DE60224636T2 - Bildanzeigegerät und Bildaufnahmeapparat - Google Patents

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Shoichi Ohta-ku Yamazaki
Hideki Ohta-ku Morishima
Kazutaka Ohta-ku Inoguchi
Motomi Ohta-ku Matsunaga
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Description

  • Die vorliegende 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 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 ein Gewichtsabgleich, eine Erscheinung und dergleichen berücksichtigt werden, ist es zusätzlich erwünscht, das Gerät in die Sichtachsenrichtung eines Betrachters dünn auszuführen. Darüber hinaus wird ein Bild wünschenswert so stark wie möglich vergrößert, um ein vergrößertes Bild leistungsstark anzuzeigen.
  • 26 zeigt ein herkömmliches Bildanzeigegerät, das einen 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 Bildes betrachten.
  • Zusätzlich ist unter Anderem beispielsweise in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-333551 (entsprechendes Europäisches Patent Nr. EP 687 932 A2 ), in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-50256 (entsprechendes Europäisches Patent Nr. EP 687 932 A2 ), in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-160340 , in 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 Bildes und ein dünnes Prisma als optisches Betrachtungssystem verwendet, um die dünnere Ausführung des gesamten Geräts zu verwirklichen.
  • 27 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 der Lichtstrahl zwischen einer 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 Bildes 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 27 gezeigten optischen Systems hat eine Charakteristik, dass es einfach ist, das gesamte Gerät dünn auszuführen und den Bildwinkel eines Betrachtungssichtfelds im Vergleich mit einer Bauart breit auszuführen, die den herkömmlichen koaxialen, konkaven Spiegel verwendet, wie in 26 gezeigt ist.
  • In den vergangenen Jahren hat sich die Auflösung eines LCD oder Ähnlichem verbessert, die eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes ist, und wurde ein LCD oder Ähnliches entwickelt, der miniaturisiert ist, während er die gleiche Anzahl von Pixeln im Vergleich mit derjenigen aus der Vergangenheit 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 Übertragungs-Linsen-System kombiniert sind, und wird ein Zwischenbild einmal durch das Übertragungs-Linsen-System 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 27 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 ist, 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, wobei das Licht von der Flüssigkristallvorrichtung dann von einer zweiten Fläche zurück auf die erste Fläche reflektiert wird, so dass es zu dem Auge eines Betrachters gerichtet wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten und weiteren Nachteile gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kleines optisches Anzeigesystem zur Verfügung zu stellen, das eine Anzeige mit einem weiten Bildwinkel erzielen kann, während eine kleine Anzeigevorrichtung verwendet wird, und wobei diese insgesamt klein ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Bildanzeigegerät nach 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.
  • Bei dem ersten optischen System wird nämlich verursacht, dass Licht sich im Allgemeinen zwischen der ersten, zweiten und dritten Fläche hin- und herbewegt, um einen optischen Gang umzukehren, wodurch ein langer optischer Gang trotz der Tatsache sichergestellt werden kann, dass das optische System klein ist. Wenn das optische System auf ein optisches Anzeigesystem angewendet wird, kann folglich ein breiter Anzeigebildwinkel erhalten werden, während eine kleine Originalabbildung verwendet wird (ein Bild oder Ähnliches, das an einer Bildanzeigevorrichtung angezeigt wird). Wenn das optische System auf ein optisches Bildaufnahmesystem angewendet wird, kann ein breiter photographischer Bildwinkel erhalten werden. Darüber hinaus wird es möglich, ein optisches System zu verwirklichen, das einschließlich des zweiten optischen Systems insgesamt klein ist.
  • Dann wird ein Luftraum zwischen der dritten Fläche des ersten optischen Systems und einer Austrittsfläche des zweiten optischen Systems vorgesehen, wodurch eine große Anzahl optischer Flächen sichergestellt werden kann, und ein Freiheitsgrad der optischen Auslegung erhöht werden kann. Somit wird es möglich, eine Verbesserung der optischen Leistungsfähigkeit als optisches Anzeigesystem und eine weitergehende Miniaturisierung des optischen Systems zu verwirklichen.
  • Andererseits werden die dritte Fläche des ersten optischen Systems und die Austrittsfläche des zweiten optischen Systems verbunden, wodurch eine relative Positionierung des ersten und zweiten optischen Systems vereinfacht wird, das Auftreten einer Aberration beim Einfallen des Lichts an dem ersten optischen System gesteuert wird und gleichzeitig eine starke optische Systemstruktur erhalten wird. Somit wird es möglich, ein optisches System zu verwirklichen, das eine hohe optische Leistungsfähigkeit und eine hervorragende Haltbarkeit hat.
  • Ferner ist dieses optische Anzeigesystem für ein Bildanzeigegerät 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 Bildes an einer Fläche, um ein Bild daran zu projizieren, wie z.B. eine Bildfläche.
  • Es ist anzumerken, dass das optische Bildaufnahmesystem für ein Bildaufnahmegerät vorzuziehen ist, wie z.B. eine Digitalkamera oder eine Videokamera.
  • Zusätzlich ist es sowohl bei dem optischen Anzeigesystem als auch einem optischen Bildaufnahmesystem vorzuziehen, eine Fläche zum Reflektieren und Umkehren von Licht als gekrümmte Fläche auszubilden. Wenn die Umkehrreflexionsfläche eine Ebene ist, besteht die Neigung, dass das optische System groß wird, da die Richtungen der Strahlen der Bilder zum Zeitpunkt der Reflexion jeweils nicht gesteuert werden können. Wenn die Umkehrreflexionsfläche eine rotationsasymmetrische Fläche ist, ist es möglich, das optische System im Vergleich mit dem Fall einer gekrümmten Fläche weitergehend zu miniaturisieren, da die Richtungen der Strahlen von Bildern frei gesteuert werden können.
  • Darüber hinaus ist die zweite Fläche (die Umkehrreflexionsfläche) als reflektierendes Element ausgebildet, das getrennt von dem optischen Element mit den ersten und zweiten Flächen vorgesehen ist, wodurch die Anzahl von effektiven Flächen in einem optischen Gang ohne Beeinträchtigen der Abmessungen des optischen Anzeigesystems und des optischen Bildaufnahmegeräts erhöht werden kann. Somit ist es möglich, einen Freiheitsgrad einer Auslegung zu vergrößern und eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit zu verwirklichen.
  • Darüber hinaus ist ein reflektierendes Element als Rückseitenspiegel mit einer Durchlassfläche und einer Reflexionsfläche ausgebildet, wodurch die Durchlassfläche ebenso als optische Fläche verwendet werden kann. Somit kann eine Fokussierleistungsfähigkeit ohne Beeinträchtigen einer Abmessung des optischen Systems verbessert werden.
  • Zusätzlich wird veranlasst, dass das erste optische System und das zweite optische System eine positive Brechkraft haben, wodurch eine positive Brechkraft bei dem gesamten optischen System verteilt werden kann. Somit wird eine Aberrationskorrektur einfach und kann eine Fokussierleistungsfähigkeit verbessert werden.
  • Weitergehend ist anders gesagt das vorstehend erwähnte optische System so gebildet, dass ein Reflexionswinkel mit Bezug auf eine Normalenlinie an einem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls an einem mittleren Bildwinkel, der auf die erste Fläche zuerst auftrifft, und ein Reflexionswinkel mit Bezug auf eine Normalenlinie an einem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls an einem mittleren Bildwinkel, der an der zweiten Fläche reflektiert wird und auf die erste Fläche erneut einfällt, entgegengesetzte Vorzeichen haben. Das optische System reflektiert nämlich Licht, das an die erste 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 lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems (1) ist, das das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems (2) ist, das das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 ein Diagramm eines optischen Bildaufnahmesystems ist, das das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems (1) ist, das das fünfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 ein Diagramm einer Abwandlung des optischen Anzeigesystems ist, das das vierte Ausführungsbeispiel ist;
  • 8 ein Diagramm einer Abwandlung des optischen Anzeigesystems ist, das das vierte Ausführungsbeispiel ist;
  • 9 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das sechse Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 10 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das siebte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11 ein Diagramm des optischen Gangs eines Hauptstrahls bei einem maximalen Bildwinkel bei dem optischen Anzeigesystem von 10 ist;
  • 12 ein Diagramm eines optischen Gangs eines Strahls ist, der aus der Mitte einer Bildanzeigefläche des optischen Anzeigesystems von 10 austritt;
  • 13 ein Diagramm eines Beispiels eines optischen Bildaufnahmesystems ist;
  • 14 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems (1) ist, das ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 15 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems (2) ist, das ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 16 ein Diagramm eines optischen Anzeigesystems ist, das das zehnte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • 17 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines ersten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 18 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines zweiten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 19 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines dritten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 20 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines vierten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 21 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines fünften Numerischen Beispiels auf der Grundlage des fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 22 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines sechsten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 23 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines siebten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des zehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 24 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines achten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des zehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 25 eine Schnittansicht eines optischen Systems eines neunten Numerischen Beispiels auf der Grundlage des zehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;
  • 26 ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Anzeigesystems ist; und
  • 27 ein Diagramm des 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 umfasst (bei einem optischen Anzeigesystem ein Strahl von einer Mitte eines effektiven Anzeigebereichs einer Bildanzeigefläche einer Anzeigevorrichtung zu einer Austrittspupillenmitte eines optischen Anzeigesystems, und bei einem optischen Bildaufnahmesystem ein Strahl, der durch eine Eintrittspupillenmitte des optischen Bildaufnahmesystems verläuft, um die Mitte eines effektiven Bildaufnahmebereichs einer Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung zu erreichen), und jede Fläche werden als Lokalmeridianschnitt definiert. Eine Fläche, die einen Auftreffpunkt umfasst und vertikal zu dem Lokalmeridianschnitt und parallel zu einem Sagittalschnitt eines Scheitelpunktkoordinatensystems der jeweiligen Fläche ist (gewöhnlich ein Sagittalschnitt), wird als Lokalsagittalschnitt 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 30 mit einer positiven optischen Brechkraft (1/Brennweite) im Ganzen und ein zweites optisches System 20 mit einer positiven optischen Brechkraft im Ganzen gebildet, die in der Reihenfolge von einer Seite eines Auges E eines Betrachters in Richtung auf eine Bildanzeigevorrichtung (LCD, usw.) 10 angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl das erste optische System 30 als auch das zweite optische System 20 mit optischen Flächen gebildet, die an transparenten Körpern (im Folgenden als jeweilige optische Elemente bezeichnet) 31 und 21 ausgebildet sind, dessen Inneres mit einem optischen Medium, wie z.B. Glas oder Kunststoff, gefüllt ist.
  • Licht, das durch die Bildanzeigevorrichtung 10 moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische Element 21 von einer Fläche 21a ein, wird an einer Fläche 21b reflektiert und durch eine Fläche 21c durchgelassen, um aus dem zweiten optischen Element 21 auszutreten. Das Licht, das aus dem zweiten optischen Element 21 aus der Austrittsfläche 21c ausgetreten ist, wird durch eine Fläche 31a (eine dritte Fläche) durchgelassen, um auf das erste optische Element 31 einzufallen.
  • Das Licht, das auf das erste optische Element 31 von der Einfallsfläche 31a einfällt, wird an einer Fläche 31b (einer ersten Fläche) reflektiert und umgekehrt und in eine im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung an einer Fläche 31c (einer zweiten Fläche) reflektiert, erneut an der Fläche 31b zu der Seite reflektiert, die zu einer Seite mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an einem Auftreffpunkt davon entgegengesetzt ist, als das Licht das letzte Mal reflektiert wurde, wird an der Fläche 31a reflektiert, durch die Fläche 31b durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 31 aus, so dass es zu dem Auge E des Betrachters geführt wird. Ferner ist eine Halbspiegelbeschichtung auf die Fläche 31a aufgebracht.
  • In dieser Figur ist als Beispiel eines Lichtstrahls, der von der Bildanzeigevorrichtung 10 emittiert wird, ein Hauptstrahl an dem mittleren Bildwinkel, der aus einer Mitte einer Anzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 10 austritt und eine Mitte einer Austrittspupille des optischen Anzeigesystems erreicht (entsprechend einer Position des Auges E des Betrachters), durch eine durchgezogene Linie angegeben.
  • Das erste optische Element 31 und das zweite optische Element 21 sind mit einer positiven optischen Brechkraft gebildet, wodurch es möglich wird, dass der Betrachter visuell ein vergrößertes Bild eines Bilds erkennt, das an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigt wird.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Reflexionsfläche an dem ersten optischen Element 31 exzentrisch mit Bezug auf den Hauptstrahl an dem mittleren Bildwinkel angeordnet, wodurch ein optischer Gang geneigt umgekehrt wird und die dünnere Ausführung des ersten optischen Elements 31 verwirklicht wird.
  • In diesem Fall ist es zum Korrigieren einer exzentrischen Aberration, die durch exzentrisches Anordnen einer Fläche mit einer optischen Brechkraft verursacht wird, vorzuziehen, zumindest eine Fläche von den optischen Flächen an dem ersten optischen Element 31 durch eine rotationsasymmetrische Fläche mit einer in Abhängigkeit von einem Azimutwinkel verschiedenen optischen Brechkraft zu bilden (eine so genannte Freiformfläche).
  • Insbesondere ist es vorzuziehen, hinsichtlich der Korrektur einer Aberration, die Fläche 31a, die die Hauptbrechkraft einer positiven optischen Brechkraft des ersten optischen Elements 31 im Ganzen annimmt und die Form einer konkaven Fläche in Richtung auf das Auge E des Betrachters hat (insbesondere eine konvexe Fläche in Richtung auf das zweite optische System 20), durch eine Freiformfläche zu bilden.
  • Weitergehend vorzugsweise werden alle optischen Flächen an dem ersten optischen Element 31 durch eine Freiformfläche gebildet, wodurch eine bessere optische Leistungsfähigkeit erhalten werden kann. In diesem Fall ist es vorzuziehen, jede rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt, die ebenensymmetrisch in einer vertikalen Richtung in einer Papierfläche der Figur ist, auszubilden, die einen Querschnitt der Papierfläche der Figur als einzige Symmetriefläche hat, da die Bearbeitung und Herstellung im Vergleich mit dem Fall ohne Symmetrie einfach durchgeführt werden können.
  • Auf diesem Weg wird es möglich, wenn eine Vielzahl von rotationsasymmetrischen Flächen (Freiformfläche) angenommen werden, ein Aspektverhältnis einer Originalabbildung und ein Formatverhältnis eines angezeigten Bildes nahe aneinander zu bringen, und wird es möglich, ein Bild zu erhalten, das mit einer hohen Qualität angezeigt wird.
