DE60033463T2

DE60033463T2 - Bildanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE60033463T2
Application number: DE60033463T
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Yokohama-shi Inoguchi; Shoichi Yokohama-shi Yamazaka; Akinari Yokohama-shi Takagi; Hideki Yokohama-shi Morishima
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: US6480337B2; US20020034016A1; EP1043619A2; EP1043619A3; EP1043619B1; ATE354816T1; DE60033463D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildanzeigevorrichtung, die in geeigneter Weise beispielsweise bei am Kopf getragenen Anzeigevorrichtungen, Brillen-Anzeigevorrichtungen etc. verwendbar ist, welche zur Beobachtung eines vergrößerten Bildes einer Bildinformation bestimmt sind, das auf einem reflektierenden Flüssigkristallanzeigeelement als Anzeigeelement durch ein optisches Element mit einer richtig eingestellten frei gekrümmten Oberfläche angezeigt wird.
Für derartige am Kopf getragene Bildbeobachtungsvorrichtungen (Bildanzeigevorrichtungen), die als sogenannte am Kopf getragene Anzeigevorrichtungen bezeichnet werden, ist eine Vielzahl von Vorschlägen unterbreitet worden, damit ein Beobachter ein vergrößertes virtuelles Bild der Bildinformation beobachten kann, das auf der Flüssigkristallbildanzeigevorrichtung beispielsweise mit Hilfe eines optischen Elementes mit einer Eintrittsfläche, einer Vielzahl von reflektierenden Flächen und einer Austrittsfläche in Flächen aus einem transparenten Material angezeigt wird.
Beispielsweise schlagen die japanischen Offenlegungsschriften 7-333551, 8-50256, 8-160340, 8-179238 und 8-234137 etc. eine Bildbeobachtungsvorrichtung vor, deren Gesamtgröße durch Verwendung einer LCD (Flüssigkristallanzeige) als Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Bildinformation und eines Kompaktprismas als optisches Beobachtungssystem verringert worden ist.
1 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles der in der japanischen Offenlegungsschrift 7-333551 vorgeschlagenen Bildbeobachtungsvorrichtung. Gemäß 1 trifft von einer LCD 51 emittiertes Licht auf die Eintrittsfläche 53 des Kompaktprismas 52. Dann wird das Licht zwischen einer total reflektierenden Fläche 54 mit Krümmung, die im Kompaktprisma 52 ausgebildet ist, und einer reflektierenden Fläche 55 reflektiert, wonach es aus dem Kompaktprisma 52 austritt und zum Beobachter E geführt wird. Dies führt zur Ausbildung eines virtuellen Bildes der auf der Anzeigeeinrichtung (LCD) 51 angezeigten Bildinformation und setzt somit den Beobachter E in die Lage, das virtuelle Bild zu betrachten. Die reflektierende Fläche 55 des Kompaktprismas 52 umfasst eine exzentrische, freie, gekrümmte Fläche, bei der es sich um eine dezentrierte, rotational asymmetrische Fläche (eine Fläche mit unterschiedlichen optischen Stärken in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln, eine sogenannte frei gekrümmte Fläche) handelt.
2 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles der Bildbeobachtungsvorrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen koaxialen Konkavspiegels. In der gleichen Figur wird das Licht von der auf der Anzeigevorrichtung 61 ange zeigten Bildinformation von einem Halbspiegel 62 reflektiert und trifft dann auf den Konkavspiegel 63. Das vom Konkavspiegel 63 reflektierte Licht wird durch den Halbspiegel 62 zum Beobachter E geführt. Die auf der Anzeigevorrichtung 61 angezeigte Bildinformation wird vom Konkavspiegel 63 als vergrößertes virtuelles Bild ausgebildet. Hierdurch kann der Beobachter das vergrößerte virtuelle Bild der auf der Anzeigevorrichtung 61 angezeigten Bildinformation betrachten.
Das optische System des in 1 dargestellten Typs besitzt das Merkmal, dass es hiermit einfacher ist, die Gesamtgröße der Vorrichtung zu verringern und das Gesichtsfeld zu erhöhen, als bei dem in 2 gezeigten Typ, bei dem der herkömmliche koaxiale Konkavspiegel Verwendung findet.
Es gibt spezielle Wünsche, die Größe und das Gewicht der gesamten Vorrichtung zu verringern, da derartige Bildbeobachtungsvorrichtungen, wie am Kopf getragene Anzeigevorrichtungen, Brillen-Anzeigevorrichtungen u.ä., am Kopf angeordnet sind. Ein anderes wichtiges Ziel besteht darin, dass Gesichtsfeld zu erweitern, um die Beobachtung der auf der Anzeigeeinrichtung angezeigten Bildinformation mit starker Anziehungskraft zu ermöglichen.
Im Fall einer Bildbeobachtungsvorrichtung, wie der am Kopf getragenen Anzeigevorrichtungen (HMD), der Brillen-Anzeigevorrichtungen u.ä., die in 1 gezeigt sind und bei denen die Anzeigevorrichtung aus einer reflektierenden Anzeigevorrichtung (beispielsweise einer reflektierenden, ferro elektrischen Flüssigkristallanzeigevorrichtung) besteht, die ein hohes Aperturverhältnis besitzt und in Bezug auf die Größenverringerung vorteilhaft ist, ist es erforderlich, ein Illuminationssystems 70 zum Illuminieren der Anzeigevorrichtung 51 zwischen der Anzeigevorrichtung 51 und der Eintrittsfläche 53 des Kompaktprismas 52 anzuordnen, wie in 3 gezeigt.
Hierbei besitzt das Illuminationssystem 70 beispielsweise eine Lichtquelle 71, eine Sammellinse 72 zum Sammeln des Lichtes von der Lichtquelle 71 und zum Überführen desselben in paralleles Licht, ein Prisma 73 mit einer Halbspiegelfläche 73a zum Reflektieren des Lichtes von der Sammellinse 72 zum Illuminieren der Anzeigevorrichtung 51 etc. Bei der Bildbeobachtungsvorrichtung erfordert die Verwendung des reflektierenden Anzeigeelementes die Anordnung des Illuminationssystems zum Illuminieren desselben zwischen der Anzeigevorrichtung 51 und dem Kompaktprisma 52 und somit eine Vergrößerung des Raumes zwischen dem Prisma 52 und der Anzeigevorrichtung 51, wie in 3 gezeigt. Daher treten Probleme auf, da ein derartiges Merkmal nicht vorteilhaft ist und da es schwierig ist, die Größe und das Gewicht zu verringern und das Gesichtsfeld zu vergrößern.
Des weiteren beschreibt die EP-A-0 426 497 eine Bildanzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Bildanzeigevorrichtung zu schaffen, mit der der Beobachter die Bildinformation in einem großen Gesichtsfeld und mit guter Bildqualität betrachten kann, während die gesamte Vorrichtung kompakt ausgebildet ist, indem ein optisches System von einer Lichtquelleneinrichtung zur Anzeigeeinrichtung (ein optisches Illuminationssystem) und ein optisches System zum Führen des Lichtes von der Anzeigeeinrichtung zum Auge des Beobachters (ein optisches Anzeigesystem) zur Beobachtung der auf der Anzeigeeinrichtung angezeigten Bildinformation, wie eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung o.ä., richtig eingestellt werden.
Eine Bildanzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Patentanspruch 1 wiedergegeben.
