DE69733867T2

DE69733867T2 - Am kopf befestigte anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69733867T2
Application number: DE69733867T
Authority: DE
Inventors: Joji Suwa-shi KARASAWA
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: DE69733867D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung (im Folgenden als Datenhelm bzw. HMD (Head Mount Display (engl.)) bezeichnet) vom einäugigen Typ, die ein von Bildanzeigemitteln erzeugtes Bild vergrößert, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird, und ermöglicht, das vergrößerte virtuelle Bild mit einem der Augen des Benutzers zu sehen.
Die Notwendigkeit der Beobachtung eines Anzeigebildes, das von Bildanzeigemitteln gezeigt wird, gleichzeitig mit einem Hintergrundbild hat zur Entwicklung von HMDs einäugigen Typs geführt. Außerdem ist stark mit verschiedenen Anwendungen derartiger HMDs einäugigen Typs als Anzeigevorrichtungen von Computern und als Anweisungsanzeigevorrichtungen zur Unterstützung von Handbedienungen gerechnet worden.
Ein bekanntes Beispiel für derartige HMDs einäugigen Typs ist in der Japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. H-2-63 379 offenbart. Ein weiteres Beispiel, das in der Japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. H-3-189 677 offenbart ist, ist als ein HMD vom einäugigen Durchsichttyp bekannt.
Weitere Beispiele für Vorrichtungen zur Anzeige virtueller Bilder in Kombination mit einem Hintergrundbild oder sich selbst für ein Auge oder für beide Augen eines Benutzers sind in WO 95/11 473 A beschrieben. Die Ansprüche sind durch dieses Dokument geprägt.
Der in der Japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. H-3-189 677 offenbarte Datenhelm bzw. HMD vom einäugigen Durchsichttyp kombiniert mittels einer Kombinationsvorrichtung, die vor dem Gesicht angeordnet ist, ein Bildstrahlenbündel, das von einem optischen System abgestrahlt wird, das seitlich des Gesichts des Benutzers angeordnet ist, mit einem Lichtstrahlenbündel von einem Hintergrund, wodurch einem Hintergrundbild ein Anzeigebild überlagert wird. Bei diesem herkömmlichen HMD einäugigen Typs ist das Auge für die Beobachtung des Anzeigebildes entweder als das linke Auge oder das rechte Auge festgelegt.
Im Allgemeinen bevorzugen Menschen eines ihrer beiden Augen bei einem Beobachten. Die Größe des Beitrags des bevorzugten Auges zur Beobachtung von Bildern hängt von der Person ab. Das bei einer Beobachtung des Anzeigebildes bevorzugte Auge kann je nach Beschaffenheit der Anwendung des HMD und körperlicher Verfassung des Benutzers verschieden sein. Es ist auch möglich, dass der Benutzer des HMD Probleme bzw. Störungen bei der Sicht mit einem Auge hat. Folglich ist es unpraktisch, das Auge für die Beobachtung des Anzeigebildes bei dem HMD einäugigen Typs als entweder das linke Auge oder das rechte Auge festzulegen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist folglich, das oben angegebene Problem zu lösen und einen HMD vom einäugigen Typ zu schaffen, der dem Benutzer ermöglicht, ein aus einem Hintergrundbild und einem Anzeigebild zusammengesetztes Bild zu beobachten und ohne weiteres das Auge für die Beobachtung des Anzeigebildes auszuwählen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist, geschaffen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung, wie sie im Anspruch 4 beansprucht ist, geschaffen.
Um die oben genannten Aufgaben zumindest teilweise zu lösen, umfasst eine am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform Bildanzeigemittel, vergrößernde optische Mittel und Umschaltmittel. Die vergrößernden optischen Mittel sind beispielsweise als eine Linse oder als ein Konkavspiegel verwirklicht und brechen ein erstes Lichtstrahlenbündel, welches ein auf den Bildanzeigemitteln erzeugtes Bild darstellt, und vergrößern dadurch das Bild, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird, das von dem Benutzer mit einem seiner beiden Augen zu beobachten ist. Die Bildkombinationsmittel sind beispielsweise als ein Halbspiegel oder als ein polarisierender Strahlteiler ausgeführt und lassen das erste Lichtstrahlenbündel, welches das virtuelle Bild darstellt, gleichzeitig mit einem zweiten Lichtstrahlenbündel von einer Hintergrundansicht in das Auge des Benutzers eintreten, wodurch das virtuelle Bild mit der Hintergrundansicht kombiniert wird, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen. Die Umschaltmittel verlagern die vergrößernden optischen Mittel und die Bildkombinationsmittel, um einen Wechsel zwischen einem ersten Zustand, in dem das aus dem virtuellen Bild und der Hintergrundansicht zusammengesetzte Bild mit einem Auge des Benutzers beobachtet wird, und einem zweiten Zustand, in dem das zusammengesetzte Bild mit dem anderen Auge des Benutzers beobachtet wird, vorzunehmen.
Die vergrößernden optischen Mittel und die Bildkombinationsmittel sind so angeordnet, dass das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, durch die vergrößernden optischen Mittel und die Bildkombinationsmittel in dieser Reihenfolge geht, bevor es das Auge des Benutzers erreicht. In diesem Fall sind die vergrößernden optischen Mittel beispielsweise als eine Linse verwirklicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bildkombinationsmittel und die vergrößernden optischen Mittel so angeordnet, dass das erste Lichtstrahlenbündel, welches von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, wenigstens einmal durch die Bildkombinationsmittel und die vergrößernden optischen Mittel in dieser Reihenfolge geht, bevor es das Auge des Benutzers erreicht. In diesem Fall sind die vergrößernden optischen Mittel beispielsweise als ein konkaver Halbspiegel oder als ein Konkavspiegel verwirklicht.
Die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht dem Benutzer, ein aus einem Hintergrundbild und einem Anzeigebild zusammengesetztes Bild entweder mit dem linken Auge oder mit dem rechten Auge zu beobachten. Das Umschaltmittel ändert ohne weiteres das Auge für die Beobachtung des aus dem Anzeigebild und dem Hintergrund zusammengesetzten Bildes.
1 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems eines HMD;
2 zeigt das Aussehen des HMD von 1;
3 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer zweiten Ausführung;
4 zeigt das Aussehen des HMD der zweiten Ausführung;
5 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht den Aufbau eines Formwandlermechanismus in der ersten Ausführungsform;
7 zeigt die Zustände von in der ersten Ausführungsform entstehenden Bildern;
8 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht den Aufbau eines Formwandlermechanismus in der zweiten Ausführungsform;
10 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt die Zustände von in der dritten Ausführungsform entstehenden Bildern;
12 zeigt das Aussehen einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer dritten Ausführung;
14 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer vierten Ausführung;
15 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer fünften Ausführung;
16 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer sechsten Ausführung;
17 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer siebten Ausführung;
18 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer achten Ausführung;
19 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems in einer neunten Ausführung;
20 zeigt das Aussehen einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung; und
21 zeigt eine teildurchlässige Platte mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad und ein Verdrahtungsschema ihrer Steuerschaltung, die in der neunten Ausführung benutzt werden.
Es werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
1(a) ist eine Seitenansicht, die ein optisches System einer am Kopf zu befestigenden Anzeigevorrichtung (HMD) in einer ersten Ausführung veranschaulicht, die nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, jedoch zur Erläuterung beschrieben wird.
1(b) ist eine Vorderansicht davon. 2 zeigt das Aussehen des HMD einschließlich des optischen Systems von 1 für die Beschreibung teilweise im Querschnitt.
Eine Optikeinheit 1, wie sie in 1(a) gezeigt ist, kann entweder vor das linke Auge oder das rechte Auge des Benutzers gesetzt werden. Die Optikeinheit 1 umfasst einen Flüssigkristallbildschirm 2 vom Transmissionstyp, eine Hintergrundbeleuchtung 3, einen Reflexspiegel 4, eine Sammellinse 5 und ein Gehäuse 6, worin diese Komponenten untergebracht sind. Der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 verwirklichen die Funktion der Bildanzeigemittel, um als Reaktion auf eine Bildsignalausgabe von einer externen Ansteuerschaltung, die nicht gezeigt ist, ein Bild anzuzeigen. Die Linse 5 verwirklicht die Funktion der vergrößernden optischen Mittel, um ein Anzei gebild, das auf dem Flüssigkristallbildschirm 2 angezeigt wird, zu vergrößern, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird, und einem Lichtstrahlenbündel, welches das vergrößerte virtuelle Bild darstellt, zu ermöglichen, in das Auge des Benutzers einzutreten.
Der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 sind aufrecht in das Gehäuse 6 eingesetzt, so dass die Normale einer bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 im Wesentlichen in horizontaler Richtung orientiert ist. Der Reflexspiegel 4 ist um den Winkel von ungefähr 45° zur Normalen der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 geneigt und reflektiert ein Bildstrahlenbündel L1, das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 senkrecht nach unten abgestrahlt wird. Die Linse 5 ist so angeordnet, dass ihre optische Achse senkrecht zur Normalen der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 ist. An der Unterseite des Gehäuses 6 ist eine Öffnung 7 ausgebildet, durch welche das Bildstrahlenbündel L1 verläuft. In der Öffnung 7 ist ein Halbspiegel 8 so angeordnet, dass er um den Winkel von ungefähr 45° zu der optischen Achse der Linse 5 geneigt ist.
Das obere Ende des Halbspiegels 8 ist an einem in 2 gezeigten Hauptgehäuse 14 befestigt. Der Durchlassgrad und der Reflexionsgrad des Halbspiegels 8 können willkürlich festgelegt sein; beispielsweise können beide, der Durchlassgrad und der Reflexionsgrad, auf 50% eingestellt sein. Der Halbspiegel 8 ist so groß, dass er das Sehfeld virtueller Bilder für beide Augen des Benutzers abdeckt. Das Sehfeld virtueller Bilder ist durch den Sehwinkel, unter dem das Auge ein virtuelles Bild sieht, definiert. Der Halbspiegel 8 weist in seiner Mitte eine Aussparung 9 für die Nase des Benutzers auf. Die Optikeinheit 1, der Halbspiegel 9 und das Hauptgehäuse 14 einschließlich nicht gezeigter Schaltungen und weiterer Elemente werden mittels einer Halterung 16 am Kopf des Benutzers befestigt.
Wie in 1(a) gezeigt ist, wird das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 erzeugte Anzeigebild von der Rückseite durch die Hintergrundbeleuchtung 3 beleuchtet, und folglich wird das Bildstrahlenbündel L1 (das erste Lichtstrahlenbündel) von dem Flüssigkristallbildschirm abgestrahlt. Das Bildstrahlenbündel L1 wird von dem Reflexspiegel 4 um ungefähr 90 Grad abgelenkt, von der Linse 5 gebrochen und in einem Verhältnis, das den Durchlass-/Reflexions-Eigenschaften des Halbspiegels 8 entspricht, reflektiert und erzeugt ein Bild in einem Auge 10 des Benutzers. Die bilderzeugende Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 befindet sich näher an der Linse 5 als ein Brennpunkt der Linse 5 auf der Objektseite, wohingegen sich das Auge 10 in der Nähe des anderen Brennpunktes der Linse 5 auf der Bildseite befindet. Die Abbildungsfunktion der Linse 5 vergrößert folglich das Anzeigebild und erzeugt ein vergrößertes virtuelles Bild. Der Benutzer kann folglich das vergrößerte virtuelle Bild des von dem Flüssigkristallbildschirm 2 erzeugten Anzeigebildes in einer Verlängerung der optischen Achse 11, die durch das Auge 10 und die Optikeinheit 1 verläuft, beobachten.
Der Halbspiegel 8 reflektiert einen Teil des Bildstrahlenbündels L1, während gleichzeitig ein Teil eines Lichtstrahlenbündels L2 von der Hintergrundansicht durchgelassen wird, so dass die Letztere in beide Augen des Benutzers gelangt. Der Halbspiegel 8 wird nämlich als Bildkombinationsmittel wirksam, die das erste Lichtstrahlenbündel L1, welches das auf dem Flüssigkristallbildschirm 2 angezeigte Bild darstellt, mit dem zweiten Lichtstrahlenbündel L2 von der Hintergrundansicht kombinieren, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen und zu ermöglichen, dass das zusammengesetzte Bild in ein Auge des Benutzers gelangt. Der Benutzer kann folglich das aus dem Hintergrundbild und dem Anzeigebild zusammengesetzte Bild beobachten. Da ein Ende des Halbspiegels 8 an dem Hauptgehäuse befestigt ist, wie weiter oben erwähnt wurde, gibt es kein anderes Hindernis als das darüber angeordnete Hauptgehäuse 14, das das Sehfeld des Benutzers für die Hintergrundansicht blockiert. Folglich stellt dieser HMD das größtmögliche Sehfeld für den Hintergrund sicher. Das Lichtstrahlenbündel L2 von der Hintergrundansicht, das denselben Halbspiegel 8 durchquert, tritt sowohl in das linke als auch das rechte Auge ein, so dass das linke Auge und das rechte Auge Strahlenbündel von im Wesentlichen völlig gleicher Leuchtdichte empfangen. Dieser Aufbau ermöglicht dem Benutzer ein natürliches Beobachten des Hintergrundbildes.
