DE60118846T2 - Kompaktes optisches System und Aufbau für eine am Kopf montierte Anzeige - Google Patents

Kompaktes optisches System und Aufbau für eine am Kopf montierte Anzeige Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein kompakte optische Systeme und insbesondere kompakte optische Systeme zur Verwendung in Anzeigevorrichtungen, zum Beispiel in personengebundenen Vorrichtungen wie tragbaren Personal Computer-Systemen, am Kopf montierten Anzeigevorrichtungen, tragbaren Telefonen und Ähnlichem.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Virtuelle Bildanzeigevorrichtungen vereinen in sich eine Vergrößerungsoptik mit einem kleinen Bildschirm, um dem Betrachter ein virtuelles Bild zu liefern, welches große Informationsmengen anzeigen kann. Solche Anzeigevorrichtungen haben eine Anwendung bei so genannten am Kopf montierten Anzeigen gefunden und werden für eine Vielzahl von Anwendungen in Verbindung mit einer Computereinheit eingesetzt. Es ist bekannt, dass die Computereinheit eine Datenverarbeitungs- und Bildschirmsteuerschaltung zum Erzeugen des mittels der Optik und des Bildschirms anzuzeigenden Bildsignals beinhaltet.
  • Solche herkömmlichen virtuellen Bildanzeigevorrichtungen weisen jedoch bekanntlich viele Nachteile auf. Ein Nachteil solcher Anzeigevorrichtungen besteht beispielsweise darin, dass sie einerseits für eine bequeme Handhabung zu schwer und andererseits zu groß sind, sodass sie den Benutzer behindern, seine Aufmerksamkeit beanspruchen und ihn sogar ablenken. Diese Nachteile beruhen unter Anderem darauf, dass in die Halterung eine relativ große Optik eingebaut ist und bei der konstruktiven Gestaltung solche für den Menschen wichtigen Faktoren wie Größe, Gewicht usw. nicht ausreichend berücksichtigt werden.
  • Die 1 und 2 zeigen Beispiele solcher herkömmlichen am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtungen. 1 stellt eine am Kopf montierte virtuelle Anzeigevorrichtung 10 dar, die ähnlich wie eine Brille an Kopf und Gesicht des Benutzers angebracht ist. Der Benutzer betrachtet durch den Anzeigeteil 12 virtuelle Bilder. Die Nasenstütze 14 und die Seitenhalterungen 16 dienen der Halterung der Anzeigevorrichtung an Kopf und Gesicht des Benutzers. Die Einheit 10 kann über einen Anschluss 18 mit einem Computer verbunden werden. Es ist bekannt, dass das Tragen einer solchen Einheit mühsam ist und der Träger praktisch nur den Anzeigebildschirm sehen kann. Das heißt, der Benutzer kann die unmittelbare Umgebung nicht wahrnehmen. Eine solche am Kopf montierte virtuelle Anzeigevorrichtung wird in der Internationalen Patentanmeldung WO 95/11473 beschrieben.
  • 2 veranschaulicht eine am Kopf montierte monokulare virtuelle Anzeigeeinheit 20. Die Halterungsstruktur 12 befindet sich am Kopf eines Benutzers, und der Anzeigeteil 14 ragt nach unten in das Gesichtsfeld des Benutzers. Auch von dieser Konstruktion ist bekannt, dass das Tragen mühsam ist und der Rundblick des Benutzers eingeschränkt wird. Eine solche am Kopf montierte monokulare virtuelle Anzeigevorrichtung wird ebenfalls in der Internationalen Patentanmeldung WO 95/11473 beschrieben.
  • Weitere Beispiele von herkömmlichen kompakten Anzeigesystemen und am Kopf montierten Anzeigevorrichtungen werden von Kintz et al. in der US-Patentschrift 5 711 124, von Williams et al. in der US-Patentschrift 5 757 339 und von Ronzani et al. in der US-Patentschrift 5 844 656 beschrieben. Außerdem ist bekannt, dass von Sony Corporation eine am Kopf montierte virtuelle Anzeigevorrichtung mit der Bezeichnung „Glasstron" hergestellt wird. In der Europäischen Patentschrift 0 825 470 wird ein weiteres Beispiel einer optischen Einheit beschrieben, welche einen Flüssigkristallbildschirm, eine Hintergrundbeleuchtung, einen Spiegel, eine Linse und ein Gehäuse zum Aufnehmen dieser Bauelemente umfasst. Die optische Einheit kann entweder vor dem linken oder dem rechten Auge des Benutzers angeordnet werden. Ein unterhalb der optischen Einheit angebrachter halbdurchlässiger Spiegel reflektiert ein von der optischen Einheit emittiertes Bild auf ein Auge des Benutzers und lässt das Licht der dahinter liegenden Umgebung durch. Das zur Betrachtung des virtuellen Bildes vorgesehene Auge des Benutzers kann dadurch gewechselt werden, dass die optische Einheit zum linken oder zum rechten Auge verschoben wird.