Es folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen. Hiervon zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer herkömmlich ausgebildeten Bildanzeigevorrichtung;
2 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer herkömmlich ausgebildeten Bildanzeigevorrichtung;
3 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer herkömmlich ausgebildeten Bildanzeigevorrichtung;
4 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung einer Modifikation der in 4 gezeigten Ausführungsform;
8 eine Darstellung einer Modifikation der in 4 gezeigten Ausführungsform, die außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt;
9 eine schematische Darstellung des Hauptteiles, um den grundlegenden Aufbau einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt, der außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt, zu zeigen;
10 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt, der außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt;
11 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung; und
12 eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt, der außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt.
4 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein optisches Bildanzeigesystem der vorliegenden Ausführungsform besitzt ein optisches Illuminationssystem 10, das aus einer Lichtquelle 11, einer Sammellinse 12, einer Diffusorplatte 13, einer Sammellinse 14, einer Polarisationsplatte 15 und einem Prisma L1 besteht, und ein optisches Anzeigesystem 20, das aus einer reflektierenden Anzeigevorrichtung (reflektierenden Anzeigeeinrichtung) 2, wie einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung o.ä., dem Prisma L1, einer Polarisationsplatte 21 und einem Prisma L2 besteht.
Jedes dieser Elemente wird als nächstes beschrieben.
Das von der Lichtquelle 11, die eine LED o.ä. umfasst, emittierte Licht trifft auf den Diffusor 13, während es von der Sammellinse 12 gesammelt wurde, so dass eine sekundäre Lichtquelle gebildet wird. Das Licht (divergierende Licht), das den Diffusor 13 passiert hat, dringt durch den Polarisator 15, während es von der Sammellinse 14 gesammelt wurde. Das Licht wird vom Polarisator 15 in linear polarisiertes Licht umgewandelt, und das linear polarisierte Licht wird an einer Fläche (Eintrittsfläche) 16 gebrochen und dringt in das Prisma L1 ein. Ein Teil des einfallenden Lichtes wird von einer Halbspiegelfläche 17 mit positiver Stärke reflektiert, von einer Fläche (Austrittsfläche) 18 gebrochen, während es aus dem Prisma L1 austritt, und trifft dann auf eine Anzeigefläche der reflektierenden Anzeigevorrichtung 2 unten einem vorgegebenen Winkel relativ zur Normalen auf die Anzeigefläche. Die Fläche 17 wird von einer rotational asymmetrischen Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln um ihren Flächenscheitelpunkt gebildet, wodurch eine Korrektur in Bezug auf diverse Aberrationen durchgeführt wird, die aufgrund der dezentrierten Anordnung des optischen Systems auftreten. Jede Fläche 16 und 18 umfasst eine ebene Fläche, eine gekrümmte Fläche, eine asphärische Fläche oder eine rotational asymmetrische Fläche o.ä. Das Prisma L1 ist mit drei oder mehr optischen Flächen einschließlich einer dezentrierten Fläche versehen.
Andererseits wird das aus dem Licht von der Fläche 16 stammende, von der Halbspiegelfläche 17 durchgelassene Licht von einer Polarisationsplatte 21 aufgefangen, deren Polarisationsachse senkrecht zu der der Polarisationsplatte 15 eingestellt ist, wodurch das Licht an einem Eindringen in das Prisma L2 gehindert wird. Da eine Verbreitung des Illuminationslichtes durch Versehen der Fläche 17 mit positiver Stärke verhindert wird, wird die Größe des optischen Illuminationssystems 10 verringert. Beispielsweise kann eine Sammellinse 14 mit kleinerem Außendurchmesser Verwendung finden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform findet eine ferroelektrische Flüssigkristallanzeige als reflektierende Anzeigeeinrichtung 2 Verwendung. Da die ferroelektrische Flüssigkristallanzeige ausgezeichnete Blickwinkeleigen schaften besitzt, kann ein großer Winkel als Einfallwinkel auf die Anzeigefläche oder als Austrittswinkel von der Anzeigefläche eingestellt werden. Hierdurch wird eine Vergrößerung des Gesichtsfeldes erreicht, und es kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung verbessert werden. Die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes, das vom optischen Illuminationssystem 10 auf die Anzeigefläche der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 2 geführt wurde, wird in Abhängigkeit von einem Anzeigebild auf der Anzeigeeinrichtung 2 selektiv gedreht. Wenn die Anzeigeeinrichtung außer Betrieb ist, wird das einfallende Licht reflektiert, während die Polarisationsrichtung beibehalten wird. Wenn die Anzeigeeinrichtung in Betrieb ist, wird das einfallende Licht reflektiert, während die Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird. Farben und Gradationen können beispielsweise durch die Verwendung von LEDs von drei Farben R (Rot), G (Grün) und B (Blau) als Lichtquelle 11, das Umschalten der Anzeige synchron zur Emission einer jeden LED und das Steuern der Lichtintensität einer jeden LED ausgedrückt werden.
Licht, das von der Anzeigefläche des reflektierenden Anzeigeelementes 2 unter einem vorgegebenen Winkel relativ zur Normalen auf die Anzeigefläche austritt (oder reflektiert wird), wird von der Fläche 18 zum Eindringen in das Prisma L1 gebrochen, dann von der Halbspiegelfläche 17 mit positiver Stärke gebrochen, um aus dem Prisma L1 auszutreten, und erreicht dann den Polarisator 21. Das reflektierte Licht mit durch die Anzeigeeinrichtung 2 beibehaltener Polarisationsrichtung wird vom Polarisator 21 aufgefangen. Andererseits dringt das Licht mit der von der Anzeigeeinrichtung 2 gedrehten Polarisationsrichtung durch den Polarisator 21 und wird dann von der Fläche 22 zum Eindringen in das Prisma L2 gebrochen. Das einfallende Licht trifft dann auf eine Fläche 23 unter einem Winkel über dem kritischen Winkel, um total reflektiert zu werden. Das reflektierte Licht wird dann von einer Spiegelfläche 24 mit positiver Stärke reflektiert und trifft wiederum auf die Fläche 23 unter einem Winkel, der unter dem kritischen Winkel liegt. Das Licht wird gebrochen, um aus dem Prisma L2 auszutreten und zum Auge E des Beobachters geführt zu werden. Jede der Flächen 17, 18, 22, 23 und 24 besitzt eine optische Stärke, und die Flächen erzeugen ein vergrößertes virtuelles Bild auf der Anzeigeeinrichtung 2. Jede der Flächen 22, 23 und 24 ist aus einer rotational asymmetrischen Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln um ihren Flächenscheitelpunkt gebildet, wodurch die verschiedenartigen Aberrationen aufgrund der dezentrierten Anordnung des optischen Systems durch die geringe Anzahl der optischen Elemente korrigiert werden können.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Vorrichtung auch so modifiziert werden, dass, wie in 7 gezeigt, die Fläche 24 aus einer Halbspiegelfläche konstruiert ist, ein Prisma L4 mit der Fläche 24 verbunden ist und das Licht von dem auf der Anzeigeeinrichtung 2 angezeigten Bild und das Licht von einem Bild des externen Gesichtsfeldes durch die Prismen L4, L2 zum Auge E des Beobachters geführt werden, damit der Beobachter beide Bilder betrachten kann. In 7 bildet das optische System, das aus der Fläche 25, der Fläche 24 und der Fläche 23 besteht, ein Beobachtungssystem zum Betrachten des Bildes des externen Gesichtsfeldes.
