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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anzeigevorrichtung, die Folgendes
umfasst:
eine Photonenquelle zum Aussenden von Photonen für ein Quellenbild;
wobei die Quelle eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die auf einer
Oberfläche
angeordnet sind;
ein optisches Zwischensystem zum Richten der
ausgesendeten Photonen;
ein optisches System mit veränderlicher
Leistung zum Modulieren der Photonenwellenfrontkrümmung von
dem optischen Zwischensystem; und
ein optisches Endsystem zum
Richten der Photonen von dem optischen System mit veränderlicher
Leistung in das Auge eines Benutzers, um das Quellenbild mit der
Wahrnehmung einer sich ändernden Bildszene
zu sehen.
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Erörterung
des Stands der Technik
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Die
PCT Patentschrift Nr. WO99/08145 (Isis Innovation) beschreibt eine
solche Anzeigevorrichtung. Solche Anzeigevorrichtungen arbeiten,
indem sie den Augen eines Benutzers Quellenbilder präsentieren,
so dass der Benutzer eine Wahrnehmung jedes Quellenbildpixels in
jedem aus einem Kontinuum bestehenden Abstand hat. Anwendungen einer solchen
Anzeigevorrichtung umfassen die Untersuchung der Augenakkommodationsreaktion
und stereoskopische Bildanzeige ohne Konflikt zwischen Akkommodation
und Vergenz.
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Ein
wesentliches Problem mit optischen Systemen zum Modulieren der Photonenwellenfrontkrümmung besteht
wegen der Frequenz und Amplitude der erforderlichen optischen Elementbewegung. Eine
Anzeigeauflösung
mit 1024 × 768
Pixel, die mit 60 Hz (non-interlaced) aktualisiert wird, würde erfordern,
dass sich die Wellenfrontkrümmung
mit über
47 MHz ändert.
Vorrichtungen, die optische Elemente mit solchen Frequenzen um nicht
triviale Amplituden versetzen oder rotieren, sind sperrig, teuer
und unzuverlässig.
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Es
existieren optische Systeme, die das Problem der hochfrequenten
Translation und Rotation umgehen. Zum Beispiel erlauben sie eine
hochfrequente Verformung der Reflexionsflächen oder eine hochfrequente Änderung
des Brechungsindex der Reflexionsflächen. Es gibt jedoch andere
Probleme, die derzeit mit diesen einhergehen, dazu gehören: Ihre
Schaltgeschwindigkeiten sind langsam in der Größenordnung von kHz; sie weisen
relativ kleine Durchmesser auf; ihre Arten der Wellenfrontverformung
sind begrenzt; sie weisen eine begrenzte optische Leistung auf;
und sie können
schlechte Photonentransmission aufweisen.
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Ein
weiteres Problem bezieht sich auf die Eigenschaften der Pixel und
ihren Wellenfronten. Um viele Anwendungen zu realisieren, von denen
einige genannt wurden, sollte die Anzeige in der Lage sein, das
Akkommodationssystem des Auges optisch zu stimulieren. Dies erfordert
nicht nur eine geeignete Wellenfrontkrümmung, sondern ebenfalls eine
hinreichende Photonenmenge mit geeigneten Wellenlängen und
einen ausreichenden Durchmesser der Austrittspupille für jedes
Pixel.
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Ein
weiteres Problem stellt die Aberration dar, die durch das optische
System eingeführt
wird, insbesondere, wenn ein breites Sichtfeld der Photonenquellen
erforderlich ist. Ein „Weitwinkel"-Linsensystem kann
verwendet werden, um die Aberration über das Feld für eine einzelne,
jedoch nicht notwendigerweise für
mehrere Anordnungen der Vorrichtung zu verringern. Ein herkömmliches „Zoom"-Linsensystem zum
Verändern
der optischen Leistung kann verwendet werden, um die Aberration
für mehrere
Anordnungen zu verringern, erhöht
jedoch die Masse der zu bewegenden optischen Elemente. Ein ähnliches
Problem stellt die Gesamtmasse von komplexeren Systemen dar, insbesondere
wenn die Vorrichtung als Anzeige auf dem Kopf zu verwenden ist.
