DE69923152T2 - Gefaltetes optisches System mit verbesserter Bildisolierung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft optische Systeme zum Betrachten einer Anzeige und spezieller ein optisches System, daß einen gefalteten optischen Weg verwendet, um den Abstand zwischen der Anzeige und dem Betrachter zu minimieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zur Vereinfachung der vorliegenden Erörterung wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Anzeigen erörtert, welche in am Kopf montierten Computeranzeigen verwendet werden; der Fachmann auf diesem Gebiet wird jedoch aus der folgenden Erörterung verstehen, daß die vorliegende Erfindung auf andere Arten von Anzeigen angewendet werden kann. Am Kopf angebrachte Computeranzeigen können als „Augengläser" oder Brillen angesehen werden, die von dem Benutzer getragen werden, um Bilder zu sehen, die von einem Computer oder einer anderen Bildquelle erzeugt werden. Das von jedem Auge gesehene Bild wird auf einem Anzeigeschirm erzeugt, der eine zweidimensionale Anordnung aus Pixeln aufweist.
  • Es ist vorteilhaft, den Abstand zwischen der Anzeige und dem Auge des Betrachters zu minimieren, um den Anteil der Anzeige zu minimieren, der sich vor dem Gesicht des Betrachters erstreckt. Große, überstehende Anzeigen lassen sich nur unbequem tragen. Zusätzlich werden optische Systeme bevorzugt, die auf Reflektoren basieren, weil diese Systeme optische Abbildungen mit hoher Qualität bei Kosten vorsehen, die wesentlich geringer sind als bei Systemen, die auf Linsen basieren.
  • Die EP-A-0 803 756 offenbart eine Betrachtungsvorrichtung für eine am Kopf angebrachte Anzeige mit einer ersten und einer zweiten Linear-Polarisationsfilterplatte, wobei die zweite Polarisationsfilterplatte so angeordnet ist, daß ihr Transmissionsachse die Transmissionsachse der ersten Polarisationsfilterplatte unter einem rechten Winkel schneidet; und mit einer ersten und einer zweiten λ/4-Platte, wobei die erste und die zweite λ/4-Platte zwischen der ersten und der zweiten Linear-Polarisationsfilterplatte angeordnet sind, wobei die λ/4-Platten so angeordnet sind, daß ihre Streckungsachsen einander mit rechten Winkeln schneiden.
  • Systeme des Standes der Technik, welche reflektierende optische Elemente mit kurzen Abständen zwischen Anzeige und Auge kombinieren, sind im Stand der Technik bekannt. Diese Systeme verwenden üblicherweise teilweise reflektierende optische Oberflächen, um den optischen Weg zu falten, so daß der Abstand zwischen dem Auge des Betrachters und der Anzeige minimiert wird. Ein solches System ist beschrieben in dem US Patent 5,644,436. Damit solche Systeme arbeiten können, muß das von der Anzeige emittierte direkte Licht abgeblockt werden. Systeme des Standes der Technik verwenden üblicherweise Polarisationsfilter und λ/4-Platten, zum zu verhindern, daß das direkte Licht das Auge erreicht. Unglücklicherweise drehen λ/4-Platten den Polarisationsvektor des Lichtes nur für bestimmte Wellenlängen um genau 90°. Licht mit Wellenlängen, die von der gewünschten Wellenlänge abweichen, wird entweder um geringfügig mehr als 90° oder um geringfügig weniger als 90° gedreht.
  • Diese Systeme des Standes der Technik blocken daher nicht alles Licht ab, das direkt von der Anzeige kommt, und der Betrachter sieht „Geister"-Bilder.
  • Es ist allgemein die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes gefaltetes optisches System vorzusehen, das mit reflektierenden optischen Abbildungselementen arbeitet.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein optisches System vorzusehen, bei dem Licht von der Anzeige, die abgebildet wird, daran gehindert wird, das Auge des Betrachters zu erreichen, und zwar unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes.
  • Diese und weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich dem Fachmann auf diesem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der Zeichnungen.
  • Die Erfindung sieht ein optisches Abbildungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
  • Abriß der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine optische Kollimationseinrichtung zum Abbilden von Licht von einer Anzeige gemäß Anspruch 1.
