DE69230036T2

DE69230036T2 - Anzeigegeraet fuer virtuelle bilder

Info

Publication number: DE69230036T2
Application number: DE69230036T
Authority: DE
Inventors: Michael Teitel
Original assignee: Sun Microsystems Inc
Current assignee: Sun Microsystems Inc
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: WO1993001583A1; ATE185012T1; US5999147A; CA2112682A1; JPH06509185A; EP0592578A1; DE69230036D1; US5798739A; EP0592578A4; CA2112682C; EP0592578B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anzeigeeinrichtung für ein virtuelles Bild.

2. Hintergrund der Erfindung

Systeme der virtuellen Realität sind dafür ausgelegt, einem Benutzer computererzeugte visuelle und wahlweise auch hörbare Bilder bzw. Programme zu bieten, die es dem Benutzer ermöglichen, eine durch den Computer simulierte Realität zu erfahren. Gleichzeitig kann der Benutzer mit einem auf Bewegung ansprechenden Handschuh oder auch einem Anzug ausgerüstet sein, der eine Wechselwirkung des Benutzers mit der dargebotenen Information der virtuellen Realität erlaubt. Beispielsweise kann der Benutzer in der Lage sein, einen Gegenstand zu berühren und sich in dem Gesichtsfeld "zu bewegen", oder er kann ein sich veränderndes, hörbares Programm erfahren bzw. wahrnehmen, wenn das Bild eines Gegenstandes in dem Gesichtsfeld bezüglich des Ohrs des Benutzers bewegt wird.
Eine wichtige Anwendung von Systemen der virtuellen Realität liegt in Flugsimulatoren vor, wobei für einen auszubildenden bzw. zu trainierenden Benutzer eine visuelle Fluginformation bereitgestellt wird. Eine weitere Anwendung liegt in der tatsächlichen Flugführung, wobei visuelle Programme bzw. Darstellungen, die aus Infrarot- oder Radarsignalen erzeugt bzw. verarbeitet werden, einem der Augen des Piloten dargeboten werden. Andere Anwendungen entstehen beispielsweise in der Architektur, der Medizin, den Ingenieurwissenschafen und der Unterhaltung im Zuge der Entwicklung von Computergrafikfähigkeiten in Realzeit.
Ein erwünschter Typ eines Systems der virtuellen Realität verwendet eine am Kopf zu montierende Anzeige (HMD), die dafür ausgelegt ist, von einem Benutzer getragen zu werden und die in der Lage ist, visuelle Bilder zu erzeugen, die als virtuelle, dreidimensionale Bilder empfunden werden. Auf dem Kopf montierte Anzeigen für die Verwendung von Flugsimulationssystemen sind bereits vorgeschlagen worden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4,048,653 ein mit dem Kopf verbundenes, visuelles Anzeigesystem, welches eine am Kopf montierte Einheit einschließt, die von dem Betrachter getragen wird, sowie ein Bildprojektionssystem zum Projizieren von Bildern für das linke Auge und das rechte Auge auf Bildschirmen für das linke bzw. rechte Auge in der am Kopf montierten Einheit, und zwar über einen optischen Zug. In jüngerer Zeit haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein HMD beschrieben, bei welchem visuelle Bilder durch Flüssigkristallbildschirme (LCDs) in einer am Kopf montierten Einheit erzeugt werden und von dem Betrachter als dreidimensionale virtuelle Bilder gesehen werden.
Allgemein ist es wünschenswert, daß ein Betrachter ein weitwinkliges virtuelles Bild sieht, so daß selbst die periphere Sicht des Beobachters zur Geltung kommt. Ein Aspekt in der Ausgestaltung eines weltwinkligen Betrachtungssystems in einem HMD ist das Erfordernis einer Linse mit großem Durchmesser, die eine relativ kleine Brennweite hat. Derartige Linsen können relativ voluminös und teuer sein.
Weiterhin können Effekte der sphärischen Aberration, die mit sphärischen Glaslinsen verbunden sind, eine ausgeprägte rechtwinklige Verzerrung in den äußeren Bereichen des weltwinkligen Bildes hervorrufen. Bisher hat sich, obwohl bereits eine Vielfalt von mit dem Kopf verbundenen Bildsystemen vorgeschlagen worden sind, keines von diesen als in der Lage erwiesen, eine verzerrungsfreie weltwinklige Bilddarstellung zu erreichen.