Bei der vorliegenden Ausführungsform dringt das Illuminationslicht, wie vorstehend beschrieben, schief in die Anzeigeeinrichtung 2 ein und wird von dieser schief reflektiert, teilen sich das optische Illuminationssystem 10 und das optische Anzeigesystem 20 das optische Element einschließlich der Flächen mit optischer Stärke (der Fläche 18 und der Fläche 17) und finden ein reflektierender Vorgang und ein durchlassender Vorgang selektiv an einer Fläche (der Fläche 17), die das optische Element bildet, Verwendung. Hierdurch kann ein kleiner Raum zwischen dem optischen Element und der Anzeigefläche eingestellt werden und ein kompaktes optisches System mit einem großen Gesichtsfeld erreicht werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist zusätzlich zum Prisma L2 die optische Stärke auf jede der Flächen 17, 18 des Prismas L1 verteilt, wodurch die den entsprechenden Flächen, die das optische System bilden, zugeordnete optische Stärke verringert wird. Hierdurch wird auch das Auftreten von Aberrationen auf ein niedriges Niveau gedrückt und die partielle Belastung für eine Aberrationskorrektur einer jeden Fläche verringert, so dass die Toleranzen vergrößert werden und auf diese Weise die Herstellung der Vorrichtung erleichtert wird. Wenn im Fall des optischen Anzeigesystems, das nur aus dem Prisma L2 besteht, die Tendenz besteht, dass vom Konstruktionsaspekt her die optische Stärke in meridionaler Richtung (Richtung entlang der Zeichnungsebene der 4) zu schwach ist, wird die Fläche 17 insbesondere auf der Basis einer anamorphen Fläche mit einer größeren Stärke in meridionaler Richtung als in sagittaler Richtung (der Richtung normal zur Zeichnungsebene der 4) konstruiert, um auf diese Weise das Abbildungsverhalten zu verbessern. Jede der Flächen 17, 18 kann auch aus einer rotational asymmetrischen Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln um den Flächenscheitelpunkt konstruiert sein, wodurch das Abbildungsverhalten weiter verbessert werden kann.
Ferner finden bei den vorliegenden Ausführungsformen die beiden Polarisationsplatten mit senkrecht zueinander angeordneten Polarisationsachsen separat im optischen Illuminationssystem 10 und im optischen Anzeigesystem 20 Verwendung. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
5 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Polarisationsplatte 19 unmittelbar vor dem reflektierenden Anzeigeelement 2 vorgesehen, wie in 5 gezeigt. Die in 5 gezeigte Ausführungsform besitzt die gleiche Konstruktion wie die in 4 gezeigte Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass anstelle der Polarisationsplatten 15, 21 die Polarisationsplatte 19 angeordnet ist und die reflektierende Anzeigeeinrichtung 30 die reflektierende Anzeigeeinrichtung 2 ersetzt. Daher sind die Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird auf eine Beschreibung derselben verzichtet.
Das reflektierende Anzeigeelement 30 unterscheidet sich in Bezug auf die Steuerung der Polarisation gegen einfallendes Licht bei einem EIN-AUS der Anzeige von der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 2. Das linear polarisierte Licht, das aufgrund des optischen Illuminationssystems 10a auf die Anzeigefläche der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 30 trifft, wird mit beibehaltener Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes reflektiert, wenn die Anzeige von der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 30 durchgeführt wird. Wenn die Anzeige außer Betrieb gesetzt wird, wird das Licht reflektiert, während die Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird. Daher kann im EIN-Zustand der Anzeige das von der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 30 reflektierte Licht die Polarisationsplatte 19 passieren, während es im AUS-Zustand von der Polarisationsplatte 19 aufgefangen wird. Bei dieser Konstruktion sind die Flächen des Prismas L2 so konstruiert, dass das Licht, das vom Licht von der Fläche 16 im optischen Illuminationssystem 10a von der Halbspiegelfläche 17 durchgelassen wird, entlang Richtungen vom Auge E des Beobachters weg geführt wird, wie durch die gestrichelten Linien in 5 dargestellt ist.
Bei dieser Konstruktion kann das Prisma L1 aus einem doppelbrechenden Material hergestellt werden, so dass auf diese Weise der Auswahlbereich an Materialien erweitert und eine weitere Verringerung der Größe und des Gewichtes erreicht wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Illuminationssystem so konstruiert, dass das Licht hiervon schief in die Anzeigevorrichtung eindringt und von dieser reflektiert wird. Das System kann jedoch auch so konstruiert sein, dass das Illuminationslicht normal in die Anzeigevorrichtung eindringt und von dieser reflektiert wird, wie beispiels weise in 8 gezeigt. Das in 8 gezeigte Beispiel besitzt die gleiche Konstruktion wie die in 4 gezeigte Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass das Prisma L1a das Prisma L1 ersetzt, wodurch das Illuminationslicht normal auf die Anzeigefläche der Anzeigeeinrichtung 2 trifft und normal von dieser reflektiert wird. Somit sind die Elemente mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei auf eine Beschreibung derselben verzichtet wird. Diese Konstruktion, die außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt, erhöht ebenfalls geringfügig den Raum zwischen dem optischen Element und der Anzeigefläche im Vergleich zu der in 4 gezeigten Ausführungsform.
6 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bildanzeigevorrichtung der vorliegenden Ausführungsform besitzt ein optisches Illuminationssystem 40, das aus einer Flächenlichtquelle 41, der Sammellinse 14, der Polarisationsplatte 15 und einer Linse L3 mit einer Halbspiegelfläche 31 besteht, und ein optisches Anzeigesystem 50, das aus der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 2, wie beispielsweise der Flüssigkristallanzeigevorrichtung o.ä., der Linse L3, der Polarisationsplatte 21 und dem Prisma L2 besteht. Die Elemente, die die gleiche Funktion wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform besitzen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine Beschreibung hiervon verzichtet wird.
Das von der Flächenlichtquelle 41, wie beispielsweise einer Lichtführungsplatte, einem flächigen lichtemittierenden Element o.ä., emittierte Licht dringt durch die Polarisationsplatte 15, während es von der Sammellinse 14 gesammelt wurde. Der Polarisator 15 wandelt das Licht in linear polarisiertes Licht um, und ein Teil des Lichtes wird von der Halbspiegelfläche 31 mit positiver Stärke der Linse L3 reflektiert. Das reflektierte Licht trifft unter einem vorgegebenen Winkel relativ zur Normalen auf die Anzeigefläche der reflektierenden Anzeigevorrichtung 2. Die Fläche 31 ist aus einer rotational asymmetrischen Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln um den Flächenscheitelpunkt gebildet, wodurch eine Korrektur in Bezug auf die verschiedenartigen Aberrationen aufgrund der dezentrierten Anordnung des optischen Systems durchgeführt wird.
Andererseits dringt das Licht, das vom Licht des Polarisators 15 durch die Halbspiegelfläche 31 durchgelassen wird, durch eine Fläche 32 und wird von der Polarisationsplatte 21 aufgefangen, deren Polarisationsachse senkrecht zu der der Polarisationsplatte 15 verläuft, wodurch das Licht an einem Eindringen in das Prisma L2 gehindert wird.
