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Gebiet der
Beschreibung
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Systeme des Standes der Technik blocken daher nicht alles Licht
ab, das direkt von der Anzeige kommt, und der Betrachter sieht „Geister"-Bilder.
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Es
ist allgemein die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes gefaltetes
optisches System vorzusehen, das mit reflektierenden optischen Abbildungselementen
arbeitet.
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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.
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Diese
und weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich dem Fachmann auf
diesem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung
und der Zeichnungen.
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Die
Erfindung sieht ein optisches Abbildungssystem mit den Merkmalen
von Anspruch 1 vor.
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Abriß der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine optische Kollimationseinrichtung zum Abbilden
von Licht von einer Anzeige gemäß Anspruch
1.
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Weitere
Ausführungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine gefaltete optische Abbildungsanordnung
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführung einer gefalteten optischen
Abbildungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung einer gefalteten optischen
Abbildungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.