Die US-A-4, 932, 765 beschreibt eine optische Einrichtung zum Bereitstellen zusätzlicher peripherer und rückwärtiger Sicht, wobei optische Elemente verwendet werden, um Licht von den peripheren Gegenständen in die Sichtlinie des Benutzers zu reflektieren. Die US-A- 5,013,135 beschreibt ein "Head-Up Display" (HUD Anzeige für erhobenen Kopf) für ein Fahrzeug, bei welchem die Einrichtung innerhalb des Armaturenbrettes des Fahrzeuges vorgesehen ist und wobei ein Übersetzer bzw. Dublierer verwendet wird, um ein Bild in die Sichtlinie des Benutzers zu reflektieren.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine optische Einrichtung für das Betrachten elektronisch erzeugter Bilder bereit mit: einem Bildanzeigebildschirm für das Darbieten elektronisch erzeugter Bilder, einer Fresnel-Linse für das Fokussieren von Bildern von dem Bildschirm in einer ausgewählten Position für das Betrachten durch den Betrachter als ein virtuelles Bild, welches sich in einem ausgewählten Abstand von dem Auge des Betrachters befindet, Einrichtungen für das Haltern des Bildschirmes und der Linse in einer relativ bezüglich des Auges des Benutzers fixierten Position für das Betrachten durch den Betrachter, wobei die optische Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fresnel-Linse einen Satz von konzentrischen, konvergierenden Ringen hat, wobei die Krümmung der Oberfläche jedes Ringes so vorbestimmt ist, daß die konvergierenden Ringe gemeinsam so wirken, daß sie die rechtwinklige Verzerrung der durch den Betrachter gesehenen virtuellen Bilder über das gesamte Gesichtsfeld des Bildes reduzieren, wodurch die optische Einrichtung eine Weitwinkelbetrachtung von elektronisch erzeugten Bildern ermöglicht. Vorzugsweise weist die Einrichtung einen solchen Bildschirm und Linsenaufbau sowohl für das linke als auch für das reche Auge auf, damit man stereoskopische Bilder sehen kann.
Für die Betrachtung von Bildern über einen weiten Winkel, z. B. 60º oder mehr, ist die Linse vorzugsweise eine Verbundlinse und weist ein Paar von Fresnel-Linsen auf, dessen eine mit ihrer Vorderseite an der Rückseite der anderen angeordnet ist. Der Linsendurchmesser beträgt vorzugsweise 60 mm oder mehr, und die Brennweite beträgt vorzugsweise 30 bis 50 mm oder weniger.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Linse in etwa in der Mitte des Abstandes zwischen dem Anzeigebildschirm und dem Auge des Betrachters, wenn sie sich in einem wirksamen bzw. betriebsbereiten Zustand befindet, und das virtuelle Bild, welches durch die Linse erzeugt wird, befindet sich zumindest etwa 3 m (10 Fuß) vor dem Auge des Betrachters.
Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Bildanzeigebildschirm ein Flüssigkristallanzeigeschirm, der ein Pixelfeld hat, das Cluster aus RBG-Pixelgruppen bildet. Die Einrichtung weist weiterhin eine teilweise durchscheinende Platte auf, die an bzw. vor dem Bildschirm angeordnet ist und die so wirkt, daß sie den Unterschied bzw. den Übergang zwischen den einzelnen Pixelelementen in einem solchen RBG Pixelcluster verwischt.
Allgemeiner gesehen weist die Erfindung eine mit dem Kopf verbundene Bildanzeigeeinrichtung auf für die Verwendung zur Betrachtung von elektronisch erzeugten Bildern als virtuelle Bilder. Der Aufbau weist einen Bildanzeigebildschirm auf, um elektronisch erzeugte Bilder darzubieten, sowie eine Fresnel-Linse für das Fokussieren von Bildern von dem Bildschirm in einer ausgewählten Position für die Betrachtung durch den Betrachter als virtuelles Bild, welches sich in einem ausgewählten Abstand von dem Auge des Betrachters befindet. Die Linse hat einen Satz von konzentrischen, konvergierenden Ringen, deren Ringkrümmungen so ausgelegt sind, daß sie einen gewünschten Lichtbrecheffekt erzeugen, um so die äußeren, rechtwinkligen Feldverzerrungen über ein Weitwinkelbetrachtungsfeld zu reduzieren. Der Bildschirm und die Linse werden auf einem mit dem Kopf verbundenen Aufbau getragen, wie z. B. einem Brillengestell, oder an einem von Hand zu haltenden Rahmen, um das Auge des Betrachters an der nahen Konjugierten der Linse zu positionieren. Dies und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden noch deutlicher beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer am Kopf zu montierenden Anzeigeeinrichtung, welche die Anzeigeoptik gemäß der vorliegenden Erfindung enthält,