Wie aus der obigen Darstellung klar ersichtlich ist, bedeutet der Ausdruck „einäugiger Typ" in dieser Erfindungsbeschreibung, dass das Anzeigebild mit einem Auge beobachtet wird. Auch wenn ein Teil des optischen Systems des HMD (beispielsweise der Halbspiegel 8) das Sehfeld umfasst, das beiden Augen entspricht, ist der HMD trotzdem vom „einäugigen Typ".
In 1(a) weist die Optikeinheit 1 ein hohles Lager 12 auf, das hinter dem Reflexspiegel 4 angeordnet ist. Die Innenfläche des Lagers 12 ist als ein Innengewinde ausgebildet, das mit einer in 2 gezeigten Welle 13 in dem Hauptgehäuse 14 zusammenpasst. Die Welle 13 hat eine solche Länge, dass sie das Hauptgehäuse 14 von einer Seite zur anderen durchquert und beide Enden von dem Hauptgehäuse 14 so gehalten werden, dass ein Laufen der Welle 18 möglich ist. An den beiden Enden der Welle 13 sind von beiden Seiten des Hauptgehäuses 14 vorstehend zwei Knöpfe 15 befestigt. Das Lager 12, die Welle 13 und die Knöpfe 15 verwirklichen die Funktion der Umschaltmittel, die die Optikeinheit 1 in die Position vor dem linken Auge oder vor dem rechten Auge verlagern. Wenn der Benutzer mit der Hand einen der Knöpfe 15 dreht, bewegt sich die Welle 13 in Bezug auf das Hauptgehäuse 14, und die Optikeinheit 1 wird dementsprechend nach rechts oder nach links verschoben. Die Optikeinheit 1 ist mit einem nicht gezeigten Drehanschlag versehen, um ein Drehen der Optikeinheit 1 mit der Drehung der Welle 13 zu verhindern. Ein Betätigen des Knopfes 15 bewegt die Optikeinheit 1 im Wesentlichen über den Abstand der Augen des Benutzers, um zwischen einem ersten Zustand, in dem der Benutzer das virtuelle Bild mit dem linken Auge beobachtet, wie in 1(b) gezeigt ist, und einem zweiten Zustand, in dem der Benutzer das virtuelle Bild mit dem rechten Auge beobachtet, zu wechseln. Die Optikeinheit 1 kann in jede willkürliche Position im Wesentlichen über den Augenabstand bewegt werden. Dies ermöglicht die Positionseinstellung entsprechend dem tatsächlichen Augenabstand des Benutzers.
Wie weiter oben erörtert wurde, ist bei diesem HDM vom Durchsichttyp nur der Halbspiegel 8 zwischen den Augen des Benutzers und dem Hintergrundbild angeordnet, so dass der Benutzer das Hintergrundbild im Wesentlichen ohne optische Beeinflussung beobachten kann. Es gibt mit Ausnahme des Hauptgehäuses 14, das oberhalb angeordnet ist, kein Hindernis, welches das Sehfeld des Benutzers für die Hintergrundansicht versperrt. Dadurch ist das größtmögliche Sehfeld für die Hintergrundansicht sichergestellt. Der Benutzer kann entweder das linke oder das rechte Auge als das Auge, das ein virtuelles Bild beobachtet, auswählen, während der HMD auf dem Kopf getragen wird. Dieser Aufbau ist besonders günstig, wenn mehrere Benutzer von demselben HMD Gebrauch macht. Der Benutzer kann ohne weiteres das Auge zur Beobachtung eines virtuellen Bildes je nach Beschaffenheit der Anwendung des HMD und seiner körperlichen Verfassung wechseln. Die Durchsichtstruktur ermöglicht dem Benutzer, die meisten Bilder der Hintergrundansicht mit beiden Augen zu beobachten. Ferner erfordert der Aufbau zur Beobachtung des Anzeigebildes mit nur einem Auge keine besonderen Anstrengungen des Benutzers, um die Bilder zu kombinieren, sondern ermöglicht dem Benutzer ohne weiteres, nur durch Ändern seiner Blickrichtung, das Anzeigebild zu beobachten.
Wenn der Gebrauch von Brillen mit dem HMD in Betracht gezogen wird, ist es wünschenswert, dass der Abstand zwischen der Linse 5 und dem Auge 10 in 1(a) ungefähr 60 mm beträgt. Für eine Vergrößerung des Anzeigebildes zu einem vergrößerten virtuellen Bild ist es unter solchen Bedingungen wünschenswert, die Strecke zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und der Linse 5 so lang wie möglich zu machen. Die Ausführung nutzt ein Knicken des Lichtweges durch den Reflexspiegel 4, um sowohl diese Anforderung als auch die Forderung nach einer Verminderung der Größe der Vorrichtung zu erfüllen. Die relativen Positionen der jeweiligen Komponenten von dem Flüssigkristallbildschirm 2 bis zu dem Halbspiegel 8 sind nicht auf die erste Ausführungsform beschränkt, sondern könnten auf verschiedene Weise modifiziert werden. Eine beispielhafte Modifikation lässt den Reflexspiegel 4 weg und ordnet den Flüssigkristallbildschirm 2 mit der Vorderseite nach unten oberhalb der Linse 5 an. Falls der Flüssigkristallbildschirm 2 an der Vorderseite des HMD angeordnet ist, wie in 1(a) gezeigt ist, lässt eine mögliche Modifikation beispielsweise die Hintergrundbeleuchtung 3 entfallen und formt auf der Rückseite des Flüssigkristallbildschirms 2 eine neue Öffnung in das Gehäuse 6. Das durch diese Öffnung einfallende Fremdlicht kann zur Beleuchtung des Flüssigkristallbildschirms 2 benutzt werden.
Die Umschaltmittel, die das Lager 12, die Welle 13 und die Knöpfe 15 aufweisen, sind ebenfalls nicht auf die veranschaulichte Ausführungsform beschränkt, sondern könnten auf verschiedene Weise modifiziert sein. Wie bei den folgenden Ausführungsformen erörtert wird, können die Umschaltmittel für den Wechsel des Auges zur Beobachtung eines virtuellen Bildes jeden Mechanismus nutzen, der die vergrößernden optischen Mittel (beispielsweise die Linse 5) und die Bildkombinationsmittel (beispielsweise den Halbspiegel 8) bewegen kann.
Der oben angegebene Aufbau kann zusätzlich mit einem Stellmechanismus versehen sein, der entweder den Flüssigkristallbildschirm 2 oder die Linse 5 in Richtung ihrer optischen Achse verlagert und dadurch die relative Entfernung zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und der Linse einstellt. Der Stellmechanismus kann die relative Entfernung zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und der Linse 5 so einstellen, dass sie dem Sehvermögen des Benutzers entspricht, wodurch die Beobachtung eines virtuellen Bildes weiter erleichtert wird.
3(a) ist eine Seitenansicht, die ein optisches System eines weiteren HMD veranschaulicht, und (3b) ist eine Vorderansicht davon. Bei dieser Ausführung und den nachfolgenden Ausführungsformen sind den Komponenten, die jenen der oben beschriebenen ersten Ausführung völlig gleich oder ähnlich sind, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, und sie sind nicht speziell beschrieben.
Eine Optikeinheit 17, wie sie in 3(a) gezeigt ist, kann entweder vor dem linken Auge oder vor dem rechten Auge des Benutzers angeordnet werden. In dem Beispiel von 3(b) ist die Optikeinheit 17 vor dem linken Auge angeordnet. Wie 3(a) zeigt, umfasst die Optikeinheit 17 den Flüssigkristallbildschirm 2, die Hintergrundbeleuchtung 3, den Reflexspiegel 4, die Linse 5, einen Halbspiegel 18 und ein Gehäuse 19, worin diese Komponenten untergebracht sind. Die relativen Positionen des Flüssigkristallbildschirms 2, der Hintergrundbeleuchtung 3, des Reflexspiegels 4, der Linse 5 und des Halbspiegels 18 sind jenen der ersten Ausführungsform völlig gleich. Der Halbspiegel 18 weist das gleiche Reflexions-/Durchlass-Verhalten wie der Halbspiegel 8 der ersten Ausführungsform auf. Wie in 3(b) gezeigt ist, weist jedoch der Halbspiegel 18 eine Größe auf, die das Sehfeld eines virtuellen Bildes für nur ein Auge des Benutzers abdeckt.
Wie in 3(a) gezeigt ist, weist das Gehäuse 19 einen im Wesentlichen trapezförmigen Seitenriss auf und ist mit einer Öffnung 20 versehen, die in seiner senkrechten Fläche so ausgebildet ist, so dass sie dem Auge 10 des Benutzers gegenüberliegt. Eine weitere Öffnung 21 ist in der Schrägfläche des Gehäuses 19 ausgebildet, worin der Halbspiegel 18 angeordnet ist. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Halbspiegel 18 zusammen mit weiteren optischen Elementen in der Optikeinheit 17 angeordnet ist. Die Optikeinheit 17 ist mit dem Hauptgehäuse 14 durch Mittel mit dem gleichen Aufbau wie jene der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform im Eingriff.
4 zeigt das Aussehen des HMD.
Der einzige Unterschied zu der ersten Ausführung, die in 2 gezeigt ist, besteht darin, dass der Halbspiegel 18 für nur ein Auge in die Optikeinheit (17) integriert ist.
Wie in 3(a) gezeigt ist, wird das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlte Bildstrahlenbündel L1 mit dem Hintergrundstrahlenbündel L2 kombiniert und tritt in das Auge 10 ein, an dem die Optikeinheit 17 angeordnet ist. Ein Teil des Hintergrundstrahlenbündels L2 wird von dem Halbspiegel 18 reflektiert, und nur der Rest tritt in das Auge 10 ein. Wie in 3(b) gezeigt ist, gibt es andererseits keinen Halbspiegel 18 vor dem Auge, an dem die Optikeinheit 17 nicht angeordnet ist. Das Hintergrundstrahlenbündel L2 tritt folglich ungeschwächt in das Auge ein, das nicht das virtuelle Bild beobachtet. Bei dem HMD der zweiten Ausführungsform ist die Helligkeit des mit dem linken Auge beobachteten Hintergrundbildes folglich von jener des mit dem rechten Auge beobachteten deutlich verschieden. Es ist im Allgemeinen so, dass der Helligkeitsunterschied zwischen den Sehfeldern des linken Auges und des rechten Auges von nicht weniger als 70% zu einem Konflikt der Sehfelder führt und das Betrachten beider Bilder sehr anstrengend macht. Andererseits gewährleistet ein Helligkeitsunterschied von nicht mehr als 30% zwischen den Sehfeldern des linken Auges und des rechten Auges gerade über eine verhältnismäßig lange Zeit eine sichere Beobachtung. In der zweiten Ausführungsform ist das Durchlass-/Reflexions-Verhalten des Halbspiegels 18 adäquat eingestellt, um den Helligkeitsunterschied zwischen den Sehfeldern des linken Auges und des rechten Auges nicht größer als ungefähr 30% werden so lassen, so dass ein Beobachten der Hintergrundansicht erleichtert wird. Tatsächlich werden der Reflexionsgrad und der Durchlassgrad des Halbspiegels 18 auf ungefähr 30% bzw. 70% eingestellt. Eine solche Einstellung ermöglicht, dass der Helligkeitsunterschied zwischen den Hintergrundbildern, die mit dem linken Auge und dem rechten Auge beobachtet werden, ungefähr 30% ist. Der extrem hohe Lichtdurchlassgrad verhindert jedoch eine Reflexion des Bildstrahlenbündels L1. Folglich ist es wünschenswert, den Reflexionsgrad so hoch wie möglich zu machen, um das Anzeigebild heller zu machen.