  • Weitere Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine gefaltete optische Abbildungsanordnung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Ausführung einer gefalteten optischen Abbildungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung einer gefalteten optischen Abbildungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die An und Weise, wie die vorliegende Erfindung ihre Vorteile erreicht, wird anhand von 1 leichter zu verstehen sein, die ein Blockdiagramm einer üblichen gefalteten optischen Anordnung 20 gemäß dem Stand der Technik zeigt. Die optische Anordnung 20 bildet Licht von einer Anzeige 12 auf das Auge eines Betrachters 14 mit Hilfe eines sphärischen Strahlenteilers 22 als das Abbildungselement ab. Im Idealfall wird das Licht, das direkt von der Anzeige 12 zu dem Betrachter 14 läuft, abgeblockt. Die optische Anordnung 20 verwendet parallele Polarisationsfilter 21 und 26 mit einer Polarisationsdrehung von 90° zwischen den Polarisationsfiltern, um zu verhindern, daß Licht, welches direkt von der Anzeige 12 kommt, den Betrachter 14 erreicht. Die optische Anordnung 20 umfaßt die parallelen Polarisationsfilter 21 und 26, zwei λ/4-Platten 23 und 25 und den Strahlenteiler 24. Die zwei λ/4-Platten 23 und 25 liegen zwischen den Polarisationsfiltern. Der Strahlenteiler 24 liegt zwischen den λ/4-Platten 23 und 25. Die zwei λ/4-Platten 23 und 25 wirken gemeinsam wie eine λ/2-Platte, welche die Polarisation des Lichtes, das direkt von dem Polarisierer 21 kommt, um 90° drehen, so daß das Licht von dem Polarisierer 26 abgeblockt wird. Somit wird verhindert, daß Licht, das direkt von der Anzeige 12 kommt, den Betrachter 14 erreicht.
  • Damit die optische Anordnung 20 richtig arbeiten kann, darf das Licht, das von dem sphärischen Strahlenteiler 22 kollimiert wird, die 90° -Drehung nicht durchlaufen, so wie das Licht, das direkt von der Anzeige 12 zu dem Betrachter 14 kommt. Die optische Anordnung 20 nutzt die Erkenntnis, daß zirkular polarisiertes Licht seine Polarisationsrichtung bei Reflexion ändert. Das von dem Strahlenteiler 22 kollimierte Licht geht durch die λ/4-Platte 23 und verläßt die λ/4-Platte 23 zirkular polarisiert. Es sei angenommen, daß dieses Lichts rechtsdrehend ist. Die Polarisation dieses Lichtes wird dann durch Reflexion von dem Strahlenteiler 24 linksdrehend. Beim erneuten Durchgang durch die λ/4-Platte 23 wird das Licht linear polarisiert, die Polarisationsrichtung wird jedoch in Bezug auf die Polarisationsrichtung, welche durch den Polarisierer 21 vorgegeben wird, um 90° gedreht. Wenn das Licht von dem sphärischen Strahlenteiler 22 reflektiert wird, wird die Polarisationsrichtung nicht geändert. Dieses Licht geht nochmals durch die λ/4-Platte 23, wo seine Polarisation auf links gedrehte Zirkularpolarisation umgewandelt wird. Da die Polarisation dieses Lichtes linksdrehend ist, anders als die des Lichtes, das direkt von der Anzeige 12 kommt, und rechtsdrehend ist, wandelt die λ/4-Platte 25 dieses Licht in linear polarisiertes Licht um. Die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes hat jedoch nicht die 90° -Drehung erfahren, welche die Polarisationsrichtung des direkt von der Anzeige 12 kommenden Lichtes erfahren hat. Das Licht geht somit durch den Polarisationsfilter 26.
  • Das Licht, das direkt von der Anzeige 12 kommt, geht ohne Reflexion durch beide λ/4-Platten. Wenn die λ/4-Platten ideal arbeiten, wirken sie wie eine λ/2-Platte, und die Polarisationsrichtung des Lichtes wird um 90° gedreht. Eine λ/4-Platte ist ein doppelbrechendes (birefringent) Material, wobei die Dicke so gewählt wird, daß es eine Phasenverzögerung von π/2 zwischen der schnellen und der langsamen Polarisation gibt. Wenn die Polarisationsachse der Lichtquelle mit einem Winkel von 45° zwischen der langsamen und der schnellen Achse der λ/4-Platte ausgerichtet ist, entsteht linksdrehend zirkular polarisiertes Licht. Wenn der Winkel – 45° ist, ist das Ausgangssignal rechtsdrehend zirkular polarisiertes Licht. Um die folgende Erörterung zu vereinfachen, wird jede Achse, welche die Orientierung der schnellen Achse definiert, als die Doppelbrechungsachse bezeichnet.