Fig. 2 zeigt die Anzeigeoptik für ein Auge in der am Kopf zu montierenden Einrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 zeigt einen Teil der Fläche eines Flüssigkristallanzeigefeldes in der Anzeigeoptik,
Fig. 4 zeigt die Fläche einer Fresnel-Linse in der Anzeigeoptik,
Fig. 5 ist ein Strahlendiagramm, welches veranschaulicht, wie der Fresnel-Linsen- Aufbau, der in Fig. 5 dargestellt ist, wirkt, um in den äußeren Feldbereichen des Abbildungsbildschirmes die rechtwinklige Bildverzerrung zu reduzieren, und
Fig. 6 stellt dar, wie durch die Anzeigeoptik ein Farbbild erzeugt wird.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine am Kopf zu montierende Anzeige (HMD) oder eine Anzeigeeinrichtung 10, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Die Einrichtung beinhaltet im allgemeinen ein Kopfteil 12, welches dafür ausgelegt ist, von einem Betrachter getragen zu werden, und einen optischen Aufbau 14 für das Erzeugen von weitwinkligen, elektronisch erzeugten virtuellen Bildern für jedes Auge des Betrachters, wie unten beschrieben wird. Außerdem ist in der Einrichtung ein Paar von Kopfhörern gezeigt, wie z. B. der Kopfhörer 16, obwohl diese nicht Teil der vorliegenden Erfindung bilden, und welche beim Senden von Hörprogrammen verwendet werden, die vorzugsweise mit den beobachteten sichtbaren Bildern für den Benutzer verwendet werden.
Das Kopfteil weist einen Rahmen 17 auf, der dafür ausgelegt ist, auf den Kopf des Betrachters zu passen, und weist eine Maske 18 auf, die auf den Augenbereich des Betrachters paßt. Auch wenn der beim Verbinden des optischen Aufbaus mit einem Auge des Betrachters verwendete Aufbau in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ein Gestell ist, welches mit der Vorderseite, der Rückseite und den Seiten des Kopfes des Benutzers in Eingriff tritt, sind andere Typen von am Kopf montierten Aufbauten, wie z. B. ein Gestell vom Brillentyp, ebenso vorstellbar.
In einer allgemeineren Ausführungsform wird der optische Aufbau auf einer Halterungsstruktur getragen, wie z. B. auf einem auf einem Tisch montierten Träger, oder auf einem von Hand zu haltenden Träger, der so wirkt, daß er den optischen Aufbau in einer relativ fixierten Position bezüglich der Augen des Betrachters hält, um ein von dem Aufbau erzeugtes virtuelles Bild zu betrachten. Beispielsweise kann eine am Tisch montierte Halterung ein an dem Tisch montiertes Basisteil und einen bewegbaren Arm aufweisen, der so positionierbar ist, daß er die optische Einrichtung, die auf dem Arm getragen wird, in einer Position für das Betrachten anordnet.
Gemäß den Fig. 1 bis 3 weist der optische Aufbau in der Einrichtung einen Bildanzeigebildschirm 20 auf, der in dem Kopfteil montiert ist, um elektronisch erzeugte Bilder für den Betrachter bereitzustellen. In der dargestellten Ausführungsform wird der Bildanzeigebildschirm erzeugt durch ein Paar von Flüssigkristallanzeigeeinheiten 22, 24 (LCDs). Gemäß einem Standardaufbau weist jede LCD-Einheit eine Quelle nichtpolarisierten Lichtes, einen ersten Polarisator, ein Polarisationsdrehfeld (welches einzelne Pixel erzeugt) und einen zweiten Polarisator auf, der als Analysator dient. (Diese Komponenten werden in den Fig. 1 und 2 durch eine einzige Platte wiedergegeben.)
Der ausgeschnittene Teil der Einrichtung 22 in Fig. 1 sowie Fig. 3 zeigen ein Pixelfeld 26 aus Pixeln 28, die den Bildanzeigebildschirm für das rechte Auge des Benutzers in dieser Einrichtung bilden. LCD-Einheiten, welche ein rechteckiges Pixelfeld von 62 · 48 mm und etwa 102.000 Pixel pro Feld haben, sind kommerziell erhältlich, z. B. von Epson (Japan).
Elektronisch erzeugte Bilder werden den beiden Bildschirmen von einem geeigneten Bildgenerator (nicht dargestellt) zugeführt, der über ein geeignetes Verbindungsglied, wie es bei 29 angezeigt wird, mit den LCD-Einheiten verbunden ist. Der Bildgenerator kann beispielsweise aus einem Paar von Grafik-Workstations bestehen, wie z. B. Silicon Graphics- Workstations, die dafür ausgelegt sind, positionsabhängige Bilder zu erzeugen, die (a) sich verändern, um die relative Position des von dem Betrachter getragenen Kopfteiles wiederzugeben, und (b) die von dem Betrachter als ein dreidimensionales Bild rekonstruiert werden. Solche Bildgeneratoren können aus kommerziell erhältlichen Workstations und Komponenten von Grafiksoftware zusammengesetzt werden.