Die Umschaltmittel, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln, weisen einen Aufbau auf, der jenem der ersten Ausführung ähnlich ist, nur dass der Halbspiegel 18 der zweiten Ausführungsform mit der Optikeinheit 17 zusammengefügt ist und sich mit den übrigen optischen Elementen von einer Seite zur anderen bewegt, wohingegen der Halbspiegel 8 der ersten Ausführung feststehend ist. Die Funktion der Umschaltmittel in der zweiten Ausführung ist jener in der ersten Ausführung völlig gleich. Ein Drehen entweder des linken Knopfes oder des rechten Knopfes 15 bewegt die Optikeinheit 17 im Wesentlichen über den Augenabstand des Benutzers, um zwischen einem ersten Zustand, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, wie in 3(b) gezeigt ist, und einem zweiten Zustand, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet, zu wechseln. In der zweiten Ausführung hält die gleichzeitige Bewegung des Flüssigkristallbildschirms 2, der Linse 5 und des Halbspiegels 18 die festen Positionsbeziehungen zwischen diesen drei optischen Elementen aufrecht. Dies stellt auf vorteilhafte Weise die stabilere Leistungsfähigkeit des Optiksystems, das diese optischen Elemente enthält, sicher. Folglich vermindert die zweite Ausführung die Einschränkungen hinsichtlich der Positionierung des Optiksystems in Bezug auf das Auge des Benutzers weiter und erhöht den Freiheitsgrad der Positionierung. Ferner kann die Größe der gesamten Vorrichtung verringert werden, da der Halbspiegel 18 die minimal erforderliche Größe aufweist und mit der Optikeinheit 17 integriert ist, wobei die Möglichkeit einer Beschädigung des Halbspiegels 18 gering ist.
C. Erste Ausführungsform
5(a) ist eine Seitenansicht, die ein optisches System noch eines weiteren HMD als eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 5(b) ist eine Vorderansicht, die einen ersten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, 5(c) veranschaulicht einen Wechselmechanismus, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln, und 5(d) ist eine Vorderansicht, die einen zweiten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet.
Wie aus 5(a) ersichtlich ist, sind bei diesem optischen System eine Reflexionseinheit 50 und eine Optikeinheit 28 unter dem Flüssigkristallbildschirm 2 angeordnet.
Die Optikeinheit 28 umfasst eine Linse 26, den Halbspiegel 18 und ein Gehäuse 27, worin diese Komponenten untergebracht sind. Wie in 5(a) gezeigt ist, weist das Gehäuse 27 einen im Wesentlichen trapezförmigen Seitenriss auf und ist mit einer Öffnung 29 versehen, die in seiner senkrechten Fläche so ausgebildet ist, dass sie dem Auge 10 des Benutzers gegenüberliegt. Eine weitere Öffnung 30 ist in der schrägstehenden Fläche des Gehäuses 27 ausgebildet, worin der Halbspiegel 18 angeordnet ist.
Wie aus 5(b) ersichtlich ist, enthält die Reflexionseinheit 50 zwei Reflexspiegel 23 und 24, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und zwei Verbindungsglieder 25a und 25b, um die beiden Reflexspiegel 23 und 24 miteinander zu verbinden. Die Verbindungsglieder 25a und 25b verbinden die oberen Enden bzw. die unteren Enden der beiden Reflexspiegel 23 und 24 derart, dass ein Parallelogramm gebildet wird. Selbst wenn das Parallelogramm der Reflexionseinheit 50 verformt wird, ermöglicht dieser Aufbau, die zwei Reflexspiegel 23 und 24 im Wesentlichen parallel zueinander zu halten. In dem ersten Zustand von 5(c) und in dem zweiten Zustand von 5(d) sind die zwei Reflexspiegel 23, 24 jeweils um den Winkel von ungefähr 45° zur Normalen der Anzeigefläche des Flüssigkristallbildschirms 2 geneigt.
Wenn der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, wie in 5(c) gezeigt ist, wird das Bildstrahlenbündel L1 von dem Flüssigkristallbildschirm 2 zuerst von dem ersten Reflexspiegel 23 und dann von dem zweiten Reflexspiegel 24 reflektiert. Andererseits, wenn der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet, wie in 5(d) gezeigt ist, wird das Bildstrahlenbündel L1 von dem Flüssigkristallbildschirm 2 zuerst von dem zweiten Reflexspiegel 24 und danach von dem ersten Reflexspiegel 23 reflektiert. Das von diesen zwei Reflexspiegeln 23 und 24 abgelenkte Bildstrahlenbündel L1 tritt danach in die tiefer gelegene Optikeinheit 28 ein. Die Reflexionseinheit 50 hat folglich die Funktion von Reflexionsmitteln, die das Bildstrahlenbündel L1 reflektieren, oder die Funktion von Ablenkmitteln, die das Bildstrahlen bündel L1 ablenken.
6 veranschaulicht einen Formwandlermechanismus zur Veränderung der Form der Reflexionseinheit 50 bei einer Bewegung der Optikeinheit 28. In der Rückwand der Optikeinheit 28 sind zwei Stifte 51a und 51b ausgebildet. Das zweite Verbindungsglied 25b weist an seinem unteren Ende zwei passende Elemente 52a und 52b auf. Diese passenden Elemente 52a und 52b weisen jeweils Schlitze auf, die sich in vertikaler Richtung erstrecken. Die zwei Stifte 51a und 51b der Optikeinheit 28 durchqueren die Schlitze der zwei in Eingriff gelangenden Teile 52a und 52b des Verbindungsgliedes 25b und sind verschiebbar in eine Nut 53 eingebracht, die in dem Hauptgehäuse 14 ausgebildet ist (siehe 2). Die zwei Reflexspiegel 23 und 24 weisen Stifte 55a und 55b auf, die in ihren jeweiligen Mitten angeordnet sind. Diese Stifte 55a und 55b sind verschiebbar in eine andere Nut 54 eingebracht, die in dem Hauptgehäuse 14 ausgebildet ist. In der Darstellung von 6 sind aus praktischen Gründen die Nuten 53 und 54 mit schrägen Linien gefüllt, um sie von den übrigen Komponenten klar zu unterscheiden.
Der Benutzer verschiebt die Reflexionseinheit 50 und die Optikeinheit 28 in horizontaler Richtung, um zwischen dem ersten Zustand, der in 5(c) gezeigt ist, und dem zweiten Zustand, der in 5(d) gezeigt ist, zu wechseln. Ein Vergleich der 5(c) und 5(d) zeigt, dass der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 mit der Vorderseite nach unten auf einer Mittellinie 22 der Breite der Vorrichtung angeordnet sind, und durch das Wechseln des Auges für die Beobachtung eines virtuellen Bildes nicht verlagert werden.
5(b) zeigt den Zustand auf halbem Weg eines Wechsels aus dem ersten Zustand, der in 5(c) gezeigt ist, in den zweiten Zustand, der in 5(d) gezeigt ist. In dem Zustand von 5(c) ist der Formwandlermechanismus der Reflexionseinheit 50 auf die Position von 6 eingestellt. Wenn eine Kraft in Richtung eines Pfeils A auf die Optikeinheit 28 in dem Zustand von 6 ausgeübt wird, bewegt sich die Optikeinheit 28 die Nut 53 entlang (siehe 6) zu dem rechten Auge (in 6 nach links), und die Reflexionseinheit 50 bewegt sich dementsprechend die Nut 54 entlang. Zu diesem Zeitpunkt behält die Reflexionseinheit 50 im Wesentlichen die Parallelogrammform von 5(b) bei, obwohl sie sich mit der Optikeinheit 28 bewegt. Wenn der Stift 55a (siehe 6), der im Wesentlichen im Zentrum des Reflexspiegels 23 angeordnet ist, ein Ende der Nut 54 erreicht, wird das Parallelogramm der Reflexionseinheit 50 allmählich über den Zustand von 5(b) in den Zustand von 5(d) verformt, während die zwei Stifte 55a und 55b an ihren Positionen gehalten werden. Die Optikeinheit 28 bewegt sich dementsprechend in die Position gegenüber dem rechten Auge, um den zweiten Zustand zu bewirken, der in 5(d) gezeigt ist. Umgekehrte Handhabungen und Bewegungen werden ausgeführt, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes vom rechten Auge zum linken Auge zu ändern.
Im dem ersten Zustand von 5(b) und in dem zweiten Zustand von 5(d) sind die Reflexionseinheit 50 und die Optikeinheit 28 mittels eines bekannten mechanischen Positionierungsmechanismus, wie etwa einer Kombination aus Stiften und Einrücklöchern, festgestellt.
Es ist eine Vielfalt von anderen als den oben erörterten Strukturen für die Reflexionseinheit 50 und ihren Formwandlermechanismus anwendbar. Beispielsweise kann die Form der Reflexionseinheit 50 verändert werden, während das obere Verbindungsglied 25a weiterhin dem Flüssigkristallbildschirm 2 gegenüberliegt und das untere Verbindungsglied 25b weiterhin der Linse 26 gegenüberliegt. Solange die zwei in 5(b) und 5(d) gezeigten Zustände verwirklicht wer den können, ist weder der Übergangszustand noch die Bewegung der Reflexionseinheit 50 wichtig.
7 zeigt, dass der Benutzer ein virtuelles Bild in der gleichen Richtung sowohl in dem ersten Zustand von 5(b) als auch in dem zweiten Zustand von 5(d) beobachten kann. 7(a) zeigt den ersten Zustand, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, wohingegen (7b) den zweiten Zustand darstellt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet. In diesen Skizzen geben die Pfeile, die in der Nähe der jeweiligen optischen Elemente gezeichnet sind, eine erste Richtung 61 an, die einer ersten Koordinatenachse der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 entspricht. Die eingekreisten Kreuze geben eine zweite Richtung 62 an, die einer zweiten Koordinatenachse der bilderzeugenden Oberfläche entspricht. Die zweite Richtung 62 verläuft von der Vorderseite zur Rückseite des Zeichnungsblattes. Die Pfeile, die diese Richtungen 61 und 62 repräsentieren, sind auf den Halbspiegel 18 gezeichnet. Wie aus 7(a) und 7(b) klar zu erkennen ist, wird ein auf dem Flüssigkristallbildschirm 2 erzeugtes Bild dreimal reflektiert und entweder mit dem linken Auge oder mit dem rechten Auge als ein Bild mit der gleichen Orientierung beobachtet. Es ist folglich bei dem Wechsel des Auges für die Beobachtung eines virtuellen Bildes keine elektrische Umschaltoperation bezüglich der Richtung der Anzeige des Bildes erforderlich.
Wie weiter oben erörtert worden ist, kann die erste Ausführungsform das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes wechseln, während der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 an einer festen Position bleiben. Da der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 mit einer Ansteuerschaltung leitend verbunden sind, ist für die elektrische Betriebssicherheit zu bevorzugen, dass keine Verlagerung des Flüssigkristallbild schirms 2 und der Hintergrundbeleuchtung 3 auftritt. Mit anderen Worten: Die erste Ausführungsform stellt die hohe elektrische Betriebssicherheit bei dem Vorgang des Wechselns des Auges für die Beobachtung eines virtuellen Bildes sicher.
Da in der ersten Ausführungsform die Position des Flüssigkristallbildschirms 2 fest ist, wird die Positionseinstellung der Optikeinheit 28 in horizontaler Richtung entsprechend dem tatsächlichen Augenabstand des Benutzers die relative Entfernung zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und der Linse 26 verändern. Dies hat eine Veränderung des Abstandes vom Auge des Benutzers zu einem virtuellen Bild zur Folge. Um dieses Problem zu vermeiden könnte bei einer Bewegung der Optikeinheit 28 entweder der Flüssigkristallbildschirm 2 oder die Linse 26 längs ihrer optischen Achse bewegt werden, wodurch der Abstand vom Auge des Benutzers zu einem virtuellen Bild fest bleibt. Eine weitere mögliche Struktur ist die Erweiterung der Austrittspupille der Linse 26, während die Position der Optikeinheit 28 entweder vor dem linken Auge oder vor dem rechten Auge festgehalten wird, so dass ein individueller Unterschied des Augenabstandes aufgefangen wird.
D. Zweite Ausführungsform
8(a) ist eine Seitenansicht, die ein optisches System eines weiteren HMD als eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 8(b) ist eine Vorderansicht, die einen ersten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, in der zweiten Ausführungsform; und 8(c) ist eine Vorderansicht, die einen zweiten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet.