Das Licht, das aus der Anzeigefläche der reflektierenden Anzeigeeinrichtung 2 unter dem vorgegebenen Winkel relativ zur Normalen auf die Anzeigefläche austritt (oder hiervon reflektiert wird), wird von der Linse L3 mit positivem Brechungsvermögen (der Fläche 31 und der Fläche 32) gebrochen und erreicht dann den Polarisator 21. Das reflektierte Licht mit der von der Anzeigeeinrichtung 2 beibehaltenen Polarisationsrichtung wird vom Polarisator 21 aufgefangen. Andererseits dringt das reflektierte Licht mit der vom An zeigeelement 2 gedrehten Polarisationsrichtung durch den Polarisator 21 und wird über optische Wege, die denen der in 4 gezeigten Ausführungsform entsprechen, dem Auge E des Beobachters zugeführt, so dass auf diese Weise ein vergrößertes virtuelles Bild des Anzeigeelementes 2 geformt wird.
Mit dieser Ausführungsform kann das kompakte optische System mit dem breiten Gesichtsfeld wie bei der Ausführungsform der 4 realisiert werden, können die den entsprechenden Flächen, die das optische System bilden, zugeordneten Stärken verringert werden, kann das Auftreten von Aberrationen auf ein niedriges Niveau gebracht werden, kann die partielle Belastung für eine Aberrationskorrektur einer jeden Fläche reduziert werden und können Toleranzen gelockert werden, so dass die Herstellung erleichtert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform können natürlich auch die in den 5 und 7 gezeigten Ausführungen Verwendung finden. Es versteht sich somit, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht durch die Anordnung der Polarisationsplatte(n) und das Anzeigeverfahren der reflektierenden Anzeigevorrichtung eingeschränkt werden. Wenn beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige des nematischen Typs als Anzeigeeinrichtung verwendet wird, wird es möglich, die Polarisationsdrehwinkel zu steuern, so dass somit Gradationen durch die Polarisationsdrehwinkel erzielt werden können. Hierdurch kann die Antriebsfrequenz des Flüssigkristalls auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform findet eine LED oder Flächenlichtquelle als Lichtquelle Verwendung. Die Vorrichtung kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass externes Licht verwendet wird.
9 ist eine schematische Darstellung des Hauptteiles der Basiskonstruktion einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt, der außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt. In der Figur ist mit L2 ein optisches Element bezeichnet, das einen Teil des optischen Anzeigesystems (optischen Vergrößerungssystems) bildet und eine erste, zweite und dritte optische Fläche (die auch als die „Flächen" bezeichnet werden) Sa, Sb, Sc besitzt, die jeweils eine ebene, gekrümmte, asphärische oder rotational asymmetrische Fläche o.ä. umfassen. Jede Fläche Sa, Sb oder Sc hat eine symmetrische Form in Bezug auf eine YZ-Ebene (eine Symmetrieebene, die der Zeichnungsebene der vorliegenden Ausführungsform entspricht). Das optische Element kann auch so ausgebildet sein, dass es drei oder mehr Flächen besitzt. Mit S ist die Austrittspupille bezeichnet, die vom optischen Anzeigesystem gebildet wird und der gewünschten Pupillenposition des Beobachters 1 entspricht.
Mit 2 ist die Bildanzeigeeinrichtung (Anzeigevorrichtung) bezeichnet, die eine reflektierende LCD aufweist. Mit 2a ist eine Anzeigefläche (Flüssigkristallfläche) derselben bezeichnet. Da die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass das Licht vom optischen Illuminationssystem LE schief auf die LCD 2 auftrifft, um reflektiert zu werden, und dass das schief hiervon austretende Licht zum optischen Vergrößerungssystem (optischen Anzeigesystem) in der nachfolgend beschriebenen Weise geführt wird, muss die Bildanzeigeeinrichtung 2 eine breite Blickwinkelcharakteristik besitzen. Um diese Anforderung zu erfüllen, findet beispielsweise ein ferroelektrisches Flüssigkristall (FLC) Verwendung. Die Bildanzeigeeinrichtung kann auch so konstruiert sein, dass ein TN-Flüssigkristall o.ä. mit einer verbesserten Blickwinkelcharakteristik in Kombination mit einem Phasenkompensator Verwendung findet.
Mit LS ist eine Lichtquelleneinrichtung bezeichnet, die aus einer Lichtquelle 11, einer Linse 12 und einem Diffusor 13 besteht. Licht von der Lichtquelle 11 wird von der Linse 12 gesammelt und von der Diffusionsplatte (Diffusor) 13 zerstreut. Eine Lichtquelle 11, wie eine LED o.ä., die monochromatisches Licht emittiert, kann im Fall einer monochromatischen Anzeige durch die LCD 2 Verwendung finden. Ferner kann eine Lichtquelle 11, bei der LEDs Licht der drei Farben Rot, Grün und Blau emittieren, die auf einem Chip ausgebildet sind, im Fall einer farbigen Anzeige der LCD 2 Verwendung finden. Die LEDs zum Emittieren der drei Farben R, G und B werden so gesteuert, dass sie Licht synchron mit der Anzeige des Bildes auf der reflektierenden LCD 2 emittieren, um die Anzeige eines farbigen Bildes zu ermöglichen.
Mit 10 ist ein optisches Illuminationssystem bezeichnet, das aus der Linse 14 zum Sammeln des Lichtes von der Lichtquelleneinrichtung LS durch die Polarisationsplatte 15 und dem Prisma (optischen Element) L1 mit dreieckiger Prismenform zum Führen des von der Linse 14 durchgelassenen Lichtes zur Anzeigefläche 2a der LCD 2 besteht. Die das Prisma L1 bildenden Flächen Sd, Se funktionieren auch als Teil des optischen Anzeige(Vergrößerungs)systems 20 zum Führen des Lichtes von der reflektierenden LCD 2 zur Pupille. Der Winkel θ zwischen der reflektierenden Fläche Sd des Prismas L1 und der Anzeigefläche 2a der LCD 2 ist so eingestellt, dass er geringer ist als 45°. Der Scheitelwinkel Pθ des Prismas L1 ist so eingestellt, dass er die folgende Bedingung erfüllt: (Dy/Ly)·Wy° < Pθ < 40°worin bedeuten:

Dy:: der Pupillendurchmesser des optischen Anzeigesystems in Richtung der y-Achse,
Ly:: die Länge des wirksamen Anzeigebereiches der LCD in y-Richtung und
Wy:: der Blickwinkel in y-Richtung der Anzeigevorrichtung.

Die Winkel über der Obergrenze werden nicht bevorzugt, weil das Prisma L1 dick wird. Auch die Winkel unter der Untergrenze werden nicht bevorzugt, da ein Teil des Illuminationslichtes von der Fläche Se total reflektiert wird und eine Eklipse auftreten kann, wenn der Betrachter auf den Umfangsteil des Bildes blicken will.
Die Linse 14 ist nicht auf eine einzige Linse beschränkt. Sie kann vielmehr auch aus einer Vielzahl von Linsen oder Konkavspiegeln o.ä. bestehen. Beispielsweise können bei den hiernach beschriebenen Ausführungsbeispielen die Linse 14 und das Prisma L1 miteinander verbunden sein, um eine Komponente zu bilden.
