DE69430983T2

DE69430983T2 - Vorrichtung zum Anzeigen von Bildern

Info

Publication number: DE69430983T2
Application number: DE69430983T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Akiyama; Hideki Morishima; Norihiro Nanba; Tsunefumi Tanaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2014-12-23
Also published as: DE69430983D1; EP0660155B1; EP0660155A1; US5663833A; JPH07191274A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bildanzeigegerät zum Betrachten eines vergrößerten virtuellen Bildes von einem Bild an einer Bildanzeigeeinrichtung, das nahe zu einem Augenabschnitt eines Betrachters eingestellt ist, und genauer gesagt auf ein Bildanzeigegerät mit einem breiten Feldwinkel und mit einer ausgezeichneten Bildqualität.
Als ein herkömmliches Bildanzeigegerät, das in der Nähe des Auges eines Betrachters eingesetzt wird, gibt es an einer Kopfbedeckung montierte Anzeigen, die in einer Kopfbedeckung eingebaut sind, und an einem Kopf montierte Anzeigen, die kleiner und leichter als jene sind, wobei ein Stützelement von ihnen am Kopf montiert wird. Jede dieser Arten ist so angeordnet, dass ein an der Bildanzeigevorrichtung beispielsweise eine CRT, LCD und dergleichen angezeigtes Bild als ein virtuelles Bild vor einem Betrachter durch ein optisches Betrachtungssystem vergrößert und angezeigt wird.
Die herkömmlichen Anzeigegeräte von dieser Art werden grob danach eingeteilt, ob ein Okular-Optiksystem bei dem optischen Betrachtungssystem ein Reflektionsoptiksystem verwendet wird oder nicht.
Ein Beispiel des Okular-Optiksystems, das kein Reflektionsoptiksystem verwendet, ist ein optisches System eines bei Videokameras und dergleichen verwendeten elektrischen Bildsuchers. Das optische System von dieser Art ist so angeordnet, dass ein an einer LCD und dergleichen angezeigtes Bild als ein virtuelles Bild für den Betrachter unter Verwendung einer Okularlinse vergrößert und angezeigt wird.
Jene Art, die das Reflektionsoptiksystem verwendet, wird darin eingeteilt, ob das optische Betrachtungssystem ein koaxiales System oder dezentriertes System ist.
Gut bekannte Systeme, bei denen das optische Beobachtungssystem ein koaxiales System ist, sind in der offengelegten japanischen Patenanmeldung Nr. 3-39 924 und in dem US-Patent Nr. 5 151 722 offenbart. Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung von einem optischen System von dieser Art. Mit dem Bezugszeichen 121 ist eine Bildanzeigevorrichtung bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 122 ist ein optisches Übertragungssystem zum Übertragen eines Bildes an der Bildanzeigevorrichtung 121 zum Ausbilden eines Zwischenbildes von diesem bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 123 ist eine Zwischenbildfläche bezeichnet, die sich an einer Bilderzeugungsebene des optischen Übertragungssystems befindet, mit dem Bezugszeichen 124 ist ein ebener Strahlteiler bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 125 ist eine kugelartige reflektierende Fläche bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 126 ist ein Augenpunkt bezeichnet, an dem sich die Pupille des Betrachters befindet. Das an der mit einer konkaven Form gekrümmten Bildanzeigevorrichtung 121 angezeigte Bild wird durch das optische Übertragungssystem 122 übertragen, um ein Luftbild an der Zwischenbildfläche 123 zu erzeugen. Dieses Luftbild wird zu der sich an dem Augenpunkt 126 befindlichen Pupille des Betrachters unter Verwendung der kugelartigen reflektierenden Fläche 125 als ein Okularoptiksystem geführt, wodurch der Betrachter ein virtuelles Bild betrachten kann, das weiter weg als die kugelartige reflektierende Fläche 125 ist. Bei dieser Gelegenheit ist der ebener Strahlteiler 124 so angeordnet, dass er Lichtstrahlen von dem Luftbild an der Zwischenbildfläche 123 zu der kugelartigen reflektierenden Fläche 125 reflektiert und er durch die kugelartige reflektierende Fläche 125 reflektierte Lichtstrahlen überträgt.
Als ein optisches Betrachtungssystem, das ein dezentriertes System ist, offenbart das US-Patent Nr. 4 854 688 ein optisches System, bei dem die vorstehend erwähnte kugelartige reflektierende Fläche dezentriert ist.
Außerdem offenbart das US-Patent Nr. 3 787 109 ein System, das den ebener Strahlteiler nicht verwendet, wobei es ein optisches System ist, das in einer derartigen Weise angeordnet ist, dass Strahlen von einer Anzeigefläche bei der Bildanzeigeeinrichtung zu der Pupille des Betrachters durch eine von der optischen Achse der Pupille dezentrierte reflektierende Fläche geführt werden, ohne ein Zwischenbild zu erzeugen. Dies zeigt das Bildanzeigegerät, bei dem Strahlen von der Anzeigefläche bei der Bildanzeigeeinrichtung zu der Pupille des Betrachters geführt werden, während diese durch einen gekrümmten Spiegel mit einer konkaven Fläche reflektiert und konvergiert werden, und bei dem die Form des konkaven gekrümmten Spiegels ein Teil eines Rotationsparaboloiden ist und sich die Mitte des Anzeigebildes bei dem Fokus des Rotationsparaboloiden befindet. Des weiteren offenbart das US-Patent Nr. 3 833 300 ein optisches System mit einem Okularsystem, das eine als Rotationsparaboloiden geformte reflektierende Fläche wie bei dem US-Patent Nr. 3 787 109 nutzt, bei dem zwei reflektierende Flächen in der Form eines Rotationsparaboloiden für das linke bzw. das rechte Auge vorgesehen sind und diese einstückig miteinander sind.
Die Schrift von D. J. Rotier "Optical Approaches to the Helmet Mounted Display", (Proceedings SPIE Band 1116, Helmet-Mounted Displays, 1989, Seiten 14-18) offenbart ein optisches System, das ein Zwischenbild des Anzeigebildes erzeugt, bei dem ein Teil des optischen Übertragungssystems und das Okularoptiksystem aus einer reflektierenden Fläche unter Verwendung einer Teilflächenform eines gleichen Rotationsparaboloiden aufgebaut sind. Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau dieses optischen Systems. In Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 131 eine Bildanzeigeeinrichtung bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 132 ein optisches Brechungssystem bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 133 eine reflektierende Fläche in der Form eines Rotationsparaboloiden bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 134 eine ebene reflektierende Fläche bezeichnet, die senkrecht zu einer Drehachse A des Rotationsparaboloiden angeordnet ist, die die reflektierende Flächenform der reflektierenden Fläche 133 ist und deren Fokus B hat, ist mit dem Bezugszeichen 135 eine reflektierende Fläche bezeichnet, die an dem Rotationsparaboloiden angeordnet ist und die reflektierende Flächenform der reflektierenden Fläche 133 ist und symmetrisch zu der reflektierenden Fläche 133 in Bezug auf die Drehachse A ist, und ist mit dem Bezugszeichen 136 ein Augenpunkt bezeichnet, an dem sich die Pupille des Betrachters befindet. Die Strahlen von der Bildanzeigeeinrichtung 131 werden durch das optische Übertragungssystem des optischen Brechungssystems 132 und der reflektierenden Fläche 133 geführt, so dass sie ein Bild in der Nähe der ebenen reflektierenden Fläche 134 erzeugen. Dann werden die Strahlen von diesem Bild zu dem Augenpunkt 136 durch das optische Okularsystem der reflektierenden Fläche 135 geführt. Bei einem derartigen System ist das in "Optical Approaches to the Helmet Mounted Display" beschriebene optische System so angeordnet, dass axiale Strahlen von der Bildanzeigeeinrichtung 131 an dem Fokus B an der ebenen reflektierenden Fläche 134 fokussiert werden und dann der Betrachter ein virtuelles Bild des Anzeigebildschirms bei einer Unendlichkeit von dem Augenpunkt 136 betrachtet.
Außerdem offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2-297 516 einen dünneren Aufbau, bei dem die eine ebene reflektierende Fläche bei dem in "Optical Approaches to the Helmet Mounted Display" beschriebenen vorstehend erwähnten optischen System durch eine Vielzahl an ebenen reflektierenden Flächen ersetzt ist.