Alternativ könnte der Bildschirm für das Darbieten elektronisch erzeugter Bilder durch einen oder ein Paar von CRTs bereitgestellt werden, die beispielsweise an den Seiten des Kopfteiles montiert werden können und die ihre Bilder über eine Linse oder ein optisches Faserbündel auf einen geeigneten Betrachtungsbildschirm projizieren, der in dem vorderen Bereich einer Maske 18 angeordnet ist oder auf anderen Arten von Anzeigebildschirmen für das Darstellen elektronisch erzeugter Bilder. Andere Einrichtungen für das Erzeugen elektronisch erzeugter Bilder, wie z. B. Videokameras oder dergleichen, sind ebenfalls denkbar.
Der Bildschirm, bei welchem Bilder für den Betrachter dargeboten werden, befindet sich vorzugsweise in der Maske in einer Position, die etwa 5 bis 10 cm von der Ebene der Pupillen des Betrachters entfernt liegt. Der Abstand zwischen dem Bildschirm und den Augen des Benutzers wird durch die optischen Eigenschaften der Linse (Linsen), die in dem optischen Aufbau verwendet werden, sowie durch die ausgewählten Positionen der Konjugierten in dem optischen Aufbau, d. h. die ausgewählten Brennpunktpositionen auf den entgegengesetzten Seiten der Linse, festgelegt, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
Auch wenn der Bildschirm in der Einrichtung 10 unmittelbar vor dem Benutzer angeordnet ist, so versteht es sich, daß jegliche Bildschirmausgestaltung, die in der Weise wirksam ist, daß sie ein Bild vor dem Betrachter erzeugt, geeignet ist. Zum Beispiel kann der Bildschirm oben auf der Maske angeordnet werden, wobei die Bildschirmbilder nach unten auf einen zur Hälfte versilberten Spiegel projiziert werden, der so angeordnet ist, daß er einen Teil des Bildes unmittelbar auf die Augen des Betrachters lenkt. Ein solcher Aufbau würde es dem Betrachter ermöglichen, das elektronisch erzeugte Bild zu betrachten, ebenso wie "durch" das Bild hindurchzusehen. In diesem Aufbau ist die unten beschriebene Fresnel-Linse vorzugsweise zwischen dem Bildschirm und dem halbversilberten Spiegel angeordnet.
Auf der Betrachtungsseite der LCD-Einrichtung ist ein leicht trüber oder mit einer rauhen Oberfläche versehener Film 29 angeordnet, der so wirkt, daß er Licht von individuellen Pixeln verschmiert und die Störung bzw. Destraktion des Betrachters aufgrund von durch das Auge nahe gesehenen, invididuellen Lichtfeldelementen vermindert. Die Fähigkeit des Filmes, individuelle Elemente zu verschmieren, ist auch bei einer Farb-LCD-Einrichtung zweckmäßig, um unterschiedliche Farbpixel zu größeren Mehrfarbelementen zu verschmieren, wie dies weiter unten mit Bezug auf Fig. 6 noch beschrieben wird.
Es sind eine Vielfalt von halbdurchscheinenden Filmmaterialien, wie z. B. Velum, Polyethylenbahnmaterial mit einer leicht aufgerauhten Oberfläche, oder einem Material mit einem internen, lichtstreuenden Polymer, verfügbar. Der Film bzw. die Folie befindet sich vorzugsweise 1 bis 2 mm vor dem Bildschirm (Pixelfeld) der LCD-Einrichtung.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung weist der optische Aufbau eine Fresnel- Linse auf, wie z. B. die bei 30 in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verbund-Fresnel-Linse. In der dargestellten Ausführungsform weist die Verbundlinse 30 zwei identische Fresnel-Linsen- Elemente oder Linsen 32, 34 auf, die in einer Anordnung mit der Vorderseite der einen an der Rückseite der anderen vorgesehen sind, wie man in Fig. 2 erkennt. Das heißt, die vordere (obere Seite) der Linse 34 in der Figur ist der hinteren (unteren Seite) der Linse 32 zugewandt. Der Zweck des Zwei-Linsen-Aufbaus liegt darin, die Brennweite der zusammengesetzten Linse bei einem ausgewählten Linsendurchmesser um etwa einen Faktor 1 /2 zu vermindern, um aus der Sicht des Auges des Betrachters einen Gesichtswinkel von zumindest etwa 60º zu erzeugen. Die beiden Linsen werden unter einem Abstand von etwa 2 bis 3 mm zueinander angeordnet, wobei ihre optischen Zentren miteinander ausgerichtet sind. Der Abstand zwischen den beiden Linsen wirkt so, daß Effekte von Moirée-Mustern aus den Oberflächenmustern der beiden Linsen minimal gemacht werden.