Mit 15 und 21 sind Polarisationsplatten bezeichnet, die so angeordnet sind, dass beispielsweise ihre Polarisationsachsen etwa senkrecht zueinander angeordnet sind. Die Polarisationsplatten 15, 21 müssen nicht immer senkrecht zueinander angeordnet sein, sondern können aus Konstruktionsgründen einschließlich des optischen Drehvermögens der LCD 2, des Anzeigemodus etc. in geeigneter Weise angeordnet sein. Es gibt auch Fälle, bei denen eine einzige Polarisationsplatte unmittelbar vor der Anzeigefläche 2a in Abhängigkeit vom Typ der LCD 2 o.ä. ausreichend ist, so dass keine zwei Polarisationsplatten benötigt werden. Die Polarisationsplatte 15 kann auch zwischen der Linse 14 und dem Prisma L1 angeordnet sein.
Die dritte optische Fläche Sc im optischen Element L2 besitzt die Form einer asphärischen Fläche, die in Bezug auf die Symmetrieebene (YZ-Ebene) symmetrisch ist. Die erste optische Fläche Sa besitzt die Form einer sphärischen Fläche oder einer asphärischen Fläche, die in Bezug auf die Symmetrieebene (YZ-Ebene) symmetrisch ist und in einem geneigten Zustand unter einem solchen Winkel angeordnet ist, dass sie das von der dritten optisch wirkenden Fläche Sc gebrochene Licht total reflektiert.
Bei der zweiten optischen Fläche Sb handelt es sich um eine Spiegelfläche (mit einem Reflexionsfilm hierauf), die eine asphärische Fläche einer stark konkaven Fläche als Ganzes relativ zur Symmetrieebene (YZ-Ebene) umfasst und relativ zu dem von einem Bereich der ersten optisch wirkenden Fläche Sa total reflektierten Licht geneigt ist. Das von der zweiten optisch wirkenden Fläche Sb reflektierte Licht dringt durch die erste optisch wirkende Fläche Sa und erreicht die Pupille S.
Ein Bezugsstrahl L0 wird als Strahl definiert, der die ungefähren Mittelpositionen der Lichtquelleneinrichtung LS, der Bildanzeigeeinrichtung 2 und der vom optischen Anzeigesystem (optischen Vergrößerungssystem) 20 gebildeten Pupille verbindet. Jede der Flächen Sa, Sb, die mindestens als reflektierende Fläche wirken, von den optischen Flächen, die das optische Anzeigesystem bilden, ist dann als eine zum Bezugsstrahl L0 geneigte (oder dezentrierte) Fläche ausgebildet, wobei das optische Element L1 in Richtung der z-Achse dünn ausgebildet ist. Der Bezugsstrahl L0 bildet einen Hauptstrahl in der Mitte des Gesichtsfeldes des optischen Anzeigesystems (der als mittlerer Hauptstrahl bezeichnet wird).
Um eine dezentrierende Aberration aufgrund der geneigten Anordnung der Flächen Sa, Sb mit Krümmung relativ zum Bezugsstrahl L0 zu korrigieren, sind die Flächen Sa bis Sc als rotational asymmetrische Flächen mit unterschiedlichen Krümmungen in Abhängigkeit von den Scheitelwinkeln ausgebildet.
Als nächstes wird die optische Wirkung in der Grundkonstruktion des vorliegenden Beispieles, das in 9 gezeigt ist, beschrieben. Wie in 9 gezeigt, wird das Licht von der Lichtquelle LS durch die Polarisationsplatte 15 in eine Polarisationsrichtung (beispielsweise in s-polarisiertes Licht) ausgerichtet und dann vom Linsensystem 14, das das optische Illuminationssystem 10 umfasst, gesammelt. Dann dringt das Licht durch die Eintrittsfläche Sf des Prismas L1 in dieses ein und wird dann von der Reflexionsfläche Sd total reflektiert. Das reflektierte Licht tritt aus der Durchlassfläche Se aus, um die LCD 2 schief in der yz-Ebene relativ zur Normalen auf die Anzeigefläche 2a der LCD 2 zu illuminieren.
Das Licht, das in Abhängigkeit von der Bildinformation moduliert (von jedem Bildpunkt richtig gedreht) und von der Anzeigefläche 2a der LCD 2 reflektiert wurde, dringt dann durch die Fläche Se wiederum in das Prisma L1 ein und bewegt sich dieses Mal durch die Fläche Sd, die bei Illumination als total reflektierende Fläche wirkt, um das Prisma L1 in Richtung auf die Polarisationsplatte 21 zu verlassen. Die Polarisationsplatte 21 fängt beispielsweise das s-polarisierte Licht von den Bildpunkten, ohne durch die Bildanzeigeeinrichtung 2 gedreht worden zu sein, auf, lässt jedoch das p-polarisierte Licht von Bildpunkten mit einer Drehung um 90° durch die LCD 2 durch und führt somit das Licht zum optischen Element L2. Das Licht bewegt sich zuerst durch die dritte optische Fläche Sc zur ersten optischen Fläche Sa, um von dieser Fläche Sa total reflektiert zu werden. Das reflektierte Licht bewegt sich zur zweiten optischen Fläche Sb und wird von dieser Fläche Sb in konvergierendes Licht reflektiert. Das konvergierende Licht bewegt sich wiederum zur ersten optischen Fläche Sa, und zwar dieses Mal durch die Fläche Sa zur Ausbildung eines virtuellen Bildes des auf der Bildanzeigeeinrichtung 2 angezeigten Bildes, und erreicht die Pupille S des Beobachters 1, so dass der Beobachter das virtuelle Bild der auf der Flüssigkristallanzeigeeinrichtung 2 angezeigten Bildinformation betrachten kann.
Wie vorstehend beschrieben, ist die reflektierende Fläche Sd des Prismas L1 zum Führen des Illuminationslichtes zur LCD 2 unter einem Winkel von weniger als 45° (vorzugsweise in einem Bereich von (Dy/Ly)·Wy° bis 40°) relativ zur Anzeigefläche 2a des Anzeigeelementes 2 eingestellt, wodurch der Abstand von der LCD 2 zum optischen Element L2, das das optische Anzeigesystem (optische Vergrößerungssystem) bildet, im Vergleich zu einem System, bei dem ein herkömmlicher 45°-Spiegel Verwendung findet, verringert wird. Auf diese Weise kann ein kompaktes und dünnes optisches Bildanzeigesystem erhalten werden, während ein ausreichendes Gesichtsfeld und eine ausreichende Entlastung des Auges bei der Konstruktion aufrechterhalten werden, die die reflektierende Anzeigevorrichtung, die Lichtquelle und das optische Illuminationssystem zum Illuminieren derselben enthält.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt die Vorrichtung das Prisma L1, wobei die Fläche Sd als total reflektierende Fläche im optischen Illuminationssystem und als Durchlassfläche im optischen Anzeige(Vergrößerungs)system wirkt, so dass das Licht von der Lichtquelle 11 zur Pupille S des Beobachters geführt wird, ohne einen Halbspiegel o.ä. zu passieren, wodurch ein optisches Anzeigesystem mit einem hel len Bild und hoher Nutzeffizienz des Lichtes vorgesehen werden kann.