Des weiteren offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 5-134 208 ein System, bei dem Strahlen von der Anzeigefläche bei einer Bildanzeigeeinrichtung durch ein Brechungsübertragungsoptiksystem übertragen werden, um ein Zwischenbild zu erzeugen, und dieses Zwischenbild dazu gebracht wird, dass es durch einen Okularoptiksystem mit einer als Rotationstionsellipsoid geformten reflektierenden Fläche betrachtet wird. Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau dieses Systems. In Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 141 eine Bildanzeigeeinrichtung bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 142 ein optisches Brechungssystem bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 143 eine Apertur des optischen Brechungssystems bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 144 eine reflektierende Fläche in der Form eines Rotationsellipsoiden bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen 145 ein Augenpunkt bezeichnet, an dem sich die Pupille des Betrachters befindet. Die Strahlen von der Bildanzeigeeinrichtung 141 werden durch das optische Übertragungssystem des Brechoptiksystems 142 geführt, um ein Zwischenbild zu erzeugen. Die Strahlen von dem Zwischenbild werden durch das Okularoptiksystem der reflektierenden Fläche 144 zu der Augenpunktposition 145 geführt. Bei einem derartigen Aufbau befindet sich die Apertur 143 des optischen Übertragungssystems an einem Fokus des Rotationsellipsoiden 144, der die reflektierende Fläche ist, und der Augenpunkt 145, an dem sich die Pupille des Betrachters befindet, befindet sich an dem anderen Fokus, wodurch eine Beziehung einer Pupillenbilderzeugung zwischen der Pupille 143 des optischen Übertragungssystems und der Pupille an dem Augenpunkt 145 ergibt.
Im Falle des Aufbaus des optischen Systems eines elektrischen Bildsuchers können Informationen von einem externen Bild nicht zu dem Betrachter geliefert werden, da die Bildanzeigeeinrichtung sich an der optischen Achse der Pupille des Betrachters befindet. Außerdem wird, da die Fokuslänge der Okularlinse mit einer Zunahme des Feldwinkels kürzer wird, der Abstand zwischen der Bildanzeigefläche und der Hauptebene an der Anzeigenflächenseite der Okularlinse kürzer. Bei diesem Aufbau ist es insbesondere dann, wenn die Bildanzeigeeinrichtung Kontrasteigenschaften mit einem Richtungsvermögen in der ungefähr senkrecht zu der Anzeigefläche wie beispielsweise einer LCD stehenden Richtung hat, wirkungsvoll, eine konkave eine Linse mit einer divergierenden Wirkung zwischen der Okularlinse und der Anzeigefläche anzuwenden, um Bilder mit einem breiten Feldwinkel und mit einem hohen Kontrast vorzusehen. Dieser Aufbau hat jedoch ein Problem dahingehend, dass mit der Zunahme des Feldwinkels eine Distorsion auftritt.
Bei den in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 3- 39 924 und in dem US-Patent Nr. 5 151 722 offenbarten Systemen muss der ebene Strahlteiler 124 relativ zu der optischen Achse der Pupille zwischen der kugelartigen reflektierenden Fläche 125 und der Pupille des Betrachters geneigt eingestellt werden. Da der Abstand zwischen dem Augenpunkt 126 und der das Okularoptiksystem darstellenden kugelartigen reflektierenden Fläche 125 lang ist, hat ein derartiger Aufbau ein Problem dahingehend, dass der Außendurchmesser der kugelartigen reflektierenden Fläche 125 für breitere Feldwinkel größer wird. Insbesondere wenn zwei Bildanzeigegeräte symmetrisch für eine Binokularvision angeordnet sind, würde eine physikalische Störung auftreten und somit wäre dieser Aufbau nicht für ein Bildanzeigegerät für einen breiten Feldwinkel geeignet. Da die von der Bildanzeigevorrichtung 121 ausgegebenen Strahlen einer Reflektion und Übertragung an dem ebenen Strahlteiler 124 unterworfen sind, verlieren sie dort viel Lichtmenge, was somit ein Problem im Hinblick auf das Versagen beim Erhalten eines hellen virtuellen Bildes bewirkt.
Bei dem US-Patent Nr. 4 854 688 ist die vorstehend erwähnte kugelartige reflektierende Fläche relativ zu der optischen Achse der Pupille dezentriert. Wenn zwei Bildanzeigegeräte symmetrisch für eine Binokularvision bei diesem Aufbau angeordnet sind, gelangen die Endseiten in der Richtung der Symmetrieachse von den kugelartigen reflektierenden Flächen näher zu den Pupillen des Betrachters. Somit kann dieser Aufbau dünner als der Aufbau der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 3-39 924 sein. Da jedoch der ebene Strahlteiler zwischen der kugelartigen reflektierenden Fläche und der Pupille des Betrachters angeordnet werden muss, kann die kugelartige reflektierende Fläche nicht näher zu der Pupille als der ebene Halbspiegel eingestellt werden. Da der Außendurchmesser der kugelartigen reflektierenden Fläche durch den Abstand von dem Augenpunkt bei einem bestimmten Feldwinkel bestimmt wird, ermöglicht ein derartiger Aufbau keine Verringerung des Außendurchmessers der kugelartigen reflektierenden Fläche. Daher ist dieser Aufbau nicht für ein Gerät geeignet, das einen breiten Feldwinkel haben muss. Außerdem bewirkt das Dezentrieren der kugelartigen reflektierenden Fläche neue Dezentrieraberrationen, jedoch kann der Aufbau des US-Patentes Nr. 4 854 688 eine Dezentrierdistorsion und einen Dezentrierastigmatismus nicht korrigieren. Ein anderes Problem ist ein großer Verlust im Hinblick auf die Lichtmenge, da er den Strahlteiler wie bei der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 3-39 924 verwendet.
Bei dem US-Patent Nr. 3 787 109 ist kein optisches Element zwischen der Pupille des Betrachters und dem Rotationsparaboloidspiegel zum Führen der Strahlen zu der Pupille vorhanden, wodurch ein sogenannter Hochaugenpunktaufbau ermöglicht werden kann, der einen räumlichen Raum in der Richtung der optischen Achse der Pupille des Betrachters an dem Augenpunkt hat. Da der Rotationsparaboloidspiegel die von einem Fokus in der Form von kollimierten Strahlbündeln eintreffenden Strahlen reflektiert, kann ein virtuelles Bild bei einer Unendlichkeit ohne sphärische Aberration angezeigt werden. Somit kann ein Bild an der Mitte des Bildschirms in einem guten Zustand betrachtet werden. Jedoch werden von Positionen, die von dem Fokus des Rotationsparaboloiden entfernt sind, austretende außeraxiale Strahlbündel nicht in parallele Strahlbündel durch den Rotationsparaboloidspiegel umgewandelt und eine Dezentrierkoma tritt erneut auf. Des weiteren werden, da kein optisches Element zum Korrigieren der durch den Rotationsparaboloidspiegel erzeugten Aberrationen vorhanden ist, die Außerachsestrahlbündel Dezentrieraberration wie beispielsweise eine Dezentrierfeldkrümmung, eine Dezentrierdistorsion und dergleichen zusätzlich zu der Dezentrierkoma erzeugen. Somit kann nur das Bild, das in der Nähe des Fokus des Rotationsparaboloiden angezeigt wird, in einem guten Zustand betrachtet werden. Demgemäß besteht ein Problem dahingehend, dass ein günstiges virtuelles Bild nicht außer für einen schmalen Feldwinkel angezeigt werden kann. Das US-Patent Nr. 3 833 300 hat das gleiche Problem.