  • Bei dem ersten optischen Element 31 tritt Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche 31a → der Fläche 31b → der Fläche 31c → der Fläche 31b → der Fläche 31a (→ der Fläche 31b) und folgt mit der Reflexion an der Fläche 31c als Grenze den optischen Gängen zu dem Punkt in der umgekehrten Reihenfolge. Der optische Gang der Fläche 31a → der Fläche 31b → der Fläche 31c wird als Vorwärtsgang bezeichnet und der optische Gang der Fläche 31c → der Fläche 31b → der Fläche 31a wird als Rückwärtsgang bezeichnet. Ein optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang wird durch den Vorwärtsgang und den Rückwärtsgang ausgebildet. Ferner wird die Fläche 31c als Umkehrreflexionsfläche bezeichnet.
  • Auf diesem Weg wird der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 30 mit der Fläche 31c als Umkehrreflexionsfläche ausgebildet, wodurch ein optischer Gang umgekehrt werden kann, um diesen bei dem ersten optischen Element 31 zu duplizieren, wobei ein Raum in dem ersten optischen Element 31 effektiv eingesetzt werden kann, und kann das erste optische System 30 mit Bezug auf eine Länge eines optischen Gangs miniaturisiert werden. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Systems 20 miniaturisiert werden.
  • Obwohl beispielsweise eine Miniaturisierung des ersten optischen Systems 30 durch Ausbilden des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs verwirklicht werden kann, verringert sich ein Freiheitsgrad der Auslegung des optischen Systems, da eine optische Fläche dupliziert verwendet wird, und werden wahrscheinlich eine Verringerung einer optischen Leistungsfähigkeit, eine Reduzierung eines zulässigen Herstellungsfehlers und dergleichen verursacht.
  • Jedoch sind in diesem Ausführungsbeispiel die Einfallsfläche 31a des ersten optischen Elements 31 und die Austrittsfläche 21c des zweiten optischen Elements 21 entgegengesetzt zueinander über eine Luftschicht (einen Luftraum) angeordnet und sind nicht zusammengeheftet, sondern sind separat vorgesehen. Folglich wird die Anzahl der effektiven optischen Flächen in dem optischen Gang ohne Beeinträchtigen einer Abmessung des optischen Systems erhöht, wobei ein Freiheitsgrad einer Auslegung vergrößert wird und eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht wird.
  • Zusätzlich kann eine Differenz von Brechungsindices eines Mediums vor und nach dem Einfallen des Lichts auf der Fläche 31a und der Fläche 21c auf einen großen Wert eingerichtet werden. Da somit eine Konvexlinsenfunktion beim Einfallen von Licht auf die Fläche 31a mit einer Form einer konkaven Fläche in Richtung auf das Auge E des Betrachters (Form einer konvexen Fläche zu dem zweiten optischen System 20) und der Fläche 21c mit einer Form einer konvexen Fläche zu dem ersten optischen System 30 mit einer geringen Krümmung erhalten werden kann, während die gesamte optische Brechkraft beibehalten wird, kann das Auftreten einer Aberration kontrolliert werden.
  • Zusätzlich ist es vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche 31b als Totalreflexion auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Ferner kann zumindest in einem Bereich, der durch einen reflektierten Lichtstrahl und einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche 31b gemeinsam genutzt wird, wenn ein reflektierter Lichtstrahl total reflektiert wird, ein Freiheitsgrad der Auslegung im Vergleich mit dem Fall erhöht werden, in dem alle reflektierten Lichtstrahlen total reflektiert werden.
  • Auf diesem Weg kann Licht effektiv verwendet werden, indem eine Reflexion an der optischen Fläche, die sowohl die Durchlassfunktion als auch die Reflexionsfunktion hat, als Totalreflexion ausgeführt wird.
  • Zusätzlich folgt, wie durch eine gepunktete Linie in 1 angegeben ist, ein Strahl, der von der Mitte der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 10 austritt, so dass er beide Enden der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems erreicht, demselben Verlauf wie der Hauptlichtstrahl bei dem mittleren Bildwinkel in der Reihenfolge der Fläche 31a → der Fläche 31b → der Fläche 31c → der Fläche 31b → der Fläche 31a (→ der Fläche 31b). In diesem Fall schneiden sich die Strahlen von den beiden Enden in dem optischen Gang des ersten optischen Systems 30 und wird ein Zwischenbild des an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigten Bilds ausgebildet.
  • Folglich wird ein Freiheitsgrad der Einstellung eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 10 verbessert, und wird eine Verbreiterung des Bildwinkels (eine Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung) ermöglicht. Zusätzlich kann zum Vereinfachen einer Korrektur einer Aberration bei einem so genannten optischen Okularsystemabschnitt, der ein Zwischenbild zu dem Auge E des Betrachters als im Wesentlichen paralleles Licht führt, eine Zwischenfokussierfläche ausgebildet werden, so dass diese geeignet gekrümmt ist, eine astigmatische Differenz hat oder in Abhängigkeit von einer Situation verzerrt ist, in der eine Feldkrümmung, ein Astigmatismus oder eine Verzerrungsaberration bei dem optischen Okularsystemabschnitt auftritt.
  • Zusätzlich können das erste optische Element 31 und das zweite optische Element 21 dadurch einfach hergestellt werden, dass sie aus Materialien mit dem gleichen Brechungsindex ausgebildet werden.
  • Durch Bilden des optischen Anzeigesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann ein Bildanzeigegerät zur Verfügung gestellt werden, das ein an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigtes Bild als vergrößertes Bild mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit anzeigt.
  • Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad zum Einrichten eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 10 verbessert, indem Licht einmal in dem optischen Anzeigesystem fokussiert wird, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (eine Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des optischen Anzeigesystems durch Duplizieren von optischen Gängen gesteuert werden, die mit einer Verbreiterung des Bildwinkels lang werden, indem ein optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 31 ausgebildet wird, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
  • Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Umkehrreflexion des Hauptstrahls an dem mittleren Bildwinkel der Fläche 31c als im Wesentlichen vertikale Reflexion dargestellt. Jedoch ist das optische Anzeigesystem der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Die 2 und 3 zeigen optische Anzeigesysteme, die das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind. Erste optische Systeme 30' und 30'' sowie zweite optische Systeme 20' und 20'', die das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels bilden, sind von denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels verschieden.
  • Bei dem in 2 gezeigten optischen Anzeigesystem fällt von einer Bildanzeigevorrichtung 10 emittiertes Licht auf ein optisches Element (zweites optisches Element) 22, das das zweite optische System 20' bildet, von einer Fläche 22a, wird an einer Fläche 22b reflektiert, wird an der Fläche 22a total reflektiert und tritt aus dem zweiten optischen System 22 aus einer Fläche 22c aus. Das Licht, das aus dem zweiten optischen System 20' aus der Austrittsfläche 22c ausgetreten ist, fällt auf einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 31, der das erste optische System 30' bildet, von einer Fläche 31a ein.
  • Das auf das erste optische Element 31 von der Einfallsfläche 31a einfallende Licht wird an der Fläche 31b reflektiert, an einer Fläche 31c umgekehrt und reflektiert, an der Fläche 31b erneut reflektiert, an der Fläche 31a reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 31 aus der Fläche 31b aus, um zu einem Auge E eines Betrachters geführt zu werden.
  • Zusätzlich wird bei dem optischen Anzeigesystem, das in 3 gezeigt ist, von einer Bildanzeigevorrichtung 10 emittiertes Licht durch Linsen 23, 24 und 25 des zweiten optischen Systems 20'' gebrochen und tritt aus einer Austrittsfläche 25a aus, so dass es auf einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 31 des ersten optischen Systems 30'' einfällt. Das Licht, das auf das erste optische Element 31 von der Einfallsfläche 31a einfällt, wird an der Fläche 31b reflektiert, an der Fläche 31c umgekehrt und reflektiert, erneut an der Fläche 31b reflektiert, an der Fläche 31a reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 31 von der Fläche 31b aus, um zu dem Auge E des Betrachters geführt zu werden.
  • Beide optischen Anzeigesysteme, die in den 2 und 3 gezeigt sind, sind die gleichen wie die optischen Anzeigesysteme des ersten Ausführungsbeispiels dahingehend, dass ein optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang der Fläche 31a → der Fläche 31b → der Fläche 31c → der Fläche 31b → der Fläche 31a → der Fläche 31b in den ersten optischen Systemen 30' und 30'' ausgebildet wird.
  • Jedoch ist das optische Anzeigesystem, das in 2 gezeigt ist, von dem optischen Anzeigesystem des ersten Ausführungsbeispiels dahingehend verschieden, dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche 31b reflektiert wird, mit einem Winkel θ mit Bezug auf einen einfallenden Strahl an der Fläche 31c umgekehrt und reflektiert wird und erneut an einer Position reflektiert wird, die niedriger als ein Punkt der ersten Reflexion an der Fläche 31b liegt.
  • Zusätzlich ist das optische Anzeigesystem, das in 3 gezeigt ist, von dem optischen Anzeigesystem des ersten Ausführungsbeispiels dahingehend verschieden, dass ein Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche 31b reflektiert wird, mit einem Winkel θ mit Bezug auf einen einfallenden Strahl auf die Fläche 31c umgekehrt und reflektiert wird und erneut an einer Position reflektiert wird, die höher als ein Punkt der ersten Reflexion an der Fläche 31b liegt.
  • Auf diesem Weg kann ein Strahl mit einem vorbestimmten Winkel θ vor und hinter der Umkehrreflexionsfläche 31c einfallen. Jedoch erfüllt der Winkel θ vorzugsweise die folgende Bedingung: |θ| < 30°
  • Es ist nicht vorzuziehen, dass der Winkel θ von dieser Bedingung abweicht, da das Prismaelement 31 groß wird und es schwierig wird, das gesamte optische System klein auszuführen.
  • Zusätzlich kann das zweite optische System 20' miniaturisiert werden, indem ein optischer Gang unter Verwendung einer Reflexionsfläche, wie in 2 gezeigt ist, umgekehrt wird. In diesem Fall ist es zum Korrigieren einer exzentrischen Aberration, die durch exzentrisches Anordnen einer Fläche mit einer optischen Brechkraft verursacht wird, vorzuziehen, zumindest eine Fläche von den optischen Flächen, die das zweite optische System 20' bilden, durch eine exzentrische rotationsasymmetrische Fläche zu bilden.
  • Zusätzlich kann zum Erhöhen der Anzahl der optischen Flächen, was zu der Korrektur einer Aberration beiträgt, das zweite optische System unter Verwendung von zwei oder mehr optischen Elementen einschließlich einer Reflexionsfläche gebildet werden.
  • Darüber hinaus kann, wie in 3 gezeigt ist, das zweite optische System 20'' auch nur durch eine Brechungsfläche gebildet werden. Insbesondere wird die Korrektur einer chromatischen Aberration durch die Verwendung einer konkaven Linse 24 einfach und kann eine weitergehende Verbesserung einer Fokussierleistungsfähigkeit erwartet werden.
  • Ferner wird eine Korrektur einer exzentrischen Aberration durch Bilden der Brechungsfläche durch eine Freiformfläche oder eine exzentrische rotationssymmetrische asphärische Fläche einfach und kann eine weitergehende Verbesserung einer Fokussierleistungsfähigkeit erwartet werden.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • 4 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Zur Vereinfachung des Verständnisses ist ein zweites optisches System vereinfacht. Ein optisches Anzeigesystem kann dadurch gebildet werden, dass es mit den zweiten optischen Systemen kombiniert wird, die jeweils in den 1 bis 3 gezeigt sind.
  • Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist durch das erste optische System 130 mit einer positiven optischen Brechkraft (1/Brennweite) im Ganzen und ein zweites optisches System 120 mit einer positiven optischen Brechkraft im Ganzen gebildet, die in der Reihenfolge von einer Seite eines Auges E eines Betrachters in Richtung auf eine Bildanzeigevorrichtung (LCD, usw.) 10 angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische System 130 mit einer optischen Fläche gebildet, die an einem transparenten Körper (erstes optisches Element) 32 ausgebildet ist, dessen Inneres mit einem optischen Medium, wie z.B. Glas oder Kunststoff, gefüllt ist.
  • Licht, das durch die Bildanzeigevorrichtung 10 moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische System 120 von einer Einfallsfläche 20a ein, tritt aus dem zweiten optischen System 120 aus einer Austrittsfläche 20b aus und fällt auf das erste optische Element 32 von einer Fläche 32a.
  • Das Licht, das auf das erste optische Element 32 von der Einfallsfläche 32a (der dritten Fläche) einfällt, wird an einer Fläche 32b (einer ersten Fläche) reflektiert, an einer Fläche 32c (einer zweiten Fläche) reflektiert, an dem oberen Teil der Fläche 32b umgekehrt und reflektiert, an der Fläche 32c erneut reflektiert, an der Fläche 32b zu einer Seite, die entgegengesetzt zu einer Seite ist, als das Licht das letzte Mal reflektiert wurde, mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an einem Auftreffpunkt von diesem erneut reflektiert, an der Fläche 32a reflektiert, durch die Fläche 32b durchgelassen und tritt aus dem transparenten Körper 32 aus, so dass es zu dem Auge E des Betrachters geführt wird. Ferner ist eine Halbspiegelbeschichtung auf die Fläche 32a aufgebracht.
  • Das erste optische System 130 und das zweite optische System 120 sind mit einer positiven optischen Brechkraft gebildet, wodurch es möglich wird, dass der Betrachter ein vergrößertes Bild eines Bilds visuell erkennt, das an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigt wird.
  • Bei dem ersten optischen Element 32 tritt das Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche 32a → der Fläche 32b → der Fläche 32c → der Fläche 32b → der Fläche 32c → der Fläche 32b der Fläche 32a (→ der Fläche 32b) und folgt mit der Reflexion an der Fläche 32b als Grenze den optischen Gängen zu diesem Punkt in der umgekehrten Reihenfolge.
  • Da der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang bei dem ersten optischen System 130 mit der Fläche 32b als Umkehrreflexionsfläche ausgebildet ist, kann auf dieselbe Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf diesem Weg das erste optische System 130 mit Bezug auf eine Länge eines optischen Gangs miniaturisiert werden. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Systems 120 miniaturisiert werden.
  • Zusätzlich ist eine optische Fläche an dem ersten optischen Element 32 durch eine rotationsasymmetrische Fläche gebildet und ist eine Luftschicht (ein Luftraum) zwischen der Austrittsfläche 20b des zweiten optischen Systems 120 und der Einfallsfläche 32a des ersten optischen Systems 130 vorgesehen, wodurch eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht wird, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • 5 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Zur Vereinfachung des Verständnisses ist ein zweites optisches System vereinfacht. Ein optisches Anzeigesystem kann dadurch gebildet werden, dass es mit den zweiten optischen Systemen kombiniert wird, die jeweils in den 1 bis 3 gezeigt sind.
  • Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist durch ein erstes optisches System 230 mit einer positiven optischen Brechkraft (1/Brennweite) im Ganzen und ein zweites optisches System 120 mit einer positiven optischen Brechkraft im Ganzen gebildet, die in der Reihenfolge von einer Seite eines Auges E eines Betrachters in Richtung auf eine Bildanzeigevorrichtung (LCD, usw.) 10 angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische System 230 aus einem transparenten Körper (einem optischen Element) 33, dessen Inneres mit einem optischen Medium, wie z.B. Glas oder Kunststoff, gefüllt ist, und aus einem Reflexionsspiegelelement 34 gebildet.
