SE516715C2 - Display för huvudmontering - Google Patents

Description

20 25 30 5 16 7 1 5 šï* iÉë-Iššï 2 där det optiska organet innefattar prismor som skapar två stråldelare vilka är paral- lella med varandra och vilka var och en skapas av förbindelsen av två prismaytor i ett stråldelarskikt, där den första av stråldelama reflekterar ljus från belysningsorga- net att belysa bildgeneratom, en sfärisk spegel avbildar den belysta bildgeneratom genom att reflektera ljus från bildgeneratom som traverserar den första stråldelaren och den andra stråldelaren, och den andra stråldelaren reflekterar ljus som reflekte- ras av den sfåriska spegeln mot ögats läge.

I detta kända system (US 5,596,45 1), används två kuber (eller åtminstone med kvadratiska sektioner), vilka båda består av högerriktade likbenta prismor som är förenade vid sina hypotenusytor, och skapar polariserande halvspegelytor där emel- lan. En första av kubema har matrisen pålagd på en av kubens sidor, och dess pola- riserande halvspegel används för att belysa matrisen. Matrisen avbildas genom halv- spegeln och in i den andra kuben genom dess halvspegelskikt och ett Ä-fjärdedels skikt (som omvandlar ljuset till cirkulärpolarisering) upp till en plankonvex spegel som är lagd emot kuben. De reflekterade strålarna (med motsatt cirkulärpolarise- ring) kommer att vara linjärpolariserade, men i en vinkelrät riktning i jämförelse med ljuset som kommer från den första kuben, när de kommer tillbaka genom Ä- fjärdedelsskiktet. Det polariserande halvspegelskiktet i den andra kuben kommer därför att rikta ljuset mot ögat. Eftersom ögat också kan se genom den andra kuben, kan bilden och den naturliga scenbilden betraktas samtidigt. Emellertid kan också scenbilden tas bort av ett blockeringsskikt eller liknande, vilket också gör betrakt- ningsanordningen lämplig exempelvis för tillämpningar inom s.k. "virtual reality".

I exemplen som visas i US-patentet 5,596,451 har den första kuben en displaymatris som mindre än den andra kuben, vilken också används för att se genom. På senare tid har matrisema ökat i storlek och antal bildpunkter, så att anordningar med 1280 x 1024 bildpunkter nu finns att tillgå, där chipset har en storlek sammanlagd av 16 x 13 mm. Det är också fördelaktigt att göra den andra kuben så liten som är förenligt med kraven på avlastning för ögat. Det allmänna utförandet skulle då 10 15 20 25 30 an. nu n s .u u. ha. Ir. ."..'° e -e e» s u «. u e z ' _". . .. n. u e e. e 1 a ._ _ ' ' n» n. - - . e. :ut : rv' _ _ _ j , I ß °,° '..' '.. n n - . . . .- 3 kurma riktas mot ett system som visas i fig. l, vilket skiljer sig från den tidigare kända tekniken.

Sammanfattning Det är ett syfte med den föreliggande uppfinningen att erhålla en display av det indi- kerade slaget, för avbildning av en spatiell ljusmodulerare av det ljusreflekterande slaget och vilken har så låg vikt som möjligt och samtidigt har ett stort och ostört bildfält, i syrmerhet med tanke på det direkta synfältet. Ett annat syfle är att uppnå en display som kan förena betraktande av en displayanordning och som är större än de som tidigare använts. Ett ytterligare syfte är att undvika spök- eller skuggbilder, s.k. ghost images. I nuvarande föredragna konstruktionsutföranden är den spatiella ljusmoduleraren en aktiv matris med flytkristallsbildgenerator, men uppfinningen begränsas inte till endast detta slag av bildgenerator.