  • All diese aufgeführten Beispiele weisen jedoch einen oder mehrere der oben erwähnten konstruktiven Nachteile auf. Solche Nachteile haben daher auch die allgemeine Akzeptanz solcher Geräte stark behindert.
  • Kompakte optische Systeme zur Verwendung in virtuellen Anzeigeanwendungen, welche eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen, werden in den beiden US-Patentanmeldungen 09/437 972 und 09/437 793, eingereicht am 10. November 1999 und auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen, beschrieben.
  • Ungeachtet dessen besteht ein Bedarf an einem kompakten optischen System für die Verwendung in Anzeigevorrichtungen, zum Beispiel in personengebundenen Anzeigevorrichtungen, zum Beispiel in tragbaren Personal Computer-Systemen, am Kopf montierten Anzeigen, tragbaren Telefonen und Ähnlichem, welches die oben erwähnten und andere nicht ausdrücklich erwähnte Nachteile nach dem Stand der Technik verringern oder beseitigen und/oder die in den oben erwähnten US-Patentanmeldungen 09/437 972 und 09/437 793 beschriebenen konstruktiven Lösungen für kompakte optische Systeme verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches System zur Verwendung in Anzeigevorrichtungen, zum Beispiel in einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung, bereit, welches die Nachteile herkömmlicher Konstruktionen beseitigt, z.B. übermäßige Abmessungen und Gewicht, eingeschränktes Gesichtsfeld usw. Durch eine solche neuartige Konstruktion werden zum Beispiel tragbare Computersysteme ermöglicht, die bequemer sind und von größeren Benutzerkreisen angenommen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsart eines kompakten optischen Systems der Erfindung zum Lenken eines Bildsignals auf einen betrachtenden Benutzer, bei welchem das Bildsignal für einen Minibildschirm erzeugt wird, umfasst das optische System alle strukturellen Merkmale nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsarten sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Gemäß einer Ausführungsart einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung ist die Anzeigevorrichtung bezüglich Größe und Gewicht kompakt und beinhaltet ein leistungsfähiges optisches System, zum Beispiel das oben beschriebene optische System, mit einer klaren Durchsichtmöglichkeit. Für den Fall, dass die Durchsichtmöglichkeit nicht erwünscht ist, kann eine verschiebbare Blende vorgesehen werden. Zum Fokussieren des Bildes, zum Beispiel für einen Abstand von etwa 18 Zoll (45 cm) bis unendlich, kann eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen werden. Zur Anpassung an den Kopf des Benutzers kann ein einstellbarer Tragebügel angebracht werden. Zur Feinjustierung der Position der optischen Anordnung kann eine flexible Auslegerstruktur angebracht werden. Zur Justierung der Position der optischen Anordnung kann auch ein Gleit- und Kugelgelenkmechanismus angebracht werden. Zur Spracheingabe durch den Benutzer kann ein eingebautes Mikrofon vorgesehen werden.
  • Es ist klar, dass die am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit bequem auch in Verbindung mit einer Korrektur- oder Sicherheitsbrille benutzt werden kann und dem Benutzer ein brauchbares Bild liefert, ohne das Gesichtsfeld seiner Umgebung zu verdecken. Das Aussehen der Einheit ist ansprechend gestaltet, um die Benutzerakzeptanz deutlich zu verbessern.
  • Ferner ist klar, dass eine am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit mit einer Computereinheit kombiniert werden kann. Die Computereinheit kann ein elektrisches Signal erzeugen und zu einem mit der Anzeigeeinheit verbundenen Minibildschirm schicken, um das vom Benutzer zu betrachtende Bildsignal zu erzeugen. Diese Kombination bildet auf vorteilhafte Weise ein tragbares Computersystem.
  • Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung ihrer anschaulichen Ausführungsarten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNÜNGEN
  • 1 zeigt eine herkömmliche am Kopf montierte virtuelle Anzeigevorrichtung nach Art einer Brille;
  • 2 zeigt eine herkömmliche am Kopf montierte monokulare virtuelle Anzeigevorrichtung;
  • 3A zeigt eine erste Ansicht einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigeeinheit und Computereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
  • 3B zeigt eine zweite Ansicht einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigeeinheit und Computereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
  • 4 zeigt eine künstlerische Gestaltung einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form, wie sie von einem Benutzer getragen werden kann;
  • 5 zeigt ein optisches System einer virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß der Hauptausführungsart der vorliegenden Erfindung;
  • die 6A bis 6C zeigen Grafen, welche die Leistungsparameter Astigmatismus, Verzeichnung und chromatische Aberration eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung verdeutlichen;
  • 7 zeigt eine Tabelle der Konstruktionsparameter eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
  • 8 zeigt einen integrierten Fokussierungsmechanismus und den Anbringungsort eines Mikrofons in einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
  • die 9A und 9B zeigen eine verschiebbare Blende in den Stellungen „offen" bzw. „geschlossen" an einer am Kopf montieren virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung; und
  • 10 zeigt die Einstellmechanismen für den Tragebügel und den Auslegerarm einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSARTEN
  • Im Folgenden wird ein optisches System gemäß der vorliegenden Erfindung für eine am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit und einen entsprechenden tragbaren Computer erläutert. Es ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese oder eine andere spezielle Anzeigeanwendung beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr für jede beliebige geeignete Anzeigeanwendung eingesetzt werden, bei welcher die Verwendung eines kompakten optischen Systems zum Anzeigen von Bildern wünschenswert ist, das in eine für die Anwendung genutzte Vorrichtung eingebaut werden kann. Als solche Vorrichtungen kommen zum Beispiel personengebundene Vorrichtungen wie tragbare Personal Computer, am Kopf montierte Anzeigevorrichtungen, tragbare Telefone und Ähnliches in Frage.
  • Die 3A und 3B zeigen eine am Kopf montierte virtuelle Anzeigeeinheit 10 und eine Computereinheit 20 gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Zum elektrischen Anschluss der Computereinheit 20 an die am Kopf montierte virtuelle Anzeigeeinheit 10 ist ein Kabel 30 angebracht. Die 3A und 3B zeigen dieselbe am Kopf montierte virtuelle Anzeigeeinheit 10 jeweils aus entgegengesetzten Richtungen. Es ist klar, dass die Computereinheit 20 vorzugsweise einen kleinen Formfaktor, z.B. Taschenformat, und ein geringes Gewicht besitzt. Vorzugsweise kann sie auch eine Klammer zum Befestigen am Gürtel oder an einer Tasche des Benutzers aufweisen. Eine solche Computereinheit wird als „tragbarer Computer" bezeichnet. Der tragbare Computer kann alle oder fast alle typischen Komponenten eines Personal Computers, eines Laptopcomputers, eines PDA (Personal Digital Assistent) oder Ähnlichem beinhalten, z.B. einen Prozessor (z.B. eine CPU), einen fest eingebauten Speicher, einen austauschbaren Speicher, eine Bildschirmsteuerschaltung, eine Verbindung zu einem externen Netzwerk (z.B. zum Internet), Anwendungssoftware usw.
  • Die am Kopf montierte virtuelle Anzeigeeinheit 10 umfasst: ein Optikmodul 100; einen flexiblen Auslegerarm 200; eine Justiereinheit 300; einen Ohrhörer 400; und einen Tragebügel 500. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfasst das Optikmodul 100 ein optisches System, einen Fokussierungsmechanismus, eine verschiebbare Blende und ein eingebautes Mikrofon. Der flexible Auslegerarm 200 ermöglicht eine Feineinstellung der Lage des Optikmoduls 100 vor dem Auge des Benutzers. Als flexibler Auslegerarm kann beispielsweise ein spiralförmig gewickeltes biegsames Rohr (Schwanenhals) aus Metall oder Kunststoff dienen. Solche Rohre sind bekannt und handelsüblich. Die Justiereinheit 300 enthält vorzugsweise einen kombinierten Gleit- und Kugelgelenkmechanismus zum Einstellen der Lage und des Winkels des Auslegerarms. Diese Ausführungsart wird später in Verbindung mit 10 ausführlich erläutert. Zur Einstellung der Lage des Optikmoduls können selbstverständlich auch andere Anordnungen eingesetzt werden. Der gezeigte Ohrhörer 400 ist durch eine Anschlussleitung mit der Justiereinheit 300 verbunden. Alternativ kann der Ohrhörer mit der auf das Ohr des Benutzers gerichteten Austrittsöffnung an der Justiereinheit 300 angebracht bzw. an einem schwenkbaren Hebel der Justiereinheit 300 befestigt sein. Der Tragebügel 500 ist mit Einstellschiebern 502 und Kopfhaltern 504 dargestellt. Der Tragebügel wird normalerweise am Hinterkopf getragen, jedoch sind auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann der Bügel über die Oberseite des Kopfes hinweg verlaufen, oder die Justiereinheit 300 kann an einem (nicht gezeigten) Helm angebracht sein.