Die Fresnel-Linse 32, die beispielhaft ist, wird unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben, welche die Linse in einem Querschnitt durch einen Durchmesser zeigt, sowie unter Bezug auf Fig. 4, welche die rechteckige Linse in einer ebenen Draufsicht zeigt. Die Linse wird aus einer Serie konzentrischer Ringe gebildet, wie z. B. den Ringen 36, 38, deren Oberflächenkrümmungen eine parabolische Linsenoberfläche bilden, wie es durch die strichpunktierte Linie 40 in Fig. 2 angedeutet wird. In dieser Ausführungsform wirken die Oberflächenkrümmungen der Linsenringe so, daß sie rechtwinklige Verzerrungseffekte - entweder vom Kissenverzeichnungs- oder Tonnentyp; - vermindern, die man in den äußeren Bereichen von optischen Bildern sieht, welche durch sphärische Linsen gebildet werden, und zwar bei einer unendlichen Konjugierten. Den Effekt der Linsenkrümmung auf die rechtwinklige Verzerrung erkennt man unten in Verbindung mit Fig. 5.
Allgemein gesprochen werden die Linsenkrümmungen so ausgewählt, daß sie einen gewünschten Bildstrahlbrechungseffekt erreichen, um die gewünschten Korrekturen oder Bildeffekte für das virtuelle Bild und die ausgewählten Bereiche des Bildes zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform werden die Linsenringkrümmungen bezüglich sphärischer Aberrationen bei einer unendlichen Konjugierten korrigiert, d. h. wenn im wesentlichen parallele Strahlen auf den Brennpunkt der Linse fokussiert werden, und wobei die nahe Konjugierte dem Brennpunkt der Linse entspricht. Für endliche Konjugierte wären unterschiedliche Ringkrümmungen erforderlich, um die rechtwinklige Verzerrung zu vermindern, wie man weiter unten anhand von Fig. 4 erkennt. In einem allgemeineren Fall werden also für eine Korrektur der rechtwinkligen Verzerrung die Linsenringkrümmungen so ausgewählt, daß sie eine sphärische Aberration bei einem gegebenen Paar von Konjugierten korrigieren, und das Auge wird auf einer der Konjugierten, üblicherweise der nahen Konjugierten, angeordnet. Alternativ können die Fresnel-Linsen-Ringkrümmungen so ausgewählt werden, daß sie Brechungseffekte korrigieren oder kompensieren, die durch andere Linsenelemente 5 in einer Verbundlinse erzeugt werden. Beispielsweise können in einer Verbund-Fresnel-Linse, die ein konventionelles optisches Element aus Glas enthält, die Fresnel-Linsen-Ringkrümmungen so ausgewählt werden, daß sie sphärische Aberrationseffekte aufgrund des Glaslinsenelementes korrigieren oder kompensieren. So wie es hier definiert ist, bedeutet "Fresnel-Linse" eine einzelne Fresnel- Linse, eine Verbund-Fresnel-Linse, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, und eine Verbundlinse, die sowohl Fresnel-Linsen-Elemente als auch Linsenelemente mit kontinuierlichen Oberflächenkrümmungen enthält, wie z. B. standardmäßige Glaslinsenelemente.
Fresnel-Linsen, die eine ausgewählte Oberflächenkrümmung (Ringkrümmungen) haben, können konventionell aus einer Hauptlinse gebildet werden, die mit einer optischen Drehbank hergestellt wurde. Nachfolgende Duplikate werden in einfacher Weise durch Präge- oder Gießvorgänge hergestellt. Geeignete Linsen für die Verwendung in der in Fig. 2 dargestellten Linsenkonfiguration sind verfügbar von Fresnel Technologies (Ft. Worth, TX) Kataloglinse Nr. 4.