Bei der Basiskonstruktion des vorliegenden Ausführungsbeispieles der 9 kann die Vorrichtung auch so modifiziert sein, dass gemäß 12 die Fläche Sb des optischen Elementes L2 eine Halbspiegelfläche ist, ein Prisma PZ mit der Fläche Sb verbunden ist und das Licht vom auf der Anzeigeeinrichtung 2 angezeigten Bild sowie das Licht vom Bild des externen Gesichtsfeldes durch das Prisma PZ und das optische Element L2 zur Pupille S des Beobachters geführt werden, so dass der Beobachter beide Bilder betrachten kann. Gemäß 12 bildet das optische System, das aus einer Fläche PZa, der Fläche Sb und der Fläche Sa besteht, ein Beobachtungssystem zum Betrachten des Bildes des externen Gesichtsfeldes.
Es wird nunmehr die Konstruktion eines weiteren Ausführungsbeispieles beschrieben.
10 ist eine Darstellung des Hauptteiles eines Ausführungsbeispieles, das außerhalb des Umfanges der Patentansprüche liegt. In der Figur ist mit SS die vom optischen Anzeige(Vergrößerungs)system gebildete Pupille bezeichnet, während mit L2 ein optisches Element bezeichnet ist, das eine erste, zweite und dritte optisch wirkende Fläche (hiernach als die „Flächen" bezeichnet) S1, S2 und S3 aufweist, welche rotational asymmetrische Flächen umfassen. Sämtliche Flächen sind symmetrisch in Bezug auf eine YZ-Ebene (die Symmetrieebene, die der Zeichnungsebene der vorliegenden Ausführungsform entspricht).
Mit 2 ist eine reflektierende LCD, mit S9 eine Anzeigefläche der reflektierenden LCD 2 und mit S8 eine Vorderfläche einer Deckscheibe der LCD bezeichnet.
Mit 10 ist das optische Illuminationssystem bezeichnet, bei dem ein Prisma L12 einer dreieckigen Form und eine Linse L13 einer planokonvexen Form als optische Elemente miteinander verbunden sind. Mit S6 ist eine optisch wirkende Fläche bezeichnet, die als Reflexionsfläche im optischen Illuminationssystem und als Durchlassfläche im optischen Anzeige(Vergrößerungs)system wirkt. Die Fläche S6 besitzt teilweise einen Reflexionsfilm und ist so angeordnet, dass sie das Illuminationslicht von der Lichtquelle S in den anderen Abschnitten als dem Reflexionsfilm total reflektiert. Mit S7 ist eine Fläche bezeichnet, die als Durchlassfläche sowohl im optischen Illuminationssystem als auch im optischen Anzeigesystem dient. Mit S10 ist eine Durchlassfläche als Verbindungsfläche zwischen dem dreieckigen Prisma L12 und der Linse L13 bezeichnet, während mit S11 eine Durchlassfläche mit positivem Brechungsvermögen bezeichnet ist, die die Linse L13 bildet.
Mit LS ist eine Flächenlichtquelle bezeichnet, die in geeigneter Weise aus einer Flächenlichtquelle, die durch Anordnen des lichtemittierenden Elementes und optischen Systems auf der Rückseite der Diffusorplatte konstruiert ist, wie bei der Basiskonstruktion der vorliegenden Erfindung beschrieben, einer Kombination einer Lichtführungsplatte mit dem lichtemittierenden Element, das auf der Seite angeordnet ist, wie die bekannte Rücklichtquelle vom LCD- Transmissionstyp o.ä., und aus flächenlichtemittierenden Lichtquellen, wie EL(Elektrolumineszenz)-Lampen o.ä., ausgewählt sein kann. Zur Farbanzeige kann die Vorrichtung Elemente mit R-, G- und B-Emissionsmechanismen verwenden und die Emission der Elemente so steuern, dass die R-, G- und B-Emission der Elemente zur R-, G- und B-Anzeige auf der LCD 2 synchronisiert ist. Mit SI ist die lichtemittierende Fläche (oder eine Diffusionsfläche) der Flächenlichtquelle LS bezeichnet.
Mit 15 und 21 sind Polarisationsplatten bezeichnet, deren Polarisationsachsen etwa senkrecht zueinander verlaufen. Die Polarisationsplatte 15 besitzt eine optische Fläche S12, S13, während die Polarisationsplatte 21 optische Flächen S4, S5 aufweist.
Die asphärische Form einer jeden optischen Fläche S1 bis S3 des optischen Elementes L2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung der folgenden Gleichung ausgedrückt. z := (1/R)·(x2 + y2)/(1 + (1 – (1 + C1)·(1/R)2·(x2 + y2))(1/2)) + C2 + C4·y + C5·(x2 – y2) + C6·(–1 + 2·x2 + 2·y2) + C10· (–2·y + 3·x2·y + 3·y3) + C11·(3·x2·y – y3) + C12·(x4 – 6·x2·y2 + y4) + C13·(–3·x2 + 4·x4 + 3·y2 – 4·y4) + C14·(1 – 6·x2 + 6·x4 – 6·y2 + 12·x2·y2 + 6·y4) + C20·(3·y – 12·x2·y + 10·x4·y – 12·y3 + 20·x2·y3 + 10·y5) + C21·(–12·x2·y + 15·x4·y + 4·y3 + 10·x2·y3 – 5·y5) + C22·(5·x4·y – 10·x2·y3 + y5) + C23·(x6 – 15·x4·y2 + 15·x2·y4 –y6) + C24·(–5·x4 + 6·x6 + 30·x2·y2 – 30·x4·y2 – 5·y4 – 30·x2·y4 + 6·y6) + C25·(6·x2 – 20·x4 + 15·x6 – 6·y2 + 15·x4·y2 + 20·y4 – 15·x2·y4 – 15·y6) + C26·(–1 + 12·x2 – 30·x4 + 20·x6 + 12·y2 – 60·x2·y2 + 60·x4·y2 – 30·y4 + 60·x2·y4 + 20·y6).
Es werden nunmehr die Daten des optischen Systems des vorliegenden Beispieles beschrieben. Die Daten werden wiedergegeben, indem ein Bezugskoordinatensystem als Koordinatensystem mit einem Ursprung (0, 0, 0) in der Mitte der Pupille SS des optischen Anzeigesystems und der Richtung der z-Achse entlang der optischen Achse sowie der Angabe Y, Z und A als y-Koordinate, z-Koordinate und des Drehwinkels um die x-Achse (dessen positive Richtung die Richtung gegen den Uhrzeigersinn auf der Zeichnungsebene und dessen Einheit in Grad angegeben ist) der Relativposition eines Koordinatensystems, das jede Fläche in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem definiert (die x-Koordinaten- und Rotationsbeträge um die y- und z-Achsen sind immer 0), festgelegt wird.
In den nachfolgend wiedergegebenen Daten bezeichnet R den Krümmungsradius einer interessierenden Fläche, während Nd und Vd den Brechungsindex und die Abbé'sche Zahl nach der interessierenden Fläche wiedergeben. Wenn Licht mehrere Male durch eine einzige Fläche dringt, geben die aufgeführten Daten die auf der Mediumseite mit Ausnahme von Luft wieder. Wenn eine Fläche als reflektierende Fläche verwendet wird, werden die Daten nicht wiedergegeben.
Bei jeder Fläche mit den asphärischen Koeffizienten C1, C2 ... handelt es sich um eine asphärische Fläche (rotational asymmetrische Fläche) gemäß der in der vorliegenden Ausführungsform wiedergegebenen asphärischen Gleichung. Eine Fläche mit Rx ist eine torische Fläche. Jede Fläche ohne diese Angaben ist eine sphärische Fläche. Bei einer Fläche mit Angabe der asphärischen Koeffizienten sind die nicht angegebenen immer 0.

