalen Richtung hat (mit einem Verhältnis von 4:3 oder 16:9), ist es vorzuziehen, den Lokalmeridianabschnitt, der ein exzentrischer Abschnitt ist und der eine große Anzahl von auftretender exzentrischer Aberration hat, in der vertikalen Richtung einzurichten, in der ein Bildwinkel klein ist, da das Auftreten einer exzentrischen Aberration in dem angezeigten vergrößerten Bild verringert werden kann.
Ferner wird anders gesagt das vorstehend erwähnte optische System so gebildet, dass ein Reflexionswinkel mit Bezug auf eine Normalenlinie auf einen Auftreffpunkt eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel, der auf die erste Fläche zuerst auftrifft, und ein Reflexionswinkel mit Bezug auf eine Normalenlinie an diesem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel, der an der zweiten Fläche reflektiert wird und an der ersten Fläche erneut einfällt, entgegengesetzte Vorzeichen haben. Das optische System reflektiert nämlich das Licht, das an der ersten Fläche reflektiert wird, um dieses zu einem ersten Reflexionsbereich (einem Reflexionsbereich, einem Bereich in der Umgebung des Reflexionsbereichs oder einem Bereich in der Nähe des Reflexionsbereichs) des Lichts an der ersten Fläche durch die zweite Fläche umzukehren, um die optischen Gänge effektiv zu duplizieren und zu gestatten, dass ein langer optischer Gang in einem kleinen optischen System enthalten ist.
Eine Anzahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm ist, das optische Gänge eines Hauptstrahls bei einem maximalen Bildwinkel in dem optischen Anzeigesystem von 1 zeigt;
3 ein Diagramm ist, das optische Gänge eines Lichtstrahls zeigt, der von einer Mitte einer Bildanzeigefläche in dem optischen Anzeigesystem von 1 emittiert wird;
4 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das optische Gänge eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel hat, die von denjenigen in 1 verschieden sind;
5 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das optische Gänge eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel hat, die verschieden von denjenigen in 1 sind;
6 ein Diagramm eines optischen Bildaufnahmesystems ist, das ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
8 ein Diagramm ist, das optische Gänge eines Hauptstrahls bei einem maximalen Bildwinkel in dem optischen Anzeigesystem von 7 zeigt;
9 ein Diagramm ist, das optische Gänge eines Lichtstrahls zeigt, der von einer Mitte einer Bildanzeigefläche in dem optischen Anzeigesystem von 7 emittiert wird;
10 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
11 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das fünfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
12 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
13 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das siebte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
14 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das achte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
15 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das neunte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
16 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines ersten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
17 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines zweiten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
18 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines dritten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
19 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines vierten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
20 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines fünften numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
21 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines sechsten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
22 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines siebten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
23 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines achten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
24 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines neunten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
25 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines zehnten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
26 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines elften numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
27 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines Zwölften numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
28 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines Dreizehnten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
29 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines Vierzehnten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des vierten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
30 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines Fünfzehnten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des fünften Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
31 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines Sechzehnten numerischen Beispiels (einer Ausführungsform des sechsten Ausführungsbeispiels) der vorliegenden Erfindung ist;
32 ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Anzeigesystems ist; und
33 ein Diagramm es herkömmlichen optischen Anzeigesystems ist.
Vor dem Beginn der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung werden Definitionen eines Meridianschnitts, eines Sagittalschnitts, eines Lokalmeridianschnitts und eines Lokalsagittalschnitts beschrieben, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Bei einer Definition eines herkömmlichen Systems, das nicht einem exzentrischen System entspricht, wenn die z-Achse als die optische Achse in einem Scheitelkoordinatensystem von jeder Fläche angenommen wird, ist ein yz-Schnitt ein herkömmlicher Meridianschnitt und ein xz-Schnitt ein Sagittalschnitt.
Da ein optisches System dieses Ausführungsbeispiels ein exzentrisches System ist, werden ein Lokalmeridianschnitt und ein Lokalsagittalschnitt neu definiert, die dem exzentrischen System entsprechen.
Eine Fläche, die einfallendes Licht und austretendes Licht eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel an einem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls an einem mittleren Bildwinkel (bei einem optischen Anzeigesystem ein Lichtstrahl von einer Bildmitte einer Anzeigevorrichtung zu einer Mitte einer Austrittspupille eines optischen Anzeigesystems, und bei einem optischen Bildaufnahmesystem ein Lichtstrahl, der durch die Mitte einer Eintrittspupille des optischen Bildaufnahmesystems verläuft, so dass er eine Bildmitte einer Bildaufnahmevorrichtung erreicht) und eine jeweilige Fläche umfasst werden als Lokalmeridianschnitt definiert. Eine Fläche, die einen Auftreffpunkt umfasst und vertikal zu dem Lokalmeridianschnitt und parallel zu einem Sagittalschnitt eines Scheitelkoordinatensystems der jeweiligen Fläche ist (gewöhnlich ein Sagittalschnitt), wird als Lokalsagittalschnitt definiert.
Eine Krümmung des Hauptstrahls bei dem mittleren Bildwinkel an dem Auftreffpunkt an der jeweiligen Fläche wird berechnet und ein Radius der Krümmung ry des Lokalmeridianschnitts und ein Radius der Krümmung rx des Lokalsagittalschnitts mit Bezug auf den Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel in der jeweiligen Fläche werden definiert.
Darüber hinaus wird angenommen, dass Brechungsindices vor und hinter der zugehörigen Fläche nd bzw. nd' sind. Dann wird fy, angegeben durch fy = ry/(nd' – nd), als Brennweite des Lokalmeridianschnitts definiert, und wird fx, angegeben durch fx = rx/(nd' – nd), als Brennweite des Lokalsagittalschnitts definiert.
Zusätzlich wird ein Abstand zwischen einem Auftreffpunkt der zugehörigen Fläche mit dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel und einem Auftreffpunkt der nächsten Fläche mit dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel (ein Wert ohne eine Luftumwandlung an einem Abstand an dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel) als Flächenintervall d definiert.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem ist durch ein erstes optisches System 1 und ein zweites optisches System 2 gebildet, die aus transparenten Körpern ausgebildet sind, die mit einem optischen Medium, wie z. B. Glas oder Kunststoff, gefüllt sind, das einen Brechungsindex von größer als Eins hat.
Drei optische Flächen sind an dem transparenten Körper des ersten optischen Systems 1 ausgebildet (im Folgenden als erstes optisches Element 1 bezeichnet). Sowohl eine Fläche A (erste Fläche) als auch eine Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen für sowohl einen Durchlass als auch eine Reflexion, die als Durchlassfläche und Reflexionsfläche wirken. Eine Fläche C (zweite Fläche) ist eine Reflexionsfläche.
Reflektierende Filme sind an einem Teil (im oberen Teil) der Fläche A und der Fläche C ausgebildet und ein halbdurchlässiger reflektierender Film (Halbspiegel) ist an der Fläche B ausgebildet.
Der obere Teil der Fläche A ist ein Bereich mit einer Umkehrreflexionsfunktion. Der untere Teil der Fläche A ist ein Bereich, in dem ein Lichtstrahl aus der Fläche A austritt.
Ferner sind der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm ausgebildet. Das ist darin begründet, dass der Metallfilm eine flache spektrale Reflexionscharakteristik und eine unauffällige Farbe hat, und eine geringe Differenz der Reflexion mit Bezug auf Licht mit unterschiedlichen Ablenkungsrichtungen hat.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche B als Einfallsfläche und eine Reflexionsfläche des Lichts von der Bildanzeigevorrichtung 3, wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche und wirkt die Fläche C als Reflexionsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem ersten optischen Element 1 über das zweite optische System 2 geführt. Das Licht, das auf das erste optische Element 1 von der Fläche B einfallen gelassen wird, wird an der Fläche A reflektiert und wird dann an der Fläche C reflektiert, so dass es zu dem oberen Teil der Fläche A geführt wird. Dann wird, nachdem es an dem oberen Teil der Fläche A umgekehrt und reflektiert wird, das Licht erneut an der Fläche C reflektiert und zu der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche A umgekehrt. Dann wird das Licht erneut an der Fläche A reflektiert, weitergehend an der Fläche B reflektiert, durch den unteren Teil der Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element aus, so dass es eine Austrittspupille S erreicht.
In dieser Figur ist als Beispiel des Lichts, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds durch Anordnen eines Auges in der Umgebung der Position der Austrittspupille S visuell erkennen.
Zusätzlich tritt bei dem ersten optischen Element 1 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (erneute Reflexion) (→ der Fläche A (Durchlass)), und verläuft beim Erzielen der Umkehrreflexion an der Fläche A zurück zu dem optischen Gang von diesem Punkt, so dass er die letzte Reflexionsfläche B erreicht.
Hier wird der optische Gang der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang aus, so dass ein Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel im voraus zu einer Seite reflektiert wird, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird die Funktion als Umkehrreflexionsfläche auf die Fläche A aufgeprägt, um den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 1 auszubilden, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, so dass sie einen langen optischen Gang in dem ersten optischen Element 1 enthalten. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Systems 2 miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der letzten Reflexionsfläche B, so dass er zu dem Augapfel geführt wird.
Darüber hinaus werden, wie durch gepunktete Linien in 2 angegeben ist, Lichtstrahlen, die von den Enden der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert werden, so dass sie die Mitte der Austrittspupille S erreichen (Hauptstrahlen bei dem maximalen Bildwinkel), zu dem ersten optischen Element 1 durch das zweite optische System 2 und zu der Mitte der Austrittspupille S unter Durchlaufen der Flächen in der Reihenfolge der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) auf dieselbe Weise geführt, wie der Hauptstrahl des mittleren Bildwinkels geführt wird.
Zusätzlich wird, wie durch eine gestrichelte Linie in 3 angegeben ist, ein Lichtstrahl, der von der Mitte der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, so dass er beide Enden der Austrittspupille S erreicht, zu dem ersten optischen Element 1 durch das zweite optische System 2 und zu beiden Enden der Austrittspupille S unter Durchlaufen der Flächen in der Reihenfolge der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) auf dieselbe Weise geführt, wie der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel geführt wird.
In diesem Fall wird ein Zwischenbild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds in dem ersten optischen Element 1 angezeigt. Durch Ausbilden des Zwischenbilds in dem ersten optischen Element 1 kann das optische System auch dann kompakt ausgeführt werden, wenn die Krümmung des zweiten optischen Systems 2 abgeschwächt wird, und kann die Erzeugung von übermäßigen Aberrationen bei dem zweiten optischen System 2 gesteuert werden, um zu verhindern, dass das zweite optische System 2 kompliziert wird.
Obwohl ferner das Zwischenbild zwischen der erneuten Reflexion an der Fläche C und der erneuten Reflexion an der Fläche A in 3 ausgebildet wird, ist eine Zwischenfokussierposition nicht immer an dieser Position erforderlich, sondern kann innerhalb des ersten optischen Elements 1 ausgebildet werden.
Zusätzlich kann zum Vereinfachen der Korrektur einer Aberration bei einem so genannten optischen Okularsystemabschnitt, der ein Zwischenbild zu der Austrittspupille S als im Wesentlichen paralleles Licht führt, die Zwischenfokussierfläche so ausgebildet werden, dass sie geeignet gekrümmt ist oder eine astigmatische Differenz gemäß einer Situation hat, in der eine Bildfeldkrümmung oder ein Astigmatismus bei dem optischen Okularsystemabschnitt auftritt.
In 3 entsprechen die Fläche B, die die Endreflexionsfläche ist, und der Abschnitt, der als erneute Reflexionsfläche funktioniert, und die Austrittsfläche an der Fläche A dem optischen Okularsystemabschnitt. Andere Abschnitte in dem ersten optischen System 1 und dem zweiten optischen System 2 entsprechen einem optischen Lichtsteuersystem.
Es ist vorzuziehen, die Reflexionen außer der Umkehrreflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust der Lichtmenge verringert wird. Zusätzlich kann, wenn zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich ausgesetzt wird, der für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (der untere Teil der Fläche A), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht werden kann, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen außer der Umkehrreflexion an der Fläche A der inneren Totalreflexion ausgesetzt werden.
Zusätzlich sind in einer Grenze des reflektierenden Filmbereichs und des gemeinsamen Bereichs Grenzen von reflektierenden Filmen klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, eine Reflexionseigenschaft von dem unteren Teil in Richtung auf den oberen Teil in der Umgebung der Grenze graduell zu erhöhen (zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Fläche A), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig auszuführen. Ferner ist ein Metallfilm als reflektierender Film aufgrund des vorstehend beschriebenen Grunds vorzuziehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche B, wenn sie als die Endreflexionsfläche funktioniert, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion, Umkehrreflexion, erneute Reflexion und Durchlass) und die Fläche C (Reflexion und erneute Reflexion) und nimmt eine Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 1 an. Daher tritt ein großer Betrag exzentrischer Aberrationen bei dem konkaven Spiegel B auf und ist es schwierig, die Aberrationen lediglich durch die Fläche A und die Fläche B als optische Okularsysteme vollständig zu korrigieren. Somit wird ein Zwischenbild so ausgebildet, dass eine Zwischenfokussierfläche in der Form ausgeführt werden kann, in der ein optischer Lichtsteuersystemabschnitt Aberrationen bei dem optischen Okularsystem aufhebt, wodurch es möglich wird, eine Bildqualität bei der abschließenden Bildbetrachtung zu verbessern.
Da Licht zweimal oder mehrmals an der Fläche A und der Fläche C reflektiert wird, um einen optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 1 auszubilden, wird der Fläche B eine Brechkraft verliehen, und wird die Brechkraft von jeder der Flächen A und C schwach eingerichtet, um das Auftreten von Aberrationen zu steuern.