Das in 8a gezeigte optische System umfasst eine andere Reflexionseinheit 70 anstelle der Reflexionseinheit 50 der ersten Ausführungsform, die in 5a gezeigt ist. Wie in 8(b) und 8(c) gezeigt ist, weist die Reflexionseinheit 70 drei Reflexspiegel 31 bis 33 auf. Der erste Reflexspiegel ist auf der Mittellinie 22 des Augenabstandes angeordnet. Der zweite Reflexspiegel 32 und der dritte Reflexspiegel 33 sind etwas oberhalb des linken Auges bzw. des rechten Auges und vor diesen so angeordnet, dass sie in Bezug auf die Mittellinie 22 symmetrisch sind. Der zweite und der dritte Reflexspiegel, 32 und 33, sind jeweils um den Winkel von ungefähr 45 Grad zur Vertikalen geneigt.
Der erste Reflexspiegel 31 ist entweder in Richtung eines Pfeils C in 8(b) oder in Richtung eines Pfeils D in 8(c) um die Drehachse, die auf der Mittellinie 22 angeordnet ist, drehbar. Die Drehbewegung wechselt zwischen den zwei Zuständen von 8(b) und 8(c). In dem ersten Zustand von 8(b) reflektiert der erste Reflexspiegel 31 das Bildstrahlenbündel L1 in die Richtung des zweiten Reflexspiegels 32, und das von dem zweiten Reflexspiegel 32 reflektierte Lichtstrahlenbündel tritt in die Optikeinheit 28 ein. Zum anderen reflektiert in dem zweiten Zustand von 8(c) der erste Reflexspiegel 31 das Bildstrahlenbündel L1 in die Richtung des dritten Reflexspiegels 33, und das von dem dritten Reflexspiegel 33 reflektierte Lichtstrahlenbündel tritt in die Optikeinheit 28 ein. Der Drehwinkel des Reflexspiegels 31 für einen Wechsel zwischen den Zuständen von 8(b) und 8(c) kann 90° sein, wenn beide Oberflächen des ersten Reflexspiegels 31 als Spiegelebenen ausgebildet sind oder wenn die Drehrichtung des Reflexspiegels 31 umkehrbar ist.
9 zeigt einen Formwandlermechanismus, um den Reflexspiegel 31 bei einer Bewegung der Optikeinheit 28 zu drehen. In diesem Beispiel weist der Reflexspiegel 31 an seinen beiden Oberflächen Spiegelebenen auf. Das körperliche Zentrum des Reflexspiegels 31 ist mittels eines Stützstiftes 71, der in dem Hauptgehäuse 14 angeordnet ist (siehe 4), drehbar gelagert. Ein weiterer Stift 72 ist am unteren Ende des Reflexspiegels 31 angeordnet. Dieser Stift 72 ist verschiebbar in eine Führungsnut 73 eingebracht, die in der Rückwand der Optikeinheit 28 ausgebildet ist. Die Führungsnut 72 erstreckt sich in horizontaler Richtung, und der Stift 72 wird längs der Führungsnut 13 geführt, so dass er in der horizontalen Richtung beweglich ist. Da ein Drehen des Reflexspiegels 31 die vertikale Position des Stifts 72 verändert, hat die Führungsnut 73 in vertikaler Richtung eine Ausdehnung, die den Bereich der vertikalen Position des Stifts 72 abdeckt. Die Optikeinheit 28 ist mittels eines nicht gezeigten Stifts verschiebbar in eine Nut 74 eingefügt, die in dem Hauptgehäuse 14 ausgebildet ist.
In dem ersten Zustand in 8(b) ist der Formwandlermechanismus auf die Position von 9 gesetzt. Wenn in dem Zustand von 9 eine Kraft in der Richtung eines Pfeils A auf die Optikeinheit 28 ausgeübt wird, bewegt sich diese die Nut 74 entlang. Im Anfangsstadium der Bewegung ist der Stift 72 in der Führungsnut 73 freigegeben, was zur Folge hat, dass der Reflexspiegel 31 nicht gedreht wird. Ein Weiterbewegen der Optikeinheit 28 bewirkt, dass der Stift 72 gegen den Endabschnitt der Führungsnut 73 gepresst wird, und die Kraft, die von der Optikeinheit 28 ausgeübt wird, dreht den ersten Reflexspiegel 31 in Richtung des Pfeils C. Die Optikeinheit 28 bewegt sich folglich an die Position vor dem rechten Auge, um den zweiten Zustand zu verwirklichen, der in 8(c) gezeigt ist. Die Reflexionsrichtung des ersten Reflexspiegels 31 wird nämlich von „nach links" in „nach rechts" verändert. Wie bei der ersten Ausführungsform erörtert worden ist, kann der Benutzer sowohl in dem ersten Zustand als auch in dem zweiten Zustand ein virtuelles Bild in der gleichen Richtung beobachten. Umgekehrte Handhabungen und Bewegungen werden ausgeführt, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes vom rechten Auge zum linken Auge zu wechseln.
Wie weiter oben erörtert worden ist, hat die zweite Ausführungsform die gleichen Wirkungen wie die erste Ausführungsform und vereinfacht ferner den Verformungsmechanismus der Reflexionseinheit (d.h. den Formwandlermechanismus), wodurch sich der Aufbau der Umschaltmittel, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln, vereinfacht. Andererseits benötigt die weiter oben erörterte erste Ausführungsform im Vergleich zu dieser zweiten Ausführungsform in vorteilhafter Weise die kleinere Anzahl von Reflexspiegeln in der Reflexionseinheit.
E. Dritte Ausführungsform
10(a) ist eine Seitenansicht, die ein Optiksystem noch eines weiteren HMD als eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 10(b) ist eine Vorderansicht, die einen ersten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem linken Auge beobachtet, in der dritten Ausführungsform; und 10(c) ist eine Vorderansicht, die einen zweiten Zustand zeigt, in dem der Benutzer ein virtuelles Bild mit dem rechten Auge beobachtet.
Das in 10(a) bis 10(c) gezeigte optische System weist den Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 auf, die an Positionen angeordnet sind, die von jenen in dem optischen System der in 8(a) gezeigten zweiten Ausführungsform verschieden sind, und weist eine andere Reflexionseinheit 80 anstelle der Reflexionseinheit 70 auf. Wie in 10(b) und 10(c) gezeigt ist, sind der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 in der Nähe der Mittellinie 22 des Augenabstands angeordnet, um die Normale der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 im Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufen zu lassen. Die Reflexionseinheit 80 enthält zwei Reflexspiegel 34 und 35, die in Bezug auf die Mittellinie 22 symmetrisch angeordnet sind. Die zwei Reflexspiegel 34 und 35 sind jeweils um den Winkel von ungefähr 45 Grad zur Normalen der Anzeigefläche des Flüssigkristallbildschirms 2 geneigt und lenken das Bildstrahlenbündel L1, das im Wesentlichen in horizontaler Richtung von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlt wird, senkrecht nach unten ab.
In der dritten Ausführungsform werden der Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 so gehalten, dass sie als Ganzes drehbar sind. Ein Drehen des Flüssigkristallbildschirms 2 und der Hintergrundbeleuchtung 3 wechselt den aktuellen Zustand zwischen dem ersten Zustand, der in 10(b) gezeigt ist, und dem zweiten Zustand, der in 10(c) gezeigt ist. Die Drehachse des Flüssigkristallbildschirms 2 fällt mit der optischen Achse zusammen, die durch das Zentrum der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 verläuft. Dies ermöglicht, dass die Entfernungen von der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 zu den zwei Reflexspiegeln 34 und 35 sowohl im ersten Zustand als auch im zweiten Zustand völlig gleich sind.
Wenn eine Kraft in der Richtung eines Pfeils A auf die Optikeinheit 28 in dem ersten Zustand von 10(b) ausgeübt wird, bewegt sich die Optikeinheit 28 eine nicht gezeigte Schiene entlang, die zwischen der Optikeinheit 28 und der Reflexionseinheit 80 angeordnet ist. Während des Ablaufs der Bewegung dreht die Kraft, die von der Optikeinheit 28 ausgeübt wird, den Flüssigkristallbildschirm 2 und die Hintergrundbeleuchtung 3 insgesamt in Richtung eines Pfeils E, so dass der zweite Zustand, der in 10(c) gezeigt ist, verwirklicht wird. Die Richtung des Bildstrahlenbündels L1, das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlt wird, ändert sich nämlich von „nach links" in „nach rechts", und folglich wird das Bildstrahlenbündel L1 von dem ersten Reflexspiegel 35 nach unten reflektiert und tritt in die Optikeinheit 28 ein. Umge kehrte Handhabungen und Bewegungen werden ausgeführt, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes vom rechten Auge zum linken Auge zu ändern.
11 zeigt die Tatsache, dass der Benutzer ein virtuelles Bild mit der gleichen Orientierung sowohl in dem ersten Zustand von 10(b) als auch in dem zweiten Zustand von 10(d) beobachten kann, und entspricht 7 der ersten Ausführungsform. Die erste Richtung 61 entspricht der ersten Koordinatenachse der bilderzeugenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2, während die zweite Richtung 62 der zweiten Koordinatenachse der bilderzeugenden Oberfläche entspricht. Wie aus 11(a) und 11(b) klar zu erkennen ist, wird jedes Bild, das auf dem Flüssigkristallbildschirm 2 erzeugt wird, zweimal reflektiert und entweder mit dem linken Auge oder mit dem rechten Auge als ein Bild mit der gleichen Orientierung beobachtet. Bei diesem Aufbau ist bei dem Wechsel des Auges für die Beobachtung eines virtuellen Bildes keine elektrische Umschaltoperation bezüglich der Orientierung des Anzeigebildes erforderlich.
Wie weiter oben bei der dritten Ausführungsform erörtert worden ist, werden nur die Linse 26 und der Halbspiegel 18 im Wesentlichen über den Augenabstand des Benutzers bewegt, um die Richtung der Abstrahlung des Bildstrahlenbündels L1 von dem Flüssigkristallbildschirm 2 zu verändern, wodurch das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes gewechselt wird. Dies vereinfacht den Aufbau der Reflexionseinheit. Die Verwirklichung des in der Reflexionseinheit 80 untergebrachten Flüssigkristallbildschirms 2 verringert wirksam die Größe der Vorrichtung.
F. Vierte Ausführungsform
12 zeigt das Aussehen eines weiteren HMD als eine vierte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in 12 gezeigte HMD weist irgendeines der optischen Systeme auf, die in der ersten bis dritten Ausführungsform erörtert worden sind. Der Unterschied zu dem HMD der in 4 gezeigten zweiten Ausführung ist, dass der HMD der in 12 gezeigten vierten Ausführungsform eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 37 umfasst, die im Wesentlichen den gleichen Lichtdurchlassgrad wie der Halbspiegel 18 aufweist und vor dem Auge angeordnet ist, welches das virtuelle Bild nicht sieht. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte ist abnehmbar an dem Hauptgehäuse 14 angebracht und kann vor einem der Augen des Benutzers, vor dem linken Auge oder dem rechten Auge, angeordnet werden. Der Benutzer nimmt die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 37 von dem Hauptgehäuse 14 ab und bewegt die Optikeinheit 17 (oder 28), um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 37 wird dann wieder an dem Hauptgehäuse 14 angebracht, derart, dass sie sich vor dem Auge befindet, das kein virtuelles Bild sieht.
Vorzugsweise ist der Lichtdurchlassgrad der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 37 so eingestellt, dass er dem Lichtdurchlassgrad des Halbspiegels 18 im Wesentlichen gleich ist. Beispielsweise sollte, wie bei der zweiten Ausführung erörtert worden ist, der Helligkeitsunterschied zwischen dem linken und dem rechten Sehfeld vorzugsweise nicht größer als 30% sein. Ein Einstellen des Lichtdurchlassgrades der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 37 in den Bereich von ungefähr 0,7-mal bis 1,3-mal dem Lichtdurchlassgrad des Halbspiegels 18 ermöglicht, dass die Helligkeit des Hintergrundbildes, das durch den Halbspiegel 18 beobachtet wird, im Wesentlichen mit der Helligkeit des Hintergrundbildes, das durch die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 37 beobachtet wird, übereinstimmt. Der Benutzer kann folglich das Hintergrundbild auf natürliche Weise beobachten. Dieser Aufbau stellt weniger strenge Anforderungen an das Durchlass-/Reflexions-Verhalten des Halbspiegels 18 als jener der zweiten Ausführung, und das Einstellen dieses Verhaltens ermöglicht, die Helligkeits beziehung zwischen dem Anzeigebild und dem Hintergrundbild willkürlich festzulegen.