Jede der Fresnel-Linsen, welche die Verbundlinse in der Einrichtung bilden, hat eine bevorzugte Brennweite von etwa 60 mm oder weniger und einen bevorzugten Durchmesser von etwa 65 mm oder mehr. Wie in Fig. 2 angezeigt wird, hat die quadratische Linse in etwa dieselben Maße wie der Bildschirm für das Bild, um Pixelinformationen auf dem gesamten Feld aufzunehmen und zu fokussieren. Wenn die identischen beiden Linsen tandemartig angeordnet werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so beträgt die Brennweite der Verbundlinse näherungsweise die Hälfte derjenigen jeder einzelnen Linse und vorzugsweise weniger als etwa 50 mm, besonders bevorzugt etwa 30 mm oder weniger. Bei den beispielhaft angegebenen Linsenparametern, d. h. einem Linsendurchmesser von 65 mm und einer Brennweite von 30 mm, beträgt das Gesichtsfeld etwa 90º.
Die Verbundlinse wird in der Maske 18 angeordnet, wobei ihre nahe Konjugierte sich an oder in der Nähe der erwarteten Position der Pupille des Betrachters befindet. Der Abstand zwischen der Linse und dem Bildschirm wird festgelegt durch die gewünschten Betrachtungskonjugierten, d. h. die gewünschte Position des virtuellen Bildes aus der Sicht des Betrachters. In der dargestellten Ausführungsform ist die Bildkonjugierte die unendliche Konjugierte (zumindest etwa 3 m (10 Fuß) von dem Betrachter entfernt), was dadurch erreicht wird, daß die Linse um eine Brennweite von dem Bildschirm entfernt angeordnet wird, d. h. um etwa 30 mm. Indem der Bildschirm von der Linse weiter weg bewegt wird, wird die Bildkonjugierte verringert, was den Effekt hat, daß das virtuelle Bild näher an den Betrachter heranbewegt wird. Auch wenn es nicht dargestellt ist, so kann die Maske doch so ausgelegt werden, daß sie eine austauschbare Fresnel-Linse oder Linsenkombinationen halten kann, um unterschiedliche, ausgewählte Abbildungseffekte mit den verschiedenen Linsenoberflächenkrümmungen zu erreichen.
Fig. 5 zeigt, wie der optische Aufbau gemäß der Erfindung ein Bild von dem Bildschirm auf das Auge des Betrachters fokussiert. Bei dem dargestellten Aufbau ist die Verbund-Fresnel-Linse 30 nach Fig. 2 aus Gründen der Einfachheit durch eine einzelne Fresnel-Linse 32 ersetzt worden, wobei es sich versteht, daß die Verbundlinse identisch, jedoch mit der halben Brennweite, funktioniert. Auch ist die Linse in dem vorliegenden Aufbau um eine Brennweite von dem Bildschirm 20 entfernt positioniert, wie angezeigt, um ein virtuelles Bild in einem Abstand von zumindest etwa 10 Fuß von dem Betrachter zu erzeugen.
Die Figur zeigt die Position des Auges des Betrachters, wobei die Apertur der Pupille durch die Öffnung 42 angezeigt wird. Die Apertur der Pupille beträgt typischerweise im Durchmesser etwa 3 mm, wobei der Brennpunkt der Linse, der mit 43 bezeichnet wird, die Position im Zentrum der Apertur ist.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Linsengestaltung in der Ausführungsform nach Fig. 1 wirken die effektiven Oberflächenkrümmungen der Linsenringe so, daß sie rechtwinklige Verzerrungen minimal machen, die in den äußeren Bereichen des Gesichtsfeldes auftreten können. Diese Eigenschaft wird in einer Fresnel-Linse erreicht, deren Ringoberflächenkrümmungen gemeinsam eine parabolische Linsenfläche definieren, welche dem Bildschirm zugewandt ist, und welche so wirken, daß sie Lichtstrahlen, die im wesentlichen senkrecht zu der Linsenoberfläche gerichtet sind, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, auf die Pupille des Betrachters fokussieren.
In der Figur werden durch den Bildschirm 20 zwei gleichlange Pfeile 54, 56 jeweils in Zentrum- und Randbereichen des Bildschirms gebildet. Die Lichtstrahlen, welche den zentralen Pfeil bilden und die bei 57 angedeutet werden, werden in dem zentralen Abschnitt der Linse 32 gebrochen, wo die Linsenkrümmung sowohl für sphärische als auch für parabolische Oberflächen im wesentlichen dieselbe ist. Die beiden konvergierenden Strahlen 58, 60, die in Fig. 6 als auf die Pupille fokussiert dargestellt sind, geben die Hauptstrahlen von linken und rechten Pixeln in dem Bildschirm wieder, welche die Strahlen bilden, die den Pfeil ausmachen.