Da insbesondere der Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, kann dann, wenn eine positive Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt bei einem Hauptstrahl an dem mittleren Bildwinkel stark eingerichtet wird (Brennweite ist kurz eingerichtet), und die Brechkraft von jeder der Flächen A und C schwach eingerichtet ist, das Auftreten von exzentrischen Aberrationen gesteuert werden. Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und können die Flächen A und C Ebenen sein.
Da die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten von exzentrischen Aberrationen so gut wie möglich zu steuern. Wenn zusätzlich eine andere Fläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis der Bildanzeigevorrichtung 3 und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf dicht beieinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B und C entsprechend aus gekrümmten Flächen ausgebildet werden, kann die Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zur Kondensation des Lichts oder der Divergenz oder der Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise werden die drei Flächen A, B und C, die das erste optische System 1 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen.
An diesem Punkt ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche in einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, wobei sie einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da die Verarbeitung und Herstellung im Vergleich mit dem Fall einfach durchgeführt werden können, dass keine Symmetrie vorhanden ist.
Durch Bilden des optischen Anzeigesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann die Bildanzeigevorrichtung bereitgestellt werden, die ein an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigtes Bild als ein vergrößertes Bild mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit anzeigt.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad der Einstellung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in einem transparenten Körper verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel weiter einzurichten (eine Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 1 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Umkehrreflexion des Hauptstrahls bei dem mittleren Bildwinkel (bei dem optischen Anzeigesystem ein Lichtstrahl, der die Mitte der Austrittspupille S von der Mitte der Anzeigefläche einer Bildanzeigevorrichtung erreicht, und bei dem optischen Bildaufnahmesystem, ein Lichtstrahl, der durch die Mitte der Eintrittspupille verläuft, so dass er die Mitte einer Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung erreicht) an der Fläche A als im Wesentlichen vertikale Reflexion gezeigt. Jedoch ist das optische System der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Die 4 und 5 zeigen einen Aufbau eines optischen Anzeigesystems, bei dem eine Umkehrreflexion, die vorstehend beschrieben ist, nicht eine im Wesentlichen vertikale Reflexion ist. Bei den ersten optischen Systemen 1' und 1'', die in diesen Figuren gezeigt sind, sind die optischen Gänge der Hauptstrahlen bei dem mittleren Bildwinkel verschieden von denjenigen, die in 1 gezeigt sind.
Die ersten optischen Systeme 1' und 1'', die in den 4 und 5 gezeigt sind, sind dieselben wie das in 1 gezeigte erste optische System 1 in der Hinsicht, dass ein optischer Gang von der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) ausgebildet wird.
Jedoch ist das erste optische System 1' von 4 verschieden von dem ersten optischen Element 1 von 1 dahingehend, dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche C reflektiert wird, zuerst mit einem Winkel von θ an der Fläche A umgekehrt und reflektiert wird und an einer Position erneut reflektiert wird, die höher als der vorhergehende Reflexionspunkt an der Fläche A ist (vorausgesetzt, dass es ein Bereich in der Nähe des ersten Reflexionsbereichs des Lichtstrahls ist).
Zusätzlich ist das erste optische System 1'' von 5 verschieden von dem ersten optischen System 1 von 1 dahingehend, dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche C reflektiert wird, zuerst mit einem Winkel von θ an der Fläche A umgekehrt und reflektiert wird und an einer Position erneut reflektiert wird, die niedriger als der vorhergehende Reflexionspunkt an der Fläche A ist (vorausgesetzt, dass es ein Bereich in der Nähe des ersten Reflexionsbereichs des Lichtstrahls ist).
Auf diesem Weg kann ein Lichtstrahl mit einem vorbestimmten Winkel θ vor und hinter der Umkehrreflexionsfläche A einfallen und reflektiert werden. Jedoch ist der Winkel θ wie folgt definiert: |θ| < 60° (1)
Wenn der Winkel θ die Obergrenze dieses Bedingungsausdrucks (1) übersteigt, läuft ein optischer Gang nach der Umkehrreflexion (Rückwärtsgang) nicht zurück zu einem Vorwärtsgang und wird eher ein optischer Zickzackgang als ein optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang ausgebildet. Als Folge wird das optische System groß. |θ| < 30° (2)
Wenn der Winkel θ von der Bedingung dieses Bedingungsausdrucks (2) abweicht, kann ein Rückwärtsgang zu einem Vorwärtsgang zurücklaufen, aber überschneiden sich diese nicht. Somit wird das optische System groß, wodurch es schwierig wird, das gesamte optische System zu miniaturisieren. Daher ist diese Bedingung nicht vorzuziehen. |θ| < 20° (3)
Wenn der Winkel θ diesen Bedingungsausdruck (3) erfüllt, wird es möglich, das optische System weitergehend zu miniaturisieren.
Darüber hinaus wird in den 4 und 5 ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche A reflektiert wird und auf die Fläche C einfällt, zuerst an der Fläche C mit einem Winkel α reflektiert, an der Umkehrreflexionsfläche A mit einem Winkel θ umgekehrt und reflektiert und mit einem Winkel β erneut reflektiert, wenn der Lichtstrahl auf die Fläche C zum zweiten Mal einfällt. In diesem Fall erfüllen die Winkel α und β vorzugsweise die folgenden entsprechenden Ausdrücke: 25° < |α| < 85° (4) 20° < |β| < 75° (5)
Wenn der Winkel α von dieser Bedingung des vorstehend erwähnten Ausdrucks (4) abweicht, wird das erste optische System groß und wird es schwierig, das gesamte optische Anzeigesystem zu miniaturisieren. In ähnlicher Weise wird, wenn der Winkel β von der Bedingung des Ausdrucks (5) abweicht, das erste optische System groß und wird es schwierig, das gesamte optische Anzeigesystem zu miniaturisieren.
Zusätzlich erfüllen in den ersten optischen Systemen 1, 1' und 1'', die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt sind, wenn angenommen wird, dass: eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts fy fya sein soll, wenn ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel an der Fläche A umgekehrt und reflektiert wird, von Auftreffpunkten an der jeweiligen Fläche des Hauptstrahls an dem mittleren Bildwinkel in dem Fall, dass Licht dem optischen Gang der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) folgt; und eine Brennweite des Lokalmeridianschnitts fy fyc sein soll, wenn der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel an der Fläche C erneut reflektiert wird, fya und fyc wünschenswert eine Bedingung des folgenden Ausdrucks: |fyc/fya| ≤ 4 (6)
Wenn die Obergrenze des Ausdrucks (6) überschritten wird, können eine Totalreflexion zu dem Zeitpunkt, wenn Licht an der Fläche A reflektiert und erneut reflektiert wird (ausschließlich einer Umkehrreflexion), und eine Umkehrreflexion an der Fläche A nicht vorgenommen werden.
zweites Ausführungsbeispiel
6 zeigt ein optisches Bildaufnahmesystem, das ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Ein Bezugszeichen 11 in der Figur bezeichnet ein erstes optisches System, das das gleich wie das in 1 gezeigte ist; 2 bezeichnet ein zweites optisches System; und 4 bezeichnet eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung (photoelektrische Wandlervorrichtung), wie z. B. einen CCD oder einen CMOS.
Ein Bezugszeichen S bezeichnet eine Eintrittspupille des optischen Bildaufnahmesystems, das aus dem ersten optischen System (im Folgenden als erstes optisches Element bezeichnet) 11 und dem zweiten optischen System 2 besteht. Die Blende S ist an dieser Position angeordnet, um das Einfallen von unnötigem Licht zu verhindern.
In diesem Ausführungsbeispiel wirkt eine Fläche A (erste Fläche) als Einfallsfläche und Reflexionsfläche von Licht von einem Gegenstand, wirkt eine Fläche B (dritte Fläche) als Reflexionsfläche und Austrittsfläche und wirkt eine Fläche C (zweite Fläche) nur als Reflexionsfläche.
Licht von außen, das durch die Blende S getreten ist, fällt auf das erste optische Element 11 von der Fläche A, wird an der Fläche B reflektiert, an der Fläche A reflektiert und an der Fläche C reflektiert, so dass es zu dem oberen Teil der Fläche A geführt wird. Dann wird das Licht, nachdem es an der Fläche A umgekehrt und reflektiert wird, die eine Umkehrreflexionsfunktion an ihrem oberen Teil hat, erneut an der Fläche C reflektiert, erneut in der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche A reflektiert und durch die Fläche B durchgelassen, so dass es aus dem ersten optischen Element 11 austritt, um zu dem zweiten optischen System 2 zu verlaufen.
Das Licht, das durch das zweite optische System 2 getreten ist, wird zu der Bildaufnahmevorrichtung 4 geführt, um fokussiert zu werden. In diesem Fall wird ein Lichtstrahl von einem gewünschten Bild von außen an einer Bildaufnahmefläche der Bildaufnahmevorrichtung 4 fokussiert, um zu ermöglichen, das Bild von außen zu erhalten.
Durch Bilden des optischen Bildaufnahmesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann eine Bildaufnahmevorrichtung bereitgestellt werden, die einen Gegenstand außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung 4 mit einer hohen optischen Leistungsfähigkeit fokussiert. Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad eines Bildaufnahmebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 4 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in dem ersten optischen Element 11 verbessert, um zu ermöglichen, einen breiteren Bildwinkel einzurichten (das eine hohe Vergrößerung darstellt). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 11 durch im Wesentlichen Duplizieren eines langen optischen Gangs kurzgehalten werden, der in dem ersten optischen Element 11 auszubilden ist, um ein sehr kompaktes optisches Bildaufnahmesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Drittes Ausführungsbeispiel
7 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 21 und ein zweites optisches System 2 gebildet. Drei optische Flächen sind an einem transparenten Körper ausgebildet, der das erste optische System 21 bildet (im Folgenden als erstes optisches Element 21 bezeichnet). Sowohl eine Fläche A (erste Fläche) als auch eine Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen sowohl für Durchlass- und Reflexionsfunktionen als Durchlassfläche und Reflexionsfläche, und eine Umkehrreflexionsfläche C (zweite Fläche) ist eine Fläche nur für eine Reflexionsfunktion.
Reflektierende Filme sind an der Reflexionsfläche C ausgebildet und ein halbdurchlässiger reflektierender Film (Halbspiegel) ist an der Fläche B ausgebildet.
Ferner bestehen der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche von Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3, wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche und wirkt die Fläche C als Reflexionsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem ersten optischen Element 21 über das zweite optische System 2 geführt. Das auf das erste optische Element 21 von der Fläche B einfallende Licht wird an der Fläche A reflektiert, so dass es zu der Umkehrreflexionsfläche C geführt wird. An der Umkehrreflexionsfläche C wird das einfallende Licht reflektiert, so dass es im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Einfallsrichtung umgekehrt wird. Das Licht wird zu der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche A umgekehrt. Dann wird das Licht erneut an der Fläche A reflektiert, an der Fläche B reflektiert, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 21 aus, so dass es eine Austrittspupille S erreicht.
In dieser Figur ist als Beispiel des Lichts, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
Zusätzlich tritt in dem ersten optischen Element 21 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt), und läuft beim Erzielen der Umkehrreflexion an der Fläche C zurück zu den optischen Gängen von diesem Punkt.
Der optische Gang der Fläche B → der Fläche A → der Umkehrreflexionsfläche C ist als Vorwärtsgang ausgebildet und der optische Gang der Umkehrreflexionsfläche C → der Fläche A → der Fläche B ist als Rückwärtsgang ausgebildet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv al optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang ausgebildet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel reflektiert wird und zu einer Seite fortschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie an einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 21 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, um das Innere des ersten optischen Elements 21 effektiv zu nutzen. Folglich kann die Abmessung des ersten optischen Elements 21 mit Bezug auf die optische Ganglänge verringert werden und kann somit das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Die Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche C basiert auf dem reflektierenden Film. Zusätzlich tritt das Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel geführt.
Darüber hinaus werden, wie durch gepunktete Linien in 8 angegeben ist, Lichtstrahlen, die von den Enden der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert werden, so dass sie die Mitte der Austrittspupille S erreichen (Hauptstrahlen bei einem maximalen Bildwinkel), zu dem ersten optischen Element 1 durch das zweite optische System 2 und zu der Mitte der Austrittspupille S unter Durchlaufen der Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) auf dieselbe Weise geführt, wie der Hauptstrahl des mittleren Bildwinkels geführt wird.
Zusätzlich wird, wie durch eine gestrichelte Linie in 9 angegeben ist, ein Lichtstrahl, der von der Mitte der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, so dass er beide Enden der Austrittspupille S erreicht, zu dem ersten optischen Element 1 durch das zweite optische System 2 und zu beiden Enden der Austrittspupille S unter Durchlaufen der Flächen in der Reihenfolge der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) auf dieselbe Weise geführt, wie der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel geführt wird.
In diesem Fall wird ein Zwischenbild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds in dem ersten optischen System 1 ausgebildet. Durch Ausbilden des Zwischenbilds in dem ersten optischen Element 1 kann das optische System kompakt ausgeführt werden, auch wenn die Brechkraft des zweiten optischen Systems 2 abgeschwächt wird, und kann eine Erzeugung von übermäßigen Aberrationen in dem zweiten optischen System 2 gesteuert werden, um zu verhindern, dass das zweite optische System 2 kompliziert wird.
Ferner ist, obwohl das Zwischenbild zwischen der Umkehrreflexion an der Fläche C und der Reflexion an der Fläche A in 9 ausgebildet wird, eine Zwischenfokussierposition nicht immer an dieser Position erforderlich, sondern kann innerhalb des ersten optischen Elements 1 ausgebildet werden.