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Anzeigvorrichtungen
sind vorgeschlagen worden, die die zuvor genannten nicht-rotierenden und
nicht-verschiebenden optischen Systeme verwenden, um die Wellenfrontkrümmung zu
modulieren. Sie überwinden
jedoch nicht die umrissenen Probleme auf brauchbare, zuverlässige und
kostengünstige
Weise (insbesondere die Einschränkungen
der Schaltgeschwindigkeit und des Durchmessers), um ein breites
Sichtfeld, ein hochauflösendes
Farbbild, mit geringer Aberration derart nachzubilden, das Akkommodationssystem
des Benutzers optisch zu stimulieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
gibt es eine Anzeigevorrichtung wie in Anspruch 1 festgelegt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
Mittel zum gleichzeitigen Darstellen aller Pixel, die mit akzeptablem
Aberrationsgrad für
einen gegebenen Zustand des optischen Systems mit veränderlicher
Leistung angezeigt werden können.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
Mittel zum Ordnen der Sequenz der Pixeldarstellung derart, dass
die Größe der Zustandsänderung
des optischen Systems mit veränderlicher
Leistung minimiert wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der öffnungsbegrenzende
Anschlag eine Öffnung
mit veränderlichem
Durchmesser mit zwei Translationsfreiheitsgraden, die durch das
Steuergerät
gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das optische Endsystem einen konkaven Spiegel.
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In
einer Ausführungsform
wird mindestens ein Teil des optischen Zwischensystems hinter dem optischen
System mit veränderlicher
Leistung angeordnet, um die Bündel
parallel auszurichten, so dass es telezentrisch ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist das optische Zwischensystem ein breites Sichtfeld der Photonenquelle
auf, das einen Bereich umfasst, der breiter als seine physikalische
Größe ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
Mittel zum Empfangen von Eingaben von einem Augenverfolgungssystem,
um die Blickrichtung und den Akkommodationszustand des Benutzers
zu überwachen
und die Eingaben bei der Erzeugung des Steuersignals zu verwenden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
Mittel zum Empfangen von Eingaben von dem Szenensynthesesystem,
um die Blickrichtung und den Akkommodationszustand des Benutzers
einzuschätzen
und die Eingaben bei der Erzeugung des Steuersignals zu verwenden.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
Mittel zum Empfangen von Eingaben von einem Wellenfrontsensor, um
die Ausgabe des optischen Systems mit veränderlicher Leistung zu überwachen
und die Eingaben bei der Erzeugung des Steuersignals zu verwenden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird durch die folgende Beschreibung einiger Ausführungsformen
klarer verständlich,
die beispielsweise nur mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
gegeben wird, in denen:
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1 eine
schematische Systemdarstellung einer Anzeigevorrichtung der Erfindung
ist, das ein Augenverfolgungs-, Wellenfrontabtast-, Szenensynthese-,
Bildsynthese- und
Videoerzeugungssystem umfasst, die mit einem optischen System verbunden sind;
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2 eine
optische, schematische Darstellung der Anzeigevorrichtung ist;
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3 eine
optische, schematische Darstellung der Bündel von zwei verschiedenen
Pixeln in der Photonenquelle ist, die in Richtung eines öffnungsbegrenzenden
Anschlags zusammenlaufen und diesen ausfüllen; und
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4 eine
optische, schematische Darstellung des optischen Endsystems gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist, in der wahrgenommene Stellen der Bildpunkte dargestellt
sind.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Bezug
nehmend auf 1 umfasst eine Anzeigevorrichtung 1 die
folgenden Daten verarbeitenden Komponenten und ein optisches System 2:
Ein
Augenverfolgungssystem 3,
ein Szenensynthesesystem 4,
ein
Bildsynthesesystem 5,
ein Videoerzeugungssystem 6 und
ein
Wellenfrontabtastsystem 7.