Dessa och andra syften och fördelar med uppfinningen som kommer att vara uppen- bara ur den följande beskrivningen, uppnås i enlighet med den föreliggande uppfin- ningen med hjälp av en display av det nämnda slaget, där de optiska organen inne- fattar ett första prisma, ett andra prisma och ett tredje prisma, där det första och tredje prismat har högerriktade likbenta triangulära sektioner i ett plan som är vin- kelrätt mot stråldelama, deras hypotenusor bildar var och en en yta i vart och ett av stråldelarskikten, och det tredje prismat har en parallelltrapetssektion i planet. I en föredragen utföringsforrn, har det tredje prismat en högre symmetri, och är ett paral- lellogram vars spetsiga vinklar är 45 grader. De högerriktade likbenta prismoma kommer då att vara lika, vilket gör att de sammansatta prismoma har en sektion med samma yttre sektionsform som två gränsande kvadrater, men tillverkas av endast tre prismor.

I en föredragen utföringsform är belysningsorganet flerfárgat, företrädesvis genom projicering av tre färger, och därefter är också att föredra att bilden hos den aktiva 10 15 20 25 30 G00 III I i u! II II ll Il Û. , .. .g n p nu u u uu o c :L- "' " "Z' 2.2 22.2. .. . uno :co-oi '0: .z I _ ' . . , . 2 q n . n u n H ' ' ' ' " 4 matrisen växlar till bilder som tillhandahålls för var och en av dessa färger. Väx- lingen görs tillräckligt snabbt för att visa en flerfàrgsbild utan blinkningar.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till en icke begränsande utföringsfonn.

Fig. 1 visar en sektionsvy av en display, vilken är modifierad från tidigare känd teknik i riktning mot uppfmningen.

Fig. 2 visar några nackdelar med konstruktionen från fig. 1.

Fig. 3 visar en sektion genom en utföringsforrn av uppfinningen.

Fig. 4 visar en särskild ljuskälla.

Fig. 5 visar schematiskt en motsvarande sektion genom en arman utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer Fig. l visar schematiskt en sektionsvy genom en display vilken, liksom tidigare känd teknik, har ett prismasystem som består av två "kuber" som delas av stråldelar- lager, men i denna ritning är "kubema" lika stora. (De behöver inte vara kuber men bör ha kvadratiska sektioner och kommer i det följ ande att kallas för kuber för enkelhets skull.) Anordningen är fastsatt före ett schematiskt ritat öga, vilket betraktar en vy genom den lägre kuben, där de yttersta strålarna benämns 3. Ovanför fmns en ruta 4 som innehåller en ljuskälla 5 och en kollimatorlins 6, vilken ljuskälla 5 kommer att skicka väsentligen kollimerat ljus in i den övre kuben 2' för att reflekteras av den första stråldelaren 7. För att displayen 8 skall kunna motta polariserat ljus, kan skiktet 7 ha en polariserande effekt förutom den som bestäms av Fresnel's lag, och/eller en förpolariserare 7' kan vara fastsatt efier den kollimerande linsen. 10 15 20 25 516 715 Éïï* - Den aktiva matrisen innefattar ett stort antal bildpunktsytor, och kan exemplifieras som en anordning som kommersiellt finns att tillgå på marknaden (Displaytech Inc., Boulder, Colorado). Med detta särskilda slag av anordning, får bildpunktsytoma egenskapen att de kan aktiveras elektriskt för att vrida polarisationsplanet för in- kommande ljus till reflekterat ljus med 90° vinkelfSådant vridet reflekterat ljus kommer att passera genom skiktet 7, medan det ljus som inte har vridits kommer att reflekteras tillbaka av skiktet 7. Ljuset, för vilket polariseringsplanet har vridits av matrisbildpunktema kommer också att passera genom ett skikt 9 i den lägre kuben, vars undre sida är försedd med en plankonvex lins 10, vars konvexa sida är metal- liserad till en spegel, och en M4 platta är anordnad i sandwichkonstruktion. M4- plattan kommer att göra det linj epolariserade inkommande ljuset till cirkulärpola- riserat ljus, vilket när det reflekteras kommer att ändra sin rotationsriktning, och därefter när det går tillbaka genom 7t/4-plattan kommer det att återgå till linjepola- risering, fastän det nu vridits 90°. Tack vare polariseringsegenskapema, kommer skiktet 9 nu inte att genomträngas av ljus från spegeln men kommer att reflekteras mot ögat, och kommer att bilda en virtuell bild framför anordningen, som skall kunna betraktas tillsarmnans med scenbilden framför, utan alltför mycket ackom- modering. Spegellinsen kan vara av armat glas, för att ge något slags akromatisering.