Bei dem in "Optical Approaches for Helmet Mounted Display" beschriebenen optischen System für an einer Kopfstütze montierten Anzeige, bei der die sphärische Aberration bei dem optischen Brechungssystem 132 nicht angesprochen wird, tritt keine sphärische Aberration an einer der reflektierenden Flächen 133 und 135 aus der Beziehung zwischen dem Rotationsparaboloiden und dem Fokus auf. Somit kann die sphärische Aberration durch das Gesamtsystem ebenfalls korrigiert werden, indem die sphärische Aberration bei dem optischen Brechungssystem 132 korrigiert wird. Da die Außerachse-Strahlbündel nicht an der Fokusposition des Rotationsparaboloiden fokussiert werden, wird eine Koma durch eine der reflektierenden Flächen 133 und 135 in ähnlicher Weise wie bei dem Us-Patent Nr. 3 787 109 erzeugt, wobei die Komas korrigiert werden, indem sie zueinander durch die Symmetrie bei dem Aufbau der reflektierenden Flächen 133 und 135 aufgehoben werden. Ein derartiger Aufbau umfasst jedoch keine Berücksichtigung der Pupillenbilderzeugung an der Pupille des optischen Übertragungssystems, das aus dem optischen Brechungssystem 132 und der reflektierenden Fläche 133 besteht, und an der Pupille an dem Augenpunkt überhaupt. Um zu ermöglichen, dass der Betrachter das gesamte Anzeigebild in dem Augenpunkt 136 betrachtet, ist es erforderlich, dass die Hauptstrahlen von jedem Feldwinkel miteinander sich an dem Augenpunkt 136 schneiden. Da jedoch die Pupillenbilderzeugung nicht günstig ist, ändert sich die Pupillenposition des aus dem optischen Brechungssystem 132 und der reflektierenden Fläche 133 bestehenden optischen Übertragungssystems sich in Abhängigkeit von dem Feldwinkel. Somit hat dieser Aufbau ein Problem dahingehend, dass eine in Fig. 4 gezeigte Dezentrierdistorsion auftritt. Außerdem unterscheidet sich, da die Pupillenbilderzeugung an der Pupille des vorstehend erwähnten optischen Übertragungssystems und an der Pupille an dem Augenpunkt nicht günstig ist, die numerische Apertur NA an der Anzeigeflächenseite des optischen Übertragungssystems sich in Abhängigkeit von dem Feldwinkel, was zu einem Problem dahingehend führt, dass der Betrachter ein virtuelles Bild mit Helligkeitsschwankungen betrachtet.
Das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2-297 516 offenbarte optische System hat außerdem den gleichen Grundaufbau und hat somit die gleichen Probleme.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 5-134 208 wendet die reflektierende Fläche 144 in der Form eines Rotationsellipsoiden an, wodurch die Pupillenbilderzeugung für den Augenpunkt 145 und das optische Übertragungssystem 142 verwirklicht wird. Des weiteren wird versucht, die durch die reflektierende Fläche 144 des Rotationsellipsoiden erzeugten Dezentrieraberrationen unter Verwendung von Dezentrierlinsen bei dem optischen Übertragungssystem 142 zu korrigieren. Da jedoch das optische System so angeordnet ist, dass die Pupille 143 des optischen Übertragungssystems 142 sehr stark relativ zu dem Hauptstrahl des axialen Strahlbündels geneigt ist, wird die Korrektur der Aberrationen auf Grund des Dezentrierens des optischen Übertragungssystems 142 schwieriger, wenn der Feldwinkel breiter wird. Insbesondere die Korrektur der Distorsion ist schwierig und somit für ein Gerät nicht geeignet, das einen breiten Feldwinkel haben soll. Die Distorsion bei einem derartigen Aufbau ist asymmetrisch, wie dies in Fig. 5 gezeigt, auf Grund des Dezentrierens des optischen Systems. Somit ist es unter der Annahme, dass zwei gleiche optische Systeme für eine Binokularvision symmetrisch angeordnet sind, ein Problem, dass es für den Betrachter schwierig ist, eine Verschmelzung des linken und rechten virtuellen Bildes zu erzielen. Ein anderes Problem sind die geringen Freiheitsgrade bei dem Aufbau des optischen Übertragungssystems und dergleichen, da die Aperturposition 43 des optischen Übertragungssystems 142 durch die ellipsoide Form der reflektierenden Fläche 144 beschränkt ist.
Die Druckschrift EP-A-0 460 983 offenbart eine an einem Kopf montierte Anzeigeanordnung mit einer konkaven reflektierenden Fläche, eine konvexen reflektierenden Fläche und einer ebenen reflektierenden Fläche, die in dieser Reihenfolge zwischen der Pupille des Auges eines Betrachters und einer Bildanzeige angeordnet sind.
Die Druckschrift GB-A-2 182 160 offenbart einen Bildsucher mit einer konkaven reflektierenden Fläche, einer konvexen reflektierenden Fläche und einer Brechungsoptik, die in dieser Reihenfolge zwischen einer Pupille und einer Bildquelle angeordnet sind.
Die Druckschrift US-A-4 266 501 offenbart ein 4-Spiegel- Unobscure-Anastigmatic-Teleskop, das sämtlich kugelartige Flächen verbindet. Bei diesem Aufbau ist es erforderlich, dass 4 Spiegel von dem Zwischenbild bis zu dem Endbild vorhanden sind. Die vorliegende Erfindung schafft ein Bildanzeigegerät mit: einer Bildanzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines Bildes; und einem visuell-optischen System zum Führen von Licht von der Bildanzeigeeinrichtung zu einem vorbestimmten Ort, an dem die Pupille eines Betrachters sich bei Anwendung befindet, wobei das visuell-optische System eine konkave reflektierende Fläche, eine konvexe reflektierende Fläche und ein Übertragungs-Optik-System aufweist, die in der Reihenfolge zwischen dem vorbestimmten Ort und der Bildanzeigeeinrichtung angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungs-Optik-System eine erste konkave reflektierende Übertragungsfläche hat und so angeordnet ist, dass sie ein Luftbild des durch die Bildanzeigeeinrichtung angezeigten Bildes in der Nähe der konvexen reflektierenden Fläche des visuelloptischen Systems erzeugt;
das optische Übertragungssystem eine Pupille hat; und die konvexe reflektierende Fläche und die konkave reflektierende Fläche des visuell-optischen Systems eine drehasymmetrische asphärische Form ohne Drehsymmetrieachse haben und so angeordnet sind, dass sie ein Bild einer Pupille des optischen Übertragungssystems an dem vorbestimmten Ort erzeugen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die konkave reflektierende Fläche und die konvexe reflektierende Fläche jeweils dezentriert relativ zu der optischen Achse angeordnet und die konvexe reflektierende Fläche ist bei einer Position eingesetzt, bei der die konvexe reflektierende Fläche nicht einen zu der Pupille des Betrachters gerichteten Strahl unterbricht, nachdem der Strahl von der Bildanzeigeeinrichtung durch die konkave reflektierende Fläche reflektiert worden ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das optische Übertragungssystem ein optisches System, das an einer Seite des Luftbildes ungefähr telezentrisch ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das optische Übertragungssystem zumindest eine Brechungslinse, die relativ zu seiner optischen Achse dezentriert eingestellt ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das optische Übertragungssystem lediglich aus reflektierenden Flächen aufgebaut und des weiteren hat das optische Übertragungssystem eine konkave reflektierende Fläche, eine konvexe reflektierende Fläche und eine konkave reflektierende Fläche in dieser Reihenfolge von der Seite der konvexen reflektierenden Fläche entlang der optischen Achse.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die konkave reflektierende Fläche des optischen Betrachtungssystems ein Strahlteiler mit einem vorbestimmten Lichtdurchlässigkeitsfaktor.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Bildanzeigegerätes der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlbündel von der Bildanzeigeeinrichtung zu entweder der linken oder der rechten Pupille des Betrachters durch das optische Betrachtungssystem geführt wird und zwei optische Bildbetrachtungssysteme sind symmetrisch für die linke und die rechte Pupille des Betrachters angeordnet. Des weiteren ist das Gerät dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl von der Bildanzeigeeinrichtung durch eine Brille zu jeweils der linken oder rechten Pupille des Betrachters durch das optische Betrachtungssystem geführt wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Bildanzeigegeräts der vorliegenden Erfindung ist eine an einem Kopf montierte Anzeige, die außerdem eine Halteeinrichtung zum Sichern des Bildanzeigegerätes an dem Kopf des Betrachters hat.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines optischen Systems bei einem herkömmlichen Bildanzeigegerät.