  • Licht, das durch die Lichtanzeigevorrichtung 10 moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische System 120 von einer Einfallsfläche 20a ein, tritt aus dem zweiten optischen System 120 aus einer Austrittsfläche 20b aus und fällt auf das optische Element 33 des ersten optischen Systems 230 von einer Fläche 33a ein.
  • Das Licht, das auf das optische Element 33 (das erste optische System 230) von der Einfallsfläche 33a (der dritten Fläche) einfällt, wird an einer Fläche 33b (einer ersten Fläche) reflektiert, tritt aus dem optischen Element 33 aus einer Fläche 33c aus, wird an einer Reflexionsfläche 34a (einer zweiten Fläche) des Reflexionsspiegelelements 34 umgekehrt und reflektiert, fällt auf das optische Element 33 von der Fläche 33c erneut ein, wird an der Fläche 33b zu einer Seite, die zu einer Seite mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an einem Auftreffpunkt von diesem entgegengesetzt ist, als das Licht das letzte Mal reflektiert wurde, erneut reflektiert, an der Fläche 33a reflektiert, durch die Fläche 33b durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 33 aus, so dass es zu dem Auge E des Betrachters geführt wird. Ferner ist eine Halbspiegelbeschichtung auf die Fläche 33a aufgebracht.
  • Das zweite optische System 120 ist mit einer positiven optischen Brechkraft gebildet und zumindest eine Fläche von den optischen Flächen, die das erste optische System 230 bilden, ist als gekrümmte Fläche ausgebildet, um dem ersten optischen System 230 eine positive optische Brechkraft zu verleihen, wodurch es möglich wird, dass der Betrachter ein vergrößertes Bild eines Bilds visuell erkennt, das an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigt wird.
  • In dem ersten optischen System 230 tritt das Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche 33a → der Fläche 33b → der Fläche 33c → der Fläche 34a → der Fläche 33c → der Fläche 33b → der Fläche 33a (→ der Fläche 33b) und folgt mit der Reflexion an der Fläche 34a als Grenze den optischen Gängen zu diesem Punkt in der umgekehrten Reihenfolge.
  • Da der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 230 mit der Fläche 34a als Umkehrreflexionsfläche ausgebildet ist, kann auf dieselbe Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf diesem Weg das erste optische System 230 mit Bezug auf eine Länge des optischen Gangs miniaturisiert werden. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Systems 120 miniaturisiert werden.
  • Zusätzlich ist eine Luftschicht (ein Luftraum) zwischen der Austrittsfläche 20b des zweiten optischen Systems 120 und der Einfallsfläche 33a des ersten optischen Systems 230 vorgesehen, wodurch eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht wird, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
  • Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel bei dem ersten optischen System 230 das Reflexionsspiegelelement 34 mit der Umkehrreflexionsfläche 34a als von dem transparenten Körper 33 getrenntes Element ausgebildet, wodurch die Anzahl der optischen Flächen in einem optischen Gang ohne Beeinträchtigen der Abmessung des optischen Systems vergrößert wird, ein Freiheitsgrad der Auslegung erhöht wird und eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht wird.
  • Fünftes Ausführungsbeispiel
  • 6 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das das fünfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Zur Vereinfachung des Verständnisses ist ein zweites optisches System vereinfacht. Ein optisches Anzeigesystem kann dadurch gebildet werden, dass es mit den zweiten optischen Systemen kombiniert wird, die jeweils in den 1 bis 3 gezeigt sind.
  • Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist durch ein erstes optisches System 330 mit einer positiven optischen Brechkraft (1/Brennweite) im Ganzen und ein zweites optisches System 120 mit einer positiven optischen Brechkraft im Ganzen gebildet, die in der Reihenfolge von einer Seite eines Auges E eines Betrachters in Richtung auf eine Bildanzeigevorrichtung (LCD, usw.) 10 angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische System 330 durch einen transparenten Körper (ein optisches Element) 35, das mit einem optischen Medium gefüllt ist, wie z.B. Glas oder Kunststoff, und ein Reflexionsspiegelelement 36 gebildet.
  • Licht, das durch die Bildanzeigevorrichtung 10 moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische System 120 von einer Einfallsfläche 20a ein, tritt aus dem zweiten optischen System 120 aus einer Austrittsfläche 20b aus und fällt auf das optische Element 35 des ersten optischen Systems 330 von einer Fläche 35a ein.
  • Der Lichtstrahl, der auf das optische Element 35 (das erste optische System 330) von der Einfallsfläche 35a (der dritten Fläche) einfällt, wird an einer Fläche 35b reflektiert, an einer Fläche 35c (einer ersten Fläche) reflektiert, tritt aus dem optischen Element 35 aus der Fläche 35b aus, wird an einer Reflexionsfläche 36a (einer zweiten Fläche) des Reflexionsspiegelelements 36 umgekehrt und reflektiert, fällt erneut auf das optische Element 35 von der Fläche 35b ein, wird an der Fläche 35c erneut reflektiert, wird an der Fläche 35b zu einer Seite, die mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche an einem Auftreffpunkt von diesem entgegengesetzt zu einer Seite ist, an der das Licht das letzte Mal reflektiert wurde, erneut reflektiert, an der Fläche 35a reflektiert, durch die Fläche 35b durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 35 aus, so dass es zu dem Auge E des Betrachters geführt wird. Ferner ist eine Halbspiegelbeschichtung auf die Fläche 35a aufgebracht.
  • Das zweite optische System 120 ist mit einer positiven optischen Brechkraft gebildet und zumindest eine Fläche von den optischen Flächen, die das erste optische System 330 bilden, ist als gekrümmte Fläche ausgebildet, um dem ersten optischen System 330 eine positive optische Brechkraft zu verleihen, wodurch es möglich wird, dass der Betrachter ein vergrößertes Bild eines Bilds visuell erkennt, das an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigt wird.
  • Bei dem ersten optischen System 330 tritt das Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche 35a → der Fläche 35b → der Fläche 35c → der Fläche 35b → der Fläche 36a → der Fläche 35b → der Fläche 35c → der Fläche 35b → der Fläche 35a (→ der Fläche 35b), und folgt mit der Umkehrreflexion an der Fläche 36a als Grenze den optischen Gängen zu diesem Punkt in der umgekehrten Reihenfolge.
  • Da der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen System 330 mit der Fläche 36a als Umkehrreflexionsfläche ausgebildet ist, kann auf dieselbe Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel auf diesem Weg das erste optische System 330 mit Bezug auf eine Länge des optischen Gangs miniaturisiert werden. Folglich kann das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Systems 120 miniaturisiert werden.
  • Zusätzlich ist eine Luftschicht (ein Luftraum) zwischen der Austrittsfläche 20b des zweiten optischen Systems 120 und der Einfallsfläche 35a des ersten optischen Systems 330 vorgesehen, wodurch eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit aus demselben Grund verwirklicht wird, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
  • Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem ersten optischen System 330 das Reflexionsspiegelelement 36 einschließlich der Umkehrreflexionsfläche 36a als von dem optischen Element 35 getrenntes Element ausgebildet, wodurch die Anzahl der optischen Flächen in einem optischen Gang ohne Beeinträchtigen der Abmessung des optischen Systems vergrößert wird, ein Freiheitsgrad der Auslegung erhöht wird und eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht wird.
  • In dem vierten Ausführungsbeispiel (5) und dem fünften Ausführungsbeispiel (6), wie vorstehend beschrieben ist, sind die Reflexionsflächen 34a und 36a der Reflexionsspiegelelemente 34 und 36 jeweils wünschenswert eine gekrümmte Fläche vom Standpunkt der Erhöhung der Anzahl der Fokussierwirkungsflächen. Darüber hinaus sind diese Reflexionsflächen 34a und 36a in einer exzentrischen rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch die Reflexionsflächen 34a und 36a zu einer Korrektur einer exzentrischen Aberration beitragen können, die bei den optischen Elementen 33 und 35 auftritt, und kann eine Verbesserung einer optischen Leistungsfähigkeit verwirklicht werden.
  • Zusätzlich ist in dem vierten Ausführungsbeispiel das Reflexionsspiegelelement 34 als Rückflächenspiegel wie in der in 7 gezeigten Abwandlung ausgebildet, wodurch nicht nur die Reflexionsfläche 34a, sondern ebenso die Durchlassfläche 34b als optische Fläche verwendet werden kann. Somit kann die Fokussierleistungsfähigkeit ohne Beeinträchtigen einer Abmessung des optischen Systems weitergehend verbessert werden.
  • Ferner ist das Reflexionsspiegelelement 34, wie in einer in 8 gezeigten Abwandlung, durch zwei oder mehr optische Elemente gebildet, wodurch eine Korrektur einer chromatischen Aberration einfach wird und ferner eine Verbesserung einer Fokussierleistungsfähigkeit verwirklicht werden kann.
  • Der Aufbau der Reflexionsspiegelelemente 34' und 34'', die in den 7 und 8 gezeigt sind, kann auf das Reflexionsspiegelelement 36 angewendet werden, das in dem fünften Ausführungsbeispiel verwendet wird.
  • Zusätzlich ist es in dem vierten Ausführungsbeispiel und in dem fünften Ausführungsbeispiel, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, zum Korrigieren einer exzentrischen Aberration, die durch exzentrisches Anordnen einer Fläche mit einer optischen Brechkraft verursacht wird, vorzuziehen, zumindest eine Fläche von den optischen Flächen, die die optischen Systeme 230 und 330 bilden (optischen Elemente 33 und 35), durch eine rotationsasymmetrische Fläche zu bilden.
  • In dem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel, die vorstehend beschrieben sind, ist wie in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Zwischenfokussierfläche in der Anzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 10 in dem optischen Gang des ersten optischen Systems ausgebildet, wodurch die Verbreiterung eines Bildwinkels (die Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung) ermöglicht wird.
  • Zusätzlich ist bei dem optischen Element des ersten optischen Systems eine Reflexion an der optischen Fläche, die sowohl die Durchlasswirkung als auch die Reflexionswirkung hat, als Totalreflexion ausgeführt, wodurch Licht effektiv verwendet werden kann.
  • Darüber hinaus ist im dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel eine Umkehrreflexion an einer Umkehrreflexionsfläche eines Hauptstrahls an einem mittleren Bildwinkel nicht auf die vertikale Reflexion beschränkt und kann ein Strahl mit einem vorbestimmten Winkel θ vor und hinter der Umkehrreflexionsfläche einfallen und reflektiert werden, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
  • Das optische Anzeigesystem ist so gebildet, wie im dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wodurch eine Bildanzeigevorrichtung bereitgestellt werden kann, die ein Bild, das an der Bildanzeigevorrichtung 10 angezeigt wird, als vergrößertes Bild mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit anzeigt.
  • Zusätzlich ist ein Freiheitsgrad zum Einrichten eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 10 verbessert, indem Licht einmal in dem optischen Anzeigesystem fokussiert wird, um zu ermöglichen, einen Bildwinkel breiter einzurichten (eine Anzeige eines Bilds mit einer hohen Vergrößerung). Gleichzeitig kann die gesamte Länge des optischen Anzeigesystems durch Duplizieren der optischen Gänge, die gemeinsam mit der Verbreiterung des Bildwinkels lang werden, durch Ausbilden eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten optischen System kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
  • Sechstes Ausführungsbeispiel
  • 9 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das das sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Das optische Anzeigesystem dieses Ausführungsbeispiels ist durch ein erstes optisches System 430 mit einer positiven optischen Brechkraft (1/Brennweite) im Ganzen und ein zweites optisches System 220 mit einer positiven optischen Brechkraft im Ganzen gebildet, die in der Reihenfolge von einer Seite eines Auges E eines Betrachters in Richtung auf eine Bildanzeigevorrichtung (LCD, usw.) 10 angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische System 430 durch einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 37, dessen Inneres mit einem optischen Medium, wie z.B. Glas oder Kunststoff, gefüllt ist, gebildet und ist das zweite optische System 220 ebenso durch einen transparenten Körper (ein zweites optisches Element) 26 gebildet, das mit demselben optischen Medium gefüllt ist. Eine Verlaufsroute des Lichts in dem ersten und zweiten optischen System ist dieselbe wie diejenige, die in 2 gezeigt ist.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Luftschicht (ein Luftraum) zwischen einer Einfallsfläche (einer dritten Fläche) 37a des ersten optischen Elements 37 und einer Austrittsfläche 26a des zweiten optischen Elements 26 vorgesehen. Jedoch sind das erste optische Element 37 und das zweite optische Element 26 so konfiguriert, dass sie einander an Teilen berühren, die andere als die Einfallsfläche 37a des ersten optischen Elements 37 und die Austrittsfläche 26a des zweiten optischen Elements 26 sind (außerhalb eines effektiven Bereichs des Strahls).
  • Folglich kann ein Dimensionsfehler (Herstellungsfehler) der Luftschicht kleingehalten werden und kann eine Verschlechterung einer optischen Leistungsfähigkeit aufgrund des Herstellungsfehlers verhindert werden.
  • Zusätzlich kann dasselbe optische System wie das optische Anzeigesystem von jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele als optisches Bildaufnahmesystem verwendet werden, das Licht von einem Objekt zu einer Bildaufnahmefläche einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung (einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung), wie z.B. einer CCD oder einer CMOS, führt.
  • Beispielsweise wird in dem optischen System, das in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, Licht, das durch die erste Fläche (31b) durchgelassen wird und auf das erste optische System 30 (das erste optische Element 31) von einem Objekt einfällt, an der dritten Fläche (31a) reflektiert, an der ersten Fläche (31b) reflektiert, an der zweiten Fläche (31c) reflektiert, an der ersten Fläche (31b) zu einer Seite, die mit Bezug auf eine Normalenlinie einer Fläche eines Auftreffpunkts von diesem entgegengesetzt zu einer Seite ist, an der das Licht das letzte Mal reflektiert wurde, erneut reflektiert und durch die dritte Fläche (31a) durchgelassen, so dass es zu dem zweiten optischen System 20 geführt wird. Dann wird das Licht, das auf das zweite optische System 20 von der Fläche 21c einfällt, an der Fläche 21b reflektiert und durch die Fläche 21a durchgelassen, um zu verursachen, dass das Licht eine Bildaufnahmevorrichtung erreicht, die anstelle der Bildanzeigevorrichtung 10 angeordnet ist.
  • In diesem Fall wird wie bei dem optischen Anzeigesystem in dem ersten optischen System 30 verursacht, dass das Licht sich im Allgemeinen zwischen der ersten, zweiten und dritten Fläche hin- und herbewegt, um einen optischen Gang umzukehren, wodurch ein langer optischer Gang trotz der Tatsache sichergestellt werden kann, dass das optische System klein ist. Folglich kann trotz der Tatsache, dass das optische System klein ist, ein breiter photographischer Bildwinkel erhalten werden.