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Diese
sind mit einem Steuersystem 8 gekoppelt, das wiederum mit
Komponenten des optischen Systems 2 gekoppelt ist, welches
umfasst:
eine Photonenquelle 20 mit mehreren Pixeln
in einer 2D-Fläche,
ein
optisches Zwischensystem, in dieser Ausführungsform ein bündelbildendes
System 21, das die Photonen zu Bündeln formt, wobei jedes Bündel aus Photonen
eines einzigen Pixels besteht und
ein optisches System 22 mit
veränderlicher
Leistung, zu dem die Bündel
zusammenlaufen und
ein optisches Endsystem 23 zum
Lenken der Photonen in das Auge E eines Benutzers, und das Quellenbild
zu sehen.
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Die
Photonenquelle 20 umfasst eine herkömmliche Kathodenstrahlröhre. Die
Pixel senden Photonen in nahezu kugelförmigen Wellenfronten aus, wenn
sie durch einen Elektronenstrahl angeregt werden, der sie durch
elektromagnetische Steuerung rasterartig überstreicht.
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Das
bündelbildende,
optische (Zwischen-)System 21 umfasst ein Objektivteilsystem 21(a) und
ein Abbildungsteilsystem 21(b), die beide achromatische
Dubletten sind, jeweils eine auf einer Seite des optischen Systems 22 mit
veränderlicher Leistung.
Das Objektivteilsystem 21(a) ist derart angeordnet, dass
sein erster Hauptbrennpunkt in der Ebene der Photonenquelle 20 liegt. Öffnungsbegrenzende
Anschläge 24 mit
veränderbarem
Durchmesser und zwei Translationsfreiheitsgraden sind vor dem bündelbildenden
optischen System 21 angeordnet. Die Anschläge 24 umfassen
ein optisches Flüssigkristallsystem
mit steuerbaren Pixeln, die entweder transparent oder opak sind.
Dies steuert die Anzahl, Lage und den Durchmesser der Bündel, die durch
das bündelbildende
optische System 21 gehen.
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Das
optische System 22 mit veränderlicher Leistung ist in
einem Abstand dv vor dem zweiten Hauptbrennpunkt
des Objektivteilsystems 21(a) derart angeordnet, dass die
Bündel
gegen dieses zusammenlaufen und seine Eingangspupille ausfüllen, wie
in 3 dargestellt ist. Der Abstand dv wird
wie folgt berechnet, dv =
csdvo/(sdo/fo),wobei fo und
sdo die Brennweite bzw. der Halbmesser des
Objektivteilsystems 21(a) sind, sdvo ist
der Halbmesser des optischen Systems 22 mit veränderlicher Leistung
bezüglich
der optischen Achse des Objektivteilsystems 21(a), sds ist der maximale Halbmesser der Photonenquelle 20,
do ist der Abstand von der Photonenquelle 20 zu
dem Objektivteilsystems 21(a) und c ist eine Funktion von
(sds/do).
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Das
optische System 22 mit veränderlicher Leistung umfasst
einen mikrotechnisch hergestellten, verformbaren Spiegel (MMDM).
Er besteht aus eine reflexionsbeschichteten, elastischen Membrane
unter Spannung. Ohne angewendete Kraft ist die Membrane eben. Eine
elektrostatische Kraft, die durch hinter der Membrane räumlich angeordnete
Aktuatoren aufgebracht wird, verformt ihn in eine Reihe konkaver
Formen oder Arten. Das optische System 22 mit veränderlicher
Leistung ist nicht einfach eines mit veränderlicher Brennweite, es kann
eine komplexe Verformung der Wellenfrontkrümmung erreichen, die es ermöglicht,
viele Aberrationsarten zu korrigieren, die durch andere optische
Systeme der Vorrichtung eingeführt
werden. Die Winkel zwischen der optischen Achse des optischen Systems 22 mit
veränderlicher
Leistung und der optischen Achse des Objektivteilsystems 21(a) und
des Abbildungsteilsystems 21(b) werden minimiert, um die
astigmatische Aberration zu verringern, die durch die Neigung des optischen
Systems 22 mit veränderlicher
Leistung eingeführt
wird. Da es dort angeordnet ist, wo die Bündel in seine Richtung zu zusammenlaufen
und hinter ihm auseinander laufen, beschränkt ein optisches System 22 mit
veränderlicher
Leistung mit relativ kleinem Durchmesser nicht notwendigerweise das
Sichtfeld in dem Objekt und den Abbildungsräumen des bündelbildenden optischen Systems 21.