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines optischen Systems bei einem anderen herkömmlichen Bildanzeigegerät.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines optischen Systems bei einem anderen herkömmlichen Bildanzeigegerät.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Distorsion des optischen Systems bei dem herkömmlichen Bildanzeigegerät.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung einer Distorsion des optischen Systems bei dem herkömmlichen Bildanzeigegerät.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus von einem optischen System bei einem Bildanzeigegerät lediglich zu veranschaulichten Zwecken.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer Abbildungsbeziehung bei Pupillen.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus von einem optischen System bei einem Bildanzeigegerät von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus von einem optischen System bei einem Bildanzeigegerät von einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine Darstellung eines Aufbaus, bei dem zwei Bildanzeigegeräte von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung symmetrisch zueinander angeordnet sind.
Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung.
Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung.
Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System von einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System von einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16 zeigt eine Querschnittsansicht von einem optischen System von einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 zeigt eine Darstellung einer Distorsion bei dem in Fig. 13 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 18A bis 181 zeigen Aberrationsdarstellungen des in Fig. 13 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 zeigt eine Darstellung eines Koordinatensystems bei dem optischen System bei dem Bildanzeigegerät.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildanzeigegerätes lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Anzeige wie beispielsweise eine CRT, eine LCD und dergleichen, das Bezugszeichen 12 zeigt ein optisches Übertragungssystem zum Übertragen von Strahlbündeln von einem Anzeigebild an der Anzeige 11 zum Ausbilden eines Zwischenbildes von diesem, 13 zeigt eine konvexe reflektierende Fläche, die Strahlbündel von dem optischen Übertragungssystem 12 reflektiert, 14 zeigt eine konkave reflektierende Fläche als ein Okular zum Führen von Strahlbündeln von der reflektierenden Fläche 13 zu der Pupille des Betrachters und 15 zeigt einen Augenpunkt, an dem sich die Pupille des Betrachters findet. Hierbei befindet sich die Zwischenbildfläche zwischen den reflektierenden Flächen 13 und 14 (bei Bezugszeichen 16 in Fig. 6) oder zwischen dem optischen Übertragungssystem 12 und der reflektierenden Fläche 13 (bei dem Bezugszeichen 17 in Fig. 6). D. h., die Zwischenbildfläche befindet sich in der Nähe der reflektierenden Fläche 13. Bei dem erstgenannten Fall ist die reflektierende Fläche 13 ein Teil des optischen Übertragungssystems zum Ausbilden der Zwischenbildfläche, während in dem letztgenannten Fall sie ein Teil des Okulares ist. Die Position des Augenpunktes ist an einer Position definiert, an der die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel einander kreuzen, wie bei der Position der Apertur des optischen Übertragungssystems 12. Ein von der Mitte der Anzeigefläche der Bildanzeigeeinrichtung 11 ausgegebener Lichtstrahl ist ein axiales Strahlbündel. In Fig. 6 stellt ein Strahl C den Hauptstrahl des axialen Strahlbündels dar, während die Strahlen A und B die Hauptstrahlen der Strahlbündel mit maximalen Feldwinkeln in der Ebene der Zeichnung sind.
Nachstehend ist die Bilderzeugung bei dem optischen System von Fig. 6 beschrieben.
Zunächst ist der Fall beschrieben, bei dem die Zwischenbildfläche in der Zeichnung 16 ist. Ein an der Bildanzeigeeinrichtung 11 angezeigtes Bild wird das optische Übertragungssystem 12 und die reflektierende Fläche 13 geführt, um die Zwischenbildfläche 16 als ein Luftbild auszubilden. Strahlenbündel von der Zwischenbildfläche 16 werden durch die reflektierende Fläche 14, die als eine konkave Fläche geformt ist, gesammelt, um zu dem Augenpunkt 15 geführt zu werden. D. h. die reflektierende Fläche 14 wirkt als das Okular. Hierbei ist die reflektierende Fläche 14 dezentriert relativ zu der optischen Achse der Pupille des Betrachters angeordnet. D. h. die Mitte der Krümmung reflektierenden Fläche befindet sich nicht an der optischen Achse.
Nachstehend ist der Fall beschrieben, bei dem die Zwischenbildfläche 17 die Zwischenbildfläche 17 in der Zeichnung ist. Das an der Bildanzeigeeinrichtung 11 angezeigte Bild wird durch das optische Übertragungssystem 12 geführt, um die Zwischenbildfläche 17 als ein Luftbild auszubilden. Die Strahlenbündel von der Zwischenbildfläche 17 werden an der reflektierenden Fläche 13, die als eine konvexe Fläche ausgebildet ist, zu der reflektierenden Fläche 14 reflektiert. Die reflektierende Fläche 13 bewirkt, dass die Hauptstrahlen von jedem Feld divergierend reflektiert werden. Die Strahlenbündel von der reflektierenden Fläche 13 werden durch die reflektierende Fläche 14, die als eine konkave Fläche ausgebildet ist, gesammelt, um zu dem Augenpunkt 15 geführt zu werden. D. h., die reflektierenden Flächen 13 und 14 wirken als das Okular. Hierbei ist die reflektierende Fläche 14 dezentriert relativ zu der optischen Achse der Pupille des Betrachters angeordnet.
In jedem Fall, bei dem die Zwischenbildfläche die Zwischenbildfläche 16 oder 17 ist, hat der vorstehend beschriebene Aufbau kein optisches Element wie beispielsweise einen Strahlteiler, der zwischen der reflektierenden Fläche 14 und dem Augenpunkt 15 angeordnet ist, wodurch ein Okular mit einem langen Abstand zur Augenlinse möglich ist, bei dem ein großer räumlicher Raum in der Richtung der optischen Achse des Auges des Betrachters an dem Augenpunkt 15 sich ergibt, während ein breiter Feldwinkel erhalten bleibt. Da außerdem der Aufbau, bei dem die reflektierende Fläche 14 relativ zu der optischen Achse der Pupille des Betrachters dezentriert ist, eine Position bewirkt, bei der der Hauptstrahl A des Außer-Achse-Strahlbündels in Fig. 6 durch die reflektierende Fläche 14 näher zu dem Augenpunkt 15 reflektiert wird, kann ein Abstand h in Fig. 6 kürzer eingestellt werden. Demgemäß kann trotz des breiten Feldwinkels und des langen Abstands zur Augenlinse der Außendurchmesser der Projektion der reflektierenden Fläche 14 an der senkrecht zu der optischen Achse des Betrachters stehenden Ebene kleiner eingestellt werden. Somit ist der Aufbau im Hinblick auf das Erzielen eines breiteren Feldwinkels vorteilhaft, bei dem zwei gleiche optische Systeme für eine Binokularvision symmetrisch angeordnet sind.
Hierbei erzeugt die Dezentrierung der reflektierenden Fläche 14 verschiedene Dezentrieraberrationen mit Ausnahme einer chromatischen Aberration, jedoch kann die reflektierende Fläche 13 mit einer Korrekturfunktion versehen werden, indem die reflektierende Fläche 13 mit einer konvexen Form dezentriert wird. Außerdem kann der Korrekturmangel durch die reflektierende Fläche 13 korrigiert werden, indem ein Dezentriersystem für das optische Übertragungssystem 12 verwendet wird. Das Prinzip der Aberrationskorrektur ist nachstehend beschrieben.
Zunächst kann eine Dezentrierdistorsion korrigiert werden, indem die Bilderzeugung einer Pupille an der Pupille 15 an dem Augenpunkt und an der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 günstig gestaltet wird.