  • Darüber hinaus wird das Licht in dem optischen Bildaufnahmesystem (beispielsweise dem ersten optischen Element 31) zwischenfokussiert, ist nämlich das optische Bildaufnahmesystem als eine Zwischenfokussierbauart ausgebildet, die eine Zwischenfokussierfläche eines Objekts verringert, um ein Zwischenbild zu einer Bildaufnahmefläche zu führen. Folglich vergrößert sich ein Freiheitsgrad einer Auslegung und kann ein Objektbild mit einem weiten Bildwinkel ausreichend reduziert werden, um zu der Bildaufnahmefläche geführt zu werden, und kann gleichzeitig das optische Bildaufnahmesystem klein ausgeführt werden, auch wenn ein optischer Gang relativ lang ist.
  • Ferner sind die Vorteile, die dadurch, dass verursacht wird, dass die optische Fläche, die das optische Bildaufnahmesystem bildet, mit Bezug auf das Licht exzentrisch ist, durch das Aufprägen einer Krümmung auf die optische Fläche oder durch die Ausführung der Fläche als rotationsasymmetrische Fläche (Freiformfläche) verwirklicht werden, dieselben wie bei dem optischen Anzeigesystem.
  • Siebtes Ausführungsbeispiel
  • 10 zeigt ein optisches Anzeigesystem, das das siebte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Dieses optische Anzeigesystem ist durch ein erstes optisches Element 1 und ein zweites optisches Element 2 gebildet.
  • Das erste optische Element 1 besteht aus einem prismaartigen transparenten Körper mit drei optischen Flächen, einer Fläche A, einer Fläche B und einer Fläche C, die an einem Medium mit einem Brechungsindex von n1 ausgebildet sind, wie z.B. Glas oder Kunststoff. Zusätzlich besteht das zweite optische Element 2 aus einem linsenartigen transparenten Körper mit zwei optischen Flächen, einer Fläche D und einer Fläche E, die an einem Medium mit einem Brechungsindex von n2 ausgebildet sind. Ein Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung, für die ein LCD oder Ähnliches der Durchlassbauart oder der Reflexionsbauart verwendet wird.
  • Bei dem ersten optischen Element 1 sind sowohl die Fläche A (eine erste Fläche) als auch die Fläche B (eine dritte Fläche) Flächen, die sowohl für eine Durchlasswirkung als auch eine Reflexionswirkung als Durchlassfläche und Reflexionsfläche verwendet werden, und ist die Fläche C (eine zweite Fläche) eine Reflexionsfläche.
  • Zusätzlich sind bei dem zweiten optischen Element 2 sowohl die Fläche D als auch die Fläche E Durchlassflächen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Fläche B des ersten optischen Elements 1 und die Fläche D des zweiten optischen Elements 2 verbunden und sind das erste optische Element 1 und das zweite optische Element 2 integriert.
  • Eine reflektierende Folie ist an der Fläche C ausgebildet und eine halbdurchlässige reflektierende Folie (ein Halbspiegel) ist an zumindest einer der Fläche B und der Fläche D ausgebildet.
  • Ferner sind die reflektierende Folie und der Halbspiegel vorzugsweise aus einer Metallfolie ausgebildet. Das liegt daran, dass die Metallfolie eine flache Spektral-Reflexions-Charakteristik und eine unauffällige Farbe hat und eine geringe Differenz der Reflexion mit Bezug auf das Licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen.
  • Zusätzlich wird eine reflektierende Folie, eine halbdurchlässige reflektierende Folienformation oder eine innere Totalreflexion verwendet, um einen Teil (einen oberen Teil) der Fläche A als Reflexionsfläche einzusetzen.
  • Mit einem solchen Aufbau funktioniert die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 1, funktioniert die Fläche C als Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 1 und funktioniert die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche des ersten optischen Elements 1. Zusätzlich funktioniert die Fläche E als Einfallsfläche des zweiten optischen Elements 2 und funktioniert die Fläche D als Austrittsfläche des zweiten optischen Elements 2.
  • Zusätzlich haben die beiden transparenten Körper des ersten und zweiten optischen Elements 1, 2 eine Brechkraft und haben zumindest eine optische Fläche mit einer Krümmung.
  • Licht, das durch die Bildanzeigevorrichtung 3 von der Bildanzeigefläche moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische Element 2 von der Fläche E des zweiten optischen Elements 2 ein und tritt aus dem zweiten optischen Element 2 aus der Fläche D aus, die mit der Fläche B verbunden ist, die die Einfallsfläche des ersten optischen Elements 1 ist.
  • Das Licht wird durch die Fläche B durchgelassen, fällt auf das erste optische Element 1 ein und wird an der Fläche A reflektiert, so dass es zu der Fläche C geführt wird. Das Licht, das an der Fläche A reflektiert wird, wird an der Fläche C reflektiert, so dass es im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung mit Bezug auf die Einfallsrichtung umgekehrt wird. Folglich wird das Licht zu der Umgebung des ersten Reflexionsbereichs des Lichts an der Fläche A umgekehrt und wird erneut reflektiert und wird nach der Reflexion an dem Halbspiegel, der mit der Fläche B verbunden ist, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 1 aus, um die Austrittspupille S zu erreichen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ordnet der Betrachter ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S an, wodurch ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds durch den Betrachter visuell erkannt wird, der eine Einfallsrichtung eines Hauptstrahls an dem mittleren Bildwinkel an der Pupille als Sichtachsenrichtung hat.
  • Ferner zeigt 10 einen Hauptstrahl an einem mittleren Bildwinkel, der aus der Mitte einer Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 austritt, um eine Mitte der Austrittspupille S als Licht zu erreichen, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird. Eine optische Schnittansicht in einer Ebene, die durch den Hauptstrahl an dem mittleren Bildwinkel ausgebildet ist, ist gezeigt.
  • Bei dem ersten optischen Element 1 tritt das Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B → der Fläche A → der Fläche C → der Fläche A der Fläche B (→ der Fläche A) und folgt einem optischen Gang zu diesem Punkt mit der Reflexion der Fläche C als Grenze.
  • Hier wird der optische Gang von der Fläche B → der Fläche A der Fläche C als Vorwärtsgang bezeichnet und wird der optische Gang von der Fläche C → der Fläche A → der Fläche B als Rückwärtsgang bezeichnet. Der Vorwärtsgang und der Rückwärtsgang werden kollektiv als optischer Vorwärts- und Rückwärtsgang bezeichnet. Die Reflexion des Lichts von dem Vorwärtsgang zu dem Rückwärtsgang in die im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung zum Ausbilden eines solchen optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs wird als Umkehrreflexion bezeichnet. Zusätzlich wird eine Reflexionsfläche (Fläche C in diesem Zusammenhang), die einem Umkehrpunkt des Vorwärtsgangs und des Rückwärtsgangs entspricht und die eine Umkehrreflexionswirkung hat, als Umkehrreflexionsfläche bezeichnet.
  • Auf diesem Weg wird mit der Fläche C als Umkehrreflexionsfläche der optische Vorwärts- und Rückwärtsgang in dem ersten optischen Element 1 ausgebildet, um einen optischen Gang zur Duplizierung umzukehren, wobei ein Raum des ersten optischen Elements 1 effektiv verwendet wird und eine Abmessung des ersten optischen Elements 1 mit Bezug auf eine Länge eines optischen Gangs verringert werden kann. Folglich wird das gesamte optische Anzeigesystem einschließlich des zweiten optischen Elements 2 miniaturisiert.
  • In diesem Ausführungsbeispiel werden nämlich der Vorwärtsgang, der der optische Gang ist, bevor das Licht die Umkehrreflexionsfläche C in dem ersten optischen Element 1 erreicht, und der Rückwärtsgang, der der optische Gang ist, nachdem das Licht an der Umkehrreflexionsfläche C reflektiert wird, durch die zwei Flächen A und B gemeinsam genutzt. Diese zwei Flächen werden in dem Vorwärtsgang und dem Rückwärtsgang in der entgegengesetzten Reihenfolge zum Ausbilden des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs verwendet.
  • Auf diesem Weg werden zumindest zwei Flächen vor und nach der Umkehrreflexion an der Fläche C zum Ausbilden des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs verwendet und vergrößern diese einen Grad der Duplizierung von optischen Gängen. Auch wenn folglich ein optisches System eine lange optische Ganglänge hat, wird ein kompaktes optisches System mit einer kurzgehaltenen Gesamtlänge verwirklicht.
  • Die 11 und 12 sind Diagramme, die einen Hauptstrahl bei einem maximalen Bildwinkel bzw. Randstrahlen an dem mittleren Bildwinkel desselben Schnitts wie in 10 in diesem Ausführungsbeispiel zeigen.
  • Wie durch die gepunktete Linie in 11 angegeben ist, werden Strahlen, die von den Enden der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert werden, um die Mitte der Austrittspupille S zu 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 geführt, indem sie durch die 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 treten, wie der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel geführt wird.
  • Wie durch gestrichelte Linien in 12 angegeben ist, werden Strahlen, die von der Mitte der Bildanzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert werden, um die Enden der Austrittspupille S zu erreichen (Randstrahlen), zu dem ersten optischen Element 1 durch das zweite optische Element 2 und zu den Enden der Austrittspupille S geführt, wobei sie durch die 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 hindurchtreten, wie der Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel geführt wird.
  • In diesem Fall schneiden die Randstrahlen sich in dem ersten optischen Element 1 und wird ein Zwischenbild eines Bilds, das an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigt wird, in der Umgebung einer Zwischenfokussierfläche 1 ausgebildet, die in der Figur gezeigt ist.
  • Auf diesem Weg wird das Zwischenbild in dem ersten optischen Element 1 ausgebildet, wodurch das optische System kompakt gebildet werden kann, ohne dass die Brechkraft des zweiten optischen Elements 2 extrem vergrößert wird, wobei das Auftreten einer übermäßigen Aberration in dem zweiten optischen Element 2 gesteuert werden und eine Komplikation des zweiten optischen Elements 2 verhindert werden kann.
  • In 12 ist das Zwischenbild zwischen der Reflexion an der Fläche A und der Umkehrreflexion an der Fläche C ausgebildet. Jedoch muss das Zwischenbild nicht immer an dieser Position liegen, sondern kann innerhalb des ersten optischen Elements 1 ausgebildet werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist ein optisches Übertragungssystem durch die Brechung an der Fläche E des zweiten optischen Elements 2, die Brechung an der verbundenen Fläche der Fläche D des zweiten optischen Elements 2 und der Fläche B des ersten optischen Elements 1 und die Reflexion an der Fläche A ausgebildet. Zusätzlich ist ein optisches Okularsystem durch die Umkehrreflexion an der Fläche C, die erneute Reflexion an der Fläche A, die Reflexion an der Fläche B und die Brechung an der Fläche A ausgebildet.
  • Zum Vereinfachen der Korrektur einer Aberration bei dem optischen Okularsystem kann die Zwischenfokussierfläche so ausgebildet werden, dass sie geeignet gekrümmt ist oder eine astigmatische Differenz in Abhängigkeit von einer Situation hat, in der eine Krümmung eines Felds oder ein Astigmatismus bei dem optischen Okularsystem auftritt.
  • Zusätzlich sind die Flächen A und B des ersten optischen Elements 1 geneigt mit Bezug auf einen reflektierten Lichtstrahl ausgeführt, wenn ein effektiver Lichtstrahl, der schließlich zu der Austrittspupille S geführt wird, an den jeweiligen Flächen reflektiert wird. Sowohl der optische Gang der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C, der der Vorwärtsgang zu der Fläche C als Umkehrreflexionsfläche ist, als auch der optische Gang der Fläche C → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt), der der Rückwärtsgang nach der Fläche C ist, sind so gebildet, dass sie umgekehrt werden, um das erste optische Element 1 dünn auszuführen.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau sind die zwei Flächen einschließlich zumindest der Fläche B vorzugsweise aus einer gekrümmten Fläche in dem ersten optischen Element 1 ausgebildet. Folglich kann die Anzahl der Flächen, die nicht zur Fokussierung oder Korrektur einer Aberration beitragen, verringert werden, kann die Anzahl der optischen Flächen, die für das gesamte optische System notwendig sind, verringert werden, und kann die Wirkung der Verringerung der Herstellungskosten erwartet werden.
  • In wünschenswerter Weise sind die Flächen A, B und C jeweils aus gekrümmten Flächen ausgebildet, wodurch eine Wirkung einer weitergehenden Verringerung der Herstellungskosten verwirklicht wird. In ähnlicher Weise werden die optischen Flächen D und E des zweiten optischen Elements 2 vorzugsweise jeweils aus einer gekrümmten Fläche ausgebildet.
  • Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel die Fläche B eine gekrümmte Fläche, die aus zumindest einer Fläche des ersten optischen Elements besteht, und wird die Fläche B, wenn sie als abschließende Reflexionsfläche funktioniert, als konkaver Flächenspiegel ausgeführt, der eine sehr starke optische Brechkraft hat. Darüber hinaus wird die Fläche B als Reflexionsfläche mit einem extrem hohen Exzentrizitätsgrad mit Bezug auf einen Strahl ausgeführt, nachdem er an der Fläche C umgekehrt und reflektiert wird.
  • Eine exzentrische Aberration tritt nämlich an der konkaven Spiegelfläche B auf. Daher ist es erwünscht, eine rotationsasymmetrische Fläche (eine so genannte Freiformfläche) an zumindest einer Fläche des ersten optischen Elements 1 zu verwenden, um das Auftreten einer exzentrischen Aberration zu korrigieren.
  • Da insbesondere die Fläche B eine gekrümmte Fläche mit einer starken optischen Brechkraft im Vergleich mit der Fläche A ist, ist es vorzuziehen, die Fläche B mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt auszubilden, um das Auftreten einer exzentrischen Aberration zu kontrollieren. Daher wird die Fläche D des zweiten optischen Elements 2, die eine verbundene Fläche mit der Fläche B ist, ebenso mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet.
  • Weiter bevorzugt sind alle drei Flächen A, B und C, die das erste optische Element 1 bilden, mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich vergrößert und es möglich wird, ein Bild mit einer guten Bildqualität anzuzeigen.
  • In erwünschter Weise werden die beiden Flächen D und E, die das zweite optische Element 2 bilden, ebenso als rotationsasymmetrische Flächen ausgeführt.
  • In diesem Fall ist es vorzuziehen, die jeweilige rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in vertikaler Richtung in einer Papierfläche der Figur ist, wobei ein Querschnitt der Papierfläche der Figur die einzige Symmetriefläche ist, da das Bearbeiten und Herstellen im Vergleich mit dem Fall ohne Symmetrie einfach durchgeführt werden kann.