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Das
Abbildungsteilsystem 21(b) weist eine positive optische
Leistung auf und bringt die Bündel vor
dem optischen Endsystem 23 auf Brennpunkte. Es ist in einem
Abstand (fi – di)
hinter dem optischen System 22 mit veränderlicher Leistung angeordnet. Der
Abstand di wird wie folgt berechnet, wobei
sdi und fi der Halbmesser
bzw. die Brennweite des Abbildungsteilsystems 21(b) darstellen
und sdvi der Halbmesser des optischen Systems 22 mit
veränderlicher Leistung
ist, der bezüglich
der optischen Achse des Abbildungsteilsystems 21(b) gemessen
wird: Di = sdvi/(sdi/fi).
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Dies
macht das Abbildungsteilsystem 21(b) nahezu telezentrisch,
so dass die Bestrahlungsstärke
und die winkelförmige
Feldgröße nicht
wesentlich durch das optische System 22 mit veränderlicher Leistung
verändert
werden.
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Das
optische Endsystem 23 umfasst ein herkömmliches Okular mit breitem
Sichtfeld und niedriger Aberration, wie es in Mikroskopen, Teleskopen und
anderen Sichtinstrumenten verwendet wird. Es liefert eine Newtonsche
Darstellung des Bildes (wobei Licht durch den meisten Teil der Eingangspupille des
Auges geht). Das optische Endsystem 23 ist derart angeordnet,
dass sein erster Hauptbrennpunkt in der Ebene des Bündelbrennpunkts
liegt, der durch das Abbildungsteilsystem 21(b) gebildet
wird, wenn sich das optische System 22 mit veränderlicher
Leistung in einem Zustand maximaler Leistung befindet. Dies führt dazu,
dass Bündel,
die das optische Endsystem 23 verlassen, nahezu ebene Wellenfronten aufweisen
und so werden entsprechende Bildpixel durch den Benutzer in nahezu
unendlicher Entfernung wahrgenommen. Wenn sich das optische System 22 mit
veränderlicher
Leistung in einem Zustand minimaler Leistung befindet, liegt die
Ebene der Bündelbrennweite,
die durch das Abbildungsteilsystem 21(b) gebildet wird,
hinter dem ersten Hauptbrennpunkt des optischen Endsystems 23.
Dies führt
dazu, dass Bündel,
die das optische Endsystem 23 verlassen, nahezu kugelförmige Wellenfronten
mit hoher Krümmung
aufweisen und so werden entsprechende Bildpixel durch den Benutzer
in geringer Entfernung wahrgenommen.
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Das
Steuersystem 8 weist Eingänge für Pixelkoordinaten und Pixelhelligkeiten
von dem Bildsynthesesystem 5 und die erforderliche, wahrgenommene
Entfernung von dem Szenensynthesesystem 4 auf. Es erzeugt
eine Ausgabe für
das Videoerzeugungssystem 6 der gleichzeitig anzuzeigenden
Pixel, eine Ausgabe für
den veränderlichen, öffnungsbegrenzenden
Anschlag 24 für
die Lage und den Durchmesser der zu bildenden Bündel und eine Ausgabe zum Steuern
des optischen Systems 22 mit veränderlicher Leistung, um die
Bündelwellenfrontkrümmung zu
modulieren.