Was die dezentrierte Distorsion anbelangt, so kann eine drehasymmetrische Distorsion auf Grund einer Dezentrierung korrigiert werden, wenn der Stigmatismus, bei dem die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel in einer Punkt-zu-Punkt- Bilderzeugungsbeziehung zwischen dem Augenpunkt und der Pupillenstelle des optischen Übertragungssystems stehen, für jeden Hauptstrahl gültig ist und wenn die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel in den Augenpunkt bei drehsymmetrischem Hauptstrahl des Mittelfeldwinkels einfallen, wobei der Hauptstrahl als eine Drehachse definiert ist. D. h., beim Eintreten an dem Augenpunkt müssen die von den Stellen bei gleichem Abstand von einem Anzeigepunkt des Mittelfeldwinkels an der Bildanzeigefläche ausgegebenen Hauptstrahlen eine Drehsymmetrie an dem Augenpunkt erhalten. Des weiteren wird bevorzugt, dass die Korrektur der Distorsion jener Winkel der Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel relativ zu dem Hauptstrahl des Mittelfeldwinkels an dem Augenpunkt und an der Pupille des optischen Übertragungssystems Entsprechung hat. Fig. 7 zeigt eine Bilderzeugungsbeziehung der Hauptstrahlen an dem Augenpunkt und an der Pupille des optischen Übertragungssystems. In Fig. 7 ist mit dem Bezugszeichen 191 der Augenpunkt bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen 192 ein optisches System bezeichnet, das das dezentrierte System umfasst, ist mit dem Bezugszeichen 193 die Pupille bezeichnet, die mit dem Augenpunkt 191 konjugiert, ist mit dem Bezugszeichen 195 die Bildanzeigefläche bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen 194 ein optisches System zwischen der Bildanzeigefläche 195 und der Pupille 193 bezeichnet. Von der Bildanzeigefläche 195 ausgegebene Strahlenbündel werden an einer optischen Bahn zwischen der Pupille 193 und dem Augenpunkt 191 fokussiert. Anders ausgedrückt ist eine Bildebene konjugierend mit der Bildanzeigefläche 195 zwischen der Pupille 193 und dem Augenpunkt 191 vorhanden, so dass ein optisches System an der Seite der Bildanzeigefläche 195 in Bezug auf diese Bildebene das optische Übertragungssystem ist, während ein optisches System an der Augenpunktseite in Bezug auf die Bildebene das Okular ist. Somit ist die Pupille 193 eine Pupille des optischen Übertragungssystems. Was die Pupille anbelangt, so sind die Pupille 193 des optischen Übertragungssystems und der Augenpunkt 191 an jeder Seite der Bildebene vorhanden. In Fig. 7 ist mit dem Bezugszeichen C der Hauptstrahl des Strahlenbündels des Mittelfeldwinkels wiedergegeben, der von der Mitte der Bildanzeigefläche 195 ausgegeben wird, um den Augenpunkt 191 zu erreichen, und sind mit den Bezugszeichen A und B Strahlen der Außer-Achse-Strahlenbündel mit jeweiligen Winkeln α und β relativ zu dem Hauptstrahl C an dem Augenpunkt 191 bezeichnet. Um die Distorsion zu korrigieren, sollte das optische System 192 so angeordnet sein, dass die vorstehende stigmatische Beziehung an dem Augenpunkt 191 und der Pupille 193 des optischen Übertragungssystems erfüllt ist und die Hauptstrahlen von beliebigen Feldwinkeln an der Pupille 193 und dem Augenpunkt 191 drehsymmetrisch fokussiert werden, wobei der Hauptstrahl C des Mittelfeldwinkels als die Mitte der Drehsymmetrie definiert ist. Außerdem wird für die Korrektur der Distorsion bevorzugt, dass die folgende Formel bei der vorstehend erwähnten Bilderzeugung der Pupille eingehalten wird:
tanβ/tanα = tanβ'/tanα'
wobei α: ein Winkel ist, den der Außer-Achse-Hauptstrahl A an dem Augenpunkt mit dem Hauptstrahl C des Mittelfeldwinkels vollführt;
β: ein Winkel, den der Außer-Achse-Hauptstrahl B an dem Augenpunkt mit dem Hauptstrahl C des Mittelfeldwinkels vollführt;
α': ein Winkel, den der Außer-Achse-Hauptstrahl A an der Pupillenposition des optischen Übertragungssystems mit dem Hauptstrahl C des Mittelfeldwinkels vollführt;
β': ein Winkel ist, den der Außer-Achse-Hauptstrahl C an der Pupillenposition des optischen Übertragungssystems mit dem Hauptstrahl des Mittelfeldwinkels vollführt.
Wenn das sich auf die Bilderzeugung der Pupille beziehende optische System 192 so angeordnet ist, dass diese Beziehung für sämtliche Feldwinkel erfüllt ist, kann erwähnt werden, dass eine Distorsion bei dem optischen System 192 korrigiert wird. Das optische System 192 von Fig. 7 entspricht dem optischen System, das aus den reflektierenden Flächen 14 und 13 und einem Teil des optischen Übertragungssystems 12 in dieser Reihenfolge von dem Augenpunkt in Fig. 6 zusammengesetzt ist. Um die Distorsion zu korrigieren, muss die vorstehend erwähnte Beziehung der Pupillenbilderzeugung an der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 und an dem Augenpunkt 15 in Fig. 6 eingehalten werden. Um die Dezentrieraberration, die durch die reflektierende Fläche 14 erzeugt wird, zu korrigieren, ist es wirkungsvoll, diese durch ein anderes dezentriertes System zusammen mit anderen Aberrationen außer der Distorsion aufzuheben.
Die konvexe reflektierende Fläche 13 ist dezentriert angeordnet, um die durch die konkave reflektierende Fläche 14 erzeugte Dezentrieraberration zu korrigieren. Da jedoch die Einfallwinkel und Reflektionswinkel der reflektierenden Fläche 14 voneinander in der horizotalen Richtung außerordentlich verschieden sind, wenn die reflektierende Fläche 14 von dem Augenpunkt 15 betrachtet wird, kann die Bilderzeugung der Pupille, die sich auf die vorstehend erwähnte Distorsionskorrektur bezieht, nicht günstig sein, wenn sowohl die konkave reflektierende Fläche 14 als auch die konvexe reflektierende Fläche 13 kugelartig sind. Für die Distorsionskorrektur muss die Form der konvexen reflektierenden Fläche 13 und der konkaven reflektierenden Fläche 14 so bestimmt sein, dass die Hauptstrahlen der von dem optischen Übertragungssystem 12 herausgelangenden Strahlenbündel bei eingestellten Feldwinkeln in den Augenpunkt 15 einfallen, um die Hauptstrahlen in einer derartigen Weise über sämtliche Feldwinkel zu führen. Entweder die konvexe reflektierende Fläche 13 oder die konkave reflektierende Fläche 14 muss eine drehasymmetrische asphärische Fläche haben. Bei der vorliegenden Erfindung ist entweder die konkave reflektierende Fläche oder die konvexe reflektierende Fläche aus einem asymmetrischen asphärischen System ohne Drehsymmetrieachse gestaltet, wodurch die Hauptstrahlen bei jeweiligen Feldwinkeln zu dem Augenpunkt in einer drehsymmetrischen Weise in Bezug auf den Hauptstrahl des Axialstrahlbündels geführt werden, wodurch die asymmetrische Distorsion korrigiert wird. Die Anwendung der asphärischen reflektierenden Fläche ohne Drehsymmetrieachse ist insbesondere bei der Korrektur der Dezentrierdistorsion bei weniger optischen Elementen wirkungsvoll. Diese Eigenschaft ist für optische Systeme insbesondere zum Anzeigen der gleichen Bilder für eine Binokularvision oder stereoskopische Bilder von hoher Bedeutung, bei denen ein Unterschied bei der Distorsion zwischen einem rechten und linken Bild auf Grund der Distorsion so gering wie möglich gesteuert werden muss.