  • Man sollte verstehen, daß die Dicke der λ/4-Platte nur für eine bestimmte Wellenlänge in dem optischen Teil des Spektrums richtig gewählt werden kann. Bei anderen Wellenlängen kann ein kleiner Fehler in dem Grad der Verzögerung der langsamen Komponente auftreten. Dieser Fehler führt zu einer Veränderung der Polarisation des Lichtes, das direkt von der Anzeige 12 zu dem Betrachter 14 zwischen den Polarisationsfiltern hindurchgeht. Da die Polarisationsfilter Licht nur dann vollständig abblocken, wenn zwischen ihnen eine exakte Polarisationsdrehung von 90° stattfindet, wird ein kleiner Anteil des Lichtes, welches die Anzeige 12 verläßt, den Betrachter erreichen. Dies führt dazu, daß der Betrachter ein Geisterbild sieht, dessen Intensität sich mit der Farbe verändert.
  • Die Erfindung vermeidet dieses Problem der Geisterbilder, das bei den Systemen des Standes der Technik auftritt, indem es eine Anordnung aus λ/4-Platten verwendet, bei der die zweite λ/4-Platte die Wirkung der ersten λ/4-Platte umkehrt. Wenn z.B. die erste λ/4-Platte eine Verzögerung von π/2 zwischen den zwei Polarisationskomponenten des Lichtsignals vorsieht, dann sieht die zweite λ/4-Platte eine Verzögerung von –π/2 zwischen den Komponenten vor. Dies wird dadurch erreicht, daß die λ/4-Platten so ausgerichtet werden, daß die Doppelbrechungsachse der ersten λ/4-Platte relativ zur Doppelbrechungsachse der zweiten λ/4-Platte um 90° gedreht ist.
  • In der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die λ/4-Platten aus demselben Material hergestellt. Man betrachte Licht einer Wellenlänge, die sich von der vorgesehenen Wellenlänge, d.h. der Wellenlänge, für welche die Verzögerung genau π/2 ist, unterscheidet. Wenn die erste λ/4-Platte eine Verzögerung von weniger als π/2 vorsieht, dann wird die zweite λ/4-Platte auch eine auslöschende Verzögerung derselben Größe vorsehen. Die Polarisation des Lichtes, welches durch die zwei λ/4-Platten geht, bleibt somit unabhängig von der tatsächlichen Verzögerung, welche die zwei λ/4-Platten vorsehen, unverändert.
  • Im folgenden ist Bezug genommen auf 2, die eine Schnittdarstellung einer gefalteten optischen Anordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zum Kollimieren von Licht von einer Anzeige 12 zeigt. Zum Zwecke dieser Erörterung sei angenommen, daß das die Anzeige 12 verlassende Licht nicht polarisiert ist. Das die Anzeige 12 verlassende Licht kann als Licht angesehen werden, das von zwei linear polarisierten Quellen stammt, eine, die Licht mit einer Polarisation erzeugt, welche in der Figur mit „S" bezeichnet ist, und eine, die Licht mit einer Polarisation „P" erzeugt, wobei P senkrecht zu S ist. Ein erster Polarisationsfilter 101 wird so eingestellt, daß er Licht der Polarisation P entfernt, so daß Licht der Polarisation S zurückbleibt. Eine erste λ/4-Platte 102 wandelt dieses Licht in rechtsdrehend zirkular polarisiertes Licht um, das in der Figur mit „R" bezeichnet ist. Dieses Licht geht durch einen sphärischen Strahlenteiler 103 und eine zweite λ/4-Platte 104. Die λ/4-Platte 104 wandelt das rechtsdrehend zirkular polarisierte Licht zurück in linear polarisiertes Licht mit einer Polarisation in der S-Richtung um. Das Licht trifft auf einen planaren Strahlenteiler 105, der einen Teil des Lichts zurück zu dem sphärischen Strahlenteiler 103 reflektiert.
  • Der Rest des Lichtes 111 trifft den Polarisationsfilter 106, der so eingestellt ist, daß er linear polarisiertes Licht mit einer Polarisation in der S-Richtung abblockt. Dies ist das Licht, das direkt von der Anzeige kommt. Wie oben erwähnt, ist die λ/4-Platte 104 so ausgerichtet, daß sie die Wirkung der λ/4-Platte 102 umkehrt. Das gesamte von der Anzeige stammende Licht wird somit unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes abgeblockt.