Pupillendurchmesser Dy in y-Richtung: 6,00
LCD-Schirmgröße Ly in y-Richtung: 6,32
Blickwinkel Wy in y-Richtung: 21,2°
Winkel θ zwischen der Fläche S6 und der Fläche S9: 30,39°
Scheitelwinkel Pθ des Prismas L21: 30,39° (Dy/Ly)·Wy° = 20,13° ∴(Dy/Ly)·Wy° < θ < 40° (Dy/Ly)·Wy° < Pθ < 40°
Es wird nunmehr die optische Wirkung des vorliegenden Ausführungsbeispieles beschrieben. Wie in 10 dargestellt, wird von dem Licht von der lichtemittierenden Fläche SI der Flächenlichtquelle LS nur die linear polarisierte Komponente einer speziellen Richtung von den Flächen S13, S12 der Polarisationsplatte 15 durchgelassen. Das durchgelassene Licht der linear polarisierten Komponente wird gebrochen und von der konvexen Fläche S11 gesammelt sowie von der Fläche S10 durchgelassen. Ein Teil des Lichtes wird vom Reflexionsfilm der Fläche S6 reflektiert, während der Rest total reflektiert wird, um sich durch die Fläche S7 zur LCD 2 zu bewegen und die Bildanzeigefläche S9 durch die Vorderfläche der Deckscheibe S8 zu erreichen, so dass die reflektierende LCD 2 illuminiert wird.
Das von der LCD 2 modulierte und reflektierte Licht dringt durch die Vorderfläche der Abdeckscheibe S8 und durch die Fläche S7 und die Fläche S6 des dreieckförmigen Prismas L12. Nur Licht der Polarisationskomponente senkrecht zur Polarisationsachse der Polarisationsplatte 15 dringt durch die Flächen S5, S4 der Polarisationsplatte 21 in Abhängigkeit vom Grad der Modulation. Das durchgelassene Licht dringt durch die dritte optische Fläche S3 des optischen Elementes L2 zur ersten optischen Fläche S1, um von dieser Fläche S1 in Richtung auf die zweite optische Fläche S2 total reflektiert zu werden. Das Licht wird von dieser Fläche S2 in konvergentes Licht reflektiert, und das konvergente Licht bewegt sich wiederum zur ersten optischen Fläche S1. Dann wird das Licht diesmal von dieser Fläche S1 durchgelassen, um ein virtuelles Bild des auf dem Anzeigeelement 2 gezeigten Bildes zu formen und die Pupille (Austrittspupille des optischen Anzeigesystems) SS zu bilden.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein Teil des Illuminationslichtes reflektiert, während der Rest von der Fläche S6 des Prismas L12 total reflektiert wird, so dass die Freiheitsgrade in Bezug auf die Konstruktion bei gelockerten Konstruktionsbeschränkungen erhöht werden können. Wenn das Illuminationssystem durch Verbinden des Prismas L12 mit der Linse L13 konstruiert ist wie bei der vorliegenden Ausführungsform, besitzt die Vorrichtung den Vorteil eines geringeren Zeitaufwandes für die Montage.
11 ist eine Darstellung des Hauptteiles einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit SS ist die vom optischen Anzeige(Vergrößerungs)system gebildete Pupille bezeichnet, während L2 ein optisches Element bezeichnet, das eine erste, zweite und dritte optische Fläche (hiernach auch als die „Flächen" bezeichnet) S1, S2 und S3 besitzt, die rotational asymmetrische Flächen umfassen. Sämtliche Flächen sind symmetrisch in Bezug auf eine YZ-Ebene (die Symmetrieebene, die der Zeichnungsebene bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht).
Mit 2 ist eine reflektierende LCD, mit S9 eine Anzeigefläche der reflektierenden LCD 2 und mit S8 eine Vorderfläche einer Glasabdeckung der LCD bezeichnet.
Mit 10 ist das optische Illuminationssystem bezeichnet, bei dem das Prisma (optische Element) L12 und die Linse L13 miteinander verbunden sind. Mit S6 ist eine optisch wirken de Fläche bezeichnet, die als Reflexionsfläche im optischen Illuminationssystem und als Durchlassfläche im optischen Anzeige(Vergrößerungs)system wirkt. Die Fläche S6 besitzt teilweise einen Reflexionsfilm und ist so ausgebildet, dass sie in den anderen Abschnitten als dem Reflexionsfilm das Illuminationslicht von der Lichtquelle total reflektiert. Mit S7 ist eine Fläche bezeichnet, die als Durchlassfläche im optischen Illuminationssystem und optischen Anzeigesystem wirkt, mit S10 eine Durchlassfläche als Verbindungsfläche zwischen dem Prisma L12 und der Linse L13 und mit S11 eine Durchlassfläche einer torischen Flächenform mit positivem Brechungsvermögen, die die Linse L13 bildet.
Mit LS ist eine Flächenlichtquelle bezeichnet, die in geeigneter Weise ausgewählt werden kann aus einer Flächenlichtquelle, die durch Anordnen des lichtemittierenden Elementes und optischen Systems auf der Rückfläche der Diffusorplatte konstruiert ist, wie bei der Grundkonstruktion der vorliegenden Erfindung beschrieben, aus der Kombination einer Lichtführungsplatte mit dem lichtemittierenden Element, das auf der Seite angeordnet ist, wie die bekannte Rücklichtquelle für eine LCD vom Transmissionstyp o.ä., und aus den flächenlichtemittierenden Lichtquellen, wie EL-Lampen o.ä. Für eine Farbanzeige kann die Vorrichtung unter Verwendung von Elementen mit R-, G- und B-emittierenden Mechanismen und zum Steuern der Emission der Elemente konstruiert sein, so dass die R-, G- und B-Emission der Elemente mit der R-, G- und B-Anzeige auf der LCD 2 synchronisiert ist. Mit SI ist die lichtemittierende Fläche (oder die Diffusionsfläche) der Flächenlichtquelle LS bezeichnet.
Mit 15 und 21 sind die Polarisationsplatten bezeichnet, deren Polarisationsachsen etwa senkrecht zueinander verlaufen. Die Polarisationsplatte 15 besitzt optische Flächen S12, S13, und die Polarisationsplatte 21 hat optische Flächen S4, S5.
Die asphärische Form einer jeden optischen Fläche S1 bis S3 des optischen Elementes L2 bei der vorliegenden Ausführungsform wird unter Verwendung der folgenden Gleichung ausgedrückt. z := 1/2·(1/a + 1/b)·(y2·(cos(w))2 + x2)/cos(w)/(1 + 1/2·(1/a – 1/b)·y·sin(w) + (1 + (1/a – 1/b)·y·sin(w) – (1/a/b + 1/4·(tan/w))2·(1/a + 1/b)2)·x2)(1/2)) + C20·x2 + C11·x·y + C02·y2 + C30·x3 + C21·x2·y + C12·x·y2 + C03·y3 + C40·x4 + C31·x3·y + C22·x2·y2 + C13·x·y3 + C04·y4 + ...
Die Daten des optischen Systems der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend aufgeführt. Die Kennzeichnung für die Beschreibung der Daten folgt der des in 10 dargestellten Ausführungsbeispieles.