Um die den Koma und die Feldkrümmung zusammen mit der Distorsion zu korrigieren, ist es erforderlich, dass die Bilderzeugung von anderen windschiefe Strahlen als die Hauptstrahlung an dem Augenpunkt 191 und der Pupille 193 des optischen Übertragungssystems von Fig. 7 günstig ist. Zu diesem Zweck ist es wirkungsvoll, ein optisches Element mit einem divergierenden Effekt zwischen der Pupille 15 an dem Augenpunkt und der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 in Fig. 6 einzusetzen, um die durch ein optisches Element mit einem konvergierenden Effekt erzeugten Aberrationen zu korrigieren. Hierbei kann das optische Element entweder eine Linse oder eine reflektierende Fläche sein. Beispielsweise wenn ein Triplet (dreiteiliges Objektiv) zwischen dem Augenpunkt 15 und der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 bei Fig. 6 eingesetzt wird, können die Aberrationen für Feldwinkel mit einer geringeren Anzahl an optischen Elementen korrigiert, während der Feldwinkel breit gehalten wird. Um das optische System entlang des Kopfes des Betrachters zu halten, müssen zumindest das erste und das zweite optische Element von der Pupille des Betrachters reflektierende Flächen sein. Demgemäß ist das Bilderzeugungsgerät so angeordnet, dass die konkave reflektierende Fläche, die konvexe reflektierende Fläche und ein optisches Element vorhanden sind, das eine positive Leistung hat, die in dieser Reihenfolge des Betrachters angeordnet sind, und dass die Pupille mit dem Augenpunkt konjugierend an der Bildanzeigeflächenseite in Bezug auf das optische Element mit der positiven Wirkung (Brechkraft) vorgesehen ist. Dieser Aufbau hat eine Aberrationskorrekturwirkung für andere Aberrationen als die Distorsion. Da insbesondere ein Wert einer Petzval'schen Summe durch den Tripletaufbau gering eingestellt werden kann, wird die Feldkrümmung günstig korrigiert. Wenn jedoch die Form der reflektierenden Fläche insbesondere hauptsächlich zum Korrigieren der vorstehend erwähnten Distorsion bestimmt wird, tritt ein Korrekturmangel für die Koma bei dem Tripletaufbau auf, wenn der Feldwinkel breit ist. Somit ist zum Korrigieren des Dezentrierkomas des Korrekturmangels ein optisches Teilsystem bei dem optischen Übertragungssystem 12 oder dem gesamten optischen Übertragungssystem 12 mit Neigungs- und/ oder Verschiebekomponenten bei der vorliegenden Erfindung versehen, wodurch die Koma durch eine Dezentrierwirkung korrigiert wird.
Außerdem bewirkt die Dezentrierung der reflektierenden Flächen 13 und 14 einen Dezentrierastigmatismus. Dieser kann korrigiert werden, indem die Form der reflektierenden Flächen 13 und 14 so bestimmt wird, dass die Krümmung sich in Abhängigkeit von der Strahlungsrichtung von der Stelle ändert, an der der Hauptstrahl des Mittelfeldwinkels reflektiert wird. D. h. das Anordnen der reflektierenden Fläche bei einer Form ohne Drehsymmetrieachse und das Einstellen von ihrer Krümmung in Abhängigkeit von der Strahlungsrichtung ermöglicht ein Steuern der meridionalen und sagittalen Komponenten bei einem Strahlbündel unabhängig voneinander. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Dezentrierastigmatismus korrigiert, indem die Form der reflektierenden Flächen 13 und 14 so eingestellt wird. Um mit der vorstehend beschriebenen Distorsionskorrektur kompatibel zu sein, ist es wirkungsvoll, die beiden reflektierenden Flächen 13 und 14 aus einer drehasymmetrischen asphärischen Fläche ohne Drehsymmetrieachse aufzubauen.
Wenn die reflektierende Fläche 13 eine drehasymmetrische asphärische Fläche ist, wird bevorzugt, dass die Hauptstrahlen im wesentlichen parallel zueinander über sämtliche Feldwinkel sind wie die Strahlenbündel, die von dem optischen Übertragungssystem zurück zu der reflektierenden Fläche 13 gerichtet sind. Wenn die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel, die von dem optischen Übertragungssystem 12 zu der reflektierenden Fläche 13 gerichtet werden, in einem konvergierenden Zustand an der reflektierenden Fläche 13 einfallen, werden die Strahlbündel der jeweiligen Feldwinkel dicht an der reflektierenden Fläche 13 reflektiert. Somit wird es, wenn die reflektierende Fläche 13 aus einer drehasymmetrischen asphärischen Fläche ausgebildet ist, schwierig, die Distorsion, die Feldkrümmung und den Astigmatismus zu korrigieren, der durch die reflektierende Fläche 14 bei sämtlichen Feldwinkeln erzeugt wird. Es wird somit bei der Aberrationskorrektur bevorzugt, dass die reflektierende Fläche 13 einen gewissen Reflektionsbereich hat.
Wenn im Gegensatz dazu die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel, die von dem optischen Übertragungssystem 12 zu der reflektierenden Fläche 13 gerichtet werden, divergierend an der reflektierenden Fläche 13 einfallen, nimmt die Größe des gesamten Gerätes zu, da die reflektierende Fläche 13 größer wird. Somit wendet dieser Aufbau den Aufbau an, bei dem Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel, die von dem optischen Übertragungssystem 12 zu der reflektierenden Fläche 13 kommen, im wesentlichen parallel sind, wodurch sowohl die Aberrationskorrektur als eine Größenverringerung erzielt wird.
Wenn außerdem das optische System zwischen dem Augenpunkt 15 und der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 der Tripletaufbau aus lediglich einer konkaven reflektierenden Fläche, einer konvexen reflektierenden Fläche und einer konkaven reflektierenden Fläche ist und wenn die Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel, die von dem optischen Übertragungssystem 12 zu der reflektierenden Fläche 13 einfallen, im wesentlichen parallel zueinander sind, kann die konkave reflektierende Fläche an der Seite der Pupille von dem optischen Übertragungssystem 12 aus einem Rotationsparaboloiden gestaltet werden. D. h. das optische System an der Augenpunktseite von der Pupille bei dem optischen Übertragungssystem 12 kann aus einer reflektierenden Fläche in der Form eines Rotationsparaboloiden aufgebaut werden. Wenn dies ein Rotationsparaboloid mit einem Fokus an der Pupillenposition des optischen Übertragungssystems ist, kann das optische System zwischen dem Augenpunkt 15 und der Pupille des optischen Übertragungssystems 12 lediglich aus reflektierenden Flächen aufgebaut werden, während das vorstehend erwähnte Bilderzeugen der Pupille günstig gehalten wird, womit ein kompaktes und leichtes optisches System erzielt wird. Außerdem kann das optische System bei geringen Herstellungskosten hergestellt werden, da die drehsymmetrischen reflektierenden Flächen verwendet werden können.
Es sollte beachtet werden, dass die konvexe reflektierende Fläche 13 so angeordnet werden sollte, dass die von der konkaven reflektierenden Fläche 14 zu dem Augenpunkt gerichteten Strahlenbündel nicht unterbrochen werden. Wenn somit die konkave reflektierende Fläche 14 aus einer asphärischen Fläche ausgebildet ist, bei der die Krümmung kontinuierlich von der Stelle b, an der das Außer-Achse-Strahlbündel B reflektiert wird, zu der Stelle a, an der das Außer-Achse-Strahlbündel A in Fig. 6 reflektiert wird, abnimmt, kann der Abstand zwischen den reflektierenden Flächen 13 und 14 zwischen den reflektierenden Flächen 13 und 14 in der Richtung der optischen Achse der Pupille des Betrachters kürzer gestaltet werden, während ein breiter Feldwinkel erzielt wird, wodurch die Größe des gesamten Gerätes abnimmt.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Fig. 8 zeigt den schematischen Aufbau, bei dem das optische Übertragungssystem 12 durch ein optisches Brechungssystem 21 und eine konkave reflektierende Fläche 22 ersetzt worden ist. Außerdem zeigt Fig. 9 den schematischen Aufbau, bei dem das optische Übertragungssystem 12 durch eine konkave reflektierende Fläche 31, eine konvexe reflektierende Fläche 32 und eine konkave reflektierende Fläche 33 ersetzt worden ist. Insbesondere zum Korrigieren des Dezentrierkomas, das durch die reflektierenden Flächen 13 und 14 in der vorstehend beschriebenen Weise noch nicht korrigiert worden ist, sollte ein Teil oder das gesamte optische Brechungssystem 21 und die reflektierende Fläche 22 in Fig. 8 dezentriert sein. In ähnlicher Weise sollten entweder eine oder alle reflektierenden Flächen 31, 32 und 33 bei Fig. 9 dezentriert sein. Des weiteren kann das vorstehend erwähnte Dezentrierkoma darüberhinaus korrigiert werden, indem eine drehasymmetrische asphärische Form für die reflektierende Fläche 22, 31, 32, 33 angewendet wird. Das durch die dezentrierten reflektierenden Flächen 13 und 14 erzeugte Koma ist eine drehasymmetrische Aberration um die Mitte eines virtuellen Bildes. Wenn eine reflektierende Fläche bei dem optischen Übertragungssystem eine drehasymmetrische Form hat, die sich im Hinblick auf die Krümmung in Abhängigkeit von dem Feldwinkel unterscheidet, kann sie eine Fähigkeit zum Korrigieren der Aberration haben. Dieser Aufbau kann ermöglichen, dass die Dezentrierkomponente des Komas durch eine geringe Anzahl von reflektierenden Flächen korrigiert wird, während das gesamte optischen Übertragungssystem aus einer geringeren Anzahl an Linsen und / oder reflektierenden Flächen aufgebaut werden kann.