  • Zusätzlich ist es vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als Totalreflexion in dem ersten optischen Element 1 auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Ferner kann zumindest in einem Bereich, der von einem reflektierten Lichtstrahl und einem austretenden Lichtstrahl an der Fläche A gemeinsam verwendet wird, wenn ein reflektierter Lichtstrahl total reflektiert wird, derselbe Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad der Auslegung im Vergleich mit dem Fall vergrößert werden kann, in dem die gesamten reflektierten Lichtstrahlen total reflektiert werden.
  • In diesem Fall wird eine reflektierende Folie in dem Bereich ausgebildet, in dem ein reflektierter Lichtstrahl an der Fläche A nicht total reflektiert wird. Es ist vorzuziehen, die Umgebung eines Grenzbereichs zwischen einem Totalreflexionsabschnitt und einem Reflexionsabschnitt durch eine reflektierende Folie als reflektierende Gradationsfolie auszubilden, bei der die Reflexionseigenschaft sich verringert, je näher der Bereich an dem Totalreflexionsbereich liegt. Das liegt daran, dass ein Phänomen, bei dem der Grenzbereich aufgrund einer Diffusion in dem Grenzbereich oder einer Differenz der Reflexionseigenschaft zwischen der Totalreflexion und der Reflexion durch die reflektierende Folie auffällig ist, kontrolliert werden kann.
  • Da zusätzlich, wie vorstehend beschrieben ist, die Fläche B eine exzentrische gekrümmte Fläche ist, die exzentrisch mit Bezug auf den Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel ist und die eine starke Kondensationswirkung hat, tritt eine exzentrische Aberration (eine rotationsasymmetrische Aberration) ebenso auf, wenn die Fläche B als Brechungsfläche verwendet wird.
  • Es ist somit vorzuziehen, das erste optische Element 1 mit einem Brechungsindex von n1 (>1) und das zweite optische Element 2 mit einem Brechungsindex von n2 (>1) zu verbinden und diesen die Wirkung zur Verringerung des Auftretens einer exzentrischen Aberration bei dem Brechungsdurchlass an der Fläche B zu verleihen (zum Zeitpunkt des Einfalls des Lichts auf das erste optische Element 1).
  • Genauer gesagt ist es notwendig, einen absoluten Wert einer Differenz zwischen n1 und n2, nämlich |n1 – n2| kleiner als n1 – 1 und n2 – 1 einzurichten. Weiter bevorzugt kann das Auftreten einer exzentrischen Aberration beim Durchlass verhindert werden, indem n1 und n2 gleichgemacht werden.
  • In 10 bezeichnen die Bezugszeichen nE und nB eine Normalenlinie an einem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel der Fläche E und eine Normalenlinie an einem Auftreffpunkt eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel der Fläche B. Es ist vorzuziehen, die Fläche E mit Bezug auf die Fläche B (die Fläche D) zu neigen, so dass ein Einfallswinkel θ2 des Hauptstrahls bei dem mittleren Bildwinkel an der Einfallsfläche E des zweiten optischen Elements 2 und ein Austrittswinkel θ2' aus dieser kleiner als ein Einfallswinkel θ1 an einer Einfallsfläche B des ersten optischen Elements 1 und ein Austrittswinkel θ1' davon werden. Das liegt daran, dass eine exzentrische Aberration, die auftritt, wenn Licht auf das zweite optische Element 2 einfällt, kleingehalten werden kann.
  • Durch Bilden des optischen Anzeigesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann eine Bildanzeigevorrichtung vorgesehen werden, die ein an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigtes Bild als vergrößertes Bild mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit anzeigt.
  • Zusätzlich wird der Freiheitsgrad der Auslegung durch Fokussieren des Lichts einmal in dem optischen Anzeigesystem verbessert, um zu ermöglichen, einen Bildwinkel eines Sichtanzeigewinkel mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 breiter auszuführen (ein Bild mit einer hohen Vergrößerung anzuzeigen). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Elements 1 durch Duplizieren von optischen Gängen, die gemeinsam mit der Verbreiterung des Bildwinkels lang werden, durch Ausbilden eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten optischen Element 1 kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
  • Darüber hinaus werden das erste optische Element 1 und das zweite optische Element 2 verbunden, wodurch die Positionierung von den beiden optischen Elementen 1 und 2 vereinfacht wird, das Auftreten einer exzentrischen Aberration beim Einfall von Licht auf das erste optische Element 1 gesteuert wird und gleichzeitig ein starker optischer Systemaufbau erhalten wird. Somit ist es möglich, ein optisches System zu verwirklichen, das eine hohe optische Leistungsfähigkeit hat und eine hervorragende Haltbarkeit hat.
  • 13 zeigt einen Aufbau eines optischen Bildaufnahmesystems. Dieses optische Bildaufnahmesystem ist durch das erste optische Element 1 und das zweite optische Element 2 wie bei dem optischen Anzeigesystem des siebten Ausführungsbeispiels gebildet. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Bildaufnahmevorrichtung, wie z.B. eine CCD. Das Bezugszeichen S bezeichnet eine Eintrittspupille des optischen Bildaufnahmesystems, das aus dem ersten optischen Element 1 und dem zweiten optischen Element 2 besteht. Die Blende ist an dieser Position angeordnet, um den Einfall von unnötigem Licht zu verhindern.
  • In diesem Beispiel wirkt eine Fläche A (eine erste Fläche) als Einfallsfläche und Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 1, wirkt eine Fläche B (eine dritte Fläche) als Reflexionsfläche und Austrittsfläche des ersten optischen Elements 1 und wirkt eine Fläche C (eine zweite Fläche) nur als Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 1.
  • Zusätzlich wirkt eine Fläche D als Einfallsfläche des zweiten optischen Elements 2 und wirkt eine Fläche E als Austrittsfläche des zweiten optischen Elements 2. Ferner sind die Fläche B, die sowohl als Reflexionsfläche als auch als Austrittsfläche des ersten optischen Elements 1 wirkt, und die Einfallsfläche D des zweiten optischen Elements 2, nachdem eine halbdurchlässige reflektierende Folie (ein Halbspiegel) an zumindest einer der Flächen ausgebildet ist, verbunden.
  • Licht von einem Objekt, das durch die Blende S getreten ist, fällt auf das erste optische Element 1 von der Fläche A, wird an der Fläche B reflektiert und an der Fläche A reflektiert, so dass es zu der Fläche C geführt wird. Dann wird das Licht an der Fläche C umgekehrt und reflektiert, so dass es zu einem ersten Reflexionsbereich des Lichts an der Fläche A umgekehrt wird, erneut an der Fläche A reflektiert wird und durch die Fläche B durchgelassen wird, so dass es das erste optische Element 1 verlässt. Hier sind die Fläche A und die Fläche B exzentrisch mit Bezug auf einen Strahl, der einen reflektierten Lichtstrahl an der jeweiligen Fläche ausbildet.
  • Das Licht, das aus dem ersten optischen Element 1 ausgetreten ist, tritt durch das zweite optische Element 2, so dass es die Bildaufnahmevorrichtung 4 erreicht. In diesem Fall wird Licht von einem gewünschten Außenbereich (einem Objekt) auf einer Bildaufnahmefläche der Bildaufnahmevorrichtung 4 fokussiert, wodurch ein Außenbild aufgenommen werden kann.
  • Durch Bilden des optischen Bildaufnahmesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann die Bildaufnahmevorrichtung vorgesehen werden, die ein Bild eines Objekts an der Bildaufnahmevorrichtung 4 mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit fokussiert.
  • Zusätzlich wird Licht einmal in dem ersten optischen Element 1 fokussiert, um zu ermöglichen, einen Bildaufnahmebildwinkel breiter mit Bezug auf eine Abmessung der Bildaufnahmevorrichtung 4 einzurichten. Gleichzeitig wird ein optischer Gang, der gemeinsam mit der Verbreiterung des Bildwinkels lang wird, umgekehrt, um diesen durch Ausbilden eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten System 1 zu duplizieren, um die Gesamtlänge des ersten optischen Systems 1 kurz zu halten, um dadurch ein sehr kompaktes optisches Bildaufnahmesystem zu bilden.
  • Darüber hinaus sind das erste optische Element 1 und das zweite optische Element 2 verbunden, wodurch das Positionieren von den beiden optischen Elementen 1 und 2 vereinfacht wird, das Auftreten einer exzentrischen Aberration beim Austreten des Lichts aus dem ersten optischen Element 1 gesteuert wird und gleichzeitig ein starker optischer Systemaufbau erhalten wird. Somit wird es möglich, ein optisches System zu verwirklichen, das eine hohe optische Leistungsfähigkeit hat und eine hervorragende Haltbarkeit hat.
  • Ferner wird in dem siebten Ausführungsbeispiel und dem Beispiel von 13, wie vorstehend beschrieben ist, eine Umkehrreflexion eines Hauptstrahls bei einem mittleren Bildwinkel (bei dem optischen Anzeigesystem, ein Strahl, der die Mitte der Austrittspupille S von der Mitte einer Anzeigefläche einer Bildanzeigevorrichtung erreicht, und bei dem optischen Bildaufnahmesystem ein Strahl, der durch die Mitte der Eintrittspupille tritt, so dass er die Mitte einer Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung erreicht) an der Fläche C dargestellt, als wäre es im Wesentlichen eine vertikale Reflexion. Jedoch ist das optische System der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
  • Achtes und Neuntes Ausführungsbeispiel
  • Die 14 und 15 zeigen optische Anzeigesysteme, die ein achtes und ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind. Diese optischen Anzeigesysteme sind Beispiele, bei denen die ersten optischen Elemente 1' und 1'', die von dem ersten optischen Element 1 im siebten Ausführungsbeispiel verschieden sind, verwendet werden.
  • Die optischen Anzeigesysteme der in den 14 und 15 gezeigten Ausführungsbeispiele sind dieselben wie das erste optische Element 1 des siebten Ausführungsbeispiels, bei dem ein optischer Gang der Fläche B (Einfall) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Umkehrreflexion) → der Fläche A (Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) → der Fläche A (Austritt) ausgebildet wird.
  • Jedoch ist das erste optische Element 1' von 14 von dem ersten optischen Element 1 des siebten Ausführungsbeispiels dahingehend verschieden, dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche A reflektiert wird, mit einem Winkel θ an der Fläche C umgekehrt und reflektiert wird und an einer Position erneut reflektiert wird, die höher als ein erster Punkt der Reflexion an der Fläche A liegt (vorausgesetzt, dass es ein Bereich in der Nähe des ersten Reflexionsbereichs des Strahls ist).
  • Zusätzlich ist das erste optische Element 1'' von 15 von dem ersten optischen Element 1 des siebten Ausführungsbeispiels dahingehend verschieden, dass ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der an der Fläche A reflektiert wird, mit einem Winkel θ an der Fläche C umgekehrt und reflektiert wird und an einer Position erneut reflektiert wird, die niedriger als ein Punkt der ersten Reflexion an der Fläche A liegt (vorausgesetzt, dass es ein Bereich in der Nähe des ersten Reflexionsbereichs des Strahls ist).
  • Auf diesem Weg kann ein Strahl mit einem vorbestimmten Winkel θ vor und hinter der Umkehrreflexionsfläche C einfallen und reflektiert werden. Jedoch erfüllt der Winkel θ vorzugsweise die folgende Bedingung: |θ| < 30°
  • Es ist nicht vorzuziehen, wenn der Winkel θ von dieser Bedingung abweicht, da das erste optische System groß wird und es schwierig wird, das gesamte optische Anzeigesystem klein auszuführen.
  • Ferner kann, obwohl das optische Anzeigesystem mit dem ersten optischen System in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, dieselbe Idee wie dieses Ausführungsbeispiel auf das in dem achten Ausführungsbeispiel gezeigte optische Bildaufnahmesystem angewendet werden. Ein Strahl kann nämlich mit einem vorbestimmten Winkel θ (|0| < 30°) vor und nach einer Umkehrreflexion an der Umkehrreflexionsfläche C einfallen und reflektiert werden.
  • Zehntes Ausführungsbeispiel
  • 16 zeigt einen Aufbau eines optischen Anzeigesystems, das das zehnte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Das optische Anzeigesystem ist durch ein erstes optisches Element 11 und ein zweites optisches Element 12 gebildet. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Bildanzeigevorrichtung, für die ein LCD oder Ähnliches einer Durchlassbauart oder einer Reflexionsbauart verwendet wird.
  • Das erste optische Element 11 bildet einen prismaartigen transparenten Körper mit drei optischen Flächen einer Fläche A, einer Fläche B und einer Fläche C, die an einem Medium mit einem Brechungsindex von n1 auf dieselbe Weise wie das erste optische Element 1 des siebten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind. Sowohl die Fläche A als auch die Fläche B sind Flächen für einen Durchlass und eine Reflexion, die als Durchlassfläche und Reflexionsfläche wirken, und die Fläche C ist eine Reflexionsfläche. Jedoch ist, wie später im Einzelnen beschrieben wird, in diesem Ausführungsbeispiel die Fläche A eine Fläche mit den beiden Funktionen der ersten Fläche und der zweiten Fläche. Die Fläche B ist die dritte Fläche wie in dem siebten Ausführungsbeispiel.
  • Zusätzlich ist eine reflektierende Folie an der Fläche C ausgebildet und ist eine halbdurchlässige Folie an der Fläche B ausgebildet. Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel eine reflektierende Folie an einem Abschnitt (einem oberen Abschnitt) der Fläche A ausgebildet.
  • Andererseits besteht das zweite optische Element 12 aus einem prismaartigen transparenten Körper mit drei optischen Flächen, einer Fläche D, einer Fläche E und einer Fläche F, die an einem Medium mit einem Brechungsindex von n2 ausgebildet sind. Sowohl die Fläche D als auch die Fläche E sind Flächen, die als Durchlassfläche wirken, und die Fläche F ist eine Fläche, die als Reflexionsfläche wirkt. Eine reflektierende Folie ist an der Fläche F ausgebildet.
  • In diesem Ausführungsbeispiel funktioniert die Fläche E als Einfallsfläche des zweiten optischen Elements 12, funktioniert die Fläche F als Reflexionsfläche des zweiten optischen Elements 12 und funktioniert die Fläche D als Austrittsfläche des zweiten optischen Elements 12. Zusätzlich funktioniert die Fläche B als Einfallsfläche und Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 11, funktioniert die Fläche C als Reflexionsfläche des ersten optischen Elements 11 und funktioniert die Fläche A als Reflexionsfläche und Austrittsfläche des ersten optischen Elements 11.
  • Licht, das durch die Bildanzeigevorrichtung 3 moduliert und emittiert wird, fällt auf das zweite optische Element 12 von der Fläche E ein, und nachdem es an der Fläche F reflektiert wird, tritt es von der Fläche D aus, die mit der Fläche B des ersten optischen Elements 11 verbunden ist, so dass es zu dem ersten optischen Element 11 geführt wird.