Den allmänna principen för dessa polariseringar och separeringar är kända från det ovan nänmda patentet.

Konstruktionen i fig. 1 motiveras genom ökningen i storlek hos aktiva matriser med flytkristallsbildgeneratorer, som gör det nödvändigt att använda kuber av samma storlek, men detta medför några allvarliga svårigheter, vilka visas i fig. 2. För det första skapar konstruktionen med två kuber oundvikligen ett förbindelseplan 20 mellan dem, och det är praktiskt omöjligt att göra detta förbindelseplan reflektions- fritt. En sådan reflektion kan bli objektliknande 23 genom strålarna 24 som speglas i skikt 20, vilket kommer att nå ögat i form av en s.k. spökbild. För det andra, kom- 10 15 20 25 30 516 715 šï* - - IÅÉÉ 6 mer ljusrutan att skapa ett markerat hinder 21 för synfáltet, och skapar begräns- ningsstrålen 22.

I enlighet med den föreliggande uppfinningen är därför prismageometrin modifierad på ett sätt som exemplifieras i fig. 3. I stället för en prismauppsättning av två delade kuber 2, 2' (fig. 1), innefattar glaspaketet tre prismor i kombination med varandra.

Ett prisma 30 har sektorfonnen av ett parallellogram, vars spetsiga vinklar är 45°.

Två andra prismor 31 och 32 har sektioner med högerriktade likbenta trianglar.

Tillsammans bildar de en yttre form som är likartad med den i fig. 1 och 2, men där förbindelseytan 20 (fig. 2) elimineras. De högerriktade likbenta prismorna 31 och 32 är förenade med de långa parallella ytoma hos parallellograrnprismoma, med sand- wichskikt 7 respektive 9. Vilket framgår ur fig. 3, utesluter elimineringen av förbin- delseytan 20 (fig. 2) reflektionen av strålar som 24 från att speglas in i ögat, och därför elimineras spökbilden från markfenomenet 23. Vidare kommer siktfältet att ökas av en ny begränsande stråle 35 längre ut än den gamla begränsningen 22.

Ljuset i detta fält kommer att nå ögat genom två reflektioner, i skikt 9 respektive skikt 7, och i praktiken har denna del av fältet visat sig vara helt acceptabel och är en periskopeffekt som fungerar väl vid oändlighet och försvagas till ungefär 25 %.

Exempel En anordning enligt fig. 3 har konstruerats och är utfonnad utgående ifrån två enhe- ter som skall bäras som glasögon. Den totala glasvikten är 75 gram per öga. Varje glasprismaenhet är 25 mm bred, har ett djup i synriktningen av 20 mm och en höjd av 45 mm. Prismakonfigurationema är som i fig. 3, skikten 7 och 9 (fig. 3) är för- sedda med lämpliga skikt (exempelvis MSOD). För bilden hos bildgeneratom är utgångspupillen 23 mm bred och 13 mm hög. Ögonavlastningen är 25 mm. Chipset 8 med matrisema är 16 x 13 mm och innehåller 1280 x 1024 bildpunkter. Ljuskäl- Ioma i rutorna är ytor 14 x 8 mm komponerade av arrayer av ljusemitterande dioder, LED:s, av tre färger som blandas på ytoma och vilka kan aktiveras efter varandra 10 15 516 715 . a c ~ a n u. 7 med en frekvens av 60 Hz, så att bildema som levereras till arrayen har motsvarig- het. En sådan array av flerfärgskällor visas schematiskt i fig. 4, där tre olika färger symboliseras av tecknen o, x och +. Denna kombination med en enhet per öga fäst i en glasögonram, är således helt kapabel att få till stånd "virtual reality" i full stereo, möjligtvis genom att stänga det direkta siktfältet och endast betrakta bilden från bildgeneratom.