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Durch
Verwenden der Blickrichtungs- und Akkommodationszustandseingaben
von einem Augenverfolgungssystem 3 ermittelt das Steuersystem 8 mit
geringster Aberration jene Pixel, die durch den Benutzer betrachtet
werden und gibt diese aus. Durch Verwenden der Eingaben des Szenensynthesesystems 4 ermittelt
das Steuersystem 8 mit verringerter Aberration jene Pixel,
die höchstwahrscheinlich
durch den Benutzer betrachtet werden und gibt diese aus.
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Da
die Schalt- und Stabilisierungszeiten der MMDM-Membrane des optischen
Systems 22 mit veränderlicher
Leistung proportional zu der Größe der Formänderung sind,
ordnet das Steuersystem 8 die Folge der Pixelausgabe derart,
dass die gesamte Formänderung,
die für
jedes Bild erforderlich ist, eine minimale Größe aufweist.
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Eine
vorberechnete Tabelle der Aberrationswerte für alle Pixel in einer Reihe
von Entfernungen und für
eine Reihe von Zuständen
des optischen Systems 22 mit veränderlicher Leistung wird von
dem Steuersystem 8 verwendet. Durch Verwenden der Tabelle
zum Vermeiden von Laufzeitberechnungen und Schätzen der Werte durch Interpolation
falls erforderlich, ermittelt das Steuersystem 8 gleichzeitig alle
Pixel, die mit akzeptablen Aberrationsgraden angezeigt werden können und
gibt diese aus, wenn der Zustand des optischen Systems 22 mit
veränderlicher
Leistung gegeben ist.
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Eine
vorberechnete Tabelle veränderlicher Steuersignalwerte
des öffnungsbegrenzenden
Anschlags 24 für
alle Pixel in einer Reihe von Entfernungen und für eine Reihe von Zuständen des
optischen Systems 22 mit veränderlicher Leistung wird ebenfalls
von dem Steuersystem 8 verwendet. Durch Verwenden der Tabelle
zum Vermeiden von Laufzeitberechnungen und Schätzen der Werte durch Interpolation
falls erforderlich, gibt das Steuersystem 8 veränderliche
Steuersignalwerte des öffnungsbegrenzenden
Anschlags 24 aus.
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Eine
vorberechnete Tabelle einer Reihe veränderlicher Steuersignalwerte
des optischen System 22 mit veränderlicher Leistung steht dem
Steuersystem 8 zur Verfügung.
Durch Verwenden der Tabelle zum Vermeiden von Laufzeitberechnungen
und Schätzen
der Werte durch Interpolation falls erforderlich, gibt das Steuersystem 8 veränderliche
Steuersignalwerte des optischen Systems 22 mit veränderlicher
Leistung aus. Die Tabellenwerte werden anschließend durch das Steuersystem 8 modifiziert, wenn
die Eingaben von einem Wellenfrontabtastsystem 7 anzeigen,
dass sie die erforderlichen Wellenfrontkrümmungen nicht erreichen.
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Alternative
Ausführungsformen
der Erfindung 1 enthalten das Folgende:
Die Photonenquelle 20 kann
eine Reihe von Videoanzeigetechniken beinhalten, die eine Ebene
der Bildpixel durch Aussenden oder Reflexion von Photonen mit nahezu
kugelförmigen
Wellenfronten bildet, einschließlich:
Flüssigkristall,
Plasma, lichtemittierende Diode und digitale Mikrospiegelvorrichtungen. Die
Photonenquelle 20 kann ebenso eine einzige Quelle von Photonen
mit nahezu ebenen Wellenfronten umfassen, die durch Spiegel unter
mikroelektromechanischer Systemsteuerung durch ein Array optischer
Elemente mit geeigneten Brechungs-, Beugungs- oder Streueigenschaften
rasterförmig
abgetastet werden, so dass Pixel mit nahezu kugelförmigen Wellenfronten
gebildet werden.