Zusätzlich kann zum Vereinfachen einer Korrektur einer Aberration bei einem so genannten optischen Okularsystemabschnitt, der ein Zwischenbild zu der Austrittspupille S als im Wesentlichen paralleles Licht führt, die Zwischenfokussierfläche so ausgebildet werden, dass sie geeignet gekrümmt ist oder eine astigmatische Differenz gemäß einer Situation hat, in der eine Krümmung eins Bildfelds oder ein Astigmatismus bei dem optischen Okularsystemabschnitt auftritt.
In 9 entsprechen die Fläche B, die die Endreflexionsfläche ist, und der Teil, der als Austrittsfläche an der Fläche A wirkt, dem optischen Okularsystemabschnitt. Die anderen Abschnitte in dem ersten optischen System 1 und dem zweiten optischen System 2 entsprechen einem optischen Lichtsteuersystem.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Zusätzlich kann, wenn zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich unterzogen wird, der für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (der untere Teil der Fläche A), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen aus diesem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht werden kann, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A einer inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Zusätzlich sind an einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und des gemeinsamen Bereichs Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, eine Reflexionseigenschaft von dem unteren Teil zu dem oberen Teil in der Umgebung der Grenze graduell zu erhöhen (in der Seite des unteren Teils im Bereich des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche B, wenn sie als die Endreflexionsfläche funktioniert, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion, erneute Reflexion und Durchlass) und nimmt eine Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 1 an. Daher tritt ein großer Betrag exzentrischer Aberrationen mit dem konkaven Spiegel B auf und ist es schwierig, die Aberrationen nur durch die Fläche A und die Fläche B als optische Okularsysteme vollständig zu korrigieren. Somit wird ein Zwischenbild so ausgebildet, dass eine Zwischenfokussierfläche in einer Form ausgeführt werden kann, in der ein optischer Lichtsteuersystemabschnitt Aberrationen in dem optischen Okularsystem aufhebt, wodurch es möglich wird, die Bildqualität bei einer abschließenden Bildbetrachtung zu verbessern. Da zusätzlich Licht zweimal an der Fläche A aufgrund des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs reflektiert wird, wird der Fläche B eine Brechkraft verliehen und wird die Brechkraft der Fläche A schwach eingerichtet, um das Auftreten von Aberrationen zu steuern.
Da insbesondere ein Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, kann das Auftreten von exzentrischen Aberrationen gesteuert werden, wenn die Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt stark eingerichtet wird und die Brechkraft der Fläche A mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel schwach eingerichtet wird.
Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und kann die Fläche A eine Ebene sein. Da ferner die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten von exzentrischen Aberrationen so gut wie möglich zu steuern.
Wenn zusätzlich eine weitere Reflexionsfläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis des an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf nahe aneinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B und C entsprechend aus gekrümmten Flächen ausgebildet werden, kann die Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu der Kondensation von Licht, Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise werden die drei Flächen A, B und C, die das erste optische System 1 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen. An diesem Punkt ist es vorzuziehen, die jeweilige rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da die Bearbeitung und Herstellung im Vergleich mit dem Fall einfach durchgeführt werden kann, in dem keine Symmetrie vorliegt.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad der Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in einem transparenten Körper verbessert, um zu ermöglichen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 1 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee in diesem Ausführungsbeispiel auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Viertes Ausführungsbeispiel
10 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 31 und ein zweites optisches System 2 gebildet. Vier optische Flächen sind an einem transparenten Körper ausgebildet, der das erste optische System (im Folgenden als erstes optisches Element bezeichnet) 31 bildet. Eine Fläche A (erste Fläche) ist eine Fläche, die für sowohl eine Durchlassfunktion als auch eine Reflexionsfunktion als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet wird, eine Umkehrreflexionsfläche C (zweite Fläche) und eine Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen ur für eine Reflexionsfunktion und eine Einfallsfläche D ist eine Durchlassfläche.
Reflektierende Filme sind an der Umkehrreflexionsfläche C und der Fläche B ausgebildet.
Ferner bestehen die reflektierenden Filme vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche D als Einfallsfläche von Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3, wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche und wirken die Flächen B und C als Reflexionsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem ersten optischen Element 31 über das zweite optische System 2 geführt. Das auf das erste optische Element 31 von der Einfallsfläche D einfallende Licht wird an der Fläche A reflektiert, so dass es zu der Umkehrreflexionsfläche C geführt wird. Das Licht wird an der Fläche C reflektiert, so dass es zu der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts umgekehrt wird, das auf die Fläche A einfallen gelassen wird. In diesem Fall ist ein Winkel, der durch das einfallende Licht und das reflektierende Licht an der Umkehrreflexionsfläche C eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel ausgebildet wird, θ.
Dann wird das Licht erneut an der Fläche A reflektiert, weitergehend an der Fläche B reflektiert, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 31 aus, so dass es eine Austrittspupille S erreicht.
In dieser Figur ist als Beispiel von Licht, das aus der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Bildflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, um die Mitte der Austrittspupille S zu erreichen.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
Zusätzlich tritt in dem ersten optischen Element 31 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche D (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) und verläuft beim Erzielen der Umkehrreflexion an der Fläche C zurück zu den optischen Gängen von diesem Punkt.
Hier wird der optische Gang der Fläche A → der Fläche C (Umkehrreflexion) als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang aus, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel an einer Seite reflektiert wird und voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion einer Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 31 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, um das Innere des ersten optischen Elements 31 wirksam zu nutzen. Folglich kann die Abmessung des ersten optischen Systems 31 mit Bezug auf die optische Ganglänge verringert werden und kann somit das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel anstelle der Bildanzeigevorrichtung 3 geführt.
Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist vorteilhaft hinsichtlich der Helligkeit im Vergleich mit den optischen Anzeigesystemen des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels. In dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel muss das erste optische System ein Halbspiegel sein, da Licht von einer Bildanzeigevorrichtung von der Fläche B des ersten optischen Systems einfällt und die Fläche B eine Reflexionsfunktion in dem optischen Gang des ersten optischen Systems hat. Daher wird eine Lichtmenge von der Bildanzeigevorrichtung im Wesentlichen halbiert, wenn das Licht in das erste optische System eintritt.
Andererseits wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Winkel θ, der durch einfallendes Licht und reflektiertes Licht eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel zu der Umkehrreflexionsfläche C ausgebildet wird, auf einen relativ großen Wert eingerichtet, und wird der Rückwärtsgang sich erstreckend zu der Fläche A eingerichtet, so dass das Licht darauf die Fläche B erreicht, die von der Einfallsfläche D getrennt ist. Auf diesem Weg wird durch Trennen der Einfallsfläche D und der Fläche B (Fläche, die nur eine Reflexionsfunktion hat) ein Verlust der Lichtmenge beim Einfall auf das erste optische System beseitigt und wird ein optisches System mit heller Anzeige verwirklicht.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Wenn zusätzlich zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich unterzogen wird, der sowohl für den reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (der untere Teil der Fläche A), und Licht durch die reflektierenden Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, kann derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht werden kann, in dem die gesamten reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A einer inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Zusätzlich sind in einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und des gemeinsamen Bereichs Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, die Reflexionseigenschaft graduell von dem unteren Teil zu dem oberen Teil in der Umgebung der Grenze zu erhöhen (die Seite des unteren Teils innerhalb des Bereichs des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche B, wenn sie als Endreflexionsfläche funktioniert, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion, erneute Reflexion und Durchlass) und nimmt die Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 31 an. Das liegt daran, dass, da Licht zweimal an der Fläche A aufgrund des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs reflektiert wird, der Fläche B eine Brechkraft verliehen wird und die Brechkraft der Fläche A schwach eingerichtet wird, um das Auftreten von Aberrationen zu steuern.
Da insbesondere ein Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, kann das Auftreten von exzentrischen Aberrationen gesteuert werden, wenn die Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt stark eingerichtet ist und die Brechkraft der Fläche A mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel schwach eingerichtet wird.
Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und kann die Fläche A eine Ebene sein. Da die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es erwünscht, eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten exzentrischer Aberrationen so gut wie möglich zu steuern.
Wenn zusätzlich eine andere Reflexionsfläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis des an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf nahe aneinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B, C und D als entsprechende gekrümmte Flächen ausgebildet werden, kann die Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu der Kondensierung von Licht, Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise sind die vier Flächen A, B, C und D, die das erste optische System 31 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen.
An diesem Punkt ist es vorzuziehen, die jeweilige rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da die Bearbeitung und Herstellung einfach im Vergleich mit dem Fall durchgeführt werden kann, in dem keine Symmetrie vorliegt.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad der Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in einem transparenten Körper verbessert, um zu ermöglichen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 31 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel wünschenswert, dass die Ausdrücke (1) bis (6) erfüllt werden, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Fünftes Ausführungsbeispiel
11 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 41, das aus einem optischen Element 41-a und einem reflektierenden Element 41-b besteht, die transparente Körper sind, und ein zweites optisches System 2 gebildet.
Das optische Element 41-a hat drei optische Flächen. Eine Fläche A (erste Fläche) und eine Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen, die sowohl für Durchlass- als auch Reflexionsfunktionen als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet werden, und eine Fläche C (zweite Fläche) ist eine Fläche nur für eine Reflexionsfunktion. Das reflektierende Element 41-b hat eine Durchlassfläche D, die exzentrisch mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel ist, und eine Umkehrreflexionsfläche E einer Rückseitenreflexion.
Reflektierende Filme sind an der Fläche C und der Umkehrreflexionsfläche E des reflektierenden Elements 41-b ausgebildet und die Fläche B ist als Halbspiegel ausgebildet. Ferner bestehen der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel funktioniert die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche von Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3, und wirkt die Fläche A als Austrittsfläche (Austritt in Richtung auf das reflektierende Element 41-b und in Richtung auf eine Austrittspupille S) und eine Reflexionsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem optischen Element 41-a des ersten optischen Systems 41 über das zweite optische System 2 geführt. Nachdem das Licht auf das optische Element 41-a von der Fläche B einfällt, wird es an der Fläche A und der Fläche C in dieser Reihenfolge reflektiert und fällt auf die Fläche A und tritt aus dieser aus bei einem kritischen Winkel oder darunter. Dann wird nach dem Austreten aus dem optischen Element 41-a das Licht durch die Durchlassfläche D des reflektierenden Elements 41-b durchgelassen und wird an der Umkehrreflexionsfläche E reflektiert. Die Umkehrreflexionsfläche E reflektiert einfallendes Licht, um das Licht im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung mit Bezug auf eine Einfallsrichtung umzukehren. In diesem Fall ist ein Winkel, der durch das einfallende Licht und das reflektierte Licht an der Umkehrreflexionsfläche eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel ausgebildet wird, θ.
Im Folgenden tritt das Licht in das optische Element 41-a von der Fläche A erneut ein und wird aufgrund der Reflexion an der Fläche C zu einem Bereich an der Fläche A umgekehrt, der näher an einem ersten Lichtreflexionsbereich liegt, und wird reflektiert. Nachdem das Licht zu der Seite der Austrittspupille S (Augapfel) an der Fläche B reflektiert wird, tritt das Licht durch die Fläche A, um aus dem optischen Element 41-a auszutreten, und erreicht die Austrittspupille S.
In dieser Figur ist als Beispiel von Licht, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
In dem ersten optischen System 41 tritt Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Durchlass) → der Durchlassfläche D des reflektierenden Elements 41-b (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche E des reflektierenden Elements 41-b (Umkehrreflexion) → der Durchlassfläche D des reflektierenden Elements 41-b (erneuter Durchlass) → der Fläche A (erneuter Durchlass) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) (→ der Fläche A (weiterer Durchlass)), und folgt nach der Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche den optischen Gängen von diesem Punkt zurück.
Der optische Gang der Fläche B (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche E wird als Vorwärtsgang ausgebildet und der optische Gang der Umkehrreflexionsfläche E → der Fläche B (Reflexion) wird als Rückwärtsgang ausgebildet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang ausgebildet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel reflektiert wird und zu einer Seite voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 41 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, um das Innere des ersten optischen Systems 41 effektiv zu nutzen, um dadurch die Abmessung des ersten optischen Systems 41 mit Bezug auf die optische Ganglänge zu miniaturisieren. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel geführt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Winkel θ so eingerichtet, dass ein einfallender Lichtstrahl an der Umkehrreflexionsfläche (Umkehrreflexionsfläche E des reflektierenden Elements 41-b) geringfügig zu der unteren Seite in der Figur reflektiert wird. Folglich kann das optische Anzeigesystem vertikal kompakt ausgeführt werden, da das zweite optische System 2 oder die Bildanzeigevorrichtung 3 relativ an der oberen Seite mit Bezug auf das erste optische System 41 angeordnet werden kann.
Zusätzlich ist in dem ersten optischen System 41 das reflektierende Element 41-b einschließlich der Umkehrreflexionsfläche als von dem optischen Element 41-a getrenntes Element ausgebildet, wodurch effektive Flächen in einem optischen Gang vergrößert werden und ein Freiheitsgrad einer Auslegung erhöht wird, um eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit zu verwirklichen.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Zusätzlich kann, wenn zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich unterzogen wird, der für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (ein unterer Teil der Fläche A, an dem Licht zu der Austrittspupille S austritt, und der obere Teil der Fläche A, an der Licht zu dem reflektierenden Element 41-b austritt), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, der gleiche Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht wird, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A einer inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Außerdem sind an einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und des gemeinsamen Bereichs Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da es nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, eine Reflexionseigenschaft graduell zu vergrößern, wenn der Abstand von dem gemeinsamen Bereich sich in der Umgebung der Grenze vergrößert (an der Seite des unteren Teils und der Seite des oberen Teils des Bereichs des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche B, wenn sie als die Endreflexionsfläche wirkt, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion, Durchlass, erneuter Durchlass, erneute Reflexion und weiterer Durchlass) und die Fläche C (Reflexion, erneute Reflexion) und nimmt die Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 41 an. Da das Licht zwei- oder mehrmals an den Flächen A und C aufgrund des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten optischen System 41 reflektiert wird, wird der Fläche B eine Brechkraft verliehen und wird die Brechkraft der Flächen A und C schwach eingerichtet, um das Auftreten von Aberrationen zu steuern.