I fig. 5 visas en annan geometrisk form av uppfinningen, där sektionen av det tredje prismat 30 har en annan form med en lägre symmetri än den av ett parallellogram, nämligen en parallelltrapets (trapetsoid). Ett sådant fyrvinkligt rätblock visas i fig. 5 och har två motsatta sidor som är varandra parallella, men de andra två sidoma är inte parallella. För att erhålla en god vy av scenbilden framför, är det att föredra att ha den spetsiga vinkeln undertill i 45 grader som visas. Således, i jämförelse med tidigare känd teknik, är det viktigt att det inte finns två kuber som är förenade av ett mellanliggande materialiserat och reflektivt plan. Exemplet i fig. 5 är således beräk- nat att demonstrera att elimineringen av detta föreningsplan kan uppnås även om halvspegelytoma 7 och 8 inte är lika. Viss retuschering kan vara önskvärd för att placera bilden fi-ån grupperingen 8 i mitten av scenbilden som betraktas, exempelvis genom att addera en tunn skiva mellan linsen 10 och prismat 32 (ej visat).

Claims (4)

10 15 20 25 516 715 Patentkrav

1. Display för huvudmontering innefattande en spatiell ljusmodulerare (8) av det ljusreflekterande slaget, en belysningsanordning (4, 5, 6, 7) för belysning av bild- generatorn och optiska organ (10, 9) för projicering av en bild som alstrats av bild- generatom mot en utgångspupill vid ett läge (1) hos ett öga för att betrakta med hjälp av ett öga tillsammans med en eventuell scenbild framför ögats belägenhet, det optiska organet innefattar prismor (3 0-32) som bildar tvâ stråldelare (7, 9), vilkas bildas av förbindelsen av de två prismaytorna i ett stråldelarskikt, en första (7) av stråldelama reflekterar ljus från belysningsanordningen för att belysa bildgenera- tom, en sfärisk spegel (10) som avbildar den belysta bildgeneratom genom att reflektera ljus från bildgeneratorn som traverserar den första stråldelaren och en andra stråldelare (9), där den andra stråldelaren reflekterar ljus som reflekteras av den sfariska spegeln mot ögats läge, kännetecknad av att "det optiska organet innefattar ett första prisma (31), ett andra prisma (30) och ett tredje prisma (32), där de första och tredje prismorna har höger- riktade likbenta triangulära sektioner i ett plan som är vinkelrätt mot stråldelama, vars hypotenusor var och en bildar en yta i varje av stråldelarskikten, och det tredje prismat har en parallelltrapetssektion i planet.

2. Display enligt krav 1, kännetecknad av att det tredje prismat är ett parallello- gram, vars spetsiga vinklar är 45 grader, där de första och andra prismorna har lika sektioner i planet.

3. Display enligt något av kraven 1 och 2, kännetecknad av att belysningsanord- ningen innefattar en ljuskälla (5) och en kollimator som är anordnad att proj icera ljus in i en kateteryta hos det första prismat (31), där bildgeneratom är anordnad vid den yttre kateterytan, ljuskällan innefattar ett flertal ljusemitterande dioder som var och en när de är aktiverade är kapabla att emittera en särskild av ett flertal färger, 5 1 6 7 1 5 - - IÅÉÉ 9 där diodema är fördelade över en matrisyta för separat och efterföljande aktivering av dioder som emitterar någon av flertalet färger.

4. Display enligt krav 3, kännetecknad av att flertalet färger är tre och genom inne- fattande av organ för aktivering av diodema i vardera färgen efter varandra och i takt med olika färgbilder från bildgeneratom, med-en hastighet som är kompatibel med ögats tröghet för undvikande av blinkning.