G. Dritte Anordnung
13(a) ist eine Seitenansicht, die ein optisches System eines weiteren HMD als eine dritte Anordnung zeigt. Eine in 13(a) gezeigte Optikeinheit 38 weist einen polarisierenden Strahlteiler 39 anstelle des Halbspiegels 18 auf, der in der Optikeinheit 17 der in 3 gezeigten zweiten Ausführung enthalten ist, und enthält ferner eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 mit Polarisationsselektivität vor dem polarisierenden Strahlteiler 39. In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck „Polarisationsselektivität" die Eigenschaft, eine spezifisch polarisierte Lichtkomponente hindurchzulassen oder zu reflektieren.
Der Flüssigkristallbildschirm 2 weist (nicht gezeigte) polarisierende Platten auf seiner lichtempfangenden Oberfläche und seiner lichtabstrahlenden Oberfläche auf. In der dritten Anordnung ist das Bildstrahlenbündel L1, das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlt wird, s-polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene senkrecht zu den lichtempfangenden Oberflächen des Reflexspiegels 4 und des polarisierenden Strahlteilers 39 ist (d.h. die Ebene ist parallel zur Blattoberfläche). In den Skizzen von 13 zeigt jeder freie Kreis mit einem schwarzen Punkt, der in der Nähe eines Lichtstroms gezeichnet ist, an, dass der Lichtstrom s-polarisiertes Licht ist. Andererseits zeigt jedes Liniensegment mit zwei Pfeilen an, dass der Lichtstrom p-polarisiertes Licht ist.
Der polarisierende Strahlteiler 39 weist die Eigenschaft auf, dass er das s-polarisierte Licht reflektiert, während er das p-polarisierte Licht, dessen Schwingungsebene senkrecht zu jener des s-polarisierten Lichts ist, hindurchlässt. Der polarisierende Strahlteiler 39 ist so groß, dass er das Sehfeld eines virtuellen Bildes für nur ein Auge des Benutzers abdeckt. Wie der in 2 gezeigte Spiegel 8 hat die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 eine solche Größe und Form, dass sie das Sehfeld virtueller Bilder für beide Augen des Benutzers abdeckt. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 besteht beispielsweise aus einer polarisierenden Platte und verhält sich so, dass sie selektiv nur das p-polarisierte Licht hindurchlässt.
Wie in 13(a) gezeigt ist, wird das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 erzeugte Bild von der Rückseite aus mittels der Hintergrundbeleuchtung 3 beleuchtet, und dementsprechend wird das Bildstrahlenbündel L1 s-polarisierten Lichts abgestrahlt. Nach einer Richtungsänderung des Strahlengangs um ungefähr 90 Grad durch den Reflexspiegel 4 wird das Bildstrahlenbündel L1 durch die Linse 5 gebrochen. Das Bildstrahlenbündel L1 s-polarisierten Lichts wird von dem polarisierenden Strahlteiler 39 zu fast 100% reflektiert und erzeugt ein Bild im Auge 10 des Benutzers.
Andererseits ist das Hintergrundstrahlenbündel L2 nicht-polarisiertes Licht, das p-polarisiertes Licht und s-polarisiertes Licht enthält. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 lässt nur die p-polarisierte Lichtkomponente des Hintergrundstrahlenbündels L2 hindurch, und anschließend tritt das p-polarisierte Licht in den polarisierenden Strahlteiler 39 ein. Der polarisierende Strahlteiler 39 weist die Eigenschaft auf, dass er das p-polarisierte Licht zu fast 100% hindurchlässt und folglich die p-polarisierte Lichtkomponente des Hintergrundstrahlenbündels L2 ohne wesentliche Reflexion oder Absorption ausgibt. Es erreichen nämlich fast 100% der p-polarisierten Lichtkomponente des Lichtstrahlenbündels L2 von der Hintergrundansicht das Auge des Benutzers, das ein virtuelles Bild beobachtet. Als Folge davon treten das Bildstrahlenbündel L1 aus s-polarisiertem Licht und das Hintergrundstrahlenbündel L2 aus p-polarisiertem Licht gleichzeitig in das Auge ein, das ein virtuelles Bild beobachtet. Der Benutzer kann folglich ein zusammengesetztes Bild, d.h. eine Kombination aus dem Anzeigebild mit dem Hintergrundbild, beobachten.
13(b) zeigt den Zustand, in dem die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 vor dem Auge angeordnet ist, das kein virtuelles Bild sieht.
Diese Konfiguration ermöglicht, dass fast 100% der p-polarisierten Lichtkomponente des Lichtstrahls L2 vom Hintergrund in das Auge eintreten, das kein virtuelles Bild sieht.
In der dritten Anordnung wird der überwiegende Teil des Bildstrahlenbündels L1 von dem Flüssigkristallbildschirm 2 durch den polarisierenden Strahlteiler 39 reflektiert und tritt in das Auge 10 ein. Dies verbessert die Helligkeit des Anzeigebildes, das von dem Benutzer beobachtet wird, wesentlich. Da die Helligkeit des Hintergrundbildes, die in das Auge dringt, das ein virtuelles Bild sieht, im Wesentlichen mit der Helligkeit des Hintergrundbildes, die in das Auge dringt, das kein virtuelles Bild sieht, übereinstimmt, kann der Benutzer das Hintergrundbild auf natürliche Weise beobachten. Da die dritte Anordnung ermöglicht, dass das linke Auge und das rechte Auge des Benutzers die Hintergrundbilder mit im Wesentlichen der gleichen Helligkeit sehen, wie bei der vierten Ausführungsform, ist der Freiheitsgrad bezüglich der Helligkeit des Anzeigebildes und des Hintergrundbildes in bemerkenswerter Weise verbessert. Konkreter, das Einstellen des Durchlass-/Reflexions-Verhaltens der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 40 ermöglicht, die Helligkeitsbeziehung zwischen dem Anzeigebild und dem Hintergrundbild willkürlich festzulegen. Da die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 außerhalb des polarisierenden Strahlteilers 39 angeordnet und an dem Hauptgehäuse befestigt ist, wobei sie eine solche Größe aufweist, dass sie das Sehfeld eines virtuellen Bildes für beide Augen des Benutzers abdeckt, wirkt sie sich nicht auf die Umschaltoperation, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln, aus.
Der polarisierende Strahlenteiler 39 und die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 40 der dritten Anordnung sind nicht auf die Verwirklichung des optischen Systems, die bei der zweiten Ausführung erörtert worden ist, beschränkt, sondern sind auch auf die weiteren Ausführungen des optischen Systems anwendbar, die in der ersten bis dritten Ausführungsform erörtert worden sind.
Wie aus der Erörterung der dritten Anordnung klar zu erkennen ist, können die Bildkombinationsmittel, die das Bildstrahlenbündel L1 mit dem Hintergrundstrahlenbündel L2 kombinieren, durch eine Vielfalt von halbdurchlässigen Spiegeln, wie etwa einen Halbspiegel, und einen polarisierenden Strahlteiler verwirklicht sein. Die halbdurchlässigen Spiegel schließen hier nicht nur jene mit einer Polarisationsselektivität wie etwa einen polarisierten Strahlteiler ein, sondern auch jene ohne Polarisationsselektivität, wie etwa einen Halbspiegel.
Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte, die vor dem Auge angeordnet ist, das kein virtuelles Bild sieht, kann ein teildurchlässiges Element mit Polarisationsselektivität oder ein teildurchlässiges Element ohne Polarisationsselektivität sein.
Die Bildkombinationsmittel, die in der dritten Anordnung benutzt werden, umfassen den polarisierenden Strahlteiler, der ermöglicht, dass das Bildstrahlenbündel L1 in das Auge des Benutzers eintritt, ohne dass die Lichtmenge wesentlich vermindert wird. Da die polarisierende Platte, die eine solche Größe hat, dass sie das Sehfeld eines virtuellen Bildes für beide Augen abdeckt, als teilweise lichtdurchlässige Siebplatte benutzt wird, kann der Benutzer das Hintergrundbild unabhängig davon, welches Auge für die Beo bachtung eines virtuellen Bildes ausgewählt ist, gut im Einklang mit dem Anzeigebild beobachten.
H. Vierte Anordnung
14 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems noch eines weiteren HMD als eine vierte Anordnung. Eine Optikeinheit 90 umfasst den Flüssigkristallbildschirm 2, die Hintergrundbeleuchtung 3, den Halbspiegel 18, einen konkaven Halbspiegel 92 und ein Gehäuse 94, worin diese Komponenten untergebracht sind. Der konkave Halbspiegel 92 ist so angeordnet, dass er dem Benutzer jenseits des ebenen Halbspiegels 18 gegenüberliegt. Der konkave Halbspiegel 92 wird anstelle der Linse als vergrößernde optische Mittel benutzt. Der Mechanismus, um das optische System in dieser Ausführungsform zu bewegen, kann dem Mechanismus in der zweiten Ausführung oder jenem in der dritten Anordnung völlig gleich sein und wird folglich hier nicht speziell beschrieben.
Der Flüssigkristallbildschirm 2 ist mit der Vorderseite nach unten über dem ebenen Halbspiegel 18 angeordnet. Ein Teil des von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlten Bildstrahlenbündels L1 wird von dem ebenen Halbspiegel 18 so reflektiert, dass er in Richtung des konkaven Halbspiegels 92 abgelenkt wird. Das Bildstrahlenbündel L1 wird dann von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 92 reflektiert und durchquert den ebenen Halbspiegel 18, um in das Auge 10 des Benutzers einzutreten. Da die innere Oberfläche des konkaven Halbspiegels eine Höhlung bildet, wird das von dem Bildstrahlenbündel L1, das von der Höhlung reflektiert wird, repräsentierte Bild als ein virtuelles Bild vergrößert, das beobachtet wird.
Andererseits durchquert ein Teil des Hintergrundstrahlenbündels L2 den konkaven Halbspiegel 92 und den ebenen Halbspiegel 18, um in das Auge 10 des Benutzers einzutreten. Der konkave Halbspiegel 92 hat eine gleichmäßige Dicke und überträgt folglich den überwiegenden Teil des Lichtstrahlenbündels L2 vom Hintergrund ohne Brechung. Der Benutzer kann folglich das intakte Hintergrundbild mit dem vergrößerten virtuellen Bild des Anzeigebildes, das auf dem Flüssigkristallbildschirm 2 angezeigt wird, beobachten.
Die vierte Anordnung hat keinerlei Linsen zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und dem ebenen Halbspiegel 18, wodurch der Abstand zwischen dem Flüssigkristallbildschirm 2 und dem ebenen Halbspiegel 18 verringert werden kann.
Diese Konfiguration verringert auf wirksame Weise die Größe des gesamten optischen Systems. Außerdem vermindert die Verwendung des Konkavspiegels anstelle der Linse die Abbildungsfehler.
I. Fünfte Anordnung
15 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems eines weiteren HMD als eine fünfte Anordnung. Eine Optikeinheit 95 hat den konkaven Halbspiegel 92 an einer Position angeordnet, die von jener in der achten Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, verschieden ist, und enthält ferner eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96. Der konkave Halbspiegel 92 ist so angeordnet, dass er dem Flüssigkristallbildschirm 2 jenseits des ebenen Halbspiegels 18 gegenüberliegt. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96 ist so angeordnet, dass sie dem Benutzer jenseits des ebenen Halbspiegels 18 gegenüberliegt.
Ein Teil des Bildstrahlenbündels L1, das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlt wird, durchquert den ebenen Halbspiegel 18, wird von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 92 reflektiert und von dem ebenen Halbspiegel 18 erneut reflektiert, um in das Auge 10 des Benutzers einzutreten. Der konkave Halbspiegel 92 hat wie in der achten Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, die Funktion vergrößernder optischer Mittel.
Andererseits durchquert ein Teil des Hintergrundstrahlenbündels L2 die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96 und den ebenen Halbspiegel 18, um in das Auge 10 des Benutzers einzutreten.
Wie die vierte Anordnung, die in 14 gezeigt ist, weist die fünfte Anordnung die Vorteile auf, dass die Größe des gesamten optischen Systems verringert wird und die Abbildungsfehler vermindert werden. Ein zusätzlicher Vorteil der fünften Anordnung ist, dass durch das Einstellen des Lichtdurchlassgrades der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 96 die Helligkeit des Hintergrundbildes gesteuert werden kann. Beispielsweise verbessert ein Einstellen des Lichtdurchlassgrades der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 96 auf einen verhältnismäßig hohen Wert die Helligkeit des Hintergrundbildes.
Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96 schirmt einen Teil des Hintergrundstrahlenbündels L2 ab, was dementsprechend den Anteil des Hintergrundstrahlenbündels L2, der von dem Halbspiegel 18 reflektiert wird, um zu dem Flüssigkristallbildschirm 2 zu gelangen, verringert. Dadurch wird das Blendlicht an der Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 vermindert.