Insbesondere kann das Auftreten exzentrischer Aberrationen gesteuert werden, ein Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, wenn eine Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt in einem Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel stark eingerichtet wird und die Brechkraft der Flächen A und C schwach eingerichtet wird.
Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und können die Flächen A und C Ebenen sein. Da ferner die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten exzentrischer Aberrationen so gut wie möglich zu steuern.
Wenn zusätzlich eine weitere Fläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis des an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf nahe aneinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B und C des optischen Elements 41-a und beide Flächen D und E des reflektierenden Elements 41-b aus gekrümmten Flächen entsprechend ausgebildet werden, kann die Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu dem Kondensieren von Licht, der Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise sind die drei Flächen A, B und C, die das erste optische System 41 bilden, und die beiden Flächen D und E des reflektierenden Elements 41-b alle mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen.
An diesem Punkt ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt an nur einer symmetrischen Fläche hat, da die Bearbeitung und Herstellung im Vergleich mit dem Fall ohne Symmetrie einfach durchgeführt werden kann.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad zur Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht an einem transparenten Körper verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 41 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Sechstes Ausführungsbeispiel
12 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 51 und ein zweites optisches System 2 gebildet. Vier optische Flächen sind an einem transparenten Körper ausgebildet, der das erste optische System 51 ausbildet (im Folgenden als erstes optisches Element bezeichnet). Sowohl eine Fläche A (erste Fläche) als auch eine Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen, die sowohl für Durchlass- als auch Reflexionsfunktionen als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet werden, und eine Fläche C (zweite Fläche) ist eine Fläche nur für eine Reflexionsfunktion. Ferner ist eine Umkehrreflexionsfläche D an dem transparenten Körper ausgebildet.
Reflektierende Filme sind an der Fläche C und der Reflexionsfläche D ausgebildet und ein Halbspiegel ist an der Fläche B ausgebildet. Ferner bestehen der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche von Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3, wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem ersten optischen Element 51 über das zweite optische System 2 geführt. Das Licht, das auf das erste optische Element 51 von der Fläche B einfallen gelassen wird, wird an der Fläche A und der Fläche C in der Reihenfolge reflektiert und wird dann an der Umkehrreflexionsfläche D reflektiert. Dann wird, nachdem das Licht an dem ersten Lichtreflexionsbereich an der Fläche A durch die Reflexion an der Fläche C umgekehrt und reflektiert wird, das Licht an der Fläche B an der Austrittspupille S (Augapfel) reflektiert, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 51 aus, so dass es eine Austrittspupille S erreicht.
In dieser Figur ist als Beispiel von Licht, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
Zusätzlich tritt in dem ersten optischen Element 51 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Umkehrreflexionsfläche D (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) (→ der Fläche A (Durchlass)) und folgt mit der Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche D als Grenze den optischen Gängen von diesem Punkt zurück.
Hier wird der optische Gang der Fläche B (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche D als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang der Umkehrreflexionsfläche D → der Fläche B (Reflexion) als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang aus, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel zu einer Seite reflektiert wird und voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 51 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, um das Innere des ersten optischen Elements 51 effektiv zu verwenden, um dadurch die Abmessung des ersten optischen Systems 51 mit Bezug auf die optische Ganglänge zu miniaturisieren. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich verläuft der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel geführt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Umkehrreflexionsfläche D als Fläche ausgebildet, die unabhängig von der Fläche A ist, entgegengesetzt zu dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels, das in 1 gezeigt ist. Folglich wird die Anzahl der Flächen um Eins erhöht, um einen Freiheitsgrad einer Auslegung zu verbessern.
Zusätzlich ist in dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels ein reflektierender Film an dem oberen Teil des Umkehrreflexionsbereichs der Fläche A notwendig und muss eine Teilverdampfung des reflektierenden Films durchgeführt werden. Jedoch ist in diesem Ausführungsbeispiel, da die Umkehrreflexionsfläche D unabhängig von der Fläche A ist, eine Verdampfung des reflektierenden Films einfach.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Wenn zusätzlich zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich ausgesetzt wird, der für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (der untere Teil der Fläche A), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, kann derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht wird, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A einer inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Zusätzlich sind an einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und dem gemeinsamen Bereich Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, die Reflexionseigenschaft graduell zu erhöhen, wenn der Abstand von dem gemeinsamen Bereich sich in der Umgebung der Grenze vergrößert (an der Seite des unteren Teils in dem Bereich des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche B, wenn sie als die Endreflexionsfläche wirkt, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion, erneute Reflexion und Durchlass) und die Fläche C (Reflexion und erneute Reflexion) und nimmt die Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 51 an.
In dem ersten optischen System 1 wird, da Licht zweimal oder mehrmals an der Fläche A und der Fläche C gemäß dem optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang reflektiert wird, der Fläche B eine Brechkraft verliehen und wird die Brechkraft der Flächen A und C schwach eingerichtet, um das Auftreten von Aberrationen zu verhindern. Da insbesondere ein Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, kann das Auftreten exzentrischer Aberrationen gesteuert werden, wenn die Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt in dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel stark eingerichtet ist und die Brechkraft der Flächen A und C schwach eingerichtet wird. Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und können die Flächen A und C Ebenen sein.
Da die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten exzentrischer Aberrationen so gut wie möglich zu steuern. Wenn zusätzlich eine andere Fläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis des an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf nahe aneinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B und C und die Umkehrreflexionsfläche D des ersten optischen Elements 51 entsprechend aus gekrümmten Flächen ausgebildet werden, kann die Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu dem Kondensieren von Licht, der Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise werden alle Flächen A, B, C und D, die das erste optische System 51 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich vergrößert und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen.
An diesem Punkt ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da das Bearbeiten und Herstellen im Vergleich mit dem Fall, in dem es keine symmetrische Eigenschaft gibt, einfach durchgeführt werden kann.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad zur Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren in einem transparenten Körper verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 51 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Siebtes Ausführungsbeispiel
13 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 61, das aus zwei optischen Elementen 61-a1 und 61-a2 besteht, die transparente Körper sind, und ein reflektierendes Element 61-b gebildet. Die beiden optischen Elemente 61-a1 und 61-a2 haben drei optische Flächen. Eine Fläche A (erste Fläche), eine Fläche B (dritte Fläche) und eine Fläche E sind Flächen, die sowohl für eine Durchlass- als auch Reflexionsfunktion als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet werden, eine Fläche C (zweite Fläche) ist eine Fläche nur für eine Reflexionsfunktion und eine Fläche D und eine Fläche F sind Flächen nur für eine Durchlassfunktion.
Das reflektierende Element 61-b hat eine Umkehrreflexionsfläche G, die eine Flächenreflexionsfläche durch einen reflektierenden Film ist. Reflektierende Filme sind an der Reflexionsfläche C und der Umkehrreflexionsfläche G des reflektierenden Elements 61-b ausgebildet und ein Halbspiegel ist an der Fläche B ausgebildet. Ferner bestehen der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche des Lichts von der Bildanzeigevorrichtung 3, wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche, wirkt die Fläche C als Reflexionsfläche und wirkt die Fläche E als Einfallsfläche, Reflexionsfläche und Austrittsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird direkt zu dem optischen Element 61-a1 des ersten optischen Systems 61 geführt. Das auf das optische Element 61-a1 von der Fläche B einfallen gelassene Licht wird an der Fläche A reflektiert und tritt dann aus dem optischen Element 61-a1 von der Fläche D aus. Dann wird das Licht auf die Fläche E des optischen Elements 61-a2 einfallen gelassen und das Licht tritt, nachdem es an der Fläche C und der Fläche E reflektiert wurde, aus dem optischen Element 61-a2 aus der Fläche E aus. Dann wird das Licht an dem reflektierenden Film (Fläche G) der Fläche des reflektierenden Elements 61-b umgekehrt und reflektiert. Darauf wird das Licht auf das optische Element 61-a2 von der Fläche F einfallen gelassen, erneut an der Fläche E und der Fläche C reflektiert und tritt aus dem optischen Element 61-a2 von der Fläche E aus. Ferner wird das Licht auf das optische Element 61-a1 von der Fläche D einfallen gelassen, zu der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche A umgekehrt und, nachdem es an der Reflexionsfläche B zu der Austrittspupille S (Augapfel) reflektiert ist, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 61-a1 aus, so dass es eine Austrittspupille S erreicht.
In dieser Figur ist als Beispiel von Licht, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Bildflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
Zusätzlich verläuft in dem ersten optischen Element 1 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge von der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche D (Durchlass) → der Fläche E (Durchlass) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche E (Reflexion) → der Fläche F (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche G des reflektierenden Elements 61-b (Umkehrreflexion) → der Fläche F (erneuter Durchlass) → der Fläche E (erneute Reflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche E (erneuter Durchlass) → der Fläche D (erneuter Durchlass) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) (→ der Fläche A (Durchlass)), und folgt mit einer Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche als Grenze den optischen Gängen von diesem Punkt zurück.
Hier wird der optische Gang von der Fläche B (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche G als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang von der Umkehrreflexionsfläche G → der Fläche B (Reflexion) als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang aus, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel zu einer Seite reflektiert wird und voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an der seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg können durch Ausbilden des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 61 die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden, um das Innere des ersten optischen Systems 61 effektiv zu nutzen. Folglich kann die Abmessung des ersten optischen Systems 61 mit Bezug auf die optische Ganglänge verringert werden und kann somit das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt das Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel geführt.
In diesem Ausführungsbeispiel kann, da das erste optische System 61 durch zwei optische Elemente gebildet ist, ein optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang verlängert werden und kann ein sehr langer optischer Gang in dem ersten optischen System 61 enthalten sein. Folglich ist es nicht erforderlich, ein getrenntes zweites optisches System zwischen die Bildanzeigevorrichtung und das erste optische System einzusetzen, wie es bei jedem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele der Fall ist, und wird das optische Anzeigesystem nicht nach unten vergrößert.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A und der Fläche E als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust der Lichtmenge verringert wird. Zusätzlich kann, wenn zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich unterzogen wird, der gemeinsam für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A und der Fläche E ist (die unteren Teile der Fläche A und der Fläche E), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht wird, dass alle reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A und der Fläche E der inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Zusätzlich sind in einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und des gemeinsamen Bereichs Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, eine Reflexionseigenschaft von dem unteren Teil in Richtung auf den oberen Teil in der Umgebung der Grenze graduell zu erhöhen (an dem unteren Teil in dem Bereich des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die optische Brechkraft (1/Brennweite) der konkaven Spiegel der Fläche B, wenn sie als Endreflexionsfläche wirkt, und der Fläche C, die als Reflexionsfläche wirkt, sehr stark mit Bezug auf die anderen Reflexionsflächen. Insbesondere ist die optische Brechkraft des konkaven Spiegels der Fläche C, die als Reflexionsfläche wirkt, stärker. Somit muss die optische Brechkraft des konkaven Spiegels der Fläche B abgeschwächt werden, um einen ausreichenden Abstand zwischen dem ersten optischen System 61 und der Anzeigevorrichtung 3 sicherzustellen. Dieses Problem ergibt sich insbesondere an dem Lokalmeridianschnitt.
Zusätzlich kann auch nur der Fläche B und der Fläche C eine Brechkraft verliehen werden und können die Flächen A und E Ebenen sein. Da ferner die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt (eine so genannten Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten von exzentrischen Aberrationen so gut wie möglich zu steuern.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B, C, E und die Umkehrreflexionsfläche G des reflektierenden Elements 61-b der optischen Elemente 61-a1, 61-a2 entsprechend als gekrümmte Flächen ausgebildet werden, kann eine Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu dem Kondensieren von Licht, der Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise werden die Flächen A, B, C, E und G, die das erste optische System 61 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen. Zusätzlich ist es durch Ausführen aller Flächen als Freiformfläche möglich, weitergehend ein Bild mit einer hohen Bildqualität zu erhalten.
An diesem Punkt ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da das Bearbeiten und Herstellen im Vergleich mit dem Fall einfach durchgeführt werden kann, in dem keine symmetrische Eigenschaft vorhanden ist.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad zur Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in einem transparenten Körper verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 61 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Aufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Achtes Ausführungsbeispiel
14 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 71, das einen Dreiflächen-Reflexionsspiegel hat, der aus reflektierenden Elementen 71-b1, 71-b2 und 71-b3 besteht, und einem zweiten optischen System 2 gebildet.
Reflektierende Filme sind an den Flächen der reflektierenden Elemente 71-b1, 71-b2 und 71-b3 ausgebildet. Die Reflexionsfläche des reflektierenden Elements 71-b2 ist eine Umkehrreflexionsfläche. Ferner besteht der reflektierende Film vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. Von der Bildanzeigevorrichtung 7 emittiertes Licht wird zu dem reflektierenden Element 71-b1 des ersten optischen Systems 71 über das zweite optische System 3 geführt. Das auf das erste optische Element 71 von der Fläche A (ersten Fläche) einfallen gelassene Licht, die als die Reflexionsfläche des reflektierenden Elements 71-b1 wirkt, wird an der Fläche A reflektiert und dann zu der Umkehrreflexionsfläche C (zweiten Fläche) geführt, die als Spiegelfläche des reflektierenden Elements 71-b2 wirkt. Das an der Umkehrreflexionsfläche C reflektierte Licht wird so reflektiert, dass das Licht zu der Umgebung eines ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche umgekehrt wird. In diesem Fall ist ein Winkel, der durch das einfallende Licht und das an der Umkehrreflexionsfläche C reflektierte Licht eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel ausgebildet wird, θ.