  • Es ist klar, dass der Benutzer mit Hilfe des flexiblen Auslegerarms 200 und der Justiereinheit 300 das Optikmodul 100 in das Gesichtsfeld und aus dem Gesichtfeld (in diesem Fall) seines rechten Auges schieben kann. Die Einheit 10 kann natürlich auch so aufgebaut sein, dass ein Benutzer das Optikmodul 100 durch das linke Auge betrachtet. In einem solchen Fall kann die Einheit 10 umgedreht werden, damit sie für das linke Auge genutzt wird. Die Einheit 10 kann auch so aufgebaut sein, dass sie zwei getrennte Anzeigeteile aufweist, also eines für das rechte und eines für das linke Auge. Ein Fachmann ist in der Lage, auch andere Anordnungen zu entwickeln.
  • Somit kann ein Benutzer mit Hilfe der Kombination aus Anzeigeeinheit 10 und Computereinheit 20 die von der Einheit 20 z.B. durch Anwendungssoftware, einen Webbrowser usw. erzeugten Bildsignale betrachten. Die Bilddaten werden über das Kabel 30 zum Bildschirm geleitet. Mittels des Ohrhörers 400 kann ein Benutzer Tonsignale hören, die von der Einheit 20 erzeugt wurden. Mittels des (in 8 gezeigten) Mikrofons im Optikmodul 100 kann ein Benutzer Sprachbefehle an den Computer richten.
  • Die 3A und 3B zeigen somit ein tragbares Computersystem mit geringem Gewicht, welches eine am Kopf montierte Anzeigeeinheit mit geringem Gewicht umfasst, die ein in Verbindung mit einem tragbaren Computer im Taschenformat verwendetes kompaktes optisches System enthält. Da das optische System in der dargestellten Weise mittels eines leichten Auslegerarms oder einer Bügelstruktur am Kopf des Benutzers angebracht ist, kann das Gesamtgewicht der am Kopf montierten Anzeigevorrichtung auf etwa zwei Unzen (ca. 56 g) oder weniger verringert werden.
  • 4 zeigt eine künstlerische Gestaltung einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigeeinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form, wie sie von einem Benutzer getragen werden kann. Die Figur zeigt, dass das Optikmodul 100 auf vorteilhafte Weise in das Gesichtsfeld des rechten oder des linken Auges des Benutzers geschoben werden kann. Es ist so klein, dass es nicht stört und einen unverzerrten Blick durch das optische System auf die Umgebung gestattet. Wenn die Anzeige eingeschaltet wird, ist sie hell genug, um sich deutlich gegen die Umgebung abzuheben.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes optisches System gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung im Optikmodul 100 beschrieben. Es ist jedoch klar, dass das erfindungsgemäße optische System nicht nur in Verbindung mit dem in 3A und 3B gezeigten tragbaren Computersystem, sondern auch in anderen Vorrichtungen genutzt werden kann. Das optische System der Erfindung eignet sich für eine große Anzahl von Anwendungen, da es einen kompakten Formfaktor aufweist und in der Lage ist, qualitativ hochwertige optische Bilder anzuzeigen. Ein Fachmann ist in der Lage, diverse andere Ausführungsformen und Anwendungen zu entwickeln, in denen ein solches optisches System eingesetzt werden kann.
  • Ferner wird im Folgenden in Verbindung mit der folgenden Ausführungsart ausführlich erläutert, dass das optische System der Erfindung eine Optik mit gefalteten Strahlengängen bereitstellt, bei der es sich nicht um eine Optik in „freier Form", sondern um eine „achsnahe" Optik handelt. Dadurch kann das optische System sowohl die hier beschriebenen als auch weitere Vorteile und Merkmale bieten, die ein Fachmann anhand der erfindungsgemäßen Lehren entwickeln kann. Unter den Begriffen „achsnah" und „freie Form" ist Folgendes zu verstehen. Die optische Achse einer typischen sphärischen Linse wird durch einen senkrecht durch ihre Mitte tretenden Lichtstrahl definiert. Das Strahlenbündel tritt durch das Linsenfeld um diese Achse herum und kann durch die Linse gut abgebildet werden. Beispiele solcher Systeme sind Kameras, Mikroskope und Feldstecher. In komplexeren Systemen kann das Strahlenbündel um eine Linie herum verlaufen, die gegenüber der Linse gekippt ist; hierbei handelt es sich um eine „achsferne" Abbildung. Man beachte, dass die typische sphärische Linse zur optischen Achse symmetrisch ist. Andere Systeme sind zwar nicht radialsymmetrisch und weisen keine eindeutige optische Achse im obigen Sinne auf, können jedoch trotzdem eine Abbildungsfunktion erfüllen. Diese werden im Allgemeinen als Optik in „freier Form" bezeichnet.