Anstelle des konkaven Halbspiegels 92 könnte ein Konkavspiegel verwendet werden. Der Konkavspiegel weist ein höheres Reflexionsvermögen als der konkave Halbspiegel auf und verbessert folglich die Helligkeit des mit dem Auge 10 beobachteten Anzeigebildes.
J. Sechste Anordnung
16(a) veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems noch eines weiteren HMD als eine sechste Anordnung. Eine Optikeinheit 97 enthält den Flüssigkristallbildschirm 2, die Hintergrundbeleuchtung 3, den Halbspiegel 18, ein vergrößerndes optisches System 98 vom Typ mit interner Reflexion und ein Gehäuse 99, worin diese Komponenten untergebracht sind.
Das vergrößernde optische System 98 vom Typ mit interner Reflexion ist zwischen den Halbspiegel 18 und den Benutzer eingefügt. Ein Teil des von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlten Bildstrahlenbündels L1 wird von dem Halbspiegel 18 in Richtung des Benutzers reflektiert und tritt in das vergrößernde optische System 98 vom Typ mit interner Reflexion ein.
Das vergrößernde optische System 98 vom Typ mit interner Reflexion wird im Allgemeinen als „Pancake Window" (engl.) bezeichnet, wobei es die Funktion hat, ein Bild durch wiederholte interne Reflexion von Licht optisch zu vergrößern. Der Aufbau und die Funktion des vergrößernden optischen Systems 98 vom Typ mit interner Reflexion sind in dem US-Abänderungspatent Nr. 27,356 beschrieben.
16(b) ist eine auseinander genommene Perspektivansicht, die das in dem US-Abänderungspatent Nr. 27,356 beschriebene vergrößernde optische System vom Typ mit interner Reflexion zeigt. Das vergrößernde optische System 98 vom Typ mit interner Reflexion enthält einen konkaven Halbspiegel 100, eine erste λ/4-Platte 102, einen ebenen Halbspiegel 104, eine zweite λ/4-Platte 106 und eine polarisierende Platte 108, die in dieser Reihenfolge übereinander liegen. Wie aus 16(a) klar zu erkennen ist, sind die Abstände zwischen den jeweiligen optischen Elementen in dem vergrößernden optischen System 98 vom Typ mit interner Reflexion in 16(b) übertrieben, um den Strahlengang klarzustellen.
Das von dem ebenen Halbspiegel 18 reflektierte Bildstrahlenbündel L1 gelangt in den konkaven Halbspiegel 100. In der Skizze von 16(b) gibt das Liniensegment mit zwei Pfeilen die Schwingungsrichtung des Schwingungsvektors des linear polarisierten Lichts an und die Spirale gibt die Drehrichtung des Schwingungsvektors des zirkular polarisierten Lichts an.
Da eine polarisierende Platte an der lichtabstrahlenden Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 2 angeordnet ist, ist das Bildstrahlenbündel L1, das in den konkaven Halbspiegel 100 eintritt, linear polarisiertes Licht. Das Bildstrahlenbündel L1 durchquert den konkaven Halbspiegel 100 und wird von der ersten λ/4-Platte 102 in zirkular polarisiertes Licht überführt. Das Bildstrahlenbündel L1 aus zirkular polarisiertem Licht wird in einen ersten Lichtstrom L1a, der den ebenen Halbspiegel 104 durchquert, und einen zweiten Lichtstrom L1b, der von dem ebenen Halbspiegel 104 reflektiert wird, geteilt. Der erste Lichtstrom L1a wird von der zweiten λ/4-Platte 106 in linear polarisiertes Licht überführt. Die Schwingungsrichtung des Schwingungsvektors dieses linear polarisierten Lichts ist senkrecht zu der Schwingungsrichtung des ursprünglichen Bildstrahlenbündels L1. Der erste Lichtstrom L1a, der von der zweiten λ/4-Platte 106 ausgegeben wird, wird durch die polarisierende Platte 108 abgeschirmt und erreicht nicht das Auge 10 des Benutzers. Die polarisierende Platte 108 lässt selektiv das linear polarisierte Licht hindurch, dessen Schwingungsrichtung zu jener des Bildstrahlenbündels L1, das in den konkaven Halbspiegel 100 eintritt, völlig gleich ist, während das linear polarisierte Licht, dessen Schwingungsrichtung senkrecht zu jener des Bildstrahlenbündels L1 ist, abgeschirmt wird.
Andererseits durchläuft der zweite Lichtstrom L1b, nachdem er von dem ebenen Halbspiegel 104 reflektiert worden ist, erneut die erste λ/4-Platte 102, um in linear polarisiertes Licht überführt zu werden, und wird von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 100 reflektiert. Die Schwingungsrichtung des Schwingungsvektors des zweiten Lichtstroms L1b ist senkrecht zur Schwingungsrichtung des Bildstrahlenbündels L1, das von außen in den konkaven Halbspiegel 100 gelangt. Der zweite Lichtstrom L1b erfährt eine Brechung, wenn er von dem konkaven Halbspiegel 100 reflektiert wird. Dadurch wird das Anzeigebild vergrößert, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird.
Der von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 100 reflektierte zweite Lichtstrom L1b wird mittels der ersten λ/4-Platte 102 erneut in zirkular polarisiertes Licht überführt und tritt in den ebenen Halbspiegel 104 ein. Der den ebenen Halbspiegel 104 durchquerende zweite Lichtstrom L1b wird mittels der zweiten λ/4-Platte 106 in linear polarisiertes Licht überführt. Der zweite Lichtstrom L1b, der durch die zweite λ/4-Platte 106 hindurchgeht, durchquert die polarisierende Platte 108 und erreicht das Auge 10 des Benutzers. Da der zweite Lichtstrom L1b ein vergrößertes virtuelles Bild erzeugt, wenn er von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 100 reflektiert wird, kann der Benutzer das vergrößerte virtuelle Bild beobachten.
Neben dem zweiten Lichtstrom L1b, der in 16(b) gezeigt ist, gibt es Lichtströme, die eine größere Anzahl von internen Reflexionen wiederholen, bevor sie in das Auge des Benutzers eintreten. Solche weiteren Lichtströme weisen jedoch auf Grund des Verlustes, hauptsächlich in den Halbspiegeln 100 und 104, eine wesentlich geringere Lichtmenge als der zweite Lichtstrom L1b auf. Die Wirkungen dieser weiteren Lichtströme, die in das Auge des Benutzers gelangen, sind folglich unerheblich.
Das Hintergrundstrahlenbündel L2 enthält zufällig polarisierte Lichtkomponenten, wobei die polarisierte Lichtkomponente des Hintergrundstrahlenbündels L2, die das Bildstrahlenbündel L1 kreuzt, die jeweiligen optischen Elemente in dem vergrößernden optischen System 98 vom Typ mit inter ner Reflexion durchquert und das Auge 10 des Benutzers erreicht. Der Benutzer beobachtet folglich das intakte Hintergrundbild, das nicht der Vergrößerung zu einem vergrößerten virtuellen Bild unterworfen ist. Ein Teil des Hintergrundstrahlenbündels L2 folgt einem Lichtweg, der dem in 16(b) gezeigten Lichtweg des ersten Lichtstroms L1b völlig gleich ist, und erzeugt ein Bild in der Nähe des Auges 10. Da die Lichtquelle des Hintergrundstrahlenbündels L2 im Allgemeinen weit von dem Brennpunkt des konkaven Halbspiegels 100 entfernt ist, befindet sich jedoch der Ort der Bildentstehung näher an dem Auge als der Nahpunkt des Auges (d.h. der nächstgelegene Ort, an dem die Augen ein Objekt im Brennpunkt sehen können). Der Benutzer nimmt folglich das vergrößerte virtuelle Bild der Hintergrundansicht nicht wahr.
Wenn ein anderer Typ eines bildanzeigenden Mittels, das ein Lichtstrahlenbündel abstrahlt, das nicht linear polarisiertes Licht ist, anstelle des Flüssigkristallbildschirms 2 benutzt wird, kann eine polarisierende Platte auf der Licht empfangenden Oberfläche des in 16(b) gezeigten konkaven Halbspiegels 100 angeordnet sein.
Wie die vierte und die fünfte Anordnung verringert die sechste Anordnung wirksam die Größe des gesamten optischen Systems und vermindert die Abbildungsfehler.
In den vierten bis sechsten Anordnungen mit dem Konkavspiegel kann der ebene Halbspiegel 18 eine Größe haben, die das Sehfeld der virtuellen Bilder für beide Augen abdeckt. Ferner ist eine beliebige der in der ersten und zweiten Ausführung und in der ersten bis dritten Ausführungsform erörterten Strukturen auf die Umschaltmittel, um das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln, in den vierten bis sechsten Anordnung anwendbar.
K. Siebte Anordnung
17(a) veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems eines weiteren HMD als eine siebte Anordnung. Ein optisches System 109 umfasst zusätzlich zu der Optikeinheit 90 der in 14 gezeigten vierten Anordnung die nachstehend beschriebenen Elemente. Eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 110 ist vor dem konkaven Halbspiegel 92 angeordnet. Das obere Ende der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 110 ist mit einer ersten Zahnstange 112 verbunden, während das obere Ende des Gehäuses 94 der Optikeinheit mit einer zweiten Zahnstange 114 verbunden ist. Das in 14 gezeigte Lager 12 entfällt bei dem Optiksystem 109 von 17.
17(b) ist eine zweidimensionale Ansicht, die dieses Optiksystem 109 zeigt. In den einander gegenüberliegenden Oberflächen der zwei Zahnstangen 112 und 114 sind Zähne ausgebildet. Zwischen die zwei Zahnstangen 112 und 114 ist ein Ritzel 116 eingefügt, und die Zähne des Ritzels 116 gelangen mit den Zähnen der beiden Zahnstangen 112 und 114 in Eingriff. Wie 17(a) zeigt, ist über dem Ritzel 116 ein Knopf 118 angeordnet, der ermöglicht, das Ritzel 116 zu drehen.
In dieser siebten Anordnung können das Hauptgehäuse 14 und die Halterung 16, die in 12 gezeigt sind, benutzt werden. Die zwei Zahnstangen 112 und 114 sind gleitend beweglich, wobei sie von nicht dargestellten Nuten geführt werden, die in dem Hauptgehäuse 14 ausgebildet sind. Wie in 17(b) gezeigt ist, sind die zwei Zahnstangen 112 und 114 biegsam und verlaufen entlang der Nuten des Hauptgehäuses 14, wobei sie gekrümmt sind.
Das Ritzel 116 wird von dem Hauptgehäuse 14 so gehalten, das ein Laufen des Ritzels 116 möglich ist. Wenn der Anwender an dem Knopf 118 dreht, bewegen sich die zwei Zahnstangen 112 und 114 bei einer Drehbewegung des Ritzels 116 in entgegengesetzte Richtungen. Wie nun wieder aus 17(b) ersichtlich ist, sind die Optikeinheit 109 und die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 110 so angeordnet, dass sie in Bezug auf eine Mittellinie 120 im Wesentlichen symmetrisch sind. Die Bewegungen der zwei Zahnstangen 112 und 114 verlagern folglich die Optikeinheit 109 und die teilweise lichtdurchlässige Platte 110 in entgegengesetzte Richtungen, während die im Wesentlichen symmetrische Beziehung aufrechterhalten wird. Der Benutzer kann durch Betätigen des Knopfes 118 die Optikeinheit 109 und die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 110 auf geeignete Positionen einstellen, die seinem Augenabstand entsprechen. Da sich die zwei Zahnstangen 112 und 114 bewegen, ohne sich gegenseitig zu stören, können die horizontalen Positionen der Optikeinheit 109 und der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 110 durch das Betätigen des Knopfes 118 getauscht werden.
Wie weiter oben erörtert wurde, weist die siebte Anordnung den Mechanismus zur Verlagerung der Optikeinheit 109 und der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 110 in entgegengesetzte Richtungen, während die im Wesentlichen symmetrische Beziehung dieser beibehalten wird, auf. Folglich erfordert dieser Aufbau keinen Arbeitsgang zum Abnehmen der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 110 bei einem Wechsel des Auges für die Beobachtung eines virtuellen Bildes. Außerdem vereinfacht dieser Aufbau auf vorteilhafte Weise die Positionseinstellung entsprechend dem Augenabstand des Benutzers. Dieser Verlagerungsmechanismus ist nicht nur in dem Fall anwendbar, in dem der konkave Halbspiegel als das vergrößernde optische System benutzt wird, sondern auch in dem Fall, in dem die Linse als das vergrößernde optische System (beispielsweise die zweite Anordnung, die in 3 und 4 gezeigt ist) benutzt wird. Selbst wenn das optische System nicht die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 110 umfasst, ist der in 17 gezeigte Verlagerungsmechanismus als Umschaltmittel verwendbar, um die Optikeinheit in der horizontalen Richtung zu verlagern und das Auge für die Beobachtung eines virtuellen Bildes zu wechseln.