Pupillendurchmesser Dy in y-Richtung: 6,00
LCD-Schirmgröße Ly in y-Richtung: 6,18
Blickwinkel WY in y-Richtung: 21,2°
Winkel θ zwischen der Fläche S6 und der Fläche S9: 29,95° (Dy/Ly)·Wy° = 20,58° ∴(Dy/Ly)·Wy° < θ < 40°
Da es sich bei der vorliegenden Ausführungsform bei der Fläche S6 um eine gekrümmte Fläche handelt, gibt θ den Winkel wieder, der von der Bildanzeigefläche S9 und einer Tangente an die Fläche S6 an einem Schnittpunkt zwischen der Fläche S6 und dem mittleren Hauptstrahl in der Mitte des Gesichtsfeldes gebildet wird (einem Strahl, der sich von der Mitte der Pupille in Richtung der Z-Achse bewegt und etwa dem Bezugsstrahl L0 entspricht, der bei der Beschreibung der Grundkonstruktion der vorliegenden Erfindung verwendet wird).
Die optische Wirkung der vorliegenden Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. Wie in 11 gezeigt, wird vom Licht von der lichtemittierenden Fläche SI der Flächenlichtquelle LS nur die linear polarisierte Lichtkomponente einer speziellen Richtung von den Flächen S13, S12 der Polarisationsplatte 15 durchgelassen. Die auf diese Weise durchgelassene linear polarisierte Lichtkomponente wird mit unterschiedlichen Winkeln zwischen der Richtung der x-Achse und der Richtung der y-Achse von der torischen Fläche S11 gebrochen und gesammelt, um die Fläche S10 zu durchdringen. Ein Teil des Lichtes wird vom Reflexionsfilm der Fläche S6 reflektiert, während der Rest dadurch total reflektiert wird, um sich durch die Fläche S7 zur LCD 2 zu bewegen und die Bildanzeigefläche S9 durch die Fläche S8 zu erreichen und auf diese Weise die reflektierende LCD 2 zu illuminieren.
Das von der LCD 2 modulierte und reflektierte Licht bewegt sich durch die Fläche S8 und durch die Flächen S7, S6 des Prismas L22, und die Polarisationsplatte 21 lässt nur das Licht der Polarisationskomponente senkrecht zur Polarisationsachse der Polarisationsplatte 15 in Abhängigkeit vom Grad der Modulation durch die Flächen S5, S4 durch. Das durchgelassene Licht dringt durch die dritte optisch wir kende Fläche S3 des optischen Elementes L2 zur ersten optisch wirkenden Fläche S1 und wird von dieser Fläche S1 in Richtung auf die zweite optisch wirkende Fläche S2 total reflektiert. Das Licht wird von dieser Fläche S2 in konvergentes Licht reflektiert, und das konvergente Licht bewegt sich wiederum zur ersten optisch wirkenden Fläche S1. Dann wird das Licht diesmal von dieser Fläche S1 durchgelassen, um ein virtuelles Bild des auf der Anzeigeeinrichtung 2 angezeigten Bildes zu formen und die Pupille SS auszubilden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei der Fläche S7 des Prismas L12 um eine konvexe Fläche mit einer bestimmten Stärke bzw. einem bestimmten Brechungsvermögen, und die Stärken bzw. Brechungsvermögen sind in geeigneter Weise den entsprechenden gekrümmten Flächen, die das optische Vergrößerungssystem bilden, zugeordnet, wodurch die Empfindlichkeit einer jeden Fläche, die das optische Element L2 bildet, verringert werden kann und deren Toleranzen erhöht werden können. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Fläche S11, die das optische Illuminationssystem bildet, die torische Fläche mit unterschiedlichen Krümmungen zwischen der x-Richtung und der y-Richtung, um auf diese Weise die Differenz zwischen den Einfallwinkeln der Hauptstrahlen auf die Flüssigkristallanzeigefläche in x-Richtung und in y-Richtung im optischen Anzeige(Vergrößerungs)system in geeigneter Weise zu korrigieren und dadurch die Illuminationseffizienz zu erhöhen.
Erfindungsgemäß kann selbst in dem Fall, in dem eine reflektierende Anzeigevorrichtung verwendet wird, die Größe der Bildanzeigevorrichtung verringert und das Gesichtsfeld expandiert werden. Mit der Erfindung sind ferner die Wirkungen erzielbar, dass die Anzahl der optisch wirkenden Flächen erhöht werden kann, ohne die Größe der Vorrichtung zu erhöhen, und dass die partielle Belastung zur Korrektur der Stärke und Aberration einer jeden Fläche auf ein niedriges Niveau gebracht werden kann, eine einfache Herstellung erzielt wird etc.

Claims

Bildanzeigevorrichtung mit einer reflektierenden Anzeigeeinrichtung (2); einem optischen Illuminationssystem (10), das bewirkt, das Licht von einer Lichtquelleneinrichtung (11; LS) schief auf eine Anzeigefläche (S9) der Anzeigeeinrichtung (2) auftrifft; und einem optischen Anzeigesystem (20) zum Führen von Licht von der Anzeigeeinrichtung (2) zum Auge (E) eines Beobachters, damit der Beobachter Bildinformationen beobachten kann, die auf der Anzeigeeinrichtung (2) angezeigt werden, wobei ein Hauptstrahl (L0), der von einem mittleren Teil der Anzeigeeinrichtung (2) ausgeht, in Bezug auf die Anzeigefläche (S9) von der Anzeigeeinrichtung (2) schief ausgeht und mindestens eine Fläche (23, 24; S1, S2) des optischen Anzeigesystems (20) eine gekrümmte Fläche ist, die in Bezug auf den Hauptstrahl (L0) dezentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fläche (23, 24; S1, S2) des optischen Anzeigesystems (20) eine rotational asymmetrische Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von Scheitelwinkeln um ihren Flächenscheitelpunkt ist, um Aberrationen aufgrund der dezentrierten Anordnung des optischen Systems zu korrigieren, und das optische Illuminationssystem (10) und das optische Anzeigesystem (20) sich ein optisches Element (L1; L3; L12) teilen, das eine gekrümmte Fläche (17; S6) aufweist, die als Durchlassfläche in einer optischen Bahn des optischen Anzeigesystems (20) und als reflektierende Fläche in einer optischen Bahn des optischen Illuminationssystems (10) wirkt.
Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fläche (17; S6) des optischen Elementes (L1; L3) eine rotational asymmetrische Fläche mit unterschiedlichen Stärken in Abhängigkeit von Scheitelwinkeln um ihren Flächenscheitelpunkt ist, um Aberrationen aufgrund einer dezentrierten Anordnung des optischen Systems zu korrigieren.
Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Fläche (17) des optischen Elementes (L1) sowohl im optischen Anzeigesystem (20) als auch im optischen Illuminationssystem (10) als Fläche mit positiver Stärke wirkt.
Bildanzeigevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die reflektierende Anzeigeeinrichtung (2) eine ferroelektrische Flüssigkristallanzeige ist.
Bildanzeigevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das optische Element (L1; L3) ein erstes Prisma eines einzigen Mediums ist, das drei oder mehr optische Flächen aufweist, die mindestens eine in Bezug auf den Hauptstrahl (L0) dezentrierte Fläche umfassen, und das optische Anzeigesystem (20) ein zweites Prisma (L2) eines einzigen Mediums umfasst, das drei oder mehr optische Flächen aufweist, die die mindestens eine dezentrierte Fläche (23, 24; S1, S2) aufweisen.