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Die
vorliegende Erfindung betrifft persönliche Anzeigesysteme und im
Besonderen ein tragbares Anzeigesystem, das ein Anzeigesignal, das
an einem Ort in der Nähe
des Auges eines Benutzers anzuzeigen ist, über eine brillenartige oder
schutzbrillenartige optische Vorrichtung übertragen kann.
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Herkömmliche
optische Anzeigesysteme, die beim Militär, in der Medizin oder zur
persönlichen Unterhaltung
verwendet werden und im Allgemeinen als Datenhelmsysteme (HMD – Head Mounted
Display) bekannt sind, wurden für
Benutzer konstruiert, um Videosignale über eine brillenartige, schutzbrillenartige
oder helmartige tragbare Vorrichtung zu sehen. Diese persönlichen
Anzeigesysteme ermöglichen
Benutzern das Empfangen von Videoinformationen, während sie
sich von einem Ort zu einem anderen bewegen. 1 zeigt
ein Beispiel des Erscheinungsbildes eines Datenhelms. Mit Bezug
auf 1 besteht der Datenhelm aus einer allgemeinen
Brille (100) und einer Bildsteuereinheit (110),
die an der Mitte der Brille (100) angebracht ist. Die Steuereinheit
(110) ist von sperriger, schwerer und unbequemer Erscheinung.
Das große
Volumen und das hohe Gewicht der Bildsteuereinheit (110)
ist auf eine Menge optischer Elemente zurückzuführen, die die Einheit bilden.
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2 zeigt
die Struktur eines allgemeinen Datenhelms. In 2 umfasst
der Datenhelm eine Bildsteuereinheit (200), ein Anzeigefeld
(210) und ein optisches System (220). Die Bildsteuereinheit
(200) speichert ein Signal, das von äußeren Quellen, wie einem Personalcomputer
oder einer Videovorrichtung (nicht gezeigt), empfangen wurde, und
verarbeitet das empfangene Signal, um es auf dem Anzeigefeld (210),
wie einem Flüssigkristallanzeigefeld (LCD-Feld),
anzuzeigen. Das optische System (220) lässt das auf dem Anzeigefeld
(210) angezeigte Signal über ein bildvergrößerndes
optisches System für das
Auge eines Benutzers wie ein entsprechendes virtuelles Bild aussehen.
Der Datenhelm kann des Weiteren andere am Kopf angebrachte Vorrichtungen
oder Kabel zum Empfangen von Signalen von einer äußeren Quelle umfassen.
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3 zeigt
die allgemeine Struktur des optischen Systems (220) des
allgemeinen Datenhelms von 2. Das herkömmliche
optische System (220) besteht aus einer Kollimationslinse
(300), einem X-Prisma (310), Fokussierünsen (320),
Klappspiegeln (330) und Okularlinsen (oder Vergrößerungslinsen)
(340). Die Kollimationslinse (300) kollimiert
das Licht (ein Signal), das von dem Anzeigefeld oder Ähnlichem
ausgesendet wird. Das X-Prisma (310) leitet Licht, das
von der Kollimationslinse (300) empfangen wird, in die
rechte und linke Richtung um. Die Fokussierlinsen (320)
sind getrennt rechts und links des X-Prismas (310) platziert,
um kollimiertes Licht, das von dem X-Prisma (310) umgeleitet
wird, zu fokussieren. Die Klappspiegel (330) reflektieren
das von den Fokussierlinsen (320) fokussierte Licht in Richtung
der Augen eines Benutzers. Die Okularlinsen (oder Vergrößerungslinsen)
(340) ermöglichen, dass
kleine Signale die oben beschriebenen optischen Elemente durchlaufen,
um den Augen eines Benutzers zu erscheinen. Zu dieser Zeit müssen, wenn
das Licht, das sich über
das optische System (220) ausbreitet, polychrom ist, Linsen
zum Entfernen chromatischer Aberration als die Okularlinsen (340)
verwendet werden.
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Bei
einem allgemeinen tragbaren Datenhelm-Anzeigesystem setzt ein optisches
System mehrere genau konstruierte optische Elemente, wie eine Kollimationslinse,
ein X-Prisma, Fokussierlinsen, Klapplinsen, Okularlinsen und Ähnliches,
wie oben beschrieben, ein. Aus diesem Grund ist es schwierig, das
allgemeine tragbare Datenhelm-Anzeigesystem herzustellen, da eine
Menge an Anstrengung und Zeit erforderlich ist. Selbst dann, wenn die
Linsen und Elemente genau konstruiert sind, können zusätzliche Schwierigkeiten bei
dem gemeinsamen Ausrichten der Linsen und Vorrichtungen auftreten.
Darüber
hinaus muss zusätzlich
ein spezielles Okular konstruiert werden, um chromatische Aberration
eines Farbsignals zu entfernen. Daher ist das allgemeine tragbare
Datenhelm-Anzeigesystem kostspielig in der Herstellung. Zusätzlich ist
das herkömmliche
optische System auf Grund der Verwendung einer Vielzahl optischer
Vorrichtungen sperrig und schwer, so dass das Tragen des Datenhelms
für einen
Benutzer unbequem ist.
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JP 2000 056259 A beschreibt
eine kleine und geeignete Bildanzeigevorrichtung, die Bilder mit
einer hohen Bildqualität
anzeigen kann. Die beschriebene Bildanzeigevorrichtung umfasst eine
erste und eine zweite Beugungskomponente, die an der Vorderseite
einer parallelen transparenten Teilgeraden positioniert sind. Die
erste Beugungskompo nente ist ein Übertragungsgitter und die zweite
Beugungskomponente ist ein Reflexionsgitter.
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EP 0 535 402 A beschreibt
eine virtuelle Wellenleiter-Bildanzeige, die eine Bilderzeugungsvorrichtung
umfasst, die ein reelles Bild an einem Einlass eines optischen Wellenleiters
bereitstellt. Das reelle Bild wird in dem optischen Wellenleiter
vielfach reflektiert durch beugende optische Elemente, die das reelle
Bild vergrößern und
filtern und ein virtuelles Bild und eine Schauöffnung herstellen.
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JP 2000 267041 A beschreibt
eine am Kopf angebrachte Farbvideoprojektionsvorrichtung, die eine
erforderliche Klarsicht-Eigenschaft durch Installieren einer Farbfilterfunktion
für ein
optisches Hologramm-Element sicherstellen kann. Die beschriebene
Vorrichtung umfasst Beugungskomponenten eines ersten und eines zweiten
Modus zum Reflektieren von Licht an der inneren Oberfläche einer
transparenten Teilgeraden zu einer Pupille eines Augapfels.