  • 5 zeigt ein virtuelles optisches Anzeigesystem gemäß der Hauptausführungsart der vorliegenden Erfindung. Bei diesem optischen System handelt es sich, wie oben erwähnt, um das im Optikmodul 100 eingesetzte optische System. Licht von einer Lichtquelle 1000, üblicherweise einer Anordnung von roten, grünen und blauen Leuchtdioden (LEDs) beleuchtet einen Minibildschirm 1100. Bei dieser Ausführungsart ist der Minibildschirm vom Transmissionstyp. Minibildschirme vom Transmissionstyp, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind zum Beispiel von der Firma Kopin, Taunton, Massachusetts, USA, erhältlich. Anstelle des Minibildschirms vom Transmissionstyp kann natürlich auch ein Minibildschirm vom Emissionstyp verwendet werden, bei dem sich die Lichtquelle im Innern des Minibildschirms befindet. Minibildschirme vom Emissionstyp, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind zum Beispiel von der Firma Planar, Beaverton, Oregon, USA, erhältlich. Der Minibildschirm kann auch vom Reflexionstyp sein. Minibildschirme vom Reflexionstyp, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind zum Beispiel von der Firma Colorado Microdisplay, Boulder, Colorado, USA, erhältlich.
  • Unabhängig vom verwendeten Typ erzeugt der Minibildschirm auf bekannte Weise ein Bild als Reaktion auf elektrische Signale, die zu dem Bildschirm gesendet werden. Die elektrischen Signale können zum Beispiel von der Computereinheit 20 (3A und 3B) zum Minibildschirm gesendet werden. Dieses Bild wird mit Hilfe einer Bildfeldlinse 1200, einer Zerstreuungslinse 1300, eines Strahlenteilerprismas 1400, einer λ/4-Platte 1600 und einer Reflexionslinse 1500 betrachtet. Bekanntermaßen enthält eine Zerstreuungslinse eine oder mehrere konkave Außenflächen, während eine Sammellinse eine oder mehrere konvexe Außenflächen aufweist. Das Licht von der Anzeigevorrichtung wird linear polarisiert und tritt durch die Linsen 1200 und 1300 in das Prisma 1400. Das Licht ist so polarisiert, dass es im Wesentlichen durch eine polarisierende Fläche 1410 des Prismas 1400 durchgelassen wird. Dann tritt das Licht durch die λ/4-Platte 1600 und ist dann zirkular polarisiert. Die Reflexionslinse 1500 weist auf ihrer gekrümmten Fläche eine reflektierende Beschichtung (z.B. aus einem reflektierenden metallischen oder dielektrischen Material) auf, welche das Licht noch einmal auf die λ/4-Platte reflektiert. Nach dem erneuten Durchlaufen der λ/4-Platte wird das Licht wieder linear polarisiert, allerdings ist seine Polarisationsrichtung dann um 90 Grad gedreht. Das Licht tritt wieder in das Prisma 1400 ein und wird nun praktisch vollständig durch die polarisierende Fläche 1410 reflektiert. Das Licht verlässt nun das Prisma 1400 und fällt auf die Austrittsöffnung 1700 des optischen Systems. An der Stelle der Austrittsöffnung 1700 des optischen Systems befindet sich normalerweise das Auge des Benutzers, der das virtuelle Bild des Minibildschirms 1100 betrachtet.
  • Ein Merkmal dieser Konstruktion besteht darin, dass das Bild der Außenwelt, welches das Auge durch das optische System erfasst, nicht verzerrt ist. Dies wird durch ein konstruktives Merkmal der Erfindung erreicht, indem die Formen der Eintrittsfläche 1420 und der Austrittsfläche 1430 des Prismas 1400 für diesen Zweck im Wesentlichen dieselbe Form haben.
  • Ein weiteres Merkmal dieses optischen Systems besteht darin, dass das vom Minibildschirm 1100 kommende Licht bei der Austrittsöffnung 1700 ein virtuelles Bild erzeugt, das von hoher Qualität und im Wesentlichen aberrationsfrei ist. Das heißt, das virtuelle Bild ist im Wesentlichen frei von Astigmatismus, Verzeichnungen und chromatischen Aberrationen.
  • Diese hohe Qualität wird durch die Kombination der Bildfeldlinse 1200, der Zerstreuungslinse 1300, des Prismas 1400 der λ/4-Platte 1600 und der Reflexionslinse 1500 in der gezeigten Anordnung und durch die geeignete Auswahl der Materialien für diese Bauelemente erreicht. Insbesondere wird das Material für die Zerstreuungslinse 1300 so gewählt, dass die chromatische Aberration in Verbindung mit der Bildfeldlinse 1200 und der Reflexionslinse 1500 im Wesentlichen aufgehoben wird. Die bevorzugten konstruktiven Parameter für diese Linse sowie für die anderen Bauelemente des Optikmoduls werden im Folgenden in Verbindung mit 7 erläutert.