L. Achte Anordnung
18(a) veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems noch eines weiteren HMD als eine achte Anordnung. Dieses optische System umfasst eine Optikeinheit 130, die der Optikeinheit 95 der in 15 gezeigten siebten Ausführungsform fast gleich ist, jedoch nicht die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96 für nur ein Auge umfasst, sondern eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 132 für beide Augen. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 132 ist abnehmbar in eine Nut 134 eingefügt, die in einem Hauptgehäuse ausgebildet ist. Die Nut 134 ist beispielsweise in dem in 12 gezeigten Hauptgehäuse 14 ausgebildet.
18(b) ist eine Vorderansicht, die das optische System der achten Anordnung zeigt. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 132 ist ungefähr in der Mitte in zwei Abschnitte 136 und 138 unterteilt. Der erste Abschnitt 136 ist vor der Optikeinheit 130 angebracht und weist einen verhältnismäßig hohen Lichtdurchlassgrad auf. Der zweite Abschnitt 138 ist vor dem Auge angebracht, an dem die Optikeinheit 10 nicht angeordnet ist, und weist einen verhältnismäßig niedrigen Lichtdurchlassgrad auf. Aus dem bei der zweiten Ausführung erörterten Grund ist der Unterschied des Lichtdurchlassgrades zwischen dem ersten Abschnitt 136 und dem zweiten Abschnitt 138 vorzugsweise so eingestellt, dass ein Unterschied zwischen dem Gesamtdurchlassgrad des ersten Abschnitts 136 und des Halbspiegels 18 und dem Durchlassgrad des zweiten Abschnitts 138 nicht größer als ungefähr 30% ist. Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 132 kann auf die gleiche Weise wie der in 2 gezeigte Halbspiegel 18 ungefähr in ihrer Mitte eine Einkerbung für die Nase haben.
Die in 18(a) gezeigte Optikeinheit 130 wird mittels des Mechanismus, der jenem ähnlich ist, der zu 2 erörtert wurde, zwischen der linken Position und der rechten Position bewegt. Um die Positionen des ersten Abschnitts 136 und des zweiten Abschnitts 138 zu tauschen, nimmt der Benutzer die gesamte Einheit der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 132 aus der Nut 134 und dreht sie um, um sie wieder in die Nut 134 einzusetzen. Diese Handhabungen ermöglichen, dass sich der Abschnitt 136, der einen verhältnismäßig hohen Lichtdurchlassgrad aufweist, vor dem Auge mit der Optikeinheit 130 befindet, während sich der Abschnitt 138 mit einem verhältnismäßig niedrigen Durchlassgrad vor dem anderen Auge befindet. Dies führt zu einer Verminderung des Helligkeitsunterschieds zwischen den Lichtstrahlenbündeln, die in das linke Auge und das rechte Auge eintreten.
Der erste Abschnitt 136 und der zweite Abschnitt 138 der teilweise lichtdurchlässigen Siebplatte 132 können voneinander getrennt sein. Diese Trennung ermöglicht, die Abschnitte 136 und 138 unabhängig voneinander aus der Nut 134 zu nehmen und wieder in die Nut 134 einzusetzen, nachdem die Positionen getauscht worden sind. Dieser Aufbau erfordert keinen Arbeitsgang, um die zwei Abschnitte 136 und 138 umzudrehen, erhöht aber die Anzahl der Schritte zum Anbringen und Abnehmen.
M. Neunte Anordnung
19 veranschaulicht den Aufbau eines optischen Systems eines weiteren HMD als eine neunte Anordnung. Eine Optikeinheit 140 weist einen Aufbau auf, der jenem der Optikeinheit 95 der in 15 gezeigten fünften Anordnung ähnlich ist, nur dass der Halbspiegel 18 durch einen polarisierenden Strahlteiler 142 ersetzt ist, dass die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte 96 durch eine polarisierende Platte 146 ersetzt ist, und dass eine λ/4-Platte 144 etwas oberhalb des konkaven Halbspiegels 92 angeordnet ist. Der kon kave Halbspiegel 92 könnte durch einen Konkavspiegel ersetzt sein.
Das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlte Bildstrahlenbündel L1 durchquert den polarisierenden Strahlteiler 142 und tritt in die λ/4-Platte 144 ein. Das von dem Flüssigkristallbildschirm 2 abgestrahlte Lichtstrahlenbündel L1 ist p-polarisiertes Licht, und der polarisierende Strahlteiler 142 verhält sich so, dass er p-polarisiertes Licht zu nahezu 100% hindurchlässt und s-polarisierte Licht zu nahezu 100% reflektiert. Das Bildstrahlenbündel L1, das den polarisierenden Strahlteiler 142 durchquert, wird mittels der λ/4-Platte 144 in zirkular polarisiertes Licht überführt und wird dann von der inneren Oberfläche des konkaven Halbspiegels 92 reflektiert. Die Reflexion an dem konkaven Halbspiegel 92 kehrt die Richtung der Drehung des Schwingungsvektors des zirkular polarisierten Lichts um. Das Bildstrahlenbündel L1 aus zirkular polarisiertem Licht tritt wieder in die λ/4-Platte 144 ein und wird in s-polarisiertes Licht überführt. Das Bildstrahlenbündel L1 aus s-polarisiertem Licht wird von dem polarisierenden Strahlteiler 142 reflektiert und tritt in das Auge 10 des Benutzers ein.
Andererseits enthält das Hintergrundstrahlenbündel L2 zufällig polarisierte Lichtkomponenten, und nur die p-polarisierte Lichtkomponente durchquert die polarisierende Platte 146. Fast 100% des Anteils des Hintergrundstrahlenbündels L2, der die polarisierende Platte 146 durchlaufen hat, durchquert des Weiteren den polarisierenden Strahlteiler 142 und tritt in das Auge 10 des Benutzers ein.
Wie weiter oben erörtert wurde, wird, da die Bildkombinationsmittel, die in der neunten Anordnung verwendet werden, den polarisierenden Strahlteiler 142 umfassen, das Bildstrahlenbündel L1 von dem Flüssigkristallbildschirm 2 hier ohne wesentliche Verluste reflektiert oder hindurch gelassen. Dies verbessert die Helligkeit des Anzeigebildes, das von dem Benutzer beobachtet wird. Ein Ersetzen des konkaven Halbspiegels 92 durch einen Konkavspiegel verbessert die Helligkeit des beobachteten Anzeigebildes weiter. Eine mögliche Modifikation verwendet eine teilweise lichtdurchlässige Siebplatte für nur ein Auge oder für beide Augen, um die Helligkeitsbeziehung zwischen dem Hintergrundbild und dem Anzeigebild einzustellen.
H. Fünfte Ausführungsform
20 zeigt das Aussehen noch eines weiteren HMD als eine fünfte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser HMD enthält eine Platte 150 mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad für zwei Augen. Eine beliebige der optischen Einheiten, die in den oben angegebenen Ausführungsformen erörtert worden sind, könnte hier als optische Einheit benutzt werden, um das Bildstrahlenbündel L1 in das Auge des Benutzers eintreten zu lassen.
21 ist ein Blockdiagramm, das den elektrischen Aufbau der Platte 150 mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad und einer Steuerschaltung 160 davon zeigt. Die Platte 150 mit veränderbarem Durchlassgrad hat den Aufbau eines Flüssigkristallbildschirms, wobei sie zwei lichtdurchlässige Elektroden 152 und 154, die jeweils zumindest die Sehfelder der virtuellen Bilder für das linke Auge und das rechte Auge umfassen, und eine lichtdurchlässige Gegenelektrode 156 mit einer großen Fläche, die diese lichtdurchlässigen Elektroden 152 und 154 umschließt, enthält. Die lichtdurchlässige Gegenelektrode 156 ist geerdet, und die linke und die rechte lichtdurchlässige Elektrode, 152 und 154, sind an die Steuerschaltung 160 angeschlossen.
Die Steuerschaltung 160 enthält zwei Ansteuerschaltungen für die lichtdurchlässigen Elektroden 152 und 154. Jede Ansteuerschaltung enthält einen Trennverstärker 162, einen Operationsverstärker 164, einen veränderbaren Widerstand 166 und einen Widerstand 168. Der Operationsverstärker 164 nimmt über den veränderbaren Widerstand 166 und den Widerstand 168 eine Teilspannung von einer Versorgung entgegen. Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 164 ist mit einem Versorgungsanschluss des Trennverstärkers 162 verbunden. Die Versorgungsspannung, deren Pegel durch den veränderbaren Widerstand 166 und den Operationsverstärker 164 bestimmt ist, wird dementsprechend dem Trennverstärker 162 zugeführt. Der Benutzer kann den Wert des veränderbaren Widerstands 166 durch Bedienen einer nicht gezeigten Wählmöglichkeit willkürlich einstellen.
Ein Eingangsanschluss des Trennverstärkers 162 empfängt ein Impulssignal Ps zur Ansteuerung der Platte 150 mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad, die als eine Art Flüssigkristallbildschirm aufgebaut ist. Der Trennverstärker 162 moduliert die Amplitude des Impulssignals Ps als Reaktion auf die Versorgungsspannung, die von dem Operationsverstärker 164 zugeführt wird, und liefert das modulierte Pulssignal an die lichtdurchlässige Elektrode 152 (oder 154).
Der linke und der rechte Lichtdurchlassgrad der Platte 150 mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad wird jeweils mit einer Änderung der Amplitude des Ansteuersignals, das auf die lichtdurchlässigen Elektroden 152 und 154 gegeben wird, verändert. Der Wert des veränderbaren Widerstands 166 kann für die linke lichtdurchlässige Elektrode 152 und für die rechte lichtdurchlässige Elektrode 154 unabhängig eingestellt werden, so dass der linke und der rechte Lichtdurchlassgrad der Platte 150 mit veränderbarem Lichtdurchlassgrad unabhängig voneinander gesteuert werden können. Dieser Aufbau ermöglicht, die Helligkeit des Sehfeldes bei dem Auge, das das Anzeigebild sieht, bzw. bei dem Auge, das das Anzeigebild nicht sieht, zu steuern, wodurch leicht die Umgebung so eingestellt wird, dass eine Beobachtung der Bilder durch den Benutzer erleichtert wird.
In den obigen Ausführungsformen kann, soweit möglich, der ebene Halbspiegel oder der konkave Halbspiegel durch einen halbdurchlässigen Spiegel mit Polarisationsselektivität (beispielsweise einen polarisierenden Strahlteiler) ersetzt werden. Der Halbspiegel könnte folglich als ein halbdurchlässiger Spiegel ohne Polarisationsselektivität oder als ein halbdurchlässiger Spiegel mit Polarisationsselektivität verwirklicht sein.
Die teilweise lichtdurchlässige Siebplatte in den entsprechenden Ausführungsformen könnte mittels eines halbdurchlässigen Elements ohne Polarisationsselektivität oder mittels eines halbdurchlässigen Elements mit Polarisationsselektivität verwirklicht sein. Diese halbdurchlässigen Elemente sind vorzugsweise dünne Platten, obwohl auch Blöcke zulässig sind. Der Ausdruck „Platten" hat hier eine weitgefasste Bedeutung, wobei sowohl nicht gewölbte Plattenelemente als auch gewölbte Plattenelemente eingeschlossen sind.
Der Reflexspiegel in den jeweiligen Ausführungsformen kann durch ein anderes optisches Element ersetzt werden, das eine reflektierende Oberfläche aufweist (beispielsweise ein Prisma). Außerdem kann ein optisches Element, das eine polarisationstrennende Fläche aufweist, im Allgemeinen als polarisierender Strahlteiler benutzt werden.
Für die Bildanzeigemittel kann eine Vielfalt von Vorrichtungen, die von dem Flüssigkristallbildschirm 2 verschieden sind, Anwendung finden. Beispielsweise könnte stattdessen ein anderer Flachbildschirm, wie etwa ein Plasmabildschirm, benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen oder ihre modifizierten Beispiele beschränkt, sondern es könnte viele weitere Modifikationen, Abänderungen und Abwandlungen geben, ohne vom Rahmen der vorlie genden Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert abzukommen.