Dann wird das Licht erneut an der Fläche A reflektiert, weitergehend an der Fläche B (dritten Fläche), die als Spiegelfläche des reflektierenden Elements 71-b3 wirkt, reflektiert, und tritt aus dem ersten optischen System 71 aus, um eine Austrittspupille S zu erreichen.
In dieser Figur ist als ein Beispiel von Licht, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl an einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, um die Mitte der Austrittspupille S zu erreichen.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
Zusätzlich tritt in dem ersten optischen Element 71 Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche A (Reflexion) → der Spiegelfläche C des reflektierenden Elements 71-b2 (Umkehrreflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) und folgt beim Erzielen der Umkehrreflexion an der Fläche C den optischen Gängen von diesem Punkt zurück.
Hier wird der optische Gang der Fläche A (Reflexion) → der Umkehrreflexionsfläche C als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang von der Umkehrreflexionsfläche C → der Fläche A (Reflexion) als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel zu einer Seite reflektiert wird und voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 71 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, um das Innere des ersten optischen Systems 71 effektiv zu nutzen. Folglich kann die Abmessung des ersten optischen Elements 71 mit Bezug auf die optische Ganglänge verringert werden und kann somit dass gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird zu dem Augapfel anstelle der Bildanzeigevorrichtung geführt.
Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist vorteilhaft hinsichtlich der Helligkeit ähnlich wie das des vierten Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Winkel θ, der durch einfallendes Licht und reflektiertes Licht eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel mit Bezug auf die Umkehrreflexionsfläche ausgebildet wird, auf einen relativ großen Wert eingerichtet, ist der Rückwärtsgang verlängert zu der Fläche A eingerichtet und ist die getrennte Fläche B an einer Position angeordnet, die geringfügig von einem Lichtstrahl abweicht, der an dem ersten optischen System 71 einfällt, so dass der Lichtstrahl die Fläche B erreicht. Auf diesem Weg werden die Reflexionsspiegel der drei Flächen (der Fläche A, der Fläche B und der Umkehrreflexionsfläche C) aus reflektierenden Filmen ausgebildet, die im Wesentlichen 100% eines Lichtstrahls reflektieren können, um das helle erste optische System 71 zu verwirklichen.
Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel die Fläche B, wenn sie als Endreflexionsfläche wirkt, ein konkaver Spiegel mit einer sehr starken optischen Brechkraft (1/Brennweite) mit Bezug auf die Fläche A (Reflexion und erneute Reflexion) und nimmt die Hauptbrechkraft des ersten optischen Systems 71 an. Das liegt daran, dass das Licht zweimal an der Fläche A aufgrund des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs reflektiert wird, so dass der Fläche B eine Brechkraft verliehen wird und die Brechkraft der Fläche A schwach eingerichtet wird, um das Auftreten von Aberrationen zu steuern.
Da insbesondere eine Lokalmeridianschnitt ein exzentrischer Schnitt ist, kann das Auftreten von exzentrischen Aberrationen gesteuert werden, wenn die Brechkraft der Fläche B an diesem Schnitt in einem Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel stark eingerichtet ist und die Brechkraft der Fläche A schwach eingerichtet ist. Zusätzlich kann auch nur der Fläche B eine Brechkraft verliehen werden und können die Flächen A Ebenen sein.
Da ferner die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, ist es wünschenswert, eine Fläche einer rotationsasymmetrischen Gestalt (so genannte Freiformfläche) als Fläche B zu verwenden, um das Auftreten exzentrischer Aberrationen so gut wie möglich zu steuern.
Wenn zusätzlich eine Reflexionsfläche außer der Fläche B eine Freiformfläche ist, wird es möglich, ein Seitenverhältnis des an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds und ein Seitenverhältnis der vergrößerten Anzeigefläche auf nahe aneinander liegende Werte einzurichten.
Wenn zusätzlich die Flächen A, B und die Umkehrreflexionsfläche C jeweils aus gekrümmten Flächen ausgebildet werden, kann eine Wirkung einer Kostenverringerung erwartet werden, da alle Flächen zu dem Kondensieren von Licht, einer Divergenz oder Korrektur einer Aberration beitragen.
Weitergehend vorzugsweise werden alle drei Flächen A, B und die Umkehrreflexionsfläche C, die das erste optische System 71 bilden, in einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich erhöht und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Bildqualität anzuzeigen. An diesem Punkt ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche in einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer Richtung eines Lokalsagittalschnitts ist, die einen Lokalmeridianschnitt als einzige Symmetriefläche hat, da die Bearbeitung und Herstellung im Vergleich mit dem Fall ohne Symmetrie einfach durchgeführt werden kann.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad der Einrichtung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht an einem optischen System verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bild bei einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 71 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Neuntes Ausführungsbeispiel
15 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem wird durch ein erstes optisches System 81, das aus dem optischen Element 81-a als transparenter Körper und das reflektierende Element 81-b ausgebildet ist, und ein zweites optisches System gebildet, das aus zwei optischen Systemen 82-1 und 82-2 ausgebildet ist.
Das optische Element 81-a weist drei optische Flächen auf. Die Fläche A (erste Fläche) und die Fläche B (dritte Fläche) sind Flächen, die sowohl für Durchlass- als auch Reflexionsfunktionen als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet werden, und die Fläche D wirkt als Fläche, die für einen Durchlass verwendet wird. Ebenso weist das reflektierende Element 81-b die Umkehrreflexionsfläche C (zweite Fläche) auf, die mit einem reflektierenden Film an dessen Fläche ausgebildet ist. Die Fläche B ist ein Halbspiegel. Ferner bestehen der reflektierende Film und der Halbspiegel vorzugsweise aus einem Metallfilm.
Ein Bezugszeichen 3 in der Figur bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung (LCD oder Ähnliches) zum Anzeigen eines Bilds. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche von Licht von der Bildanzeigevorrichtung 3 und wirkt die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche.
Von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiertes Licht wird zu dem optischen System 81-a des ersten optischen Systems 81 über das optische System 82-1 des zweiten optischen Systems geführt. Das auf das optische Element 81-a von der Fläche B einfallen gelassene Licht wird an der Fläche A reflektiert und tritt von der Fläche D aus. Als Nächstes wird das Licht an der Umkehrreflexionsfläche C des reflektierenden Elements 81-b reflektiert. Dann wird das Licht, nachdem es von der Fläche D des optischen Elements 81-a eintritt, zu einem ersten Reflexionsbereich des Lichts an der Fläche A umgekehrt, um erneut daran reflektiert zu werden. Dann wird das Licht an der Fläche B zu der Austrittspupille S (Augapfel) der Fläche B reflektiert, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 81-a aus, so dass es die Austrittspupille S erreicht, wobei eine optische Brechkraft bei dem optischen System 82-2 der zweiten optischen Systeme eingestellt wird.
In dieser Figur ist als Beispiel von Licht, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel gezeigt, der aus der Anzeigeflächenmitte der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, so dass er die Mitte der Austrittspupille S erreicht.
In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Betrachter ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds visuell erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
In dem ersten optischen Element 81 tritt Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Durchlass) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche D (Durchlass) → der Umkehrreflexionsfläche C des reflektierenden Elements 81-b (Umkehrreflexion) → der Fläche D (erneuter Durchlass) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) (→ der Fläche A (Durchlass)), und folgt nach der Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche den optischen Gängen von diesem Punkt zurück.
Hier wird der optische Gang von der Fläche B (Durchlass) zu der Umkehrreflexionsfläche C als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang von der Umkehrreflexionsfläche C zu der Fläche B (Reflexion) als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet.
Insbesondere bildet die erneute Reflexion an der Fläche A den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang aus, so dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel zu einer Seite reflektiert wird und voranschreitet, die entgegengesetzt zu der ersten Reflexion an der Fläche A mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an seinem Auftreffpunkt ist.
Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 81 ausgebildet, wodurch die optischen Gänge im Wesentlichen dupliziert werden können, und kann die Abmessung des ersten optischen Systems 81 mit Bezug auf die optische Ganglänge durch effizientes Nutzen des Inneren des ersten optischen Systems 81 klein ausgeführt werden. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem miniaturisiert werden.
Zusätzlich tritt der Lichtstrahl von der Bildanzeigevorrichtung 3 durch den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang durch die Reflexion an der Fläche B und wird dann zu dem Augapfel geführt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Flächen des optischen Elements 81-a aus Ebenen ausgebildet, hat das optische Element 81-a selbst keine optische Brechkraft und hat die Umkehrreflexionsfläche des reflektierenden Elements 81-b eine optische Brechkraft. Folglich können die Kosten des optischen Elements 81-a beträchtlich verringert werden und wird das Auftreten von Aberrationen in dem optischen Element 81-a gesteuert. Jedoch kann ein transparenter Körper, der mit einer Vielzahl von gekrümmten Flächen versehen ist, die diejenigen, die in den vorstehend erwähnten Ausführungsbeispielen beschrieben sind (beispielsweise dem ersten Ausführungsbeispiel), auf das optische Element 81-a dieses Ausführungsbeispiels angewendet werden.
Es ist vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als innere Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust der Lichtmenge verringert wird. Wenn zusätzlich zumindest Licht einer inneren Totalreflexion in einem Bereich unterzogen wird, der für sowohl einen reflektierten Lichtstrahl als auch einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam ist (der untere Teil der Fläche A), und Licht durch reflektierende Filme in Bereichen außer dem gemeinsamen Bereich reflektiert wird, kann derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht wird, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen an der Fläche A einer inneren Totalreflexion unterzogen werden.
Zusätzlich sind an einer Grenze des Bereichs des reflektierenden Films und dem gemeinsamen Bereich Grenzen der reflektierenden Filme klar erkennbar. Da das nicht vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, eine Reflexionseigenschaft graduell zu erhöhen, wenn der Abstand von dem gemeinsamen Bereich in der Umgebung der Grenze sich vergrößert (an der Seite des unteren Teils in dem Bereich des reflektierenden Films), um die Grenzen der reflektierenden Filme weniger auffällig zu machen.
Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad zum Einrichten eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 durch einmaliges Zwischenfokussieren von Licht in einem optischen System verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (Anzeige eines Bilds bei einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 81 durch im Wesentlichen Duplizieren eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs mit einer langen optischen Ganglänge kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wünschenswert, die Ausdrücke (1) bis (6) zu erfüllen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ferner kann, obwohl ein optisches Anzeigesystem mit einem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, eine ähnliche Idee auf ein optisches Aufnahmesystem angewendet werden, das in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Ferner nimmt in allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, wenn ein frei wählbarer Lichtstrahl eines Lichtstrahls, der durch das erste optische System tritt, verfolgt wird, bei der ersten Reflexion und der zweiten Reflexion an der ersten Fläche der Lichtstrahl einen optischen Gang an, in dem der Lichtstrahl mit einem Reflexionswinkel mit einem entgegengesetzten Zeichen bei einer Reflexion zu der anderen Reflexion als Referenz reflektiert wird.
Genauer gesagt nimmt beispielsweise auf der Papierebene von 1 ein Lichtstrahl einen optischen Gang an, in dem, wenn ein Reflexionswinkel der ersten Reflexion (Reflexion an der Fläche A) ein positives Vorzeichen hat (der Fall, in dem ein reflektiertes Licht in Gegenuhrzeigerrichtung auf der Papierebene der Figur einer Normalenlinie vorhanden ist), hat ein Reflexionswinkel bei der zweiten Reflexion (erneute Reflexion an der Fläche A) ein negatives Vorzeichen (der Fall, in dem ein reflektiertes Licht in Uhrzeigerrichtung in der Papierebene der Figur der Normalenlinie vorhanden ist).
Da der Lichtstrahl sich im Wesentlichen zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche durch Einnehmen eines derartigen optischen Gangs vor- und zurückbewegt, kann ein Raum in dem ersten optischen System effektiv genutzt werden, um die optische Ganglänge zu vergrößern. Darüber hinaus kann ein kleines optisches System verwirklicht werden, auch wenn eine optische Ganglänge lang ist.
Jedes der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele wird im Folgenden unter Verwendung numerischer Beispiele beschrieben.
Erstes numerisches Beispiel
16 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das ein optisches Anzeigesystem bildet, das aus einem transparenten Körper (optisches Element) einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet wird. Bezugszeichen S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B und C, die jeweils in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das aus einem transparenten Körper gebildet wird, der aus einem identischen Medium mit drei Flächen S10, S11 und S12 gebildet ist.
Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems. Zusätzlich sind reflektierende Filme an der Umkehrreflexionsfläche A (S6) und der Fläche C (S5, S7) ausgebildet und ist ein Halbspiegel an der Fläche B (S3, S9) ausgebildet.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen rotationsasymmetrische Flächen, die in einer Ebene einer symmetrischen Gestalt ausgebildet sind, die die Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche hat.
Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 1 gezeigt und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 2 gezeigt. In diesem numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 10 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm im unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner stellt die am weitesten links angegebene Angabe SURF von den optischen Daten von Tabelle 1 ein Flächenelement dar. Zusätzlich stellen X, Y und Z Positionen (x, y, z) von Flächenscheitelpunkten der Flächen in dem Koordinatensystem mit der Mitte der ersten Fläche S1 beim Ursprung (0, 0, 0) und der y-Achse und der z-Achse, die in der Figur gezeigt sind, und der x-Achse in der Tiefenrichtung in der Papierebene der Figur dar. A stellt einen Drehwinkel (Einheit: Grad) um die x-Achse dar, wobei die Gegenuhrzeigerrichtung in der Figur die positive Richtung ist.