  • Das Licht wird durch die Fläche B durchgelassen, so dass es auf das erste optische Element 11 einfällt, und wird, nachdem es an der Fläche A reflektiert wird, an der Fläche C reflektiert, so dass es zu dem oberen Abschnitt der Fläche A geführt wird. Das Licht, das zu der Fläche A geführt wird, wird an der Fläche A im Wesentlichen vertikal reflektiert (Umkehrreflexion: zweite Reflexion), wird erneut an der Fläche C reflektiert, zu einem ersten Reflexionsbereich des Lichts an der Fläche A umgekehrt und reflektiert (dritte Reflexion), so dass es zurück an einer umgekehrten Route zu der Route verläuft, an der das Licht in dem ersten optischen Element 1 verlaufen ist, und wird an der Fläche B reflektiert, durch die Fläche A durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 11 aus, so dass es die Austrittspupille S erreicht.
  • Ein Betrachter kann visuell ein vergrößertes Bild eines an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigten Bilds erkennen, indem er ein Auge in der Umgebung der Position der Austrittspupille S anordnet.
  • Ferner ist als Beispiel des Lichts, das von der Bildanzeigevorrichtung 3 abgegeben wird, ein Hauptstrahl bei einem mittleren Bildwinkel, der die Mitte der Anzeigefläche der Bildanzeigevorrichtung 3 verlässt und die Mitte der Austrittspupille S erreicht, in 16 gezeigt. Eine optische Schnittansicht, die durch den Hauptstrahl bei dem mittleren Bildwinkel ausgebildet wird, ist in der Figur gezeigt.
  • Zusätzlich sind bei zumindest den ersten und dritten Reflexionen von den drei Reflexionen an der Fläche A, der Reflexion an der Fläche B und der Reflexion an der Fläche C diese Flächen so angeordnet, dass sie als exzentrische Reflexionsflächen wirken, die exzentrisch mit Bezug auf einen frei wählbaren Strahl sind, der einen effektiven Lichtstrahl ausbildet, der von der Bildanzeigevorrichtung 3 emittiert wird, so dass er die Austrittspupille S erreicht. Folglich wird der optische Gang in dem ersten optischen Element 1 umgekehrt, um das erste optische Element 11 dünn auszuführen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel tritt Licht durch die jeweilige Fläche in der Reihenfolge der Fläche B (Durchlass) 4 der Fläche A (Reflexion) → der Fläche C (Reflexion) 4 der Fläche A (Umkehrreflexion) → der Fläche C (erneute Reflexion) → der Fläche A (erneute Reflexion) → der Fläche B (Reflexion) (→ der Fläche A (Durchlass)) in dem ersten optischen Element 11 und folgt mit der Umkehrreflexion an der Fläche A als Grenze den optischen Gängen zu dem Punkt in der umgekehrten Reihenfolge, bis das Licht die abschließende Reflexionsfläche B erreicht.
  • In diesem Ausführungsbeispiel duplizieren sich nämlich der optische Gang vor dem Erreichen der Umkehrreflexionsfläche A in dem ersten optischen Element 11 und der optische Gang, nachdem er an der Umkehrreflexionsfläche A reflektiert wird, an den drei Flächen A, B und C in den umgekehrten Reihenfolgen, um den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang auszubilden.
  • Auf diesem Weg werden die drei Flächen vor und nach der Reflexion an der Umkehrreflexionsfläche A verwendet, um den optischen Vorwärts- und Rückwärtsgang auszubilden, um einen Grad einer Duplizierung der optischen Gänge im Vergleich mit dem siebten Ausführungsbeispiel weitergehend zu vergrößern. Folglich kann ein kompaktes optisches System verwirklicht werden, bei dem die Gesamtlänge des ersten optischen Elements kürzer gehalten wird.
  • Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel die Reflexionsfläche F in dem zweiten optischen Element 12 vorgesehen. Folglich wird ein Freiheitsgrad eines optischen Gangs vergrößert, um das gesamte optische System im Vergleich mit dem siebten Ausführungsbeispiel dünner auszuführen, und wird gleichzeitig die Anzahl der optischen Wirkungsflächen vergrößert, um die optische Brechkraft abzuschwächen, die von jeder Fläche in dem zweiten optischen Element 12 angenommen wird, und um das Auftreten einer Aberration zu steuern.
  • In diesem Ausführungsbeispiel kann das Auftreten von übermäßigen Aberrationen ebenso durch Ausbilden eines Zwischenbilds in dem ersten optischen Element 11 gesteuert werden. Das Zwischenbild kann fokussiert werden, so dass es geeignet gekrümmt ist oder eine astigmatische Differenz in Abhängigkeit einer Situation hat, in der eine Krümmung eines Felds oder ein Astigmatismus bei dem optischen Okularsystemabschnitt auftritt.
  • Zusätzlich werden zumindest die Flächen B und C des ersten optischen Elements 11 als gekrümmte Flächen ausgeführt, um die Anzahl der Flächen zu verringern, die nicht zu dem Fokussieren oder der Korrektur einer Aberration beitragen, und um die Anzahl der Flächen zu verringern, die für das optische System notwendig sind.
  • Darüber hinaus sind die Flächen A, B und C jeweils aus einer gekrümmten Fläche ausgebildet, wodurch ein optisches Element, bei dem die Anzahl der Flächen, die nicht zu dem Fokussieren oder der Korrektur einer Aberration beitragen, weitergehend verringert wird, erhalten werden kann. Folglich kann die Wirkung einer Kostenreduktion ebenso erwartet werden. In ähnlicher Weise ist es vorzuziehen, die optischen Flächen D, E und F des zweiten optischen Elements 12 jeweils ebenso als gekrümmte Fläche auszubilden.
  • Zusätzlich ist es vorzuziehen, die Fläche B mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt auszubilden, um das Auftreten einer exzentrischen Aberration zu steuern. Daher ist die Fläche D, die eine mit der Fläche B verbundene Fläche ist, ebenso mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet.
  • Weiter bevorzugt sind alle drei Flächen A, B und C, die das erste optische Element 11 ausbilden, in einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet, wodurch ein Freiheitsgrad einer Korrektur einer exzentrischen Aberration sich vergrößert und es möglich wird, ein Bild mit einer hohen Qualität anzuzeigen.
  • Weitergehend wünschenswert sind die Flächen D, E und F, die das zweite optische Element 12 bilden, ebenso mit einer rotationsasymmetrischen Gestalt ausgebildet. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die jeweilige rotationsasymmetrische Fläche mit einer Gestalt auszubilden, die ebenensymmetrisch in einer vertikalen Richtung in einer Papierfläche der Figur ist, die einen Querschnitt der Papierfläche der Figur als einzige Symmetriefläche hat, dass das Bearbeiten und Herstellen im Vergleich mit dem Fall ohne Symmetrie einfach durchgeführt werden kann.
  • Zusätzlich ist es bezüglich Reflexionen, die andere als die Umkehrreflexion einer Fläche A sind, vorzuziehen, die Reflexion an der Fläche A als Totalreflexion in dem ersten optischen Element 11 auszuführen, da ein Verlust einer Lichtmenge verringert wird. Ferner kann zumindest in einem Bereich, der durch einen reflektierten Lichtstrahl und einen austretenden Lichtstrahl an der Fläche A (unterer Abschnitt der Fläche A) geteilt wird (gemeinsam für die beiden vorgesehen ist), wenn ein reflektierter Lichtstrahl total reflektiert wird, der gleiche Helligkeitsgrad sichergestellt werden, während ein Freiheitsgrad einer Auslegung im Vergleich mit dem Fall vergrößert wird, in dem die gesamten reflektierten Lichtstrahlen, die andere als die Umkehrreflexion an der Fläche A sind, total reflektiert werden.
  • Zusätzlich kann, wie in dem neunten Ausführungsbeispiel, das vorstehend angegeben ist, ein Strahl mit einem vorbestimmten Winkel θ vor und hinter der Umkehrreflexionsfläche A einfallen und reflektiert werden. Jedoch erfüllt der Winkel θ vorzugsweise die folgende Bedingung: |θ| < 30°
  • Es ist nicht vorzuziehen, wenn der Winkel θ von dieser Bedingung abweicht, da das erste optische Element 11 groß wird und es schwierig wird, das gesamte optische Anzeigesystem klein auszuführen.
  • Durch Bilden des optischen Anzeigesystems, wie vorstehend beschrieben ist, kann die Bildanzeigevorrichtung vorgesehen werden, die ein an der Bildanzeigevorrichtung 3 angezeigtes Bild als vergrößertes Bild mit einer guten optischen Leistungsfähigkeit anzeigt.
  • Zusätzlich wird ein Freiheitsgrad der Auslegung durch Fokussieren von Licht einmal an dem optischen Anzeigesystem verbessert, um es möglich zu machen, einen Bildwinkel eines Anzeigebildwinkels mit Bezug auf eine Anzeigeabmessung der Bildanzeigevorrichtung 3 breiter zu machen (ein Bild mit einer hohen Vergrößerung anzuzeigen). Gleichzeitig kann die Gesamtlänge des ersten optischen Elements 11 durch Duplizieren von langen optischen Gängen durch Ausbilden eines optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten optischen Element 11 kurzgehalten werden, um ein sehr kompaktes optisches Anzeigesystem zu bilden.
  • Ferner kann das optische System, das in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, als optisches Bildaufnahmesystem durch Umkehren des optischen Gangs und Anordnen einer Bildaufnahmevorrichtung anstelle der Bildanzeigevorrichtung verwendet werden.
  • Zusätzlich sind die Anzahl der Flächen, die Formen und die Kombinationen des ersten optischen Elements und des zweiten optischen Elements, die in dem jeweiligen Ausführungsbeispiel gezeigt sind, die vorstehend beschrieben sind, nicht spezifisch auf diese beschränkt.
  • Ferner nimmt in allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, wenn ein frei wählbarer Strahl eines Lichtstrahls, der durch das erste optische System tritt, nachgeführt wird, bei der ersten Reflexion und der zweiten Reflexion an der ersten Fläche der Strahl einen optischen Gang an, bei dem der Strahl mit einem Reflexionswinkel eines entgegengesetzten Vorzeichens bei einer Reflexion mit dem anderen Reflexionswinkel als Referenz reflektiert wird.
  • Genauer gesagt nimmt beispielsweise an der Papierfläche von 1 ein Strahl einen optischen Gang an, der, wenn ein Winkel der Reflexion in der ersten Reflexion (Reflexion an der Fläche A) ein positives Vorzeichen hat (der Fall, in dem ein reflektiertes Licht in Gegenuhrzeigerrichtung an der Papierfläche der Figur an einer zur Ebene Normalenlinie vorhanden ist), hat ein Winkel der Reflexion in der zweiten Reflexion (Reflexion an der Fläche A) ein negatives Vorzeichen (der Fall, in dem ein reflektiertes Licht in der Uhrzeigerrichtung in der Papierfläche der Figur der zur Ebene normalen inie vorhanden ist).
  • Da der Lichtstrahl sich im Wesentlichen zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche durch Annehmen eines solchen optischen Gangs vor- und zurückbewegt, kann ein Raum in dem ersten optischen System effektiv genutzt werden, um eine Länge des optischen Gangs zu verstärken. Darüber hinaus kann ein kleines optisches System verwirklicht werden, auch wenn ein optischer Gang lang ist.
  • Jedes der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele wird im Folgenden unter Verwendung von numerischen Beispielen beschrieben.
  • (Erstes Numerisches Beispiel)
  • 17 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels, das in 1 gezeigt ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 30 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 31 mit einer Prismaform gebildet ist, das drei optische Flächen hat. Die Bezugszeichen S2, S4 und S6 bezeichnen eine identische Fläche; und S3 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese zwei Flächen und S5 entsprechen den Flächen 31b, 31a bzw. 31c, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein zweites optisches Element) 21 gebildet wird, das aus einem identischen Medium mit drei Flächen S8, S9 und S10 besteht. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen 21c, 21b bzw. 21a, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Das Bezugszeichen SI stellt eine Bildanzeigefläche dar und das Bezugszeichen S1 stellt eine Austrittspupille S eines optischen Anzeigesystems dar.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S10 rotationsasymmetrische Flächen, die mit einer zur Ebene symmetrischen Gestalt ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 1 gezeigt. Die am weitesten links stehende Angabe SURF von den optischen Daten von Tabelle 1 stellt eine Flächenzahl dar. Zusätzlich stellen X, Y und Z Positionen (x, y, z) der Flächenscheitelpunkte der Flächen in dem Koordinatensystem dar, wobei die Mitte der ersten Fläche S1 an dem Ursprung (0, 0, 0) und die y-Achse und z-Achse, die in der Figur gezeigt sind, und die x-Achse in der Tiefenrichtung der Papierfläche der Figur vorgesehen sind. A stellt einen Drehwinkel a (Einheit: Grad) um die x-Achse dar, wobei die Gegenuhrzeigerrichtung an der Figur die positive Richtung ist.
  • R stellt einen Krümmungsradius dar. TYP stellt eine Art einer Flächenform dar, SPH stellt eine Kugelfläche dar und FFS stellt eine rotationsasymmetrische Fläche gemäß dem folgenden Ausdruck dar: Gleichung 1
    Figure 00620001
  • Zusätzlich kann die Flächenform durch andere Ausdrücke definiert werden. XYP in dem Ausdruck von TYP ist eine rotationsasymmetrische Fläche gemäß dem folgenden Ausdruck: Gleichung 2
    Figure 00620002
  • Ein numerischer Wert, der neben FFS und XYP in der Spalte von TYP eingetragen ist, gibt an, dass die Flächenform eine rotationssymmetrische Form entsprechend asphärischen Koeffizienten k und ci (i = 1, 2, 3 ...) ist, die in dem unteren Abschnitt der Tabelle eingetragen sind.
  • Werte von k und ci, die in der Tabelle leergelassen sind, sind in jedem Fall 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 des Vorzeichens des Brechungsindex Nd gibt an, dass der Strahl 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.
  • Die vorstehend erwähnten Angaben der Tabelle sind dieselben für die nachstehend beschriebenen numerischen Beispiele. Tabelle 1
    Figure 00640001
  • Wie aus Tabelle 1 entnehmbar ist, fällt Licht von der Bildanzeigefläche SI auf das zweite optische Element 21 von S10 (Fläche 21a), wird an S9 (Fläche 21b) reflektiert, durch S8 (Fläche 21c) durchgelassen und tritt aus dem zweiten optischen Element 21 aus. Das Licht, das aus der Austrittsfläche (S8) des zweiten optischen Elements 21 ausgetreten ist, wird durch S7 (Fläche 31a) durchgelassen, fällt auf das erste optische Element 31 (erstes optisches System 30) ein, wird an S6 (Fläche 31b) reflektiert, an S5 (Fläche 31c) umgekehrt und reflektiert, erneut an S4 (Fläche 31b) reflektiert, an S3 (Fläche 31a) reflektiert, durch S2 (Fläche 31b) durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 31 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 geführt wird. Ein Betrachter kann ein vergrößertes Bild an der Bildanzeigefläche durch Anordnen eines Auges an einer Position der Austrittspupille betrachten.