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Zum
Lösen der
vorgenannten Probleme ist es daher die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein verbessertes tragbares Anzeigesystem bereitzustellen,
das einfach herzustellen ist, chromatische Aberration unter Verwendung
von Gittern entfernt und dreidimensionale Bilder verwirklicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die in den Nebenansprüchen definiert
wird. Bevorzugte Ausführungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die oben genannt
werden, werden offensichtlicher durch ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungen
davon unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen:
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1 eine
Außenansicht
eines herkömmlichen
Datenhelms ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines allgemeinen herkömmlichen Datenhelms ist;
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3 eine
schematische Darstellung des optischen Systems in dem allgemeinen
herkömmlichen
Datenhelm von 2 ist;
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4A und 4B tragbare
Anzeigesysteme nach der vorliegenden Erfindung zeigen;
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5 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung des tragbaren Anzeigesystems
nach der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein
Beispiel zum Erläutern
einer konjugierten Beziehung zwischen Gittern darstellt;
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7A ein
Beispiel für
ein Gitter darstellt;
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7B und 7C ein
Gitter des Übertragungstyps
bzw. ein Gitter des Reflexionstyps darstellen;
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8A bis 8H verschiedene
mögliche Ausführungen
eines tragbaren Anzeigesystems der vorliegenden Erfindung nach den
Gittertypen und der Anordnung von Gittern an einem Wellenleiter
zeigen;
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9 eine
andere bevorzugte Ausführung eines
tragbaren Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10A und 10B andere
bevorzugte Ausführungen
eines tragbaren Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung zeigen,
bei denen Anzeigefelder an beiden Seiten eines Wellenleiters angebracht
sind;
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11 ein
tragbares Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung zeigt, das
einen Blendenverschluss zum Verwirklichen eines dreidimensionalen
Bildes übernimmt;
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12A und 12B eine
Anwendung zum Steuern eines Augenabstands bei einem tragbaren Anzeigesystem
nach der vorliegenden Erfindung darstellen;
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13 ein
Vergleichsbeispiel für
ein tragbares Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung mit
einer monokularen Struktur zeigt;
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14A bis 14H verschiedene
Vergleichsbeispiele für
ein tragbares Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung mit
einer monokularen Struktur zeigen, die von den Gittertypen und der Anordnung
von Gittern an einem Wellenleiter abhängen;
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15A und 15B andere
Ausführungen eines
tragbaren Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung mit einer
monokularen Struktur zeigen;
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16A und 16B Möglichkeiten
darstellen, bei denen chromatische Aberration durch Gitter, die
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, entfernt wird;
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17A bis 17C für die vorliegende
Erfindung geeignete Gitter zeigen; und
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18A bis 18E Beispiele
für verschiedene
Okularlinsen darstellen.
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Hier
im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen ausführlich
beschrieben.
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Die 4A und 4B sind
eine Ansicht der Vorderseite bzw. des oberen Teils eines tragbaren
Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung. In den 4A und 4B besitzt
das tragbare Anzeigesystem eine einfache Struktur, wobei eine Linse
(400) und ein Anzeigefeld (410) miteinander kombiniert
sind. Das tragbare Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung
besitzt auf Grund der Verwendung von Gittern und einer Vergrößerungslinse im
Vergleich zu der herkömmliche
Technik eine dünne,
leichte und kleine Struktur. Daher ist das tragbare Anzeigesystems
nach der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu bestehenden sperrigen
und schweren Datenhelmen einfach und bequem wie eine Brille zu tragen.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein tragbares Anzeigesystem
mit einer Modulstruktur bereit, bei der das Modul an herkömmlichen
Brillen angebracht werden kann und von diesen abgenommen werden
kann. Das Äußere des
tragbaren Anzeigesystems, das in den 4A und 4B dargestellt
wird, ist le diglich ein Beispiel und es kann eine Vielfalt von dünnen, leichten
und kleinen tragbaren Anzeigesystemen mit unterschiedlichen Außenseiten verwirklicht
werden.
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Ein
tragbares Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung wird als
binokularer Typ hergestellt. Ein binokularer Typ ist dazu konstruiert,
dass ein Benutzer ein Anzeigebild unter Verwendung seiner beiden
Augen betrachtet, während
ein monokularer Typ einem Benutzer gestattet, ein Anzeigebild unter
Verwendung lediglich eines seiner Augen zu betrachten. Bei einem
binokularen Typ kann eine dreidimensionale Bildanzeige (3D-Bildanzeige) erreicht werden,
die später
ausführlich
beschrieben wird.
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Zuerst
wird nun ein binokulares Anzeigesystem beschrieben.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung eines
tragbaren Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung. Das tragbare
Anzeigesystem umfasst ein Anzeigefeld (500), einen Wellenleiter
(510), ein erstes, ein zweites und ein drittes Gitter (520, 522 und 524)
und Vergrößerungslinsen
(530 und 532). Das Anzeigefeld (500)
gibt ein Signal aus, das von einer vorgegebenen Signalquelle (nicht
gezeigt) über
Draht oder Funk (nicht gezeigt) empfangen wurde. Der Wellenleiter (510)
leitet die Ausbreitung von Licht, das von dem Anzeigefeld (500)
ausgesendet wird. Das erste, zweite und dritte Gitter (520, 522 und 524)
beugen das Licht, das den Wellenleiter durchläuft, so dass sich das Licht
abschließend
in Richtung der Augen eines Benutzers bewegen kann. Die Vergrößerungslinsen
(530 und 532) ermöglichen dem Benutzer, ein vergrößertes Bild
zu sehen, indem das Licht, das aus dem Wellenleiter (510)
herauskommt und sich in Richtung der Augen des Benutzers bewegt,
vergrößert wird.
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In
5 beugt,
wenn Licht, das von dem Anzeigefeld (
500) ausgesendet wird,
in einem vorgegebenen Winkel auf den Wellenleiter (
510)
auftrifft, das erste Gitter (
520), das gegenüber dem
Anzeigefeld (
500) an dem Bereich des Wellenleiters, in
dem Licht zuerst auftrifft, installiert ist, das einfallende Licht
entlang dem Wellenleiter (
510) in beide Richtungen, so dass
das einfallende Licht einen Gesamt-Innenreflexionswinkel 2 in dem
Wellenleiter (
510) aufweist. Der Gesamt-Innenreflexionswinkel
wird mit der Gleichung (1) berechnet:
wobei die Ziffer 1 der Brechungsindex
von Luft ist und n der Brechungsindex des Materials des Wellenleiters
(
510) ist.
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Der
Weg von Licht, das sich in dem Wellenleiter bewegt, muss kürzer sein
als die Brennweite f der Vergrößerungslinsen
(530 und 532), die vor den Augen des Benutzers
installiert sind. Wenn zum Beispiel t die Dicke des Wellenleiters
(510) ist, muss nxt kürzer
als die Brennweite f sein. Die Größe des Anzeigefelds (500)
und die Fokalweite und Größe der Vergrößerungslinsen
(530 und 532) müssen jedoch nach der gewünschten
Größe eines
vergrößerten Bildes
unter Berücksichtigung
des Zweckes des tragbaren Anzeigesystems (NED) ausgewählt werden. Dann
wird die gesamte Struktur des Wellenleiters konstruiert und der
Typ und die Dicke davon und die Anzahl der Male, bei denen Reflexion
auftritt, werden auf Basis dieser Berücksichtigung bestimmt. Das erste
Gitter (520) und das zweite Gitter (522) bzw. das
erste Gitter (520) und das dritte Gitter (524)
weisen eine konjugierte Beziehung auf. Das heißt, dass das zweite und das
dritte Gitter (522 und 524) einfallendes Licht
in demselben vorgegebenen Winkel beugen, in dem Licht auf das erste
Gitter (520) auftrifft, wobei vorausgesetzt wird, dass
der Winkel, in dem Licht auf jedes des zweiten und des dritten Gitters
(522 und 524) auftrifft, derselbe ist wie der
Winkel, in dem Licht durch das erste Gitter (520) gebeugt wird.
Zu diesem Zeitpunkt ist das zweite Gitter (522) das Gleiche
wie das dritte Gitter (524). Bei der Ausführung, die 5 betrifft,
wird ein tragbares Anzeigesystem mit einem Anzeigefeld und drei
Gittern beschrieben, wobei jedoch die Anzahlen von Gittern und Anzeigefeldern
bei der vorliegenden Erfindung nicht begrenzt sind.
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6 zeigt
ein Beispiel der konjugierten Beziehung zwischen den oben beschriebenen
Gittern. Das erste und das zweite Gitter (600 und 610)
müssen
denselben Gitterraum d aufweisen und müssen parallel zu dem Wellenleiter
positioniert sein.