R stellt einen Krümmungsradius dar. Die Angabe TYP stellt eine Art einer Flächengestalt dar, SPH stellt eine Kugel dar, FFS stellt eine rotationsasymmetrische Fläche gemäß dem folgenden Ausdruck dar: z = (1/R)(x2 + y2)/(1 + (1 – (1 + k)(1/R)2(x2 + y2))(1/2)) + c2 + c4y + c5(x2 – y2) + c6(–1 + 2x2 + 2y2) + c10(–2y + 3x2y + 3y3) + c11(3x2y – y3) + c12(x4 – 6x2y2 + y4) + c13(–3x2 + 4x4 + 3y2 – 4y4) + c14(1 – 6x2 + 6x4 – 6y2 + 12x2y2 + 6y4) + c20(3y – 12x2y + 10x4y – 12y3 + 20x2y3 + 10y5) + c21(–12x2y + 15x4y + 4y3 + 10x2y3 – 5y5) + c22(5x4y – 10x2y3 + y5) + c23(x6 – 15x4y2 + 15x2y4 – y6) + c24(–5x4 + 6x6 + 30x2y2 – 30x4y2 – 5y4 – 30x2y4 + 6y6) + c25(6x2 – 20x4 + 15x6 – 6y2 + 15x4y2 + 20y4 – 15x2y2 – 15y6) + c26(–1 + 12x2 – 30x4 + 20x6 + 12y2 – 60x2y2 + 60x4y2 – 30y4 + 60x2y4 + 20y6) + ... (4)
Ein numerischer Wert, der neben FFS in der Spalte von TYP eingetragen ist, gibt an, dass die Flächengestalt eine rotationsasymmetrische Gestalt entsprechend asphärischen Koeffizienten k und ci ist, die in dem unteren Teil der Tabelle eingetragen sind. Ein Wert von ci, der leergelassen ist, beträgt Null.
Nd und vd (als vd in der Tabelle eingetragen) stellen einen Brechungsindex bzw. eine Abbe-Zahl bei einer d-Linienwellenlänge eines Mediums der Fläche und der nachfolgenden Flächen dar. Eine Änderung eines Vorzeichens des Brechungsindex N gibt an, dass ein Lichtstrahl an der Fläche reflektiert wird. Zusätzlich ist, wenn das Medium eine Luftschicht ist, nur der Brechungsindex Nd als 1,000 gezeigt und ist die Abbe-Zahl vd weggelassen.
Zusätzlich ist ein absoluter Wert eines Winkel θ, der durch einen einfallenden Lichtstrahl und einen reflektierten Lichtstrahl eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel an der Umkehrreflexionsfläche ausgebildet wird, als |θ| eingetragen, ist ein absoluter Wert eines Winkels β zu dem Zeitpunkt, wenn der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel an der Fläche C (S5) reflektiert wird, als |β| eingetragen und ist ein absoluter Wert eines Winkels α zu dem Zeitpunkt, wenn der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel an der Fläche C (S7) reflektiert wird, als |α| eingetragen. Die vorstehend erwähnten Angaben der Tabelle sind für die nachstehend beschriebenen numerischen Beispiele dieselben.
Tabelle 1
Tabelle 2
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Einlesen von Ortsdaten der Tabelle 2 beschrieben. Von der am weitesten links eingetragenen Angabe ausgehend stellt SURF eine Flächenanzahl dar; stellt ry einen Krümmungsradius eines Lokalmeridianschnitts zu dem Zeitpunkt dar, wenn ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel einen Auftreffpunkt an der jeweiligen Fläche hat; stellt rx einen Krümmungsradius eines Lokalsagittalschnitts dar; stellt fy eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts dar; stellt fx eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts dar; stellt d ein Flächenintervall zwischen der zugehörigen Fläche und der nächsten Fläche dar (ein Wert ohne Luftumwandlung mit einem Abstand an dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel); und stellt n den jeweiligen Brechungsindex bei einer d-Linienwellenlänge eines Mediums an der Fläche und der nachfolgenden Flächen dar.
Hier wird bei dem ersten optischen System angenommen, dass eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts fya ist, wenn ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel an der Fläche A (S6) aus Auftreffpunkten an der jeweiligen Fläche des Hauptstrahls bei dem mittleren Bildwinkel in dem Fall umgekehrt und reflektiert wird, dass ein Lichtstrahl dem optischen Gang der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) → der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) folgt, und wird angenommen, dass eine Brennweite eines Lokalmeridianschnitts fyc ist, wenn der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel erneut an der Fläche C (S5) reflektiert wird. Dann wird ein absoluter Wert eines Verhältnisses von fya und fyc wie folgt eingetragen: |fyc/fya|
Die vorstehend erwähnten Angaben der optischen Daten und der Ortsdaten sind in den nachstehend beschriebenen numerischen Beispielen dieselben.
Ferner kann das in diesem numerischen Beispiel gezeigte optische System ebenso als ein optisches Bildaufnahmesystem genutzt werden, das einen Lichtstrahl von einem Objektpunkt in dem unendlichen Abstand in der negativen Richtung der z-Achse zu dem ersten optischen System 1 durch die Blende S1 leitet, und, nachdem der Lichtstrahl aus dem ersten optischen System 1 austritt, den Lichtstrahl an der Bildaufnahmefläche SI durch das zweite optische System 2 fokussiert (zweites Ausführungsbeispiel).
Zweites numerisches Beispiel
17 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein zweites numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das aus einem transparenten Körper gebildet ist (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet), der drei optische Flächen hat. Bezugszeichen S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die jeweils in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das eine konvexe Linse ist, die aus zwei Flächen S10 und S11 gebildet ist. Ebenso sind reflektierende Filme an der Umkehrreflexionsfläche A (S6) und der Fläche C ausgebildet. Ein Referenzsymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
In diesem numerischen Beispiel sind die optischen Flächen S2, S4, S6 und S8 Ebenen und sind alle optischen Flächen S3, S5, S7 und S9 bis S11 als rotationsasymmetrische Flächen ausgebildet. Diese drei Flächen sind in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet.
Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 3 gezeigt und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 3
Tabelle 4
Wie aus Tabelle 3 entnehmbar ist, wird ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI auf eine konvexe Linse des zweiten optischen Systems 2 von S11 einfallen gelassen und tritt aus S10 aus, um in Richtung auf das erste optische Element 1 zu verlaufen. Der Lichtstrahl, der zu dem ersten optischen Element 1 verläuft, wird dann auf das erste optische Element 1 von S9 (Fläche B) einfallen gelassen, an S8 (Fläche A) reflektiert und an S7 (Fläche C) reflektiert und wird darauf an S6 (Fläche A – Umkehrreflexionsfläche) reflektiert, an S5 (Fläche C) reflektiert, an S4 (Fläche A) reflektiert, an S3 (Fläche B) reflektiert, und tritt aus dem ersten optischen Element 1 aus S2 aus, so dass er zu der Austrittspupille S1 (S) geführt wird.
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 10 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm im unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels bei einem optischen Bildaufnahmesystem benutzt werden. In diesem Fall wird ein Lichtstrahl von einem Objektpunkt in dem unendlichen Abstand in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 1 durch die Blende S1 geführt. Dann wird der Lichtstrahl auf das erste optische Element 1 von S2 (Fläche A) einfallen gelassen, an S3 (Fläche B) reflektiert, an S4 (Fläche A) reflektiert, an S5 (Fläche C) reflektiert und an S6 (Fläche A – Umkehrreflexionsfläche) reflektiert und darauf an S7 (Fläche B) reflektiert, an S8 (Fläche A) reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 1 aus S9 (Fläche B) aus, so dass er zu einer konvexen Linse des zweiten optischen Systems 2 geführt wird. Der Lichtstrahl, der zu der konvexen Linse geführt wird, wird auf die konvexe Linse von S10 einfallen gelassen und tritt aus S11 aus, um sich auf der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
Da hier der Lichtstrahl, der an S6 (Fläche A – Umkehrreflexionsfläche) reflektiert wird, keine Totalreflexion verursacht, wird ein reflektierender Film an zumindest einem Teil von S6 ausgebildet, an dem der Lichtstrahl reflektiert wird. Da jedoch der reflektierende Film nicht in einem Austrittsbereich des Lichtstrahls ausgebildet wird, der von der Fläche A des ersten optischen Systems 1 austritt (Bereich von S2 in diesem numerischen Beispiel), wird der reflektierende Film kein Hindernis für den aus S2 austretenden Lichtstrahl.
Da zusätzlich ein Lichtstrahl, der in dem Austrittsbereich des Lichtstrahls reflektiert wird, der von der Fläche A austritt, von Lichtstrahlen, die an S4 und S8 reflektiert werden, total reflektiert wird, ist ein Verlust der Lichtmenge gering.
Da darüber hinaus ein Lichtstrahl, der an der Fläche C (S5 und S7 in diesem numerischen Beispiel) reflektiert wird, auch keine Totalreflexion verursacht, ist ein reflektierender Film an der Fläche C ausgebildet. Die Ausbildung des reflektierenden Films an S6 und die Ausbildung des reflektierenden Films an der Fläche C sind in den nachstehend beschriebenen Beispielen die gleichen.
Drittes numerisches Beispiel
18 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein drittes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet wird, der drei optische Flächen hat. Bezugszeichen S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (optisches Element) gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der die drei optischen Flächen S10, S11 und S12 hat.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S12 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet sind. Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S12 einfallen gelassen, an S11 reflektiert und tritt aus S10 aus, um zu dem ersten optischen Element 1 zu verlaufen. Ein optischer Gang des Lichtstrahls ist, da er auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, der gleiche wie in dem ersten numerischen Beispiel.
Optische Daten dieses dritten numerischen Beispiels sind in Tabelle 5 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 5
Tabelle 6
In diesem numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 10 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System, das in diesem numerischen Beispiel gezeigt ist, ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Viertes numerisches Beispiel
19 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein viertes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet ist, der drei optische Flächen hat. Bezugszeichen S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der drei optische Flächen S9, S10 und S11 hat. Der transparente Körper des ersten optischen Systems 1 und der transparente Körper des zweiten optischen Systems 2 sind an S9 verbunden.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S11 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet sind. Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S11 einfallen gelassen, an S10 reflektiert und tritt aus S9 aus, um auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen zu werden. Die Position, an der der Lichtstrahl auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, liegt an der unteren Seite der Fläche B im Vergleich mit derjenigen im zweiten numerischen Beispiel. Ferner wird ein optischer Gang des Lichtstrahls, da dieser auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, derselbe wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Optische Daten des vierten numerischen Beispiels sind in Tabelle 7 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 8 gezeigt.
Tabelle 7
Tabelle 8
In dem vierten numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 7 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das in diesem numerischen Beispiel gezeigte optische System ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Fünftes numerisches Beispiel
20 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein fünftes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet wird, der drei optische Flächen hat. Bezugssymbole S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (optisches Element) gebildet wird, der aus einem identischen Medium besteht, der drei optische Flächen S10, S11 (zu S13 identische Fläche) und S12 hat.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S12 (S13) rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet sind. Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Licht von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S13 einfallen gelassen, an S12 und S11 reflektiert und tritt aus S10 aus, um zu dem ersten optischen Element 1 zu verlaufen. Ein optischer Gang des Lichts ist, da er auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, der gleiche wie in dem ersten numerischen Beispiel.
Hier ist an der Durchlassfläche des transparenten Körpers des zweiten optischen Systems 2 und der optischen Fläche, die die Funktion der Reflexionsfläche hat, zumindest eine Reflexion in dem Bereich des durchgelassenen Lichtstrahls eine Totalreflexion. Zusätzlich können alle reflektierten Lichtstrahlen an dieser optischen Fläche total reflektiert werden. Durch Totalreflektieren eines Lichtstrahls auf diesem Weg wird ein Verlust einer Lichtmenge in dem zweiten optischen System 2 beseitigt.
Bei diesem numerischen Beispiel wird das erste optische System 1 im Ganzen groß, da die Dicke der Fläche A und der Fläche C des ersten optischen Systems 1 (Länge des transparenten Körpers in der z-Achsenrichtung, in der folgenden Beschreibung dasselbe) sich vergrößert und die Dicke der Fläche A und der Fläche B sich im Vergleich mit dem dritten numerischen Beispiel ebenso vergrößert.
Optische Daten des fünften numerischen Beispiels sind in Tabelle 9 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 10 gezeigt.
Tabelle 9
Tabelle 10
In dem fünften numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 10 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System, das in diesem numerischen Beispiel gezeigt ist, ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Sechstes numerisches Beispiel
21 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein sechstes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet wird, der drei optische Flächen hat. Bezugssymbole S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (optisches Element) gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der drei optische Flächen S10, S11 und S12 hat.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S12 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind.
Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierfläche der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S12 einfallen gelassen, an S11 reflektiert und tritt aus S10 aus, um zu dem ersten optischen Element 1 zu verlaufen. Ein optischer Gang des Lichtstrahls ist, da er auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, der gleiche wie in dem ersten numerischen Beispiel.
In dem sechsten numerischen Beispiel ist die Abmessung des ersten optischen Elements 1 im Vergleich mit dem dritten numerischen Beispiel bezüglich sowohl der Dicke als auch der Höhe (der Länge des Prismas in der y-Achsenrichtung) im Wesentlichen gleich. Jedoch hat eine Krümmung an einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C im Vergleich mit einer Krümmung bei einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C des dritten numerischen Beispiels ein entgegengesetztes Vorzeichen.
Optische Daten des sechsten numerischen Beispiels sind in Tabelle 11 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 12 gezeigt.