  • Die 6A bis 6C zeigen drei Grafen für die Qualität des in 5 gezeigten optischen Systems. 6A zeigt einen Grafen des Astigmatismus als Funktion der Position im Bildfeld. Es zeigt sich, dass das Bildfeld bis zu 0,016 Millimeter (mm) von der Ebene abweicht und der Astigmatismus zwischen der sagittalen und der tangentialen Richtung um 0,005 mm differiert. Das bedeutet, dass das Bild im Wesentlichen ideal eben ist und praktisch keinen Astigmatismus aufweist. 6B zeigt einen Grafen der Bildverzeichnung als Funktion der Position im Bildfeld. Daraus ist zu erkennen, dass das optische System eine Verzeichnung über das Bildfeld von weniger als 0,2 Prozent aufweist. Dem Fachmann ist klar, dass das Bild dadurch im Wesentlichen verzeichnungsfrei ist. 6C zeigt einen Grafen der chromatischen Aberration als Funktion der Position im Bildfeld. Es ist zu erkennen, dass die chromatische Aberration der Farben rot, grün und blau untereinander maximal 0,003 mm beträgt. Der Minibildschirm einer bevorzugten Ausführungsart weist einen Bildpunktabstand (Pixelabstand) von ungefähr 0,012 mm auf. Somit ist das optische System praktisch frei von chromatischer Aberration.
  • 7 zeigt eine Tabelle der konstruktiven Parameter eines optischen Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. In der Tabelle sind die Nummer der Oberfläche (Spalte A), der Radius bzw. die Krümmung der Oberfläche (Spalte B), die Mittendicke der Oberfläche (Spalte C), der Aperturradius der Oberfläche (Spalte D) und das Material (Spalte E) für jedes optische Bauelement des Systems angegeben. In der Tabelle bezeichnet SRF die „Oberfläche"; OBJ die „Objektposition"; AST die „Öffnungsblende"; IMS die „Bildfeldfläche"; und BK7 sowie SF1 industrielle Standardgläser. Ferner sind die Abstände zwischen den Bauelementen angegeben. Es ist klar, dass die in der Tabelle (in Form der Oberflächennummer in Spalte A) aufgeführten Oberflächen die Oberflächen der Bauelemente (z.B. Strahlenteilerprisma, Bildfeldlinse usw.) des in 5 gezeigten optischen Systems sind. Die Zugehörigkeit der Oberflächen zu den jeweiligen Bauelementen von 5 ist durch die Klammer und die entsprechende Bezugsnummer des jeweiligen Bauelements von 5 am linken Rand der Tabelle von 7 angegeben. Ein Fachmann ist in der Lage, anhand dieser konstruktiven Daten die oben erwähnten Eigenschaften des optischen Systems zu erzeugen und zu bestätigen.
  • 8 zeigt einen eingebauten Fokussierungsmechanismus und die Anbringung eines eingebauten Mikrofons in einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Diese Bauelemente sind, wie bereits erwähnt, in dem in 3A und 3B gezeigten Optikmodul 100 untergebracht. 8 zeigt den Fokussierungsmechanismus und das Mikrofon, nachdem das Gehäuse des Optikmoduls 100 abgenommen wurde. Das eingebaute Fokussierungsmerkmal besteht darin, dass ein kompakter Schlittenmechanismus die Bildfeldlinse 1200, den Minibildschirm 1100 und die LED-Hintergrundbeleuchtung 1000 von 5 so verschiebt, dass das virtuelle Bild auf eine Entfernung zwischen etwa 18 Zoll (etwa 45 cm) und unendlich fokussiert wird. Die Bildfeldlinse 1200, der Minibildschirm 1100 und die Hintergrundbeleuchtung 1000 sind in dem verschiebbaren Schlitten 2200 montiert. Der Schlitten 2200 wird mittels einer Schraube 2500 und eines Stellknopfes 2600 entlang der optischen Achse verschoben. Auch andere herkömmliche Anordnungen von Verschiebungselementen können verwendet werden. Zum Einstellen der Bildbrennweite über den gewünschten Bereich hinweg reicht eine Verschiebung des Schlittens 2200 gegenüber dem Strahlenteilerprisma 1400 um ±1 mm. Es ist bevorzugt, dass die Zerstreuungslinse 1300, das Strahlenteilerprisma 1400, die λ/4-Platte 1600 und die (unter der Endabdeckung des Modulgehäuses befindliche und dadurch in 8 nicht sichtbare) Reflexionslinse 1500 im Innern des Gehäuses des Optikmoduls fest angebracht bleiben.
  • 8 zeigt auch die Anbringung eines kompakten Mikrofons 2700. Das Mikrofon kann ein Richtmikrofon sein. Es ist zum Gesicht des Benutzers gerichtet und der Umgebung abgewandt, um die Stimme des Benutzers aufzunehmen. Es ist klar, dass die Zuleitungen für das Mikrofon und das optische System durch den flexiblen Auslegerarm 200 verlaufen können. Wie bereits erwähnt, können die Bauelemente des Optikmoduls sowie der Ohrhörer 400 durch ein Kabel 30 (3A und 3B) mit einer Computereinheit 20 verbunden sein.