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7A stellt
ein Beispiel des Beugungsprinzip eines Gitters dar. Unter der Voraussetzung,
dass ein Einfallswinkel θ
i ist, ein Beugungswinkel θ
d ist und ein Abstand eines Gitters d ist,
ergibt sich die folgende Gleichung (2):
wobei m die Gitterordnung
ist und λ die
Wellenlänge einfallenden
Lichts ist. Ein Beugungswinkel kann durch Verändern der Form und der Eigenschaften
eines Gitters gesteuert werden. Zu diesem Zeitpunkt muss, wenn sich
von einem Gitter gebeugtes Licht in den Wellenleiter hinein ausbreitet,
der Beugungswinkel von Licht die Bedingung des Gesamt-Innenreflexionswinkels
erfüllen.
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Die 7B und 7C stellen
ein Gitter des Übertragungstyps
bzw. ein Gitter des Reflexionstyps dar. Das Gitter des Übertragungstyps
in 7B beugt einfallendes Licht um θ und überträgt es in
beide Richtungen. Zum Beispiel ist Licht, das in die linke Richtung
gebeugt wird, +1 und Licht, das in die rechte Richtung gebeugt wird,
ist –1.
Das Vorzeichen bezeichnet die linke/rechte Richtung und ,1' zeigt an, dass die
Gitterordnung ,1' ist.
Das Gitter des Reflexionstyps in 7C reflektiert
einfallendes Licht um θ in
beide Richtungen.
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8A zeigt
die Struktur eines tragbaren Anzeigesystems mit einem Wellenleiter,
an dem ein Anzeigefeld (802) und ein erstes, zweites und
drittes Gitter (804) entgegen der Richtung der Augen eines Benutzers
positioniert sind. Licht, das von dem Anzeigefeld (802)
in einem vorgegebenen Winkel ausgesendet wird, wird gebeugt und über das
erste Gitter (804) in die beiden Richtungen des Wellenleiters übertragen
und trifft in demselben Einfallswinkel wie der Beugungswinkel des
ersten Gitters (804) auf das zweite Gitter (806)
bzw. das dritte Gitter (808) auf, die eine konjugierte
Beziehung zu dem ersten Gitter (804) aufweisen. Das Licht,
das auf das zweite und das dritte Gitter (806 und 808)
auftrifft, wird in demselben Winkel wie der Einfallswinkel an dem
ersten Gitter (804) reflektiert und bewegt sich in Richtung der
Augen des Benutzers. Vergrößerungslinsen
sind an der linken und der rechten Fläche der Wellenleiter (800)
dort, wo das reflektierte Licht hinreicht, installiert und der Benutzer
kann über
die Vergrößerungslinsen
ein vergrößertes Signal
betrachten. Bei dieser Ausführung
ist festzustellen, dass das erste Gitter (804) ein Übertragungstyp
ist und das zweite und das dritte Gitter (806 und 808)
ein Reflexionstyp sind.
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8B zeigt
ein tragbares Anzeigesystem, bei dem das Anzeigefeld (812)
in der entgegengesetzten Richtung der Augen eines Benutzers installiert
ist und ein erstes, ein zweites und ein drittes Gitter (814, 816 und 818)
an der Seite des Wellenleiters angeordnet sind, über die ein Signal zu den Augen des
Benutzers übertragen
wird. Licht, das über
den Wellenleiter (810) auf das erste Gitter (814)
in dem Wellenleiter auftrifft, wird in einem vorgegebenen Winkel
in beide Richtungen reflektiert. Das reflektierte Licht breitet
sich in dem Wellenleiter (810) aus und trifft in demselben
Winkel wie der vorgegebene Winkel, in dem Licht von dem ersten Gitter
(814) gebeugt wird, auf das zweite und das dritte Gitter
(816 und 818) auf, die eine konjugierte Beziehung
zu dem ersten Gitter (814) aufweisen. Das einfallende Licht
wird von dem zweiten und dem dritten Gitter (816 und 818)
in demselben Winkel wie ein vorgegebener Einfallswinkel bei dem
ersten Gitter (814) übertragen und
bewegt sich in Richtung der Augen des Benutzers. Vorgegebene Vergrößerungslinsen
sind an dem zweiten und dem dritten Gitter (816 und 818)
angebracht und vergrößern ein übertragenes
Signal. Bei dieser Ausführung
ist das erste Gitter (814) ein Reflexionstyp und das zweite
und das dritte Gitter (816 und 818) sind ein Übertragungstyp.
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8C zeigt
die Struktur eines tragbaren Anzeigesystems, bei dem das Anzeigefeld
(822) in der Richtung der Augen eines Benutzers installiert
ist und ein erstes, ein zweites und ein drittes Gitter (824, 826 und 828)
an der Seite des Wellenleiters gegenüber der Seite, über die
ein Signal zu den Augen des Benutzers übertragen wird, installiert
sind. Licht, das in einem vorgegebenen Einfallswinkel von dem Anzeigefeld
(822) über
den Wellenleiter (820) auf das erste Gitter (814)
auftrifft, wird in einem vorgegebenen Reflexionswinkel bei dem ersten
Gitter (824) in beide Richtungen reflektiert. Das reflektierte
Licht breitet sich in die beiden Richtungen des Wellenleiters (820)
aus und trifft in demselben Winkel wie der Reflexionswinkel des
ersten Gitters (824) auf das zweite und das dritte Gitter
(826 und 828) auf, die eine konjugierte Beziehung
zu dem ersten Gitter (824) aufweisen. Das Licht, das auf
das zweite und das dritte Gitter (826 und 828)
auftrifft, wird in demselben Winkel wie der Einfallswinkel bei dem
ersten Gitter (824) reflektiert und breitet sich in Richtung
der Augen des Benutzers aus. Auf beiden Flächen des Wellenleiters (820)
sind dort, wo das reflektierte Licht hinreicht, Vergrößerungslinsen
installiert, so dass ein Benutzer ein vergrößertes Signal betrachten kann. Bei
dieser Ausführung
sind das erste, das zweite und das dritte Gitter allesamt Reflexionstypen.
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8D zeigt
die Struktur eines tragbaren Anzeigesystems mit einem Anzeigefeld
(832) und einem ersten, einem zweiten und einem dritten
Gitter (834, 836 und 838) an einem Wellenleiter
(830) in der Richtung der Augen eines Benutzers. Das Licht
eines Signals, das in einem vorgegebenen Einfallswinkel von dem
Anzeigefeld (832) auf das erste Gitter (814) auftrifft,
wird in einem vorgegebenen Übertragungswinkel
in beide Richtungen in dem Wellenleiter (830) übertragen.
Das übertragene
Licht breitet sich in dem Wellenleiter (830) aus und trifft
dann in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel bei dem ersten Gitter
(834) auf das zweite und das dritte Gitter (836 und 838)
auf, die konjugierte Punkte des ersten Gitters (834) sind.
Das einfallende Licht wird in demselben Winkel wie der vorgegebene
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (934) über die
Flächen
des zweiten und des dritten Gitters (836 und 838) übertragen
und breitet sich in Richtung der Augen des Benutzers aus. Vergrößerungslinsen,
die an dem zweiten und dem dritten Gitter (836 und 828)
angebracht sind, vergrößern ein
zu übertragendes
Signal. Bei dieser Ausführung
sind das erste, das zweite und das dritte Gitter (834, 836 und 838)
allesamt Übertragungstypen.
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8E stellt
die Struktur eines tragbaren Anzeigesystems dar, bei dem ein Anzeigefeld
(842) und ein zweites und ein drittes Gitter (846 und 848)
in der entgegengesetzten Richtung der Augen eines Benutzers platziert
sind und ein erstes Gitter (844) an der Seite des Wellenleiters
positioniert ist, über
die ein Signal zu den Augen des Benutzers übertragen wird. Licht, das
von dem Anzeigefeld (842) erzeugt wird und über den
Wellenleiter (840) in einem vorgegebenen Einfallswinkel
auf das erste Gitter (844) auftrifft, wird von dem ersten
Gitter (844) in einem vorgegebenen Reflexionswinkel in
beide Richtungen reflektiert. Das reflektierte Licht breitet sich
in die linke/rechte Richtung des Wellenleiters (840) aus
und trifft dann in demselben Winkel wie der Reflexionswinkel bei
dem ersten Gitter (844) auf das zweite und das dritte Gitter (846 und 848)
auf, die konjugierte Punkte des ersten Gitters (844) sind.