Tabelle 11
Tabelle 12
In dem sechsten numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 12 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System, das in diesem numerischen Beispiel gezeigt ist, ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Siebtes numerisches Beispiel
22 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein siebtes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet ist, der drei optische Flächen hat. Bezugssymbole S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein optisches Element) gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der drei Flächen S9, S10 und S11 (zu S12 identische Fläche) hat. Das optische Element des ersten optischen Systems 1 und das optische Element des zweiten optischen Systems 2 sind an S9 verbunden.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S11 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind. Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S12 einfallen gelassen, zweimal an S11 und S10 reflektiert und tritt durch S9, um zu dem ersten optischen Element 1 zu verlaufen. Ein optischer Gang des Lichtstrahls ist, da er auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, derselbe wie derjenige in dem ersten numerischen Beispiel.
In dem siebten numerischen Beispiel hat wie in dem sechsten numerischen Beispiel eine Krümmung bei einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C in dem ersten optischen System 1 im Vergleich mit einer Krümmung bei einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C des zweiten numerischen Beispiels ein entgegengesetztes Vorzeichen.
Ferner gibt es an der optischen Fläche, die beide Wirkungen eines Durchlasses und einer Reflexion in dem zweiten optischen System 2 hat, da ein Lichtstrahl total reflektiert wird, keinen Verlust einer Lichtmenge. Zusätzlich ist das erste optische System 1 kleiner als das des sechsten numerischen Beispiels und ist äquivalent zu demjenigen des ersten numerischen Beispiels.
Optische Daten des siebten numerischen Beispiels sind in Tabelle 13 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 14 gezeigt.
Tabelle 13
Tabelle 14
In dem siebten numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 4 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System, das in diesem numerischen Beispiel gezeigt ist, ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Achtes numerisches Beispiel
23 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs, die ein achtes numerisches Beispiel zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (im Folgenden ebenso als erstes optisches Element 1 bezeichnet) gebildet ist, der drei optische Flächen hat. Bezugssymbole S2, S4, S6 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (optisches Element) gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der drei optische Flächen S10, S11 (zu S13 identische Fläche) und S12 hat.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S2 bis S13 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind. Ebenso sind reflektierende Filme an S6 und der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und einer Richtung, die senkrecht zu der Papierebene ist, als x-Achse.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von S13 einfallen gelassen, zweimal an S12 und S11 reflektiert und tritt aus S10 aus, um zu dem ersten optischen Element 1 zu verlaufen. Ein optischer Gang des Lichtstrahls ist, da er auf das erste optische Element 1 einfallen gelassen wird, bis er austritt, derselbe wie derjenige in dem ersten numerischen Beispiel.
In dem achten numerischen Beispiel werden Krümmungen bei einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C in dem ersten optischen System 1 beide im Vergleich mit einer Krümmung bei einem jeweiligen Auftreffpunkt an dem Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel der Fläche A und der Fläche C des zweiten numerischen Beispiels stark.
Ferner ist an der optischen Fläche, die beide Wirkungen eines Durchlasses und einer Reflexion in dem zweiten optischen System 2 hat, da ein Lichtstrahl total reflektiert wird, ein Verlust einer Lichtmenge gering.
Zusätzlich ist das erste optische System 1 äquivalent zu demjenigen des vierten numerischen Beispiels.
Optische Daten des achten numerischen Beispiels sind in Tabelle 15 gezeigt, und Ortsdaten mit Bezug auf einen Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel sind in Tabelle 16 gezeigt.
Tabelle 15
Tabelle 16
In diesem numerischen Beispiel wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 10 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System, das in diesem numerischen Beispiel gezeigt ist, ebenso als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Neuntes numerisches Beispiel
24 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel des dritten Ausführungsbeispiels (ähnlich dem viertes Ausführungsbeispiel, das in 10 gezeigt ist), das in 7 gezeigt ist.
In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 21 ein erstes optisches System, das ein optisches Anzeigesystem bildet. Referenzsymbole S2, S4 und S6 bezeichnen die Fläche A; S3 und S7 bezeichnen die Fläche B; und S5 bezeichnet eine Umkehrreflexionsfläche C. Ein reflektierender Film ist an der Umkehrreflexionsfläche C (S5) ausgebildet und ein Halbspiegel ist an der Fläche B (S3, S7) ausgebildet. Ein Referenzsymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das aus zwei Linsen 2-1 und 2-2 besteht, die jeweils durch zwei Flächen gebildet sind. Eine Fläche der Linse 2-1 ist mit einem transparenten Körper verbunden, der das erste optische System 21 bildet. Diese Fläche ist mit S7 bezeichnet.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S10 des ersten optischen Systems 21 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind. Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 17 gezeigt.
Tabelle 17
Ferner kann das in 10 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel durch Einrichten des Winkels θ ausgeführt werden, so dass effektive Flächen der Fläche S7 und der Fläche S3 einander nicht überschneiden, durch Trennen der Fläche S1 als Einfallsfläche und Ausbilden der Fläche S3 als Fläche ausschließlich für eine Reflexion und der Fläche S7 als verbundene Fläche ausschließlich für eine Durchlassfunktion. Zusätzlich kann der Winkel θ so eingerichtet werden, dass die effektiven Flächen von S7 und S3 einander nicht überschneiden, S7 und S3 können als identische Fläche aufrechterhalten werden und S3 kann als Fläche ausschließlich für eine Reflexion ausgebildet werden und S7 kann als verbundene Fläche ausschließlich für eine Durchlassfunktion ausgebildet werden.
Folglich kann die Abmessung des optischen Systems um eine Fläche verringert werden und kann noch den Vorteil der Helligkeit aufweisen. Zusätzlich wird, wenn die verbundene Fläche von S7, die nur die Durchlassfunktion hat, weggelassen wird und das optische System 21 sowie die Linse 2-1 als integraler Gegenstand eines identischen Elements ausgebildet werden (integral geformtes Erzeugnis, usw.), die Anzahl der Teile um eines verringert, und wird es möglich, die Kosten des optischen Systems zu verringern. Ferner kann die verbundene Fläche von S7, die nur die Durchlassfunktion hat, weggelassen werden und können das optische System 21 und die Linse 2-1 mit einer Luftschicht eines feinen Intervalls zwischen diesen angeordnet werden.
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von ungefähr 50° und einem vertikalen Bildwinkel von ungefähr 39° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 6 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Zehntes numerisches Beispiel
25 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines dritten Ausführungsbeispiels, das in 7 gezeigt ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 21 ein erstes optisches System, das ein optisches Anzeigesystem bildet, das durch einen transparenten Körper (optisches Element) einer Prismagestalt mit drei optischen Flächen gebildet ist. Bezugssymbole S2, S4 und S6 bezeichnen eine identische Fläche; und S3 und S4 bezeichnen eine identische Fläche. Diese zwei Flächen und S5 entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper gebildet ist, der aus einem identischen Medium besteht, der drei Flächen S8, S9 und S10 hat. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S10 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind.
Ferner definieren x, y und z in der Figur ein Koordinatensystem mit einer optischen Achsenrichtung eines Betrachters als z-Achse, einer Richtung, die senkrecht zu der z-Achse in der Papierebene der Figur ist, als y-Achse, und eine Richtung, die zu der Papierebene senkrecht ist, als x-Achse.
Die optischen Daten des zehnten numerischen Beispiels sind in Tabelle 18 gezeigt.
Tabelle 18
Wie aus Tabelle 18 entnehmbar ist, wird Licht von der Bildanzeigefläche SI auf ein optisches Element, das ein transparenter Körper ist, der das zweite optische System 2 bildet, von S10 einfallen gelassen, durch die Rückseite an S9 reflektiert und tritt aus S8 aus, um zu dem ersten optischen Element 21 zu verlaufen. Das Licht, das zu dem ersten optischen Element 21 verläuft, wird auf den transparenten Körper des ersten Elements 21 von S7 (Fläche B) einfallen gelassen, durch die Rückseite an S6 (Fläche A) reflektiert und durch die Rückseite an S5 (Fläche C) reflektiert, um umgekehrt zu werden, und wird darauf durch die Rückseite an S4 (Fläche A) reflektiert, durch die Rückseite an S3 (Fläche B) reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 21 aus S2 aus, um zu der Austrittspupille S1 (S) geführt zu werden.
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von ungefähr 50° und einem vertikalen Bildwinkel von ungefähr 39° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 6 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm in dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem genutzt werden. In diesem Fall wird Licht von einem Objektpunkt an dem unendlichen Abstand in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 21 durch die Blende S1 geführt. Dann wird das Licht auf das erste optische Element 21 von S2 (Fläche A) einfallen gelassen, an S3 (Fläche B) reflektiert, an S4 (Fläche A) reflektiert, an S5 (Fläche C) reflektiert und umgekehrt und an S6 (Fläche A) reflektiert, und tritt darauf aus S7 (Fläche B) aus, um zu dem zweiten optischen System 2 geführt zu werden. Dann wird der Lichtstrahl, der zu dem zweiten optischen System 2 geführt wird, auf den transparenten Körper von S8 einfallen gelassen, an S9 reflektiert und tritt aus S10 aus, um sich an der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
Elftes numerisches Beispiel
26 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs eines elften numerischen Beispiels. Ebenso sind optische Daten in Tabelle 19 gezeigt.
In diesem numerischen Beispiel ist das zweite optische System 2 durch einen transparenten Körper (optisches Element) einer Prismagestalt gebildet, der drei optische Flächen S8, S9 und S10 an einem identischen Medium hat.
Ein Lichtstrahl von der Bildanzeigefläche SI verläuft zu dem transparenten Körper des ersten optischen Systems 1 (erstes optisches Element) durch S10, S9 und S8 des zweiten optischen Systems 2 und wird auf den transparenten Körper von der Fläche S7 (Fläche B) einfallen gelassen. Dann wird der Lichtstrahl durch die Rückseite an S6 (Fläche A) reflektiert, durch die Rückseite an S5 (Fläche C) reflektiert und umgekehrt, durch die Rückseite an S4 (Fläche A) reflektiert, durch die Rückseite an S3 (Fläche B) reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 21 von S2 aus, um zu der Austrittspupille S1 (S) des optischen Systems geführt zu werden.
Tabelle 19
In diesem numerischen Beispiel ist, da einige reflektierte Lichtstrahlen an der Fläche S6 die Bedingungen einer Totalreflexion nicht erfüllen, ein reflektierender Film A' an einem Teil der Fläche S6 zum Reflektieren der Lichtstrahlen durch die Rückseite ausgebildet.
An diesem Punkt ist der reflektierende Film so ausgebildet, dass er einen Bereich nicht überschneidet, an dem ein austretender Lichtstrahl der Fläche S2 verläuft. Der reflektierende Film ist aus Metall, einem dielektrischen Werkstoff oder Ähnlichem gebildet.
Ferner ist es in dem Bereich, in dem der reflektierende Film in der Nähe des Bereichs ausgebildet ist, in dem der austretende Lichtstrahl verläuft, vorzuziehen, den Film so auszubilden, dass eine Reflexionseigenschaft sich graduell verringert, wenn er sich dem Bereich annähert, in dem der austretende Lichtstrahl verläuft, da es schwierig wird, eine Grenze zwischen dem Teil, an dem der reflektierende Film ausgebildet ist, und dem Teil, an dem der reflektierende Film nicht ausgebildet ist, zu erkennen.
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselbe Spezifikation wie das zehnte numerische Beispiel hat.
Ferner kann das optische System des elften numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Zwölftes numerisches Beispiel
27 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs eines Zwölften numerischen Beispiels. Ebenso sind optische Daten in der Tabelle 20 gezeigt.
In diesem numerischen Beispiel sind S9 und S11 des zweiten optischen Systems 2 jeweils eine identische Ebene, die mit einem halbdurchlässigen reflektierenden Film versehen ist. Das zweite optische System 2 ist durch einen transparenten Körper (optischen Element) einer Prismagestalt mit drei optischen Flächen S8, S9 (zu S11 identische Fläche) und S10 an einem identischen Medium ausgebildet.
Alle optischen Flächen S1 bis S11 sind rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind.
Licht von der Bildanzeigefläche SI wird auf das optische Element des zweiten optischen Systems 2 von der Halbspiegelfläche S11 einfallen gelassen, durch die Rückseite an S10 reflektiert, an der Halbspiegelfläche S9 reflektiert, tritt aus S8 aus, um zu dem ersten optischen System 1 zu verlaufen. Das Licht, das zu dem ersten optischen System 1 verläuft, wird auf das erste optische System 1 von der Fläche S7 (Fläche B) einfallen gelassen. Dann wird das Licht durch die Rückseite an S6 (Fläche A) reflektiert, durch die Rückseite an S5 (Fläche C) reflektiert und umgekehrt, durch die Rückseite an S4 (Fläche A) reflektiert, durch die Rückseite an S3 (Fläche B) reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 1 aus S2 aus, um zu der Austrittspupille S1 (S) des optischen Systems geführt zu werden.
Ferner sind die Reflexionen an S4 und S6 beide innere Totalreflexionen.
Tabelle 20
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension eines Zwölften numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselbe Spezifikation wie das zehnte numerische Beispiel hat.
Ferner kann das optische System des Zwölften numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Dreizehntes numerisches Beispiel
28 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines fünften Ausführungsbeispiels, das in 11 gezeigt ist.
In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 41 ein erstes optisches System; bezeichnet ein Bezugssymbol 41-a ein optisches Element als transparenten Körper, der zumindest drei Flächen hat; bezeichnen S2, S4, S6, S8 und S10 eine identische Fläche; bezeichnen S3 und S11 eine identische Fläche; und bezeichnen S5 und S9 eine identische Fläche. Diese Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in 5 beschrieben sind.