Um das von dem Betrachter gesehene bzw. empfundene virtuelle Bild aufzubauen, werden die Strahlen 58, 60 in der vorliegenden Ausführungsform auf eine unendliche Konjugierte projiziert, d. h. unter zumindest etwa 3 m (10 Fuß) vor dem Benutzer, um ein virtuelles Bild 62 des Pfeiles zu liefern. In ähnlicher Weise wird das virtuelle Bild, welches aus den Lichtstrahlen aufgebaut wird, die den Pfeil 56 bilden, aus den gebrochenen Strahlen 64, 66 aufgebaut, die durch Hauptstrahlen gebildet werden, welche die Linse im wesentlichen in Normalrichtung treffen und die auf die Pupille des Betrachters gebrochen werden, wie in Fig. 5. Die Strahlen 64, 66 ergeben, wenn sie auf die unendliche Konjugierte projiziert werden, das virtuelle Bild 67 des Pfeiles, welcher im wesentlichen dieselben Abmessungen hat wie das Bild 62 des zentralen Pfeiles. Das heißt, die wahrgenommene, rechtwinklige Größe von Bildern, die auf dem Bildschirm gebildet werden, ist im wesentlichen unabhängig von der Position auf dem Bildschirm, wo die Bilder gebildet werden.
Außerdem ist in der Figur die rechtwinklige Verzerrung der Bildgröße dargestellt, die auftreten würde, wenn Bilder im äußeren Feld von dem Bildschirm 20 durch einen konventionellen, sphärischen Spiegel fokussiert werden würden, wie es durch eine Linsenoberfläche 68 in strichpunktierten Linien in der Figur angedeutet ist. Es sei hier angenommen, daß die durch eine sphärische Linse erzeugte sphärische Aberration so wirken würde, daß sie Lichtstrahlen von Bildern im äußeren Feld, die senkrecht zur Linsenoberfläche gerichtet sind, in einem Punkt fokussieren würde, der näher an der Linse liegt als die echte Brennweite. Dementsprechend würden Strahlen, die auf den Brennpunkt fokussiert werden (durch die Pupille des Betrachters), von Strahlen herrühren, die die Linse unter einem leicht geneigten Winkel treffen, wie es bei 71 in strichpunktierten Linien gezeigt ist.
Wenn die gebrochenen Strahlen, die durch strichpunktierte Linien 72, 74 dargestellt sind, auf die unendliche Konjugierte projiziert werden, so ist das Bild 76 des Pfeiles 56, das so gebildet wird, beträchtlich länger als das Bild 62 des zentralen Pfeiles. Diese Art von rechtwinkliger Verzerrung, bei welcher Bilder im äußeren Bereich eine verzerrte Vergrößerung zeigen, ist als Kissenverzeichnis bekannt. Ein umgekehrter Typ von Verzerrung, der als Tonnenverzeichnis bekannt ist, würde auftreten, wenn Aberrationen in der Linsenoberfläche bewirkt hätten, daß Bilder im äußeren Bereich hinter dem tatsächlichen Brennpunkt der Linse fokussiert würden.
In dem dargestellten Aufbau sind rechtwinklige Verzerrungen minimiert durch Ausbilden einer Fresnel-Linse (oder eines Paares von Linsen), deren Ringkrümmungen (a) dem Bildschirm zugewandt sind, und (b) eine im wesentlichen parabolische Linsenoberfläche definieren. Andere Oberflächenkrümmungen der Fresnel-Linse wären erforderlich, um rechtwinklige Verzerrung bei anderen Linsenaufbauten zu korrigieren, wie z. B. in dem Fall, in welchem die Linse in Kombination mit einer Glaslinse verwendet wird, die sphärische Aberration aufweist. In letzterem Fall würden die Oberflächenkrümmungen der Fresnel-Linsen-Ringe so ausgewählt, daß sie die durch die Glaslinse erzeugte sphärische Aberration korrigieren, z. B. durch Krümmungen der Linsenringe, die eine übertriebene parabolische Krümmung in den äußeren Linsenringen haben.
Fig. 6 zeigt einen optischen Aufbau 80 wie den oben beschriebenen, und zwar für die Verwendung bei der Projektion von Farbbildern für den Betrachter. Die Figur zeigt einen Bereich eines LCD-Feldes 82, das Gruppen von RBG-Pixeln enthält, die Farbgruppen aus drei Pixeln bilden, wie z. B. die Gruppe 82, die aus den Pixeln 84, 85, 86 gebildet wird. Eine teilweise durchscheinende oder trübe Platte 82 in dem Aufbau wirkt so, wie oben beschrieben, daß sie die Trennung zwischen den einzelnen Pixeln in dem Bildschirm verschmiert, und wirkt insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform so, daß sie den Unterschied zwischen benachbarten unterschiedlichen Farbpixeln verschmiert, um ein diffuses Farb-"Element" zu bilden, wie es auf der Platte mit 88 bezeichnet ist, und welches aus den drei dazu beitragenden Farbpixeln gebildet wird.