Das einfallende Licht wird von dem zweiten und dem dritten Gitter
(846 und 848) in demselben Winkel wie ein vorgegebener
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (844) reflektiert
und breitet sich dann in Richtung der Augen des Benutzers aus. Vergrößerungslinsen,
die an beiden Flächen
des Wellenleiters (840) dort, wo das reflektierte Licht
hinreicht, angebracht sind, ermöglichen
einem Benutzer das Betrachten eines vergrößerten Signals. Bei dieser Ausführung sind
das erste, das zweite und das dritte Gitter allesamt Reflexionstypen.
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8F zeigt
ein tragbares Anzeigesystem, bei dem ein Anzeigefeld (852)
und ein erstes Gitter (854) in der entgegengesetzten Richtung
der Augen eines Benutzers platziert sind und ein zweites und ein drittes
Gitter (856 und 858) an der Seite des Wellenleiters
angeordnet sind, über
die ein Signal zu den Augen des Benutzers übertragen wird. Das Licht eines
Signals, das von dem Anzeigefeld (852) auf das erste Gitter
(854) auftrifft, wird in einem vorgegebenen Übertragungswinkel
in die beiden Richtungen des Wellenleiters (850) übertragen.
Das übertragene Licht
breitet sich in dem Wellenleiter (850) aus und trifft dann
in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel
bei dem ersten Gitter (854) auf das zweite und das dritte
Gitter (856 und 858) auf, die konjugierte Punkte
des ersten Gitters (854) sind. Das einfallende Licht wird
in demselben Winkel wie ein vorgegebener Einfallswinkel bei dem
ersten Gitter über
die Flächen
des zweiten und des dritten Gitters (856 und 858) übertragen
und breitet sich dann in Richtung der Augen des Benutzers aus. Vorgegebene
Vergrößerungslinsen
sind an dem zweiten und dem dritten Gitter (856, 858)
angebracht und vergrößern ein übertragenes
Signal. Bei dieser Ausführung sind
das erste, das zweite und das dritte Gitter (854, 856 und 858)
allesamt Übertragungstypen.
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8G zeigt
ein tragbares Anzeigesystem, bei dem ein Anzeigefeld (862)
und ein zweites und ein drittes Gitter (866 und 868)
in der Richtung der Augen eines Benutzers platziert sind und ein
erstes Gitter (864) an der Seite des Wellenleiters gegenüber der
Seite, über
die ein Signal zu den Augen des Benutzers übertragen wird, platziert ist.
Das Licht, das von dem Anzeigefeld (862) ausgesendet wird,
trifft über
den Wellenleiter (860) auf das erste Gitter (864) in
dem Wellenleiter (860) auf und wird in einem vorgegebenen
Winkel in die beiden Richtungen des Wellenleiters reflektiert. Das
reflektierte Licht breitet sich in dem Wellenleiter (860)
aus und trifft in demselben Einfallswinkel wie der Reflexionswinkel
bei dem ersten Gitter (864) auf das zweite und das dritte
Gitter (866 und 868) auf, die konjugierte Punkte
des ersten Gitters (864) sind. Das einfallende Licht wird
in demselben Winkel wie ein vorgegebener Einfallswinkel bei dem
ersten Gitter (864) über
das zweite und das dritte Gitter (866 und 868) übertragen
und bewegt sich in Richtung der Augen des Benutzers. Eine vorgegebene
Vergrößerungslinse,
die an dem zweiten und dem dritten Gitter (866 und 868)
angebracht ist, vergrößert ein
durchgedrungenes Signal. Bei dieser Ausführung ist das erste Gitter
(864) ein Reflexionstyp und das zweite und das dritte Gitter
(866 und 868) sind Übertragungstypen.
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8H zeigt
ein tragbares Anzeigesystem, bei dem ein Anzeigefeld (872)
und ein erstes Gitter (874) in der Richtung der Augen des
Benutzers platziert sind und ein zweites und ein drittes Gitter
(876, 878) an der Seite des Wellenleiters gegenüber der Seite, über die
ein Signal zu den Augen des Benutzers übertragen wird, platziert sind.
Das Licht, das von dem Anzeigefeld (872) ausgesendet wird,
trifft in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das erste Gitter
(864) auf und wird dann über das erste Gitter (874)
in einem vorgegebenen Übertragungswinkel
in beide Richtungen des Wellenleiters (870) übertragen.
Das Licht, das in dem Wellenleiter (870) übertragen
wird, breitet sich in die linke und die rechte Richtung des Wellenleiters
(870) aus und trifft dann in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel
bei dem ersten Gitter (874) auf das zweite und das dritte Gitter
(876 und 878) auf, die konjugierte Punkte des ersten
Gitters (874) sind. Das Licht, das auf das zweite und das
dritte Gitter (876 und 878) auftrifft, wird in demselben
Winkel wie der Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (874)
reflektiert und breitet sich in Richtung der Augen des Benutzers
aus. Vergrößerungslinsen
sind an der linken und der rechten Seite des Wellenleiters dort,
wo das reflektierte Licht hinreicht, angebracht und ermöglichen
einem Benutzer das Betrachten eines vergrößerten Signals. Bei dieser Ausführung ist
das erste Gitter (874) ein Übertragungstyp und das zweite
und das dritte Gitter (854 und 856) sind Reflexionstypen.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist festzustellen, dass verschiedene Typen
tragbarer Anzeigesysteme in Abhängigkeit
von der Anordnung eines Anzeigefelds und von Gittern an einem Wellenleiter
verwirklicht werden können.
Bei der Ausführung,
die in 8A, 8B, 8E und 8F gezeigt
wird, ist zu bevorzugen, dass sich ein Anzeigefeld an der Seite
des Wellenleiters gegenüber
der Seite, über
die ein Signal zu den Augen eines Benutzers übertragen wird, befindet.
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9 stellt
eine andere Ausführung
eines tragbaren Anzeigesystems nach der vorliegenden Erfindung dar,
das zwei Anzeigefelder übernimmt. Anhand
der Struktur dieses Systems ist festzustellen, dass Anzeigefelder
(920 und 922) an den unteren Teilen in der linken
und der rechten Richtung eines Wellenleiters, nicht in der Mitte
davon, platziert sind. Erste Gitter (926 und 928)
sind parallel zu den Anzeigefeldern (920 bzw. 922)
installiert. Zweite Gitter (930 und 932), die
konjugierte Punkte der ersten Gitter (926 und 928)
sind, sind in der entgegengesetzten Richtung der Augen eines Benutzers
in der Nähe
der Mitte des Wellenleiters (924) platziert. Licht eines
Signals, das von den Anzei gefeldern (920 und 922) ausgesendet
wird, wird über
die ersten Gitter (926 und 928) in einem vorgegebenen Übertragungswinkel
in dem Wellenleiter übertragen
und das übertragene
Licht trifft in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel auf die zweiten
Gitter (930 und 932) auf. Licht, das auf die zweiten
Gitter (930 und 932) auftrifft, wird in demselben
Winkel wie der Einfallswinkel bei den ersten Gittern an dem Wellenleiter
(924) reflektiert und ermöglicht, dass sich das reflektierte Licht
in Richtung der Augen des Benutzers bewegt. Vergrößerungslinsen
(nicht gezeigt) sind an der Fläche
des Wellenleiters dort, wo das reflektierte Licht hinreicht, platziert
und vergrößern ein
Bild. Bei dieser Ausführung
sind die ersten Gitter (926 und 928) Übertragungstypen
und die zweiten Gitter (930 und 932) sind Reflexionstypen.