Industrieelle Anwendbarkeit
Die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung ist als Anzeigevorrichtung von Computern oder als Anweisungen anzeigende Vorrichtung zur Unterstützung von Handbedienungen anwendbar.

Claims

Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung, die am Kopf eines Benutzers angebracht werden kann, umfassend: Bildanzeigemittel; vergrößernde optische Mittel (26), um ein erstes Lichtstrahlenbündel, welches ein auf den Bildanzeigemitteln erzeugtes Bild darstellt, zu brechen und dadurch das Bild vergrößern, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird, das von dem Benutzer mit einem seiner beiden Augen zu beobachten ist; Bildkombinationsmittel (18), um das erste Lichtstrahlenbündel, welches das virtuelle Bild darstellt, gleichzeitig mit einem zweiten Lichtstrahlenbündel von einer Hintergrundansicht in das Auge des Benutzers eintreten zu lassen, wodurch das virtuelle Bild mit der Hintergrundansicht kombiniert wird, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen; und Umschaltmittel, um die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) zu verlagern, um einen Wechsel zwischen einem ersten Zustand, in dem das aus dem virtuellen Bild und der Hintergrundansicht zusammengesetzte Bild mit einem Auge des Benutzers beobachtet wird, und einem zweiten Zustand, in dem das zusammengesetzte Bild mit dem anderen Auge des Benutzers beobachtet wird, vorzunehmen, wobei die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) so angeordnet sind, dass das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, durch die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) in dieser Reihenfolge geht, bevor es das Auge des Benutzers erreicht; wobei die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bildkombinationsmittel ungefähr in der Mitte einer Spannweite der am Kopf zu befestigenden Anzeigevorrichtung angeordnet sind, derart, dass sie ungefähr in der Mitte zwischen den Augen des Benutzers positioniert sind; sie ferner Ablenkmittel (50) umfasst, um das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, zu den vergrößernden optischen Mitteln (26) abzulenken; und die Umschaltmittel Formwandlermittel umfassen, um die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) an im Voraus festgelegte stationäre Positionen zu bewegen, die dem ersten Zustand bzw. dem zweiten Zustand entsprechen, und um die Form der Ablenkmittel (50) durch die Bewegung so zu verändern, dass eine Richtung der Ablenkung durch die Ablenkmittel (50) zu den Positionen der vergrößernden optischen Mittel (26) und der Bildkombinationsmittel (18) passt.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ablenkmittel (50) im Wesentlichen parallel zwei reflektierende Oberflächen (23, 24) umfassen; und die Formwandlermittel Mittel zur Veränderung eines Winkels der zwei reflektierenden Oberflächen (23, 24), der für den ersten Zustand bzw. den zweiten Zustand passend ist, umfassen.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ablenkmittel erste und zweite reflektierende Oberflächen (23, 24), die fest sind und das erste Lichtstrahlenbündel zu entsprechenden Positionen der vergrößernden optischen Mittel (26) in dem ersten Zustand bzw. in dem zweiten Zustand reflektieren, und eine drehbare, dritte reflektierende Oberfläche (31) umfassen; und die Formwandlermittel Mittel zur Veränderung eines Winkels der dritten reflektierenden Oberfläche (31), der für den ersten Zustand bzw. den zweiten Zustand passend ist, umfassen.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung, die am Kopf eines Benutzers angebracht werden kann, umfassend: Bildanzeigemittel; vergrößernde optische Mittel (26), um ein erstes Lichtstrahlenbündel, welches ein auf den Bildanzeigemitteln erzeugtes Bild darstellt, zu brechen und dadurch das Bild zu vergrößern, so dass ein vergrößertes virtuelles Bild erhalten wird, das von dem Benutzer mit einem seiner beiden Augen zu beobachten ist; Bildkombinationsmittel (18), um das erste Lichtstrahlenbündel, welches das virtuelle Bild darstellt, gleichzeitig mit einem zweiten Lichtstrahlenbündel von einer Hintergrundansicht in das Auge des Benutzers eintreten zu lassen, wodurch das virtuelle Bild mit der Hintergrundansicht kombiniert wird, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen; und U mschaltmittel, um die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) zu verlagern, um einen Wechsel zwischen einem ersten Zustand, in dem das aus dem virtuellen Bild und der Hintergrundansicht zusammengesetzte Bild mit einem Auge des Benutzers beobachtet wird, und einem zweiten Zustand, in dem das zusammengesetzte Bild mit dem anderen Auge des Benutzers beobachtet wird, vorzunehmen, wobei die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) so angeordnet sind, dass das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, durch die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) in dieser Reihenfolge geht, bevor es das Auge des Benutzers erreicht; wobei die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bildanzeigemittel ungefähr in der Mitte einer Spannweite der am Kopf zu befestigenden Anzeigevorrichtung angeordnet sind, derart, dass sie ungefähr in der Mitte zwischen den Augen des Benutzers positioniert sind; sie ferner Reflexionsmittel (80) umfasst, die eine erste (34) und eine zweite (35) reflektierende Oberfläche aufweisen, die fest sind und das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, in Richtung entsprechender Positionen der vergrößernden optischen Mittel (26) in dem ersten Zustand bzw. dem zweiten Zustand reflektieren; und die Umschaltmittel die Abstrahlungsrichtung umschaltende Mittel umfassen, um die vergrößernden optischen Mittel (26) und die Bildkombinationsmittel (18) zu entsprechenden im Voraus festgelegten stationären Positionen zu bewegen, die dem ersten Zustand bzw. dem zweiten Zustand entsprechen, und um eine Abstrahlungsrichtung des ersten Lichtstrahlenbündels von den Bildanzeigemitteln durch die Bewegung so zu verändern, dass das erste Lichtstrahlenbündel entweder von der ersten reflektierenden Oberfläche (34) oder von der zweiten reflektierenden Oberfläche (35) reflektiert wird.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die die Abstrahlungsrichtung umschaltenden Mittel die Bildanzeigemittel drehen.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner ein teildurchlässiges Element (37) umfassend, das vor dem Auge angeordnet ist, das nicht der Beobachtung des virtuellen Bildes dient; und wobei der Lichtdurchlassgrad des teildurchlässigen Elements (37) in einem Bereich von ungefähr 0,7- bis 1,3-mal dem Lichtdurchlassgrad der Bildkombinationsmittel (18) ist.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Lichtstrahlenbündel polarisiertes Licht ist; die Bildkombinationsmittel einen polarisierenden Strahlteiler (39) umfassen, der sich so verhält, dass er eine polarisierte Lichtkomponente des ersten Lichtstrahlenbündels reflektiert; die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung ferner ein teildurchlässiges Element (40) umfasst, das so angeordnet ist, dass es jenseits des polarisierenden Strahlteilers (39) dem Benutzer gegenüberliegt; und das teildurchlässige Element (40) eine Größe aufweist, die Sichtfelder eines virtuellen Bildes für beide Augen des Benutzers abdeckt, und sich so verhält, dass es nur polarisiertes Licht hindurchlässt, das aus einem Lichtstrahlenbündel von einer Hintergrundansicht stammt und das durch den polarisierenden Strahlteiler (39) gehen kann.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anzeigevorrichtung ferner ein teildurchlässiges Element umfasst, das vor dem Auge angeordnet ist, das nicht dazu dient, das virtuelle Bild zu beobachten; und wobei die Umschaltmittel Mittel umfassen, um das teildurchlässige Element (110) in einer Richtung zu bewegen, die zu den vergrößernden optischen Mitteln (92) entgegengesetzt ist.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach Anspruch 8, wobei die Bildkombinationsmittel (18, 142) und die vergrößernden optischen Mittel (92, 98) so angeordnet sind, dass das erste Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, wenigstens einmal durch die Bildkombinationsmittel (18, 142) und die vergrößernden optischen Mittel (92, 98) in dieser Reihenfolge hindurchgeht, bevor es das Auge des Benutzers erreicht, wobei die vergrößernden optischen Mittel (92, 98) so beschaffen sind, dass sie die Hintergrundansicht nicht vergrößern.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei die vergrößernden optischen Mittel (92) einen Konkavspiegel umfassen; und die Bildkombinationsmittel (18, 142) und die vergrößernden optischen Mittel (92) so angeordnet sind, dass das erste Lichtstrahlenbündel noch einmal durch die Bildkombinationsmittel (18, 142) hindurchgeht, nachdem es von dem Konkavspiegel reflektiert worden ist und bevor es das Auge des Benutzers erreicht.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Konkavspiegel ein konkaver Halbspiegel ist; die Bildkombinationsmittel (18) einen ebenen Halbspiegel umfassen; und der konkave Halbspiegel so angeordnet ist, dass er jenseits des ebenen Halbspiegels dem Benutzer gegenüberliegt.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Konkavspiegel ein konkaver Halbspiegel ist; die Bildkombinationsmittel (18, 142) einen ebenen Halbspiegel umfassen; und der konkave Halbspiegel so angeordnet ist, dass er jenseits des ebenen Halbspiegels den Bildanzeigemitteln gegenüberliegt, so dass das erste Lichtstrahlenbündel, nachdem es von dem konkaven Halbspiegel reflektiert worden ist, von dem ebenen Halbspiegel reflektiert wird, bevor es das Auge des Benutzers erreicht.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Bildkombinationsmittel (142) einen polarisierenden Strahlteiler umfassen, der wenigstens einen Teil des polarisierten Lichts aus dem ersten Lichtstrahlenbündel, das von den Bildanzeigemitteln abgestrahlt wird, hindurchlässt, und wobei die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung ferner umfasst: eine λ/4-Platte (144), die zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem Konkavspiegel eingefügt ist; und ein teildurchlässiges Element (146), das so angeordnet ist, dass es jenseits des polarisierenden Strahlteilers dem Benutzer gegenüberliegt, wobei ein teildurchlässiges Element (146) eine Größe aufweist, die die Sichtfelder eines virtuellen Bildes für beide Augen des Benutzer abdeckt, und sich so verhält, dass es polarisiertes Licht hindurchlässt, das durch den polarisierenden Strahlteiler gehen kann.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung ferner umfasst: ein erstes teildurchlässiges Element (96, 110, 132, 136, 146), das so angeordnet ist, dass es dem Benutzer jenseits der Bildkombinationsmittel gegenüberliegt.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend: ein zweites teildurchlässiges Element (138), das vor dem Auge angeordnet ist, das nicht dazu dient, das virtuelle Bild zu beobachten; wobei das erste teildurchlässige Element (136) einen höheren Lichtdurchlassgrad als das zweite teildurchlässige Element (138) aufweist.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Beziehungen zwischen dem ersten (136) und dem zweiten (138) teildurchlässigen Element und den Augen des Benutzers vertauscht werden können, indem die Konfiguration der Anbringung des ersten (136) und des zweiten (138) Elements an die am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung verändert wird.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Bildkombinationsmittel (18, 142) eine Größe aufweisen, die die Sehfelder der jeweiligen virtuellen Bilder für beide Augen des Benutzers abdeckt; und die Umschaltmittel Mittel zum Verlagern der vergrößernden optischen Mittel (92, 98) umfassen, um dadurch einen Wechsel zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand in der Weise vorzunehmen, dass eine Positionsbeziehung zwischen den Bildanzeigemitteln und den vergrößernden optischen Mitteln (92, 98) in dem ersten Zustand und in dem zweiten Zustand im Wesentlichen unverändert beibehalten wird.
Am Kopf zu befestigende Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Bildkombinationsmittel (18, 142) eine Größe aufweisen, die ein Sehfeld eines virtuellen Bildes für ein Auge des Benutzers abdeckt, jedoch nicht ein Sehfeld eines virtuellen Bildes für das andere Auge abdeckt; und die Umschaltmittel Mittel zum Verlagern der vergrößernden optischen Mittel (92, 98) und den Bildkombinationsmitteln (18, 142) umfassen und dadurch einen Wechsel zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand in der Weise vornehmen, dass Positionsbeziehungen zwischen den Bildanzeigemitteln, den vergrößernden optischen Mitteln (92, 98) und den Bildkombinationsmitteln (18, 142) in dem ersten Zustand und in dem zweiten Zustand im Wesentlichen unverändert beibehalten werden.
Am Kopf zu befestigende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein teildurchlässiges Element (110, 138), das vor dem Auge angeordnet ist, das nicht dazu dient, das virtuelle Bild zu beobachten; wobei das teildurchlässige Element (110, 138) einen Lichtdurchlassgrad aufweist, der im Wesentlichen dem Lichtdurchlassgrad der Bildkombinationsmittel (18, 142) gleich ist.