Die Farbelemente werden wie oben durch eine Fresnel-Linse 92 auf die Pupille eines Betrachters fokussiert, um ein farbiges virtuelles Bild mit minimaler rechtwinkliger Verzerrung zu erzeugen.
Aus dem Vorstehenden erkennt man, wie verschiedene Aufgaben und Merkmale der Erfindung erreicht werden. Der optische Aufbau liefert eine Linse mit großem Durchmesser und kleiner Brennweite für eine Weitwinkelbetrachtung. Gleichzeitig kann die Fresnel-Linse mit Linsenringkrümmungen so ausgestaltet werden, daß sie rechtwinklige Verzerrungseffekte beseitigt oder minimal macht oder andere ausgewählte Bildbrechungseffekte erzeugt. Die Erfindung überwindet damit eine Einschränkung bei mit dem Kopf zu verbindenden Anzeigen, indem für den Betrachter eine relativ verzerrungsfreie Weitwinkelbildwiedergabe erreicht wird. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist bei einer am Kopf montierten Einrichtung das relativ geringe Gewicht der Linse und des Linsenaufbaus.
Auch wenn die Erfindung hier unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, so ist es offensichtlich, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Optische Einrichtung für das Betrachten elektronisch erzeugter Bilder mit:

einem Bildanzeigebildschirm (20) für die Darbietung elektronisch erzeugter Bilder, einer Fresnel-Linse (30, 32), um Bilder von dem Bildschirm an einer ausgewählten Position (42) für die Betrachtung durch einen Betrachter als virtuelles Bild (62, 67) zu fokussieren, welches sich unter einem ausgewählten Abstand von dem Auge des Betrachters befindet,

Einrichtungen für das Haltern des Bildschirmes und der Linse in einer bezüglich des Auges des Betrachters für dessen Betrachtung relativ fixierten Position, wobei die optische Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß

die Fresnel-Linse einen Satz von konzentrischen, konvergierenden Ringen hat, wobei die Krümmung jeder Ringoberfläche derart vorbestimmt ist, daß die konvergierenden Ringe gemeinsam so wirken, daß sie die rechtwinklige Verzerrung der virtuellen Bilder, die der Betrachter über das gesamte Gesichtsfeld des Bildes hinweg wahrnimmt, reduzieren, wodurch die optische Einrichtung eine Weitwinkelbetrachtung von elektronisch erzeugten Bildern ermöglicht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen der Linsenringe so ausgewählt sind, daß sie die sphärische Aberration ausgewählter Konjugierter korrigiert, von denen eine eine nahe Konjugierte ist, und die Linse so positioniert ist, daß sich das Auge des Betrachters bei der nahen Konjugierten befindet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse für eine sphärische Aberration bei einer unendlichen Konjugierten korrigiert ist, wobei die Linse so positioniert ist, daß ihr Fokuspunkt so angepaßt ist, daß er der Pupille des Betrachters entspricht und in der Mitte zwischen dem Anzeigebildschirm und der Pupille des Betrachters liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Ringkrümmun gen eine parabolische Oberfläche definieren.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Linse eine Verbundlinse ist, die ein Paar von Fresnel-Linsen (32, 34) beinhaltet, die mit der Vorderseite der einen an der Rückseite der anderen angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsendurchmesser zumindest etwa 60 mm beträgt und die Brennweite nicht mehr als 50 mm beträgt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesichtsfeld zumindest etwa 60º beträgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildanzeigebildschirm ein Flüssigkristallanzeigebildschirm ist, welcher ein Pixelfeld hat, das Cluster aus RBG- Pixelgruppen bildet, und daß die Einrichtung weiterhin eine teilweise durchsichtige Platte aufweist, die an dem Bildschirm angeordnet ist und die so wirkt, daß sie den Unterschied bzw. Übergang zwischen den individuellen Pixelelementen in einem solchen RBG Pixel-Cluster verwischt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, welche zwei derartige Anzeigebildschirme und Fresnel- Linsen für die linken und rechten Augen des Betrachters aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Linse durch Fresnel-Linsen austauschbar ist, die unterschiedliche effektive Linsenkrümmungen haben.

11. Mit dem Kopf zu verbindende Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Kopfstück aufweist, welches dafür ausgelegt ist, von einem Betrachter getragen zu werden, sowie eine in dem Kopfteil montierte optische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.