Eine Vielfalt von Strukturen tragbarer Anzeigesysteme kann durch
unterschiedliche Kombinationen der in 9 beinhalteten Bestandteile
erzeugt werden, da tragbare Anzeigesysteme diverser Strukturen durch
verschiedene Kombinationen der Typen und Anordnungen von Gittern
und der Positionen von Anzeigefeldern in den 8A bis 8H hergestellt
werden. 8 und 9 zeigen
Kombinationen von einem oder zwei Anzeigefeldern und einer vorgegebenen
Anzahl von Gittern, die für
Anzeigefelder adäquat
sind, wobei jedoch die Anzahlen von Anzeigefeldern und Gittern in Abhängigkeit
von der Konstruktion erhöht
werden können.
In diesem Fall können
zahlreiche unterschiedliche Strukturen tragbarer Anzeigesysteme durch
verschiedene Kombinationen der Typen und Positionen von Gittern
und der Position von Anzeigefeldern, wie in den 8A bis 8H gezeigt,
abgeleitet werden.
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10A zeigt eine Ausführung eines tragbaren Anzeigesystems,
bei dem Anzeigefelder an den beiden Enden eines Wellenleiters montiert
sind. Bei dieser Struktur sind Anzeigefelder (1000 und 1002) an
gegenüberliegenden
Enden eines Wellenleiters (1004), nicht an den Seiten davon,
platziert. Erste Gitter (1006 und 1008) sind parallel
zu den Anzeigefeldern (1000 und 1002) installiert.
Zweite Gitter (1010 und 1012), die in den konjugierten
Punkten der ersten Gitter liegen, sind in der entgegengesetzten Richtung
der Augen eines Benutzers in der Nähe der Mitte des Wellenleiters
(1004) platziert. Licht eines Signals, das von den Anzeigefeldern
(1006 und 1008) ausgesendet wird, wird über die
ersten Gitter (1006 und 1008) in den Wellenleiter
(1004) hinein übertragen
und das übertragene
Licht trifft in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel auf die zweiten
Gitter (1010 und 1012) auf. Das Licht, das auf
die zweiten Gitter (1010 und 1012) auftrifft,
wird in demselben Winkel wie der Einfallswinkel bei den ersten Gittern
reflektiert und ermöglicht,
dass sich das reflektierte Licht zu den Augen des Benutzers hin bewegt.
Auf der Oberfläche
des Wellenleiters sind dort, wo das reflektierte Licht hinreicht,
Vergrößerungslinsen
(nicht gezeigt) zum Vergrößern eines
Bildes platziert. Bei dieser Ausführung sind die ersten Gitter (1006 und 1008) Übertragungstypen
und die zweiten Gitter (1010 und 1012) sind Reflexionstypen.
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10B ist eine andere Ausführung des tragbaren Anzeigesystems,
das in 10A dargestellt wird, d. h.
die Struktur ist dieselbe, aber die Gittertypen sind unterschiedlich.
Wie in 10A sind Anzeigefelder (1020 und 1022)
an den beiden Seiten eines Wellenleiters, nicht an den Seiten davon,
platziert und erste Gitter (1026 und 1028) sind
parallel zu den Anzeigefeldern (1020 und 1022)
installiert. Zweite Gitter (1030 und 1032), die
konjugierte Punkte der ersten Gitter (1026 und 1028)
sind, sind in der Richtung der Augen eines Benutzers in der Nähe der Mitte
des Wellenleiters (1024) platziert. Licht, das von den
Anzeigefeldern (1020 und 1022) ausgesendet wird,
wird in einem vorgegebenen Winkel durch die ersten Gitter (1026 und 1028)
in den Wellenleiter (1024) hinein übertragen und das übertragene
Licht trifft in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel bei den ersten
Gittern (1026 und 1028) auf die zweiten Gitter
(1030 und 1032) auf. Das Licht, das auf die zweiten
Gitter (1030 und 1032) auftrifft, wird in demselben
Winkel wie der Einfallswinkel bei den ersten Gittern übertragen
und bewegt sich in Richtung der Augen des Benutzers. Das übertragene
Licht wird durch Vergrößerungslinsen
(nicht gezeigt), die an den Außenseiten
der zweiten Gitter (1030 und 1032) angebracht
sind, vergrößert. Bei
dieser Ausführung
sind die ersten Gitter (1026 und 1028) und die
zweiten Gitter (1030 und 1032) allesamt Übertragungstypen.
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11 stellt
ein tragbares Anzeigesystem nach der vorliegenden Erfindung dar,
das einen Blendenverschluss zum Verwirklichen eines dreidimensionalen
Bildes übernimmt.
Das Beispiel von 11 ist ein Beispiel für ein verwirklichtes
dreidimensionales Bild, das mit 8E zusammenhängt. Ein
Blendenverschluss kann auf alle der tragbaren Anzeigesysteme mit
den oben beschriebenen Strukturen angewendet werden. Blendenverschlüsse (1100 und 1110)
zum Sperren von Licht, das sich in beide Richtungen eines Wellenleiters
ausbreitet, werden wechselweise zu unterschiedlichen Zeiten geöffnet und geschlossen,
so dass dasselbe Bild jedes Auge eines Benutzers zu einer unterschiedlichen
Zeit erreicht, wodurch eine Wirkung verursacht wird, dass ein Bild dreidimensional
aussieht. Auch wenn dies in 11 nicht
gezeigt wird, kann das tragbare Anzeigesys tem mit einem Blendenverschluss
auf lediglich einer Seite der rechten und der linken Seite dieselben
dreidimensionalen Wirkungen erzeugen.
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Wie
oben beschrieben wird, wird ein dreidimensionales Bild verwirklicht,
wenn dasselbe Bild die Augen eines Benutzers mit einem Zeitunterschied
erreicht. Wenn Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes als
linke und rechte Wellenleiter verwendet werden, bei denen sich Licht
ausbreitet, wird die Netzebene linker und rechter Gitter unterschiedlich
beabstandet oder die Anzahl linker und rechter Gitter wird unterschiedlich
festgelegt, wobei linke und rechte Beugungswinkel zueinander unterschiedlich werden,
so dass sich die Ausbreitungsdistanz von Licht ändert. Als Folge tritt ein
Zeitunterschied bei dem Endsignal auf, das in die Augen des Benutzers eintritt,
wodurch die Wirkung eines dreidimensionalen Bildes erreicht werden
kann. Bei Verwendung eines Wellenleiters mit unterschiedlichen Medien
auf seiner rechten und linken Seite müssen die zweiten und dritten
Gitter unter Berücksichtigung
des Beugungswinkels von Licht konstruiert werden, das auf die ersten
Gitter auftrifft, die je nach Medientyp eines Wellenleiters auf
der rechten und der linken Seite unterschiedlich sind. Des Weiteren
muss der Beugungswinkel beim Konstruieren von Gittern berücksichtigt
werden, wenn die Anzahl linker und rechter Gitter unterschiedlich
festgelegt ist. Zu diesem Zeitpunkt muss ein Wellenleitermedium
ausgewählt
werden und Gitter müssen
unter der Annahme konstruiert werden, dass der Beugungswinkel hergestellt wird,
wenn die Gesamt-Innenreflexion eintritt. Eine andere Möglichkeit
zum Erreichen eines dreidimensionalen Bildes besteht darin, dasselbe
Signal die Augen des Benutzers unter Verwendung von zwei Anzeigefeldern
mit einem vorgegebenen Zeitunterschied erreichen zu lassen.