S7 ist eine Umkehrreflexionsfläche. Reflektierende Filme sind an dieser Umkehrreflexionsfläche (S7) und der Fläche C (S5, S9) ausgebildet, und ein Halbspiegel ist an der Fläche B (S3, S11) ausgebildet. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 2 ein zweites optisches System, das durch eine Linse mit S12 und S13 gebildet wird.
Obwohl der Winkel θ einer gewissen Abmessung in 11 eingerichtet ist, ist der Wert von θ beträchtlich kleiner, um einer optischen Leistungsfähigkeit des optischen Anzeigesystems in diesem numerischen Beispiel Vorrang zu geben. Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 21 gezeigt.
Tabelle 21
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselbe Spezifikation wie das erste numerische Beispiel hat.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Vierzehntes numerisches Beispiel
29 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines sechsten Ausführungsbeispiels, das in 12 gezeigt ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 51 ein erstes optisches System, das ein optisches Anzeigesystem bildet, das durch ein optisches Element als transparenter Körper mit vier optischen Flächen gebildet ist.
Referenzsymbole S2, S4 und S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem sechsten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
S6 ist eine Umkehrreflexionsfläche D. Reflektierende Filme sind an der Umkehrreflexionsfläche D (S6) und der Fläche C (S5, S7) ausgebildet, und ein Halbspiegel ist an der Fläche B (S3, S9) ausgebildet.
Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches System, das aus zwei Linsen 2-1 und 2-2 besteht, die jeweils durch zwei Flächen gebildet sind. Eine Fläche der Linse 2-1 ist mit der Fläche verbunden, die identisch mit der Fläche S9 des ersten optischen Systems 51 ist. Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet sind. Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 22 gezeigt.
Tabelle 22
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselbe Spezifikation wie das neunte numerische Beispiel hat.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Fünfzehntes numerisches Beispiel
30 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem in 13 gezeigten siebten Ausführungsbeispiel ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 61 ein erstes optisches System, das ein optisches Anzeigesystem bildet, das durch zwei optische Elemente 61-a1 und 61-a2 gebildet ist, die beide drei optische Flächen haben.
Referenzsymbole S2, S4 und S14 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S15 bezeichnen eine identische Fläche; S7 und S11 bezeichnen eine identische Fläche; und S6, S8, S10 und S12 bezeichnen eine identische Fläche. Diese vier Flächen entsprechen den Flächen A, B, C bzw. E, die in dem siebten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
S9 ist eine Umkehrreflexionsfläche G. Reflektierende Filme sind an der Umkehrreflexionsfläche G (S9) und der Fläche C (S7, S11) ausgebildet, und ein Halbspiegel ist an der Fläche B (S3, S15) ausgebildet.
Ferner ist das Fünfzehnte numerische Beispiel geringfügig verschieden von dem siebten Ausführungsbeispiel, das in 13 gezeigt ist, dahingehend, dass das reflektierende Element, das die Umkehrreflexionsfläche G hat, bei dem ersten optischen System 61 nicht verwendet wird, und die Fläche S9 in dem optischen Element 61-a2 als Umkehrreflexionsfläche zur Vereinfachung der optischen Einstellung ausgebildet ist. Da zusätzlich zwei optische Elemente in dem ersten optischen System 61 angenommen werden, ist ein zweites optisches System zwischen dem ersten optischen System 61 und der Bildanzeigevorrichtung 63 (SI) nicht erforderlich.
Ein Bezugssymbol SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und 51 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems. In diesem numerischen Beispiel ist eine rotationsasymmetrische Fläche in der Fläche B (S3, S15), der Fläche C (S7, S11) und der Umkehrreflexionsfläche G (S9) angenommen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetrieebene ausgebildet sind. Ferner wird eine bessere optische Leistungsfähigkeit erhalten, wenn die rotationsasymmetrische Fläche bei allen optischen Flächen angenommen wird. Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 23 gezeigt.
Tabelle 23
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension des Fünfzehnten numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselbe Spezifikation wie das erste numerische Beispiel hat.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem auf dieselbe Weise wie das erste numerische Beispiel genutzt werden.
Sechzehntes numerisches Beispiel
31 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines Ausführungsbeispiels, das in dem in 15 gezeigten neunten Ausführungsbeispiel ähnlich ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 3 ein optisches Anzeigesystem. Ein Bezugssymbol 81-a bezeichnet einen transparenten Körper (erstes optisches Element), der das erste optische System 81 mit drei optischen Flächen bildet, und bezeichnet das Symbol 81-b ein Reflexionsspiegelelement.
Bezugssymbole S2, S4, S8 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S9 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Die jeweiligen Flächen entsprechen den Flächen A, B und D, die in dem neunten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Zusätzlich bezeichnet ein Bezugszeichen 82 in der Figur ein zweites optisches System, das durch die Flächen S9 bis S12 gebildet wird. In diesem numerischen Beispiel ist eine Fläche des transparenten Körpers (erstes optisches System 81) und eine Fläche des transparenten Körpers (optisches Element), die das zweite optische System 82 bilden, verbunden und ist die verbundene Fläche S9.
Ferner ist dieses numerische Beispiel verschieden von 15 dahingehend, dass die drei Flächen, die in dem ersten optischen Element 81-a vorgesehen sind, aus gekrümmten Flächen ausgebildet sind, und das optische System 82-2, das einen Teil des zweiten optischen Systems 82 ausbildet, nicht vorgesehen ist.
Alle diese Flächen, die Flächen des ersten und zweiten optischen Systems 81 und 82 bilden, sind rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt mit der Papierebene der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche ausgebildet sind. Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 24 gezeigt.
Tabelle 24
Wie Tabelle 24 entnehmbar ist, wird Licht von der Bildanzeigefläche SI auf das optische System 81 von S9 (Fläche B) über S12, S11 und S10 einfallen gelassen, an S8 (Fläche A) reflektiert und an S7 (Fläche D) gebrochen, um aus dem transparenten Körper des ersten optischen Systems 81 auszutreten. Das Licht, das austritt, wird an S6 (Fläche C) reflektiert, erneut auf den transparenten Körper von S5 (Fläche D) einfallen gelassen, an S4 (Fläche A) reflektiert, und an S3 (Fläche B) reflektiert und tritt aus dem transparenten Körper von S2 (Fläche A) aus, um zu der Austrittspupille S1 (S) geführt zu werden.
Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von 50° und einem vertikalen Bildwinkel von 39° bei einem Austrittspupillendurchmesser ϕ von 6 mm und einer Bildanzeigeabmessung von 10 mm × 7,5 mm im unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem genutzt werden. In diesem Fall wird Licht von einem Objektpunkt an dem unendlichen Abstand in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 81 von S2 durch die Blende S1 geführt. Dann wird das Licht an S3 und S4 reflektiert, um aus dem transparenten Körper von S5 auszutreten. Darauf wird das Licht an S6 reflektiert, auf den transparenten Körper erneut von S7 einfallen gelassen, an S8 reflektiert und tritt aus dem transparenten Körper aus S9 aus. Das Licht, das aus dem transparenten Körper ausgetreten ist, wird zu dem zweiten optischen System 2 geführt und fokussiert ein Bild an der Bildaufnahmefläche SI über S10, S11 und S12.

Claims

Bildanzeigegerät mit: einer Anzeigevorrichtung (3) zum Anzeigen eines Bilds; und einem optischen Anzeigesystem zum Führen von Licht von dem Bild an der Anzeigevorrichtung (3) zu einem Auge eines Betrachters durch ein optisches Übertragungssystem, das ein Zwischenbild des Bilds erzeugt, und ein optisches Okularsystem, das das Zwischenbild zu dem Auge des Betrachters führt, wobei das optische Anzeigesystem folgendes aufweist: eine erste Fläche (A), eine zweite Fläche (C) und eine dritte Fläche (B); wobei das optische Anzeigesystem so angeordnet ist, dass: Licht von dem Bild an der Anzeigevorrichtung (3) einschließlich des Hauptstrahls von der Mitte des Bilds zu der Mitte der Austrittspupille des Systems auf die dritte Fläche (B) fällt, wobei die dritte Fläche (B) angeordnet ist, um den einfallenden Hauptstrahl zu der ersten Fläche (A) durchzulassen und zu führen, wobei die erste Fläche (A) angeordnet ist, um das zu der ersten Fläche (A) geführte Licht zu der zweiten Fläche (C) zu reflektieren, wobei die zweite Fläche (C) angeordnet ist, um den auf die zweite Fläche (C) zu der ersten Fläche (A) für eine zweite Reflexion durch die erste Fläche (A) reflektierten Hauptstrahl zu der dritten Fläche (B) zu reflektieren, und wobei die dritte Fläche (B) angeordnet ist, um den auf die dritte Fläche (B) reflektierten Hauptstrahl auf die erste Fläche (A) zum Durchlass durch die erste Fläche (A) zu der Mitte der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems zu reflektieren, wobei der Hauptstrahl bei der zweiten Reflexion an der ersten Fläche (A) auf die entgegengesetzte Seite der Normalen der ersten Fläche (A) zu derjenigen der ersten Reflexion an der ersten Fläche (A) einfällt, wobei die dritte Fläche (B) zu der Seite der Anzeigevorrichtung konvex ist und eine positive optische Brechkraft beim Durchlass des Lichts von dem Bild an der Anzeigevorrichtung (3) hat, wobei die dritte Fläche (B) zu der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems konkav ist und eine positive optische Brechkraft beim Reflektieren des Lichts zu der ersten Fläche (A) zum Durchlass durch die erste Fläche (A) hat, wobei jede der ersten Fläche (A) und der dritten Fläche (B) sowohl als optisches Übertragungssystem als auch als optisches Okularsystem dient; und wobei die zweite Fläche (C) als zumindest eines von dem optischen Übertragungssystem und von dem optischen Okularsystem dient.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die dritte Fläche (B) eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Form ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zumindest eine der ersten Fläche (A) und der zweiten Fläche (C) eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Form ist.
Optisches System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennweite der dritten Fläche (B) an einem Schnitt einschließlich eines optischen Gangs des Hauptstrahls positiv ist und kürzer als die Brennweiten der ersten Fläche (A) und der zweiten Fläche (C) an dem Schnitt einschließlich des optischen Gangs des Hauptstrahls ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei zumindest die erste Fläche an einem transparenten Körper (2) angeordnet ist, dessen Inneres mit einem optischen Medium gefüllt ist.
Optisches System gemäß Anspruch 5, wobei das Licht einer inneren Totalreflexion an der ersten Fläche unterzogen wird.
Optisches System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer vierten Fläche (D), und wobei die erste Fläche, die zweite Fläche (C) und die dritte Fläche an einem transparenten Körper angeordnet sind, dessen Inneres mit einem optischen Medium gefüllt ist, und wobei die vierte Fläche (D) an dem transparenten Körper angeordnet ist, und wobei der Hauptlichtstrahl auf den transparenten Körper von der vierten Fläche (D) einfällt, durch die erste Fläche reflektiert wird, und der Hauptstrahl, der durch die erste Fläche erneut reflektiert wird und auf die vierte Fläche (D) einfällt, durch die vierte Fläche (D) reflektiert wird und daraufhin durch die erste Fläche zum Austreten aus dem transparenten Körper durchgelassen wird.
Optisches System gemäß Anspruch 7, wobei Licht von dem Originalbild in dem transparenten Körper (2) zwischenfokussiert wird.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei der Winkel θ, der durch den Hauptstrahl, der an der zweiten Fläche (C) reflektiert wird und zuerst auf die zweite Fläche einfallen gelassen wird, und dessen reflektierten Lichtstrahl ausgebildet wird, die Bedingung |θ| < 60° erfüllt.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei ein Winkel α, der durch den Hauptstrahl, der an der ersten Fläche (A) reflektiert wird und zuerst auf die zweite Fläche (C) einfallen gelassen wird, und dessen reflektierten Lichtstrahl ausgebildet wird, die Bedingung 25° < |α| < 85° erfüllt.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei ein Winkel β, der durch den Hauptstrahl, der an der ersten Fläche (A) reflektiert wird und zum zweiten Mal auf die zweite Fläche (C) einfallen gelassen wird, und dessen reflektierten Hauptstrahl ausgebildet wird, die Bedingung 20° < |β| < 75° erfüllt.
Optisches System gemäß Anspruch 1, ferner mit einer fünften Fläche, und wobei die erste Fläche (A) und die zweite Fläche (C) an einem transparenten Körper angeordnet sind, dessen Inneres mit einem optischen Medium gefüllt ist, und wobei die fünfte Fläche an dem transparenten Körper angeordnet ist, und wobei der Hauptstrahl an dem Zentralblickwinkel von dem Originalbild in den transparenten Körper von der fünften Fläche einfällt und durch die erste Fläche (A) reflektiert wird, und wobei der Hauptstrahl an dem Zentralblickwinkel, der erneut durch die erste Fläche (A) reflektiert wird und auf die fünfte Fläche einfällt, durch die fünfte Fläche reflektiert wird und daraufhin durch die erste Fläche (A) durchgelassen wird und aus dem transparenten Körper austritt.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die zweite Fläche eine Umkehrfläche ist, die den einfallenden Hauptstrahl mit dem Zentralblickwinkel reflektiert, der so einfallen gelassen wird, dass der Hauptstrahl mit dem Zentralblickwinkel einem optischen Gang, dem der Hauptstrahl mit dem Zentralblickwinkel folgt, erneut rückwärts folgt.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei Licht von dem Originalbild in dem optischen System zwischenfokussiert wird.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei ein Winkel θ, der durch den Hauptstrahl mit einem Zentralblickwinkel, der auf die Umkehrfläche einfallen gelassen wird, und dessen reflektierten Lichtstrahl ausgebildet wird, eine Bedingung |θ| < 30° erfüllt.
Bildanzeigegerät mit: einem optischen System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15; und einer Anzeige zum Anzeigen des Originalbilds.