Der Aufbau von Fig. 8 ist für eine Größenverringerung geeignet, da die Lichtstrahlenbündel entlang des Kopfes des Betrachters geführt werden können. Der Aufbau von Fig. 9 ist kompakt und sehr leicht, da sämtliche optischen Elemente reflektierende Flächen sein können. Bei Fig. 8 ersetzt eine reflektierende Fläche ein Teil des optischen Übertragungssystems von Fig. 6, während bei Fig. 9 drei reflektierende Flächen das gesamte optische Übertragungssystem von Fig. 6 ersetzen, wobei jedoch die Anzahl von reflektierenden Flächen nicht auf jene der Fig. 8 und 9 beschränkt ist.
Das Bilderzeugungsgerät der vorliegenden Erfindung kann als ein Anzeigegerät für eine Binokularvision angeordnet werden, indem zwei optische Systeme mit dem gleichen Aufbau symmetrisch zueinander angeordnet werden. Fig. 10 zeigt eine Darstellung von einem Anzeigegerät, bei dem zwei optische Systeme jeweils für ein einzelnes Auge symmetrisch zueinander angeordnet sind. In Fig. 10 sind mit den Bezugszeichen 111 und 111' Bildanzeigeeinrichtungen bezeichnet und sind mit den Bezugszeichen 112 und 112' optische Betrachtungssysteme jeweils zum Führen eines an der Bildanzeigeeinrichtung 111 und 111' angezeigten Bildes zu dem rechten Auge 115 bzw. zu dem linken Auge 115' bzw. von dem Betrachter zu führen, die symmetrisch durch einen nicht gezeigten Rahmen eingestellt sind. Mit dem Bezugszeichen 113 ist der Kopf des Betrachters bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 114 ist eine Brille bezeichnet, die der Betrachter trägt. Indem der Anwender einen derartigen Aufbau anwendet, kann der Betrachter dreidimensionale Bilder sehen, wenn die Bilder mit einer Parallaxe an der Bildanzeigeeinrichtung 111 und 111' angezeigt werden. Da das Bildanzeigegerät der vorliegenden Erfindung einen langen Abstand zur Augenlinse haben kann, bei dem ein großer räumlicher Raum in der Richtung der optischen Achse der Betrachtungsrichtung des Betrachters an dem Augenpunkt 15 vorhanden ist, kann, indem die erste reflektierende Fläche von der Pupille des Betrachters bei einem dezentrierten Zustand eingestellt wird, das Gerät ein Anzeigegerät sein, das der Betrachter mit einer Brille sehen kann, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
Des weiteren kann das Bildanzeigegerät der vorliegenden Erfindung in einer derartigen Weise aufgebaut sein, dass die von der Pupille des Betrachters (die reflektierende Fläche 14 bei Fig. 8 oder 9) sich zuerst befindliche konkave reflektierende Fläche aus einem optisch transparentem Element gestaltet ist und mit einer dünnen Filmbeschichtung beschichtet ist, die dielektrisch ist oder aus einem Metall und dergleichen mit einem geeigneten Lichtdurchlässigkeitsfaktor und einem Reflektionsvermögen besteht, wodurch ein Lichtstrahlbündel von dem externen Bild vor dem Betrachter ebenfalls zu den Augen geführt werden kann. Demgemäß ermöglicht ein derartiger Aufbau ein Übereinanderanordnen des virtuellen Bildes an dem externen Bild vor dem Betrachter, so dass der Betrachter die Bilder gleichzeitig sehen kann. Da außerdem der Aufbau ermöglicht, dass der Betrachter die Bilder mit einer Brille tragend sehen kann, können nicht nur Betrachter mit einem gesunden Sehvermögen sondern auch Betrachter mit einer Myopie oder dergleichen sowohl die Anzeigebilder als auch das externe Bild deutlich sehen.
Nachstehend zeigen die Fig. 11 bis 16 Aufbauarten eines Aufbaus 1 und 2 zu veranschaulichenden Zwecken und von den Ausführungsbeispielen 1 bis 4.
Des weiteren zeigt Fig. 17 ein Distorsionsergebnis von einem numerischen Ausführungsbeispiel 1 und die Fig. 18A bis 181 zeigen deren Aberrationsdarstellungen.
Fig. 19 zeigt eine Darstellung des Koordinatensystems für Positionen und Brechungsneigungen oder reflektierenden Flächen als optische Elemente. Die Koordinaten einer Vertexposition der i-ten Brechzahl oder Brechungsfläche in der Reihenfolge von einem Strahlenbündel von der Pupille des Betrachters zu der Anzeigefläche sind durch Absolutkoordinaten (Yi, Zi) ausgedrückt, wenn der Ursprung als die Augenpunktposition genommen wird, an der die Pupille des Betrachters sich befindet (an einer Stelle eines Schnittpunktes zwischen den Hauptstrahlen der jeweiligen Feldwinkel). Die Achsen des Absolutkoordinatensystems sind so definiert, dass die Achse Z entlang der optischen Achse der Betrachtungsrichtung des Betrachters genommen wird, die Achse Y entlang der senkrecht zu der Achse Z gemäß Fig. 19 stehenden Achse genommen wird und die Achse Z entlang der senkrecht zu der Achse Y und zu der Achse Z stehenden Richtung genommen wird. Außerdem wird ein Neigungswinkel in der Ebene YZ der i-ten Brechzahl oder Brechungsfläche durch einen Winkel Θi (in Grad) ausgedrückt, der für die Drehung im Gegenuhrzeigersinn zu der Achse Z in der Ebene YZ positiv ist. Es wird angenommen, dass der lokale Ursprung von jedem optischen Element sich an der Ebene YZ befindet und dass die jeweiligen optischen Elemente keine Neigung in der Ebene XZ und in der Ebene XY haben. Des weiteren gibt Ri einen Krümmungsradius des i-ten optischen Elementes von der Pupille des Betrachters zu der Anzeigefläche wieder, gibt Di eine Dicke der i-ten Linse oder einer Lufttrennung wieder und gibt Ni, νi einen Brechungsindex und eine Abbe-Zahl des i-ten optischen Elementes wieder. Die Vorzeichen von Ri werden als negativ bestimmt, wenn die Krümmungsmitte sich an der Seite der Pupille des Betrachters entlang der optischen Achse von der Pupille des Betrachters zu der Anzeigeseite befindet, während sie positiv ist, wenn sie sich an der Anzeigeflächenseite befindet.
Das Bildanzeigegerät hat zumindest eine konkave reflektierende Fläche und eine konvexe reflektierende Fläche, wobei die Form von ihr durch die folgende Gleichung definiert ist:
z = {(x² + y²)/R}{1 + (1 - (1 + A) (x² + y²)/R²)1/2} + Bx&sup6; + Cx&sup4;y² + Dx&sup4;y + Ex&sup4; + Fx²y&sup4; + Gx²y³ + Hx²y² + Ix²y + Jx² + Ky&sup6; + Ly&sup5; + My&sup4; + Ny³ + Oy² + Py + Q
Hierbei werden die Koordinaten (x, y, z) bei der vorstehend dargelegten Gleichung für die gekrümmte Fläche bei einem lokalen Koordinatensystem genommen, wobei der Ursprung bei den Koordinaten (Yi, Zi) von jeder reflektierenden Fläche ist, und die jeweiligen Achsen wie folgt definiert sind:
z: eine Koordinatenachse einer reflektierenden Fläche, die einen Neigungswinkel Θi in der Richtung des Gegenuhrzeigersinns in der Ebene YZ in Bezug auf die Richtung Z hat, wobei der Ursprung bei den Koordinaten (Yi, Zi) der reflektierenden Fläche ist.
y: eine Koordinatenachse, die 90º in der Richtung des Gegenuhrzeigersinns in der Ebene YZ in Bezug auf die Richtung Z ausführt, wobei der Ursprung bei den Koordinaten (Yi, Zi) der reflektierenden Fläche ist.
x: eine Koordinatenachse, die senkrecht zu der Ebene YZ steht, wobei der Ursprung bei den Koordinaten (Yi, Zi) der reflektierenden Fläche ist.
Da die vorstehend dargelegte Gleichung für die gekrümmte Fläche lediglich gerade Ausdrücke für x umfasst, nimmt die Gleichung einen gleichen Wert für einen gleichen Absolutwert der Koordinaten x und einen gleichen Koordinatenwert y ein. Demgemäß sind die durch die vorstehend erwähnte Gleichung für die gekrümmte Fläche definierten gekrümmten Flächen ebenensymmetrisch in Bezug auf die Ebene YZ als eine Symmetrieebene. Die vorstehend dargelegte Gleichung für die gekrümmte Fläche ist eine Zernike-Polynom-Entwicklung auf den sechsten Grad unter Anordnung mit den Ausdrücken x und y für z.