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12A zeigt ein Beispiel für ein tragbares Anzeigesystem
nach der vorliegenden Erfindung, das einen Augenabstand steuern
kann. Der Augenabstand der meisten erwachsenen Männer und Frauen liegt in dem
Bereich von 50 mm bis 74 mm. Wenn ein Benutzer ein tragbares Anzeigesystem
trägt,
das für
einen unterschiedlichen Augenabstand unterschiedlich konstruiert
ist, sehen das linke und das rechte Bild unterschiedlich aus und überlappen
einander, und als Folge erhöht
sich die Augenermüdung im
Vergleich zu dem Fall des Tragens eines tragbaren Anzeigesystems,
das zu dem Augenabstand des Benutzers passt. Daher können zum
Einstellen des Augenabstands, um ein Bild klar erscheinen zu lassen,
Vergrößerungslinsen
(1200 und 1210) eines tragbaren Anzeigesystems
zu Positionen entsprechend den Pupillen der Augen bewegt werden.
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12B stellt ein Beispiel für ein tragbares Anzeigesystem
dar, das einen Wellenleiter (1230) mit einem Sägezahnteil
und Sägezahn-Vergrößerungslinsen
(1200 und 1210), die mit dem Wellenleiter (1230)
kombiniert oder von diesem getrennt sein können, umfasst und einem Benutzer
ermöglicht,
die Vergrößerungslinsen
(1200 und 1210) eine vorgegebene Distanz entlang
dem Wellenleiter (1230) zu bewegen. Hier muss die Breite
der Vergrößerungslinsen
(1200 und 1210) enger sein als diejenige eines Gitters
zum Beugen eines Signals und des Weiteren dürfen die Vergrößerungslinsen
(1200 und 1210) lediglich innerhalb einer Distanz,
die die gleiche wie die Breite eines Gitters ist, beweglich sein.
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13 ist
ein Vergleichsbeispiel für
ein tragbares Anzeigesystem mit einer monokularen Struktur. Das
monokulare tragbare Anzeigesystem nutzt dieselbe Struktur und dieselben
Prinzipien wie das binokulare Anzeigesystem von 5,
außer
dass es einem Benutzer ermöglicht,
ein Bild mit lediglich einem Auge zu betrachten. Das monokulare
Anzeigesystem umfasst ein Anzeigefeld (1300), einen Wellenleiter
(1310), ein erstes Gitter (1320), ein zweites Gitter
(1330) und ein Okular (1340). Das Anzeigefeld (1300)
gibt ein Signal aus, das von einer vorgegebenen Signalquelle (nicht
gezeigt) über
einen Draht oder Funk empfangen wurde. Der Wellenleiter (1310) ermöglicht einem
Signal, das von dem Anzeigefeld (1300) ausgesendet wurde,
sich in eine Richtung auszubreiten.
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Das
erste und das zweite Gitter (1320 und 1330) beugen
ein Signal, das den Wellenleiter (1310) durchläuft, und
ermöglichen
dem Signal abschließend,
sich in Richtung der Augen des Benutzers zu bewegen. Hier sind das
erste Gitter (1320) und das zweite Gitter (1330)
konjugierte Punkte, wie oben beschrieben, was bedeutet, dass, wenn
Licht, das in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das erste Gitter
(1320) auftrifft, in einem vorgegebenen Winkel gebeugt
wird, sich das Licht über
den Wellenleiter (1310) ausbreitet, in demselben Winkel
wie der Beugungswinkel bei dem ersten Gitter (1320) auf
das zweite Gitter (1322) auftrifft und in demselben Winkel wie
der vorgegebene Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1320)
gebeugt wird. Die Vergrößerungslinse (1340)
vergrößert ein
Signal, das von dem Wellenleiter (1310) ausgesendet wird,
so dass das Signal dem Benutzer größer erscheint.
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Die 14A bis 14H stellen
verschiedene mögliche
Vergleichsbeispiele für
ein monokulares tragbares Anzeigesystem in Abhängigkeit von dem Typ eines
Gitters und dessen Anordnung an einem Wellenleiter dar.
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14A zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1402) und ein
erstes und ein zweites Gitter (1404 und 1406)
an einem Wellenleiter (1400) in der entgegengesetzten Richtung
des Auges eines Benutzers platziert sind. Licht, das von dem Anzeigefeld ausgesendet
wird, trifft in einem vorgegebenen Winkel auf das erste Gitter (1402)
auf und wird dann über das
erste Gitter (1404) in die linke Richtung in dem Wellenleiter übertragen
und trifft dann in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel bei dem ersten Gitter
(1404) auf das zweite Gitter (1406) auf, das der konjugierte
Punkt des ersten Gitters (1404) ist. Licht, das auf das
zweite Gitter (1406) auftrifft, wird in demselben Winkel
wie der Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1404) reflektiert
und bewegt sich in Richtung des Auges eines Benutzers. Auf der Oberfläche des Wellenleiters
(1400) ist dort, wo das Licht hinreicht, eine Vergrößerungslinse
installiert und ermöglicht
einem Benutzer das Betrachten eines vergrößerten Signals.
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Bei
diesem Beispiel ist das erste Gitter (1404) ein Übertragungstyp
und das zweite Gitter (1406) ist ein Reflexionstyp.
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14B zeigt ein monokulares tragbares Anzeigesystem,
bei dem ein Anzeigefeld (1412) in der entgegengesetzten
Richtung des Auges eines Benutzers platziert ist und ein erstes
und ein zweites Gitter (1414 und 1416) an der
Seite eines Wellenleiters (1410), über die ein Signal zu dem Auge
des Benutzers übertragen
wird, installiert sind. Licht, das in einem vorgegebenen Einfallswinkel
auf das erste Gitter (1414) in dem Wellenleiter (1410)
auftrifft, wird in einem vorgegebenen Reflexionswinkel zu der linken Richtung
des Wellenleiters hin reflektiert. Das reflektierte Licht breitet
sich in dem Wellenleiter (1410) aus und trifft in demselben
Winkel wie der Reflexionswinkel bei dem ersten Gitter (1414)
auf das zweite Gitter (1416) auf, das der konjugierte Punkt
des ersten Gitters (1414) ist. Das einfallende Licht wird
in demselben Winkel wie der vorgegebene Einfallswinkel bei dem ersten
Gitter aus dem zweiten Gitter (1416) heraus übertragen
und bewegt sich in Richtung des Auges des Benutzers. Eine vorgegebene
Vergrößerungslinse
ist an dem zweiten Gitter (1416) angebracht und vergrößert ein
zu übertragendes
Signal. Bei diesem Beispiel ist das erste Gitter (1414)
ein Reflexionstyp und das zweite Gitter (1416) ist ein Übertragungstyp.
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14C zeigt ein monokulares tragbares Anzeigesystem,
bei dem ein Anzeigefeld (1422) in der Richtung des Auges
eines Benutzers platziert ist und ein erstes und ein zweites Gitter
(1424 und 1426) an der Seite eines Wellenleiters
(1420) gegenüber der
Seite, über
die ein Signal zu dem Auge des Benutzers übertragen wird, installiert
sind. Licht, das von dem Anzeigefeld (1422) ausgesendet
wird und in einem vorgegebenen Einfallswinkel über den Wellenleiter (1420)
auf das erste Gitter (1424) auftrifft, wird in einem vorgegebenen
Reflexionswinkel in die linke Richtung des Wellenleiters reflektiert.
Das reflektierte Licht breitet sich in die linke Richtung des Wellenleiters
(1420) aus und trifft dann in demselben Winkel wie der
Reflexionswinkel bei dem ersten Gitter (1424) auf das zweite
Gitter (1426) auf, das der konjugierte Punkt des ersten
Gitters (1424) ist. Licht, das auf das zweite Gitter (1426)
auftrifft, wird reflektiert und breitet sich in demselben Winkel
wie der Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1424) in
Richtung des Auges des Benutzers aus. Eine Vergrößerungslinse ist an der Oberfläche des
Wellenleiters (1420) angebracht und ermöglicht dem Benutzer das Betrachten
eines vergrößerten Signals.
Bei diesem Beispiel sind das erste und das zweite Gitter (1424 und 1426)
allesamt Reflexionstypen.