  • Das Licht, das von dem Strahlenteiler 105 reflektiert wird, geht zurück durch die λ/4-Platte 104 und wird in rechtsdrehend zirkular polarisiertes Licht zurückgewandelt. Dieses Licht wird von dem sphärischen Strahlenteiler 103 reflektiert. Bei Reflexion dreht das zirkular polarisierte Licht seine Polarisationsrichtung um; das den sphärischen Strahlenteiler 103 verlassende Licht ist somit linksdrehend zirkular polarisiertes Licht, wie in der Figur durch „L" angegeben. Dieses Licht geht durch die λ/4-Platte 104 und wird zurück in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Die Polarisationsrichtung ist nun jedoch P. Der Gesamteffekt der nicht perfekten λ/4-Platten addiert einen geringen Anteil S-Polarisation zu diesem Licht, dies verringert den Durchsatz jedoch nur geringfügig. Die Hälfte dieses Lichtes geht durch den Strahlenteiler 105 und verläßt die Anordnung über den Polarisationsfilter 106, der so eingestellt ist, daß er Licht mit einer Polarisation der P-Richtung hindurchläßt.
  • Die andere Hälfte des Lichtes wird wiederum von dem Reflektor 103 reflektiert; dieses Licht kehrt jedoch mit einer S-Polarisation zurück, so daß alles Licht, das der nächsten Reflexion bei dem Strahlenteiler 105 entkommt, von dem Filter 106 abgeblockt wird. Es kann also nur der Teil des verbleibenden Lichtes, der zwei Reflexionen durch den Strahlenteiler 103 erfährt, entkommen. Jede Reflexion durch den Strahlenteiler reduziert die Lichtintensität um einen Faktor 2. Zusätzlich ist das Licht, das von dem sphärischen Reflektor 103 reflektiert wird, nicht länger für die Betrachtung durch den Betrachter kollimiert. Das Licht, welches nach der ersten Reflexion von dem Reflektor 103 nicht entkommt, ist somit in seiner Intensität um einen Faktor 16 reduziert und nicht fokussiert. Dieser Hintergrund ist ausreichend diffus und reduziert in Intensität, um für einen menschlichen Betrachter der Anzeige 12 akzeptabel zu sein.
  • 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführung einer gefalteten optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Um die folgende Erörterung zu vereinfachen, sind solche Elemente der Anordnung 200, welche demselben Zweck dienen wie Elemente, die in 2 gezeigt sind, mit Ziffern bezeichnet, welche sich von denen, die in 2 verwendet wurden, um 100 unterscheiden. Die optische Anordnung 200 unterscheidet sich von der optischen Anordnung 100, die in 2 gezeigt ist, durch die Anordnung der λ/4-Platte, welche die Wirkung der λ/4-Platte zwischen den beiden Strahlenteilern kompensiert. In der Anordnung 100 war die kompensierende λ/4-Platte vor dem Strahlenteiler angeordnet, d.h. die λ/4-Platte 102. In der Anordnung 200 ist die kompensierende λ/4-Platte, die λ/4-Platte 202, hinter den Strahlenteiler angeordnet. Wiederum sind die λ/4-Platten so angeordnet, daß die langsamen optischen Achsen der λ/4-Platten orthogonal zueinander sind.
  • Die oben beschriebenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwenden einen sphärischen Strahlenteiler und einen planaren Strahlenteiler mit einer λ/4-Platte, die zwischen diesem angeordnet ist. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird aus der vorhergehenden Erörterung jedoch verstehen, daß jede Anordnung aus zwei Strahlenteilern, welche Licht von der Anzeige abbildet, verwendet werden kann. Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet einen planaren und einen sphärischen Strahlenteiler, weil mit diesen sehr leicht Reflektoren erzeugt werden können.