  • 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 ungefähr 10 mm × 7,5 mm im Unendlichen in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels bei einem optischen Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall tritt Licht von einem Objekt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung durch die Blende S1 und fällt auf das erste optische Element 31 von S2 ein, wird an S3, S4, S5 und S6 reflektiert, so dass es aus dem ersten optischen Element 31 von S7 austritt. Das Licht, das aus dem ersten optischen Element 31 ausgetreten ist, wird zu dem zweiten optischen Element 21 geführt und fokussiert sich an einem äußeren Bild (Objekt) an der Bildaufnahmefläche SI über S8, S9 und S10.
  • (Zweites Numerisches Beispiel)
  • 18 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines zweiten Ausführungsbeispiels, das in 2 gezeigt ist. Optische Daten dieses Beispiels sind in Tabelle 2 gezeigt.
  • In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 30' ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (erstes optisches Element) 31 einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet ist. Bezugszeichen S2, S4 und S6 bezeichnen eine identische Fläche; und S3 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese zwei Flächen und S5 entsprechen den Flächen 31b, 31a bzw. 31c, die in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 20' bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (zweites optisches Element) 22 gebildet wird, der aus einem identischen Medium mit drei Flächen S8, S9 (mit S11 identische Fläche) und S10 besteht. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen 22c, 22a bzw. 22b, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Ein Bezugszeichen SI stellt eine Bildanzeigefläche dar und ein Bezugszeichen S1 stellt eine Austrittspupille S eines optischen Anzeigesystems dar.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S11 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, wobei die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) die einzige Symmetriefläche ist.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Licht von der Bildanzeigefläche SI fällt auf das zweite optische Element 22 von S11 (Fläche 22a) ein, wird an S10 (Fläche 22b) reflektiert, wird an S9 (Fläche 22a) reflektiert, durch S8 (Fläche 22c) durchgelassen und tritt aus dem zweiten optischen Element 22 aus. Das Licht, das aus der Austrittsfläche (S8) des zweiten optischen Systems 20' ausgetreten ist, wird durch S7 (Fläche 31a) durchgelassen, fällt auf das erste optische Element 31 ein (erstes optisches System 30'), wird an S6 (Fläche 31b) reflektiert, an S5 (Fläche 31c) umgekehrt und reflektiert, erneut an S4 (Fläche 31b) reflektiert, an S3 (Fläche 31a) reflektiert, durch S2 (Fläche 31b) durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 31 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 geführt wird.
  • Der Betrachter kann ein vergrößertes Bild an der Bildanzeigefläche durch Anordnen eines Auges an einer Position der Austrittspupille betrachten. Tabelle 2
    Figure 00680001
    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 dieselben Angaben wie diejenigen des optischen Anzeigesystems des ersten numerischen Beispiels hat.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall tritt Licht von einem Objekt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung durch die Blende S1 und fällt auf das erste optische Element 31 von S2 und wird an S3, S4, S5 und S6 reflektiert, so dass es aus dem ersten optischen Element 31 von S7 austritt. Das Licht, das aus dem ersten optischen Element 31 ausgetreten ist, wird zu dem zweiten optischen Element 21 geführt und fokussiert ein Außenbild (Objekt) an der Bildaufnahmefläche SI über S8, S9, S10 und S11.
  • (Drittes Numerisches Beispiel)
  • 19 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines dritten Ausführungsbeispiels, das in 4 gezeigt ist. Optische Daten dieses Beispiels sind in Tabelle 3 gezeigt.
  • In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 130 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 32 einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet ist. Die 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 32b, 32a bzw. 32c, die in dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 120 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein zweites optisches Element) 21 gebildet wird, der aus einem identischen Medium mit drei Flächen S10, S11 und S12 besteht. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen 21c, 21b bzw. 21a, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, wie in 1 gezeigt ist. Ein Bezugszeichen SI stellt eine Bildanzeigefläche dar und ein Bezugszeichen S1 stellt eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems dar.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S12 rotationsasymmetrische Flächen, die mit einer ebenensymmetrischen Gestalt ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Licht von der Bildanzeigefläche SI fällt auf das zweite optische Element 21 von S12 ein (Fläche 21a), wird an S11 (Fläche 21b) reflektiert, wird durch S10 (Fläche 21c) durchgelassen und tritt aus dem zweiten optischen Element 21 aus.
  • Das Licht, das aus der Austrittsfläche (S10) des zweiten optischen Elements 21 ausgetreten ist, wird durch S9 (Fläche 32a) durchgelassen, fällt auf das zweite optische Element 32 ein (erstes optisches System 130), wird an S8 (Fläche 32b) reflektiert, an S7 (Fläche 32c) reflektiert, an S6 (Fläche 32b) umgekehrt und reflektiert, an S5 (Fläche 32c) erneut reflektiert, an S4 (Fläche 32b) reflektiert, an S3 (Fläche 32a) reflektiert, durch S2 (Fläche 32b) durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 32 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 geführt wird.
  • Der Betrachter kann ein vergrößertes Bild an der Bildanzeigefläche durch Anordnen eines Auges an einer Position der Austrittspupille betrachten. Tabelle 3
    Figure 00720001
  • 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 dieselben Angaben wie diejenigen des optischen Anzeigesystems in dem Ersten Numerischen Beispiel hat.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Strahl von einem Objektpunkt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 32 durch die Blende S1 geführt. Dann fällt der Strahl auf das erste optische Element 32 von S2, wird an S3 reflektiert, an S4 reflektiert, an S5 reflektiert und an S6 umgekehrt und reflektiert und wird darauf an S7 reflektiert, an S8 reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 32 aus S9 aus, so dass er zu dem zweiten optischen Element 22 geführt wird. Das Licht, das zu dem zweiten optischen Element 22 geführt wird, fällt ein und wird auf die Bildaufnahmefläche SI über S10, S11 und S12 fokussiert.
  • (Viertes Numerisches Beispiel)
  • 20 ist eine Schnittansicht eines optischen Gangs eines weiteren numerischen Beispiels des dritten Ausführungsbeispiels, das in 4 gezeigt ist. Tabelle 4 zeigt optische Daten.
  • In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 130 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein erstes optisches Element) 32 einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet ist. 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 32b, 32a bzw. 32c, die in dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 20' bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (zweites optisches Element) 22 gebildet wird, das aus einem identischen Medium mit drei Flächen von S10, S11 (mit S13 identische Fläche) und S12 in diesem Fall besteht. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen 22c, 22a und 22b von 2, die im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und ein Bezugszeichen S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S13 rotationsasymmetrische Flächen, die mit einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Licht von der Bildanzeigefläche SI fällt auf das zweite optische Element 22 von S13 (Fläche 22a) ein, wird an S12 (Fläche 22b) reflektiert, wird an S11 (Fläche 22a) reflektiert, wird durch S10 (Fläche 22c) durchgelassen und tritt aus dem zweiten optischen Element 22 aus.
  • Das Licht, das aus der Austrittsfläche (S10) des zweiten optischen Elements 22 ausgetreten ist, wird durch S9 (Fläche 32a) durchgelassen, fällt auf das erste optische Element 32 (erstes optisches System 130) ein, wird an S8 (Fläche 32b) reflektiert, wird an S7 (Fläche 32c) reflektiert, wird an S6 (Fläche 32b) umgekehrt und reflektiert, wird an S5 (Fläche 32c) erneut reflektiert, wird an S4 (Fläche 32b) reflektiert, wird an S3 (Fläche 32a) reflektiert, wird durch S2 (Fläche 32b) durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 32 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 geführt wird.
  • Der Betrachter kann ein vergrößertes Bild an der Bildanzeigefläche durch Anordnen eines Auges an einer Position der Austrittspupille betrachten. Tabelle 4
    Figure 00760001
  • Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen die gleichen Angaben wie das erste Numerische Beispiel hat.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall tritt Licht von einem Objektpunkt im unendlichen Abstand in einer zur z-Achse negativen Richtung durch die Blende S1, wird zu dem ersten optischen System 130 geführt, fällt auf das erste optische Element 32 von S2 ein, wird an S3, S4 und S5 reflektiert, an S6 umgekehrt und reflektiert und dann an S7 und S8 reflektiert, so dass es aus dem ersten optischen Element 32 von S9 austritt. Das Licht, das aus dem ersten optischen Element 32 ausgetreten ist, wird zu dem zweiten optischen Element 22 geführt und fokussiert sich an der Bildaufnahmefläche SI über S10, S11, S12 und S13.
  • (Fünftes Numerisches Beispiel)
  • 21 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines fünften Ausführungsbeispiels, das in 6 gezeigt ist. Tabelle 5 zeigt optische Daten.
  • In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 330 ein erstes optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein optisches Element) 35 einer Prismaform mit drei optischen Flächen und einem Reflexionsspiegelelement 36 gebildet wird. Bezugszeichen S2, S4, S6, S8 und S10 bezeichnen eine identische Fläche; S3 und S11 bezeichnen eine identische Fläche; und S5 und S9 bezeichnen eine identische Fläche. Diese drei Flächen entsprechen den Flächen 35b, 35a bzw. 35c, die in dem fünften Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Ebenso entspricht S7 der Fläche 36a, die in dem fünften Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
  • Ein Bezugszeichen 120 bezeichnet ein zweites optisches System, das durch einen transparenten Körper (ein zweites optisches Element) 22 gebildet wird, das aus einem identischen Medium mit zwei Flächen S12 und S13 und S12 besteht. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und ein Bezugszeichen S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S13 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Licht von der Bildanzeigefläche SI tritt durch S13 des zweiten optischen Systems 120, tritt aus S12 aus, wird durch S11 (Fläche 35a) durchgelassen, fällt auf das optische Element 35 des ersten optischen Systems 130 ein, wird an S10 (Fläche 35b) und S9 (Fläche 35c) reflektiert, durch S8 (Fläche 35b) gebrochen und tritt aus dem optischen Element 35 aus.
  • Das Licht, das aus dem optischen Element 35 ausgetreten ist, wird an S7 (Fläche 36a) umgekehrt und reflektiert, durch S6 (Fläche 35b) durchgelassen, fällt auf das optische Element 35 erneut ein, wird an S5 (Fläche 35c), S4 (Fläche 35b) und S3 (Fläche 35a) reflektiert, durch S2 (Fläche 35b) durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 35 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 geführt wird.
  • Der Betrachter kann ein vergrößertes Bild an der Bildanzeigefläche durch Anordnen eines Auges an einer Position der Austrittspupille betrachten. Tabelle 5
    Figure 00800001
  • Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das im Wesentlichen dieselben Angaben wie in dem Ersten Numerischen Beispiel hat.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall tritt Licht von einem Objektpunkt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung durch die Blende S1 und wird zu dem ersten optischen System 330 geführt. Dann fällt das Licht auf das optische Element 35 des ersten optischen Systems 330 von S2 ein und wird an S3, S4 und S5 reflektiert und wird durch S6 durchgelassen, so dass es aus dem optischen Element 35 austritt. Darauf wird das Licht an S7 (Reflexionsspiegelelement 36) umgekehrt und reflektiert und wird dann durch S8 durchgelassen und fällt auf das optische Element 35 erneut ein, wird an S9 und S10 reflektiert, durch S11 durchgelassen und tritt aus dem optischen Element 35 aus, so dass es zu dem zweiten optischen System 120 geführt wird. Das Licht, das zu dem optischen Element 22 des zweiten optischen Systems 120 geführt wird, wird an der Bildaufnahmefläche SI bei der Bildaufnahmevorrichtung, wie z.B. einer CCD, über S12 und S13 fokussiert.
  • (Sechstes Numerisches Beispiel)
  • 22 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel, das einen Aufbau hat, der dem siebten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, das in 10 gezeigt ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein erstes optisches Element, das ein optisches Anzeigesystem bildet, das durch einen transparenten Körper einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet wird.
  • Bezugszeichen S2, S4 und S6 bezeichnen eine identische Fläche; und S3 und S7 bezeichnen eine identische Fläche. Diese zwei Flächen und S5 entsprechen den Flächen A, B bzw. C, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites optisches Element, das mit einer Linsenform ausgebildet ist, das eine Austrittsfläche S7, die mit einer Fläche B (S3) des ersten optischen Elements 1 verbunden ist, und eine Einfallsfläche S8 in diesem Zusammenhang hat. Darüber hinaus hat in diesem numerischen Beispiel das optische System eine Linse (ein drittes optisches Element) 21 mit einer Einfallsfläche S10 und einer Austrittsfläche S9. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • Alle optischen Flächen S1 bis S10 sind rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6
    Figure 00830001
  • Wie aus Tabelle 6 entnehmbar ist, tritt Licht von der Bildanzeigefläche SI durch die Flächen S10 und S9 der Linse 21 und verläuft durch das zweite optische Element 2. Das Licht, das durch das zweite optische Element 2 verläuft, fällt auf das zweite optische Element 2 von der Fläche S8 ein, wird durch die verbundene Fläche S7 des zweiten optischen Elements 2 und des ersten optischen Elements 1 durchgelassen und fällt auf das erste optische Element 1 ein, wird an S6 total reflektiert, wird durch die Rückfläche an S5 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, so dass es umgekehrt wird, wird an S4 total reflektiert, wird durch die Rückfläche an S3 reflektiert, wird durch S2 durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 1 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 des optischen Systems geführt wird.
  • Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge 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 ungefähr 10 mm × 7,5 mm bei dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem eingesetzt 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 1 durch die Blende S1 geführt. Dann fällt das Licht auf das erste optische Element 1 von S2 ein, wird an S3 reflektiert, an S4 reflektiert, an S5 umgekehrt und reflektiert und an S6 reflektiert und tritt darauf aus S7 aus, so dass es zu dem zweiten optischen Element 2 geführt wird.
  • Das Licht, das zu dem zweiten optischen Element 2 geführt wird, tritt aus dem zweiten optischen Element 2 aus S8 aus, fällt auf die Linse 21 von der Fläche S9 ein und tritt aus S10 aus, um sich an der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
  • Gemäß dem Aufbau dieses numerischen Beispiels kann ein optisches Anzeigesystem erhalten werden, das klein ist und das einen breiten Anzeigebildwinkel hat. Insbesondere ist in diesem numerischen Beispiel die Linse 21 zwischen dem zweiten optischen Element 2 und der Bildanzeigefläche SI vorgesehen und wird eine optische Brechkraft des optischen Übertragungssystems durch eine größere Anzahl optischer Flächen geteilt, um das Auftreten einer Aberration zu steuern. Somit kann eine optische Leistungsfähigkeit im Vergleich mit dem im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Aufbau erhöht werden.