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14D zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1432), ein erstes
und ein zweites Gitter (1434 und 1436) an der
Seite eines Wellenleiters (1430), über die ein Signal zu dem Auge
eines Benutzers übertragen
wird, installiert sind. Licht eines Signals, das von dem Anzeigefeld
(1432) ausgesendet wird und in einem vorgegebenen Einfallswinkel
auf das erste Gitter (1434) auftrifft, wird in einem vorgegebenen Übertragungswinkel
zu der linken Richtung in dem Wellenleiter (1430) hin übertragen.
Das übertragene
Licht breitet sich in dem Wellenleiter (1430) aus und trifft
in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel
bei dem ersten Gitter (1434) auf das zweite Gitter (1436)
auf, das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1434)
ist. Das einfallende Licht wird in demselben Winkel wie ein vorgegebener
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1434) über das
zweite Gitter (1436) übertragen
und breitet sich in Richtung des Auges des Benutzers aus. Eine Vergrößerungslinse ist
an dem zweiten Gitter (1436) angebracht und vergrößert ein
zu übertragendes
Signal. Bei diesem Beispiel sind das erste und das zweite Gitter
(1434 und 1436) allesamt Übertragungstypen.
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14E zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1442) und ein
zweites Gitter (1446) in der entgegengesetzten Richtung
des Auges eines Benutzers platziert sind und ein erstes Gitter (1444)
an der Seite des Wellenleiters (1440), über die ein Signal zu dem Auge
eines Benutzers übertragen
wird, installiert ist. Licht, das von dem Anzeigefeld (1442)
ausgesendet wird und in einem vorgegebenen Einfallswinkel über den
Wellenleiter (1440) auf das erste Gitter (1444) auftrifft,
wird in einem vorgegebenen Reflexionswinkel durch das erste Gitter
(1444) zu der linken Richtung hin übertragen. Das reflektierte
Licht breitet sich in die linke Richtung des Wellenleiters (1440)
aus und trifft in demselben Winkel wie der Reflexionswinkel bei
dem ersten Gitter (1444) auf das zweite Gitter (1446)
auf, das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1444)
ist. Das einfallende Licht wird in demselben Winkel wie der vorgegebene
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1444) durch das zweite
Gitter (1446) reflektiert und breitet sich in Richtung
des Auges des Benutzers aus. Eine Vergrößerungslinse ist an der Fläche des
Wellenleiters (1440) angebracht und ermöglicht dem Benutzer das Betrachten
eines vergrößerten Signals.
Bei diesem Beispiel sind das erste und das zweite Gitter (1444 und 1446)
allesamt Reflexionstypen.
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14F zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1452) und ein
erstes Gitter (1454) in der entgegengesetzten Richtung
des Auges eines Benutzers platziert sind und ein zweites Gitter
(1456) an der Seite eines Wellenleiters (1450), über die
ein Signal zu dem Auge eines Benutzers übertragen wird, installiert
ist. Licht eines Signals, das von dem Anzeigefeld (1452)
in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das erste Gitter (1454)
auftrifft, wird in einem vorgegebenen Übertragungswinkel zu der linken
Richtung in dem Wellenleiter (1450) hin übertragen.
Das übertragene
Licht breitet sich in dem Wellenleiter (1450) aus und trifft
in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel
bei dem ersten Gitter (1454) auf das zweite Gitter (1456)
auf, das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1454)
ist. Das einfallende Licht wird über das
zweite Gitter (1456) in demselben Winkel wie der vorgegebene
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1454) übertragen
und breitet sich in Richtung des Auges des Benutzers aus. Eine Vergrößerungslinse ist
an dem zweiten Gitter (1456) angebracht und vergrößert ein
zu übertragendes
Signal. Bei diesem Beispiel sind das erste und das zweite Gitter
(1454 und 1456) allesamt Übertragungstypen.
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14G zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1462) und ein
zweites Gitter (1466) an der Seite eines Wellenleiters
(1460) gegenüber
der Seite, über die
ein Signal zu dem Auge eines Benutzers übertragen wird, platziert sind,
und ein erstes Gitter (1464). Licht, das in einem vorgegebenen
Einfallswinkel über den
Wellenleiter (1460) auf das erste Gitter (1464)
in dem Wellenleiter (1460) auftrifft, wird in einem vorgegebenen
Reflexionswinkel zu der linken Richtung hin übertragen. Das reflektierte
Licht breitet sich in dem Wellenleiter (1460) aus und trifft
dann in demselben Winkel wie der Reflexionswinkel bei dem ersten
Gitter (1464) auf das zweite Gitter (1466) auf,
das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1464) ist.
Das einfallende Licht wird in demselben Winkel wie der vorgegebene
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1464) über das
zweite Gitter (1466) übertragen
und bewegt sich in Richtung des Auges des Benutzers. Eine Vergrößerungslinse
ist an dem zweiten Gitter (1466) angebracht und vergrößert ein
zu übertragendes
Signal. Bei diesem Beispiel ist das erste Gitter (1464)
ein Reflexionstyp und das zweite Gitter (1466) ist ein Übertragungstyp.
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14H zeigt die Struktur eines monokularen tragbaren
Anzeigesystems, bei dem ein Anzeigefeld (1472) und ein
erstes Gitter (1474) in der Richtung des Auges eines Benutzers
platziert sind und ein zweites Gitter (1476) an der Seite
eines Wellenleiters (1470), über die ein Signal zu dem Auge
des Benutzers übertragen
wird, installiert ist. Licht, das von dem Anzeigefeld (1472)
in einem vorgegebenen Einfallswinkel ausgesendet wird, wird in einem
vorgegebenen Übertragungswinkel über das
erste Gitter (1474) in die rechte und die linke Richtung
in dem Wellenleiter (1470) übertragen. Licht, das in den
Wellenleiter (1470) hinein übertragen wird, breitet sich
in die linke Richtung des Wellenleiters (1460) aus und trifft
dann in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel bei dem ersten
Gitter (1474) auf das zweite Gitter (1476) auf,
das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1474) ist.
Licht, das auf das zweite Gitter (1476) auftrifft, wird
in demselben Winkel wie der Einfallswinkel bei dem ersten Gitter
(1474) reflektiert und breitet sich in Richtung des Auges
des Benutzers aus. Eine Vergrößerungslinse
ist an der Oberfläche
des Wellenleiters (1470) angebracht und ermöglicht einem
Benutzer das Betrachten eines vergrößerten Signals. Bei diesem
Beispiel ist das erste Gitter (1474) ein Übertragungstyp
und das zweite (1466) ist ein Reflexionstyp.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist festzustellen, dass eine Vielfalt monokularer
tragbarer Anzeigesysteme in Abhängigkeit
von der Anordnung eines Anzeigefelds und von Gittern an einem Wellenleiter verwirklicht
werden kann. Entsprechend ist es möglich, andere Beispiele abzuleiten,
die dieselbe Struktur wie die oben beschriebenen Beispiele aufwei sen, wobei
aber die Ausbreitungsrichtung von Licht unterschiedlich ist, d.
h. Licht breitet sich in die rechte Richtung aus.
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15A ist ein anderes Vergleichsbeispiel für ein monokulares
tragbares Anzeigesystem. Bei diesem Beispiel ist ein Anzeigefeld
(1500) an dem Ende eines Wellenleiters (1504)
platziert und ein erstes Gitter (1506) ist parallel zu
dem Anzeigefeld (1500) angeordnet. Ein zweites Gitter (1508),
das der konjugierte Punkt des ersten Gitters (1506) ist,
ist in der entgegengesetzten Richtung des Auges eines Benutzers
in der Mitte des Wellenleiters (1504) positioniert. Licht
eines Signals, das von dem Anzeigefeld (1500) ausgesendet
wird, trifft in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das erste
Gitter (1506) auf und wird dann in einem vorgegebenen Übertragungswinkel über das
erste Gitter (1506) in den Wellenleiter (1504)
hinein übertragen.