  • Die oben beschriebenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwenden teilweise reflektierende Oberflächen zum Herstellen der Strahlenteiler. Wenn halbversilberte Oberflächen verwendet werden, geht bei jeder Reflexion eine Hälfte des Lichtes verloren. Dies führt zu einer erheblichen Abnahme der Helligkeit der Anzeige. Dieser Lichtverlust kann erheblich reduziert werden, indem eine teilweise reflektierende Oberfläche verwendet wird, deren Reflektivität von der Polarisation des einfallenden Lichtes abhängt. Die Abbildungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung hängt ab von einer Kombination aus zwei Reflektoren mit einer λ/4-Platte, die zwischen diesen Reflektoren angeordnet ist. Einer der Reflektoren reflektiert zirkular polarisiertes Licht und der andere Reflektor reflektiert linear polarisiertes Licht. In der optischen Anordnung 100 reflektiert z.B. der Reflektor 105 linear polarisiertes Licht, und der Reflektor 103 reflektiert zirkular polarisiertes Licht. In der optischen Anordnung 200 reflektiert der Reflektor 205 zirkular polarisiertes Licht, und der Reflektor 203 reflektiert linear polarisiertes Licht.
  • Wenn der Reflektor, der linear polarisiertes Licht reflektiert, aus einem Material hergestellt wird, das Licht einer linearen Polarisation reflektiert und Licht der anderen linearen Polarisation hindurchläßt, wird in der Intensität des Lichtes, welches bei dem Betrachter ankommt, ein Faktor 4 erreicht. In der Anordnung 100 wird der Reflektor 105 aus einem Material herge stellt, das Licht einer Polarisation reflektiert, während es das Licht der orthogonalen Polarisation hindurchläßt. Solche Materialien sind im Stand der Technik bekannt. Z.B. 3M vermarktet ein solches Material unter dem Handelsnamen DUAL BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM (DBEF). In der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Reflektor 105 so hergestellt, daß S-polarisiertes Licht reflektiert und P-polarisiertes Licht hindurchgelassen wird. Das gesamte Licht, das auf den Reflektor 105 auftritt, wird somit in Richtung des Reflektors 103 reflektiert. Die Hälfte des Lichtes, das auf den Reflektor 103 auftrifft, wird zum Betrachter zurückreflektiert. Das gesamte Licht kommt bei dem Betrachter an, da das gesamte Licht, das von dem Reflektor 103 reflektiert wird, P-polarisiert ist, wenn es den Reflektor erreicht.
  • Die oben beschriebenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung haben planare und sphärische Strahlenteiler verwendet. Es können jedoch auch andere Geometrien verwendet werden, ohne die Lehre der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Z.B. können beide Strahlenteiler gekrümmt sein, und die Krümmung muß nicht sphärisch sein.
  • Zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden sich dem Fachmann auf diesem Gebiet aus der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen ergeben. Die Erfindung ist somit nur durch den Bereich der folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims (4)

  1. Optisches Abbildungssystem (100, 200) zum Abbilden von Licht von einer Anzeige, mit folgenden Merkmalen: ein erster linearer Polarisationsfilter (101, 202) zum Hindurchlassen von Licht, das in eine erste Richtung polarisiert ist; ein zweiter linearer Polarisationsfilter (106, 206) zum Hindurchlassen von Licht, das in eine zweite Richtung polarisiert ist, wobei die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung ist; eine gefaltete Abbildungsanordnung mit einem ersten Strahlenteiler (105, 205), einer ersten λ/4-Platte (104, 204) und einem zweiten Strahlenteiler (103, 203); und eine zweite λ/4-Platte (102, 202), wobei die gefaltete Abbildungsanordnung und die zweite λ/4-Platte (102, 202) zwischen dem ersten und dem zweiten linearen Polarisationsfilter angeordnet sind, und wobei die erste λ/4-Platte (104, 204) eine Doppelbrechungsachse hat, die orthogonal zu der Doppelbrechungsachse der zweiten λ/4-Platte (102, 204) ist, dadurch gekennzeichnet, daß einer der ersten und zweiten Strahlenteiler (105, 205) ein Material mit einer Reflektivität aufweist, die von der Richtung der linearen Polarisation des Lichtes, welches auf diesen Strahlenteiler (105, 205) auftrifft, abhängt, so daß das Licht einer Polarisation reflektiert wird, während das Licht der anderen Polarisation, die hierzu senkrecht ist, hindurchgelassen wird.
  2. Optische Abbildungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei der erste Strahlenteiler (105, 205) eine teilweise reflektierende ebene Oberfläche aufweist und der zweiten Strahlenteiler (103, 203) eine teilweise reflektierende gekrümmte Oberfläche aufweist.
  3. Optische Abbildungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 2, wobei die gekrümmte Oberfläche kugelförmig ist.
  4. Optische Abbildungsanordnung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und die zweite λ/4-Platte (102, 202) eine Schicht aus demselben doppelbrechenden Material aufweisen.
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