  • Die 9A und 9B zeigen eine verschiebbare Blende in der offenen bzw. geschlossenen Position an einer am Kopf montierten virtuellen Bildanzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigen 9A und 9B im Einzelnen das Optikmodul 100 mit einer in das Gehäuse des Optikmoduls eingebauten Blende. In 9A ist eine Blende 3200 in der geöffneten Position (Durchsichtmodus) dargestellt. Somit kann ein Benutzer, der ein Bild durch die Optik des Optikmoduls 100 betrachtet, auch das von der Rückseite des Optikmoduls 100 kommende Licht sehen. In 9A ist das Strahlenteilerprisma 1400 bei geöffneter Blende 3200 zu sehen. In 9B ist die Blende 3200 in der geschlossenen Position zu sehen, in der das Hintergrundlicht ganz oder teilweise gesperrt wird. Die Blende 3200 kann vom Benutzer in der durch Pfeil A angezeigten Richtung verschoben werden, wenn gewünscht wird, das Hintergrundlicht abzuschwächen oder ganz zu sperren. Es ist klar, dass die Blende zum Ändern des Außenlichtes je nach der mit dem virtuellen Anzeigesystem ausgeführten Anwendung entweder undurchlässig, teildurchlässig, gefärbt oder polarisierend sein kann.
  • 10 zeigt die Mechanismen zum Einstellen des Tragebügels und des Auslegerarms an einer am Kopf montierten virtuellen Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt 10 einen Ausschnitt des Mechanismus zum Einstellen des Auslegerarms. Die gezeigte Justiereinheit 300 umfasst einen Grundkörper 4100 mit einem darin gebildeten Kanal 4110. Im Innern des Kanals 4110 ist ein Gleitmechanismus 4200 eingebaut, der entlang dem Kanal in der durch den Pfeil 4400 angezeigten Richtung hin- und hergleiten kann. In kleine (in 3B sichtbare) kreisförmige Vertiefungen 302 rasten ein oder mehrere (nicht gezeigte) entsprechende Vorsprünge an der Innenseite des Gleitmechanismus ein, sodass der Gleitmechanismus und somit das Optikmodul in einer gewünschten Position verbleibt.
  • Ferner umfasst die Justiereinrichtung ein Kugelgelenk 4300, das in den Gleitmechanismus 4200 schwenkbar eingepasst ist. Das schwenkbare Kugelgelenk 4300 ermöglicht der Justiereinrichtung und somit dem Optikmodul 100 die Drehung in den durch die Pfeile 4500 und 4600 angezeigten Richtungen. Der flexible Auslegerarm 200 lässt ebenfalls die Bewegung des Optikmoduls in den durch die Pfeile 4400, 4500 und 4600 angezeigten Richtungen zu. Durch die Einbeziehung des Gleit- und Kugelgelenkmechanismus sowie des flexiblen Auslegerarms ist der Benutzer in der Lage, das Optikmodul 100 optimal auf jede gewünschte Entfernung und/oder Position bezüglich seines Auges einzustellen.
  • Obwohl oben anschauliche Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurden, ist klar, dass die Erfindung nicht auf genau diese Ausführungsarten beschränkt ist, sondern dass ein Fachmann vielfältige Änderungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (16)

  1. Kompaktes optisches System zum Lenken eines durch einen Benutzer zu betrachtenden Bildsignals, wobei das Bildsignal durch einen Minibildschirm (1100) erzeugt wird und das System bei Verwendung zusammen mit dem Minibildschirm Folgendes umfasst: ein nahe dem Minibildschirm angeordnetes Strahlenteilerprisma (1400); eine zwischen dem Strahlenteilerprisma und dem Minibildschirm angeordnete Bildfeldlinse (1200); eine zwischen der Bildfeldlinse und dem Strahlenteilerprisma angeordnete Zerstreuungslinse (1300); eine nahe dem Strahlenteilerprisma an der dem Minibildschirm gegenüberliegenden Seite des Strahlenteilerprismas angeordnete Reflexionslinse (1500); und eine zwischen der Reflexionslinse und dem Strahlenteilerprisma angeordnete λ/4-Platte (1600); wobei das Strahlenteilerprisma, die Bildfeldlinse, die Zerstreuungslinse, die Reflexionslinse und die λ/4-Platte so angeordnet sind, dass das vom Minibildschirm kommende linear polarisierte Bildsignal: (a) durch die Bildfeldlinse und die Zerstreuungslinse tritt; (b) in das Strahlenteilerprisma eintritt, indem es im Wesentlichen durch eine polarisierende Oberfläche des Strahlenteilerprismas tritt; (c) durch die λ/4-Platte tritt und dabei zirkular polarisiert wird; (d) an einer Oberfläche der Reflexionslinse wieder zurück zur λ/4-Platte reflektiert wird, die λ/4-Platte ein zweites Mal durchläuft und dabei in einer Polarisationsrichtung linear polarisiert wird, die gegenüber einer ursprünglichen linearen Polarisationsrichtung des Bildsignals um 90 Grad gedreht ist; und (e) wieder in das Strahlenteilerprisma eintritt, dabei im Wesentlichen an der polarisierenden Oberfläche des Strahlenteilerprismas reflektiert wird und das Strahlenteilerprisma verlässt, um vom Benutzer betrachtet zu werden.