Das übertragene
Licht trifft dann in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel auf das zweite
Gitter (1510) auf. Licht, das auf das zweite Gitter (1510)
auftrifft, wird in Bezug auf das zweite Gitter (1510) in
demselben Winkel wie der Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1506)
reflektiert und breitet sich in Richtung des Auges des Benutzers aus.
Eine Vergrößerungslinse
(nicht gezeigt) wie ein Okular ist an der Oberfläche des Wellenleiters (1504) dort,
wo das reflektierte Licht ankommt, angebracht und vergrößert das
Signal. Bei diesem Beispiel ist das erste Gitter (1506)
ein Übertragungstyp
und das zweite Gitter (1508) ist ein Reflexionstyp.
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15B ist noch ein anderes Vergleichsbeispiel für ein monokulares
tragbares Anzeigesystem, das dieselbe Struktur wie dasjenige von 15A aufweist, jedoch unterschiedliche Gittertypen übernimmt.
Auch bei diesem Beispiel ist ein Anzeigefeld (1520) an
dem Ende eines Wellenleiters (1524) platziert und ein erstes
Gitter (1526) ist parallel zu dem Anzeigefeld (1520)
angeordnet. Ein zweites Gitter (1530), das der konjugierte
Punkt des ersten Gitters (1526) ist, ist in der Richtung
des Auges des Benutzers in der Mitte des Wellenleiters (1524)
platziert. Licht eines Signals, das von dem Anzeigefeld (1520) ausgesendet
wird, trifft in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das erste
Gitter (1526) auf und wird dann in einem vorgegebenen Übertragungswinkel über das
erste Gitter (1526) in den Wellenleiter (1524)
hinein übertragen
und das übertragene
Licht trifft in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel auf das zweite
Gitter (1530) auf. Licht, das auf das zweite Gitter (1530)
auftrifft, wird in demselben Winkel in Bezug auf das zweite Gitter
(1550) in dem Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1526)
reflektiert und bewegt sich in Richtung des Auges des Benutzers. Eine
Vergrößerungslinse
(nicht gezeigt) ist an der Oberfläche des Wellenleiters (1524)
dort, wo das reflektierte Licht ankommt, angebracht und vergrößert das
Signal. Bei diesem Beispiel sind das erste und das zweite Gitter
(1526 und 1530) Übertragungstypen.
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In
den 15A und 15B ist
ein Anzeigefeld an dem linken Ende eines Wellenleiters positioniert.
Die Position eines Anzeigefeldes kann jedoch je nach Konstruktion
variieren. In diesem Fall muss ein erstes Gitter nicht unbedingt
an demselben Ende eines Wellenleiters platziert sein, an dem eine
Anzeige platziert ist.
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Ein
dreidimensionales Bild kann durch gleichzeitiges Tragen der oben
beschriebenen beiden monokularen tragbaren Anzeigesysteme, eines an
jedem Auge, verwirklicht werden, wobei dasselbe Signal mit einem
Zeitunterschied auf den beiden monokularen tragbaren Anzeigesystemen
angezeigt wird und somit ein dreidimensionales Bild erreicht werden
kann.
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Die 16A und 16B stellen
das Entfernen chromatischer Aberration durch die Gitter dar, die
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Chromatische Aberration
tritt auf, wenn die Fokusse der R-, G- und B-Komponenten eines einfallenden
Farbsignals nicht auf einem Punkt konvergiert werden, dass heißt, dass
unterschiedliche Farbbilder an unterschiedlichen Stellen gebildet
werden. Wenn sich ein Farbsignal über die Gitter, die bei der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, ausbreitet, können unterschiedliche
Farben an einer Stelle fokussiert werden, indem Gitter mit einer
konjugierten Beziehung kombiniert werden.
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Mit
Bezugnahme auf 16A sind ein erstes Gitter (1600)
und ein zweites Gitter (1610) beide Übertragungstypen und R-, G-
und B-Farbkomponenten eines einfallenden Signals werden über das erste
Gitter (1600) in unterschiedlichen Übertragungswinkeln übertragen.
Jede der übertragenen Farbkomponenten
trifft in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel bei dem ersten
Gitter (1600) auf das zweite Gitter (1610) auf,
wird über
das zweite Gitter (1610) in demselben Einfallswinkel wie
derjenige bei dem ersten Gitter übertragen
und trifft dann parallel mit den anderen auf eine Vergrößerungslinse (1620),
wie ein Okular, auf. Jede der Farbkomponenten, die die Vergrößerungslinse
(1620) parallel erreichen, wird mit derselben Brennweite über die
Vergrößerungslinse
(1620) fokussiert, wobei chromatische Aberration entfernt
wird.
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16B zeigt R-, G- und B-Komponenten eines einfallenden
Signals, das in dem Fall erster und zweiter Übertragungstyp-Gitter (1630 und 1640)
in einem vorgegebenen Winkel auf ein erstes Gitter (1630)
auftrifft. Die R-, G- und B-Komponenten, die in einem vorgegebenen
Winkel auf das erste Gitter (1630) auftreffen, breiten
sich in unterschiedlichen Übertragungswinkeln
aus und treffen in demselben Winkel wie der Übertragungswinkel auf das zweite Gitter
(1640) auf. Jede der einfallenden Farbkomponenten durchläuft das
zweite Gitter (1640) in demselben Winkel wie der vorgegebene
Einfallswinkel bei dem ersten Gitter (1630) und trifft
dann parallel auf eine Vergrößerungslinse
(1650), wie ein Okular, auf. Die Vergrößerungslinse (1650)
ermöglicht,
dass parallel einfallende Farbkomponenten mit derselben Brennweite
fokussiert werden, wobei chromatische Aberration entfernt wird.
Das Entfernen von chromatischer Aberration wird mit den oben beschriebenen Gittern,
die eine konjugierte Beziehung aufweisen, erreicht.
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Das
oben angegebene tragbare Anzeigesystem kann durch Einbau eines Wellenleiters
und von Gittern oder eines Wellenleiters und eines Okulars oder
eines Wellenleiters und von Gittern und eines Okulars in einen Einzelkörper erreicht
werden.
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Der
oben beschriebene Wellenleiter besteht aus Glas oder Kunststoff
oder im Besonderen aus Acrylsubstanz (PMMA).
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Die
Vergrößerungslinse
kann aus einem holographischen optischen Element (HOE) oder einem optischen
Beugungs-Element (DOE) hergestellt sein. Eine Beugungslinse, eine
Brechungslinse, eine Kombination aus einer Beugungslinse und einer
Brechungslinse oder asphärische
Linsen werden als die Vergrößerungslinse
verwendet.
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Die 17A bis 17C stellen
die Gittertypen dar, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können. 17A zeigt ein rechteckiges Binärgitter zum Beugen von Licht
in beide Richtungen. 17B zeigt ein hartgelötetes Gitter,
das sägezahnförmig ist
und Licht in lediglich eine Richtung beugt. 17C zeigt
ein Gitter, das mehrschichtig ist und dazu konstruiert ist, die
Beugungswirkung zu steigern. Zusätzlich
zu diesen Typen kann ein Hologrammgitter übernommen werden. Diese Gitter
können
aus einem holographischen optischen Element oder einem optischen
Beugungs-Element hergestellt sein.
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Die 18A bis 18E stellen
eine Vielfalt von Okularen dar.
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Mach
der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung kann ein kompakteres
tragbares Anzeigesystem mit leichterem Gewicht verwirklicht werden, indem
die Anzahl optischer Komponenten auf ein Minimum verringert wird,
und die Komplexität
und die Kosten beim Herstellen eines Anzeigesystems können verringert
werden. Zusätzlich
kann ein Anzeigesystem durch Einbau eines Wellenleiters, von Gittern und
eines Okulars in einen Einzelkörper
in großem Rahmen
produziert werden und des Weiteren kann chromatische Aberration
durch konjugierte Gitter entfernt werden.