Claims

1. Bildanzeigegerät mit:

einer Bildanzeigeeinrichtung (11) zum Anzeigen eines Bildes; und

einem visuell-optischen System (13, 14, 21, 22) zum Führen von Licht von der Bildanzeigeeinrichtung (11) zu einem vorbestimmten Ort (15), an dem die Pupille eines Betrachters sich bei Anwendung befindet, wobei das 15 visuell-optische System (13, 14, 21, 22) eine konkave reflektierende Fläche (14), eine konvexe reflektierende Fläche (13) und ein Übertragungs-Optik-System (21, 22; 31, 32, 33) aufweist, die in der Reihenfolge zwischen dem vorbestimmten Ort (15) und der Bildanzeigeeinrichtung (11) angeordnet sind;

dadurch gekennzeichnet, dass

das Übertragungs-Optik-System (21, 22; 31, 32, 33) eine erste konkave reflektierende Übertragungsfläche (22; 33) hat und so angeordnet ist, dass sie ein Luftbild (16, 17) des durch die Bildanzeigeeinrichtung (11) angezeigten Bildes in der Nähe der konvexen reflektierenden Fläche (13) des visuell-optischen Systems erzeugt;

das optische Übertragungssystem (21, 22; 31, 32, 33) eine Pupille hat; und

die konvexe reflektierende Fläche (13) und die konkave reflektierende Fläche (14) des visuell-optischen Systems eine drehasymmetrische asphärische Form ohne Drehsymmetrieachse haben und so angeordnet sind, dass sie ein Bild einer Pupille des optischen Übertragungssystems (21, 22; 31, 32, 33) an dem vorbestimmten Ort (15) erzeugen.

2. Gerät gemäß Anspruch 1, wobei

die konkave reflektierende Fläche (14) und die konvexe reflektierende Fläche (13) des visuell-optischen Systems jeweils dezentriert relativ zu einer optischen Achse angeordnet sind, wobei die optische Achse durch einen Strahl von der Mitte des Bildes, das durch die Bildanzeigeeinrichtung (11) angezeigt wird, zu der Mitte des vorbestimmten Ortes (15) definiert ist; und die konvexe reflektierende Fläche (13) des visuelloptischen Systems bei einer Position eingestellt ist, an der die konvexe reflektierende Fläche (13) des visuelloptischen Systems kein Licht unterbricht, das zu dem vorbestimmten ort (15) gerichtet wird und durch die konkave reflektierende Fläche (14) des visuell-optischen Systems reflektiert wird.

3. Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Übertragungssystem (21, 22; 31, 32, 33) ein optisches System ist, das an einer Seite des Luftbildes (16, 17) telezentrisch ist.

4. Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optische Übertragungssystem (21, 22) zumindest eine Brechungslinse (21) hat, die im wesentlichen dezentriert relativ zu der optischen Achse eingestellt ist.

5. Gerät gemäß Anspruch 4, wobei das optische Übertragungssystem (21, 22) eine erste konkave reflektierende Übertragungsfläche (33), eine konvexe reflektierende Übertragungsfläche (32) und eine zweite konkave reflektierende Übertragungsfläche (31) hat, die in dieser Reihenfolge zwischen der konvexen reflektierenden Fläche (13) des visuell-optischen Systems und der Bildanzeigeeinrichtung (11) angeordnet sind.

6. Gerät gemäß Anspruch 1, wobei die konkave reflektierende Fläche (14) des visuelloptischen Systems einen Strahlteiler mit einem vorbestimmten Lichtdurchlässigkeitsfaktor hat.

7. Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die konkave reflektierende Fläche (14) und die konvexe reflektierende Fläche (13) daran angepasst sind, dass sie einen Dezentrierastigmatismus der konkaven reflektierenden Fläche (14) und der konvexen reflektierenden Fläche (13) korrigieren.

8. Optisches Gerät mit zwei optischen Geräten gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die symmetrisch für die linke und rechte Pupille des Betrachters so angeordnet sind, dass sie ein optisches Binocularsystem bilden.

9. Gerät gemäß Anspruch 8, das eine Brille hat, wobei das Licht von der Bildanzeigeeinrichtung (11) so eingerichtet ist, dass es durch die Brille zu entweder der linken oder rechten Pupille des Betrachters durch das visuell-optische System geführt wird.

10. Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das des weiteren eine Halteeinrichtung aufweist, um das Bildanzeigegerät an dem Kopf des Betrachters zu sichern.