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Nicht
alle Photonen, die in das Auge eindringen, müssen alle Elemente des optischen
Systems 2 passieren. Strahlteiler und andere Brechungs-
oder Reflexionselemente können
verwendet werden, die Photonen entlang alternativer optische Pfade
zu lenken. Diese Photonen können
von einer einzigen oder von mehreren Photonenquellen 20 stammen.
In diesem Fall ermittelt das Steuergerät 8 den geeigneten optischen
Pfad für
jedes Bildpixel und gibt diesen aus.
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Das
Objektivteilsystem 21(a) und das Abbildungsteilsystem 21(b) können komplexe
optische Systeme umfassen, um die Aberration über ein breites Sichtfeld zu
minimieren.
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Mehrere
optische Systeme 22 mit veränderlicher Leistung können an
einer Reihe von Stellen entlang des optischen Pfads vorhanden sein.
Das optische System 22 mit veränderlicher Leistung kann eine
verformbare, reflektierende Fläche
unter piezoelektrischer, pneumatischer oder mechanischer Steuerung
umfassen. Das optische System 22 mit veränderlicher
Leistung kann ein optisches System mit dynamisch regelbaren Brechungsindizes über seine
Fläche
umfassen. Dies ermöglicht
eine selektive räumliche
Verzögerung
und so die Steuerung der Wellenfrontform. Elektrooptische, akustooptische, photooptische
und andere „Festkörper"-Materialien können verwendet
werden. Diese optischen Systeme 22 mit veränderlicher
Leistung sind wie in 2 dargestellt angeordnet, da
sie jedoch nicht reflektierend sind, knicken sie den optischen Pfad
nicht.
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Das
Abbildungsteilsystem 21(b) und das optische Endsystem 23 können derart
zusammengefasst sein, dass eine reale Abbildungsebene nicht notwendigerweise
gebildet wird. Das optische Endsystem 23 kann einen konkaven
Spiegel außerhalb der
optischen Achse umfassen, wie in einem optischen Endsystem 40 in 4 dargestellt
ist. Die Achsen des konkaven Spiegels und der realen Bildebene können mit
Bezug aufeinander wesentlich gekippt sein, siehe Winkel A. Die Neigung
wird durch zusätzliche,
reflektierende oder lichtbrechende Elemente zwischen der Bildebene
und dem Spiegel erreicht oder durch geeignetes Kippen der Elemente
des bündelbildenden
optischen Systems 21.
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Vorteile
der Erfindung umfassen: Die Fähigkeit,
die Akkommodation optisch durch Bereitstellen genügender Photonen
mit geeigneten Wellenlängen, mit
geeigneter Wellenfrontkrümmung
und mit einer ausreichend großen
Austrittspupille zu stimulieren; die große Austrittspupille ermöglicht ebenfalls
eine Ausrichtung des Auges mit der Anzeige; das optische System 22 mit
veränderlicher
Leistung korrigiert die Aberration, die durch andere optische System
der Vorrichtung eingeführt
wird, was bedeutet, dass eine weniger komplexe Optik in den anderen
Systemen erforderlich ist; das Objektivteilsystem 21(a) mit
breitem Sichtfeld der Photonenquelle 20 erlaubt die Wahrnehmung
hochauflösender
Bilder ohne außergewöhnlich kleine
und dicht gepackte Photonenquellenelemente; das telezentrische Abbildungsteilsystem 21(b) erlaubt
die Änderung
der Tiefe ohne Änderung
der Bestrahlungsstärke
oder winkelförmigen Feldgröße; die
Positionierung des optischen Systems 22 mit veränderlicher
Leistung begrenzt das Sichtfeld mit seinem relativ kleinen Durchmesser nicht;
das Steuersystem 8 gleicht die begrenzte Schaltgeschwindigkeit
des optischen Systems 22 mit veränderlicher Leistung aus, was
es erlaubt, hochauflösende
Bilder mit herkömmlichen
Videoraten darzustellen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern
kann im Aufbau und Detail verändert
werden.