  2. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Oberfläche der Reflexionslinse (1500) eine reflektierende Beschichtung beinhaltet.
  3. Optisches System nach Anspruch 2, bei welchem die reflektierende Beschichtung eine reflektierende metallische Beschichtung oder eine reflektierende dielektrische Beschichtung ist.
  4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches ferner einen Minibildschirm (1100) umfasst, der entweder ein Minibildschirm vom Emissionstyp, ein Minibildschirm vom Transmissionstyp oder ein Minibildschirm vom Reflexionstyp ist.
  5. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit, welche Folgendes umfasst: einen Minibildschirm (1100); das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Montagestruktur des optischen Systems zum Haltern des optischen Systems im Gesichtsfeld eines Auges des Benutzers, wobei die Montagestruktur des optischen Systems eine flexible Auslegerarmanordnung (200) beinhaltet, wobei die flexible Auslegerarmanordnung so konfiguriert ist, dass sie das optische System haltert und das optische System flexibel zu einer bestimmten Position bezüglich des Auges des Benutzers bewegt.
  6. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach Anspruch 5, bei welcher die Montagestruktur des optischen Systems so angeordnet ist, dass sie das optische System im Gesichtsfeld eines Auges des Benutzers haltert.
  7. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welcher die Montagestruktur so konfiguriert ist, dass das optische System wahlweise in das Gesichtsfeld des Auges des Benutzers hinein und aus dem Gesichtsfeld heraus bewegt werden kann.
  8. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, welche ferner einen Fokussierungsmechanismus (2200, 2500, 2600) zum Einstellen der Brennweite des auf den Benutzer gerichteten Bildsignals umfasst.
  9. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach Anspruch 8, bei welcher der Fokussierungsmechanismus einen verschiebbaren Schlitten (2200) umfasst, der verschiebbare Schlitten den Minibildschirm (1100) und die Bildfeldlinse in der Weise haltert, dass der Minibildschirm und die Bildfeldlinse entlang der optischen Achse bezüglich des Strahlenteilerprismas, der Reflexionslinse und der λ/4-Platte verschoben werden.
  10. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, welche ferner eine Blende (3200) umfasst, wobei die Blende bezüglich des optischen Systems in der Weise positioniert wird, dass in einer offenen Position Hintergrundlicht in das optische System eintritt und in einer geschlossenen Position das Eintreten des Hintergrundlichts in das optische System zumindest teilweise verhindert wird.
  11. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach Anspruch 5 oder Anspruch 10, bei welcher die Blende (3200) entweder undurchlässig, teilweise undurchlässig, farbig oder polarisiert ist.
  12. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 11, welche ferner ein Mikrofon (2700) zum Aufnehmen von Sprachäußerungen umfasst, die der Benutzer beim Betrachten des Bildsignals von sich gibt.
  13. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei welcher die Montagestruktur des optischen Systems eine Justieranordnung (300) umfasst, wobei die Justieranordnung einen Gleitmechanismus (4200) beinhaltet, damit das optische System gleitend in eine bestimmte Entfernung vom Auge des Benutzers verschoben wird.
  14. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei welcher die Montagestruktur des optischen Systems eine Justiereinheit (300) umfasst, wobei die Justiereinheit einen drehbaren Kugelgelenkmechanismus (4300) beinhaltet, damit das optische System durch Drehung in eine bestimmte Position bezüglich des Auges des Benutzers bewegt wird.
  15. Am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 14, bei welcher die Montagestruktur des optischen Systems eine flexible Auslegerarmanordnung (200) umfasst, wobei die flexible Auslegerarmanordnung so gestaltet ist, dass sie das optische System haltert und flexibel in eine bestimmte Position bezüglich des Auges des Benutzers bewegt.
  16. Tragbares Computersystem, welches Folgendes umfasst: (a) die gemäß einem der Ansprüche 5 bis 15 beschriebene am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit; und (b) eine an die am Kopf montierte virtuelle Bildanzeigeeinheit angeschlossene Computereinheit (20) zum Erzeugen eines elektrischen Signals und zum Übertragen des elektrischen Signals zum Minibildschirm, um ein vom Benutzer zu betrachtendes Bildsignal zu erzeugen.
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