  • (Siebtes Numerisches Beispiel)
  • 23 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel, das einen zum in 16 gezeigten zehnten Ausführungsbeispiel ähnlichen Aufbau hat. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 11 ein erstes optisches Element, das durch einen transparenten Körper 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 bzw. C, die in dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 12' bezeichnet ein zweites optisches Element, das mit einer Linsenform ausgebildet ist, das eine Austrittsfläche S9, die mit einer Fläche B (S3) des ersten optischen Elements 11 verbunden ist, und eine Einfallsfläche S10 in diesem Zusammenhang hat. Darüber hinaus hat in dem zweiten Numerischen Beispiel der vorliegenden Erfindung das optische Anzeigesystem eine Linse 21 mit einer Einfallsfläche 512 und einer Austrittsfläche S11. Bei der Fläche A ist eine reflektierende Folie an einem Abschnitt ausgebildet, der als Umkehrreflexionsfläche S6 verwendet wird. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • Alle optischen Flächen S1 bis S12 sind rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Gestalt ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7
    Figure 00870001
  • Wie aus Tabelle 7 entnehmbar ist, tritt Licht von der Bildanzeigefläche SI durch die Flächen S12 und S11 der Linse 21 und verläuft durch das zweite optische Element 12'. Das Licht, das in Richtung auf das zweite optische Element 12' verläuft, fällt auf das zweite optische Element 12' von der Fläche S10, wird durch die verbundene Fläche S9 des zweiten optischen Elements 12' und des ersten optischen Elements 11 durchgelassen und fällt auf das erste optische Element 11 ein, wird an S8 total reflektiert, wird durch die Rückfläche an S7 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, wird im Wesentlichen vertikal reflektiert und an der Fläche S6 entsprechend dem reflektierenden Folienformationsabschnitt der Fläche A umgekehrt, durch die Rückfläche an S5 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, wird an S4 total reflektiert, durch die Rückfläche an S3 reflektiert, durch S2 durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 11 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 des optischen Systems geführt wird.
  • Wenn angenommen wird, das ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge des siebten 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 ungefähr 10 mm × 7,5 mm im Unendlichen in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels in einem optischen Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Strahl von einem Objektpunkt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 11 durch die Blende S1 geführt. Dann fällt der Strahl auf das erste optische Element 11 von S2, wird an S3 reflektiert, an S4 reflektiert, an S5 reflektiert und an S6 reflektiert, so dass er davon umgekehrt wird, und wird darauf an S7 reflektiert, an S8 reflektiert und tritt aus dem ersten optischen Element 11 von S9 aus, so dass er zu dem zweiten optischen Element 12' geführt wird.
  • Das Licht, das zu dem zweiten optischen Element 12' geführt wird, tritt durch S10 und tritt aus dem zweiten optischen Element 12' aus, so dass es auf die Linse 21 von der Fläche S12 einfällt und tritt aus S12 aus, um sich an der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
  • Gemäß dem Aufbau dieses numerischen Beispiels kann ein optisches Anzeigesystem erhalten werden, das klein ist und das einen breiten Anzeigebildwinkel hat. Ferner ist in diesem numerischen Beispiel ebenso wie in dem sechsten Numerischen Beispiel die Linse 21 zwischen dem zweiten optischen Element 12' und der Bildanzeigefläche SI vorgesehen, und wird die optische Brechkraft des optischen Übertragungssystems durch eine große Anzahl von optischen Flächen zum Steuern des Auftretens einer Aberration geteilt. Somit kann eine hohe optische Leistungsfähigkeit einfach erhalten werden.
  • Da zusätzlich die Anzahl der Male der Reflexion zum Ausbilden des optischen Vorwärts- und Rückwärtsgangs in dem ersten optischen Element 11 im Vergleich mit dem sechsten Numerischen Beispiel erhöht ist, werden die optischen Ganglängen effektiver dupliziert und kann das optische Anzeigesystem mit Bezug auf eine lange optische Ganglänge kompakt ausgeführt werden.
  • (Achtes Numerisches Beispiel)
  • 24 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel eines zehnten Ausführungsbeispiels, das in 16 gezeigt ist. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 11 ein erstes optisches Element, das durch einen transparenten Körper 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 bzw. C, die im zehnten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 12 bezeichnet ein zweites optisches Element, das durch einen transparenten Körper einer Prismaform mit einer Austrittsfläche S9, die mit einer Fläche B (S3) des ersten optischen Elements 11 verbunden ist, einer reflektierenden Fläche S10 und einer Einfallsfläche 511 in diesem Zusammenhang gebildet wird. Reflektierende Folien sind an dem oberen Abschnitt der Fläche A und an der Fläche C ausgebildet. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S11 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Optische Daten des Achten Numerischen Beispiels sind in Tabelle 8 gezeigt. Tabelle 8
    Figure 00920001
  • Wie aus Tabelle 8 entnehmbar ist, fällt Licht von der Bildanzeigefläche SI auf das zweite optische Element 12 von 511, wird an S10 reflektiert, durch die verbundenen Fläche S9 des zweiten optischen Elements 12 und des ersten optischen Elements 11 durchgelassen und fällt auf das erste optische Element 11 ein, wird an S8 total reflektiert, durch die Rückfläche an S7 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, im Wesentlichen vertikal an S6 entsprechend dem reflektierenden Folienformationsabschnitt an der Fläche A reflektiert, so dass es umgekehrt wird, durch die Rückfläche an S5 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht wird, an S4 total reflektiert, durch die Rückfläche an S3 reflektiert, durch S2 durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 11 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 des optischen Systems geführt wird.
  • Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge 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 ungefähr 10 mm × 7,5 mm im Unendlichen in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels als optisches Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Strahl von einem Objektpunkt im Unendlichen in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 11 durch die Blende S1 geführt. Dann fällt der Strahl auf das erste optische Element 11 von S2 ein, wird an S3 reflektiert, an S4 reflektiert, an S5 reflektiert und an S6 reflektiert, so dass er umgekehrt wird, und wird darauf an S7 reflektiert, an S8 reflektiert und tritt aus S9 aus, so dass er zu dem zweiten optischen Element 12 geführt wird.
  • Der Lichtstrahl, der zu dem zweiten optischen Element 12 geführt wird, wird an S10 reflektiert, durch S11 durchgelassen und tritt aus dem zweiten optischen Element 12 aus, um sich an der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
  • Gemäß dem Aufbau dieses numerischen Beispiels kann ein optisches Anzeigesystem verwirklicht werden, das klein ist und das einen breiten Anzeigebildwinkel hat. Zusätzlich kann in diesem numerischen Beispiel, da das prismaartige optische Element als zweites optisches Element 12 verwendet wird und ein optischer Gang durch eine Rückflächenreflexion umgekehrt wird, das zweite optische Element 12 im Vergleich mit dem sechsten und siebten Numerischen Beispiel dünner ausgeführt werden.
  • (Neuntes Numerisches Beispiel)
  • 25 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Gangs mit einem numerischen Beispiel, das einen zum in 16 gezeigten zehnten Ausführungsbeispiel ähnlichen Aufbau hat. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 11 ein erstes optisches Element, das durch einen transparenten Körper einer Prismaform mit drei optischen Flächen gebildet ist. 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 zehnten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
  • Ein Bezugszeichen 12'' bezeichnet ein zweites optisches Element, das durch einen transparenten Körper einer Prismaform gebildet wird, der eine Austrittsfläche S9, die mit einer Fläche B (S3) des ersten optischen Elements 11 verbunden ist, eine Reflexionsfläche S11 und eine Reflexions- und Einfallsfläche S10 (zu S12 identische Fläche) in diesem Zusammenhang hat. Reflektierende Folien sind an dem oberen Abschnitt der Fläche A und an den Flächen C und S11 ausgebildet. Ein Bezugszeichen SI bezeichnet eine Bildanzeigefläche und S1 bezeichnet eine Austrittspupille S des optischen Anzeigesystems.
  • In diesem numerischen Beispiel sind alle optischen Flächen S1 bis S12 rotationsasymmetrische Flächen, die in einer ebenensymmetrischen Form ausgebildet sind, die die Papierfläche der Figur (yz-Schnitt) als einzige Symmetriefläche haben.
  • 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 Papierfläche ist, als x-Achse.
  • Optische Daten dieses numerischen Beispiels sind in Tabelle 9 gezeigt. Tabelle 9
    Figure 00960001
  • Wie aus Tabelle 9 entnehmbar ist, verläuft Licht von der Bildanzeigefläche SI in Richtung auf das zweite optische Element 12''. Das Licht, das in Richtung auf das zweite optische Element 12'' verläuft, fällt auf das zweite optische Element 12'' von der Fläche S12 ein, wird an S11 reflektiert, an S10 reflektiert, und verläuft in Richtung auf die verbundene Fläche S9 mit dem ersten optischen Element 11. Das Licht, das auf das erste optische Element 11 von der Fläche S9 einfällt, wird an S8 total reflektiert, durch die Rückfläche an S7 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, im Wesentlichen vertikal an der Fläche S6 entsprechend dem reflektierenden Folienformationsabschnitt der Fläche A reflektiert, so dass es umgekehrt wird, und wird dann durch die Rückfläche an S5 reflektiert, auf die eine reflektierende Folie aufgebracht ist, an S4 total reflektiert, durch die Rückfläche an S3 reflektiert, durch S2 durchgelassen und tritt aus dem ersten optischen Element 11 aus, so dass es zu der Austrittspupille S1 des optischen Systems geführt wird.
  • Wenn angenommen wird, dass ein numerischer Wert mit einer Dimension einer Länge dieses numerischen Beispiels durch mm dargestellt wird, wird ein optisches Anzeigesystem erhalten, das ein Bild mit einem horizontalen Bildwinkel von ungefähr 50° hat und einen vertikalen Bildwinkel von ungefähr 39° bei einem Austrittspupillendurchmesser φ von 4 mm und einer Bildanzeigeabmessung von ungefähr 10 mm × 7,5 mm bei dem unendlichen Abstand in der positiven Richtung der z-Achse anzeigt.
  • Ferner kann das optische System dieses numerischen Beispiels bei einem optischen Bildaufnahmesystem eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Strahl von einem Objektpunkt in dem unendlichen Abstand in der zur z-Achse negativen Richtung zu dem ersten optischen Element 11 durch die Blende S1 geführt. Dann fällt der Strahl auf das erste optische Element 11 von S2 ein, wird an S3 reflektiert, an S4 reflektiert, an S5 reflektiert und an S6 reflektiert, so dass er umgekehrt wird, und wird darauf an S7 reflektiert, an S8 reflektiert und tritt aus S9 aus, so dass er zu dem zweiten optischen Element 12'' geführt wird.
  • Der Lichtstrahl, der zu dem zweiten optischen Element 12'' geführt wird, wird an S10 und S11 reflektiert und tritt aus dem zweiten optischen Element 12'' aus S12 aus, um sich an der Bildaufnahmefläche SI zu fokussieren.
  • Gemäß dem Aufbau dieses numerischen Beispiels kann ein optisches Anzeigesystem verwirklicht werden, das klein ist und das einen breiten Anzeigebildwinkel hat. Zusätzlich kann in diesem numerischen Beispiel, da das prismaartige optische Element als zweites optisches Element 12'' verwendet wird und ein optischer Gang zweimal durch eine Rückflächenreflexion umgekehrt wird, das zweite optische Element 12'' im Vergleich mit dem sechsten, siebten und achten Numerischen Beispiel dünner ausgeführt werden.

Claims (6)

  1. 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 oder zu einer Projektionsfläche, wobei das optische Anzeigesystem gekennzeichnet ist durch: ein erstes optisches System (30, 130, 230, 330, 430) mit zumindest einer ersten (31b, 32b, 33b, 35b: A), zweiten (31c, 32c, 33, 35c: C) und dritten (31a, 32a, 33a, 35a: A) optischen Fläche; und ein zweites optisches System (20, 120, 220, 320, 420) mit einer positiven optischen Brechkraft; wobei die erste optische Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) und die dritte optische Fläche (31a, 32a, 33a, 35a: B) an einem gemeinsamen transparenten Körper (31, 32, 33, 35, 37, 1, 11) ausgebildet sind, und wobei das optische Anzeigesystem so angeordnet ist, dass: Licht von dem Bild an der Anzeigevorrichtung einschließlich des Hauptstrahls von der Mitte des Bilds zu der Mitte der Austrittspupille des Systems durch das zweite optische System tritt, so dass es an der dritten optischen Fläche (31a, 32a, 33a, 35a: B) fällt, die dritte optische Fläche (31a, 32a, 33a, 35a: B) angeordnet ist, um den einfallenden Hauptstrahl zu der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) durchzulassen und zu führen, die erste optische Fläche angeordnet ist, um das zu der ersten optischen Fläche geführte Licht in Richtung auf die zweite optische Fläche (31c, 32c, 33c, 35c: C) zu reflektieren, die zweite optische Fläche (31c, 32c, 33c, 35c: C) angeordnet ist, um den Hauptstrahl, der auf die zweite optische Fläche (31c, 32c, 33c, 35c: C) reflektiert wird, zu der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) für eine zweite Reflexion durch die erste optische Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) in Richtung auf die dritte optische Fläche (31a, 32a, 33a, 35a; B) zu reflektieren, und die dritte optische Fläche (31a, 32a, 33a, 35a: B) angeordnet ist, um den Hauptstrahl, der auf die dritte optische Fläche (31a, 32a, 33a, 35a: B) reflektiert wird, zu der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) für einen Durchlass durch die erste optische Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) in Richtung auf die Mitte der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems zu reflektieren, wobei der Hauptstrahl bei der zweiten Reflexion an der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) an der entgegengesetzten Seite der Normalen der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) bezüglich derjenigen der ersten Reflexion an der ersten optischen Fläche (31b, 32b, 33b, 35b: A) einfällt; und wobei die dritte optische Fläche, die den Hauptstrahl zu der ersten optischen Fläche zum Durchlass in Richtung auf die Austrittspupille des optischen Anzeigesystems reflektiert, konkav ist.
  2. Bildanzeigegerät gemäß Anspruch 1, wobei das optische Anzeigesystem ein Zwischenbild des Originalbilds bei dem ersten optischen System (30; 130; 230; 330; 430) ausbildet.
  3. Bildanzeigegerät gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eine der ersten bis dritten Flächen eine Fläche mit einer rotationsasymmetrischen Form ist.
  4. Bildanzeigegerät gemäß Anspruch 1, wobei die zweite optische Fläche (31c; 32c; 33c; 35c: C) an einer Fläche des transparenten Körpers ausgebildet ist, an dem die erste optische Fläche und die dritte optische Fläche ausgebildet sind.
  5. Bildanzeigegerät gemäß Anspruch 1, wobei die zweite optische Fläche an einem optischen Element ausgebildet ist, das von dem transparenten Körper verschieden ist, an dem die erste optische Fläche und die dritte optische Fläche ausgebildet sind.
  6. Bildanzeigegerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Reflexionen an der ersten optischen Fläche innere Totalreflexionen sind.
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Inventor name: YAMAZAKI, SHOICHI, OHTA-KU, TOKYO, JP

Inventor name: MORISHIMA, HIDEKI, OHTA-KU, TOKYO, JP

Inventor name: INOGUCHI, KAZUTAKA, OHTA-KU, TOKYO, JP

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